硬脆材料的超光滑高平面度拋光工藝 

硬脆材料的超光滑高平面度拋光工藝概況 　　硬脆材料硬脆如白寶石單晶、微晶玻璃等以其優(yōu)良特性得到廣泛的應(yīng)用。微晶玻璃用于如天文望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)透鏡、火箭和衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料等，而且也可作標(biāo)準(zhǔn)米尺;白寶石以其良好的透光性和耐磨性等特點(diǎn)用于激光器的反射鏡和窗口、異質(zhì)外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料或金屬材料的基片等。硬脆材料如何拋光？對(duì)硬脆材料進(jìn)行超精密加工方法的研究，將進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍并提高其使用性能。 　　由于微晶玻璃中無(wú)數(shù)微小品粒的存在、白寶石硬度高，都認(rèn)為很難得到超光滑高平面度的表面。通常的光學(xué)拋光機(jī)都是動(dòng)擺式的，即工件相對(duì)于磨盤(pán)既轉(zhuǎn)動(dòng)，又沿一定的弧線擺動(dòng)：工件在拋光的同時(shí)也不斷地修整拋光模。但是，當(dāng)拋光參數(shù)設(shè)定時(shí)，工件和拋光模的面形始終處于非收斂的變化中，即面形朝凹或凸的方向單調(diào)改變，不斷檢查面形，修改拋光參數(shù)，對(duì)操作員的技術(shù)水平要求很高。我們使用中國(guó)航空精密機(jī)械研究所研制的超精密研磨機(jī)CJY—500進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其上下主軸均為液體靜壓主軸，還能夠?qū)崿F(xiàn)研磨盤(pán)的超精密車(chē)削，平面度小于lμm/φ500，用高精度的研磨盤(pán)來(lái)保證高精度的工件，勿需拋光中工件對(duì)其修整。當(dāng)工件與錫磨盤(pán)定偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)時(shí)工件表面的材料去除相同，而且工件各點(diǎn)在研磨盤(pán)周光滑高平面度的表面奠定了基礎(chǔ)。   硬脆材料的超光滑高平面度拋光工藝數(shù)學(xué)模型 　　拋光實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。拋光是上盤(pán)(工件)、下盤(pán)(錫磨盤(pán))相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。首先建立平面去除和運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型。 　　平面去除的數(shù)學(xué)模型 　　影響研磨和拋光的因素很多，如壓力、時(shí)間、速度、拋光波、溫度等。到目前為止，被人們普遍接受的表面材料去除的數(shù)學(xué)模型是Preston方程： 　　dR/dt=kpv……(2—1) 　　式中k：與被加工材料、工藝參數(shù)等有關(guān)的系數(shù)： 　　p：表面上某一點(diǎn)在t瞬時(shí)與研具間的壓力; 　　v：該點(diǎn)在t瞬時(shí)與工具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。 　　DR/dt：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)材料去除量; 　　為了預(yù)測(cè)研拋試驗(yàn)中材料去除量與運(yùn)動(dòng)形式的關(guān)系，對(duì)(2—1)做如下假設(shè)：(1)材料的去除量?jī)H由工件與研具的相互作用引起。(2)當(dāng)研具與工件表面吻合良好，去除率較小且在整個(gè)加工過(guò)程中不露邊的情況下，壓力p可以認(rèn)為不變的。