袁勝豪，張?jiān)骑w，余家欣，李凱隆，王 超，田 東，海 闊，黃 文

（1.中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽621900；2.西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621010）

1 引言

高精度大型光學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在高端光學(xué)、光電和測量領(lǐng)域，例如慣性約束激光核聚變系統(tǒng)（Inertial Confinement Fusion，ICF）、高分辨對(duì)地觀測系統(tǒng)、深空天文觀測系統(tǒng)、空間遙感光學(xué)系統(tǒng)等［1］。這些大型光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度成像、測量、激光能量傳輸?shù)那疤崾菍?duì)整個(gè)系統(tǒng)的光路和光能的精確控制。這要求系統(tǒng)中大口徑光學(xué)元件的折射率空間均勻性極好、表面散射極小、能量損耗極低。而實(shí)現(xiàn)這些光學(xué)指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一是獲得大口徑玻璃元件的高質(zhì)量加工表面［2］。以ICF系統(tǒng)為例，對(duì)其所涉及的光學(xué)元件提出了低缺陷、超光滑的加工要求。光學(xué)元件的表面缺陷會(huì)在強(qiáng)激光輻照下產(chǎn)生局部電磁場增強(qiáng)效應(yīng)或光子吸收效應(yīng)［3］，更低的粗糙度和缺陷率有利于減少激光傳輸中的能量耗散，并提高強(qiáng)激光誘導(dǎo)光學(xué)元件體損傷的損傷閾值。目前，ICF系統(tǒng)中光學(xué)元件表面缺陷引起的輻照損傷是制約強(qiáng)光光學(xué)系統(tǒng)能力提高的主要因素［4］。

傳統(tǒng)拋光方法例如小工具拋光和氣囊拋光，由于容易引入微米級(jí)亞表面缺陷，且存在加工尺寸受限和加工效率低等缺點(diǎn)，無法滿足大口徑高質(zhì)量光學(xué)元件的超精密加工要求［5-6］。磁流變拋光技術(shù)作為一種新興的以柔性去除材料為主的加工方法，在高質(zhì)量大口徑光學(xué)元件的超精密加工中具備顯著的優(yōu)勢。磁流變拋光的工作原理為：含有磁敏顆粒與拋光顆粒的拋光液在磁場的作用下在拋光輪上形成柔性拋光緞帶，拋光過程中柔性緞帶作為拋光工具隨拋光輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)劃過工件表面，通過拋光液緞帶中的拋光顆粒與工件的微觀剪切作用達(dá)到去除材料的目的。由于柔性接觸，拋光過程中單個(gè)拋光顆粒所受的正壓力約為10-7N，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)拋光中所承受的正壓力［7］。微小的正壓力使磁流變加工脆性材料時(shí)的材料去除能保持在塑性域范圍內(nèi)，因而能最大限度地避免拋光過程中光學(xué)元件亞表面損傷的生成，保障表面質(zhì)量［8］。

磁流變拋光是一種新興的超精密加工方法，在實(shí)際加工中還存在一些尚未解決的問題，這些問題會(huì)嚴(yán)重影響工件的拋光質(zhì)量。例如，磁流變拋光后表面經(jīng)常出現(xiàn)的“彗尾狀缺陷”。這種缺陷導(dǎo)致光學(xué)元件在使用過程中的局部光強(qiáng)增加，降低元件的激光損傷閾值［9］。對(duì)于這種“彗尾狀缺陷”的生成與去除在一些前期研究中有所報(bào)道。郭忠達(dá)［10］等人在使用磁流變拋光石英玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)石英玻璃表面在拋光后出現(xiàn)彗尾狀的疵病，他們認(rèn)為這是由于材料表面局部性松散與材料表面存在凹坑造成的，但是對(duì)于這種說法并沒有進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Catrin［11］等對(duì)磁流變拋光中石英玻璃表面材料的去除和亞表面缺陷生成的能力進(jìn)行研究，也觀察到類似的彗尾狀缺陷，他們認(rèn)為這是由拋光顆粒造成的表面劃痕缺陷的演變，通過進(jìn)一步的磁流變拋光能夠去除這種缺陷。上述研究表明，彗尾狀缺陷在磁流變拋光中是一種極易形成的獨(dú)特缺陷形式，但這些研究多闡述了這種缺陷存在于磁流變拋光中的現(xiàn)象，而對(duì)這種彗尾狀缺陷的生成與去除機(jī)理并未展開研究。

