浮法抛光超光滑表面加工技术

浮法抛光超光滑表面加工技术
摘要
浮法抛光技术第一显现于日本，是加工超光滑表面的先进技术之一。

本文介绍用浮法抛光加工超光滑表面的机械结构和加工过程，与传统的沥青抛光方法进行比较，分析材料去除机理。

最后简单介绍我国研究浮法抛光技术的进展。

正文
一、浮法抛光技术的产生与现状
光学零件的加工差不多包括切割成型、研磨、抛光三道工序；最终的光学表面质量由抛光决定，因此抛光是最重要的工序。

通常高质量光滑表面的抛光是以沥青或纤维等弹性材料作磨盘，配以抛光液或研磨膏来达到技术要求。

近年来，光学及微电子学极大地推动了光学加工技术的进展。

大规模或超大规模集成电路对所用基片(通常为硅、锗等材料)的表面精度提出了专门高的要求；短波段光学的进展专门是强激光技术的显现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。

表面粗糙度低于1nm rms的超光滑表面加工技术已成为光学及微电子学基础技术领域的重要课题。

靠传统的体会依靠性的光学加工方法是不能满足日益进展的光学、电子学要求的。

国内外已有许多科学家在探究加工高精度超光滑表面的各种技术。

一样原子直径小于0.3nm，而超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸，因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。

1997年，日本大坂大学的难波义治教授发明了浮法抛光(Float Polishing)加工超光滑表面技术。

通过使用这项技术，可使刚玉单晶的平面面形达到λ/20，表面粗糙度低于1nm Rz。

1987年的研究报告说明，使用浮法技术进行多种材料的抛光实验，对φ180mm的工作，能够达到表面粗糙度优于o.2nm rms，平面度优于λ/20=0.03μm。

目前在日本，浮法抛光技术应用专门广泛，专门是用于录音机、录像机或运算机的磁头生产；每年有2500万个磁头确实是采纳这项技术制造的。

近年来，德国也在研究类似抛光技术。

德国Ulm大学的欧威(O. Weis)研究说明，对白宝石材料的φ7mm的工件进行抛光，30分钟后达到表面粗糙度小于0.05nm的结果。

将浮法抛光样品与一般抛光样品比较能够发觉浮法抛光有许多优点。

一般沥青式抛光使用硬度大于工件的磨料，也能够获得所谓超光滑表面的粗糙度指标，但对磨盘的平面度的修正专门有讲究，这阻碍到被抛光工件的面形。

一般抛光后的工件，其边缘几何尺寸总不太好，经常有塌边或翘边现象；同时在高倍显微镜下能够看到表面有塑性畸变层。

应用浮法抛光法技术获得的超光滑表面，不仅具有较好的表面粗糙度和边缘几何形状，而且抛光晶风光有理想完好的晶格，亚表面没有破坏层，同时由抛光引起的表面残余应力极小。

二、浮法抛光机的机械结构与抛光过程
浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。

在对工件进行浮法抛光前，被加工工件第一要进行预抛光，干燥。

就能够浮法抛光。

抛光过程中，抛光液随磨盘旋转；由于流体运动产生动压，工件与磨盘之间形成一层薄薄的液膜，使得工件浮在磨盘上旋转，保持软接触。

液体旋转时的离心作用使抛光液中粒度稍大的颗粒被甩到四周，并慢慢沉到底部，如此夹在磨盘与工件间的液膜中的磨料越来越精细平均；被加工光学表面越来越光滑，最后达到超光滑。

工件的面形要紧由磨盘面形决定，浮法抛光中，由于锡材料本身的特性，其硬度及流淌性适中，在抛光中锡盘的磨损能够忽略，因而锡盘的平面度是专门容易操纵的；如此保证了工件面形的稳固性。

