光学模具抛光技术的进步与挑战

《Journal of Materials Research and Technology》：Advances and Challenges in Optical Mold Polishing Technology

　　孙伟|杨小哲|杨旭|郭晓光|山村和也|姜壮德
西安交通大学机械工程学院精密工程学院，中国陕西省西安市西宁西路28号，710049

**摘要**
光学元件的制造通常采用直接机械加工或模具加工的方式。与直接机械加工相比，模具加工具有更高的效率和更好的形状一致性，尤其在微透镜阵列和复杂形状光学元件的批量生产中具有不可替代的优势。由于其优异的材料性能（如高耐温性、卓越的耐磨性和抗热震性），碳化硅和碳化钨等材料被广泛用于光学模具的制造。为了确保光学元件达到高标准的形状精度、透明度和超光滑、几乎无瑕疵的表面质量，光学模具必须满足极其严格的要求，包括纳米级别的形状精度和表面粗糙度。然而，这些材料由于其高硬度、脆性和化学稳定性，在加工过程中带来了重大挑战，这成为学术界和工业界的难题。本研究系统地回顾了光学模具的发展历史、常用材料的性能特点以及制造技术的最新进展，特别关注了光学模具的超精密抛光技术。本文根据加工方法将抛光技术分为三类：接触式、非接触式和复合超精密抛光。详细探讨了它们的加工原理、设备结构、材料去除机制及其改进，并分析了每种技术的优点、缺点和适用性。同时，总结了光学模具超精密抛光技术当前的技术瓶颈，包括提高加工精度的局限性、制造复杂结构模具的可行性以及生产效率与成本之间的权衡问题，并指出了未来研究需要关注的关键领域。

**1. 引言**
光学元件作为光学系统的基本组成部分，广泛应用于精密光学、生物工程、光电通信、航空航天和国防等领域[1][2]。其制造技术从19世纪之前的手工制作（主要用于放大镜和望远镜等简单光学器件）发展到19-20世纪的机械化加工（用于照相机和显微镜）。从20世纪50年代到90年代，结合手动调整的机械加工使得棱镜和光栅等光学元件的制造精度和表面质量得到提升。进入21世纪后，精密CNC机床的采用进一步推动了激光光学和光通信组件的发展。自2010年代以来，智能化和定制化加工技术使得制造越来越复杂和高性能的光学元件成为可能，应用于精密仪器和国防领域[3][4][5][6]。相应地，对光学模具的制造要求不断提高，表面粗糙度、形状精度和结构复杂性也从低精度和高粗糙度的手工造型发展到非球面和微结构的确定性加工，再到具有极高稳定性和一致性的亚纳米级精加工。如图1所示。

**图1. 光学元件和光学模具的历史发展**

光学元件的加工方法大致分为两类：第一类是直接机械加工光学元件本身，如传统的研磨和抛光技术；这种方法适用于小批量生产，精度高但效率低且成本高。第二类是通过模具成型技术间接制造光学元件。模具成型可以快速复制大量复杂形状的光学元件，显著提高生产效率，降低单个元件的制造成本，并确保每个光学元件的形状和尺寸高度一致，从而提高产品质量和性能稳定性。模具成型适用于多种材料，包括玻璃、塑料和金属，能够满足不同光学元件的制造需求[7][8]。图2展示了使用光学模具制造玻璃透镜组件的示意图：首先将玻璃坯料放入下模中加热软化，然后上模施加压力将其塑形成所需的光学元件；冷却后玻璃结构稳定，最后取出成品。在这个过程中，模具决定了光学元件的最终形状和表面质量[9][10]。在制造高精度光学元件时，模具制造的精度必须远超光学元件的质量要求；只有具有纳米或亚纳米级粗糙度的光滑无缺陷模具表面，才能使模制的光学元件满足高功能和性能标准[11][12][13]。此外，为防止高温下模具与玻璃之间的粘附，模具的光学表面可能需要进行涂层处理[14]。

**图2. 使用光学模具制造光学元件的过程**

首先，在使用过程中，光学模具不得与透镜材料发生反应或造成粘附，并且必须在高温条件下保持高硬度、强度、稳定性和抗氧化性[15]。其次，模具应具有良好的可加工性，表面粗糙度Ra优于5纳米，并且应避免划痕、凹坑、孔洞或裂纹等缺陷，以确保成型后的光学透镜具有高精度和表面完整性[16]。常用的光学模具制造材料包括碳化钨（WC）、碳化硅（SiC）、镍磷合金（NiP）、化学镀镍（EN）、铜镍合金（Cu-Ni）、模具钢（MS）和氮化硅（Si3N4）[17][18][19]。图3比较了这些典型材料的性能。其中，WC和SiC因其高弹性模量、硬度和适中的热导率及热膨胀系数而被广泛用于非球面模具的制造，其中无粘结相的碳化钨具有最佳的整体性能[20][21]。NiP和EN由于硬度较低，更适合微结构模具的加工；而Cu-Ni和MS则更常用于性能要求较高的模具[22]。

**图3. 模具材料性能比较**

**图4. 光学模具的关键性能指标**
图4强调了光学模具的性能要求，如纳米级表面粗糙度、无表面缺陷以及高标准的形状精度和尺寸一致性。此外，优异的光学性能（包括高反射率或透射率）以及抗腐蚀和激光损伤的能力也是必不可少的。这些特性对于保证光学元件的可靠运行和高质量性能至关重要。相关的研究也为理解光学模具抛光提供了有益的背景知识。特别是关于激光熔覆生成的高熵合金涂层的微观结构和表面质量的研究[23][24]，有助于阐明激光-材料相互作用在决定表面完整性中的作用，这与基于激光的光学模具抛光也密切相关。另外，关于表面氧化层对NiTi合金耐磨性和耐腐蚀性影响的研究[25]，以及对AA7075-T6合金耐磨性-腐蚀行为的研究[26]，为评估抛光后的表面完整性和耐腐蚀性提供了参考。此外，关于低温处理对Sleipner冷 WORK 工具钢耐磨性影响的研究[27]，也为理解提高光学模具材料表面硬度和耐磨性的工艺提供了比较基础。

**图4. 光学模具的分类及抛光后的关键指标**

目前，基于超精密机床的研磨、切割等技术仍是模具加工的主流方法。对于NiP等较软的材料，超精密切割技术是加工复杂表面形状或微结构的最佳选择[28]；但对于WC等硬脆材料，金刚石工具切割会导致严重磨损，因此采用超精密微磨[29]。尽管超精密切割和研磨已成为成熟的技术，但WC等材料的高脆性和低断裂韧性仍然给制造高精度、表面完整性优异的模具带来了挑战[30]。在加工高硬度和脆性的模具材料时，研磨过程中的塑性流动可能会留下典型的表面痕迹，同时操作过程中还容易产生裂纹、崩边和晶粒脱落等缺陷，这些都会增加表面粗糙度。如果材料去除深度超过允许范围，由于拉伸应力作用下裂纹的产生和扩展，可能会导致内部损伤[31][32]。通过研磨或车削等方法获得所需几何形状后，还需进行额外的超精细抛光步骤以进一步完善光学模具。这种超精密抛光通常作为生产流程的最后环节，使用非常细的磨料或替代抛光剂逐步消除先前加工步骤引入的微小表面缺陷和内部损伤，最终获得纳米或亚纳米级别的表面粗糙度[33][34]。

传统的机械抛光方法存在多个挑战，包括难以精确加工复杂形状、效率低以及加工一致性差等问题。在加工硬脆材料时，还可能产生表面裂纹、研磨痕迹和亚表面损伤，从而显著降低模具的表面质量和使用寿命。为解决这些问题，全球研究人员一直在深入研究光学模具的材料特性，探索新的超精密抛光方法，研究抛光机制并优化工艺。这些努力为光学模具抛光技术的发展奠定了理论和技术基础。本文根据主要的材料去除机制和去除作用方式，将抛光方法分为接触式、非接触式和复合式三类。接触式抛光是指主要通过抛光工具和/或磨料颗粒与工件表面的直接机械相互作用来实现材料去除的过程；基于这一标准，钟形抛光（BP）、振动辅助抛光（VAP）、磁流变抛光（MRF）、电液抛光（ERP）、射流抛光（FJP）、化学机械抛光（CMP）、浮动抛光（FP）和剪切增稠抛光（STP）等均属于接触式抛光，尽管其中一些方法利用了磁场、电场或流体辅助来控制磨料行为或抛光特性。在这种情况下，外部场主要起辅助作用，而实际的去除仍依赖于磨料与表面的接触。非接触式抛光则通过非机械作用（如能量束、离子轰击、化学溶解或电化学反应）来实现材料去除，不依赖直接的磨料接触。这一类别包括激光抛光（LP）、离子束抛光（IBP）和电化学抛光（ECP）。复合抛光则结合两种或更多抛光机制或方法，以充分利用它们的互补优势[5]。

**图5. 光学模具的超精密抛光方法**

本文旨在深入分析各种先进的光学模具抛光方法，重点探讨其原理、材料去除机制以及这些方法对模具形状精度、表面粗糙度、微观结构和性能的影响。同时评估了这些方法的关键技术和挑战，总结了它们的优点、缺点和适用范围。由于抛光文献中很少明确报告正式的技术成熟度（TRL）值，本文以半定量方式讨论了所介绍方法的工程成熟度：TRL 4–5表示实验室验证，TRL 6–7表示中试规模或工程演示，TRL 8–9表示相对成熟的工业应用。最后，指出了光学模具超精密抛光技术中的差距和问题，并讨论了未来的发展趋势和挑战。

**2. 基于接触的抛光工艺**
基于接触的抛光工艺被单独归类，因为材料去除是通过抛光工具、磨料颗粒与工件表面之间的直接相互作用实现的。这些方法通常提供较高的去除效率，并且能够很好地适应不同的模具材料和表面形状，但它们也可能导致工具磨损、边缘效应和表面损伤。基于这些特点，本章回顾了用于光学模具的代表性接触式抛光技术。

2.1 长袍抛光（Bonnet Polishing）
在21世纪初，英国的Zeeko公司和伦敦大学的Walker等人首次引入了长袍抛光技术（BP）。图6(a)展示了典型长袍抛光系统的结构。长袍抛光工具由铝基座、基底膜和抛光垫组成。铝基座提供抗变形支撑，基底膜通过层压针织织物和橡胶层制成以承受拉力，抛光垫粘附在基底膜的上方。当高压气体充满铝基座和基底膜之间的空间时，基底膜和抛光垫会膨胀，从而具有一定程度的刚性。当抛光单元与工件接触时，基底膜和抛光垫会牢固地附着在其表面。图6(b)展示了长袍抛光过程中材料是如何被去除的。在长袍的驱动下，磨料颗粒进入抛光垫和工件之间的接触区域。这些颗粒不会自由移动，而是被卡在抛光垫和目标材料的不平坦表面之间。然后，在接触界面的速度和压力差的作用下，它们进行反复滚动和微细切割。这种作用通过基于疲劳的去除过程逐渐改善表面微观结构，最终得到光滑和精细的表面。如图6(c)所示，长袍抛光提供三种旋转方式：当旋转轴垂直于工件时，倾向于在中心产生高空间频率和零去除量，导致收敛性较差；当旋转轴与工件法线呈一定角度倾斜时，长袍表面速度的零点会移出抛光接触区域，从而增强收敛性；当长袍既绕自身旋转又绕工件旋转时，会产生高斯形状的对称影响函数，实现最佳的收敛效果。

这项技术使用了一个比工件尺寸小的压力长袍抛光工具，在工件表面进行局部抛光。长袍抛光工具的柔性使其能够适应工件表面上的小波动，确保在整个加工过程中的稳定性和一致性。在抛光过程中，可以通过调整长袍的内部压力来控制效率，以满足不同区域的加工要求。此外，通过优化路径规划，抛光工具能够保证整个表面的均匀覆盖，从而修正高精度的形状误差。由于其确定性的去除机制和根据工件尺寸选择工具规格的灵活性，长袍抛光被广泛用于光学模具的加工，特别是对于高精度抛光的非球面和自由曲面。该技术可以实现高达0.025–120 mm3/min的去除速率，同时保持优异的表面质量，是一种高效的精密抛光工艺。

在早期的实验验证阶段，Zhang等人建立了磨料运动特性和工件表面压力的模型，并结合有限元分析，研究了磨料颗粒直径对抛光力和工件内部剪切应力的影响。结果表明，长袍抛光可以精确控制抛光压力和接触面积，从而实现材料疲劳去除。Lee等人发现，在三轴联动抛光机中，用长袍抛光头代替传统的刚性抛光头可以实现全面接触抛光。通过叠加多个抛光轨迹，可以在不需要复杂轨迹规划的情况下实现工件表面的均匀抛光，大大降低了运动复杂性。抛光后，WC模具的表面粗糙度Ra从5 nm降低到2 nm，形状误差峰值（PV）值稳定在0.16 μm。对于化学镀镍模具，Beaucamp等人使用流体喷射抛光去除工具痕迹，然后用七轴螺旋长袍抛光系统进行精细抛光。在1.0 bar的长袍压力和平均粒径为30 nm的超细抛光液的作用下，他们成功将表面粗糙度Ra降低到0.52 nm，形状误差控制在λ/20（<31 nm PV）以内。随后，他们使用这项技术对WC模具进行抛光，进一步将表面粗糙度Ra降低到1.0 nm，平面度误差PV从905 nm降低到29 nm。此外，Cheung等人使用计算机控制超精密抛光（CCUP）生成结构化表面，并基于改进的高斯函数构建了工具影响函数（TIF）模型和表面形态模拟系统。在使用Zeeko IRP200长袍抛光机对Cu-Ni模具进行抛光实验时，通过匹配实际抛光表面验证了模拟预测的准确性。总之，长袍抛光技术在模具抛光方面取得了显著成果，大大提高了表面质量和形状精度控制能力。