本文以石英玻璃為對(duì)象，系統(tǒng)地研究了磁流變拋光中拋光顆粒濃度和拋光液水分含量對(duì)彗尾狀缺陷的影響規(guī)律，以及彗尾狀缺陷在多次拋光中的演變規(guī)律，提出磁流變拋光中彗尾狀缺陷的生成與去除機(jī)理，為磁流變拋光去除表面缺陷的加工工藝提供了理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文中所用的材料為中物院機(jī)械制造工藝研究所提供的石英玻璃（Fused silica glass）。樣品尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。使用納米壓痕儀（NANO Indenter G200）測量其納米硬度為9.4 GPa，彈性模量為72.1 GPa。在磁流變拋光實(shí)驗(yàn)前，使用環(huán)形精密拋光法對(duì)石英玻璃進(jìn)行5 h的拋光，拋光后使用超聲波清洗機(jī)分別在無水乙醇和去離子水中對(duì)石英玻璃樣品清洗10 min，然后用高壓氮?dú)獯蹈纱谩＝?jīng)輪廓儀（Chotse，SuperView W1，china）測試，環(huán)形拋光清洗后的石英玻璃樣品的表面粗糙度在0.7 nm（1.5 mm×1.5 mm）左右。后續(xù)磁流變拋光實(shí)驗(yàn)中使用的石英玻璃均為上述同一批加工樣品，以確保表面的一致性。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用中物院機(jī)械制造工藝研究所研制的磁流變拋光設(shè)備進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)均在標(biāo)準(zhǔn)工況下完成，即：浸入深度為0.3 mm，拋光輪轉(zhuǎn)速為100 r/min，拋光液流量為1780 mL/min，緞帶厚度為1.3 mm。所用的拋光液為C1型氧化鈰拋光液，其成分配比為鐵粉顆粒1580 g，拋光顆粒0～60 g，基液290 g［12］。拋光液中的鐵粉顆粒粒徑為0.5～3μm，拋光顆粒（氧化鈰）的平均粒徑約為200 nm。在研究拋光液中拋光顆粒濃度對(duì)彗尾狀缺陷的影響時(shí)，選擇了拋光顆粒質(zhì)量濃度為0%（純鐵粉顆粒拋光液），1%，2%，3%的4種拋光液進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)前使用水分測定儀（Mettler-Toledo，HE53，Switzerland）檢測拋光液的水分含量，將其含量控制在14%±0.05%，并在整個(gè)拋光過程中實(shí)時(shí)檢測并通過水分補(bǔ)給以維持該水分含量。在研究拋光液水分含量對(duì)彗尾狀缺陷的影響時(shí)，使用拋光顆粒質(zhì)量濃度為3%的拋光液，設(shè)置拋光液的水分含量為13%，14%，15%。以上拋光實(shí)驗(yàn)在每個(gè)參數(shù)下去除200 nm厚均勻?qū)拥氖⒉ＡР牧?，之后采用輪廓儀及超景深顯微鏡（Keyence，VHX-5000，Japan）觀察清洗后石英玻璃表面的缺陷生成情況。同時(shí)，采用原子力顯微鏡（Seiko，SPI3800N，Japan）觀察彗尾狀缺陷的三維形貌。在研究表面固有缺陷對(duì)彗尾狀缺陷生成的影響中，采用納米壓痕儀通過Berkovich壓頭在峰值載荷2 mN下在石英玻璃表面預(yù)制系列壓痕缺陷，再使用氫氟酸進(jìn)行刻蝕，使預(yù)制缺陷的尺寸、深度、形貌與彗尾狀缺陷中的凹坑形貌相似。

