董 敏， 路家斌， 潘繼生， 閻秋生

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院， 廣州 510006)

磁流變拋光是一種綜合了電磁學、流體動力學等學科的高效率光學表面加工技術(shù)，它利用磁流變液在磁場中的流變特性，形成柔性韌帶“斑點”對工件表面進行拋光，特別適合軸對稱非球面光學元器件的超精密加工[1-3]。在加工過程中采用“斑點”對工件表面進行掃描式的加工方法，導致加工時間長、效率低，不太適合大面積平面的拋光加工[4-5]。閻秋生等[6]基于磁流變拋光和集群效應(yīng)的作用機理，提出了集群磁流變平面拋光加工技術(shù)，實現(xiàn)了拋光墊與工件表面“面域接觸”拋光，獲得了原子級表面粗糙度[7-9]。由于拋光盤與工件表面之間平面間隙產(chǎn)生的流體動壓作用較弱，材料去除率相對較低。

流體動力學原理[10]也可以用于光學零件的超光滑加工[11-15]。計時鳴等[16]對柱形和槽形拋光工具在加工中的流體動壓力與材料去除進行了仿真及試驗研究，研究表明：槽形拋光工具有助于增強加工過程中的流體動壓力，并通過加工試驗得到了粗糙度Ra為21 nm的加工表面。楊淑燕等[17]運用面接觸的光干涉潤滑膜厚度檢測系統(tǒng),研究了表面凹槽的形狀與膜厚變化之間的規(guī)律，研究結(jié)果表明：表面溝槽樣式對楔形區(qū)的油膜動壓有非常重要的影響。ETSION等[18-19]針對端面密封、活塞環(huán)設(shè)計等問題，利用激光技術(shù)制造了多種表面織構(gòu)，結(jié)果顯示：部分表面織構(gòu)能夠十分有效地增加流體動壓效應(yīng)。PANG等[20]運用浮動拋光技術(shù)加工軸承的滾道，滾道的曲面誤差和表面粗糙度顯著降低，有效降低了軸承運轉(zhuǎn)過程中的噪聲。彭文強等[21-22]用流體動壓超光滑加工方法加工石英玻璃，獲得Ra為0.27 nm的超光滑表面。

為了進一步提高集群磁流變平面拋光效率，本研究基于流體動力學原理和磁流變原理，提出一種磁流變微結(jié)構(gòu)動壓平面拋光加工技術(shù)，即在拋光盤面加工出楔形微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)流體動壓，再結(jié)合磁流變效應(yīng)形成高效率的平面拋光。因此，設(shè)計了幾種不同盤面微結(jié)構(gòu)的拋光盤，進行了加工間隙和工件轉(zhuǎn)速工藝試驗及拋光力特性試驗，研究拋光盤表面不同微結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對磁流變動壓平面拋光效果的影響規(guī)律。

1 試驗原理及裝置

1.1 磁流變動壓平面拋光原理

根據(jù)流體動力學理論[10]，形成流體動壓的條件為：(1)拋光盤和工件之間必須形成收斂的楔形間隙；(2)拋光盤和工件之間必須有足夠的相對滑動速度，其運動方向必須是流體由大口流進，從小口流出；(3)流體要有一定的黏度。磁流變動壓平面拋光原理如圖1所示。從圖1可知：拋光盤下方分布有小尺寸集群磁鐵，拋光盤表面沿圓周方向加工有微結(jié)構(gòu)，拋光盤與工件之間分布有磁流變拋光液，形成拋光液循環(huán)系統(tǒng)等。拋光盤表面微結(jié)構(gòu)有孔洞、V形槽、U形槽、矩形槽等形狀。當拋光盤和工件旋轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生流體動壓力，磁流變液在磁流變效應(yīng)和流體動壓效應(yīng)的雙重作用下，對工件進行高效拋光加工。

圖1 磁流變動壓平面拋光原理圖

1.2 拋光盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計

磁流變動壓平面拋光孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤三維模型及4種凹槽微結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示，并給出了4種微結(jié)構(gòu)尺寸。試驗用拋光盤直徑198 mm,沿圓周徑向均勻分布42條相同凹槽微結(jié)構(gòu)。其中，孔洞結(jié)構(gòu)是不連續(xù)的，每條微結(jié)構(gòu)沿徑向分布尺寸如圖2b所示的8個孔洞(圖2a)；V形槽、U形槽、矩形槽3種微結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，每條微結(jié)構(gòu)沿徑向連續(xù)分布的尺寸如圖2c、圖2d、圖2e所示的凹槽。由對稱性可知，實際拋光狀態(tài)下盤面每條微結(jié)構(gòu)起相同的作用，因此只需分析盤面下單條結(jié)構(gòu)的情況便可獲得磁流變動壓平面拋光特性。

