低熔点光学玻璃表面加工工艺参数优化*

薛阳韩江，郭忠达，李 宏

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

低熔点玻璃[1-5]以其较低的转变温度、膨胀系数，通常在600 ℃以下，主要用于玻璃的精密模压。低熔点玻璃透镜模压成型技术是一种高精度光学元件热加工技术，它将玻璃预形体放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，可一次性直接模压成型出满足使用要求的光学零件，主要应用于数码相机、摄像机、移动电话等电子产品光学零部件[6-7]。光学玻璃直接精密模压技术带动了低熔点光学玻璃的发展[8-11]。低熔点玻璃作为一种环保材料，不含铅、砷等不符合环境保护要求的物质等特点，也不同于传统玻璃的折射率和色散系数，给光学设计带来很多新材料的选择。将低熔点玻璃直接进行研磨抛光，用于光学系统成为新的需求。光学玻璃的研磨抛光属于光学冷加工技术。磁流变抛光[12-17]对低熔点玻璃的超光滑抛光，表面粗糙度小于1 nm。磁流变抛光是光学冷加工技术中实现超光滑光学表面加工的重要手段。低熔点玻璃材料的磁流变超光滑抛光未见相关报道。因此，开展用于超光滑表面的低熔点玻璃磁流变研磨抛光研究具有重要意义，文中尝试进行低熔点玻璃研磨抛光冷加工研究，探索低熔点玻璃的超光滑加工特性。

1 实验条件与方法

目前，低熔点光学材料转换温度Tg低于600 ℃，多在在200 ℃到600 ℃之间[18]。它们的组分和加工特性与传统玻璃不同，如果用研磨抛光等方法直接进行加工会有不同的结果。实验选用精密退火的低熔点玻璃D-ZK2N，长120 mm，宽100 mm，高10 mm。其光学常数nd为1.59，vd为59.59，温度转变点Tg为490 ℃。本文利用实验室现有条件对其进行了磁流变抛光实验，为了得到较好的光学表面，先用高速精磨抛光机对低熔点玻璃进行精磨，对被加工玻璃进行预处理。然后，进行磁流变抛光，所用的磁流变抛光设备是实验室自研的一种大平面磁流变抛光机，如图1所示。加工完成后，用Form Taylor Surf Series 2接触式轮廓仪和白光干涉仪进行检测评价。

图1 磁流变抛光机

实验主要研究抛光液质量分数、磨盘转速、抛光时间等三个工艺参数对低熔点玻璃的去除影响作用。其他参数借用了相关研究[19]的工艺经验，如抛光间隙大小控制在0.6 mm；磁流变抛光机的上盘153 kg，通过气缸压力反向提拉实现玻璃加压控制，由于调节阀最小控压的问题，玻璃压力控制为10 kg；磁流变抛光盘是永磁体构成，磁场强度大小不变，磁感应强度为7 000 G；实验采用实验室自制的磁流变抛光液，主要成分是羰基铁粉，颗粒大小约5 μm，添加氧化铈抛光粉。选取抛光液质量分数参考值为5%、10%、15%、20%进行研究。磨盘转速的太快，压力波动范围变大而导致玻璃直接破碎无法实验，经过多次实验确定为20 r·min-1、30 r·min-1、35 r·min-1、40 r·min-1。抛光时间设置为20 min、30 min、40 min、50 min。

实验方法采用正交实验，研究工艺参数对低熔点玻璃的表面粗糙度的影响，并确定光学材料磁流变抛光的最佳工艺参数。实验根据以上情况选择三因素四水平实验方案，见表1。

表1 磁流变抛光表面粗糙度实验参数分布表

2 实验结果及分析

本实验首先对低熔点玻璃D-ZK2N进行精磨加工，精磨后玻璃的表面粗糙值控制在约300 nm。所用精磨设备为JP350G高速精磨抛光机，精磨前要将低熔点玻璃黏接在工装上，制备精磨盘，如图2所示。再固定在主轴上进行加工，在机械压力下通过转动主轴和精磨盘用W40的金刚砂进行精磨，达到初步去除表面、修正面形的目的，为后面的抛光打下基础。高速精磨抛光机的参数为工件转速为80 r·min-1，精磨时间是10 min，精磨压力为6.5 kg。

