摘要:本文以超声波加工机对玻璃等硬脆材料元件的加工工艺为主要研究对象,阐述了超声波加工的原理、变幅杆和刀具的设计以及加工工艺的研究,并将它应用在空间光学系统中光学元件的轻量化的加工。同时对加工后的表面微观特性——表面微裂纹和表面微应力进行具体测试分析,以解决在复杂的空间环境中元件的表面质量对使用精度和应力变形的影响,从而提出适于大型光学元件轻量化的工艺技术方法。

　　一、引言

　　对玻璃等硬脆性材料加工来说,用传统的铣磨和套制孔的方法只能加工回转对称的圆孔。由于其金刚砂颗粒对工件的磨削划切作用以及工具自身的磨损,加工成型精度很低,表面质量比较粗糙,此方法不适于光学元件的轻量化,也不能加工异型孔。

　　超声波加工的机理是以金刚砂散粒磨料在超声波作用下高频冲击元件表面,使被加工元件的材料不断被敲打而击落下来,从而达到有效地去除,加工的形状完全依赖于超声波加工刀具的形状,因而使非连续表面和异形微小沟槽的加工成为可能,弥补传统铣磨和机械加工所不能达到的领域。同时,超声波加工属于非热、非化学和非电的方法,避免了被加工元件材料的物理和化学性能的变化。在加工过程中仅是磨料颗粒与材料之间的相互作用,去除量很小,避免元件表面应力和表面裂纹的产生,具有高的表面微观质量。以上这些特点使超声波加工在微电子、通讯、模具制造以及光学元件的轻量化等方面得到了广泛的应用。

　　近几年来,随着空间科学技术的迅猛发展,空间光学系统对元件提出了许多新的要求,其中大型光学元件轻量化问题就是急待解决的难题。超声波对光学玻璃材料的加工工艺以及加工后的表面质量的研究在国内仍属空白。因此,本文主要是针对光学元件轻量化的技术要求来开展超声波工艺性能的研究的。

　　二、超声波声学头的结构和工作原理

　　1.超声波声学头的结构

　　超声波加工机一般是由三部分组成的——超声波加工单元、超声波发生器和磁化电源。其中超声波加工单元中的声学头是超声波加工机的核心部件,它决定加工机的性能。图1给出了超声波加工机声学头的结构形式。

　　声学头又可分为反射块、换能器、传振杆、变幅杆和刀具五部分,该声学头的换能器是采用性能可靠稳定的镍制磁致伸缩式结构,它的几何尺寸决定了超声机床在工作时的标称机械共振频率,其一端采用严密的工艺,用钎焊的方法与传振杆连接,另一端有由多孔性物质做成的反射块,用于提高换能器的单向发射能力,传振杆是传递振动和偶合连接过度作用的,变幅杆和刀具设计决定振幅放大的程度以及超声加工的性能。

　　2.超声加工机的工作

　　原理超声加工机是利用超声振动的能量来对玻璃等硬脆性材料进行加工的。当启动超声发生器和磁化电源时,它们供给磁致伸缩式换能器一定的超声频电流及磁化用的直流电流,从而在换能器线圈内产生了同频率的机械振动,振动通过传振杆到变幅杆,经过变幅杆的振幅放大作用,在刀具的端部获得足够大的机械振动相应振幅和频率,激发坚硬而锋利的磨粒,使其产生高速运动,被加工材料受到磨料的敲打而逐渐击落下来,最后获得与刀具截面几何形状相同的元件。

　　3.磨料的工作机理

　　超声波加工的磨料就是光学用的磨料或抛光粉(240#～302#),磨料混合液一般是按水∶磨料=3∶1比例配制的,由液体泵循环供给。刀具与工件在一定的加工压力作用下相互接触,磨料工作机理示意图如图2所示。

　　刀具在以一定的振幅往复振动过程中,当向上运动时,振动吸力使刀具与工件间充满混合液。当向下运动时,混合液被压缩,磨料被加速而冲击工件,从而达到有效的材料去除。

　　三、变幅杆和刀具的设计

　　当超声波发生器、磁化电源和换能器的设计完成之后,超声加工机的标称机械共振频率就已经确定。如何将此振动有效地传递和有足够的振幅放大倍数,完全取决于变幅杆刀具的设计,它决定加工机的加工能力和效率。

　　本文着重介绍适合于玻璃元件超声加工的外径是阶梯形变化的变幅杆的设计,此变幅杆既能获得大的振幅放大系数,又能得到大的加工面积。阶梯形变幅杆的基本形式如图3所示。

　　阶梯形变幅杆的振幅放大系数可由下式确定:

　　式中S0为变幅杆大端截面;Se为变幅杆小端截面。对于最简单的外径变化的阶梯形变幅杆而言,振幅放大系数可用其两端面的直径比的平方来表示:

　　式中D和d分别为变幅杆大端和小端的直径。通常阶梯变幅杆设计为两个四分之一波长的长度,即

　　式中λ为声波在变幅杆中传播的波长;C0为声波在制作变幅杆时在有限材料中的传播速度(在用45号钢时C0=5.17×105cm/s);f0为由换能器与传振杆所组成的系统的谐振频率。而在实际设计中,变幅杆和工具形式是多样化的。由于声学头的结构形式、变幅杆上下端的连接方式以及材料等因素的差异,因此理论设计的结果往往与实际结果有差异,有些参数需要在工艺实验中确定,在考虑成型精度和加工效率的同时进行不断修正。图4给出了我们自行设计的阶梯形变幅杆和各种形式刀具图片。