关于路径规划和精密控制的研究为提高长袍抛光的性能提供了重要的支持和优化方法。Lee等人开发了一种停留时间算法，用于确定扫描工具操作过程中抛光时间在工件表面的分布。他们使用非负最小二乘法求解线性方程，减少了工件表面的残余误差并有效去除了车床痕迹。Tsai等人使用B样条表面表达模具几何形状，并结合曲率分析和Peano编织路径，实现了均匀的路径覆盖和最优抛光参数选择。PAN等人设计了一种基于轮廓线运动的控制方法，并改进了路径规划。通过使用碰撞避免函数生成改进的螺旋和伪随机路径，有效减少了中高频误差，提高了非球面模具的精度。此外，Chen等人提出了一种分层重塑轨迹规划方法，结合材料去除模型和光栅型路径规划，实现了工件表面的均匀分层去除。Wang等人通过加工单元温度控制减少了抛光头与工件之间的法向位置误差，提高了坐标传递的精度和抛光头检测的准确性。这使得在长袍抛光过程中实现了亚纳米级别的形状校正，分别在280 mm平坦和160 mm凹球面抛光过程中达到了0.8 nm和1.1 nm的表面形状精度。

为了提高长袍抛光的效率和适应性，优化和改进长袍结构已成为另一个重要的研究方向。Ke等人设计了一种新的半刚性（SR）长袍抛光工具，由两层橡胶膜和嵌入式不锈钢片组成，结合了高去除率和柔性。使用这种工具，在六自由度机器人抛光机上对无粘结剂的碳化钨（WC-0Co）和含钴粘结剂的碳化钨（WC-12Co）进行了抛光实验。结果表明，WC-0Co的表面粗糙度Sa达到了2.6 nm，其去除率和表面质量均优于WC-12Co。这是由于钴粘结剂的高粘度降低了WC-12Co的去除率，以及WC颗粒与粘结剂之间的不均匀去除导致表面出现凹坑。此外，嵌入在SR工具中的钢层增强了其结构刚性，提高了抛光过程中的接触力，使得WC的去除率达到2.8 mm3/min——大约是传统橡胶垫的2.5倍。通过实验和有限元分析建立的材料去除模型与实际结果吻合良好，实现了超光滑的表面，表面粗糙度Sa为2.5 nm。Zhang等人引入了一种创新的长袍工具，该工具的抛光垫由聚氨酯制成，通过二次热成型工艺重新塑造成半球形壳体，提高了长袍的贴合度和精度。金属盖用于固定，避免使用粘合剂，简化了更换过程。为了解决聚氨酯抛光垫中的应力松弛和蠕变问题，这些问题会导致接触力不稳定和形状精度降低，他们提出了一种温度控制策略：在抛光前预热抛光垫90分钟以释放蠕变应力，并在加工过程中保持35°C的环境温度以改善接触力的稳定性。实验结果显示，这种方法在S-SiC批量抛光中实现了1.92λ的形状精度和优于5 nm的表面粗糙度，显著提高了抛光过程的稳定性和效率。

作为一种高效且灵活的抛光技术，BP因其确定性的去除机制而在光学模具加工中得到广泛应用。这项技术具有多种优点，包括高斯型的去除功能、可控的弹性系数以及良好的适应性。从工程准备的角度来看，长袍抛光可以被认为是一项相对成熟的技术（大约处于TRL 8–9阶段），因为已有如Zeeko IRP系列甚至4 m级CNC系统的商业平台，并且该工艺已应用于大型光学器件和X射线模具。然而，在实际工程中，长期的批量稳定性仍取决于抛光垫的状态、长袍磨损、蠕变和温度引起的接触力漂移，因此该方法不太适用于非常小的模具或高度受限的结构。

2.2 振动辅助抛光（Vibration Assisted Polishing）
振动辅助抛光（VAP）是一种将机械振动与传统抛光方法结合的加工技术。它使用振动平台驱动抛光工具或工件进行高频振动，增强了磨料的切割作用和抛光液的流动性。该系统通常由振动平台、抛光工具、抛光液供应系统和控制系统组成。振动平台可以实现多种振动模式，如线性振动、椭圆振动和随机振动。通过调整振动方向、频率和振幅等参数，可以精确控制磨料的运动轨迹，从而提高抛光效率和表面质量，同时适应不同的加工需求。振动辅助抛光主要通过以下机制提高抛光效率和表面质量[66]：(1) 增强磨料切削作用：振动增加了磨料与工件表面之间的接触频率和冲击力，从而提高了材料去除率和表面平整度。(2) 改善抛光液流动性：振动促进了抛光液的流动和磨料的去除，增强了抛光液的均匀分布，减少了表面缺陷和抛光痕迹。(3) 减少摩擦：振动减少了抛光工具与工件表面之间的摩擦，降低了热生成，提高了抛光过程的稳定性和可控性。在传统振动抛光方法的研究中，郭等人[67]提出了一种磁致伸缩振动辅助抛光技术，以满足微非球面模具研磨的高精度和低粗糙度要求。通过有限元分析和优化设计(图9(a))，他们开发了一种由磁致伸缩材料制成的高频、大振幅抛光机，能够生成9.2 kHz的可控圆形或椭圆形振动轨迹[68]。他们还研发了一种五轴振动抛光机(图9(b))，该机器结合实时抛光力控制系统，能够实现0.2 mN的分辨率和0.2–200 mN的抛光力范围[69]。实验表明，这种方法可以在2分钟内将WC的最大材料去除深度达到1 μm，将表面粗糙度Ra从4 nm降低到2 nm[70]。使用圆形振动时，材料去除深度可进一步增加到2.4 μm，粗糙度降低到1 nm，形状误差PV降低到0.09 μm[71]，[72]。此外，该技术在去除化学镀镍模具上的工具痕迹方面也非常有效，将表面粗糙度Ra从2 nm降低到1 nm，形状精度PV提高到0.2 μm(图9(c))[73]。为了解决中心区域的材料去除问题，郭等人[74]引入了一种专注于控制中心区域的抛光技术(图9(d))，通过精确控制抛光工具与工件中心之间的最小间隙，实现均匀的材料去除。采用这种方法，获得了表面粗糙度Ra低于0.5 nm、形状精度PV低于50 nm的WC模具，达到了超光滑的表面效果(图9(e))[73]。对于具有微结构的复杂模具，Brinksmeier等人[75]设计了一种由音圈执行器驱动的振动抛光系统。利用两个音圈执行器和线性进给运动，该系统能够生成高达150 Hz的频率和250 μm的振幅，实现高效的材料去除(图9(f))。实验结果表明，该方法遵循Preston方程，材料去除率与抛光时间、压力和相对速度呈线性关系；因此，振动辅助技术成功应用于复杂模具的高精度抛光。

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图9. (a) 磁致伸缩振动抛光机的结构设计和性能分析[67]。(b) 配备磁致伸缩振动辅助功能的抛光系统照片[72]。(c) 抛光前后形状偏差的比较[72]。(d) 非球面的均匀抛光[74]。(e) 抛光后的表面粗糙度结果[74]。(f) 振动辅助抛光的实验装置，显示了位于工件和垫片两侧的音圈执行器[75]。

超声波振动辅助抛光（UVAP）是一种依赖于磨料机械作用的材料去除技术，属于振动辅助抛光技术的一种。与传统的振动抛光方法不同，超声波振动抛光利用超声波频率的机械振动，使磨料高速撞击加工表面。这是一种非热、非化学、非电的处理方法[76]。超声波振动抛光的材料去除机制结合了基于振动辅助抛光的几种微观作用[77]，[78]：磨料颗粒的高频撞击导致微观破裂和去除；抛光液中的压力波动产生液压冲击以辅助去除；空化气泡的崩塌释放能量，进一步增强了磨料的冲击力和切削能力。黄等人[79]首次将理论分析与实验验证相结合，基于压痕断裂力学和惠更斯原理推导出超声波抛光去除函数的表达式。通过单点抛光实验，他们验证了模型的准确性，并建立了超声波抛光去除函数与声压分布之间的直接联系，为工艺优化和路径规划提供了理论基础。Hocheng等人[80]首次将超声波振动辅助抛光技术应用于光学模具，并设计了一种经济高效的超声波抛光系统。研究表明，当磨料颗粒大小约为初始表面粗糙度PV值的三倍时，可以获得最佳的抛光效果。此时，磨料颗粒能够有效匹配表面PV高度，进入间隙并激活，同时高效去除材料而不会造成过度划痕，从而实现最佳抛光效果。赵等人[81]解决了超声波抛光过程中由于负载变化导致输出幅度不稳定的问题，提出使用锥形振幅传感器来提高性能稳定性。通过有限元分析和常见振幅传感器的比较，发现锥形振幅传感器在负载变化下的幅度放大因子波动最小，提供了最佳的稳定性。铃木等人[82]，[83]设计了一种专门的抛光系统，结合超声波振动来处理微米级非球面模具(图10(a))，将超声波振动器集成到聚氨酯抛光工具中，并结合2 mN分辨率和精确的扫描速度，实现准确的材料去除控制(图10(b))。实验表明，WC模具的形状误差PV从0.12 μm降低到0.07 μm(图10(c))，表面粗糙度Ry从30 nm降低到10 nm，证明了其在超精密加工中的潜力。为了进一步提高加工精度，铃木等人[84]开发了一种超声波双轴振动抛光工艺(图10(d))，其中使用压电执行器驱动抛光工具，使得工具在轴向和弯曲方向上都产生伪随机运动轨迹(图10(e))。与单轴振动相比，这项技术显著提高了表面质量，划痕完全消失。模具的表面粗糙度Ra从3 nm降低到1 nm(图10(f))，显示出其处理大口径非球面模具的潜力。

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图10. (a) 超声波振动辅助抛光系统的结构和工作原理示意图[83]。(b) 非球面表面处理步骤流程图[83]。(c) 抛光前后的形状偏差数据比较[83]。(d) 配备超声波振动支持的双轴抛光机[84]。(e) 利用压电执行器的双轴超声波振动器设计[84]。(f) 不同抛光方法处理的碳化钨工件的显微镜图像和表面粗糙度测量结果[84]。

此外，UVAP在处理复杂微结构模具方面也表现出显著优势。孙等人[85]，[86]将UVAP应用于SiC表面的圆柱形沟槽阵列的加工。研究表明，与传统磨料抛光（AP）相比，UVAP将表面粗糙度Ra从115.6 nm显著降低到8.6 nm，并将沟槽轮廓精度提高到0.8925 μm，使其更接近设计值。赵等人[87]进一步优化了UVAP在SiC和WC中处理V形沟槽阵列的应用(图11(a))。他们通过仿真修正了抛光轮的V形截面角度，以解决顶部角半径过大的问题(图11(b))。当顶部角半径从12 μm减小到5 μm时，抛光压力分布更加均匀。最大轮廓偏差从修正前的1.06 μm降低到0.1768 μm，表明成功加工出了表面光滑且边缘清晰的V形沟槽阵列(图11(c))。王等人[88]将UVAP应用于经过飞秒激光烧蚀后的硬质合金模具上的微 pits(图11(d))，去除了激光烧蚀形成的微米级凸起，并将表面粗糙度Ra从30 nm降低到7.60 nm。Curodeau等人[89]开发了一种超声波磨料微加工（UaμM）技术(图11(e))，该技术涉及将热塑性复合材料制成与工件形状相匹配的工具，将工具固定在超声波振动杆上，并保持工具与工件之间的小间隙，填充磨料浆料。超声波驱动工具振动，使磨料颗粒高速撞击工件表面以去除材料。实验表明，UaμM可以将P20模具钢的表面粗糙度Ra从0.48 μm降低到0.15 μm，同时显著改善了线切割加工表面的表面质量(图11(f))。上述研究表明，UVAP技术在处理复杂微结构模具方面具有广泛的应用潜力和显著效果。

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图11. (a) V形沟槽阵列结构示意图及UVAP在加工V形沟槽中的工作原理[87]。(b) V形抛光轮角度调整前后接触条件的四分之一有限元分析（FEA）模型比较[87]。(c) 显示在WC基底上制造的栅格阵列的SEM图像[87]。(d) 激光脉冲数与烧蚀阈值能量之间的关系[88]。(e) 用于超声波辅助微加工（UAmM）的实验装置示意图[89]。(f) 3D腔体的初始制造结果，其中后部通过线切割EDM切割，前部通过聚合物工具抛光[89]。