1.3 試驗裝置及條件

通過數(shù)控機床改造的磁流變微結(jié)構(gòu)動壓平面拋光試驗裝置如圖3所示。為了測試拋光盤表面微結(jié)構(gòu)對流體動壓的影響，在機床的主軸上安裝有Kislter 9171A旋轉(zhuǎn)式三向測力檢測儀，通過裝夾盤將工件固定于三向測力檢測儀的臺面上。當工件靠近拋光盤表面形成微小間隙時，工件擠壓磁流變動壓效應(yīng)拋光墊，由此產(chǎn)生對工件表面的拋光壓力，由旋轉(zhuǎn)式測力儀可以檢測出x、y、z等3個方向的力信號Fx、Fy、Fz。拋光過程中，工件表面所受到的剪切力Ft和正壓力Fn可以由式(1)和(2)計算：

(a)孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤三維模型

(b)孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤

(c)V形結(jié)構(gòu)拋光盤

(d)矩形結(jié)構(gòu)拋光盤

(e)U形結(jié)構(gòu)拋光盤

(1)

Fn=|Fz|

(2)

圖4為實際測量的三向(x、y、z)力圖。由圖4可知：工件剛接觸拋光墊時會出現(xiàn)一個較大的峰值信號，隨后達到穩(wěn)定。取拋光力曲線穩(wěn)定后的最大Fx、Fy、Fz值進行剪切力Ft和正壓力Fn的計算。

圖3 磁流變動壓平面拋光裝置

試驗條件為：拋光材料為50.8 mm單晶硅片，表面原始粗糙度Ra約為450 nm；拋光盤轉(zhuǎn)速90 r/min；工件轉(zhuǎn)速分別為450 r/min、500 r/min、550 r/min、600 r/min；加工間隙分別為0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm；工件偏擺20 mm；磁流變拋光液組分：鐵粉質(zhì)量分數(shù)30%、3 μm的碳化硅磨料質(zhì)量分數(shù)12%。拋光試樣在試驗前后用去離子水超聲清洗干凈并吹干，用測量精度0.1 mg 的GB204型精密電子天平稱量試樣拋光前后的質(zhì)量,得到質(zhì)量差值再除以拋光時間(以分鐘計)，得到材料去除率。使用Mahr XT20 粗糙度儀測量硅片表面粗糙度，測量結(jié)果取5點平均值。由流體動壓潤滑理論可知[10]:當其他流體條件不變時，所加工工件表面流體動壓力分布主要受工件拋光工具相對速度和工件與拋光工具之間間隙的影響，因此選取對磁流變動壓平面拋光效果影響最大的加工間隙和工件轉(zhuǎn)速進行拋光試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 加工間隙的影響

在本試驗條件下拋光60 min，不同結(jié)構(gòu)拋光盤在不同加工間隙時拋光的材料去除率和表面粗糙度變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知：隨著加工間隙增加，不同盤面結(jié)構(gòu)的拋光盤的材料去除率均逐漸減小，工件表面粗糙度均先減小后增大，而不同盤面結(jié)構(gòu)時兩者均有差異。V型結(jié)構(gòu)拋光盤材料去除率最高，比常規(guī)平面盤的材料去除率提高了25%以上，獲得的表面粗糙度也較??；矩形結(jié)構(gòu)拋光盤材料去除率最小，但能夠獲得最低的表面粗糙度；孔洞結(jié)構(gòu)的拋光盤獲得的表面粗糙度最大，但材料去除率較小。在材料去除率方面，各盤面結(jié)構(gòu)的順序為：V形盤>U形盤>平面盤>孔洞盤>矩形盤。在工件表面粗糙度方面，矩形盤面獲得的粗糙度最低，其他盤從低到高順序依次為V型盤、平面盤、U型盤，孔洞盤的表面粗糙度最高。不同結(jié)構(gòu)盤獲得最低表面粗糙度時對應(yīng)的加工間隙不同，矩形盤、V型盤和平面盤均在間隙1.0 mm處，表面粗糙度分別為4.8 nm、5.1 nm、5.3 nm；而U型盤和孔洞盤在0.9 mm間隙時能得到最低的表面粗糙度6.0 nm和6.8 nm。

