江亮，鄭佳昕，彭武茂，李文輝，韓艷君，張韶華，周寧寧，卿濤，錢林茂

特邀綜述

空間基礎(chǔ)零部件超精密拋光技術(shù)研究進(jìn)展

江亮1，鄭佳昕1，彭武茂1，李文輝1，韓艷君1，張韶華2，周寧寧2，卿濤2，錢林茂1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都 610031；2.北京控制工程研究所 精密轉(zhuǎn)動和傳動機(jī)構(gòu)長壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

軸承、齒輪、陀螺儀諧振子、反射鏡等是實(shí)現(xiàn)航天器旋轉(zhuǎn)支撐、動力傳遞、姿態(tài)控制、空間探測等功能的核心基礎(chǔ)零部件，直接影響航天器的性能、壽命和可靠性。為了確保航天任務(wù)順利進(jìn)行，空間基礎(chǔ)零部件必須擁有優(yōu)異的使役性能、高的可靠性和長的壽命，其工作面的狀態(tài)是關(guān)鍵影響因素。為此，基于制造角度，必須不斷提高工作面的精度和表面質(zhì)量。然而，空間基礎(chǔ)零部件的工作面多為復(fù)雜曲面，且材料包含多種元素和金相組織，可控拋光難度大。從軸承、齒輪、陀螺儀諧振子、反射鏡等4種空間基礎(chǔ)零部件的特點(diǎn)出發(fā)，簡要陳述了各自的超精密拋光需求及必要性，分類總結(jié)了現(xiàn)有的超精密拋光技術(shù)，如應(yīng)用于軸承的雙盤研磨拋光、電化學(xué)機(jī)械拋光、流變拋光，應(yīng)用于齒輪的磨粒流拋光、流變拋光、電化學(xué)機(jī)械拋光，應(yīng)用于陀螺儀諧振子的流變拋光、飛秒激光和離子束質(zhì)量調(diào)平，以及應(yīng)用于反射鏡的磁流變拋光、計算機(jī)控制光學(xué)表面成型、氣囊拋光、離子束修形拋光等，闡述了各種拋光技術(shù)的原理和效果，最后展望了超精密拋光技術(shù)的發(fā)展方向，以期為空間基礎(chǔ)零部件的超精密加工提供借鑒。

基礎(chǔ)零部件；軸承；齒輪；諧振子；反射鏡；拋光；超精密

以空間站、人造地球衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡及空間探測器等為代表的航天器對國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究具有重要意義。如圖1所示，在航天器中，軸承（文中指滾動軸承）、齒輪、陀螺儀諧振子、反射鏡等基礎(chǔ)零部件主要用于實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)支撐、動力傳遞、姿態(tài)控制、空間探測等功能，直接影響航天器的性能、壽命和可靠性[1-11]。隨著我國航天強(qiáng)國建設(shè)的不斷推進(jìn)，航天器的發(fā)射頻率和在軌時間日益增加，航天任務(wù)日益復(fù)雜，這就要求航天器具有高精度、低振動、低噪聲、高穩(wěn)定度、高可靠性和長壽命等。以衛(wèi)星為例，我國低軌遙感衛(wèi)星的設(shè)計壽命已從之前的3～5年普遍提高到5～8年，高軌通信衛(wèi)星的設(shè)計壽命已從之前的8年提高到12～15年，甚至更長。為了確保航天任務(wù)順利進(jìn)行，作為航天器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，空間基礎(chǔ)零部件必須擁有優(yōu)異的使役性能、高可靠性和長壽命。

空間基礎(chǔ)零部件通常工作在真空、微重力、強(qiáng)輻射、高低溫、高低速、高比負(fù)荷、多次啟停、交變載荷、間歇操作等極端服役環(huán)境和工況下，高的精度和表面質(zhì)量對獲得優(yōu)異的使役性能至關(guān)重要。張森等[12]對1975—2007年間的272次國內(nèi)外衛(wèi)星故障進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，53次為瞬時故障，219次為永久故障，37%的故障發(fā)生在姿態(tài)和軌道控制分系統(tǒng)，其中36%的故障與飛輪、控制力矩陀螺、陀螺儀等活動部件有關(guān)。軸承等的加工缺陷或機(jī)械磨損是引起上述部件故障的重要原因[13]。目前，工業(yè)界主要采用切削、磨削和研磨等傳統(tǒng)技術(shù)來加工空間基礎(chǔ)零部件。上述加工技術(shù)受到純機(jī)械去除原理的限制，在去除時接觸壓力需要達(dá)到材料的屈服極限，最小去除厚度受限，精度和表面質(zhì)量難以進(jìn)一步提高，并且在熱力耦合作用下不可避免地會產(chǎn)生各種形式的損傷，如微裂紋和劃痕，極有可能影響空間基礎(chǔ)零部件的使役性能。為此，必須發(fā)展超精密拋光技術(shù)，不斷提高空間基礎(chǔ)零部件的精度和表面質(zhì)量，以保障航天器在空間環(huán)境中長壽命安全可靠運(yùn)行。

圖1 空間基礎(chǔ)零部件及其在航天器中的應(yīng)用[3-11]（經(jīng)SPIE同意后復(fù)制自參考文獻(xiàn)[6]）

超精密拋光通常被作為最后一道精加工工序，用以獲得優(yōu)異的精度和表面質(zhì)量。目前，研究人員已經(jīng)發(fā)展出各種各樣的超精密拋光技術(shù)，依據(jù)材料去除原理，大致可以分為3類：主要利用單一的機(jī)械滾軋和刻劃作用，如磨粒流拋光、磁流變拋光、電流變拋光、力流變拋光、射流拋光等；利用機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)等多源能量復(fù)合作用，如化學(xué)機(jī)械拋光、電化學(xué)機(jī)械拋光、計算機(jī)控制光學(xué)表面成型（Computer?Controlled Optical Surfacing，CCOS，又稱數(shù)控小工具拋光）、氣囊拋光（搭配能與工件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的拋光液）、等離子體拋光等；利用微觀粒子的物理濺射作用，如離子束修形拋光等。隨著空間技術(shù)的高速發(fā)展，對空間基礎(chǔ)零部件精度和表面質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要深入理解現(xiàn)有超精密拋光技術(shù)的加工原理，在此基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展新型的超精密拋光技術(shù)，將加工精度逐漸從亞微米級、納米級提升至亞納米級、原子級[14-20]，以滿足空間技術(shù)的發(fā)展需求。