3 結(jié)果與討論

3.1 拋光顆粒濃度對(duì)彗尾狀缺陷生成的影響

圖1為石英玻璃樣品經(jīng)不同拋光顆粒濃度的拋光液經(jīng)磁流變拋光后其表面的白光干涉形貌圖。如圖所示，隨著拋光顆粒濃度的增加，石英玻璃表面生成的彗尾狀缺陷數(shù)量逐漸變多。當(dāng)使用無拋光顆粒（純鐵粉）的拋光液拋光后，石英玻璃表面并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷；然而，隨著拋光顆粒的加入，材料表面逐漸開始出現(xiàn)一種彗尾狀缺陷。通過原子力顯微鏡對(duì)單個(gè)彗尾狀缺陷進(jìn)行觀察，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)彗尾狀缺陷主要由彗尾頭部凹坑與彗尾尾部凸起兩個(gè)部分組成。其中彗尾頭部凹坑的深度一般為20～400 nm，彗尾尾部凸起劃痕的高度為2～5 nm，彗尾長0.5～1 mm，寬5～10μm。

圖1 經(jīng)拋光顆粒濃度不同的拋光液磁流變拋光后石英玻璃表面的白光干涉儀形貌圖（其中箭頭所指處為典型的彗尾狀缺陷處）Fig.1 White light interferometer topography on surface of fused silica glass after polishing with different polishing particle concentrations，where the ar?rows point to some typical comet-tail shaped de?fects

圖2 典型彗尾狀缺陷的AFM形貌及其輪廓曲線Fig.2 AFM topography and cross-section curve of typi?cal comet-tail defect

圖3定量統(tǒng)計(jì)了彗尾狀缺陷的數(shù)量隨拋光液中拋光顆粒濃度的變化關(guān)系，其中每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來自6個(gè)1.5 mm×1.5 mm內(nèi)石英玻璃表面彗尾狀缺陷數(shù)量的平均值。如圖所示，當(dāng)拋光顆粒濃度從0%增加到1%，2%，3%時(shí)，彗尾狀缺陷的數(shù)量從0逐漸增加到7，15，42。因此，在磁流變拋光中，隨著拋光液中拋光顆粒含量的增加，彗尾狀缺陷的數(shù)量顯著增加。

圖3 彗尾狀缺陷數(shù)量與拋光液中拋光顆粒濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between number of comet-tail defects and concentration of polishing particles in polish?ing solution

3.2 拋光液水分含量

圖4為石英玻璃在不同水分含量的拋光液下拋光后其表面的白光干涉形貌。如圖所示，隨著水分含量的增加，石英玻璃表面生成的彗尾狀缺陷數(shù)量逐漸減少。即在低水分含量下，拋光后的表面存在大量的彗尾狀缺陷；高水分含量下則生成較少的彗尾狀缺陷。圖5定量統(tǒng)計(jì)了彗尾狀缺陷數(shù)量與拋光液水分含量的變化關(guān)系，同樣，每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來自6個(gè)1.5 mm×1.5 mm內(nèi)石英玻璃表面彗尾狀缺陷數(shù)量的平均值。如圖所示，在拋光液水分含量從13%增加到15%再到17%的過程中，彗尾狀缺陷的數(shù)量從31減少到14再到8。因此，在磁流變拋光中，隨著拋光液中水分含量的增加，彗尾狀缺陷的數(shù)量顯著減少。

圖4 經(jīng)不同水分含量的拋光液磁流變拋光后石英玻璃表面的白光干涉儀形貌圖（其中箭頭所指處為典型的彗尾狀缺陷處）Fig.4 White light interferometer topography on surface of fused silica glass after polishing with different water contents，where arrows point to some typical comet tail shaped defects

圖5 彗尾狀缺陷數(shù)量與拋光液中水分含量的關(guān)系Fig.5 Relationship between number of comet-tail shaped defects and water content in polishing solution

