浅谈材料抛光技术

摘要:随着光学和微电子学及其相关技术的发展,对所需材料的表面质量的要求越来越高。超光滑表面的加工方法有抛光和超精密机械加工等。超光滑表面加工的对象主要是晶体、陶瓷等硬脆性材料,主要应用于现代武器惯导仪表的精密陀螺的平面反射镜、激光核聚变反射镜、大规模集成电路的基片、计算机磁盘、磁头和蓝宝石红外探测器窗口的透镜等超光滑表面的加工。相比于超精密机械加工,抛光应用更为广泛。

关键词:材料抛光;表面粗糙度;浴法抛光;电化学-修磨抛光;离子束加工

中图分类号:TG580文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)03-0060-02

抛光方法多种多样,分类方法也不尽相同。按照材料去除的方法可以分为机械方法、化学方法、激光方法和复合方法。下面就按照材料去除机理对抛光技术进行概述。

一、机械方法

机械法通过较硬磨料对较软工件材料的持续冲击、剪切作用达到材料去除的目的,抛光过程没有发生化学变化。机械方法具体形式较为灵活,发展比较早、研究的比较多、涉及及应用的范围比较广。散粒磨料抛光、浴法抛光、低温抛光、韧性磨削技术、超声波抛光、磁性磨料抛光、磁流变液抛光、软弹性发射加工、液体喷射抛光、离子束加工等都属于机械抛光。

1.散粒磨料抛光。散粒磨料抛光即是指传统的磨削加工,通过添加不同的研磨剂、抛光膏等来改善抛光性能,近年来又有人通过改进研磨盘来提高抛光精度。这种抛光技术设备简单,价格低廉,精度不高,适用于粗抛。

2.浴法抛光。浴法抛光是较早出现的一种抛光方法。采用这种方法,研究者在熔石英平面上获得了0.3nm Rms的光学表面。磨盘与工件的交接面浸没于抛光液中。工件除自身旋转外,还在沥青盘上水平摆动。这样就保证了工件上每点与抛光盘上每点随机接触,从而实现工件材料的均匀去除。抛光开始时,通过搅拌方法,让磨料在溶液中均匀分布,这样使得不断有磨料颗粒沉淀在沥青盘上形成微小的刀刃,对工件进行切削。同时,磨料的自锐性使得抛光过程中不断有锋利边缘露出,进行磨削加工,但粒度变小了。经过一段时间的加工,工件与沥青盘已能很好地吻合,磨料粒度已足够小;此时不再进行搅动,使抛光液中磨料沉入桶底,不再有磨料颗粒沉淀在沥青盘上,沥青盘上的磨料逐渐减少。由于抛光中磨料颗粒不断被研碎挤入沥青中,沥青盘表面变得越来越光滑,磨料微粒变得越来越小,使得加工表面粗糙度降低。另外,工作时大量液体的存在保证了磨盘表面局部温度的恒定,使磨盘不易发生热变形,保证了高面形精度表面的可能性。

3.低温抛光低温抛光是在冰结状态下对工件进行抛光加工。低温抛光可以分为有磨料和无磨料两种方式。有磨料低温抛光的抛光过程为:磨料溶液注入模具并在0度以下成为冰冻砂轮。抛光时,磨料与工件接触并发生相对运动而产生切削作用。此时,磨料以滚动方式对材料产生切削作用,以碰撞方式对材料进行去除,磨料粒度越小,切削去除量越小。未溶化的冰固结着磨料,直到熔化脱落,所以冰模层对硬脆材料的切削作用远大于散粒抛光的去除作用。无磨料低温抛光所用冰冻盘为去离子纯水制成,不含任何磨料或其它成分。该抛光技术采用无切削的熨平方式,实现超光滑表面的目的。相比于磨料冰冻抛光,无磨料冰冻抛光的效率低,抛光后的表面质量高。另外,由于抛光过程处于低温环境中,当硬脆性材料有裂纹产生时,可能不像其他加工方式一样会出现裂纹的扩展和延伸。

4.韧性磨削技术韧性磨削技术。又叫延展性(Ductile)磨削。脆性光学材料的磨削曾一直被用作粗加工工序来获取工件的大致形状,好的表面质量还要通过研磨、抛光得到。然而研究表明,即使是脆性材料,当加工是在很小的范围内进行时,使材料发生脆性断裂所需要的能量也有可能大于使材料发生塑性变形所需要的能量。基于这一事实,人们制造了能够保证小范围加工条件(进给量、切削深度均在微米级以下)的超精密加工设备。于是韧性磨削这一新型的脆性材料超精密加工技术便应运而生。

5.超声波抛光频率在20kHz以上的振动称为超声波,利用超声波抛光的原理是:换能器将输入的超声电信号转换成机械振动,经变幅杆放大后传至装在变幅杆端部的工具头上,带动工具头与工件之间的磨料(研磨膏)悬浮液,高速冲击,抛磨被加工工件表面,至使工件表面粗糙度迅速降低,从而实现抛光过程。

6.磁流变液抛光作为智能材料之一的磁流变液,它一般由三部分构成:磁性固体颗粒、载液和稳定剂。性能良好的磁流变液在磁场的作用下能实现粘度的无级控制,能在在毫秒量级的时间内,由自由状态一直变化到固态。整个转化过程极快且可控,能耗极小。随着人们对磁性材料和流变学研究的深入,对磁流变液的研究也不断推进,新型的磁流变液性能逐步提高,磁流变抛光技术(MRF)将电磁学、流体动力学、化学应用于光学加工中,是一种新兴的光学表面精密加工技术。利用磁流变液进行抛光时,把含有一定浓度的磁性固体颗粒的流变液注入工件与运动盘间的区域,在该区域施加一高梯度的可控磁场,磁场的作用使得该区域内的磁流变液粘度在很短的时间内变化,形成具有很高剪切屈服应力的微型凸起对工件进行精密去除。当磁流变液流出磁场区域的时候,粘度又恢复至其流体性能。由于磁流变液微凸起与工件之间形成的是软接触,代替了散粒磨料抛光中的抛光工具,从而实现对工件表面的精密去除。磁流变抛光具有抛光效率高、质量高,易于实现计算机控制,可实现复杂面形抛光、无刀具磨损现象、温度适用范围宽等优点。