文中選擇軸承、齒輪、陀螺儀諧振子、反射鏡為典型的空間基礎(chǔ)零部件，簡要總結(jié)相關(guān)的超精密拋光技術(shù)，包括拋光需求、必要性、原理、效果，最后對超精密拋光技術(shù)的下一步發(fā)展進(jìn)行展望。

1 軸承超精密拋光技術(shù)

軸承是空間精密旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要支撐件，它廣泛應(yīng)用于航天器中，如飛輪、控制力矩陀螺、太陽帆板驅(qū)動裝置、機(jī)械陀螺儀等[1-2]。以飛輪為例，它是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，長期工作在較高轉(zhuǎn)速或反復(fù)加減速等環(huán)境中。飛輪按照姿態(tài)控制系統(tǒng)指令，提供合適的控制力矩，校正衛(wèi)星的姿態(tài)偏差或完成某種預(yù)定的姿態(tài)調(diào)整。如圖2所示，軸承是飛輪的關(guān)鍵零件，直接決定飛輪的使役性能。

圖2 軸承及其在飛輪中的應(yīng)用[21-22]（根據(jù)知識共享署名許可協(xié)議復(fù)制自文獻(xiàn)[22]）

軸承主要由滾動體（包括球、圓柱滾子、圓錐滾子等）、內(nèi)外套圈和保持架等核心元件組成。核心元件的精度和表面質(zhì)量直接決定軸承的使役性能。

1）摩擦磨損。為了獲得穩(wěn)定的摩擦力矩，空間軸承通常采用微量油進(jìn)行潤滑，此時油膜厚度非常薄，可能薄至0.1 μm[23]。如果軸承核心元件的表面粗糙度較大，膜厚比（油膜厚度與表面粗糙度之比）較小，當(dāng)軸承工作時，其潤滑狀態(tài)可能為混合潤滑或者邊界潤滑。如圖3a所示，此時軸承表面粗糙度越大，摩擦因數(shù)越大，同時磨損也越嚴(yán)重[24-25]。

2）振動。軸承的振動水平與表面粗糙度密切相關(guān)，當(dāng)軸承處于混合潤滑乃至邊界潤滑狀態(tài)時，表面粗糙峰會發(fā)生碰撞，從而引發(fā)振動[26]，造成摩擦力矩波動。這可能引發(fā)控制精度的下降，甚至影響航天器的工作性能，如遙感相機(jī)精度。

3）噪聲。振動會引發(fā)噪聲[27]，對于空間站的航天員，如果長期工作在噪聲環(huán)境中，會影響其身心健康。

4）可靠性和壽命。以反作用輪（飛輪的一種）為例，其工作轉(zhuǎn)速通常為±1 000 r/min[2]。當(dāng)軸承工作面的表面質(zhì)量不高時，反作用飛輪在轉(zhuǎn)速過零時會產(chǎn)生一個較大的摩擦力矩沖擊，這會對航天器產(chǎn)生較大的擾動。為了降低對航天器的摩擦力矩擾動，應(yīng)盡可能避免反作用飛輪處于過零工作狀態(tài)，采用多個反作用飛輪同時工作，且在高速模式下進(jìn)行控制。然而，這會顯著增加姿態(tài)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的可靠性。

此外，如圖3b所示，國際知名軸承廠商日本NSK公司的Ueda等[28]采用6206深溝球軸承進(jìn)行了壽命測試實(shí)驗(yàn)。其中，滾道的表面粗糙度為0.039 μm，球的表面粗糙度從0.024 μm變化至0.007 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著球的表面粗糙度的降低，凹痕引發(fā)的剝落壽命（Dent initiated flaking life）得到了極大改善。這主要是因施加在滾道表面的切向力減小。綜上所述，為了提高軸承的使役性能和壽命，亟須改善軸承核心元件的精度和表面質(zhì)量。

目前，通常采用無心外圓磨削、無心外圓超精研、定心往復(fù)超精研等傳統(tǒng)技術(shù)來加工軸承核心元件，其精度和表面質(zhì)量有待進(jìn)一步提高[29-30]。如前所述，空間軸承常常工作在高低溫、高低速、多次啟停等極端環(huán)境和工況下，此時潤滑狀態(tài)極有可能進(jìn)入混合潤滑乃至邊界潤滑狀態(tài)，其精度和表面質(zhì)量越差，軸承的使役性能越差。為此，研究人員發(fā)展了多種超精密拋光技術(shù)，如化學(xué)機(jī)械拋光、電化學(xué)機(jī)械拋光、力流變拋光、磁流變拋光等，以提高核心元件的形狀精度和一致性，降低表面粗糙度，將膜厚比提高至4以上，避免了工作面粗糙峰的直接接觸，實(shí)現(xiàn)了全膜潤滑，降低了振動和噪音，提高了軸承的使役性能和壽命，最終保障航天器安全可靠運(yùn)行。下面對相關(guān)的超精密拋光技術(shù)作簡要介紹。

1.1 機(jī)械研磨和化學(xué)機(jī)械拋光

這里將機(jī)械研磨和化學(xué)機(jī)械拋光放在一起進(jìn)行總結(jié)。在滾動體的成形原理上，雙盤（或稱雙平面）機(jī)械研磨和雙盤化學(xué)機(jī)械拋光基本一致，設(shè)備也可以共用，不同之處在于機(jī)械研磨主要利用機(jī)械滾軋和刻劃作用，而化學(xué)機(jī)械拋光主要利用化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械力的協(xié)同作用，因此化學(xué)機(jī)械拋光需要將剛性研磨盤替換為柔性拋光墊，將硬質(zhì)磨粒（如金剛石、氧化鋁等）替換為由具有化學(xué)反應(yīng)活性的軟質(zhì)磨粒（如二氧化硅、二氧化鈰等）和化學(xué)試劑（如氧化劑、絡(luò)合劑、緩蝕劑、表面活性劑、鹽、pH調(diào)節(jié)劑等）組成的拋光液。

