引言
现代科学技术的发展对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。通常情况下，要求最终生产的光学元件具有高的面形精度、好的表面质量及尽量减少亚表面破坏层。高的面形精度可以保证好的成像质量；平滑的表面可以减少散射。光学元件的性能在很大程度上取决于制造过程。已经研究出多种加工方法可以获得高精度的加工表面，其中典型的加工方法有：塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、粒子束抛光、射流抛光等等。这些加工方法或者抛光效率太低，或者产生较大的亚表面破坏层，或者抛光不易控制，各自存在一定的缺陷[1]。
20世纪90年代初，William I.Kordonski等发明了磁流变抛光技术（MRF）[2-4]。这种方法利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光。在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光液变硬，成为具有粘塑性的Bingham介质。当这种介质通过工件与运动盘形成的很小空隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面的材料被去除。1995年，Rochester大学的光学加工中心（COM）利用MRF方法对一批直径小于50mm的球面和非球面光学元件进行了加工。结果是材料为熔石英的球面元件表面粗糙度降到0.8nm（rms），面形误差为0.09μm。材料为BK7的非球面元件表面粗糙度降到1nm（rms），面形误差为0.86μm[5-7]。1997年，COM的研究人员对初始面形为30nm（rms）左右的熔石英及其它六种玻璃材料光学元件进行试验，经过5～10min的抛光，面形精度达到了1nm左右。同时，他们又对磁流变抛光液成份进行了分析调整：通过以氧化铝或金刚石微粉等非磁性抛光粉代替原磁流变抛光液中的非磁性抛光粉-氧化铈，较为成功地对一些红外材料进行了抛光。通过配置不同成分的磁流变液，可以实现对软质材料（如
氟化钙）的加工。将标准磁流变液中的氧化铈磨料换成纳米金刚石粉末，可以以去除率为1～10μm /min加工得到1nm左右粗糙度的表面[8-9]。1998年4月，他们研制成功Q22型磁流变抛光机，大大缩短了抛光时间，提高了抛光效率。这是MRF技术商业化进程上的一大飞跃。COM最近的研究通过改变磁流变液中的基液种类，可以加工水溶性的KDP晶体。Q22型MRF系统是在抛光和精密成型加工高精度光学零件（非球面、球面和平面）方面的一项突破。该系统在提高面形精度的同时还能消除局部面形损伤。Q22型加工系统能提高研磨光学零件的最终面形精度λ/20，而且只需几分钟[10-11]。
磁流变抛光具有使最后精密研磨表面达到传统光学抛光法所具有的光洁度、面形和形状精度的能力。磁流变抛光能加工各种光学表面，无论其对称性、几何形状和表面斜率变化如何。磁流变抛光技术重新定义了精密光学工业的加工能力和竞争范围。
国内长春光机所、国防科大等也在进行相关的研究工作[12-13]。与国外已经进行的工作相比，国内的研究还处于很初级的阶段。由于精密光学制造与军事方面联系紧密，国外一般限制产品出口或技术转让，因此，我们必须加快在这方面的研究工作，尽快缩小我国在这方面与国外的差距。
1 磁流变抛光技术原理
磁流变抛光就是在磁流变液中加入抛光粉，利用磁流变液固化现象来对工件进行抛光。在强磁场作用下，使磁流变液在加工区域形成一个有一定硬度和弹性、能承受较大剪切应力的可控的点状区域抛光工具。如图1所示，被加工件位于抛光盘上方，于是被加工的工件与抛光盘之间形成了一个凹形空隙，抛光盘的下方布置一个强度可调的电磁铁磁极，在工件与抛光盘所形成的狭小空隙处形成梯度磁场。当磁流变液随抛光盘运动到工件与抛光盘形成的空隙附近时，梯度磁场使之凝聚、变硬，形成一带状凸起，成为粘塑性的Bingham介质。这样具有较高粘度的Bingham介质通过狭小空隙时，对工件表面与之接触的区域产生一定的剪切力，从而使工件的表面材料被去除，达到微量去除的目的[14]。
