幾種超精密研磨拋光方法的加工原理、特點、加工對象和應用

2024-06-17 13:49:34深圳市海德精密機械有限公司107

一、超精密研磨拋光概述

　　超精密加工技術標志著一個國機械制造業的水平，在提高光機電產品的性能、質量、壽命和研發高科技產品等方面具有十分重要的作用。當前，超精密加工是指加工誤差小于 0.01?m、表面粗糙度小于 Ra0.025?m 的加工，又稱之為亞微米級加工。現在，超精密加工已進入納米級，稱之為納米加工。

　　在超精密加工中，超精密切削、超精密磨削的實現在很大程度上依賴于加工設備、加工工具以及其它相關技術的支持。并受其加工原理及環境因素的影響和限制，要實現更高精度的加工十分困難。而超精密研磨拋光由于具有獨特的加工原理和對加工設備、環境因素要求不高等特點，故它可以實現納米級甚至原子級的加工，已成為超精密加工技術中的一個重要部分。

　　二、幾種超精密研磨拋光方法

　　2.1、基于機械作用的超精密研磨拋光方法

　　基于機械作用的超精密研磨拋光方法是依靠微細磨粒的機械作用對被加工表面進行微量去除，達到高精度的加工表面。

　　2.1.1、彈性發射加工

　　彈性發射加工是一種可以獲得較高的加工精度和較低的表面粗糙度的超精密研磨方法。其加工原理如圖1所示(圖1略)。

　　加工時使用聚氨脂球作加工頭，在高速旋轉的加工頭與被加工工件表面之間加上含有微細磨粒(0.1～0.01μm)的研磨液，并產生一定的壓力。通過高速旋轉的加工頭所產生的高速氣流及離心力，使磨粒沖擊或擦過工件表面，產生彈性破壞物質的原子結合，從而去除工件表面的材料。它可使材料內部不產生錯位和缺陷，但又可以產生微量的"彈性破壞"(即無干擾的加工)，從而實現原子級加工。并可獲得非常良好的表面。在加工硅片時，可獲得相當于腐蝕加工一樣的無缺陷表面。如果對聚氨脂球和工作臺采用數控裝置，則能對工件進行曲面加工。它既可實現原子級彈性去除，又可獲得比較好幾何形狀精度。圖2為數控彈性發射加工裝置 (圖 2略)。整個裝置是一個三坐標數控系統，聚氨酯球裝在數控主軸上，由變速電動機帶動旋轉，其負載為 2N。在加工硅片表面時，用直徑為 0.1?m 的氧化鋯微粉，以 100m/s速度及水平面成 20°的入射角向工件表面發射，其加工精度可達±0.1?m，表面粗糙度 Ra0.0005?m 以下。

　　2.1.2、浮動研磨拋光

　　浮動研磨拋光的加工原理圖如圖3所示(圖3略)。它利用流體力學原理使拋光器與工件浮離，在拋光器的工件表面做出了若干楔槽，當拋光器高速旋轉時，由于油楔的動壓作用使工件或拋光器浮起，其間的磨粒就對工件表面進行拋光。浮動拋光能夠加工出平面度很高的工件表面，沒有端面塌邊及變形缺陷。浮動拋光可以用于計算機磁頭磁隙面。光學零件及功能陶瓷材料基片的超精密加工，通過選擇合適的拋光液和化學添加劑可防止出現晶界差，即使是多晶體材料也能獲得表面粗糙度為 Ra0.002?m 的表面。使用極軟的石墨和溶于水的 LiF 來拋光很硬的藍寶石{0001}。其表面粗糙度可達到 Ra0.00008?m。采用浮動研磨拋光，不需使用夾具，端面塌邊半徑可小至 0.01?m。經過浮動研磨拋光的表面具有良好的結晶特性，同時加工表面沒有殘余壓力。

　　2.1.3、磁力研磨

　　磁力研磨是利用磁場作用進行研磨加工的新方法，它能迅速地對各種材料、尺寸和結構的零件進行超精密加工，是一種投本少、效率高、用途廣、質量好的研磨加工方法。

　　(1)磁性浮動研磨。它是通過在磁場作用下形成的磁流體(由磁性顆粒、表面活性劑和液相載體如水、油組成)使懸浮其中的非磁性磨料在磁流體的流動和浮動作用下壓向旋轉的工件進行研磨及拋光，從而提高精整加工的質量和效率。它可以獲得Ra?0.01?m 的無變質層加工表面，并能研拋表面形狀復雜的工件。該加工工藝起源于 20 世紀 40 年代的美國，經過不斷地對其工藝及設備的拓展和完善，并應用有限元法模擬磁性拋光過程，分析磁流體及磨粒在磁感應下的運動特性，推動了這項工藝的發展的應用。

