基于双磨头的磁流变抛光机床与工艺研究

基于双磨头的磁流变抛光机床与工艺研究

黄文;张云飞;郑永成;罗清;侯晶;袁志刚

【摘要】针对传统单磨头磁流变抛光技术的不足，提出了一种新的双磨头磁流变

抛光方法，并研制了一台八轴数控双磨头磁流变抛光机，具备了大口径平面、非球面及连续位相板的超精密、高效率加工能力。分别研究了大、小磨头材料去除特性及面形修正能力，不仅获得了稳定、有效的大、小抛光斑，而且获得了超精的大、小平面工艺样件。φ50 m m小平面经小磨头一次连续抛光，在φ45 mm内其面

形精度PV由0．21λ收敛至0．08λ、RMS由0．053λ收敛至0．015λ；430 mm ×430 mm大平面经大磨头3次迭代抛光，在410 mm ×410 mm内其面形精度PV由0．4λ收敛至0．1λ、RM S由0．068λ收敛至0．013λ。由此表明，所研制的双磨头磁流变抛光机床具有较好的材料去除特性和较强的面形修形能力。%Aiming at some deficiencies of traditional one-polishing-head magnetorheological fin-ishing (MRF) technique ,a new two-polishing-head MRF method was studied and a two-polis-hing-head computer controlled MRF machine with 8 axes was developed .The machine has the ability to produce large aperture flat ,asphere and continuous phase plate with high figure accu-racy and high material removal rate .Material removal characteristic and figure correction abil-ity for each of large and small polishing heads were studied .Each of two heads individually ac-quired stable and valid polishing removal function and ultra-precision flat

sample .After a sin-gle polishing iteration using small polishing head ,the figure error peak value(PV) in 45 mm diameter of a 50 mm diameter small plano optics significantly improved from 0 .21 λ to 0 .08λ(0 .053λ to 0 .015

λ root-mean-square) .After three polishing iterations using large polishing head ,the figure error in 410 mm × 410 mm of a 430 mm × 430 mm large plano optics significant-ly improved from 0 .40λto 0 .10λPV (0 .068λto

0 .013λRMS) .These results show that the two-polishing-head MRF machine has good material removal stability and excellent figure cor-rection capability .

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2014(000)003

【总页数】6页(P494-499)

【关键词】双磨头磁流变抛光;大口径连续位相板;材料去除特性;面形修正能力

【作者】黄文;张云飞;郑永成;罗清;侯晶;袁志刚

【作者单位】中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900;中国

工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900;中国工程物理研究院机

械制造工艺研究所，四川绵阳621900;中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900;成都精密光学工程研究中心，四川成都610041;成都精密光学

工程研究中心，四川成都610041

【正文语种】中文

【中图分类】TN205;TH161

引言

磁流变抛光是近十多年才发展起来的一种高确定性柔性抛光技术，它主要利用磁流

变抛光液的可控流变特性进行加工，即通过控制外加磁场的强度和分布来控制磨头的柔度和形状，通过控制磨头的加工轨迹和驻留时间来实现定量加工［1－2］。

与传统数控抛光技术相比，磁流变抛光具有极高加工精度、极高收敛效率与极低表面缺陷等显著工艺特点，能够高效、低成本地解决平面及非球面的超精密加工难题，被誉为是光学制造界的革命性技术［3－7］。

国家若干重大型光学工程急需大量的大口径平面、非球面或连续位相板等光学元件［8］。目前，采用单磨头磁流变抛光技术，很难满足大口径平面及非球面不同加工阶段（去亚表面缺陷、修全频段误差）以及不同误差结构（低频、中频及高频）的加工需求，而大口径连续位相板复杂的“大振幅、小周期”波面结构对单磨头抛光技术提出了更为严峻的挑战。大磨头抛光斑尺度较大，比较适合大口径元件的超精加工、大周期波面结构的精确控制、中低频误差的定量修正以及材料的高效去除。小磨头的抛光斑尺度较小，在小口径元件的超精加工、小周期波面结构的精确控制、中高频误差的定量修正以及材料的微量去除等方面更具优势。通过组合大、小磨头的差异化工艺能力，可为平面、非球面，特别是位相板的超精、高效加工提供一种更优工艺方法，能更好地实现精度与效率的优化匹配［9－10］。美国 QED公司

于2008年底成功研发了一台型号为Q22-750P2的三轴双磨头磁流变抛光机［11］，其最大加工尺寸为1 000mm×750mm，但仅具备平面的平行线加工能力，不过对我国却实施了严格装备禁运。

基于美国的禁运以及国内的急需，本文研制了一台以大、小双柔性磨头为核心的八轴磁流变抛光机床，完全具备了大口径平面、非球面及连续位相板的双磨头组合超精密加工能力，不仅获得了满足高精度面形快速收敛的大、小尺度抛光斑特征，而且实现了大、小口径平面的超精、高效加工。

1 双磨头磁流变抛光机床的工程化研制

双磨头磁流变抛光机床主要基于磨头与工件复合摆运动原理及构型方法来进行工程