3.3 彗尾狀缺陷的生成原因

彗尾狀缺陷更多地會(huì)出現(xiàn)在拋光前材料表面存在劃痕或凹坑缺陷的位置［10-11］。圖6記錄了3.1節(jié)與3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)中石英玻璃表面某一位置在拋光前后的典型形貌變化。圖6（a）顯示了前序加工造成的工件表面的缺陷分布情況，圖6（b）為磁流變拋光后表面缺陷的演變情況。從圖中可以看出，工件表面原始缺陷在拋光后存在3種演變情況：原始缺陷演變成彗尾狀缺陷；原始缺陷被去除；原始缺陷未變化。通過觀察同一位置上拋光前后缺陷的變化規(guī)律，總結(jié)得出彗尾狀缺陷只出現(xiàn)在原始缺陷處，但原始缺陷并不一定會(huì)演變成彗尾狀缺陷，僅當(dāng)表面原始缺陷尺寸及深度達(dá)到一定程度后，彗尾狀缺陷才有可能形成。因此，樣品表面的原始缺陷是磁流變拋光后誘發(fā)表面彗尾狀缺陷生成的主要因素之一。

圖6 石英玻璃磁流變拋光前后表面缺陷的演變情況Fig.6 Changes of surface defects of fused silica glass be?fore and after MRF

為了明確原始缺陷在拋光中對(duì)彗尾狀缺陷生成的作用，研究中通過納米壓痕儀首先在石英玻璃表面預(yù)制一系列納米壓痕，所有預(yù)制凹坑缺陷的壓痕參數(shù)一致，并通過氫氟酸進(jìn)行刻蝕，刻蝕后的壓痕形貌如圖7（a）所示，采用原子力顯微鏡測量其深度約為100 nm，寬度約為2μm。將此帶有預(yù)制凹坑缺陷的石英玻璃作為樣品，分別采用無拋光顆粒的拋光液和拋光顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的拋光液對(duì)該樣品進(jìn)行磁流變拋光，拋光后的表面形貌如圖7（b）和7（c）所示。結(jié)果表明，在無拋光顆粒的情況下（如圖7（b）），預(yù)制的凹坑缺陷并沒有演變成彗尾狀缺陷，但是在凹坑邊緣位置處有大量顆粒聚集，如圖7（b）左下角的缺陷AFM形貌所示。由于此時(shí)拋光液中無拋光顆粒，因此在缺陷邊緣處發(fā)現(xiàn)的聚集顆粒一定為拋光液中的鐵粉顆粒。而在使用拋光顆粒質(zhì)量濃度為4%的拋光液進(jìn)行拋光后，如圖7（c）所示，石英玻璃表面的預(yù)制壓痕凹坑缺陷演變成彗尾狀缺陷。彗尾缺陷頭部的AFM形貌圖顯示，凹坑邊緣位置處有大量更為細(xì)小的顆粒黏著，說明此時(shí)更細(xì)小的拋光顆粒殘留在凹坑內(nèi)部，同時(shí)凹坑邊緣處與原始凹坑相比有明顯的鈍化現(xiàn)象。Pfiffer等人［13］通過電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）測量了磁流變拋光后石英玻璃表面缺陷內(nèi)外的Fe與Ce元素的分布，發(fā)現(xiàn)在缺陷內(nèi)含有的這兩種元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺陷外部。說明磁流變拋光中鐵粉顆粒和氧化鈰拋光顆粒更容易殘留在缺陷內(nèi)，這和我們通過AFM觀察到的缺陷形貌中的顆粒殘留結(jié)果一致。

圖7 石英玻璃的預(yù)制缺陷區(qū)域（a）經(jīng)拋光顆粒濃度為0%（b）和4%（c）的拋光液拋光后的表面光鏡圖（插圖為缺陷處的AFM形貌）Fig.7 Prefabricated defect area of fused silica glass（a）polished with polishing powder concentrations of 0%（b）and 4%（c），where inserts show AFM topography of defects