VAP和UVAP都是有效的精密抛光技术。与传统抛光相比，它们提供了更高的效率和更好的表面质量，但都面临控制振动参数的难度以及振动工具设计复杂性的挑战。其中，UVAP在加工效率、表面质量和表面损伤控制方面优于VAP，但其设备成本更高，操作也更复杂。在实际应用中，应根据具体的加工要求选择适当的抛光技术。目前，VAP仍处于实验室到试点阶段（大约TRL 5–6），主要用于光学模具。其更广泛的工程应用受到稳定换能器工具匹配、共振调谐以及在不同抛光负载下保持一致振动输出的需求的限制，这些因素直接影响工艺重复性和批次稳定性。

2.3. 磁流变抛光

磁流变抛光（MRF）由Kordonski于1992年首次开发[90]，由于其高精度和低表面缺陷的优势，已成为硬质和脆性光学表面的先进确定性抛光技术[91]。本综述重点讨论了其在光学模具中的应用，尽管该方法也用于透镜和镜子的加工。该系统由磁流变流体、磁场发生单元、液体循环单元和驱动单元组成。磁流变流体是基础流体、非磁性抛光磨料、磁性颗粒（CIPs）和添加剂的混合物。如图12(a)所示，磁性颗粒具有高磁导率和低磁滞特性。在没有磁场的情况下，这些流体表现出低粘度的牛顿行为；然而，在磁场的作用下，它们转变为高粘度的拟固体（宾汉姆流体），形成沿磁场线排列的链状结构，其中包含抛光磨料[92]，[93]，[94]。

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图12. (a) MRF的工作原理[93]。(b) 无磁场和磁场梯度条件下的羰基铁和磨料颗粒分布[95]。

图12(b) 展示了MRF的工作原理[95]。在强磁场的作用下，磁流变流体在加工间隙内转变为高硬度、高粘度的拟固体条带。悬浮在顶部的磨料被驱动接触到工件表面，通过柔性抛光模式去除材料，实现高精度抛光。在这个过程中，条带提供形状保持和硬度，而磨料的悬浮特性则提供了加工过程的可控性和适应性。MRF技术可以根据工具类型进行分类，例如轮式、盘式、球头式或圆柱式，这些工具能够满足多种加工需求，并确保材料去除的一致性和精度。Geiss等人[96][97]首次提出使用MRF技术来解决精密玻璃成型（PGM）中处理氮化硅模具的挑战。通过研究切割速度、流体粘度、流体流量、磁场强度和切割深度等参数对材料去除率的影响，他们建立了一个数学模型来预测峰值和体积去除率。实验中选择了两个参数进行优化抛光：(1) 大斑点（6.5毫米×3毫米），峰值去除率为0.6微米/分钟，体积去除率为0.003立方毫米/分钟，用于快速去除低阶形状误差；(2) 小斑点（4毫米×2毫米），峰值去除率为0.2微米/分钟，体积去除率为0.0006立方毫米/分钟，用于消除高频误差和中心缺陷。经过两轮大斑点抛光后，模具的PV误差显著降低，但中心缺陷和高频误差仍然存在。随后进行了四轮小斑点抛光，总时间为5.7小时。均匀去除770纳米的材料后，PV误差降至56纳米，均方根（RMS）从134纳米降至7.8纳米（图13(a)）。此外，MRF显著改善了模具的表面粗糙度，从ELID抛光后的24纳米Ra降低到了4纳米（图13(b)）。研究表明，MRF技术能够高效准确地加工氮化硅模具，为PGM模具制造提供了重要的技术支持和新方法。

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图13. (a) 经过MRF处理前后的精细磨削SSN模具的强度分布[96]。
(b) 使用WLI结合PSD分析比较MRF处理前后半韧性磨削SSN模具的表面形貌[96]。
(c) 在旋转磁场影响下的MCF抛光机制示意图[99]。
(d) 两种抛光浆料的SEM显微图，MCF1和MCF2[99]。
(e) SCDT后以及扫描抛光60分钟后的工作表面SEM表征[99]。
(f) SCDT后和扫描抛光60分钟后的表面粗糙度值[99]。

与MRF类似，磁场辅助抛光也使用磁流体（MF）作为加工介质。MF颗粒小而稳定，粘度变化可以忽略不计；相比之下，MR流体颗粒较大，稳定性较差，表现出显著的宾汉姆流体特性。为了结合这两种方法的优点，Shimada等人[98]通过将磁流变（MR）流体和磁流体（MF）结合，制备了一种磁性复合流体（MCF），该流体由微米级的羰基铁和纳米级的磁铁矿颗粒组成。这种流体既具有稳定性又具有磁控能力，在静态磁场中表现出更高的粘度和更好的分散性。Guo等人[99]使用MCF对镍磷合金模具进行超精密抛光（图13(c)），以去除单晶金刚石车削（SCDT）产生的加工痕迹。实验使用了具有不同磁性和磨料颗粒的MCF浆料进行固定位置抛光和扫描抛光（图13(d)）。由于羰基铁粉末具有纳米级的氧化锆涂层，显著改善了模具表面的平整度（从0.2毫米降至0.1毫米），并降低了粗糙度（Ra从1.697-1.810纳米降至1.497-1.761纳米），且表面没有划痕或颗粒嵌入（图13(e,f)）。这些发现表明MCF是一种高效的超精密抛光材料。

作为光模具制造中广泛使用的硬脆材料，WC在MRF技术中的应用受到了广泛关注，许多研究探索了不同的参数和优化方法以实现纳米级的表面粗糙度。Shafrir等人[100][101]研究了MRF对不同镍含量和晶粒尺寸的WC材料在粗磨、中磨和细磨后的影响，以达到纳米级的表面粗糙度。结果表明，对于粗磨后PV为3.3-5.8微米的表面，MRF可以去除1.5-2.7微米的变形层，RMS粗糙度降低到6-55纳米，为WC模具的表面处理提供了重要参考。Liu等人[102]使用磁流变斜轴磨削和抛光技术对WC非球面模具进行精加工。结果表明，抛光后模具的PV值从0.964微米降至0.476微米，RMS值从0.190微米降至0.122微米，显著提高了表面质量和形状精度。为了解决小口径凹面非球面模具的抛光问题，Yin等人[103]进一步优化了斜轴磁流变抛光技术，设计了一种带有外部抛光旋转体和内部固定激励装置的专用抛光头，以及加工路径计算公式。该设计的核心是固定激励装置产生的稳定磁场形成了均匀的磁流变流体带，确保了磨料的连续更新和高效材料去除。实验表明，这种方法可以将直径6毫米的WC模具的表面粗糙度Ra从12.1纳米降至3.7纳米。在后续研究中，他们将斜轴超精密磨削与磁流变抛光结合，开发了一种基于X、Z和B三轴联动的加工系统（图14(a)），实现了磨削和抛光的集成。以直径6.6毫米的WC模具为例，经过联合处理后，Ra从6.8纳米降至0.7纳米，PV值从383纳米降至221纳米，磨削痕迹和表面缺陷被消除（图14(b)），证明了这种方法在精密加工中的高效率。此外，Wang等人[106]提出了一种基于圆柱形永磁体的磁流变抛光技术（图14(c)），通过控制工作间隙和角度来优化磁场分布，有效抑制了中频空间误差。实验表明，这种方法可以将WC模具边缘区域的误差幅度（130毫米-1）从12纳米降至2.5纳米，中心区域的误差幅度（195毫米-1）从6.5纳米降至1纳米，最终表面粗糙度Ra达到1纳米（图14(d)）。这些研究充分证明了MRF技术在WC模具精密加工中的优势，显著提高了表面质量和形状精度，并促进了其在光模具领域的应用。

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图14. (a) 结合超精密斜轴磨削与磁流变（MR）抛光的集成系统[105]。
(b) 非球形碳化钨模具的微观结构视图，以及表面粗糙度和形状精度的测量[104]。
(c) 专为抛光光学模具设计的配备圆柱形永磁体的MR抛光头示意图[106]。
(d) 模具边缘和中心区域表面振幅与空间频率的分布，比较了磨削和MR抛光的效果[106]。

MRF是一种新兴的超精密加工技术，能够实现纳米级甚至亚纳米级的表面粗糙度，远超传统抛光方法。材料去除过程由磁场强度、抛光流体特性和加工参数精确控制，确保了高确定性。MRF使用灵活的磁流变流体作为抛光工具，能够适应复杂的曲面，通过灵活的剪切力去除材料，并显著减少次表面损伤。然而，MRF也存在一些局限性，如设备成本高、大面积或深工件时的材料去除效率较低，以及磁场边缘区域的抛光效果不如中心区域均匀。从工程成熟度来看，MRF可以被认为是中高成熟度技术（大约TRL 7–8），在硬脆光学表面的精密加工中显示出强大的实际潜力。尽管如此，在工业应用中，流体稳定性、耗材维护、夹具依赖性和边缘区域的一致性仍然是影响成本和批次可靠性的重要问题。

2.4. 电流变抛光
电流变抛光（ERP）是一种基于电场下电流变流体（ERF）粘度剧烈变化的高效高精度表面加工技术，广泛应用于精密表面加工和模具制造。本文重点关注其在光学模具中的应用。在ERP过程中，ERF中的介电颗粒（微米或纳米级）在施加的电场下极化，沿场方向排列形成链状结构。这使得ERF从液态转变为类似固体的状态，形成一个具有特定硬度和形状的柔性抛光头[107]。磨料颗粒被捕获在链状结构中，随着抛光头的旋转，它们与工件表面发生摩擦作用，从而实现材料去除（图15(a)）。在此过程中，磨料的运动受到两种力的影响：首先是电静力，由电场产生，作用于ER颗粒之间以及ER颗粒与磨料之间，促进链状结构的形成并固定磨料；其次是介电泳力，作用于未与结构结合的磨料，使其向电场强度较高的区域（如抛光电极尖端）移动。ERP的整体材料去除效率受多种因素影响，包括ERF的流变特性、磨料的类型和大小、电场强度、抛光压力和速度。这些参数对抛光精度和效率都至关重要。

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图15. (a) 电流变流体辅助的抛光工作机理。(b) 监测电场下磨料颗粒运动的实验装置[109]。
(c) 利用电流变流体辅助制造的微非球面加工系统[110]。

自20世纪90年代末提出ERP以来，该技术经历了技术升级，从简单的双相抛光流体发展到复合颗粒系统，显著提高了抛光效率和表面质量[108]。此外，还开发了多种形式的抛光电极，进一步扩大了ERP在复杂表面加工中的应用范围[109]。Kuriyagawa等人[107][110]首次提出使用ERP技术抛光微尺度三维零件（如微非球面镜片、模具和镜子）。他们建立了一个装有CCD显微镜的观察系统[15(b)》，用于监测电场下的磨料运动，从而研究场强度、电极几何形状和磨料材料等因素对抛光效果的影响。结果表明，与无电流变流体相比，ERP的抛光效率提高了6.6倍，表面粗糙度Ra从18.6纳米降至4.4纳米。此外，他们还开发了一种结合精细磨削和抛光功能的加工系统[15(c)，提高了加工效率和精度。Zhang等人[111]使用田口正交实验和多元线性回归建立了WC模具ERP中材料去除率和表面粗糙度的预测模型。他们发现，最大去除深度与电压、工具速度、工件速度和混合比例成正比，而表面粗糙度与电压和加工时间成反比，工具和工件速度的影响较小。为了解决抛光微球面模具中的磨料团聚问题，Kaku等人[112][113]提出使用工件和微刀具作为电极，通过电场控制磨料团聚。研究表明，当工具电极与工件之间的间距与磨料颗粒的大小相匹配时，磨料能够有效聚集并充分与表面相互作用，从而提高抛光效果（表面粗糙度Ra从14纳米降至6.8纳米）。随后，他们使用等离子体化学气相沉积（plasma CVD）技术制备了涂有树脂的微抛光工具，以避免放电问题[114]，并通过有限元分析验证了半球形工具在控制磨料聚集方面的有效性。实验表明，该方法成功地在WC模具上加工出一条35微米宽的抛光槽，表面粗糙度Rz从磨削后的47纳米降低到了34纳米，显示出ERP技术在精密加工中的显著优势。张等人进一步在后续研究中探索了ERP技术。在文献[115]中，通过分析工具与工件之间的电场强度、颗粒间的相互作用力以及离心力，他们建立了有效抛光区域大小的预测模型，并推导出了该区域半径的公式。实验结果显示，随着工具转速的增加，有效抛光区域直径减小，测量值与模型预测结果非常吻合，为ERP路径规划和工艺优化提供了理论基础。另一项研究[116]提出了ERP材料去除率的理论模型，结合了ER颗粒与磨料颗粒之间的偶极相互作用，并利用Preston方程揭示了材料去除率与电场强度、工具几何形状和ER流体组成等工艺参数之间的定量关系。这项研究为优化ERP工艺性能奠定了理论基础。