在了時(shí)間內(nèi)材料去除量用R(z，y)表示，則 　　當(dāng)工件、錫磨盤(pán)分別作定偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時(shí)，工件上任意一點(diǎn)相對(duì)于錫磨盤(pán)的運(yùn)動(dòng)速度v相同，在研磨時(shí)間T內(nèi)的材料去除量相同，所以工件的面形有可能得到很好的改善.設(shè)轉(zhuǎn)速為ω，偏心距為e，時(shí)間T內(nèi)的材料去除量是R=kpωeT。 　　運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型 　　研拋運(yùn)動(dòng)軌跡是影響加工后表面粗糙度的重要因素。當(dāng)工件、錫磨盤(pán)分別作偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時(shí)，工件任一半徑r上點(diǎn)相對(duì)于錫磨盤(pán)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程： 　　(X十rcosφo)2+(Y十rsinφo)2=e2……(2—3) 　　可以看出工件上任意點(diǎn)A在研磨盤(pán)上走過(guò)的軌跡為以(-rcosφo，rsinφo)為圓心、半徑為e的圓。工件上任意點(diǎn)在研磨時(shí)間T內(nèi)相對(duì)研磨盤(pán)的移動(dòng)路程相同，有可能提高工件表面的粗糙度。 　　從上兩個(gè)模型中知，定偏心式同方向、同轉(zhuǎn)速的運(yùn)動(dòng)方式，有利于獲得超光滑高平面度表面。   輔助工藝及工裝 　　夾具 　　夾具是連接上軸與工件的樞紐，其帶動(dòng)平模從而帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)注意：保證運(yùn)動(dòng)盡量穩(wěn)定，否則工件表面可能塌邊，翹邊，以及象散等;盡量避免機(jī)器振動(dòng)傳給工件;夾具驅(qū)動(dòng)平模的部位盡量光滑，減小摩擦：裝卸方便。 　　拋光波 　　拋光波是粒度為納米級(jí)的膠體SiO2溶液，它以溶膠的形式出現(xiàn)，在拋光中不會(huì)分散，始終處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。其融點(diǎn)很高為1710℃，莫式硬度為7，是一種很好的拋光材料。實(shí)驗(yàn)所需的拋光液經(jīng)蒸流水稀釋得到，pH值是用<10%醋酸溶液或<10%NaOH溶液來(lái)調(diào)節(jié)。 　　錫研磨盤(pán) 　　傳統(tǒng)拋光常選用瀝青作為研具材料。瀝青盤(pán)最適宜的配方必須根據(jù)不同的工藝條件通過(guò)試驗(yàn)后確走，保證有適宜的硬度。其平面度是靠?jī)善矫鎸?duì)研來(lái)保證的，工藝性強(qiáng)。我們選用錫作為研具材料。錫既具有良好的嵌砂性能，又具有良好的耐磨性，剛性較前者高，其l0-25℃的再結(jié)晶溫度保證了錫研磨盤(pán)的長(zhǎng)時(shí)期使用。在拋光中錫磨盤(pán)的面形好壞將直接復(fù)映到工件的面形上去。實(shí)驗(yàn)用研磨機(jī)可以進(jìn)行錫盤(pán)的車(chē)削，精度可達(dá)到lμm/500mm，其上開(kāi)有一定寬度的周期性同心圓槽，槽脊上車(chē)有精細(xì)的螺旋槽，如圖1所示。寬槽便于貯存多余的磨料，防止磨料的堆積，避免工件塌邊：多余的磨料隨時(shí)可以參加切削，增加了切削力;還可及時(shí)排除拋光過(guò)程中產(chǎn)生的切屑，避免劃傷工件：有助于散熱。箱細(xì)螺紋，能夠使工件表面更好地與錫磨盤(pán)表面吻合，使拋光波更好地與工件接觸。 　　粘結(jié) 　　傳統(tǒng)的光學(xué)零件加工過(guò)程中使用的粘結(jié)材料基本上是熱熔型粘結(jié)材料。先把工件和平模加熱到適當(dāng)溫度，再把烤熱的膠均勻地涂在二者連接部位，當(dāng)然在隨后的冷卻過(guò)程中施加一定壓力是不可缺少的。