采用無拋光顆粒拋光液實(shí)驗(yàn)時(shí)，拋光液中的固體顆粒僅為鐵粉顆粒，由于表面凹坑的存在，阻礙了鐵粉顆粒的流動(dòng)，因此會(huì)在凹坑的邊緣處產(chǎn)生堆積現(xiàn)象。但是在此工況下，樣品表面的機(jī)械剪切僅來自鐵粉，由于無拋光顆粒的拋光液的材料去除率較低，鐵粉顆粒的堆積并沒有造成與凹坑周圍其他部位材料去除率的差異，因而不會(huì)形成彗尾狀缺陷。然而，在采用拋光顆粒質(zhì)量濃度為4%的拋光液拋光時(shí)，由于氧化鈰拋光顆粒粒徑遠(yuǎn)小于鐵粉顆粒（氧化鈰顆粒尺寸為200 nm），在拋光液的整體流動(dòng)中，更細(xì)小的拋光顆粒殘留在凹坑邊緣形成堆積。此時(shí)拋光液中含有氧化鈰顆粒，其材料去除效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無拋光顆粒時(shí)，這種堆積現(xiàn)象造成之后的拋光緞帶內(nèi)含有的拋光顆粒數(shù)量減少，從而導(dǎo)致凹坑尾部的材料去除率下降，在凹坑尾部區(qū)域與劃痕的兩邊區(qū)域形成材料去除率的差異，產(chǎn)生凸起的劃痕，最終在缺陷區(qū)域生成彗尾狀缺陷。前期本課題組對(duì)磁流變拋光中流體經(jīng)過凹坑的現(xiàn)象進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)仿真分析［14］，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)流體經(jīng)過深坑區(qū)域之后，深坑內(nèi)表面的局部區(qū)域會(huì)形成負(fù)壓，區(qū)域壓力減??；而深坑近壁層的流動(dòng)速度也會(huì)損失，流體會(huì)在深坑內(nèi)以低速運(yùn)動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)軌跡是環(huán)狀的回路形路徑。這種流場分布導(dǎo)致了流體經(jīng)過凹坑后彗尾部分受到的壓力減小，導(dǎo)致材料去除率的減少。以上分析進(jìn)一步說明，彗尾狀缺陷的生成是由于拋光顆粒在材料表面缺陷處的堆積影響了彗尾尾部的材料去除率而形成。

在磁流變拋光中，當(dāng)拋光液緞帶劃過樣品表面缺陷處時(shí)，拋光液中的拋光顆粒會(huì)在缺陷內(nèi)形成堆積。拋光液中的拋光顆粒含量越多，磁流變拋光的材料去除率迅速上升，以及在凹坑缺陷內(nèi)形成的堆積現(xiàn)象越嚴(yán)重，使得缺陷尾部區(qū)域拋光顆粒含量相對(duì)于其他部位減小，去除量與缺陷頭部和左右兩邊的材料去除量存在較大差異，便更容易在缺陷處生成彗尾狀缺陷，如圖3所示。

在磁流變拋光中，因?yàn)閽伖庖旱乃趾繘Q定了拋光液的黏度，水分含量的增加使拋光液黏度減小，從而導(dǎo)致拋光顆粒在拋光液中的流動(dòng)性增加。所以當(dāng)含有拋光顆粒的緞帶劃過缺陷時(shí)，拋光液的流動(dòng)性越高，拋光顆粒更容易越過缺陷邊緣處，就不容易在缺陷處產(chǎn)生堆積，從而使得產(chǎn)生彗尾狀缺陷的幾率降低。因此，隨著拋光液中水含量的增加，生產(chǎn)彗尾狀缺陷的數(shù)量減少如圖5所示。

