小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光

为实现小曲率凹球面光学玻璃的高效超精密抛光,充分发挥旋转磁场下磁性混合流体兼具黏度和粒子动态分布的特点,提出了一种新型半球头抛光装置。使用Ansoft Maxwell仿真分析轴向充磁圆柱永磁体及其上方分别加装平面铁块和凹面铁块3种磁源结构下的磁场分布,发现加装凹面铁块能强化“边缘效应”,获得更集中分布的大磁场区,进一步仿真优化磁体尺寸和偏心距。比较不同抛光液组分和磁体偏心距下的磁性混合流体行为,确定了抛光液的最佳组分以及磁体偏心距。最后,对曲率半径为15.4 mm、中心深度为2.24 mm的凹球面K9玻璃进行抛光实验,90 min后,面形精度RMS由0.719μm降低至11.7 nm,表面粗糙度Ra由0.552μm降低至9.656 nm。新型抛光装置能够实现小曲率凹球面工件的高效纳米级抛光。

Ni-P镀层的磁性混合流体抛光

采用磁性混合流体（Magnetic compound fluid,MCF）对光学镜头模具的镍-磷（Nickel phosphorus,Ni-P）镀层表面进行抛光研究。试验中使用两种构成成分的MCF：常用的BASF制HQ铁粉（Carbonyl-iron-particles,CIPs）和Al2O3磨粒基MCF1以及新型的表面ZrO2磨粒（50~100 nm）涂层铁粉基MCF2。两种成分的MCF都消除了Ni-P镀层表面单晶金刚石车削残留的螺旋状切削痕。但使用MCF1,由于Al2O3磨粒相对于ZrO2磨粒较大且较硬,易引入抛光痕及铁粉粒子的嵌入,难以进一步改善Ni-P镀层的表面质量。采用新型ZrO2磨粒涂层铁粉基MCF2,则没有引入抛光痕及粒子的嵌入,实现Ni-P镀层表面粗糙度方均根值（Root mean square,RMS）和Ra的改善。通过在x轴和y轴方向设计抛光路径,使粒子均具有相对运动速度,同时改善了Ni-P镀层的表面粗糙度及平坦度。初步证明了磁性混合流体抛光亦可用于较软的磁性材料表面的纳米级光整加工。

旋转磁场下非球面工件的磁性混合流体抛光

针对非球面光学元件的结构特点及其表面质量要求,在磁性混合流体抛光基础上,设计并制作以径向充磁永磁体为旋转磁场源的半球头抛光头。首先,通过Ansoft Maxwell磁场仿真,分析对比不同形状、不同尺寸磁体和偏心距下各磁体周围磁场的分布状况,选定直径为10.0 mm、高度为5.0 mm、偏心距为2.5 mm、径向充磁的圆柱形磁体。其次,通过观测并比较不同组成、配方和供应量的磁性混合流体在抛光头上的行为,确定磁性混合流体抛光液成分。最后,采用制备的磁性混合流体抛光液及自制的抛光头对非球面PMMA工件进行抛光试验。经过15 min抛光后,PMMA工件表面质量明显改善,其面型精度Rq由0.703μm下降到2.433 nm,表面粗糙度Ra由0.545μm下降到1.786 nm,说明研制的抛光头能实现非球面工件的纳米级抛光。