浅谈光学零件的超光滑表面加工方法

王新海 马瑾 张永军

摘 要：随着光学零件在前沿技术中的广泛应用，超光滑表面加工技术已经成为当前研究的热点。文章阐述了超光滑表面的定义特点及机理，重点介绍目前国内常用的古典法抛光技术、磁流变抛光技术和气囊抛光技术等三种超光滑表面加工方法，并简要的说明了各种方法的优缺点。

关键词：抛光；超光滑表面；光学零件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.025

光学零件在强激光、空间光学和航空航天等诸多高技术领域的需求数量越来越多，光学零件的超光滑加工技术已成为当代科技前沿的关键技术之一[1]。随着科技的发展，光学零件不仅要求极高的表面质量，而且还有较低的亚表层损伤和严格的波前误差等低缺陷要求[2]。目前，光学抛光加工阶段是光学零件加工过程中最重要的环节之一，抛光技术的优劣直接影响着光学零件表面的最终加工质量，文章主要阐述了目前国内广泛应用的光学零件超光滑表面技术。

1 超光滑表面

所谓超光滑表面是指其表面粗糙度均方根值小于1nm的表面，并且具有较高的面形精度和较低的表面波纹度，无表面疵病和亚表面损伤，具有完整的晶格结构[3]。机械学说、化学学说和流布学说等是光学玻璃的三种抛光机理，一般认为光学零件的抛光过程是三种机理共同作用下，与抛光头表面接触区域地光学玻璃表面的材料发生机械微切、分子流动和化学水解反应等实现光滑表面的抛光。

2 超光滑表面加工方法

2.1 古典法

古典法加工超光滑表面是利用光学零件与抛光盘之间产生相对运动，在抛光液的机械、化学和热的表面流动作用下，实现光学零件表面材料的微量去除，从而得到高质量的光学零件表面。抛光盘一般由聚氨酯、柏油等材料制作而成，在主轴的带动下可以绕自身作旋转运动；光学零件置于抛光盘的上面作左右摆动运动，并且在抛光盘的带动下绕自身作旋转运动。古典法加工超光滑表面光学零件具有成本低和设备简单等优点，主要通过对抛光盘、抛光液、主轴转速和摆动速度等工艺因素的精细化研究来实现光学零件的超光滑表面加工。然而，高技术工人是影响古典法实现超光滑光学零件表面加工的重要因素，主要依赖工人的手工操作，适合于单件小批量生产。气囊抛光头的密封材料和抛光材料都具有很好的柔韧性，其抛光材料能很好的实现与不同类型的光学零件表面的完全贴合接触，从而保证零件表面材料的均匀去除。

2.2 磁流变抛光技术

磁流变抛光技术利用磁流变液形成的柔性抛光盘对光学零件进行抛光。磁流变抛光液由抛光粉、表面活性剂、基载液和磁性微粒等组成，未受磁场作用时，磁流变液呈现出流体状态，在磁场的作用下，磁流变液可形成类似于半固体状态的Bingham介质。抛光光学零件时，磁流变液在磁场的作用下发生流变效应形成Bingham介质的抛光磨头，抛光粉颗粒悬浮抛光磨头的上表面，当抛光磨头与光学零件之间产生相对运动时，夹持在两者之间的抛光粉颗粒实现对光学零件表面的材料去除而完成抛光。在磁流变液的磁场饱和度范围内，保持抛光磨头与光学零件之间的间隙固定，磁场强度的增大，Bingham介质所形成的抛光磨头硬度越大，提供给抛光粉的切削压力随着增大，光学零件表面的材料去除率越高。磁流变抛光技术具有抛光亚表层损伤很小和抛光磨头基本不磨损等优点，然而抛光加工成本较高。

2.3 气囊抛光技术

气囊抛光是一种利用气囊抛光头对光学零件进行加工的方法。气囊抛光磨头是气囊抛光技术的重要组成部分，主要包含基体、密封层和抛光材料等部分，基体和密封层形成气室，抛光材料覆盖在密封层的表面。抛光光学零件时，气囊抛光头的抛光材料与工件表面进行接触，通过调节气室内的充气量多少来实现接触区域表面压力的不同，气室内的充气量大，接触区域光学零件表面受到的压力大，去除率大，反之，气室内的充气量小，接触区域的光学零件表面受到的压力小，去除率小。因此，通过调整气室内的充气量多少可以控制光学零件表面的材料去除率和表面精度。目前，气囊抛光头的形式主要有球冠型和环型两类，球冠型即气囊抛光头在充气后的表面抛光材料外形为球冠，环型即气囊抛光头在充气后的表面抛光材料外形为环型。气囊抛光技术具有抛光效率高、低成本和适用性强等优点，然而，由于气囊抛光头在接触区域有磨损，光学零件表面存在边缘效应，故对机床要求高。

3 结论

光学零件的超光滑表面加工技术是一个国家精密加工技术的重要体现，国外在光学零件超光滑表面加工技术已经应用于商业化，然而，我国超光滑表面的加工还处于单件、小批量的人工生产，大多数科研院所的研究也集中于抛光技术的初级阶段，特别是未形成商业化的加工设备。因此，先进的超光滑表面加工技术和设备是今后一段时间研究的重点。

参考文献：

[1]杨力.先进光学制造技术发展研究[J].光学技术，1998（03）：2-5.

[2]王文博.大口径快速抛光机设计与相关问题研究[D].中原工学院硕士学位論文，2015.

[3]马占龙，刘健，王君林.超光滑光学表面加工技术发展及应用[J].激光与光学电子进展，2011，48（08）：71-77.

作者简介：王新海（1984-），男，陕西西安人，讲师，主要从事精密加工及机械设计方面的研究。