在ERP电极设计方面，张等人[117]、[118]提出了一种适用于五轴ERP的新型集成电极工具（见图16(a)）。该工具由两块平行铜板组成，中间隔有绝缘棒，在两端形成集中电场。这种设计能够有效聚集磨料颗粒并扩大抛光面积。实验表明，该工具可将曲面WC模具的表面粗糙度降低至Ra为25.33纳米，延长抛光时间后粗糙度会进一步降低，直至达到由磨料颗粒大小决定的极限值。范等人[119]设计了一种带有环形集成电极的ERP工具，将阴极和阳极集成在一起，并在两者之间使用绝缘层，从而无需辅助电极即可建立电场，简化了工具结构（见图16(b)）。这种工具适用于导电和非导电工件的高效抛光。赤上等人[120]提出了一种使用交变电场控制分散电致流变流体中磨料分布的新方法，针对导电材料设计了单极电极，针对非导电材料设计了多层同心电极（见图16(c)）。通过施加2千伏电压和0.8赫兹频率的交变电场，该方法有效克服了离心力，使磨料集中在抛光区域内。结果显示，这种方法仅用5分钟就将WC模具的表面粗糙度Ra从0.65微米降低到了0.02微米，展示了高加工效率和优异的表面质量改进。

Zhao等人[121]通过ANSYS仿真分析了电场分布，指出工具电极尖端的强电场显著增强了ER颗粒和磨料的聚集作用（见图17(a)），从而提高了材料去除效率。研究确定了最佳磨料密度为5%，WC的表面粗糙度Ra从5.39纳米降低到了1.45纳米（见图17(b)）。在进一步的研究[122]中，他们提出了具有不同颗粒组合的ERP流体的微观结构模型（见图17(c)）和材料去除体积的理论模型（见图17(d)）。实验发现，在远离电极尖端的边缘区域，由于电场强度较低而离心力较大，材料去除体积沿抛光区域呈辐射状减小，这与理论预测的深度相符，为ERP工艺优化提供了理论依据。

ERP是一种高精度光学模具加工技术，能够实现纳米级的表面粗糙度和亚微米级的形状精度，适用于非球面模具的抛光。抛光刷由ER流体和磨料组成，不直接接触工件，从而减少了工具磨损并延长了工具寿命。然而，ERP的材料去除率相对较低，且ER流体对环境温度和湿度敏感，需要定期更换，增加了加工成本。此外，ERP涉及多个相互关联的工艺参数，因此优化仍主要依赖于实验支持。目前，ERP技术仍处于从实验室到中试阶段（大约TRL 5–6）。其更广泛的工程应用受到ER流体稳定性、不同模具几何形状的电极设计以及在实际车间条件下保持长期工艺重复性的难度限制。

2.5. 流体喷射抛光

流体喷射抛光（FJP）是一种基于磨料流体喷射的精密加工技术，由Faehnle和Van Brug于1998年提出，最初用于光学表面的精密抛光，后来也被扩展到光学模具表面的抛光[123]。其核心原理是利用高压喷射将含有磨料颗粒的抛光流体快速喷射到工件表面，依靠磨料颗粒的冲击力和剪切力去除材料并实现表面平滑[124]。如图18(a)[125]所示，浆料通过系统加压后从细喷嘴以特定角度喷射到工件表面，引发侵蚀现象，导致局部塑性变形或微裂纹。连续的冲击力和剪切力逐渐去除材料，降低了表面粗糙度，而高速喷射则能带走热量和 debris，防止表面损伤和污染。由于流体喷射具有高度灵活性，这种方法适用于各种复杂形状的工件，且无边缘效应。

Beaucamp等人[126]首次将FJP技术应用于去除金刚石车削留下的残留痕迹，以改善模具表面质量。通过对平面和非球面化学镀镍模具进行FJP处理，他们将平面样品的表面粗糙度Ra从3.2纳米降低到了2.8纳米，消除了金刚石车削产生的中频空间纹理（见图18(b)）。非球面样品的形态保持不变，其Sq值从4.9纳米降低到了4.3纳米，表明FJP显著提高了表面粗糙度同时保持了形状精度。为了满足从可见光到X射线波长的应用要求，Beaucamp等人[46]结合了计算机路径控制，避免了传统抛光可能引入的表面损伤和形状误差，并成功地将EN模具的形状误差校正到了30纳米。为了研究FJP对无粘结剂碳化钨模具表面完整性的影响，Beaucamp等人[127]探讨了不同喷射浸没条件和磨料颗粒大小的影响（见图18(c)）。光学显微镜、激光共聚焦显微镜和有限元分析显示，非浸没喷射流会在晶界产生位错，而较小的磨料颗粒会在高压下嵌入材料表面（见图18(d)）。基于此，他们提出了一种结合低压大颗粒喷射流的抛光策略，成功改善了无粘结剂碳化钨模具的表面质量。

在FJP材料去除模型研究方面，曹等人[128]提出了一种新方法，将计算流体动力学（CFD）与磨料侵蚀模型相结合，模拟并预测FJP中的表面形成过程。他们通过CFD建模和磨料侵蚀模型建立了材料去除特性的理论模型（见图19(a)），并通过点抛光和图案抛光实验验证了模型的有效性（见图19(b)）。Beaucamp等人[129]结合了k-ω SST湍流模型[130]、水平集和相场方法来模拟浆料空气界面和磨料颗粒的轨迹（见图19(c)）。模型显示FJP的去除机制主要是塑性的，并据此优化了浆料输送系统的参数。优化后的FJP工艺成功地将金刚石车削化学镀镍模具的形状误差PV从387纳米降低到了47纳米，表面粗糙度Ra提高到了0.99纳米，并去除了加工痕迹。此外，王等人[131]提出了一种通用的三维数值模型（U3DNM）来研究FJP的材料去除特性（见图19(d)）。利用CFD方法，他们模拟了不同冲击角度、材料和加工参数下的流体流动和磨料颗粒运动，并结合Oka磨损模型[132]预测了材料去除深度。结果显示，模型预测的材料去除剖面与实验结果非常吻合，TIF PV偏差范围为2.6%-42.0%，平均偏差为15.6%。该模型不仅验证了其在垂直和倾斜FJP去除特性方面的准确性，还为复杂表面加工的参数优化提供了有力支持。

由于传统单喷嘴流体喷射抛光（SJP）的材料去除率较低，限制了其在大型和复杂表面加工中的应用，王等人[133]提出了一种多喷嘴抛光（MJP）工艺（见图20(a)），通过集成多个高能量喷嘴显著提高了去除效率。CFD仿真表明，优化喷嘴布局可以提高材料去除率同时保持精度。实验表明，MJP在抛光镍铜合金模具时的材料去除率是SJP的五倍以上，表面粗糙度达到亚微米级别。为了提高自由形状表面的抛光精度，Cheung等人[134]从MJP方法中衍生出了曲率自适应多喷嘴抛光（CAMJP）技术（见图20(b)）。CFD分析显示，曲率变化会显著影响材料去除率，因为曲率改变了喷射流与工件表面的相互作用（冲击角度、覆盖面积、停留时间、边界层效应等）。据此，他们开发了压力依赖的曲率自适应（PDCA）控制，通过动态调节喷嘴压力来补偿曲率效应。实验结果表明，CAMJP显著改善了抛光的一致性，将工具钢的表面粗糙度Ra从215.7纳米降低到了23.7纳米，展示了其出色的性能和应用潜力。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像

图20. (a) 多喷射抛光（MJP）设置示意图，包括FJP系统的定位、单喷射冲击几何形状、相关的材料去除剖面以及多喷射喷淋配置[133]。(b) 带有模拟流体速度场和不同喷射与表面距离下对应材料去除深度等高线的CAMJP系统布局[134]。(c) 表面几何形状对磨料作用的影响：凹面和凸面上冲击行为的比较[136]。(d) 抛光前后工件表面的地形和粗糙度测量结果，以及工件图像[137]。

关于FJP抛光过程中不同参数的影响，Wang等人[135]研究了喷嘴与工件之间距离的变化如何影响材料去除行为和表面形成质量。他们在镍铜合金模具上进行了不同喷射距离（2-35毫米）的抛光实验，并分析了TIF形状、材料去除率和表面形态的变化。结果显示，随着喷射距离的增加，磨料射流逐渐从集中状态分布得更均匀，TIF形状从圆形变为高斯分布。当喷射距离超过12毫米时，表面粗糙度Ra稳定在约42纳米，而30-35毫米的喷射距离在材料去除率和表面质量之间达到了良好的平衡。Zhang等人[136]开发了一个预测模型，该模型考虑了表面曲率和倾斜角度对工具钢模具自由形状FJP过程中材料去除行为的影响，并通过CFD模拟和球形抛光实验验证了模型的准确性。研究显示，凹面（曲率半径-20毫米）能更好地限制磨料冲击区域，提高磨料利用率，其材料去除率大约是凸面（曲率半径+20毫米）的1.3倍。80°的倾斜角度能够在较高的冲击速度和较低的冲击力之间取得平衡（图20(c)）。对于结构复杂的表面模具，Zhang等人[137]使用圆柱阵列作为例子，结合CFD模拟分析了磨料颗粒大小、喷射压力等参数对材料去除率、表面形态和形状精度的影响，并建立了表面生成模型。该方法的有效性通过两步抛光实验得到了验证：在粗抛光阶段使用大颗粒磨料（12微米）和高压（8巴）去除加工缺陷，而在精抛光阶段使用小颗粒磨料（3.5微米）和低压（6巴）来提高表面质量。最终，初始粗糙度为Sa 62纳米的圆柱阵列工件被抛光至Sa 12纳米，形状误差满足预期要求（图20(d)）。

FJP用射流代替了机械接触，从而避免了应力变形和表面损伤，适用于薄壁和脆性工件。射流还具有冷却功能，有助于控制加工温度并防止热变形。通过调整工艺参数，可以实现高精度加工，使得该方法适用于多种材料，包括金属、玻璃、陶瓷和复杂形状的工件。然而，FJP在处理大面积工件时耗时较长，且设备相对复杂且成本较高，这限制了其广泛应用。从工程角度来看，FJP在自由形状和窄槽模具抛光方面已经显示出良好的潜力（大约TRL 6-7级），但其批量稳定性仍受喷射条件、浆液行为和工艺参数敏感性的强烈影响。此外，尽管传统工具磨损不是主要问题，但基于流体的去除功能的稳定性仍然是一个关键的实际问题。

2.6. 其他抛光方法
本节中讨论的方法各自独立，因为尽管它们也属于接触式抛光，但在去除机制和应用特性上与上述工艺有所不同。具体来说，CMP基于化学反应和机械磨损的共同作用，FP主要依靠流体动力效应和细小磨料，STP则利用抛光介质的剪切增稠行为。因此，这些方法将在以下小节中分别介绍。

2.6.1. 化学机械抛光
化学机械抛光（CMP）是一种结合了化学作用和机械力的技术，可实现纳米级别的平面化。这项技术出现于20世纪中叶，并因其能够对玻璃和金属进行平面化而受到关注[138]。自1988年IBM首次将CMP引入集成电路制造领域以来，它已被广泛应用于半导体晶圆加工[139]。图21(a)展示了CMP的抛光机制[140]。在此过程中，抛光浆料通过管道输送到抛光垫上，在晶圆和抛光表面之间形成一层由化学剂和磨料颗粒组成的薄液膜。化学试剂与晶圆表面材料反应生成易于去除或软化材料的化合物，降低了机械去除的难度。此外，工件固定在旋转的载体头上，而抛光垫则连接到下方的旋转平台上。液膜中的磨料颗粒通过相对运动机械地研磨晶圆表面，逐步去除软化的材料。机械研磨暴露新鲜表面以促进化学反应，而化学反应进一步软化材料，为机械去除创造条件。通过精确控制抛光参数，化学作用和机械作用协同作用，实现高效的材料去除，最终达到纳米级别的平整度。

Xue等人[141]针对X射线望远镜对镜面高精度要求的问题，提出了使用化学机械抛光技术来制造高精度模具。通过深入研究化学机械抛光过程中的化学反应机制（图21(b)），并结合Green-Williamson粗糙表面接触模型[142]，分析了抛光磨料与工件表面的接触状态、接触力学以及材料去除率之间的关系。基于这些发现，选取了几个主要影响化学机械抛光的因素（包括抛光压力、磨料浓度、氧化剂浓度和磨料颗粒大小）进行正交实验。分析了这些因素对抛光表面质量的影响，最终确定了最佳抛光参数组合。实验结果表明，该方法成功地在直径为30毫米的平坦化学镀镍模具上制备了Ra为0.316纳米的超光滑表面（图21(c)）。Xu等人[143]提出了一种基于化学机械抛光原理的平滑抛光方法，有效去除了镍磷合金涂层上的金刚石切削痕迹（图21(d)），并改善了大口径非平面镜面的加工要求。通过优化抛光浆料配方（二氧化硅磨料、过氧化氢氧化剂、络合剂、pH调节剂和去离子水）和加工参数（压力、旋转速度和进给速率），实现了化学腐蚀和机械去除之间的平衡。最终获得了RMS粗糙度低于0.3纳米的平坦镍磷涂层，表面光洁度极高（图21(e)），满足了硬X射线镜的精度要求，展示了高加工效率。例如，抛光一个直径为100毫米的镜面仅需不到5小时。

CMP是一种结合了化学腐蚀和机械研磨的加工技术，能够有效去除表面和亚表面损伤，达到纳米及亚纳米级别的表面粗糙度和高平整度，从而满足光学模具的严格表面质量要求。CMP的加工效率显著高于传统抛光方法，通过调整浆料成分、抛光垫材料和工艺参数，可以精确控制材料去除率和表面质量。然而，CMP主要适用于平面或大曲率半径的球形工件，其在加工复杂形状光学模具方面的能力有限，这已成为其应用的主要障碍。此外，CMP产生的废浆含有化学物质，必须妥善处理以避免环境污染。从工程成熟度来看，CMP是最成熟的抛光技术之一（大约TRL 8-9级），因为它在精密表面抛光领域已有长期应用。即便如此，对于光学模具应用而言，抛光垫磨损和条件调整、浆料老化、污染控制和化学废物处理仍然是影响批量一致性和运行成本的重要实际因素。