圖3 表面粗糙度對軸承使役性能的影響

在傳統(tǒng)的滾動體批量加工中，球主要采用基于傳統(tǒng)V形槽方式的球體概率法研磨，圓柱滾子主要采用貫穿式無心外圓磨削。上述加工方法從成形原理上決定了滾動體表面各點(diǎn)去除概率具有隨機(jī)性，難以獲得高的形狀精度一致性，在加工完成后需要通過分選獲得高形狀精度一致性的滾動體，存在成本高、效率低等缺點(diǎn)[29-30]。為此，浙江工業(yè)大學(xué)袁巨龍研究團(tuán)隊(duì)提出了滾動體加工軌跡均勻包絡(luò)成形原理，通過控制研磨盤的轉(zhuǎn)速來改變滾動體的自轉(zhuǎn)角，調(diào)整滾動體的運(yùn)動姿態(tài)，使加工軌跡均勻包絡(luò)加工面，實(shí)現(xiàn)滾動體表面各點(diǎn)的等概率去除。基于該成形原理，如圖4a所示，針對球發(fā)明了雙自轉(zhuǎn)式球體加工方法，包括雙自轉(zhuǎn)盤同心方式[31]、雙自轉(zhuǎn)盤偏心方式[32-34]。如圖4b所示，在此基礎(chǔ)上提出了變曲率溝槽球體加工方法，通過溝槽滾道曲率的變化來改變球體的運(yùn)動姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)球的高一致性精密加工[35-38]。周芬芬等[37-38]研制了變曲率溝槽球體加工實(shí)驗(yàn)平臺，采用研拋工藝，使鋼球的批直徑變動量達(dá)到0.25 μm，球度誤差均值達(dá)到0.122 μm，表面粗糙度均值達(dá)到11 nm；陶瓷球的批直徑變動量達(dá)到0.19 μm，球度誤差均值達(dá)到0.115 μm，表面粗糙度均值達(dá)到12 nm，優(yōu)于G5級的精度指標(biāo)，如圖4d所示。如圖4c所示，針對圓柱滾子，發(fā)明了偏心轉(zhuǎn)擺式雙平面圓柱加工方法[39-42]。姚蔚峰等[41-42]研制了雙平面圓柱外圓加工實(shí)驗(yàn)平臺，采用研拋工藝加工圓柱滾子，獲得了良好的圓度和表面質(zhì)量，如圖4d所示。

天津大學(xué)任成祖研究團(tuán)隊(duì)[43-44]提出了圓柱滾子和圓錐滾子雙盤研磨技術(shù)。陳洋等[43]研究了圓柱滾子在雙盤直槽研磨下的自轉(zhuǎn)運(yùn)動，獲得了可實(shí)現(xiàn)圓柱滾子穩(wěn)定且連續(xù)自轉(zhuǎn)的最優(yōu)參數(shù)組合。梁磊等[44]對圓錐滾子雙盤研磨螺旋槽工作面進(jìn)行了求解與形面分析，研究表明，螺旋槽工作面1和工作面2的軸截面廓形都是相對于基準(zhǔn)直線的內(nèi)凹曲線。

在機(jī)械研磨技術(shù)的基礎(chǔ)上，袁巨龍研究團(tuán)隊(duì)引入了化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，對氮化硅陶瓷球進(jìn)行了超精密低損傷加工。袁巨龍、朱從容等[45-47]采用二氧化鈰作為磨粒，利用其與氮化硅之間的摩擦化學(xué)固相反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了氮化硅陶瓷球的超光滑近無損傷拋光，表面粗糙度達(dá)到4 nm。

清華大學(xué)雒建斌研究團(tuán)隊(duì)與袁巨龍研究團(tuán)隊(duì)合作，將化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)應(yīng)用于圓柱滾子加工。如圖5所示，通過機(jī)械研磨和化學(xué)機(jī)械拋光兩步工藝，其中，機(jī)械研磨采用球墨鑄鐵盤和4000#氧化鋁磨粒，化學(xué)機(jī)械拋光采用IC1010/Suba Ⅳ聚氨酯拋光墊和拋光液，精拋的拋光液組分（均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）包含膠體二氧化硅（4.0%）、氨基乙酸（0.75%）、過氧化氫（1.0%）、苯并三氮唑（0.12%），pH=4，將軸承鋼圓柱滾子的圓度（RONt）從0.97 μm降至0.40 μm，將表面粗糙度從76 nm降至16.6 nm[48-49]。

近年來，西南交通大學(xué)錢林茂研究團(tuán)隊(duì)[50-59]對軸承鋼的化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理和工藝進(jìn)行了深入研究。在微觀去除機(jī)理方面，仲夏[56]的研究結(jié)果表明，軸承鋼的化學(xué)機(jī)械拋光是一個典型的納米腐蝕磨損過程，機(jī)械犁溝效應(yīng)在材料去除中占據(jù)主導(dǎo)地位，為此，可以通過調(diào)節(jié)拋光液的腐蝕效果來改變軸承鋼表面反應(yīng)膜的致密性和強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)控其拋光速率和表面質(zhì)量。在拋光工藝方面，劉進(jìn)偉等[51]選擇含有疏水基團(tuán)的5?甲基苯并三氮唑作為緩蝕劑，替代之前的苯并三氮唑，使GCr15軸承鋼的表面粗糙度達(dá)到了1.5 nm。在此基礎(chǔ)上，劉進(jìn)偉等[58]選擇5?甲基苯并三氮唑和噻唑作為復(fù)合緩蝕劑，利用兩者的物理和化學(xué)協(xié)同吸附效應(yīng)，使GCr15軸承鋼的表面粗糙度達(dá)到了0.8 nm（掃描范圍97.9 μm × 97.9 μm）和0.3 nm（掃描范圍1 μm × 1 μm），亞表面晶格完整，無加工損傷，并且發(fā)展了“兩步法”拋光工藝，在拋光21 min后，將GCr15軸承鋼的表面粗糙度從263 nm降至0.8 nm，如圖6a所示。劉進(jìn)偉等[57]發(fā)展了綠色環(huán)保的“兩步法”拋光工藝，選擇乙二胺二琥珀酸作為絡(luò)合劑，選擇1,2,4?三唑作為緩蝕劑，通過優(yōu)化拋光工藝，在拋光

16 min后，將GCr15軸承鋼的表面粗糙度從287 nm降至1.8 nm。隨后，劉進(jìn)偉等[59]利用羧基對鐵離子的強(qiáng)絡(luò)合效應(yīng)，通過優(yōu)化草酸和過氧化氫的協(xié)同作用，發(fā)展了“一步法”拋光工藝，中間無需更換拋光液，在拋光14 min后，將GCr15軸承鋼的表面粗糙度從249.3 nm降至約2.0 nm，如圖6b所示。此外，錢林茂研究團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了9Cr18Mo不銹軸承鋼的化學(xué)機(jī)械拋光工藝，通過調(diào)控鐵和鉻元素的腐蝕磨損去除，其表面粗糙度可以達(dá)到亞納米級。上述拋光工藝有望與雙盤機(jī)械研磨工藝相結(jié)合，或者將化學(xué)機(jī)械拋光與數(shù)控相結(jié)合，發(fā)展數(shù)控?化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，并應(yīng)用于軸承核心元件的高質(zhì)高效加工。