工件被抛光的区域称为抛光区。工件轴除了绕自身轴线作回转运动外，还可以作以轴上某点为中心，以工件曲率半径为半径的摆动。于是工件表面的各个带区都可以经过抛光区，从而实现对工件整个表面的材料去除。抛光区的大小和形状取决于很多因素，如磁流变液的成份、被抛光工件表面的形状、工件浸入磁流变液的深度、抛光区磁场强度分布以及工件自身的材料性能等等。在磁流变抛光过程中，应对这些因素加以控制，
便确保抛光过程的稳定性[15]。和传统光学精密抛光方法相比较，磁流变抛光主要具有以下特点：
（1）能够获得质量很高的光学表面。在磁流变研抛过程中，由于磁流变流体的可控制性，可以调节磁流变液固相状态下的屈服应力的大小，这样就有利于产生微小切削作用，而且工件表面层和亚表面层不会产生压应力，因而工件表层不会造成损伤，易得到较高的表面质量。
（2）易于实现计算机控制，能够得到比较复杂的面形。通过控制磁场，可以控制刀具（磁流变液在磁场中形成的“凸起缎带”）的大小、形状及强度，因此能够实现各种面形的加工，并且由于磁场的可控制性，易于实现计算机控制和数控加工。
（3）去除效率高。由于在磁流变液中加入了微细磨料，在可控磁场的作用下，磁流变液相当于形成一个个微型“磨头”对工件材料进行去除。同时磁流变液中存储有足够的水分有利于水解反应的进行。
（4）不会存在刀具磨损、堵塞现象。加工过程中，磨屑随着磁流变液的循环被带走、过滤，而且磁流变液中介质为水和有机盐，不会划伤工件的加工表面，并起到了清洗和冷却的作用。
2 磁流变抛光关键技术研究
2.1 适用于磁流变抛光的材料去除模型的建立
光学加工中通用的材料去除率模型为Preston方程。这一模型自从1927年被提出之后，各国研究者对其作出各种修正，针对不同具体条件的抛光过程，提出了不同形式的修正方程。但是，适用于磁流变抛光的材料去除率模型还没有被准确地建立起来。为了实现对工件表面材料去除的精确控制，建立准确的去除率模型是十分必要的。当前，通常为人们所接受的Preston方程表达式如下：
MRR = kPαVβ
其中α和β取决于具体的抛光条件，可以通过实验拟合得到[16]。
2.2 检测与数控技术
磁流变抛光过程可以认为是在外加磁场的作用下，磁流变液在抛光区内变硬成为类固体的“小磨头”代替散粒磨料抛光过程中的抛光盘，这个“小磨头”的形状和硬度可以通过控制磁场强度来实时控制。当磁场强度与抛光间隙等都保持恒定不变时，对材料的去除过程就只与“小磨头”的驻留时间有关，因此，可以采用数控的方法对工件表面进行有选择性的去除，从而对光学元件进行确定性加工[17]。
磁流变抛光具有选择性去除透镜表面任意处材料的能力。利用改变暴露给磁流变流体透镜部分的时间来实现透镜表面的材料去除。简单地说，磁流变流体抛光透镜表面任何一个区域的时间越长，该部分材料就去除得也越多。利用改变透镜通过磁流变流体的扫过速率（或停留时间）来实现选择性透镜表面材料去除。
合理的检测手段是保证工件面形与表面精度的必要条件，实现加工中的在位检测，才可能最大限度地减少重复装卡所造成的误差。
3 现状与展望
在已经进行磁流变抛光光学玻璃的初步研究工作中配置了适合于光学玻璃研抛的磁流变液，测定了不同加工参数对抛光效率、表面质量的影响。研究表明，磁流变抛光中工件材料的去除率与抛光盘的转速成正比，并在一定范围内随着外加磁场强度的增强而增大，工件材料的去除量与抛光时间成正比，符合光学玻璃抛光的Preston方程。用原子力显微镜对工件进行检测，抛光后的光学玻璃表面粗糙度可以达到1nm左右。同时，还进行了MRF应用于微晶玻璃抛光的可行性研究， 抛光后的微晶玻璃表面粗糙度达到0.684nm[18]。
磁流变抛光技术的优越性已经逐渐得到行业内的认同。产品表面质量好，加工效率高，可以有效去除亚表面破坏层，抛光强度可以通过磁场强度等多项参数控制。磁流变液在磁场作用下形成的“小磨头”对工件表面进行加工，有利于实现非球面光学原件的加工。目前，国内对磁流变抛光机理及其他材料的加工研究还不够深入，对大尺寸光学元件的加工更是很少涉及。根据我国对磁流变抛光技术的研究及其应用现状，应着重研究以下3个方面：
（1）磁流变液基础理论的研究，配置出适合抛光加工的性能优良的磁流变液。
（2）磁流变抛光理论模型的建立，实现非球面光学元件的加工。
（3）设计出性能优良、经济适用的磁流变抛光机床。
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