2.6.2. 浮动抛光
浮动抛光（FP）最初是为超精密光学表面抛光开发的，后来被引入光学模具抛光领域，能够实现亚纳米级别的表面粗糙度。这项技术由大阪大学的Namba教授在20世纪80年代初提出[144]，广泛应用于制造高精度光学透镜、镜子、晶体等具有极高表面质量要求的组件。如图22(a)所示，FP的核心是精确控制压力，在工件和抛光垫之间形成一层薄液膜。该液膜不仅将工件与抛光垫隔开，防止直接接触造成的表面损伤，还作为磨料的载体。抛光浆液中的微小磨料颗粒悬浮在液膜中，随着抛光垫的旋转，对工件表面施加微小的冲击力。虽然这些冲击力较弱，但足以逐层去除工件表面的原子，实现材料去除，从而实现极高的表面精度。

Xu等人[145]提出了一种用于大型模具表面的浮动抛光技术，设计了一种具有五个自由度的抛光机，并使用滑线场方法建立了抛光头在模具表面的法向力理论模型。此外，他们分析了抛光头与模具表面特征之间的干涉问题，并构建了干涉边界以避免碰撞。研究表明，该技术显著提高了大型模具的抛光效率和表面质量，为模具抛光过程的优化提供了重要支持。针对模具抛光效率低和表面质量不稳定的问题，Xu等人[146]开发了一个参数数据库，研究了力、旋转速度、抛光周期、进给速率和磨料颗粒大小等关键参数对表面粗糙度的影响。利用前向推断方法，数据库根据输入的模具材料和初始粗糙度推荐最佳抛光参数，并以图形形式展示了参数与表面粗糙度之间的关系。Namba等人[147]针对短波长应用的需求，提出了一种用于化学镀镍模具的超精密抛光方法。该方法结合了单点金刚石研磨和浮动抛光，引入了15纳米的二氧化硅颗粒作为新型最终抛光介质。实验结果表明，该工艺可以生产出RMS粗糙度低至0.1纳米的超光滑平面表面，并在直径可达300毫米的圆柱和非球面模具上实现了低于0.3纳米的RMS粗糙度（图22(b)）。此外，该方法成功应用于复制高精度Pt/C多层硬X射线镜，证实了其实际适用性。Zhang等人[148]提出了一种低成本、高效率的微透镜阵列模具制造方法（图22(c)）。首先，通过微压痕工艺，将精密钢球以六边形排列压入铜镍合金表面，形成微 pit。然后使用250纳米和10纳米的钻石浆液进行两步精密浮雕抛光。最后，完全去除压痕周围的堆积物质，将表面粗糙度Ra从47.62纳米降低到28.10纳米。这种方法显著简化了制备过程，降低了制造成本，并能够灵活控制微透镜的曲率半径和排列方式。实验结果表明，该模具具有高精度和优异的表面质量，能够成功复制出具有高一致性和优越光学性能的聚合物微透镜阵列。

FP是一种超精密光学加工技术，可以实现亚纳米级的材料去除，表面粗糙度可低至0.1纳米RMS。FP通过工件自身的重量和流体动态压力完成抛光，从而避免因机械应力引起的损伤和变形，同时保持高形状精度，适用于非球面和自由曲面光学元件。然而，FP的材料去除速率较低，加工时间较长，并且对浆液浓度、温度和压力等参数非常敏感，必须精确控制这些参数以确保加工质量。目前，FP主要应用于高精度、低产量的精加工场景（大约处于TRL 5-6阶段），而不是大规模工业生产。因此，尽管它提供了出色的最终表面质量，但其工程应用仍受到低产量和在长时间抛光周期内维持稳定流体膜和磨料悬浮条件困难的限制。

2.6.3. 剪切增稠抛光

剪切增稠抛光（STP）是一种新兴的、经济高效且环保的抛光技术，由湖南大学的李敏及其同事于2015年提出[150]。该技术利用非牛顿流体的特性，即在高压剪切率下粘度显著增加，从而实现高效的材料去除和纳米级表面精度[149]。这项技术的核心是剪切增稠抛光浆液，由分散在水或其他溶剂中的纳米颗粒和剪切增稠剂组成。在低剪切率下，抛光浆液粘度较低，允许磨料自由移动；而在高剪切率下，剪切增稠剂使浆液粘度急剧上升，形成“柔性粘合磨料”（图23(a)），从而限制并包裹磨料。在抛光压力和高速剪切力的作用下，磨料在工件表面进行微切削，实现高材料去除率，并选择性地去除表面微峰和微谷，最终产生超光滑的表面（图23(b)）。

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图23. (a) 非牛顿流体的动态粘度与剪切率之间的关系，展示了三个 distinct 区域：初始剪切稀释（区域I）、剪切增稠（区域II）以及极高剪切率下的二次稀释阶段（区域III）[150]。
(b) STP 机制的概念表示，包括微观尺度上的局部材料去除行为示意图[150]。

李等人[151]通过研究圆柱形模具钢验证了STP方法的效率，制备了含有Al2O3磨料的高性能STP浆液，并系统分析了抛光速度、磨料浓度和颗粒大小对材料去除率和表面粗糙度的影响。实验表明，在剪切增稠条件下，STP浆液的效率显著高于传统的牛顿流体浆液。例如，在4.5米/秒的抛光速度下，STP浆液在0.5小时内实现了13.69微米的材料去除率，同时将表面粗糙度Ra从105.95纳米降低到5.1纳米。研究还发现，提高抛光速度或磨料浓度，或者减小磨料颗粒大小，可以改善材料去除率（MRR），而磨料颗粒大小对表面粗糙度的影响较小。此外，李等人[152]提出了一个综合模型来预测STP表面粗糙度，考虑了材料硬度、塑性磨损、正常压力、浆液性质以及磨料与固体胶体颗粒大小的比例等因素。结果显示，模型预测与实验结果之间的最大误差小于12.02%，当磨料颗粒大小与胶体颗粒大小的比例超过0.5时，磨料主导了切割过程，导致表面粗糙度呈线性变化。根据这一规律，可以通过调整大小比例灵活控制目标表面粗糙度。实验表明，经过STP抛光后，模具钢的表面粗糙度Ra可降低到4.5纳米，进一步证明了STP过程的精确控制能力和其在改善表面质量方面的潜力。

基于与STP相同的非牛顿流体辅助抛光概念，朱等人[153]进一步提出了一种基于非牛顿流体的亚孔抛光工艺（NNSP）。在这种工艺中，由淀粉和聚合物混合物制成的高剪切率增稠浆液在旋转工具和工件之间形成稳定高粘度的流体层，实现了可控的磨料作用和局部材料去除。从这个意义上说，NNSP可以被视为从STP机制衍生出的非牛顿流体抛光的亚孔实现方式。实验表明，该工艺可以在镀镍模具上实现无划痕的超光滑表面，表面粗糙度Ra低至3.9纳米（图24(a,b)）。基于这一思路，朱等人[154]进一步将非牛顿流体抛光扩展到自由曲面加工，提出了非牛顿 compliant 抛光（NNCP）的三维模型。该模型结合了宏观流变耦合和微观磨料去除机制，利用CFD模拟和实验验证方法揭示了浆液流变、工具变形和材料去除之间的复杂关系（图24(c)）。该模型成功预测了不同工艺参数下的抛光力、去除轨迹和去除速率，并阐明了聚合物添加剂在稳定浆液和包裹磨料方面的关键作用，从而促进均匀去除并实现非牛顿流体柔性抛光中的超光滑表面。实验结果表明，在相同参数下，NNCP工艺将镀镍模具的表面粗糙度Ra从BP后的70.07纳米降低到3.97纳米，同时消除了BP造成的表面划痕（图24(d)）。为了验证该工艺的高精度加工能力，研究人员对平镀镍模具的双正弦波表面进行了亚孔抛光实验。结果显示，加工后的自由曲面形态与目标形态高度匹配，PV误差仅为95纳米，证实了NNCP工艺在高精度自由曲面加工方面的潜力。

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图24. (a) 新型非牛顿亚孔抛光（NNSP）方法：XY平面上的浆液流动模式、材料去除机制以及相互作用区域内的去除轮廓形成示意图[153]。
(b) 接触式抛光和所提出的NNSP技术的影响区域比较，以及两种工艺的粗糙度结果[153]。
(c) 非牛顿全孔抛光策略： compliant 抛光过程（NNCP）的描述、磨料颗粒与工件之间的微观相互作用，以及表面摩擦与材料去除区域及其对应机制的划分[154]。
(d) 从接触模式到非接触模式转变时的表面粗糙度变化[154]。

由于STP具有纳米级抛光精度和相对较高的效率，能够满足光学模具严格的表面粗糙度要求。与传统抛光方法相比，STP可以在更短的时间内实现理想的表面质量，而“柔性固定磨料工具”具有出色的适应性，适用于加工各种复杂的曲面光学模具，如平面、球面和非球面表面。此外，STP浆液通常使用环保材料。尽管具有这些显著优势，作为一种新兴技术，STP的抛光机制仍需要进一步研究和改进。此外，与其他基于接触的抛光技术一样，STP在控制边缘效应方面面临技术挑战。从工程成熟度角度来看，STP及其化学增强变体仍处于实验室到试点阶段（大约TRL 4-6）。其更广泛的工业应用受到浆液流变控制、磨料簇稳定性以及长时间运行过程中保持一致抛光行为的困难的限制，这些因素直接影响了工艺标准化和批量稳定性。

除了具体的去除机制不同之外，基于接触的抛光方法在应用于复杂微结构光学模具时也面临许多共同挑战。特别是对于具有微透镜阵列（MLAs）、高纵横比微槽、尖锐边缘和不连续自由曲面特征的光学模具，大多数基于接触的抛光方法在不同程度上受到边缘效应、局部材料堆积和去除不均匀性的影响。在BP中，有限的 compliant 斑点可能会跨越槽开口或不连续区域，导致边缘过度去除、残留凹槽和局部去除功能的失真。在VAP和UVAP中，虽然振动可以改善磨料流动性并减少局部粘连，但在尖锐边缘或受限槽附近的抛光作用仍容易出现力分布不均和局部过度抛光。在MRF和ERP中，柔性抛光区可以在曲面上实现确定性去除，但在不连续特征附近，由于间隙、场强度和磨料分布的局部变化，场控制抛光介质可能变得不稳定，从而导致不均匀的边缘去除或残留堆积。在FJP中，流体工具能够很好地进入狭窄的槽和复杂表面，但喷嘴角度、喷嘴距离和局部流动再循环对边缘附近的喷射轮廓非常敏感，可能导致材料堆积或高纵横比结构中的不均匀侵蚀。在CMP、FP和STP中，浆液或磨料簇的传输、更新和局部限制在不连续微结构中变得更加困难，这可能导致局部停滞、反应产物去除不完全或边缘圆化。

因此，基于接触的抛光工艺在复杂微结构模具中的关键挑战不仅在于降低表面粗糙度，还在于在避免边缘损伤和去除材料或浆液残留物堆积的同时保持稳定的局部材料去除。一个重要的策略是减小有效抛光尺度，例如使用微型化或特殊形状的工具，使抛光作用更好地适应狭窄的槽、尖锐边缘和不连续区域，从而减少桥接效应和过度边缘圆化。另一种广泛采用的解决方案是自适应路径规划结合局部停留时间或TIF校正，根据局部几何形状调整抛光轨迹和停留时间，从而改善边缘、角落和高纵横比特征附近的去除均匀性。此外，根据结构控制工艺参数（如压力、振动幅度、喷射角度和浆液供应）对于抑制局部过度去除或受限区域的停滞至关重要。对于更复杂的结构，分层混合策略通常更为有效，将整体平滑、边缘校正和最终抛光分开进行，以便每个阶段都能针对特定目标进行优化。

3. 非接触抛光工艺

非接触抛光工艺之所以单独分类，是因为它们在没有与工件表面直接机械接触的情况下通过物理或化学作用（如能量束、化学反应或电化学溶解）实现材料去除。它们的主要特点包括低机械损伤、减少工具磨损以及适用于精细或复杂结构。然而，在效率、稳定性和成本方面仍存在挑战。基于这些特点，本章讨论了适用于光学模具的代表性非接触抛光技术。