图2 精磨盘

2.1 磁流变抛光正交实验结果及分析

精磨表面粗糙度达到技术要求后，进行磁流变抛光。最终的抛光表面粗糙度实验数据分布见表2。通过正交实验处理数据结果见表3，绘制出了如图3所示的工艺参考因素和指标的关系图。

表2 抛光表面粗糙度实验数据分布表

表3 正交实验结果均值极差分析表

通过分析实验数据并处理结果得出，抛光液质量分数从5%上升到20%的过程中，表面粗糙度先升高再降低再升高；磨盘转速20 r·min-1升高到40 r·min-1的过程中，表面粗糙度先降低再升高；抛光时间从20 min升到50 min的过程中，先降低后保持不变。低熔点玻璃抛光后表面粗糙度影响最大的工艺参数排名依次为：磨盘转速>抛光时间>抛光液质量分数。低熔点玻璃通过磁流变抛光是可以达到表面粗糙度小于1 nm的超光滑要求，正交实验结果是用白光干涉仪进行检测评价结果，其中实验3的表面粗糙度测量为0.883 nm，如图3所示。

图3 抛光液质量分数5%、磨盘转速35 r·min-1、抛光时间40 min的表面粗糙度检测数据

2.2 抛光液质量分数对表面粗糙度的影响

从图4可以看出在选定的抛光液质量分数范围(5%～20%)内，抛光液质量分数变化对表面粗糙度影响较小。

图4 抛光液质量分数与表面粗糙度的关系

随着抛光液质量分数的增大，材料的表面粗糙度先升高再降低再升高。造成该现象的主要原因在于抛光液质量分数过高会影响磁流变液中的磨料质量分数，黏塑性介质能够控制的抛光粉的数量是有限的，过高的抛光液质量分数不仅不会减小表面粗糙度，反而对材料表面造成损坏，导致表面粗糙度变大。综合以往对其他玻璃材料研究结果，认为抛光液质量分数为15%为本次实验的最佳参数。

2.3 磨盘转速对表面粗糙度的影响

从表2最佳的表面粗糙度所对应的工艺参数中可以得出磨盘转速是对本次实验抛光效果影响最重要的工艺因素。图5中可以看出当磨盘转速增大时表面粗糙度迅速下降，但是当把磨盘转速从35 r·min-1升高到40 r·min-1时，表面粗糙度反而上升。其原因是磨盘转速和磁场强度共同作用的结果影响抛光磨料对玻璃的去除剪切力，磨盘转速增大时抛光区域的水解和机械去除比较稳定，可以逐渐降低表面粗糙度，但过高的磨盘转速会导致磁流变液补充不上，反而增大表面粗糙度。

图5 磨盘转速和表面粗糙度的关系

2.4 抛光时间对表面粗糙度的影响

从图6中可看出随着抛光时间的增加，工件的表面粗糙度速度下降,但是当抛光时间到40 min以后低熔点光学玻璃的表面粗糙度趋于一种稳定的趋势。为了降低工件的表面粗糙度可以适当的延长抛光的时间，实验中从40 min开始工件的表面粗糙度下降趋于稳定，故以后用本实验抛光装置进行抛光玻璃时可以把时间控制在50 min，可以大大的减少抛光时间，增加抛光的效率，还能获得稳定的加工表面粗糙度。

图6 抛光时间和表面粗糙度的关系

通过以上分析，在现有的实验条件下，三个工艺参数因素的最优化组合为：抛光液质量分数为15%、磨盘转速为35 r·min-1、抛光时间50 min。进行了工艺参数最优组合重复实验加工，将上述低熔点玻璃重新精磨处理，然后，在相同工艺条件下进行磁流变抛光，结果都能达到表面粗糙度小于1 nm。最好的表面粗糙度达到0.890 9 nm,如图7所示。

图7 最佳工艺参数下的表面粗糙度

3 结 论

文中采用了正交实验方法，利用自制的磁流变抛光机和自配的磁流变抛光液，对低熔点玻璃进行磁流变抛光。经过反复实验发现在工艺参数为抛光液质量分数15%、磨盘转速35 r·min-1、抛光时间50 min，低熔点玻璃通过磁流变抛光加工可以达到超光滑的技术水平，低熔点玻璃的表面粗糙度可以达到0.879 nm。