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 flatsample .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 .015λ 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 .068λto0 .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化设计，其以“一维可摆动双柔性磨头”为核心和“独立式双Z轴龙门床身”为主体，主要由双Z轴龙门床身、双柔性磨头和双循环系统以及集成控制系统等单元模块组成。

其中，龙门床身的主要作用是满足大口径光学元件加工对机床行程、精度、速度及加速度等性能的要求，配置了X、Y、Z1、Z2 4个直线轴和A1、A2、B、C4个旋转轴，X轴安装在龙门底座上，Y轴安装在龙门横粱上，Z1、Z2两轴均安装在Y轴上，A1、A2两轴分别安装在Z1、Z2轴上，B、C两轴组成二维转摆工作台并固定在X轴上。

双柔性磨头的主要作用是确保抛光液能形成有效、可控及稳定的柔性缎带与去除特征，大、小磨头分别安装在A1、A2轴上，其大小分别为φ300mm和φ50mm且其轮轴方向均与Y轴平行。

双循环系统的主要作用是确保抛光液在抛光过程中可循环使用以及主要工艺参数，如流量、粘度及温度等，能在一定范围内稳定调控，大、小流量循环系统分别为大磨头和小磨头提供抛光液，并整体安装在一个柜子中且置于床身后侧。

控制系统基于840D数控系统构建，主要实现了 X、Y、Z1、Z2、A1、A2、B、C等运动量、磁场、粘度、流量等过程量、抛光斑采集、缎带特征标定等工艺流程的的综合集成控制。

实际研制的双磨头磁流变抛光机床如图1所示。

图1 双磨头磁流变抛光机床Fig.1 Two-polishing-head MRF machine双磨头磁流变抛光机床主要通过大、小磨头来实现去除函数尺度及效率等关键特征的宽范围调节。

大、小磨头的工况完全独立，小磨头工作时，大磨头先回非工作位（即A1、Z1两轴回零位）；大磨头工作时，小磨头同样须先回非工作位（即A2、Z2两轴回零位）。

由于配置了8个运动轴，因此本机床不仅支持平面及非球面的螺旋线加工，而且支持平行线加工。

以大磨头加工非球面为例，采用螺旋线时，通过X、Y、Z1、B、C五轴加工即可，其中，X、Z1、B、C四轴联动、X轴实现大磨头径向进给、C轴实现大磨头主运动切削。

采用平行线时，通过X、Y、Z1、A1、B五轴加工即可，其中，Y、Z1、A1、B 四轴联动、X轴实现大磨头横向进给、Y轴实现大磨头主运动切削。

另外，本机床最大平面加工尺寸为1 000mm×1 000mm、最大非球面加工尺寸为430mm×430mm。

2 大、小磨头的材料去除特性工艺研究在磁流变抛光中，磨头的材料去除特性主要通过磨头的抛光去除函数来描述，而磨头的抛光去除函数又主要通过磨头的抛光斑来表征。

磨头的材料去除特性或去除函数或抛光斑特性，主要包括去除有效性和去除稳定性2个方面，其中，去除有效性关系到抛光斑能否使用的问题，去除稳定性关系到抛光斑能否长时使用的问题。

由此可见，磨头的材料去除特性是磁流变抛光能否实现面形高精度收敛、材料高效率去除、工艺长时间稳定的基础和关键。

而在实际工艺过程中，抛光斑的优化控制主要通过抛光液的组份设计与配比、抛光区的磁场大小及分布、抛光液的缎带宽度及厚度、柔性缎带的浸入深度等关键工艺参数来实现。

2.1 大、小磨头的去除有效性工艺研究材料去除有效性主要包括其形态有效性和效率有效性2个方面。

当抛光斑外形轮廓呈单峰分布、外形尺寸及其长宽比适中、且其宽度方向对称性较好时，则认为抛光斑形态有效。

当抛光斑峰值去除效率为（2～18）λ／min、体积去除效率为（0.02～0.5）mm3／min时，则认为抛光斑效率有效。

仅当形态与效率均有效时，抛光斑才能满足高确定性抛光工艺条件。

为研究大磨头抛光斑的有效性，专门对大磨头进行了斑采集工艺实验。

在这里，选用氧化铈水基磁流变抛光液作为抛光介质。

首先，匹配好大磨头参数并获得稳定的柔性缎带；然后，按照标准工艺流程，在一块小口径平面元件（材料为UBK7、大小为φ50mm）上连续采集2个抛光斑；最后，分析测量这2个抛光斑的去除形态与效率特征，并对其有效性进行评估。

小磨头的去除有效性研究方法与大磨头完全相同，采用此方法，同样可获得小磨头的去除有效性评估。