3.1. 激光抛光

激光抛光（LP）是一种非接触材料去除技术，利用激光束与材料表面的相互作用在工件表面实现微观加工，降低表面粗糙度并改善表面质量。它在模具制造、生物医学工程和航空航天等领域显示出显著的应用潜力[155]。激光抛光的主要原理基于激光与材料之间的相互作用[156]。当激光束照射工件表面时，材料吸收激光能量并根据激光参数和材料特性表现出不同的物理去除行为。如图25(a)所示，激光抛光可以分为三种具体类型：大面积烧蚀、局部烧蚀和熔化。前两种工艺主要是以烧蚀为主的过程，通过激光诱导的键断裂、分解和汽化来去除表面突起，因此通常被归类为冷抛光。相比之下，重熔抛光是一种以热效应为主的过程，其中表面层被熔化，在表面张力的作用下重新分布，然后重新固化以获得更光滑的表面。近年来，随着激光技术的不断进步以及对高精度、高质量零件的需求增长，激光抛光技术得到了快速的发展并逐渐成熟。下载：下载高分辨率图片（422KB）下载：下载全尺寸图片图25. (a) 不同类型的激光抛光[156]。 (b) 重熔激光抛光过程中的熔融流动和重新固化行为示意图[157]。Lu等人[157]开发了一个三维有限元模型，用于脉冲激光抛光模具钢，以详细分析重熔热抛光过程。如图25(b)所示，激光照射在金属表面产生局部熔池，熔融物质在表面张力、温度梯度驱动的流动和重力的共同作用下流动，最终重新固化形成一层熔融层。除了熔融流动外，该模型还考虑了汽化去除、汽化膨胀压力和等离子体冲击压力，从而更全面地描述了脉冲激光抛光过程中的材料相互作用。结果表明，短脉冲激光更适合模具钢的精密抛光，因为它们可以更好地控制材料去除量并减少热效应。在较低温度下，熔融物质在毛细力和马朗戈尼效应[158]的驱动下流动，填充表面凹陷并实现熔融流动抛光。随着温度的升高，超过汽化阈值的材料被去除，进一步改善了表面光滑度，形成了结合熔融流动和汽化去除的抛光机制。最后，通过模拟不同单脉冲能量和脉冲宽度条件下的表面形貌和粗糙度，预测了表面质量的最佳参数范围：当脉冲宽度固定时，单脉冲能量为300 μJ时，表面均方根粗糙度最低，达到0.815 μm；当单脉冲能量固定时，脉冲宽度为400 ns时，表面均方根粗糙度最低，为0.583 μm。该模型的预测结果为优化模具钢的激光抛光过程提供了理论指导，并具有重要的实际价值。激光抛光（LP）作为一种非接触式加工技术，在光学模具抛光领域具有显著的优势。其精确的激光光束结合三维运动控制系统，能够灵活加工复杂的形状，包括平面、球面、非球面和自由形表面，同时实现仅针对目标区域的选择性抛光，保持其他区域的原始状态。由于非接触式加工方式，LP避免了机械应力引起的表面变形和次表面损伤。然而，LP的材料去除率相对较低，加工时间较长，激光转换的热能可能导致表面局部温度升高，从而影响模具的尺寸精度和表面形貌。此外，对于激光吸收率低的材料，LP的抛光效果有限，这对其材料适用性提出了挑战。目前，LP可以被认为是光学模具加工的中等成熟度技术（大约TRL 7–8级）。其实际工程应用仍强烈依赖于狭窄的工艺窗口和对热效应的严格控制，因此在线监测和稳定的参数优化对于可靠的大规模生产非常重要。

离子束抛光（IBP）是一种非接触式超精密加工技术，利用高能离子束通过溅射效应实现原子级别的材料去除，适用于加工高精度平面、深非球面和复杂的光学元件[159]。其原理基于高能离子束与材料表面的碰撞，当材料表面原子受到的能量超过晶格结合能时会被溅射掉（图26(a) [160]）。通过优化离子束能量、入射角、光束斑点形状和扫描路径等参数，IBP可以精确控制材料去除速率和范围，实现超精密的表面加工。自20世纪80年代末引入以来，IBP在理论研究和设备应用方面取得了显著进展。高精度、大直径的IBP设备已广泛应用于天文望远镜和光刻物镜等领域[161]。下载：下载高分辨率图片（513KB）下载：下载全尺寸图片图26. (a) 离子束抛光原理[160]。 (b) SiC镜面的温度测量实验[162]。 (c) 显示碳化硅表面轮廓的AFM图像[163]。为了解决热敏空间光学元件在IBP过程中变形的问题，Yin等人[162]提出了一种基于多步抛光策略的热效应抑制方法。首先建立了包括丝状热辐射和离子束能量沉积在内的热源模型，并结合实际加工轨迹和停留时间数据，建立了使用移动热源的综合性有限元仿真方法，以预测抛光过程中的温度场演变（图26(b)）。作者将这种方法应用于675 mm × 374 mm的SiC空间镜面的离子束抛光实验。通过引入时间控制因素，将原来的单步抛光过程分为四个步骤。最终，这种方法将单步抛光过程中的结合层峰值温度从52 °C降低到37 °C，镜面表面的RMS值从0.094λ（λ = 632.8 nm）降低到0.015λ，证实该方法有效抑制了热敏空间光学元件的热效应。Ieshkin等人[163]提出了一种使用离子束团簇抛光超硬材料表面的方法，利用可控剂量的低能氩离子束团簇轰击SiC样品表面。结果表明，在10 keV的加速电压下，当离子剂量增加到5×10^16离子/cm2时，SiC表面的RMS值从2.41 nm降低到1.09 nm（图26(c)），表明离子束团簇可以通过低能量、多离子同时轰击实现逐层材料去除，有效去除突起并实现超光滑表面。更重要的是，拉曼光谱分析确认这种方法不会引入晶体缺陷，保证了材料的优异性能。最近，Pradhan等人[164]在单点金刚石车削（SPDT）后对NiP涂层平面和球面镜面进行了IBP处理。结果表明，IBP可以有效纠正低空间频率形状误差，平面镜面的RMS高度误差从16.3 nm降低到3.4 nm，球面镜面的RMS高度误差从13.8 nm降低到4.4 nm，尽管这种校正受到残余车削痕迹的限制。通过进一步结合CMP与IBF，NiP镜面的表面不规则性降低到1.9 nm RMS，如图27所示。这项工作表明，IBP是一种有效的、确定性的非接触式方法，可用于提高NiP光学表面的形状精度。下载：下载高分辨率图片（809KB）下载：下载全尺寸图片图27. (a) IBF系统的外视图。 (b) IBF系统的内部视图。 (c) 示意图3D模型，显示运动阶段、样品架和法拉第杯探测器。 (d) 用于样品对齐的高分辨率相机。 (e) 主次光圈板支架。 (f) SPDT后镜面的表面高度误差图。 (g) IBP后NiP镜面的表面高度误差结果[164]。IBP凭借其非接触式加工特性，避免了机械压力引起的表面损伤、变形和划痕。它可以精确控制离子束能量、角度和扫描路径，实现模具表面形状的精确加工，适用于金属、玻璃和陶瓷等各种材料。然而，IBP的材料去除率较低，加工时间较长，特别是在大面积光学模具加工中效率有限。此外，IBP设备复杂且成本较高，目前主要用于光学元件加工，在光学模具制造中的应用仍相对有限，缺乏广泛的实际经验和成熟的工艺参数支持。但从工程成熟度的角度来看，IBP已经显示出中等到高的成熟度（大约TRL 7–8级），因为它具有优异的确定性和在高端光学制造中的应用。其主要实际限制在于低吞吐量、高资本投入以及需要真空操作，而不是传统的工具磨损。

电化学抛光（ECP），也称为电抛光，是一种基于电化学原理的非接触式金属表面处理方法。通过选择性溶解金属表面的微观突起，实现光滑、明亮且无应力的表面[165]。该技术适用于各种金属和合金，如工具钢、不锈钢和铝合金。自从Jacquet提出粘性膜理论[166]以来，ECP在理论和应用方面都取得了显著进展。ECP过程在电解浴中进行，工件作为阳极，惰性金属作为阴极，由直流电驱动。在电流的作用下，工件表面经历钝化膜形成和溶解的竞争过程。由于表面微观形貌的差异，突出区域的钝化膜较薄，电流密度较高，因此溶解较快；而凹陷区域的钝化膜较厚，电流密度较低，溶解较慢，最终实现光滑明亮的表面（图28(a)）。尽管也提出了其他理论（如钝化理论和扩散理论[167]）来解释ECP机制，但粘性膜理论仍是被广泛接受的解释。下载：下载高分辨率图片（707KB）下载：下载全尺寸图片图28. (a) EP过程和粘性膜理论示意图[168]。 (b) 车削工具的电极几何形状[169]。Hocheng等人[168]通过改进车刀的设计作为电极，提出了一种创新的电抛光方法，实现车削后的直接抛光（图28(b)）。通过优化车刀角度、刀尖半径和截面面积以改善电解质流动和切屑去除效率，实验表明改进后的车刀可将四种模具钢材料的表面粗糙度平均降低86%，Ra值均低于0.8 μm，提供了一种高效、低成本、高质量的surface加工新方法。后来，Hocheng等人[169]探索了电化学抛光技术在模具孔表面加工中的应用，并设计和比较了八种插入电极和八种移动电极的抛光效果。研究表明，带有螺旋槽和水孔的插入电极（Hi）以及球头钻类型的移动电极（Hf）由于电解质流动和杂质去除的优化效果更好，分别将表面粗糙度Ra降低了70%和60%。其中，Hi电极在连续直流和脉冲直流条件下都能将模具钢的表面粗糙度从10 μm降低到约3 μm和2.6 μm，显示出优异的加工性能。Hu等人[170]通过开发一种无毒、经济且稳定的电解质（NaOH、Na2SiO3和DTPA）解决了WC电化学抛光的挑战。他们结合特殊的矩形波直流电源和惰性阳极，优化了电流密度、频率和导电时间，实现了金属和非金属组分的均匀溶解。实验表明，该方法有效去除了加工痕迹，获得了几乎不损失尺寸精度的光滑均匀表面，材料去除率仅为0.3%-0.6%。Lin等人[171]进一步研究了WC的研磨和电化学抛光特性，并报告称施加6-8 V电压可以获得最佳抛光效果，在400秒内将表面粗糙度优化到Ra < 0.8 μm。Schubert等人[172]使用线性扫描伏安法和原位显微镜研究了WC的电化学溶解机制。他们发现，在电流密度低于30 A cm-2的情况下，WC主要经历主动溶解；当电流密度高于30 A cm-2时，表面会形成一层10纳米厚的氧化膜，系统则转变为被动溶解状态，此时的溶解速率由氧化膜控制。这项研究阐明了WC在电化学抛光（ECP）过程中的溶解转变机制，为后续的参数优化和改进加工性能提供了理论支持。电化学抛光可以通过去除杂质和氧化层来显著提高表面质量，并形成一层致密的钝化膜，从而增强模具的耐腐蚀性。该方法不受工件形状的限制，适用于平面、曲面及复杂微结构的抛光。该工艺相对简单、易于控制且适合自动化操作。然而，电化学抛光难以实现纳米级的表面光洁度，且仅适用于导电材料，因此对非金属材料无效。此外，电介质具有腐蚀性，需要谨慎处理和处置。对于形状复杂的工件，电流密度分布不均可能导致材料去除速率不一致，因此需要优化工艺参数以提高加工均匀性。从工程角度来看，电化学抛光在导电材料方面的应用已经比较成熟（大约处于技术验证阶段6-7级），但在光学模具精加工领域的广泛应用仍受到电介质管理、钝化控制以及难以确保复杂几何形状上稳定均匀去除的限制。

4. 复合抛光工艺
已经有多种单一抛光技术被用于光学模具表面的处理，但处理效率和表面质量仍然不够高。近年来，复合抛光技术已成为超精密加工领域的主要研究方向。它巧妙地结合了两种或多种传统抛光方法的优点[173]，互补各自的缺点，从而提高加工效率和表面精度。本节介绍了几种用于光学模具的复合抛光技术。

4.1. 磁流变柔性罩抛光
Ji等人[174]提出了一种适用于自由形状表面模具的磁流变柔性罩抛光技术，该技术将磁流变材料（MRF）与安装在六自由度机器人臂上的柔性橡胶罩相结合（图29）。这种方法结合了罩抛光的可适应性和MRF的场响应流变特性，形成了具有几何适应性和可调机械性能的抛光界面。具体来说，柔性橡胶罩提供了柔性的接触和缓冲能力，使工具能够更好地适应模具表面的局部曲率变化，并在接触区域内保持相对均匀的磨料作用。这种柔性接触有助于提高工艺稳定性，减少局部过载，并提升复杂自由形状几何体表面的质量。

更重要的是，改进的抛光性能源于罩的柔性与磁场引起的MRF流变调节之间的耦合作用。在施加磁场的作用下，MRF中的磁颗粒会沿磁场方向排列，形成链状结构，从而增加流体的表观粘度和剪切阻力，为橡胶罩提供额外的内部支撑。通过调节线圈电流，可以实时调整罩的柔性和接触应力，使抛光工具在保持 sufficient 适应性的同时实现更稳定的载荷传递和材料去除。当线圈电流从2 A增加到5 A时，模具钢的表面粗糙度Ra分别从最初的0.308 μm降低到0.066 μm、0.035 μm和0.024 μm，这表明磁场辅助调节MRF在提高抛光效率和最终表面光洁度方面起着关键作用。因此，该技术的优势不仅在于结合了两种抛光概念，还在于实现了自由形状表面抛光过程中接触适应性和去除效果的对协调调节。

