微晶玻璃超精密圆孔气囊抛光技术的研究

王新海，马 瑾，张永军

(陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安710300)

基金项目：陕西国防工业职业技术学院科研计划项目（Gfy20-05）

作者简介：王新海（1984—），男，副教授，硕士，主要研究方向为精密加工和机械设计，593720252@qq.com.

摘要：基于微晶玻璃圆孔的高效超精密加工方法，提出了3种圆孔气囊抛光方式并综合分析其优缺点，最终确定三棱柱型气囊抛光头作为实验对象，并通过工艺实验分析了抛光工艺因素对表面粗糙度的影响。实验结果表明，该三棱柱型气囊抛光头可以实现微晶玻璃圆孔的高精度表面质量加工，圆孔表面粗糙度值可达到0.016 9 μm。

关键词：微晶玻璃；气囊抛光；圆孔抛光；超精密

中图分类号：TQ171.6       文献标识码：A      文章编号：2095-509X(2021)06-0099-03

微晶玻璃是一种具有超低膨胀系数的结构材料，它是由特定组成的基础玻璃在一定条件下进行晶化热处理，形成微晶和玻璃相交织的多相复合材料^［1］。随着科技的进步和社会的发展，具有良好机械性能和化学稳定性的微晶玻璃在光学、机械、微电子、生物医学和化工等学科领域发挥着越来越重要的作用，特别是在光学领域，其良好的热稳定性和可控的微观结构可满足不同的使用要求，大型天文望远镜和惯性导航仪表激光陀螺中的光学元件多采用微晶玻璃^［2-3］。利用磁流变抛光、离子束抛光等先进的特种抛光方法进行局部尺寸精度的修正和亚纳米级尺度的材料去除，可以获得亚纳米级的精度和质量要求^［4］。白林山等^［5］通过往SiO2抛光液中添加EDTA （乙二胺四乙酸）络合剂、过硫酸铵氧化剂、丙三醇润滑剂等方式对微晶玻璃进行了化学机械抛光，得到了0.12 nm的纳米级光滑表面。李雄^［6］通过搭建浆料辅助磨削加工系统，对50 mm×50 mm×10 mm的微晶玻璃方孔开展了磨射流抛光实验，利用600#金刚石流体磨料进行脆性域去除，利用2000#金刚石和3500#碳化硅流体进行塑形域去除，最后使用2000#金刚石磨料抛光后获得了0.074 μm的表面粗糙度。目前，利用磁流变抛光技术、化学机械抛光技术和磨射流抛光技术等可加工出超精密的微晶玻璃表面质量，但大多数的先进技术存在设备昂贵等特点，特别是针对内孔、型腔等特殊表面的抛光方式还需进一步改善。

1 圆孔气囊抛光方式

圆孔抛光是对光学元件内表面的加工，与平面、球面等光学元件相比，其抛光过程的观察、控制和冷却等难度比较大。由于受孔的直径大小限制，抛光速度一般很难提高，从而影响抛光效率和表面加工质量，此外抛光工具的形状和材料等因素也会影响孔的抛光质量。气囊抛光技术^［7］利用柔性气囊自动匹配光学元件的被抛光表面形状，实现表面材料去除，从而得到高质量的抛光表面。相比于传统抛光技术，气囊抛光技术具有抛光精度高、成本低和效率高的特点，特别适用于型腔和自由曲面光学元件的抛光^［8］。针对微晶玻璃光学元件内孔抛光的特点，结合气囊抛光技术，本文设计了3种气囊抛光方式，如图1所示。