因?yàn)檫@樣可以補(bǔ)償由于平模面形精度及工件高度一致性不好所造成的粘結(jié)不均勻，以免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于工件與膠的冷卻速度不一致，粘結(jié)膠凝固時(shí)，工件的熱變形往往不能及時(shí)恢復(fù)，造成如下結(jié)果：雖然研拋結(jié)束時(shí)得至(了得完美的表面，卸下工件后，由于應(yīng)力的釋放，工件表面面形發(fā)生變化，從而前功盡棄。圖2(a)給出了粘結(jié)前后的工件某一直徑上面形變化曲線。由此可見(jiàn)，對(duì)于作為最后一道工序的超精密研拋而言，工件與平模的粘結(jié)方式亦顯得非常重要，上述粘結(jié)方法是極為不合適的。 　　在實(shí)驗(yàn)中嘗試使用冷粘的方法。用壓面膠將工件與平模粘結(jié)在一起，然后施加適當(dāng)壓力，使壓面膠被壓緊，從而使得平模與工件粘結(jié)牢固。圖2(b)給出了拈結(jié)前后的工件某一直徑上面形變化曲線。從實(shí)驗(yàn)中知，壓面膠壓緊后，即發(fā)生了不可恢復(fù)的變形，不會(huì)因?yàn)檠心ズ蛼伖庵惺艿侥Σ亮蚍ㄏ蛄Πl(fā)生影響研拋質(zhì)量的彈性變形。   硬脆材料的超光滑高平面度拋光工藝參數(shù) 　　拋光波濃度及pH值 　　拋光時(shí)常選用一定濃度的拋光液，濃度太高時(shí)，雖然增加去除率，提高效率，但容易造成塌邊。拋光液的酸堿度(pH值)也會(huì)影響表面精度。pH值對(duì)一定精度的微晶玻璃(Zerodur)面形及粗糙度有影響，對(duì)白寶石影響不太明顯：濃度與的綜合作用在拋光中亦不可忽略。拋光中應(yīng)根據(jù)不同材料表面化學(xué)特性來(lái)調(diào)節(jié)拋光波的pH值。 　　轉(zhuǎn)速 　　拋光時(shí)，上下主軸的轉(zhuǎn)速范圍為30—100rpm，對(duì)拋光精度影響不大。應(yīng)根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況來(lái)選擇之。當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)，由于離心力的作用使得拋光液甩向液罩，有必要加一擋板，使拋光液流向工件，使拋光更充分。 　　拋光時(shí)間 　　在拋光液濃度、轉(zhuǎn)速、pH值不變條件下，表面粗糙度值、平面度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)降低，是錫盤(pán)通過(guò)磨料對(duì)工件表面修正的過(guò)程。拋光初始，工件與錫盤(pán)接觸面積小，壓強(qiáng)大，去除率高。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，面形、粗糙度精度終將趨于某一穩(wěn)定值，此時(shí)對(duì)各種因素己變得很敏感。由此可見(jiàn)，適當(dāng)增加拋光時(shí)間是必要的，有必要找到效率與精度的最佳結(jié)合點(diǎn)參數(shù)。 　　另外，潔凈環(huán)境、恒溫是必需的。潔凈環(huán)境，以防止灰塵落入劃傷表面;恒溫保證機(jī)器精度穩(wěn)定。   硬脆材料的超光滑高平面度拋光工藝結(jié)論 　　(1)錫適宜的硬度、強(qiáng)度、良好的嵌砂性能、較低的再結(jié)晶溫度，適宜用作超精密拋光盤(pán)： 　　(2)當(dāng)工件與錫磨盤(pán)同方向、同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有利于獲得超光滑高平面度的表面; 　　(3)高融點(diǎn)、高硬度、良好穩(wěn)定性的膠體SiO2溶液濃度、酸堿度對(duì)硬脆材料表面精度有影響：適當(dāng)增加研拋時(shí)間亦是必要的。 　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們能夠獲得λ/10～λ/15/φ30、λ/8/φ100平面度、白寶石0.23nmrms、微晶玻璃0.37～0.52nmrms的粗糙度。         /13808854502，qq：1009170112

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