4.2. 流体喷射-浮雕抛光
为了实现非球面X射线光学元件的超光滑处理，Beaucamp等人[175]提出了一种结合浮雕抛光和流体喷射抛光的混合抛光策略（图30）。这种方法的思路在于结合了两种工艺的独特优势：浮雕抛光能够产生接近0.1 nm rms的极低表面粗糙度，但仅限于平面表面；而流体喷射抛光虽然可以对自由形状几何体进行亚孔径、CNC控制的修正，但通常无法达到同样的表面光洁度。为了解决这一差距，作者使用CFD分析了两种工艺中的流体流动、湍流行为和磨料颗粒运动，旨在将浮雕抛光的良好材料去除特性转移到适用于复杂光学形状的喷射抛光工艺中。

4.3. 超声波-流体喷射抛光
Beaucamp等人[176]开发了一种超声空化辅助的流体喷射抛光（FJP）系统，以克服传统FJP固有的低去除率问题（图31(a)）。该设计中，超声波换能器和声透镜集成在喷嘴腔体上方，使声波直接聚焦在喷嘴出口上游，从而在浆料流中生成空化微泡。与之前的空气辅助FJP方法相比，这种策略更具可控性，因为可以通过超声波频率和功率调节微泡的大小和生成，从而避免严重的喷射不稳定性和表面损伤。数值模拟进一步优化了腔体深度和超声条件，以确保驻波的形成、足够的声压以及微泡在撞击工件前的足够存活时间。

4.4. 磁振辅助抛光
为了解决矩形微结构超精密加工的难点，Guo等人[177],[178]提出了一种局部振动辅助的磁性磨料抛光（VAMAP）方法。该方法利用磁场将磁性磨料定位在微结构区域，同时微振动产生所需的相对运动以实现材料去除（图32(a)）。与传统磁性磨料抛光相比，该策略的关键优势在于可以提高磨料对微结构顶部、侧壁和角落的接触效果，同时保持原有的特征轮廓。作者进一步优化了极磁体和铁磁材料的磁极配置，并评估了不同间隙条件下的抛光力，为工艺控制提供了实用依据。

抛光实验在RSA-905快速固化铝合金和Stavax模具钢制作的矩形微结构上进行。结果表明，毛刺和工具痕迹被有效去除，同时特征几何形状基本保持不变（图32(b)）。对于RSA-905，顶部和侧面的表面粗糙度Ra分别从约500 nm降低到低于100 nm，以及从约1000 nm降低到低于200 nm；对于Stavax，相应的Ra值从370 nm降低到280 nm（顶部表面）和从500 nm降低到310 nm（侧面表面）。此外，磨料使用寿命测试表明，1-2分钟的更换间隔可以获得最佳的抛光效率。

4.5. 电化学-浮雕抛光
Hsue等人[179]提出了一种混合微腔制造方法，该方法将去离子水电化学加工（ECM）与氧化铝粉末FP结合在改装后的微EDM平台上（图33(a)）。使用碳化钨工具电极和M-333模具钢作为工件，他们研究了峰值电流、脉冲持续时间和进给速率对DI水ECM加工质量的影响。结果表明，峰值电流为50 mA、脉冲持续时间为0.2 ms以及进给速率为30 μm/min时，加工效果最佳。在这种条件下，工艺能够形成良好的腔体质量，随后将1.0 μm的氧化铝颗粒引入循环的DI水中，进一步实现了电化学加工过程中的表面精加工。

4.6. 化学增强剪切变稠抛光
Zhang等人[180]提出了一种新抛光方法，用于实现光学模具的亚纳米级表面粗糙度，该方法结合了阻尼布（DC）工具和化学增强的非牛顿超细（CNNU）抛光液。这种技术的协同效应在于DC工具的工艺稳定作用与CNNU浆料的材料去除作用之间的结合（图34(a)）。具体来说，DC工具的半刚性阻尼层有助于维持稳定的楔形流场，并促进浆料在剪切变稠状态下运行，从而在非接触间隙中实现稳定的流体动力压力和有效的磨料作用。结果表明，超声激活在所有测试情况下都提高了去除速率，使用0.6 μm磨料时无电镍的去除率最大提高了382%，同时表面粗糙度保持或略有改善（图31(b)）。结果还表明去除率与颗粒大小和频率有关，表明去除效果的增强取决于气泡规模与磨料尺寸的匹配关系。

4.7. 磁振辅助抛光
为了应对矩形微结构超精密加工的挑战，Guo等人[177],[178]提出了一种局部振动辅助的磁性磨料抛光（VAMAP）方法。该方法利用磁场将磁性磨料定位在微结构区域，同时微振动产生材料去除所需的相对运动（图32(a)）。与传统磁性磨料抛光相比，该方法的优势在于能够更好地接触微结构的顶部、侧壁和角落，同时保持原有的特征轮廓。作者进一步优化了极磁体和铁磁材料的极配置，并评估了不同间隙条件下的抛光力，为工艺控制提供了实用依据。

总之，这些复合抛光技术在提高光学模具表面质量方面取得了显著进展，但其在更广泛领域中的应用仍受限于电介质管理、钝化控制以及复杂几何形状上的稳定均匀去除难度。实验结果表明，该方法成功地将非晶镍磷合金球体的表面粗糙度降低到了0.52纳米（图34(b)），同时保持了形状精度在600纳米以内。这项研究为高精度光学部件的制造提供了一种高效、低成本的解决方案。最近，Ke等人[181]提出了一种基于碱剂的化学增强STP方法，用于WC-Co硬质合金的处理。该方法使用碱性铁氰化钾溶液选择性地将WC氧化成柔软的WO3-x层，并在Co相上形成保护性的Co3O4层，从而抑制钴的损失。这些软化的层随后通过剪切增稠效应产生的磨料簇被去除，实现了连续的化学-机械抛光。在优化条件下，该工艺实现了3.44纳米的表面粗糙度和149.72纳米/分钟的材料去除率（MRR），几乎是传统STP的两倍。这项工作为硬质合金提供了一种有效的低损伤抛光策略，并为复杂模具表面的精密加工提供了有用的指导。

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图34. (a) 利用直流工具进行非接触抛光过程中CNNU浆料机制的概念性示意图。(b) 非球面光学表面加工不同阶段下的表面纹理、缺陷分布和形状偏差的变化[180]。

4.7. 磁场增强剪切增稠抛光
Zhou等人[182]引入了一种称为弱磁化增强应力流变抛光（WMESRP）的新复合技术（图35(a)），专门用于加工小直径的非球面碳化硅模具。该方法的关键优势在于弱磁场和磁剪切增稠流体（MSTF）的协同调节。具体来说，弱磁场促进了颗粒链的形成，同时避免了强场聚集导致的过度磁性吸引，而剪切增稠效应使抛光液在高剪切下转变为柔性的承重抛光膜。通过这种方式，磁调节和剪切引起的增稠共同作用，稳定了磨料簇并增强了复杂非球面表面的可控材料去除效果。为了精确预测抛光过程中的表面演变，作者建立了一个多尺度三维模型来模拟材料去除剖面。该模型综合考虑了非牛顿流体动力学、磨料运动学、弹塑性微接触力学以及等效球形处理等因素，能够精确模拟复杂的非球面加工过程。此外，作者在MSTF中添加了聚乙二醇，通过其交联和封装作用防止了颗粒过度聚集，保持了磨料的均匀分散，从而实现了高质量、无损伤的抛光效果。实验结果表明，在不同的主轴速度和最小抛光间隙下，实际抛光剖面与理论模型预测非常吻合，最大偏差率低于5.7%。与不含聚乙二醇的MSTF相比，添加聚乙二醇的抛光液显著减少了表面划痕和损伤，使得表面更加光滑（图35(b)）。

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图35. (a) WMERSP的材料去除机制，包括其工作原理以及磨料与工件表面之间的微观相互作用[182]。(b) 抛光过程后的表面质量评估[182]。(c) 加工过程中表面形态形成的示意图[183]。(d) 在不同最小抛光间隙条件下观察到的表面粗糙度测量和收敛趋势[183]。
基于上述多尺度3D材料去除模型，Zhou等人[183]还考虑了韧性-脆性转变机制、磨料运动特性、有效切割磨料分布以及工件的几何和工艺参数等因素，从而准确描述了SiC模具的材料去除过程（图35(c)）。研究结果表明，该模型能够可靠地预测磁场增强剪切增稠抛光（MESTP）后的表面形态和粗糙度结果，最大相对偏差限制在9.1%以内。根据模型预测，在不同的主轴速度下，碳化硅模具的最终表面粗糙度Sa可以在18.3至36.2纳米之间变化。通过选择不同的最小抛光间隙，最终表面粗糙度Sa可以控制在4.3至18.3纳米范围内（图35(d)）。这一模型的引入为MESTP技术的进一步发展和应用提供了理论基础。

5. 材料去除问题及去除功能建模
现有的综述以不同的方式对抛光过程进行了分类，如接触/非接触/准接触、机械/非机械以及化学改性/非改性等。尽管这些分类方案各不相同，但它们都表明，核心的理论任务是将抛光界面处的局部物理化学相互作用与稳定且可控的去除功能联系起来，最终实现确定的形状修正和表面生成。从这个意义上说，当前的挑战并不是缺乏特定过程的模型，而是缺乏一个能够在同一基础上比较和解释不同建模方法的通用框架。

5.1. 材料去除机制中的常见科学问题
第一个共同的科学问题是难以准确表征抛光过程中的真实界面状态。在许多基于接触和准接触的过程中，名义接触条件与实际接触条件存在显著差异。在BP（机械抛光）中，局部去除受到垫片顺应性、压力分布和相对速度的控制，因此经常使用改进的普雷斯顿模型、赫兹接触分析和有限元方法。在MRF（磁流变抛光）和ERP（电流抛光）中，界面还受到磁场或电场的影响，这些因素动态地改变了流变行为、颗粒链的形成和场分布。在STP（化学机械抛光）及相关非牛顿抛光过程中，磨料簇的承重状态随剪切速率、浆料组成和颗粒大小比的变化而变化，使得定义有效的磨料数量、实际接触面积和切割深度变得困难。
第二个共同的问题是如何将局部材料去除转化为稳定的去除功能或TIF（材料去除函数）。在确定性抛光中，总去除量通常被描述为局部去除函数与驻留时间分布的卷积。这在CCOS（化学复合抛光）中尤为明显，其中BP、MRF、IBF（冲击波抛光）和FJP（流动喷射抛光）都被视为亚孔径过程。然而，去除函数的局部起源差异很大。在BP和MRF中，它通常由半经验性的压力和速度关系以及高斯型、D型或过程特定的点函数来描述。在FJP中，喷射足迹往往不稳定或高度依赖于参数，通常需要进一步修正才能达到确定性结果。在IBP（离子束抛光）中，射流足迹更为稳定，接近高斯分布，使得过程具有较高的确定性。
第三个问题是抛光过程中的强多物理场和多尺度耦合。CMP（化学机械抛光）不仅涉及机械磨损，还涉及化学反应层和流体动力学润滑。FJP依赖喷射流、颗粒轨迹、撞击角度和局部材料响应。LP（激光抛光）涉及能量吸收、热传递、熔融流动、毛细作用、马兰戈尼对流和蒸发，而ECP（电化学抛光）则受电流密度分布、粘性膜行为、钝化作用、溶解动力学和电解质流动的控制。此外，即使在同一过程中，不同阶段也可能支配不同的机制。因此，许多现有模型只描述了一个主导因素或一个尺度，而实际的抛光过程涵盖了从微观相互作用到宏观形状演变的所有方面。
第四个问题是去除行为在曲面、自由形状、边缘和微结构表面上的非线性变化。大多数去除函数是在平面上校准的，或者通过点测试得出的，但在复杂几何形状上，局部压力、入射角、停留时间和流体或场分布可能会显著变化。因此，去除函数和驻留函数可能不再保持恒定，相应的二维卷积变得非线性。实际上，这会导致诸如边缘过度去除或不足去除、不稳定的影响因素函数、对曲率敏感的射流足迹以及工具表面干扰等问题。