圖4 軸承滾動體雙平面機(jī)械研磨

圖5 圓柱滾子雙平面機(jī)械研磨和化學(xué)機(jī)械拋光（經(jīng)Springer Nature同意后復(fù)制自文獻(xiàn)[49]）

1.2 電化學(xué)機(jī)械拋光

電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)主要利用電化學(xué)、化學(xué)和機(jī)械的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)表面超精密加工。電場的引入，一方面可以提高金屬的氧化溶解速率，實(shí)現(xiàn)高效去除；另一方面，可以精準(zhǔn)調(diào)控金屬的表面狀態(tài)，包括氧化物的種類和比例，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)去除。在拋光過程中，陽極工件表面在電化學(xué)和化學(xué)作用下生成了一層薄的反應(yīng)膜，然后在磨粒的機(jī)械作用下實(shí)現(xiàn)去除，同時暴露新鮮表面，繼續(xù)生成反應(yīng)膜，反復(fù)交替實(shí)現(xiàn)材料的去除。大連理工大學(xué)徐文驥、魏澤飛等[60-61]將電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)應(yīng)用于軸承核心元件的超精密加工。徐文驥等[60]開展了軸承圓柱滾子的電化學(xué)機(jī)械拋光研究，建立了預(yù)測模型。將銅作為陰極，將圓柱滾子作為陽極，在驅(qū)動輪帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并與磨削工具接觸，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，在拋光后材料的表面粗糙度降至0.023 μm，圓度（RONt）降至0.39 μm。魏澤飛等[61]開展了軸承凸度滾道的電化學(xué)機(jī)械拋光研究，將套圈作為陽極，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，將具有凸度的銅塊作為陰極，將砂帶作為加工工具，在拋光4 min內(nèi)，將滾道的表面粗糙度從0.58 μm降至0.03 μm，并且獲得了良好的凸度。

1.3 流變拋光

流變拋光技術(shù)利用外場作用（如力、光、電、磁等）改變拋光液的流變特性，使其從液體瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w，把持磨粒，形成柔性拋光頭，剪切去除工件表面材料，實(shí)現(xiàn)超精密低損傷加工。對于子口徑拋光方式（如磁流變拋光），可以通過控制拋光區(qū)域的去除函數(shù)和駐留時間，實(shí)現(xiàn)確定性拋光。目前，研究人員發(fā)展了多種流變拋光技術(shù)，并應(yīng)用于軸承核心元件的超精密加工，如力流變拋光、磁流變拋光等[62]。

袁巨龍研究團(tuán)隊(duì)[63-71]提出了力流變拋光技術(shù)，構(gòu)建了力流變拋光的材料去除模型和表面粗糙度預(yù)測模型，形成了力流變拋光工藝，并應(yīng)用于軸承核心元件的超精密加工。如圖7a所示，從原理上來講，力流變拋光技術(shù)主要利用非牛頓流體在剪切應(yīng)力作用下的增稠效應(yīng)把持磨粒，形成柔性固著磨具，剪切去除工件表面材料。拋光液通常采用多羥基聚合物作為非牛頓流體，采用金剛石或氧化鋁作為磨粒，通過改變水的含量將拋光液的黏度調(diào)節(jié)至合適范圍。如圖7b、c所示，李敏等[64,68]自主搭建了力流變拋光實(shí)驗(yàn)平臺，對軸承鋼圓柱滾子進(jìn)行了拋光。在拋光過程中，工件通過固定軸和夾具進(jìn)行夾持固定，并與拋光液保持一定的接觸深度，拋光液在主軸帶動下相對于工件進(jìn)行運(yùn)動。在拋光90 min后，工件的表面粗糙度從105.95 nm降至5.99 nm，材料去除速率高達(dá)2.1 μm/h，實(shí)現(xiàn)了圓柱滾子的高效高質(zhì)拋光。李敏等[70]對陶瓷圓柱滾子進(jìn)行了力流變拋光，在拋光120 min后，圓度誤差RONt從初始的1.418 μm降至0.360 μm，表面粗糙度從初始的107.2 nm降至6.5 nm。如圖7d所示，王旭等[72]對內(nèi)外套圈進(jìn)行了力流變拋光，在拋光15 min后，其表面粗糙度從初始的300 nm左右降至20 nm左右。

圖6 軸承鋼化學(xué)機(jī)械拋光（經(jīng)Springer Nature同意后復(fù)制自文獻(xiàn)[58-59]）

如圖8所示，廣東工業(yè)大學(xué)閻秋生研究團(tuán)隊(duì)[73]提出了集群磁流變拋光技術(shù)，并應(yīng)用于陶瓷球的超精密加工。從成形原理上講，集群磁流變拋光技術(shù)與雙盤機(jī)械研磨技術(shù)類似，不同之處在于集群磁流變拋光技術(shù)將剛性研磨盤替換為磁流變?nèi)嵝話伖鈮|。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加工間隙為0.8 mm，偏心距為10 mm，旋轉(zhuǎn)比為3/4時，在拋光60 min后，陶瓷球的表面粗糙度從63 nm降至4.35 nm，球度從0.18 μm降至0.11 μm。

河南科技大學(xué)張占立等[74]將磁流變拋光技術(shù)與超聲振動技術(shù)相結(jié)合，將鉆銑床改裝成滾子拋光機(jī)，并在主軸單元中加裝超聲振動裝置。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，陶瓷滾子的表面粗糙度從0.26 μm降至0.025 μm。

圖7 軸承核心元件力流變拋光

圖8 集群磁流變拋光技術(shù)及其在陶瓷球超精密加工中的應(yīng)用（根據(jù)知識共享署名許可協(xié)議復(fù)制自文獻(xiàn)[73]）

2 齒輪超精密拋光技術(shù)

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度空間機(jī)械臂、高靈敏度航天熱控制系統(tǒng)等已經(jīng)成為航天器中不可或缺的輔助作業(yè)裝置，齒輪作為關(guān)鍵零件，廣泛應(yīng)用于這些裝置中[75-76]。如圖9所示，德國宇航中心機(jī)器人與機(jī)電一體化研究所開發(fā)了一款CAESAR（Compliant Assistance and Exploration SpAce Robot）空間機(jī)械臂，主要用于低地球軌道和地球同步軌道上開展的組裝、維護(hù)、維修和碎片清理等任務(wù)。CAESAR空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)部件采用諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力傳遞。采用諧波齒輪，一方面可以提升操作精度；另一方面可以實(shí)現(xiàn)高傳動比和輕質(zhì)化[77-78]。此外，在航天熱控制系統(tǒng)中，將齒輪泵用于實(shí)現(xiàn)航天器熱量的精準(zhǔn)控制[76]。