3.4 彗尾狀缺陷在磁流變拋光中的演變

由于彗尾狀缺陷的出現(xiàn)嚴(yán)重影響材料的表面質(zhì)量，因此在掌握了彗尾狀缺陷的生成原因后，它在拋光過程中的演變和消除過程更值得關(guān)注。研究中，同樣首先采用納米壓痕儀在石英玻璃表面預(yù)制凹坑缺陷，然后使用拋光顆粒質(zhì)量濃度為3%的拋光液對(duì)該石英玻璃樣品進(jìn)行5次磁流變拋光加工（每次拋光定量的均勻去除150 nm厚的石英玻璃材料）。在每次加工后，通過AFM觀察玻璃表面預(yù)制缺陷的形貌演變。圖8所示為石英玻璃表面原始?jí)汉郯伎釉诖帕髯儝伖膺^程中凹坑的橫斷面輪廓曲線，插圖為根據(jù)橫斷面曲線得到的凹坑最大深度隨加工次數(shù)的變化關(guān)系。可以看出，在經(jīng)第一次磁流變拋光加工后，凹坑深度從原始的80 nm顯著增加到320 nm，是原始凹坑深度的4倍；然而經(jīng)過第二次加工后，凹坑的最大深度從320 nm減小到280 nm；之后隨著加工的進(jìn)行，凹坑的最大深度逐漸減小，最終經(jīng)過5次磁流變拋光后，材料表面預(yù)制的凹坑缺陷被完全去除。對(duì)比凹坑最大深度隨加工次數(shù)的變化，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在拋光過程中，第2次加工后凹坑的最大深度相對(duì)于加工前減少了35 nm，第3，4次加工后凹坑深度的減少量分別為90，138 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還說明了凹坑缺陷深度的單次加工減少量隨去除次數(shù)的增加呈增大趨勢。

圖8 樣品表面凹坑的橫斷面輪廓曲線隨磁流變拋光次數(shù)的變化（插圖為凹坑深度隨拋光次數(shù)的變化關(guān)系）Fig.8 Cross-sectional profile curve of pit on fused silica glass with various polishing times，where insert shows relationship between depth of pit and polish?ing time

圖9選擇性列出上述壓痕凹坑在經(jīng)過第1次和第3次磁流變拋光后形成的彗尾缺陷的AFM形貌。如圖9（a）所示，經(jīng)過第1次拋光后，彗尾頭部凹坑中有大量顆粒粘附，且堆積在缺陷沿拋光顆粒流動(dòng)方向的尾部。然而，經(jīng)過第3次拋光后，如圖9（b）所示，彗尾頭部凹坑內(nèi)部附著的拋光顆粒大大減少，且在邊緣未造成堆積。圖10進(jìn)一步量化了原始納米壓痕凹坑在經(jīng)過不同次數(shù)磁流變拋光后，其凹坑邊緣角度隨加工次數(shù)的變化。可以看出，凹坑缺陷邊緣角度隨拋光的進(jìn)行而增加，從原始的103°最終增加到158°，說明在磁流變拋光過程中材料表面原始缺陷表現(xiàn)出邊緣鈍化的特性。

圖9 磁流變拋光中樣品表面原始缺陷區(qū)域經(jīng)過第1次（a）與第3次（b）拋光加工后的AFM形貌Fig.9 AFM topography of original defect area on sample after polishing one time（a）and three times（b）

圖10 樣品表面凹坑缺陷邊緣角度隨磁流變拋光次數(shù)的變化（插圖為邊緣角度）Fig.10 Edge angle of pit defect on sample surface varies with MRF polishing times，where inset is sche?matic diagram of edge angle of pit defect