　　(2)磁性磨料的磁力研磨。其原理圖如圖4所示(圖4略)。磁力研磨時，工件放入由兩磁極形成的磁場中，在工件和磁極的間隙中放入磁性磨料。在磁場力的作用下，磨料沿磁力線方向整齊排列，形成一只柔軟且具有一定剛性的"磁研磨刷"。當工件在磁場中旋轉并作軸向振動時，工件與磨料發生相對運動，"磨料刷" 就對工件表面進行研磨加工。

　　磁力研磨具有下面特點：(1)通過改變磁場的強度可以容易地操作研磨壓力;(2)由于磁極與工件表面之間有加工間隙(1～4mm)，因此通過"磨料刷"進行柔性研磨，不但可用于圓柱和平面研磨，還可以進行異形表面及自由曲面的研磨;(3)在磁極結構一定的情況下，通過磁感應強度，即可調節磨削力，加工過程很容易實現自動化;(4)磨料沿加工表面不斷滾動和更換位置，使其具有良好的自銑性; (5)磁性材料被約束在磁極之間，不會污染操作環境; (6)加工效率高;(7)既可磨削鐵磁性材料，也可磨削非鐵磁性材料。

　　磁力研磨適用于精密零件的研磨、拋光和去毛劑，如軸承的內外滾道、滑閥、齒輪泵、印刷電路板、模具、表殼、葉片等。它不但可用于以鐵和碳素鋼、合金鋼等磁性材料制造的零件，也適用于黃銅、不銹鋼和鈦合金等非磁性金屬材料，以及陶瓷、硅片等非金屬材料。由于磁力研磨具有適應性強、應用范圍廣等好的點，所以它是一種極有前途的超精密加工方法。今后磁力研磨將會向以下兩個方向發展：(1)研制開發導磁性更好、強硬度更高的新的磁性磨料; (2)利用旋轉磁場對形狀復雜的零件進行研磨加工。

　　2.1.4、電解磁力研磨拋光

　　電解磁力研磨拋光是由電化學加工和磁力研磨兩種工藝復合而成。其加工原理圖如圖5所示(圖5略)。電流電壓的陽極接工件，陰極接工具，陰極接欲去除毛刺的工件部位。電解液由泵驅動后經陰極流過陽極工件的毛刺部位到達回流槽。工件以一定的速度旋轉，同時作軸向振動。在垂直于工件軸線及電力線的平面方向上加直流強磁場，在磁場中填入游離狀的磁性磨料，由磁磨料組成的"磨料刷"迅速沖擊工件表面，去除突起的毛刺和實現光整加工。這種復合研磨加工方法適用于強度高、高硬度和高韌性材料的精密去毛刺和光整加工。其效率為磁場力研磨法的2倍，并可提高2個等級的工件表面粗糙度，加工后不會產生二次毛刺。

　　2.2、基于機械——化學作用的超精密研磨方法

　　機械化學研磨是在微粉粒子的撞擊和研磨液的化學作用下產生研磨作用，去除工件表面的微量材料。該方法經濟性好、生產率高。不僅可達到很高的表面粗糙度等級，而且加工的幾何精度也很高，并在被加工表面幾乎不產生變質層，這對微電子功能材料的加工有很重要的應用價值。其工作原理圖如圖6所示(圖6略)。

　　研磨盤上澆鑄有錫層，圓周方向切槽，用金剛石工具來削研磨盤端面，使其具有較高的平面并呈鏡面。研磨盤與工件軸以 20～200r/min 的轉速作高精度旋轉，工件固定在工件軸上，工件軸與研磨盤主軸的轉動方向相同。在液體動壓效應的作用下，使工件以幾微米的上浮間隙懸浮在研磨盤上，工件在研磨液的化學作用及微粉粒子的撞擊下產生研磨作用。由日本名古屋工業技術研究所生產的 SP46 超精密研磨機就是典型的一臺基于機械化學作用的超精密研磨機。該機使用 0.02?m 的 SiO 2 微粉粒子加工硅片，表面粗糙度可達到 2nm，殘余應力幾乎為零。在該機上研磨直徑為 100mm，厚度為 30mm 的 BK7 光學玻璃，平面度可達到 0.031?m，表面粗糙度 RMS(均方根偏差)可達到 3.8nm。由于本研磨法對材料的去除率較低，所以要求被加工件的毛坯本身有一定的精度與表面質量。在研磨前，被加工件的精度應操作在：平面度(2～3)?m、表面粗糙度 RMS(0.1～0.2)?m 的范圍內。否則有可能會造成無法實現研磨的惡果，釀成工件的損壞。