7.软弹性发射加工。所谓弹性发射加工(简称EEM)是将聚氨基甲酸乙脂回转球与工件一起置于悬浊液(含微细粉末粒子)中,利用回转球与工件表面之间产生的流体现象,去除工件表面材料的方法。回转球在悬浊液中回转时,在回转球与工件表面间的狭缝中产生悬浊液流,悬浊液流源源不断地将悬浊液中的微细粉末粒子带入回转球与工件之间的狭缝中,此时,粒子与工件在狭小的空间内接触,产生一种原子结合力,利用这种结合力,使工件表现产生原子级的极微量的弹性破坏,从而去除工件表面材料。可见,这种技术适用于表面加工位置空间极小的工件。

8.离子束加工离子束加工方法采用离子溅射对材料进行微量去除,是一种新兴的光学表面制备技术,把惰性气体或其它元素的离子在电场中加速,成为高能离子,高能离子与工件表层原子碰撞,促使其获得足够能量,摆脱工件材料束缚,达到微量去除的加工目的。离子束 加工可以实现以原子为计量单位的纳米级加工,加工的面型精度为170nm、表面粗糙度为0.6nm。离子束加工的特点是加工表面没有机械接触,加工应力和变形极小,表面质量好,加工范围宽,理论上可以加工任何材料。但这种加工也存在很大的不足,主要集中在设备复杂,生产效率低、成本高,加工过程不易控制等方面。在日本,离子束加工已被研究了相当长的时间,正逐步走向实用化。

二、化学方法

化学方法抛光是利用工件表面高度不同造成的化学反应速度之差达到去除材料的目的。典型的化学抛光是等离子体辅助抛光(PACE)。不同于离子束抛光机理,PACE技术实际上是通过化学反应腐蚀去除材料的。该技术同样属于一种非接触式抛光技术,加工应力和变形小,表面质量好。PACE抛光是在真空室中进行的,将某种化学气体注入抛光块中,在射频激励离子激光器作用下,该气体成为等离子体。具有化学活性的等离子体与工件表面物质发生化学反应,实现工件表面的微量去除。反应所产生的易挥发的混合物由排气孔排出。材料去除量完全由抛光块的驻留时间决定。最新建成的一套PACE抛光装置,可实现φ0.5～1m的非球面加工,面形精度

三、激光方法

当激光束聚焦于材料表面时,会在很短的时间内在近表面区域积累大量的热,使材料表面温度迅速升高,当温度达到材料的熔点时,近表面层物质开始熔化,当温度进而达到材料的沸点时,近表面层物质开始蒸发,而基体的温度基本保持在室温。当上述物理变化过程主要为熔化时,材料表面熔化部分各处曲率半径的不同使熔融的材料向曲率低(即曲率半径大)的地方流动,各处的曲率趋于一致。同时,固液界面处以每秒数米的速度凝固,最终获得光滑平整的表面。当上述物理变化过程主要为蒸发时,激光抛光的实质就是去除材料表面一薄层物质。

四、复合方法

复合方法是综合前面提到的两种或者多种材料去除方法来实现工件表面抛光的目的,通常是机械作用与化学作用相结合的抛光方法,主要有电化学修磨抛光、超声辅助电解抛光、化学机械抛光(CMP)。

1.电化学-修磨抛光。电化学-机械修磨抛光的原理与电机磨削类似,它以金属的电化学阳极溶解为主,机械刮削作用为辅,并伴有微量的火花放电作用。导电工具(导电锉或导电油石)接到直流脉冲电源的阴极,被抛光的模具或工件接到电源的阳极,导电锉或者导电油石与工件表面接触,并进行锉磨加工(仅仅轻微接触,左右移动),加工区域供给无害的中性电解液(从中孔喷出自动循环),模具表面就产生电化学阳极溶解。电解产物和模具表面阳极模不断地被导电锉或者导电油石的磨料刮除,使电化学反应顺利,实现持续抛光作用。采用这种方法可修磨抛光各种金属材料电火花加工后的表面,并不受材料硬度和韧性所限制。一般每平方厘米约需3分钟左右就能去除电火花加工后的变质硬化层。表面粗糙度值Ra从4～7μm降低到 0.35～0.8μm。

2.超声辅助电解抛光。在电解抛光过程中,引入适当功率的超声波,可以降低被加工表面的粗糙度值,增大表面氧化膜中的氧化物含量,提高抛光效率。这主要是由于施加的超声波对电化学过程起到了促进和物理强化作用。

参考文献

[1]陈杨,陈建清,陈志刚.超光滑表面抛光技术[J].江苏大学学报,2003,24(5).

[2]周永恒,苏英,黄武.无机材料超光滑表面的制备[J].材料导报,2003,(3).

[3]阎纪旺,于骏一.脆性光学材料超精密加工技术[J].物理,1994.

[4]尤伟伟,彭小强,戴一帆.磁流变抛光液的研究[J].光学精密工程,2004,(3).

[5]刘利.数控弹性发射加工[J].机器制造与自动化,1998,(4).