齒輪的精度和表面質(zhì)量對其使役性能具有重要影響。研究表明，提高齒輪的表面質(zhì)量，可以達(dá)到以下效果：改善噪聲水平[81-83]，如圖10所示；減小摩擦和磨損[82-83]；提升抗疲勞強(qiáng)度[83]。

與軸承相比，齒輪的齒廓形狀更復(fù)雜，齒面各點(diǎn)均勻去除的難度更大。目前，工業(yè)上主要采用磨削和珩磨技術(shù)來終加工齒輪表面。磨削后齒輪的表面粗糙度可以達(dá)到0.5 μm[84]，珩磨后的齒輪表面粗糙度可以達(dá)到0.2 μm[85]。由于熱力耦合作用，加工后的齒輪表面存在一些缺陷（如裂紋、劃痕），這可能會影響齒輪的使役性能和壽命。為了進(jìn)一步提高齒輪的精度和表面質(zhì)量，研究人員針對性地發(fā)展了多種精密和超精密拋光技術(shù)（如磨粒流拋光、磁流變拋光、力流變拋光、電化學(xué)機(jī)械拋光等），下面分別作簡要介紹。

圖9 齒輪在航天器中的應(yīng)用

圖10 齒輪表面粗糙度h與聲壓級之間的關(guān)系（經(jīng)SAGE同意后復(fù)制自文獻(xiàn)[81]）

2.1 磨粒流拋光

目前，工業(yè)界采用磨粒流拋光來去除齒輪表面的毛刺，提高了表面質(zhì)量。磨粒流拋光采用黏彈性磨料作為拋光介質(zhì)，在壓力作用下對工件表面進(jìn)行反復(fù)刻劃去除，實(shí)現(xiàn)了表面質(zhì)量的提升[86]。長春理工大學(xué)李俊燁研究團(tuán)隊(duì)[87]開展了齒輪磨粒流拋光研究，針對直齒內(nèi)齒輪，研究了關(guān)鍵工藝參數(shù)的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在入口速度為60 m/s、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、磨料粒徑為400目、加工次數(shù)為40的條件下，齒輪的表面粗糙度降至0.361 μm。印度理工學(xué)院Petare等[88]采用磨粒流拋光提升了直齒輪的微觀幾何形狀和表面質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用黏度為135 kPa·s的介質(zhì)拋光25 min后，其微觀幾何形狀得到改善，表面裂紋、切削紋路、熱變形被消除，表面粗糙度從1.7 μm降至0.57 μm。印度理工學(xué)院Venkatesh等[89]將超聲引入磨粒流拋光中，發(fā)展了超聲輔助磨粒流拋光技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的磨粒流拋光技術(shù)，在引入超聲后，磨粒會以更高的速度去除工件表面的微粗糙峰，同時有效磨粒數(shù)增加，表面質(zhì)量的改善效率得到提高。

由于磨粒流拋光通常采用碳化硅等硬質(zhì)磨粒，存在硬度大、邊緣不規(guī)則等缺陷，因此其精度和表面質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。

2.2 流變拋光

研究人員采用磁流變拋光和力流變拋光來提高齒輪表面質(zhì)量。如圖11a所示，印度理工學(xué)院Kumar等[90-93]針對性地研制了一種新型限流器，并應(yīng)用于齒輪磁流變拋光。從外形上看，該限流器是齒輪的復(fù)制陰模。在拋光時，在液壓缸作用下磁流變液會上下連續(xù)流動。將永磁體固定安裝在黃銅材質(zhì)的工件夾具周圍，以提供磁場。當(dāng)磁流變液經(jīng)過齒輪與限流器之間的有限空間時，在磁場作用下磁流變液瞬時變成柔性拋光頭，剪切去除齒輪表面材料。其中，磁流變拋光液的組分（均以體積分?jǐn)?shù)計）：800#鐵微粒（22%）、800#碳化硅磨粒（15%）、油脂（10%）、石蠟（53%）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未使用限流器時，拋光后齒輪的表面粗糙度為46.1 nm；使用限流器后，齒輪的表面粗糙度從265 nm降至24.1 nm，且沿著漸開線齒廓更為均勻[90]。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步改善均勻性，增加1個三相感應(yīng)電機(jī)，用于在拋光時使永磁體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，未使用限流器時，拋光后齒根、齒中、齒頂、端面的表面粗糙度分別為22.1、34.3、46.5、19.6 nm，且其表面存在孔洞、劃痕、凹坑等缺陷；使用限流器后，拋光后齒輪的齒根、齒中、齒頂、端面的表面粗糙度分別為24.3、24.5、23.9、25.2 nm，齒面更加均勻，且無變形[92]。

如圖11b所示，越南胡志明工業(yè)大學(xué)Nguyen等[94]使用自制的力流變拋光裝置對齒輪進(jìn)行了拋光，拋光液組分為多羥基聚合物和5000#金剛石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%），研究了主要的工藝參數(shù)對齒輪表面粗糙度的影響，如齒輪與拋光液池內(nèi)壁的間距、拋光液速度、齒輪傾角，其中對齒輪表面粗糙度的影響較大。在此基礎(chǔ)上，采用多響應(yīng)優(yōu)化法對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。當(dāng)為15 mm，為1.5 m/s，為32°時，齒輪的表面粗糙度最小可以達(dá)到13 nm。

圖11 齒輪流變拋光技術(shù)（經(jīng)Elsevier同意后復(fù)制自文獻(xiàn)[92, 94]）

2.3 電化學(xué)機(jī)械拋光

華東理工大學(xué)易建軍等[82]采用脈沖電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)對齒輪進(jìn)行了拋光，拋光裝置主要由陽極齒輪工件、陰極齒輪和珩磨齒輪組成，在拋光時，陽極齒輪工件與陰極齒輪之間充滿了電解質(zhì)液，在脈沖電場的作用下，陽極齒輪工件表面首先形成一層薄的鈍化膜，然后被珩磨齒輪去除，在拋光后，齒輪的表面粗糙度可以達(dá)到0.1 μm。新疆大學(xué)阿達(dá)依·謝爾亞孜旦等[95]將電化學(xué)光整技術(shù)應(yīng)用于螺旋錐齒輪拋光，表面粗糙度達(dá)到0.1 μm，加工精度由DIN10提高至DIN7。由此可見，齒輪電化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)需要繼續(xù)深入研究，不斷提高其精度和表面質(zhì)量。

3 陀螺儀諧振子超精密拋光技術(shù)

