微小非球面磁气复合的流体抛光机理及试验研究

Based on the magnetic rheological polishing and gas-flow finishing technology, a new comopound magnetic-airflow fluid ultra-precision polishing of micro aspherical surface is proposed in this project to solve a series of problems in mirror grinded micro-aspherical surface, such as surface\subsurface defects, surface roughness uniformity, traditional polishing process hard for polishing small aspheric surface and so on. Aiming at all kinds of micro aspherical surface lens and mould whose diameter are below 10 mm, through developing a micro magnetic polishing tool using precision inclined axis polishing mode, its machining mechanism and key technology problem are researched deeply and systematically, in order to achieve low sub-surface damage, submicron level form accuracy and nanometer level surface roughness. It provides a firm theoretical foundation for the development of micro shape nano-polishing machining technology, and solves its key technical problems.

本项目针对微小非球面的镜面磨削时所存在的表面/亚表面缺陷、表面粗糙度均匀性差以及传统抛光工艺难以抛光微小非球面等一系列难题，在磁流变抛光和气体光整加工技术的基础上，创新性地提出一种针对微小非球面磁气复合流体超精密抛光的新工艺。以口径在10毫米以下的超精密微细透镜及微细模具中的各种微小球面、微小非球面为主要加工对象，通过研发新型的微小磁性抛光工具进行超精密的斜轴抛光加工，对该工艺机理及关键技术问题进行深入和系统的研究，以达到亚微米的形状精度、纳米精度级的表面粗糙度、极低的亚表面损伤。为微细形状的纳米抛光加工技术的发展奠定坚实的理论基础，并解决其中的关键技术问题。

本项目提出一种磁气复合流体的抛光工艺，并开发出新型的磁气复合流体抛光工具，探讨其加工机理，解决微小光学零件模具的超精密光整加工中技术问题。主要研究内容如下：研究磁气复合的流体抛光加工机理与模型；研究磁气复合的流体抛光去除特性；驻留时间控制算法和抛光路径规划的研究；设计与研制微小磁气复合的流体抛光工具头和流体循环装置；进行磁气复合的流体斜轴抛光工艺试验，优化加工工艺参数。发表学术论文1篇，培养硕士研究生3名，获得完整项目技术工艺报告1套，申请国家发明专利2项，已授权实用新型专利4项。试制超精密磁气复合研磨装置1套（包含磁流体循环装置和气体控制装置），可加工口径在10mm 以下超精密小型透镜模具及透镜，工件表面粗糙度小于10nm，并成功在长兴宏诚机械科技有限公司试用，其整体加工效率提高了3-5倍，试用4个月时间为企业节约成本5万余元。通过对光学玻璃、红铜、碳化钨、单晶硅、不锈钢零件进行优化工艺试验，表面粗糙度分别从加工前的Ra1.2μm、Ra0.0255μm、Ra0.0457μm、Ra0.077μm、Ra0.0636μm降至Ra6nm、Ra40nm、Ra10nm、Ra5nm、Ra7nm。从关键数据可以发现，本工艺对硬脆材料研磨性能较佳，表面粗糙度均达到Ra10nm以下。.本项目提出的新型磁气复合的流体抛光工艺的研究，涉及到纳米材料学、化学、气/流体学等领域中的诸多问题。通过本项目的研究，可以带动相关学科、技术的研究发展，为微细纳米精度级研抛技术的发展奠定坚实的理论基础，并进一步推动关于纳米机械加工的机理研究的发展。