硬脆材料的超光滑高平面度拋光工藝

1 前言

硬脆材料如白寶石單晶、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用于激光器的反射鏡和窗口、異質(zhì)外延生長的半導(dǎo)體材料或金屬材料的基片等。對硬脆材料進行超精密加工方法的研究，將進一步擴大其應(yīng)用范圍并提高其使用性能。

由于微晶玻璃中無數(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)拋光機都是動擺式的，即工件相對于磨盤既轉(zhuǎn)動，又沿一定的弧線擺動：工件在拋光的同時也不斷地修整拋光模。但是，當(dāng)拋光參數(shù)設(shè)定時，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)，對操作員的技術(shù)水平要求很高。我們使用中國航空精密機械研究所研制的超精密研磨機CJY—500進行實驗。其上下主軸均為液體靜壓主軸，還能夠?qū)崿F(xiàn)研磨盤的超精密車削，平面度小于lμm/φ500，用高精度的研磨盤來保證高精度的工件，勿需拋光中工件對其修整。當(dāng)工件與錫磨盤定偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速運動時工件表面的材料去除相同，而且工件各點在研磨盤周光滑高平面度的表面奠定了基礎(chǔ)。

2 數(shù)學(xué)模型

拋光實驗裝置如圖1所示。拋光是上盤(工件)、下盤(錫磨盤)相對運動的過程。首先建立平面去除和運動軌跡的數(shù)學(xué)模型。

2.1 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：表面上某一點在t瞬時與研具間的壓力；
v：該點在t瞬時與工具間的相對運動速度。
DR/dt：單位時間內(nèi)材料去除量；

為了預(yù)測研拋試驗中材料去除量與運動形式的關(guān)系，對(2—1)做如下假設(shè)：(1)材料的去除量僅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加工過程中不露邊的情況下，壓力p可以認(rèn)為不變的。在了時間內(nèi)材料去除量用R(z，y)表示，則

當(dāng)工件、錫磨盤分別作定偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時，工件上任意一點相對于錫磨盤的運動速度v相同，在研磨時間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，時間T內(nèi)的材料去除量是R=kpωeT。

2.2 運動軌跡的數(shù)學(xué)模型

研拋運動軌跡是影響加工后表面粗糙度的重要因素。當(dāng)工件、錫磨盤分別作偏心、同方向、同轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)時，工件任一半徑r上點相對于錫磨盤的運動軌跡方程：

(X十rcosφo)2+(Y十rsinφo)2＝e2……(2—3)

可以看出工件上任意點A在研磨盤上走過的軌跡為以(-rcosφo，rsinφo)為圓心、半徑為e的圓。工件上任意點在研磨時間T內(nèi)相對研磨盤的移動路程相同，有可能提高工件表面的粗糙度。

從上兩個模型中知，定偏心式同方向、同轉(zhuǎn)速的運動方式，有利于獲得超光滑高平面度表面。

3 輔助工藝及工裝

3.1 夾具

夾具是連接上軸與工件的樞紐，其帶動平模從而帶動工件旋轉(zhuǎn)。設(shè)計夾具時應(yīng)注意：保證運動盡量穩(wěn)定，否則工件表面可能塌邊，翹邊，以及象散等；盡量避免機器振動傳給工件；夾具驅(qū)動平模的部位盡量光滑，減小摩擦：裝卸方便。

3.2 拋光波

拋光波是粒度為納米級的膠體SiO2溶液，它以溶膠的形式出現(xiàn)，在拋光中不會分散，始終處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。其融點很高為1710℃，莫式硬度為7，是一種很好的拋光材料。實驗所需的拋光液經(jīng)蒸流水稀釋得到，pH值是用＜10％醋酸溶液或＜10％NaOH溶液來調(diào)節(jié)。

3.3 錫研磨盤

傳統(tǒng)拋光常選用瀝青作為研具材料。瀝青盤最適宜的配方必須根據(jù)不同的工藝條件通過試驗后確走，保證有適宜的硬度。其平面度是靠兩平面對研來保證的，工藝性強。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的長時期使用。在拋光中錫磨盤的面形好壞將直接復(fù)映到工件的面形上去。實驗用研磨機可以進行錫盤的車削，精度可達到lμm/500mm，其上開有一定寬度的周期性同心圓槽，槽脊上車有精細的螺旋槽，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：多余的磨料隨時可以參加切削，增加了切削力；還可及時排除拋光過程中產(chǎn)生的切屑，避免劃傷工件：有助于散熱。箱細螺紋，能夠使工件表面更好地與錫磨盤表面吻合，使拋光波更好地與工件接觸。

3.4 粘結(jié)

傳統(tǒng)的光學(xué)零件加工過程中使用的粘結(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)然在隨后的冷卻過程中施加一定壓力是不可缺少的。因為這樣可以補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，以免在運動過程中產(chǎn)生不穩(wěn)定運動。在實際應(yīng)用過程中，由于工件與膠的冷卻速度不一致，粘結(jié)膠凝固時，工件的熱變形往往不能及時恢復(fù)，造成如下結(jié)果：雖然研拋結(jié)束時得至(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，對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。

在實驗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。從實驗中知，壓面膠壓緊后，即發(fā)生了不可恢復(fù)的變形，不會因為研磨和拋光中受到摩擦力或法向力發(fā)生影響研拋質(zhì)量的彈性變形。

4 工藝參數(shù)

4.1 拋光波濃度及pH值

拋光時常選用一定濃度的拋光液，濃度太高時，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)也會影響表面精度。pH值對一定精度的微晶玻璃(Zerodur)面形及粗糙度有影響，對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)特性來調(diào)節(jié)拋光波的pH值。

4.2 轉(zhuǎn)速

拋光時，上下主軸的轉(zhuǎn)速范圍為30—100rpm，對拋光精度影響不大。應(yīng)根據(jù)機床的實際情況來選擇之。當(dāng)轉(zhuǎn)速高時，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。

4.3 拋光時間

在拋光液濃度、轉(zhuǎn)速、pH值不變條件下，表面粗糙度值、平面度隨著時間的延長降低，是錫盤通過磨料對工件表面修正的過程。拋光初始，工件與錫盤接觸面積小，壓強大，去除率高。隨著時間延長，面形、粗糙度精度終將趨于某一穩(wěn)定值，此時對各種因素己變得很敏感。由此可見，適當(dāng)增加拋光時間是必要的，有必要找到效率與精度的最佳結(jié)合點參數(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;恒溫保證機器精度穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1)錫適宜的硬度、強度、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：

(2)當(dāng)工件與錫磨盤同方向、同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，有利于獲得超光滑高平面度的表面；

(3)高融點、高硬度、良好穩(wěn)定性的膠體SiO2溶液濃度、酸堿度對硬脆材料表面精度有影響：適當(dāng)增加研拋時間亦是必要的。

通過實驗，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。平面度如圖3、白寶石、微晶玻璃粗糙度如圖4(a)、(b)所示。