传统抛光的体会性要紧是由于沥青盘的抛光中变形决定的；使用锡盘后，这种体会性抛光就能够成为稳固抛光。

三、浮法抛光的去除机理
浮法抛光表面粗糙度可达到亚纳米量级，接近原子尺寸，工件材料的去除是原子水平上进行的。

工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体，从而被去除。

原子的去除过程，是磨料与工件在原子水平的碰撞、扩散、填补过程。

四、磨料的选取
依照去除机理，利用外表面层与主体原子结合能的差异，任何材料都可作为磨料去除工件表层原子，能够获得无晶格错位与畸变的表面。

在进行浮法超光滑表面的抛光中，选择合适的材料作为磨料专门重要。

一样用于浮法抛光的磨料为粒度约7nm的SiO2微粉。

综上所述，浮法抛光技术的关键在于：
1.高面形精度的锡盘，以此来保证工件面形的高精度。

1.粒度小于20nm的磨料，目的在于增大工件与磨盘的接触面积，增多磨料颗粒与工
件表面的碰撞机会，达到原子量级去除的目的。

2.抛光液将工件和磨盘浸没，靠流体作用形成工件与磨盘间液膜，为磨料颗粒与工件
的碰撞提供环境。

五、我国的研究现状
长春光机所应用光学国家重点实验室，在短波段光学的带动下，从1992年开始研究浮法抛光技术，已研制出一台抛光原理样机，并进行了大量实验。

目前对K9玻璃样片的抛光实验结果说明，表面粗糙度优于1nmRa。

所使用磨料粒度约为25nm。

有关实验正在连续进行，同时一台高精度的浮法抛光实验样机正在研制中。

（来源：《光学技术》1995年第3期）
运算机操纵光学加工过程中的技术难点及解决方法
0 引言
运算机操纵表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing,简称CCOS)是七十年代初进展起来的一门新兴光学加工技术，它利用运算机操纵一个比被加工工件小得多的研磨头或抛光头在工件表面上移动，通过操纵磨头与工件间的相对运动速度，压力以及磨头在表面某一区域的停留时刻实现对材料去除量的操纵。

由于运算机数据处理速度快、操纵准确、经历可靠，因此，能够极大提高工作效率及加工质量，降低对操作人员技术的依靠性，因此具有宽敞的进展前景。

目前国外应用这一技术差不多加工出各种大口径周密光学表面，包括手工难以加工的对称或非对称的非球面。

应用该技术形成一个高精度的光学表面的原理框图。

如图1所示。

图1 CCOS加工流程示意图
1 CCOS的差不多原理
描述材料去除量与其阻碍因素之间关系的数学模型是Preston方程：
(1)
式中——单位时刻材料去除量；
K——与加工条件及材料性能有关的系数；
P——磨头与工件间的相对压力；
V——磨头与工件间的相对运动速度。

定义磨头的工作函数R(x,y)为磨头覆盖区域内材料去除量的分布函数：
R(x,y)=K∫TOV(x,y,t)·P(x,y,t)dt，
式中T——加工周期。

若考虑压力P为常量，则t式变为：
R(x,y)=KP∫TOV(x,y,t)dt定义D(x,y)为磨头中心在表面任一点(x,y)周围区域的驻留时刻函数，并考虑当小磨头与工件表面吻合良好且加工过程中不露出工件边缘时压力P为常量，如此在工件表面上移动磨头并在每一区域停留相应的时刻，然后将各区域材料去除量叠加起来即可确定整个表面的材料去除量，它是磨头的工作函数与驻留时刻的卷积，即：
Z(x,y)=R(x,y)**D(x,y)(2)
式中**——两维卷积。

设原始表面误差为W0(x,y)，则加工后表面误差W(x,y)为：
W(x,y)=W0(x,y)-NR(x,y)**D(x,y)(3)
N为加工次数，(3)式确实是运算机模拟的最重要的理论依据。

2 CCOS加工中的关键问题及解决方法
一样光学加工的差不多步骤为：成形粗磨、精磨抛光，衡量每一过程加工质量的指标是：面形误差的收敛速度；下表面破坏层深度的操纵；边缘磨削量的操纵，即边缘效应的去除。

上述环节解决的好坏将直截了当阻碍到被加工工件的表面质量，处理好这些技术难点多年来一直为各国光学技术人员所关注〔１〕。

本文在理论分析及工艺实验的基础上做了以下研究。

图2 下表面结构示意图
2.1 微量磨削技术(Microgrinding)的研究
传统的抛光工序一样在被加工表面RMS误差为1～3μm时开始，这时研磨工序在工件下表面留下一个裂纹层，称之为破坏层，其深度可达几个微米甚至更多，如图2所示。