以上結(jié)果說明在磁流變拋光中，隨著拋光的進(jìn)行，樣品表面原始缺陷的邊緣處會(huì)出現(xiàn)拋光顆粒堆積減弱以及邊緣角度增大的現(xiàn)象。缺陷深度先增加這是由于磁流變拋光的材料去除屬于摩擦化學(xué)磨損［11］，通常為了使拋光過程更加高效，氧化鈰磨料在制造過程中會(huì)產(chǎn)生大量晶格缺陷，這些缺陷促進(jìn)磨料在材料表面的附著［15］。初次拋光后，含有拋光顆粒的緞帶劃過樣品表面的原始缺陷，缺陷邊緣會(huì)阻礙拋光液中拋光顆粒的流動(dòng)，使更多拋光顆粒沖擊/剪切凹坑內(nèi)部。由于氧化鈰顆粒的摩擦化學(xué)去除作用［16］，更多的磨粒沖擊/剪切造成凹坑內(nèi)部的材料去除量大于缺陷外的去除量，從而造成初次加工后缺陷深度的增加。然而，隨著磁流變拋光的進(jìn)行，缺陷凹坑邊緣的鈍化使其阻礙拋光顆粒的流動(dòng)性作用減小，拋光顆粒在缺陷區(qū)域的聚集作用減弱，對(duì)凹坑內(nèi)部造成的沖擊/剪切作用減弱，從而使得凹坑內(nèi)部的材料去除率較上一次拋光更弱，因此凹坑深度從第2次拋光開始逐漸降低，直至完全消失。

圖11所示為磁流變拋光中樣品表面彗尾狀缺陷的生成與演變示意圖。在磁流變拋光中，拋光液緞帶內(nèi)鐵粉顆粒與拋光顆粒的排列方式如圖11（a）所示。當(dāng)拋光液緞帶與樣品表面接觸時(shí)，拋光輪帶動(dòng)緞帶與樣品表面發(fā)生剪切，由于樣品表面存在固有缺陷，缺陷邊緣會(huì)阻礙拋光顆粒的流動(dòng)，導(dǎo)致大量拋光顆粒黏著在缺陷內(nèi)部以及堆積在凹坑邊緣處。由于在缺陷邊緣處拋光顆粒的堆積和阻塞作用，拋光液經(jīng)過堆積處后拋光顆粒含量減少，拋光顆粒堆積處后材料去除率相對(duì)于拋光液正常流動(dòng)的區(qū)域偏低，因而形成凸起狀劃痕，即產(chǎn)生彗尾狀缺陷，如圖11（b）所示。隨著拋光的進(jìn)行，拋光顆粒會(huì)不斷剪切凹坑邊緣，促使凹坑缺陷邊緣不斷鈍化，導(dǎo)致缺陷對(duì)拋光液流動(dòng)的阻礙作用減弱，從而拋光顆粒能更加順利地通過凹坑缺陷區(qū)域，使之逐漸接近凹坑外部的材料去除率，如圖11（c）所示。最終通過多次拋光加工后缺陷被完全去除。

圖11 磁流變拋光彗尾狀缺陷的生成和演變示意圖Fig.11 Schematic diagram of the formation and evolu?tion of comet-tail shaped defects in the MRF

4 結(jié)論

磁流變拋光后元件表面的彗尾狀缺陷與元件表面存在的原始缺陷相關(guān)，拋光顆粒在缺陷處的堆積是造成原始缺陷轉(zhuǎn)變成彗尾狀缺陷的主要原因。隨著拋光液中拋光顆粒濃度的增加，拋光顆粒在原始缺陷處的堆積明顯，彗尾狀缺陷出現(xiàn)的數(shù)量增加；然而隨著拋光液中水分含量的增加，拋光液的流動(dòng)性增強(qiáng)，拋光顆粒的堆積效應(yīng)減弱，彗尾狀缺陷出現(xiàn)的數(shù)量降低。隨著磁流變拋光的進(jìn)行，原始凹坑缺陷首先演變成彗尾狀缺陷，過程中彗尾頭部的凹坑深度相對(duì)于原始缺陷表現(xiàn)出先增加再降低的趨勢；而凹坑的邊緣角度隨拋光的進(jìn)行呈單調(diào)增加的趨勢，最終直到缺陷被完全去除。本文的研究結(jié)果為抑制磁流變拋光中元件表面彗尾狀缺陷的生成奠定了理論基礎(chǔ)。