　　2.3、液面研磨拋光

　　液面研磨拋光又稱水面滑行拋光(Hydroplane Polishing)。液面研磨拋光裝置如圖7所示(圖7略)。該研磨方法的明顯特點是不使用磨料，研拋時工件與拋光盤(水晶平板)之間由流體壓力形成間隙，利用具有腐蝕作用液體的運動進行研拋，因此，它是一種化學腐蝕加工方法。加工中使用的腐蝕液為甲醇、乙二醇與溴的混合液。主要用來加工 CaAs、InP 基片表面。

　　2.4、水合研磨拋光

　　水合研磨拋光是一種積極利用在工件臨界面上生成水合化反應的研磨拋光方法。其主要特點是不使用磨粒和加工液，而加工裝置又與目前使用的拋光機相似，只是在水蒸汽環境中進行加工。為此，要盡量避免使用能與工件產生固相反應的材料拋光盤。圖8為水合拋光裝置(圖8略)。隨著拋光盤的旋轉，工件保持架在它上邊作往復運動。在水合拋光過程中，兩個物體產生相對摩擦，在接觸區產生高溫高壓，工件表面上的原子或分子呈活性化。利用過熱水蒸汽分子和水作用其表面，使之在基面上形成水合化層。借助過熱水蒸汽(不是游離磨粒)從工件表面上將該水合化層分離、去除，去除厚度為零點幾個納米，所以可獲得無劃痕、平滑光澤無畸變的潔凈面。

　　水合研磨拋光非常適合于要求表面平滑性好、平面度要求高、結晶無畸變和潔凈度高的藍寶石和硒化鋅晶體(用于 CO 2 激光器的光學元件)的超精密加工。另外，作為親水材料的玻璃、水晶、MgO、Y 2O 3、MgAl 2O 4 等，也宜用水合拋光。

　　2.5、超聲研磨拋光

　　超聲研磨拋光是一種非接觸超精密研磨方法。其加工原理如圖9所示(圖9略)。超聲振動工具頭的端面與工件表面保持一固定的間隙?，并在其間充以微細磨粒工作液，當超聲振動工具以一定的頻率振動時，帶動微細磨粒沖擊工件表面，從而對工件表面進行研磨。

　　超聲研磨時，大量的磨粒以與超聲振動相同的頻率、脈沖式的沖擊被加工表面，除去或改造工件表面原有的變質層，并在其下面構成新的變質層(即表面加工層)。如果振幅值、研磨壓力、工具轉速等工藝參數選擇合理，則可使新生成的變質層更薄、更均勻，從而獲得幾乎無損傷的表面。

　　超聲研磨應用范圍廣，可加工各種硬脆材料，可以加工平面，也可加工復雜曲面。目前用超聲研磨可在 3mm 厚的玻璃上鉆出直徑為 0.1～1.0mm 的小孔。同時其單位時間內的切除率較高，勻需復雜的技術，所需設備也較簡單，故可獲得較高的技術經濟效果。在許多場合，如在玻璃上鉆小孔或加工超薄工件時，超聲研磨是一種值得選擇的工藝或是只能夠選擇的工藝。

　　2.6、離子束拋光

　　與傳統的機械拋光方法不同，離子束拋光采用被充電的高能原子或離子(離子的質量較原子質量更大，因而可獲得更大的動能)，在真空狀態下由離子機射向工件，當帶有很高能量的離子撞擊工件表面時，在撞擊點上材料以原子量級實現去除。材料的去除量取決于離子束在該點的濺射時間。由于離子束拋光是在原子量級上實現材料的去除，因而材料的去除率較低，為此在采用該方法前，工件要經過傳統方法的預拋光，在基本達到精度要求后再采用離子束拋光對工件表面面形(如球面、非球面、非對稱的自由曲面等)實現很高精度的修正。雖然離子束拋光制造所需要的設備投本較大，運行成本較高，但對于某些具有特殊高精度要求的光學大型鏡面還是必須采用離子束拋光方法。

　　與傳統的光學加工方法相比，離子束拋光方法具有以下幾個好的點： (1)可在原子量級上實現材料確定性的超精密加工; (2)通過一次加工過程即可實現對面形誤差的完全修正; (3)對外界環境的振動、溫度變化以及裝卡穩定性不敏感;(4)由于離子束拋光需在真空中進行，故可將拋光與鍍膜過程在同一真空罐中進行; (5)工件不會出現塌、翹邊的邊緣效應。