5.2. 去除功能的比较建模方法
从建模方法的角度来看，第一类重要的模型是普雷斯顿型或改进的普雷斯顿型模型。它仍然是基于接触的确定性抛光中最广泛使用的框架，因为它直接将局部去除与接触压力和相对速度联系起来。在BP和MRF中，通常通过引入摩擦系数、压力分布模型或磁压力修正来细化这一框架，并结合驻留时间算法进行确定性形状修正。其主要优点是简单易校准，但局限性在于它本质上是半经验性的，无法完全描述不断变化的界面状态、有效的磨料行为或局部化学和微观结构效应。
第二类重要的模型是基于接触力学或颗粒的模型，它们描述了从微观尺度上的相互作用开始的去除过程。在CMP中，这包括化学键合模型、反应层概念以及结合动态蚀刻行为的改进普雷斯顿方程。在STP中，基于赫兹接触、塑性磨损、正常压力、浆料性质和颗粒大小比的模型被用来解释粗糙度演变和去除效率。在非牛顿亚孔径或顺应性抛光中，微观磨料去除进一步与宏观流变学结合，以预测抛光力、去除轨迹和自由形状抛光性能。与经验模型相比，这些方法更具物理解释性，但仍需要在颗粒统计、载荷传递和界面均匀性方面进行简化。
第三类是基于流体动力学和流变学的模型，这对FJP（流动喷射抛光）、FP（激光抛光）、MRF（磁流变抛光）和非牛顿抛光尤为重要。在FJP中，使用CFD（计算流体动力学）、侵蚀理论、Oka磨损模型和多相流分析来预测射流速度分布、磨料轨迹、撞击角度和去除剖面。在MRF中，使用流体动力学模型、宾汉姆类本构方程、CFD和颗粒动力学方法来解释流体行为和相应的去除功能。在FP中，流体动力学压力和液膜行为决定了细小磨料如何去除材料，同时最小化表面损伤。这类模型的主要优点是能够捕捉到对曲率、间隙、流动条件和场诱导流变的敏感性，但其主要局限性在于计算成本高，而且在预测结果能够作为确定性TIF使用之前仍需要实验校准。
第四类是基于能量束或场分布的建模。在LP中，使用有限元热模型和热流体模型来耦合温度上升、相变、熔化、毛细驱动流动、马兰戈尼对流和蒸发。在IBP中，使用溅射理论和束流分布模型直接从离子能量、离子浓度和入射角推导去除函数。由于离子束足迹稳定且接近高斯分布，因此去除函数比大多数基于磨料的方法更容易计算和控制。然而，这些模型仍然面临实际限制，如去除效率低、需要真空环境、在强曲率表面上需要轨迹分段和进给速度优化。
第五类是基于电化学动力学的建模。在ECP中，平滑效应通常通过粘性膜理论、钝化理论、扩散和凸凹区域之间的电流密度差异来解释。与CCOS类型的方法不同，其材料去除通常不是通过传统的磨料生成TIF来表示的，而是通过电化学溶解率的空间分布来表示。这类模型有效解释了凸起为何溶解更快以及导电表面如何被平滑。然而，由于局部电流密度、电解质更新、钝化状态和电极几何形状之间的强烈耦合，这些模型很难像BP、MRF、FJP或IBP那样用于复杂模具表面的确定性纳米级修正。
为了进一步明确上述共同科学问题并比较不同抛光方法中使用的建模策略，表1总结了代表性的去除功能建模方法。不同抛光方法中代表性建模方法的比较，用于去除功能

类别 | 方法 | 主要材料去除机制 | 典型建模方法 | 典型去除功能 | 主要未解决的问题
---|---|---|---|---|---
基于接触 | BP | 在合规接触下的去除 | 修改后的Preston方程；赫兹接触 | 类高斯TIF或点函数用于停留时间校正 | 垫料磨损、边缘效应和界面条件的变化
| MRF | 流 field辅助磨料剪切 | Preston类型模型；流体动力/宾厄姆流体模型 | 过程依赖的影响函数 | 磁场、流动、磨料之间的多物理场耦合；边缘处的不均匀性
| ERP | 电场诱导的磨料聚集和柔性刷子作用 | 电场分布模型；粒子力模型 | 过程依赖的局部去除区域由电极几何形状和场强度控制 | 有效磨料浓度量化困难以及电场与实际接触的耦合

基于非接触 | LP | 熔化、毛细驱动流动、马朗戈尼流动和蒸发去除 | 热流体有限元建模；熔池和蒸发模型 | 能量足迹控制的局部去除区域 | 温度场、相变、熔体流动和残余应力之间的耦合
| IBP | 离子溅射 | 溅射产量理论；高斯光束分布；停留时间反卷积 | 稳定的类高斯去除功能，具有高确定性 | 效率低；入射角度依赖
| ECP | 凸凹区域之间的差分电化学溶解 | 几乎没有统一的预测模型 | 去除功能在各步骤之间变化，难以用单一形式表达 | 缺乏统一的多物理场建模

6. 讨论
总之，本文介绍了几种超精密抛光技术，这些技术可以根据其材料去除机制分为两大类：基于接触的抛光和非基于接触的抛光。由于文献中报告的模具材料、初始表面条件、预加工路径、工艺参数和目标几何形状存在很大差异，在相同条件下直接量化比较不同的抛光方法仍然具有挑战性。因此，基于本综述中讨论的代表性研究，使用一个一致的基准进行了半定量比较，即每种方法在光学模具表面实现或接近Ra ≈ 1 nm的相对能力，特别是对于弯曲或自由形状的几何形状。除了表面光洁度能力外，还考虑了达到这一水平所需的相对时间、自由形状适应性、工艺复杂性、成本、模型成熟度和环境友好性。这里的“成本”标准不仅指设备价格，还包括资本设备投资、消耗品、劳动力和设置、处理时间、计量和返工以及适用情况下的废物处理的半定量总拥有成本。比较结果总结在表2中。

表2. 不同抛光方法的比较
| 类别 | 方法 | 达到Ra ≈ 1 nm的能力 | 达到Ra ≈ 1 nm的相对时间 | 自由形状适应性 | 工艺复杂性 | 成本 | 模型成熟度 | 环境友好性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 基于接触 | BP | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★ |
| VAP | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★ |
| MRF | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★ |
| ERP | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★ |
| FJP | ★★★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ |
| CMP | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ |
| FP | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★ |
| STP | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★ |
| 基于非接触 | LP | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ |
| IBP | ★★★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★★★★★ | ★★★★★★★★★★ | ★★★★★★ |

注：★ 最差；★★★★ 最好；评估是基于文献报告和本研究的结果的。

如表2所示，不同的抛光方法在光学模具表面上表现出不同的优势和局限性。在基于接触的方法中，BP结合了相对较高的表面光洁度能力和对弯曲和自由形状模具的良好适应性，因为其去除功能稳定且可控。然而，其效率中等，且适用于非常小或高度复杂的模具的范围有限。VAP通过振动辅助的磨料作用可以有效提高表面质量和处理效率，但其性能强烈依赖于设备能力和参数匹配。MRF在实现超光滑表面和确定性形状校正方面表现出色，特别是对于弯曲模具，尽管其复杂性和成本相对较高。此外，其环境友好性仅为中等，因为长期工程应用不仅取决于抛光性能，还取决于磁流变流体的稳定性、老化行为和回收效率，包括磁颗粒、磨料和添加剂的回收和再利用。ERP也通过场控制下的柔性抛光提供了高抛光精度和良好的表面质量，但其效率相对有限，且设备要求较高。FJP在效率和自由形状适应性方面具有比较优势，但其抛光性能对喷射条件和过程稳定性更加敏感，使得持续实现接近Ra ≈ 1 nm的超光滑表面更加困难。CMP在获得极低表面粗糙度方面表现出最强的能力，效率相对较高，并具有成熟的理论支持，但其对复杂弯曲模具的适应性有限，环境友好性相对较差。这主要是因为CMP依赖于含有化学试剂和细磨料颗粒的抛光浆液，而废浆液的消耗、收集、处理和处置在实际应用中可能带来相当大的环境负担。FP可以以低成本和良好的环境性能实现超光滑表面，但其抛光效率相对较低，且对复杂几何形状的适用性有限。STP（包括相关的非牛顿流体和化学增强变体）在效率和适应复杂模具表面方面表现出强潜力，但其模型成熟度仍然相对较弱，工艺优化仍具有挑战性。

对于非基于接触的方法，LP由于通过激光诱导的熔化或烧蚀实现材料去除而无工具干扰，因此具有良好的几何适应性和中等效率。然而，其抛光质量强烈依赖于工艺窗口，高设备成本是一个实际约束。IBP是最确定性的方法之一，因其稳定且定义明确的去除功能而表现出接近超光滑表面的强能力。它在模型成熟度和形状校正准确性方面特别有利，但其抛光效率相对较低，且对真空条件和设备投资的要求较高。ECP可以通过选择性电化学溶解有效平滑导电模具表面，并具有相对成熟的理论基础，但其适用性受到材料导电性的限制，其在复杂模具几何形状上的性能仍然有限。此外，其环境友好性相对较低，因为电解质通常具有腐蚀性，实际应用需要仔细控制电解质处理、再生和废液处理。总体而言，MRF、CMP、FP和IBP等方法在实现超光滑光学模具表面方面显示出更强的潜力，而BP、FJP和STP在适应弯曲或自由形状模具方面具有更好的适应性。因此，选择抛光方法时应平衡可达到的表面质量、效率、几何适应性、成本、理论成熟度和环境可持续性。

对于工业读者来说，应根据所需的表面质量、几何形状、批量大小和可接受的过程负担来选择最具成本效益的抛光方案，而不仅仅是根据设备价格。一个实际指标是每件合格零件的成本，可以简化表示为：
(1)
其中Cq是每件合格零件的成本，Ccap是摊销的资本设备成本，Cmaint是维护成本，Cfixture是工具和夹具成本，N是经济批次或服务寿命内的合格零件数量，Rmachine和Rlabor是机器和劳动力费率，tproc是处理时间，Ccons是消耗品成本，Cmet是计量和迭代校正成本，Cenv是废物处理或回收成本，Crework是由返工或产量损失引起的成本。在这个框架下，像MRF和IBP这样高度确定性但昂贵的过程可能对于需要严格形状校正的低批量、高价值模具更具成本效益，而CMP通常在需要更高吞吐量的平面或大曲率表面时更为经济。对于自由形状或结构化模具，BP、FJP和STP可能由于更强的几何适应性而提供更好的成本效益，而ECP更适合作为导电材料的特定抛光或预抛光方法，而不是实现Ra ≈ 1 nm的通用方法。因此，一个实际的选择逻辑是首先确定所需的粗糙度/形状精度和几何形状，然后通过材料兼容性和自由形状适应性筛选候选方法，最后在目标生产量下比较每件合格零件的总成本。

表面质量是开发和应用光学模具抛光技术的主要动机。本文关注表面粗糙度值小于10 nm，并回顾了自2000年以来的发展趋势。通过从文献中提取有意义的结果，不同抛光方法的发展趋势在图36中绘制出来。数据显示，所有抛光方法的表面粗糙度普遍降低，除了抛光技术的发展外，不同技术的集成也至关重要。从这些趋势和未来方向来看，预计在未来几十年内，表面粗糙度将继续改善并接近理论最小水平。然而，0.1 nm以下的水平应被视为朝向原子级抛光的趋势，而不是一个普遍限制，因为它取决于无损伤的原子级去除和表面计量的分辨率。

7. 结论
光学模具的表面质量作为制造精密光学组件的关键工具表面，直接影响最终光学组件的复制精度、表面完整性和性能一致性。近年来，随着光学技术的快速发展，对光学模具表面质量的要求不断提高，高效率、高精度、低损伤的超精密抛光技术已成为光学制造领域的研究焦点。本文回顾了应用于光学模具抛光的各种技术，涵盖三个主要类别：基于接触的抛光、非基于接触的抛光和复合抛光。它对每种方法的抛光机制、影响因素、材料去除模型及相关文献示例进行了详细介绍。不同的抛光技术具有各自的特性，效率、质量、环境友好性和加工成本各不相同，使其适用于不同的应用场景。总体而言，光学模具的超精密抛光技术近年来取得了显著进展，显著提高了光学模具的表面质量、形状精度和制造能力。然而，几个关键挑战仍然限制了其进一步发展和更广泛的应用[184]。特别是，材料去除函数模型的理论研究和优化仍然不足。对于涉及浆液和自由磨料的抛光过程，磨料颗粒与工件表面之间的接触状态以及微观尺度材料去除过程中的颗粒运动行为仍缺乏有效的理论指导。此外，还需要改进抛光后表面完整性的预测，尤其是对于微结构表面，并将现有技术的适用性扩展到更广泛的材料和更复杂的模具几何形状。

鉴于这些挑战，未来关于光学模具超精密抛光技术的研究将主要集中在以下方面：
(1) 绿色和环境友好的抛光技术：一些现有的抛光方法面临着与化学消耗、流体老化和废物处理相关的环境挑战。例如，CMP需要处理或回收含有磨料和化学试剂的废抛光浆液，MRF涉及磁流变流体的长期稳定性和再利用，ECP依赖于腐蚀性电解质的安全处理和再生。因此，未来的研究应集中在开发环保抛光浆液和电解质、提高流体回收和再生效率、减少废物排放以及降低抛光过程中的能源消耗上。
(2) 加强抛光机制和材料去除过程的研究：建立更精确的理论模型对于优化工艺参数、提高处理效率和增强精度至关重要。特别是在纳米级加工领域，必须考虑尺寸效应和量子效应，以及多个因素的耦合。新理论系统的开发将为抛光纳米精密光学模具提供宝贵的指导。
(3) 探索新的抛光机床结构：通过引入多自由度运动平台、在线测量系统和其他技术，可以提高抛光过程的自动化和智能化水平。优化抛光路径规划算法，例如根据模具的表面形态和材料特性来制定最优抛光路径，将提高抛光效率和表面均匀性。此外，构建将抛光设备与先前加工技术相结合的在线抛光系统，有助于减少错误、提高效率并降低成本。(4) 发展原子级确定性抛光技术：随着光学元件向微型化和集成化发展，对光学模具的精度和表面质量的要求也越来越高。开发能够高效且经济地制造出具有纳米级精度和超光滑表面的光学模具的抛光技术，是未来研究的重点方向。同时，为弥补单一抛光方法的不足，积极探索能够相互补充优势的新复合抛光技术，将进一步提升光学模具的表面质量和加工效率。随着研究的不断进步，光学模具的超精密抛光技术将取得重大突破，为高精度光学元件的制造提供更强大的技术支持。