它的存在会严峻阻碍光学零件的表面质量，必须抛掉，但由于抛光工艺的加工效率较低，要抛去这一破坏层需要好几个加工周期，加工效率极大降低；另外由于传统研磨后工件的表面质量专门差，不能进行定量的干涉测量，从而也就不能提供数据指导CCOS加工。

这一直是CCOS过程中急待解决的问题。

本文提出用固着金刚石丸片为磨头，在细磨和抛光工序之间加入微量磨削工序，通过大量工艺实验获得了最佳工艺参数组合〔２〕，加工后的工作表面可直截了当进行干涉计量，并使下表面破坏层深度降至最低。

如图3所示，这一结果提高了细磨和抛光时期的加工及检测效率，使CCOS技术前进了一步。

(a)微量磨削后可直截了当进行干涉计量的表面(b)裂纹层深度已降低，包含在
表面粗糙度起伏当中(1000×)
图3 固着金刚石丸片微磨削结果
2.2 边缘效应的排除
本文提到的CCOS技术，保持压力恒定靠操纵磨头在工件表面的驻留时刻来操纵去除量，因此当磨头移动到工件边缘而不露边时，由于最边缘区域的相对加工时刻小于中间区域，则去除量减少，工件发生“翘边”；反之，当磨头部份露出工件边缘时，由于相对压力增大，使边缘区域去除量增加，工件发生“塌边”。

这两种现象都使工件边缘去除量难以操纵，严峻阻碍面形误差收敛，称之为边缘效应。

我们通过理论运算及实验研究，确定了磨头在工件边缘区域运动时的修正函数，经修正使边缘误差得以收敛，从而排除了边缘效应〔３〕。

该方法的差不多思路是：设工件边缘面形误差函数为E(x,y)，而磨头露边后由于压力P不恒定，则工作函数的修正函数为：
Rm(x,y)=R(x,y)·P(x,y,n)
式中P(x,y,n)——边缘区域磨头与工件间的相对压力；
n——与露边程度等因素有关的变量。

如此利用卷积迭代法，以E(x,y)为迭代初值，便可求出边缘区域去除量，即：
Zm(x,y)=Rm(x,y)**E(x,y)
**表示卷积。

按上式操纵修抛就可使边缘误差收敛，实验结果如图4所示。

3 FSGJ-1型非球面自动加工机床介绍
3.1 设计特点
这是一台四轴联动集成形、抛光及在线检测于一体的非球面自动加工机床。

它能够沿着X，Y，Z轴移动，还能够沿着C轴转动，如此便可加工各种球面和非球面，专门是非回转对称的离轴非球面。

最大加工直径为Φ600mm，相对孔径为1∶4。

3.2 工艺实验情形
图4 边缘去除量的操纵结果
应用自行编制的应用程序可依照面形误差自动选择加工方案并生成加工代码，从而指导CNC单元操纵加工，通过几个加工周期可使面形误差收敛。

4终止语
CCOS技术极大提高了加工精度及效率，实验证明其差不多理论正确；本文研制的FSGJ-1型非球面自动加工机床性能可靠，适用于非球面的加工；CCOS中关键问题“边缘效应”的解决方法已在该机床上得到验证，用加工非球面的方法抛光中Φ230mm的球面仅用15小时便使面形误差下降到(1)/(8)λRMS，而且边缘误差得到了专门好的操纵，其波动在±15%之间，完全满足光学表面的要求。

磁流变抛光技术*
张峰余景池张学军王权陡
摘要对磁介质辅助抛光技术20年来的进展作了简要的回忆,进而介绍了磁流变抛光技术的产生和进展背景、抛光机理及微观说明、数学模型,同时提
出了这种抛光技术的关键所在,并对其进展以后进行了展望。