(a)材料去除率

(b)表面粗糙度

根據(jù)磁流變拋光原理，磁場強度在空間內(nèi)呈指數(shù)級衰減[23]。當加工間隙變大時，工件表面的磁場強度迅速衰減，造成柔性拋光墊施加在工件表面的拋光作用力減小，對磨粒的把持作用減弱，使工件表面的機械去除能力降低，并且增大加工間隙也會使流體動壓力減小。圖6為不同結(jié)構(gòu)拋光盤在上述試驗條件下，不同加工間隙時由測力儀測得的拋光正壓力Fn和剪切力Ft的關(guān)系圖。

(a)正壓力Fn

(b)剪切力Ft

綜合圖5和圖6可以看出：當其他加工條件一定時，隨著加工間隙的增大，拋光正壓力Fn和剪切力Ft均逐漸減小，這和加工間隙對材料去除率的影響規(guī)律是一致的。其中，矩形結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的正壓力明顯低于其他盤，而對應(yīng)的剪切力也是所有盤中最小的，此時雖然材料去除率較低，但較小的拋光力不容易使工件表面刮傷，能獲得較好的表面質(zhì)量；V形結(jié)構(gòu)拋光盤的正壓力最大，剪切力也較大，這促使拋光機械作用增強，材料去除率升高；較大的剪切力使磨料被磁性離子夾持，對所加工工件的表面產(chǎn)生強制切削，借助于磨料在工件表面的刮擦作用，促使工件表面高低不平的原始痕跡逐漸變得平緩，因此獲得的粗糙度也較低。在正壓力方面，各盤從大到小的順序為：V形盤>U形盤>平面盤>孔洞盤>矩形盤。在剪切力方面，U形結(jié)構(gòu)拋光盤和V形結(jié)構(gòu)拋光盤的剪切力明顯較大，從大到小依次為U形盤>V形盤>孔洞盤>平盤>矩形盤。結(jié)合圖5的實驗結(jié)果，可以看出影響材料去除率的主要因素是拋光正壓力。增大拋光壓力，增強拋光過程機械作用，材料去除效率將會顯著提高。然而，過大的拋光壓力會使磨料嵌入到工件表面的深度增加，由此加深工件表面的切削紋路，最終使工件表面質(zhì)量變差。綜合考慮，如果對材料去除率和表面粗糙度都要求較高的話，選擇V形結(jié)構(gòu)拋光盤和0.9 mm的加工間隙為宜；如果需要獲得最好的表面粗糙度，選擇矩形結(jié)構(gòu)拋光盤和1.0 mm的間隙較好；而U形結(jié)構(gòu)拋光盤在間隙0.9 mm時能獲得相對較高的材料去除率和相對較低的表面粗糙度；孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤和平面盤在間隙1.0 mm時效果較好。

2.2 工件轉(zhuǎn)速的影響

在本試驗條件下拋光60 min，不同結(jié)構(gòu)拋光盤在不同工件轉(zhuǎn)速下拋光所得到的材料去除率和表面粗糙度變化如圖7所示。從圖7a中可以得出：隨工件轉(zhuǎn)速不斷增加，5種結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的工件材料去除率均呈逐漸增加趨勢。當工件轉(zhuǎn)速在500 r/min至550 r/min之間時，材料去除率增加明顯；當工件轉(zhuǎn)速高于550 r/min時，工件材料去除率的變化趨于平穩(wěn)。而圖7b中，工件表面粗糙度則一直呈上升趨勢。其中，V形結(jié)構(gòu)拋光盤的材料去除率明顯高于其他4種結(jié)構(gòu)拋光盤，且相對應(yīng)的表面粗糙度也是較低的；矩形結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的材料去除率最低，但獲得的表面粗糙度相對較大。總體上，在材料去除率方面從大到小依次為V形盤>U形盤>平面盤>孔洞盤>矩形盤，和加工間隙對所有結(jié)構(gòu)拋光盤中去除率的影響程度是一致的(圖5a)。對于表面粗糙度，其中孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤、矩形結(jié)構(gòu)拋光盤、U形結(jié)構(gòu)拋光盤獲得的粗糙度值間差異不是很大，但在工件轉(zhuǎn)速較低時的粗糙度明顯要高于V形結(jié)構(gòu)拋光盤和平面盤的粗糙度。在工件轉(zhuǎn)速低于550 r/min時，V形結(jié)構(gòu)拋光盤和平面盤的粗糙度升高幅度較小，此時V形結(jié)構(gòu)拋光盤能獲得所有其他結(jié)構(gòu)盤中最小的粗糙度(4.6 nm)；當轉(zhuǎn)速高于550 r/min時，2種結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的表面粗糙度急劇升高，但Ra總體保持在8.0 nm以內(nèi)，而平面盤能獲得所有其他結(jié)構(gòu)盤中最小的粗糙度，約為5.6 nm。總體上，V形結(jié)構(gòu)拋光盤在低轉(zhuǎn)速時(低于550 r/min)，能獲得所有結(jié)構(gòu)拋光盤中最高的材料去除效率和最好的表面質(zhì)量。