陀螺儀可以簡單分為機(jī)械陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、振動陀螺儀等[96-97]。如圖12a[5]所示，以半球諧振子陀螺儀為代表的振動陀螺儀具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定時間快、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用于衛(wèi)星等的姿態(tài)控制。如圖12b[98]所示，半球諧振子陀螺儀主要由諧振子、基座、電極等組成，它利用球殼表面上彈性駐波的慣性效應(yīng)來精確測量角速度。

諧振子的精度和表面質(zhì)量對其使役性能具有重要影響。Lin等[99-100]研究了諧振子的表面粗糙度與品質(zhì)因素的關(guān)系。使用4種氟化物（MgF2、CaF2、SrF2、LiF）制作了直徑約為12 mm的回音壁式諧振子，并利用磨削和拋光工藝獲得了不同的表面粗糙度。如圖13所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論公式均表明，當(dāng)表面粗糙度均方根值降低1個量級時，品質(zhì)因素可以提升約2個量級。

圖12 半球諧振子陀螺儀

此外，諧振子的質(zhì)量分布也對使役性能具有重要影響。McWilliam等[101]分析了一個具有個節(jié)徑的非理想圓環(huán)的頻率裂解Δ，如式（1）所示。

式中：0n為理想圓環(huán)的固有頻率；0為理想圓環(huán)的質(zhì)量；α為徑向和切向振幅比；m和?分別為第個附加質(zhì)量及其方位角度。

可以看出，當(dāng)樣品為理想圓環(huán)時，頻率裂解為0。然而，受限于加工工藝，諧振子會出現(xiàn)幾何形狀不對稱、質(zhì)量分布不均勻等現(xiàn)象，產(chǎn)生了頻率裂解。

圖13 諧振子的表面粗糙度與品質(zhì)因素之間的關(guān)系[99-100]（經(jīng)The Optical Society同意后復(fù)制自文獻(xiàn)[99]）

為了使陀螺儀具有優(yōu)異的工作性能，諧振子需要具有高的精度、表面質(zhì)量及質(zhì)量分布均勻性。北京航天控制儀器研究所徐志強(qiáng)等[102]提出，石英半球諧振子的面型精度應(yīng)小于0.5 μm，內(nèi)外球面和支撐桿的同心度應(yīng)小于0.5 μm，表面粗糙度應(yīng)小于0.025 μm，品質(zhì)因數(shù)應(yīng)高于107，頻率裂解應(yīng)小于0.01 Hz，質(zhì)量分布不平衡差異應(yīng)小于0.1 mg。

目前，主要采用以下工藝流程來制造諧振子：粗磨成型、精密磨削、研磨拋光、化學(xué)腐蝕、質(zhì)量調(diào)平、表面鍍膜[102]。其中，拋光主要用于提高諧振子的精度和表面質(zhì)量，質(zhì)量調(diào)平主要用于提高諧振子的質(zhì)量分布均勻性。

3.1 流變拋光

研究人員發(fā)展了磁流變和力流變拋光技術(shù)，用于諧振子的超精密加工。如圖14a所示，哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳明君研究團(tuán)隊(duì)[103-104]為了克服傳統(tǒng)磁流變拋光技術(shù)無法加工小曲率半徑凹面的缺點(diǎn)，研制了一臺具有新型結(jié)構(gòu)的四軸聯(lián)動磁流變拋光設(shè)備，該設(shè)備搭載了一個小球端永磁拋光頭。使用該設(shè)備對石英半球諧振子進(jìn)行拋光，拋光后球度達(dá)到1.3 μm，表面粗糙度小于0.018 μm。

如圖14b所示，浙江工業(yè)大學(xué)袁巨龍研究團(tuán)隊(duì)[105]在自制的STP?1型試驗(yàn)樣機(jī)上，使用力流變拋光技術(shù)分別對石英半球諧振子的內(nèi)外表面進(jìn)行了拋光，采用浸入式拋光外表面，采用切入式拋光內(nèi)表面。在拋光后，工件外表面粗糙度由135.5 nm降至6.6 nm，內(nèi)表面粗糙度由128.2 nm降至9 nm，表面無明顯缺陷。

圖14 諧振子流變拋光技術(shù)

3.2 質(zhì)量調(diào)平

研究人員發(fā)展了多種質(zhì)量調(diào)平技術(shù)，如機(jī)械、化學(xué)、飛秒激光、離子束等。其中，飛秒激光和離子束的精度較高，獲得了廣泛關(guān)注[106]。

飛秒激光具有極高的峰值功率、超短的脈沖寬度，可以減少傳統(tǒng)激光帶來的熱效應(yīng)，逐漸被應(yīng)用于諧振子的質(zhì)量調(diào)平。北京理工大學(xué)姜瀾研究團(tuán)隊(duì)[107]提出對飛秒激光進(jìn)行空域整形，用于半球諧振子質(zhì)量調(diào)平，可以實(shí)現(xiàn)“毫克—微克—納克——皮克”跨尺度精密質(zhì)量調(diào)平，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率裂解可以修調(diào)至8 mHz左右，修調(diào)分辨率可以達(dá)到0.5 mHz。國防科技大學(xué)肖定邦研究團(tuán)隊(duì)[108-110]研究了諧振子的飛秒激光質(zhì)量調(diào)平。通過優(yōu)化工藝參數(shù)，諧振子的頻率裂解降至70 mHz以下，其與響應(yīng)頻率的比值降至16×106，品質(zhì)因素（能量的比值）達(dá)到1.18×106[110]。

離子束刻蝕主要利用物理濺射效應(yīng)逐點(diǎn)去除表面材料，具有精度高、對基體材料影響小等優(yōu)點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于諧振子的質(zhì)量調(diào)平。清華大學(xué)Zhang等[111]在真空下采用離子束刻蝕對諧振子進(jìn)行了修調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，諧振子的頻率裂解從0.917 20 Hz降至0.000 457 Hz。

4 反射鏡超精密拋光技術(shù)

如圖15所示，反射鏡是太空望遠(yuǎn)鏡、空間高分辨率相機(jī)、空間激光雷達(dá)系統(tǒng)等的重要部件。依據(jù)材質(zhì)的不同，可以將反射鏡簡單分為金屬反射鏡和非金屬反射鏡。金屬反射鏡（如鋁基反射鏡）具有材料可加工性好、容易實(shí)現(xiàn)高輕量化等優(yōu)點(diǎn)。非金屬反射鏡（如SiC反射鏡）具有較高的彈性模量，較低的熱膨脹系數(shù)和密度，較高的光學(xué)反射率等優(yōu)點(diǎn)。