关键词磁介质辅助抛光磁流变抛光磁流变抛光液凸缎带抛光区中图分类号TQ171.684 文献标识码 A
Magnetorheological Finishing Technology
ZHANG Feng, YU Jing-Chi, ZHANG Xue-Jun, WANGQuan-Dou
（The State Key Lab. of Applied Optics, Changchun Institute of Optics andFine M
echanics,
Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022 ）
Abstract The developing of magnetic media-assisted finishing technology in the las t 20 years is reviewed in this paper. Producing, developing,mechanism and microm echanism and mathematical model of magnetorheological finishing are described in detail. The key technology and the future of finishing are also given in the paper.
Key Words：Magnetic media-assisted finishing，Magnetorheological finishing，Magnetorheological polishing fluid，Convex ribbon，Polishing spot
1 引言
随着科学技术的进步，各个学科交叉进展，形成了许多新领域，产生了专门多新技术。

关于光学加工技术，人们也不断地进行探究。

80年代初期，日本有人将磁场用于光学加工，形成了磁介质辅助抛光方法。

1984年，Y.Tain和
K.Kawata［1］利用磁场辅助抛光对聚丙烯平片进行加工。

图1为这种加工方法的原理示意图。

Fig.1 Polishing of acrylic plates with SiC abrasives in a magnetic fluid composed of 15nm diameter magnetic particles.The pole pieces serve as the reference lapping surface for the workpiece.
他们将一些N、S极相间的长条形永久磁铁紧密相连排成一列形成非平均磁场（磁通密度大约0.1T）。

将盛有非磁性抛光粉（碳化硅，直径4μm，体积含量40%）和磁性液体（直径为10～15nm的四氧化三铁磁性微粒平均地混合在二十烷基萘基液中）的平均混合液的圆形容器放置在那个磁场中。