(a)材料去除率

(b)表面粗糙度

圖8為不同結(jié)構(gòu)拋光盤在本試驗條件下，不同工件轉(zhuǎn)速下由測力儀測得的拋光正壓力Fn和剪切力Ft的關(guān)系曲線。從圖8可以看出：在其他加工條件不變的情況下，隨著工件轉(zhuǎn)速的提高，拋光正壓力和剪切力均呈先增大后減小的變化趨勢；平面拋光盤和矩形拋光盤的正壓力的變化隨工件轉(zhuǎn)速的變化相對較平緩，V形結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的正壓力和剪切力均是最大的，而矩形結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的拋光正壓力和剪切力均最小。對于正壓力，矩形結(jié)構(gòu)盤的正壓力顯著小于其他結(jié)構(gòu)的拋光盤，而孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤和U形結(jié)構(gòu)拋光盤對應(yīng)的正壓力相對較大；對于剪切力，V形結(jié)構(gòu)拋光盤和U形結(jié)構(gòu)拋光盤最大，平面盤次之，而孔洞結(jié)構(gòu)拋光盤和矩形結(jié)構(gòu)拋光盤的剪切力最小。

隨著工件轉(zhuǎn)速增大，拋光盤與工件間的相對速度增大，造成磁流變拋光液流過拋光加工區(qū)域時的速度提高，在拋光加工區(qū)域，磁流變拋光液的剪切力變大，因而對所加工材料表面產(chǎn)生了較大的去除。根據(jù)Preston方程，材料去除率主要受拋光區(qū)壓力和相對轉(zhuǎn)速的影響。當工件轉(zhuǎn)速高于550 r/min時，隨著工件轉(zhuǎn)速的提高，材料去除率趨于平穩(wěn)，這是由于此時拋光正壓力和剪切力下降，造成了材料去除率沒有繼續(xù)隨著工件轉(zhuǎn)速的升高而增大。從流體動力學原理方面考慮，磁流變拋光液速度的不斷增加，造成拋光區(qū)域所受的流體動壓力也隨之增加，因此促進了工件材料的去除。隨著轉(zhuǎn)速的進一步增加(大于550 r/min)，理論上速度越高產(chǎn)生的流體動壓力越大，但過高的速度容易使拋光液飛濺，使加工區(qū)域的拋光液量減少，造成加工區(qū)域內(nèi)拋光液不足，材料去除率增加不明顯；且過高的速度還會使磨料微粒對工件表面的劃擦作用進一步增強，從而增加加工表面劃傷的可能性，使加工表面粗糙度增大。綜合考慮，對材料去除率和表面粗糙度都要求較高的話，應(yīng)選V形結(jié)構(gòu)拋光盤；如果要獲得最高的材料去除率和相對較低的表面粗糙度，工件轉(zhuǎn)速在550 r/min為宜。

(a)正壓力Fn

(b)剪切力Ft

3 結(jié)論

(1)微溝槽的形狀對工件材料去除率產(chǎn)生較大的影響。同等條件下，不同微結(jié)構(gòu)拋光盤材料去除率從大到小的順序為V形盤>U形盤>平面盤>孔洞盤>矩形盤；表面有V形、U形溝槽的拋光盤比平面盤材料去除率增大明顯，其中V形盤提高了約25%；而矩形溝槽和陣列孔洞的拋光盤，在現(xiàn)有的實驗條件下難以提高材料去除率。

(2)增加加工間隙，材料去除率逐漸減小，但表面粗糙度先減小后增大。在加工間隙為0.9～1.0 mm時，能獲得較低的表面粗糙度(Ra約4.6 nm)和較大的材料去除率(0.956 mg/min)。

(3)提高工件轉(zhuǎn)速，材料去除率先逐漸增加，當轉(zhuǎn)速大于550 r/min時，材料去除率隨著轉(zhuǎn)速的提高趨于平穩(wěn)，但粗糙度一直呈上升趨勢。

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