光學(xué)反射率是衡量反射鏡性能的重要指標(biāo)之一，表面粗糙度是影響光學(xué)反射率的關(guān)鍵因素。Beckman標(biāo)量散射理論反映了表面粗糙度與散射損耗之間的關(guān)系[116]，如式（2）所示。

式中；R為散射損耗；0為理想光學(xué)表面無散射的反射率；為表面粗糙度；0為入射介質(zhì)的折射率；為光波波長。

由式（2）可知，當(dāng)表面粗糙度增大時，散射損耗隨之增大，這會影響反射鏡的成像效果。

目前，單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)廣泛應(yīng)用于反射鏡加工。單點(diǎn)金剛石車削可以快速改善面型精度和表面粗糙度。然而，受限于加工原理，單點(diǎn)金剛石車削后的表面不可避免地會產(chǎn)生小尺度波紋，引發(fā)光柵效應(yīng)，增加反射鏡的散射損耗，從而影響成像效果[117]。為了去除車削紋路（如圖16所示），研究人員在單點(diǎn)金剛石車削后引入了磁流變拋光、計算機(jī)控制光學(xué)表面成型，提出了“單點(diǎn)金剛石車削→磁流變拋光→計算機(jī)控制光學(xué)表面成型”的加工方案。其中，計算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)與化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)在材料微觀去除機(jī)理上基本一致，兩者均利用化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械力的協(xié)同作用。傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)主要用于集成電路、硬盤、半導(dǎo)體照明襯底等平面的平坦化加工，而計算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)進(jìn)一步耦合了數(shù)控技術(shù)，用于光學(xué)曲面的加工。國防科技大學(xué)胡皓等[118]采用上述加工方案對由鋁合金基底和Ni?P涂層構(gòu)成的反射鏡進(jìn)行了超精密加工。在經(jīng)單點(diǎn)金剛石車削后的表面可以觀察到明顯的彩虹條紋現(xiàn)象，使用含有氧化鈰磨粒的磁流變拋光液拋光后，彩虹條紋消失，繼續(xù)使用計算機(jī)控制光學(xué)表面成型拋光后，表面粗糙度降至0.385 nm，反射率提升。進(jìn)一步地對孔徑為370 mm的拋物面反射鏡進(jìn)行加工，其面形精度RMS從338.684 nm降至21.267 nm，表面粗糙度達(dá)到0.61 nm。德國弗朗霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所Kinast等[119]對Al6061鋁合金反射鏡進(jìn)行了加工，經(jīng)最后一道化學(xué)機(jī)械拋光工序后，表面粗糙度RMS降至1～5 nm，面形精度RMS達(dá)到35 nm。德國弗朗霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所Beier等[120]對一塊直徑為320 mm的鋁基鍍鎳自由曲面反射鏡進(jìn)行了加工，在磁流變拋光修形后，其面形精度RMS小于λ/40 nm，在終拋光結(jié)束后，其表面粗糙度RMS低于1 nm。

圖15 反射鏡及其應(yīng)用

圖16 “單點(diǎn)金剛石車削→磁流變拋光→計算機(jī)控制光學(xué)表面成型”加工反射鏡[119-122]（經(jīng)SPIE同意后復(fù)制自參考文獻(xiàn)[119-120, 122]）

在此基礎(chǔ)上，研究人員將單點(diǎn)金剛石車削與磁流變拋光、計算機(jī)控制光學(xué)表面成型（數(shù)控?化學(xué)機(jī)械拋光）中任意一種靈活組合。卡伯特微電子公司Moeggenborg等[123]將金剛石飛切與化學(xué)機(jī)械拋光組合，用于加工直徑為50.8 mm的6061?T6鋁鏡平面，拋光后其表面粗糙度達(dá)到0.39 nm。

為了適應(yīng)不同的加工需求，研究人員研發(fā)了一些新型的拋光技術(shù)，如氣囊拋光、射流拋光、等離子體拋光等，并且根據(jù)反射鏡的特性，針對性地發(fā)展了加工方案。日本中部大學(xué)的Beaucamp等[124]針對硬X射線望遠(yuǎn)鏡中的非球面鏡子，提出了“單點(diǎn)金剛石車削→射流拋光→氣囊拋光”的加工方案，在一臺七軸數(shù)控機(jī)床上依次開展射流拋光和“連續(xù)進(jìn)動”氣囊拋光。對直徑50 mm的Ni?P鍍膜的A7075鋁合金反射鏡進(jìn)行了加工，在射流拋光后面形誤差PV降至27 nm，經(jīng)氣囊拋光后其表面粗糙度RMS降至0.28 nm。

為了進(jìn)一步提高面型精度，研究人員在拋光后引入了離子束修形。國防科技大學(xué)戴一帆研究團(tuán)隊(duì)[125-127]針對離子束修形技術(shù)開展了大量的研究工作，形成了亞納米精度離子束修形理論、裝備和工藝，提出了材料添加和去除相結(jié)合的制造方法，發(fā)展了全頻段誤差一致收斂的工藝，在微電子、空間光學(xué)、激光聚變等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。德國弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密工程研究所Risse等[6]為了加工適用于可見光和紫外線范圍的超光滑金屬反射鏡，在單點(diǎn)金剛石車削和拋光的基礎(chǔ)上，增加了一道離子束修形，從而提高了工件的局部面型精度。

由于反射鏡涉及眾多材料（包括鋁合金、Ni?P鍍膜、單晶硅、碳化硅、光學(xué)玻璃等），因此針對一些利用化學(xué)反應(yīng)的拋光技術(shù)（如計算機(jī)控制光學(xué)表面成型、氣囊拋光），需要充分考慮材料的物化特性，針對性地開發(fā)專用的拋光液，以實(shí)現(xiàn)表面的高質(zhì)、高效拋光。

5 結(jié)語

簡要總結(jié)了軸承、齒輪、陀螺儀諧振子、反射鏡等空間基礎(chǔ)零部件的超精密拋光技術(shù)。隨著空間技術(shù)的高速發(fā)展，特別是面向一些極端工況條件，對空間基礎(chǔ)零部件的精度和表面質(zhì)量要求會不斷提高，加工精度會逐漸從亞微米級、納米級提升至亞納米級、原子級，為此，必須深入理解現(xiàn)有超精密拋光技術(shù)的加工原理，一方面繼續(xù)挖掘現(xiàn)有拋光技術(shù)的潛力，另一方面發(fā)展新型的拋光技術(shù)。