磁场梯度使抛光粉浮起来与浸在磁性液体中的工件相接触。

在加工过程中，工件与容器同时旋转来实现对材料的去除，其材料去除率为2μm／min。

通过一小时的抛光工件表面粗糙度降低了10倍。

1987年，Y.Satio等［2］人又在水基的磁性液体中对聚丙烯平片进行了抛光。

这种方法的缺点是抛光压力较小，不能对玻璃或其它较硬材料进行抛光，同时不能对工件面形进行较为有效的操纵。

1989年，Suzuki等［3］人用柔性的橡胶垫和聚氨酯将铜盘槽内的磁性液体密封。

工件浸于聚氨酯上方的抛光液中。

在磁场的作用下，磁性液体受力作用到橡胶垫和聚氨酯抛光盘上，柔性的聚氨酯抛光盘受力变形，使其形状与工件面形相吻合来实现对工件进行抛光的。

他们对曲率半径为50mm的硬而脆的晶体进行抛光。

通过30min的抛光，工件表面粗糙度从15nm降到1nm（1.7nmrms），面形误差从0.4μm降低到0.3μm。

这种方法尽管能够获得较大的抛光压力，但
专门不容易操纵。

1993年，他们又对直径为40mm的非球面Pyrex玻璃工件进
行了试验，其材料去除率为2～4μm/h，仍没有实现对工件的边缘进行操纵［4］。

1994年显现一种叫“磁性液体研磨”的光学加工方法［5］。

这种方法是在磁性液体中放一个“浮体”，在磁场的作用下，磁性液体给“浮体”以力的作用，使其与工件相接触来进行抛光。

如此，以整个“浮体”所受的力来代替原先单个抛光粉所受的力，使抛光压力大大加强。

这种方法比较适合陶瓷材料加工。

另有一种称之为“磁微粉抛光”的光学加工方法［6］。

这种方法适合轴的抛光。

将轴的周围放置专门多磁性抛光粉，在外磁场的作用下，磁性抛光粉聚结在一起形成“磁粉刷”。

当轴旋转时，轴与“磁粉刷”摩擦，从而对轴进行抛光。

这种方法适合于钢或陶瓷的加工。

这些磁介质辅助抛光方法，或者抛光效率太低，或者产生较大的破坏层，或者抛光不易操纵，总之都存在一定的缺陷。

2 磁流变抛光技术的产生和进展背景
为了获得高精度面形和不产生破坏层，有人将流体动力学理论引入光学加工形成一些非接触抛光方法。

较有代表性的一种方法称之为“水上飞机抛光”，它是基于流体动力学润滑理论［7］。

这种抛光方法是如此的，当一个沿圆周方向具有多个倾斜表面的圆盘在液体中旋转时，液楔产生的流体压力使圆盘表面上的工件浮起。

当随着流体运动的抛光粉颗粒通过工件由于浮起而与圆盘之间形成的间隙时，不断地撞击工件表面，从而引起材料的去除。

其缺点是抛光压力小，效率低。

另一种方法叫“弹性发射机”抛光［8～10］。

工件和放在其上的小球一起浸没在抛光液中，由于流体效应，当小球旋转时，小球和工件之间形成一层专门薄的润滑膜，抛光粉随着流体进入润滑膜引起对工件的去除。

有人认为其抛光机理
是如此的，抛光粉颗粒进入润滑膜时便与工件表面原子相结合，当抛光粉颗粒随流体流走时，工件表面上与抛光粉颗粒结合在一起的原子也随之流走，从而实现对工件表面材料的去除。

这些非接触抛光方法尽管不产生下表面破坏层，然而其抛光效率较低。

为了既提高抛光效率，使抛光过程容易操纵，又不产生下表面破坏层，90年代初，William I. Kordonski, I. Prokhorov及合作者［11～12］将电磁学、流体动力学理论、分析化学结合于光学加工中，发明了磁流变抛光（MRF）技术。

这种方法利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光的。

在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光液变硬，成为具有粘塑性的Bingham介质。

当这种介质通过工件与运动盘形成的专门小间隙时，对工件表面与之接触的区域产生专门大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。

1995年，Rochester大学的光学加工中心（COM）利用MRF方法对一批直径小于50mm的球面和非球面光学元件进行了加工［13～14］。

结果材料为熔石英的球面元件表面粗糙度降到0.8nm(rms），面形误差为0.09μm。

材料为BK7的非球面元件表面粗糙度降到1nm（rms），面形误差为0.86μm。

这些光学元件都达到了图纸要求。

1996年，他们用流体动力学润滑的理论对磁流变抛光进行了初步的理论分析［15］。

他们发觉MRF中的流体运动形式类似于轴颈轴承润滑时流体的运动形式，并对MRF中的剪切应力进行了理论推导。

同时，他们建立了一套完整的磁流液循环、搅拌、散热系统。

并做了大量的实验，将工件轴在不同角度时，不同面形和材料的试验件形成的抛光区编成代码储存起来，以便实现数控［16］。

1997年，COM的研究人员对初始面形精度为30nm（rms）左右的熔石英及其它六种玻璃材料光学元件进行试验，通过5～10min的抛光，面形精度达到了1nm 左右。

同时，他们又对磁流变抛光液成分进行了化学分析，通过以氧化铝或金刚石微粉等非磁性抛光粉代替原磁流变抛光液中的非磁性抛光粉氧化铈，较为成功地对一些红外材料进行了抛光［17］。

1998年4月，他们将快速文本编辑程序（QED）技术引入Q22型磁流变抛光机中，大大缩短了抛光时刻，提高了抛光效率。

这是MRF技术商业化进程上的一大飞跃。

目前，他们正对磁流变抛光过程的化学原理和机械原理进行连续而深入的研究，以便使这项光学加工技术更加趋于成熟。

3 磁流变抛光技术的抛光机理及微观说明
3.1 磁流变抛光技术的抛光机理
以用磁流变抛光技术加工凸球面光学元件为例，阐述这种抛光方法的抛光机理。

图2为磁流变抛光方法加工凸球面的原理示意图。

被加工工件位于运动盘上方，并与运动盘成一专门小的固定不变的距离，因此工件表面与运动盘表面形成了一个凹间隙。

磁极置于工件和运动盘的下方，同时在工件和运动盘所形成的小间隙邻近形成一个高梯度磁场。

运动盘内盛有磁流变抛光液，当磁流变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成的小间隙邻近时，梯度场使之聚结、变硬，形成一凸起缎带，成为具有粘塑性的Bingham介质。