　　四、超声波加工工艺

　　由于超声波声学头的合理设计,使我们得到了所需的标称共振频率,而变幅杆与刀具的正确设计和连接是使超声振动振幅有效地放大和振动能量最大限度地进行传递的关键。只有具备上述技术,超声波声学头就具有了超声加工的能力,而实际的加工工艺还取决于加工压力、磨料颗粒和溶液浓度等方面的选择,以便有更高的加工效率和良好的表面加工质量。

　　1.加工压力对加工速度的影响

　　加工压力的大小直接影响加工的效率。图5给出了圆孔、窄槽、三角孔三种刀具的加工压力与加工速度的实验曲线。

　　由图5可看出,存在一个使加工速度最大的最佳加工压力,而且,加工面积越小最佳加工压力就越要向压力大的方向移动。此外加工速度与刀具的振幅成正比例地增加,在加工玻璃类脆性材料时,最初应选择较小的振幅,加工一段时间后再增大振幅,这样能够防止工作表面出现微裂纹。

　　2.磨料颗粒对加工速度的影响

　　在一定的颗粒范围内加工速度随磨粒直径的增大而按比例地增加,但磨料粒度的增大会使加工面变得粗糙,故要选择适当的粒度。另外,大颗粒的磨料也要求较高的共振频率与之相适应。不同磨料颗粒对加工表面粗糙度的影响不同。

　　图6给出了上述试件利用Form Talysurf测得的表面粗糙度曲线和结果。从测试结果可以获得超声加工形成的元件,其表面粗糙度的峰谷值只是磨料颗粒大小的1/2～1/3,即与普通研磨形成的表面质量相当。

　　五、光学元件的轻量化

　　空间光学技术对光学系统元件的重量有严格地控制,必须做到轻量化。而光学元件的轻量化问题在国内尚未得到完全解决,所以我们着重利用超声波的振动特性来开展光学元件的超声波轻量化工艺的研究。图7是利用该技术制作的轻量化试件,试件1是用圆孔、窄槽和三角形刀具制作的,试件2是四角形球面组合式刀具依次制作的玻璃模具,试件3是六角形刀具制作的。从试件加工来看,加工成型规则,表面质量很好,各种形状都可以制作,超声波加工是解决光学元件轻量化的最有效手段。

　　六、加工表面微裂纹和微应力的测试分析

　　轻量化的光学元件都要求有较高的精度,而且要承受复杂条件的考验,这就要求元件的工作面和其它所有表面都不允许存在微裂纹和微应力,因为它们蕴涵的应力一但在使用过程中由于环境变化会释放,会直接影响光学元件的精度或造成元件的破裂,使仪器不能正常工作,所以我们对加工元件的表面微观特性作了进一步的研究分析。在普通的光学粗磨、抛光过程中,磨料颗粒对光学元件表面造成的破坏层(微裂纹)深度可按下列经验公式计算:

其中Mn为破坏层深度;ln为磨料颗粒最大尺寸。

　　表1给出了普通的光学粗磨、抛光与超声波加工造成的破坏层深度对比表。

　　图8给出了超声波加工试件的具体测试结果是在1000倍的诺曼斯基显微镜下拍摄的表面微裂纹情况。从照片中可以看出,超声波加工的元件表面微裂纹很细微,比同等磨粒的普通研磨抛光造成的破坏层深度要浅一倍,而且裂纹不向机体内延伸,这样的微裂纹完全可以在下一道化学处理工艺中消除。图9给出了大气光仪中某一长棱镜在超声波加工前后,用ZYGO数字波面干涉仪测得的两个结果,从面形精度的值上看,几乎没有变化,可以证明超声波加工时所产生的微应力由于很小不足以造成面形精度的变化。

　　七、问题

　　(1)目前的超声波加工机床的功率只有250W,加工效率不高,要加工较大的孔,需要更大功率的超声机床。

　　(2)对超声波抛光工艺我们作了大量的实验,加工去除是可以实现的,但由于抛光元件的面形依赖于刀具的表面形状,所以难以实现对面形精度的控制。

　　(3)利用超声波的高频振动来加工玻璃等硬脆性材料,虽然我们对各种不同形状的盲孔都进行了加工实验,并能有效地控制加工的质量,但对有上百个复杂形状的大型光学元件的轻量化加工来说,为保证定位精度和质量,需要结合二维或三维CNC数控机床(或利用非球面数控加工中心)来实现,并兼顾刀具的自身磨损和刀具的更换等工艺。

　　八、结论

　　本文从超声波加工原理和结构出发,设计加工了变幅杆和各种形式的刀具,并通过大量工艺实验,探求了磨料颗粒大小和加工压力等因素对加工效率和加工质量的影响,同时对加工形成的表面粗糙度、加工造成的表面微裂和微应力进行了进一步测试分析,从而总结了超声波加工盲孔的新方法。

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　　作者简介:张忠玉(1964-),男,中国科学院长春光学精密机械研究所助理研究员。

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