1）空間基礎(chǔ)零部件的面形和材料都非常復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效加工，可以從以下幾個方面努力。將多種超精密拋光技術(shù)整合起來，形成一整套加工方案，例如，空間反射鏡常用“單點(diǎn)金剛石車削→磁流變拋光→計算機(jī)控制光學(xué)表面成型”的加工方案，通過單點(diǎn)金剛石車削和磁流變拋光快速獲得高的面型精度和低的表面粗糙度，通過計算機(jī)控制光學(xué)表面成型去除表面缺陷，進(jìn)一步降低表面粗糙度。為了提高整體加工效率，需要做好各道工序之間的銜接配合。針對某種拋光技術(shù)，進(jìn)一步耦合多種能場（如力、熱、光、電、磁等），形成一種新的拋光技術(shù)，比如力流變拋光，它是一種新型的柔性拋光技術(shù)，具有良好的面形適應(yīng)性。然而，該技術(shù)主要利用柔性固著磨具的剪切力實(shí)現(xiàn)材料的去除，其本質(zhì)上仍是機(jī)械刻劃去除，極有可能造成表面劃痕和亞表面損傷。為了進(jìn)一步提高表面完整性，可以耦合化學(xué)作用或者電化學(xué)作用，發(fā)展形成化學(xué)?力流變拋光技術(shù)、電化學(xué)?力流變拋光技術(shù)，利用化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)與剪切力之間的協(xié)同作用去除表面反應(yīng)膜，達(dá)到不損傷基體的目的。為了獲得良好的加工效果，需要研究調(diào)控多場之間的協(xié)同作用。利用微觀粒子的物理濺射效應(yīng)，逐點(diǎn)去除表面材料（如離子束拋光），該技術(shù)通常用于精度要求極高的光學(xué)鏡面的最后一道工序，需要研究精度生成的影響機(jī)制，進(jìn)一步提高加工精度。

2）空間基礎(chǔ)零部件的材料通常包含多種元素和金相組織，比如9Cr18Mo不銹軸承鋼廣泛用于制造空間軸承，其主要元素包括Fe、Cr、Mo，金相組織包括馬氏體、殘余奧氏體、碳化物，不同元素與金相組織之間的物化性質(zhì)差異較大，若采用單一的機(jī)械作用，從微觀角度來看，很難實(shí)現(xiàn)零部件異質(zhì)表面同步去除。由此可見，多場輔助拋光技術(shù)逐漸成為發(fā)展趨勢，通過化學(xué)、機(jī)械、電場等多場之間的協(xié)同作用消除不同元素與金相組織之間的去除差異，實(shí)現(xiàn)同步去除，獲得高的精度和表面質(zhì)量。為了獲得最優(yōu)拋光效果，需要從納米摩擦學(xué)角度入手，深入理解材料的微觀去除機(jī)理，探明元素和金相組織物化差異的本征來源，闡明去除過程中表面原子和分子的遷移行為和規(guī)律，揭示表面差異性同步去除機(jī)理及多場協(xié)同作用機(jī)理。

3）當(dāng)加工精度進(jìn)一步發(fā)展至原子級時，傳統(tǒng)的拋光機(jī)理和工藝可能存在局限或者不再適用，需要進(jìn)一步深入到量子力學(xué)，研究分子與原子間的作用力。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展新型加工技術(shù)，如基于掃描探針顯微鏡的單原子層摩擦化學(xué)去除。

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Research Progress of Ultra-precision Polishing Technologies for Basic Components of Spacecraft

111112221

(1. Tribology Research Institute, State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Beijing Key Laboratory of Long-life Technology of Precise Rotation and Transmission Mechanisms, Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100094, China)

Bearings, gears, harmonic resonators of gyroscopes, and mirrors are the core basic components to realize rotation support, power transmission, attitude control, and space exploration of spacecraft. They directly affect the performance, life, and reliability of spacecraft. To ensure the smooth progress of space missions, the basic components of spacecraft must possess excellent service performance, high reliability, and long service life. The state of the working surfaces is the key influencing factor. Therefore, the accuracy and surface quality of the working surfaces must be continuously improved from the manufacturing perspective. However, most of the working surfaces of basic components of spacecraft are complex and curved, and the materials contain various elements and metallographic structures. Therefore, it is difficult to achieve consistent and controllable polishing. Based on the characteristics of bearings, gears, harmonic resonators of gyroscopes, and mirrors, this work briefly stated the demand and necessity of ultra-precision polishing, classified and summarized the existing ultra-precision polishing technologies, such as lapping and chemical mechanical polishing, electrochemical mechanical polishing, and rheological polishing applied to bearings, abrasive flow polishing, rheological polishing, and electrochemical mechanical polishing applied to gears, rheological polishing, femtosecond laser balancing, and ion beam balancing applied to gyroscope resonators, magnetorheological polishing, computer controlled optical surfacing, bonnet polishing, and ion beam figuring and polishing applied to mirrors, described their polishing principles and performance, and finally briefly prospected the future development, so as to provide a reference for ultra-precision machining of basic components of spacecraft.

basic component; bearing; gear; harmonic resonator; mirror; polishing; ultra-precision

TG356.28

A

1001-3660(2022)12-0001-19

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.12.001

2022?08?25；

2022?10?25

2022-08-25；

2022-10-25

國家自然科學(xué)基金（51975488，51991373）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2020YFA0711001，2018YFB2000400）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2682021CG011）；精密轉(zhuǎn)動和傳動機(jī)構(gòu)長壽命技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（BZ0388201902）

National Natural Science Foundation of China (51975488 , 51991373); National Key R & D Program of China (2020YFA0711001, 2018YFB2000400); Fundamental Research Funds for the Central Universities (2682021CG011); Beijing Key Laboratory of Long-life Technology of Precise Rotation and Transmission Mechanisms (BZ0388201902)

江亮（1986—），男，博士，特聘研究員，主要研究方向?yàn)槌鼙砻嬷圃臁?/p>

JIANG Liang (1986-), Male, Doctor, Professor, Research focus: ultra-precision surface manufacturing.

卿濤（1978—），男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榭臻g摩擦學(xué)。

QING Tao (1978-), Male, Doctor, Professor, Research focus: space tribology.

錢林茂（1971—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榧{米摩擦學(xué)和超精密表面制造。

QIAN Lin-mao (1971-), Male, Doctor, Professor, Research focus: nanotribology and ultra-precision surface manufacturing.

江亮, 鄭佳昕, 彭武茂, 等.空間基礎(chǔ)零部件超精密拋光技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(12): 1-19.

JIANG Liang, ZHENG Jia-xin, PENG Wu-mao, et al. Research Progress of Ultra-precision Polishing Technologies for Basic Components of Spacecraft[J]. Surface Technology, 2022, 51(12): 1-19.

責(zé)任編輯：彭颋