如此具有较高运动速度的Bingham介质通过小间隙时，对工件表面与之接触的区域产生专门大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。

Fig.2 Scheme of MR finishing
工件表面被抛光的区域称为抛光区。

从图2中能够看出，工件轴除了能够绕自身轴线作回转运动外，还能够作以轴上某点为中心，以工件的曲率半径为半径的摆动。

因此工件表面的各个带区都能够通过抛光区，从而实现对工件整个表面的材料去除。

通过操纵工件表面各个带区在抛光区内的停留时刻，来操纵各带区材料的去除量，进而精修工件面形。

抛光区的大小和形状取决于专门多因素，如磁流变抛光液的成份，磁流变抛光液被送入磁场之前的机械成型方式，工件表面被抛光部分的形状，工件浸入磁流变抛光液地深度，抛光区磁场强度的分布以及工件的机械性能等。

在磁流变抛光过程中，应对这些因素加以操纵，以便确保抛光区的稳固性。

磁流变抛光方法，能够认为是以磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区范畴内形成的具有一定硬度的“小磨头”代替散粒磨料抛光过程中的刚性抛光盘。

在磁场的作用下，磁流变抛光液变硬，粘度变大，同时“小磨头”的形状和硬度能够由磁场实时操纵，而阻碍抛光区稳固性的其它因素都固定不变。

如此既能通过操纵磁场来操纵抛光区的大小和形状，又能确保在一定磁场强度下抛光区的稳固性。

这些优点是传统的刚性抛光盘所无法比拟的。

3.2 磁流变抛光的微观说明
磁流变液由磁性颗粒、基液和稳固剂组成［18］。

磁性颗粒常选用球形金属或铁氧体磁性材料，其微粒尺寸范畴一样为0.01～10μm。

用于磁流变抛光的磁流变液的基液应该是具有良好流淌性（无外加磁场情形下）和热稳固性的无污染的绝缘介质，如水、硅油等。

稳固剂必须有专门的分子结构：一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的钉扎功能团；另一端还需有一个极易分散于基液中去的适当长度的弹性基团。

稳固剂使磁性颗粒稳固的悬浮于基液中。

将抛光粉颗粒混合于磁流变液中就形成了磁流变抛光液。

在无外加磁场的情形下，抛光粉颗粒或者平均的分布在磁流变液中，或者与磁流变液分离而存在于其表面。

当有外加磁场作用时，磁流变液中磁性颗粒聚结成链状结构，抛光粉颗粒受力浮于磁流变液表面，与工件相接触。

在抛光过程中，抛光粉颗粒和磁性颗粒同时作用于工件表面，由于磁性微粒和抛光粉颗粒硬度差不多，有的种类的磁性颗粒硬度甚至高于抛光粉微粒，因此它们都对工件的材料去除有奉献。

图3描画了磁场作用下微粒的运动情形。

那个抛光过程中的化学作用和物理作用还有待于进一步研究。

Fig.3 Idealized drawing to depict particlemotion in a magnetic field 4 磁流变抛光材料去除率的数学模型
磁流变抛光是一种先进的光学加工技术。

其数学模型建立的依据是在光学加工上，被实验所验证了的，并为人们所普遍同意的Preston 方程。

由Preston 方程，材料的去除率可表示为：
（1）
其中，K——Preston系数
W——抛光区内磁流变抛光液的抛光功率
μ——抛光区内磁流变抛光液与工件的摩擦系数
τ——抛光区内磁流变抛光液的剪切应力
U——抛光区内磁流变抛光液的最大运动速度（运动盘在抛光区的线速度）在那个模型中以磁流变抛光液的剪切应力代替传统抛光中正压力是因为在抛光过程中,要紧是依靠磁流变抛光液的剪切应力进行工件材料去除的,同时关于磁流变液来说,研究剪切应力更方便一些。

剪切应力τ的确定比较复杂，可由Bingham模型和流体动力学润滑理论推导出［15］。

在磁场中，磁流变抛光液的流变特性满足Bingham方程，其剪切应力τ可表示为下式：
τ=η
0+τ
sign() （2）。