文東輝，周海鋒，徐 釘，樸鐘宇

(浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州310014)

0 引言

超光滑表面加工技術(shù)伴隨著21世紀(jì)光學(xué)、光電子學(xué)以及納米薄膜技術(shù)的快速發(fā)展地位日益突出。高能激光反射鏡、軟X 射線光學(xué)系統(tǒng)、激光陀螺反射鏡、計算機芯片、新型電光源、航空航天器材、納米薄膜制備所需的襯底等高科技產(chǎn)品都對材料表面質(zhì)量提出了極高的要求［1-2］。特別是納米薄膜制備過程中的沉積襯底，襯底是納米薄膜生長的基石，且直接決定納米薄膜的質(zhì)量特性，高質(zhì)量的納米薄膜不但需要極低的表面粗糙度，并對亞表面的位錯、應(yīng)力等物理缺陷都有苛刻的要求［3-4］。因此，如何高效穩(wěn)定地獲得超光滑、低損傷的超光滑表面加工技術(shù)已成為超精密加工的一個重要分支，并且受到越來越高的重視。

1 超光滑表面加工技術(shù)原理

目前，在拋光過程中，材料的去除模型被人們普遍接受的是Preston 方程。該方程表示如下:

式中:Z—拋光材料去除量，μm;K—Preston 系數(shù)，與工藝參數(shù)、被加工材料等有關(guān)，N/m2;P—工件表面與拋光工具間的壓力，N/m2;V—拋光工具與工件表面間的相對切向速度，m/s;T—拋光時間，s。

從Preston 經(jīng)驗公式可以看出，材料的去除是眾多因素共同作用的結(jié)果。以機械切削為主的傳統(tǒng)拋光中，認(rèn)為拋光是以磨粒極小量塑性切削生成切屑的過程，就像無數(shù)把車刀切削工件的表面［5］。在超光滑表面加工過程中，材料的去除是在原子水平下進行的，從材料上去除表面的原子所需的能量要比破壞表層原子結(jié)合所需的能量少，凸出部分最易受到?jīng)_擊而被去除。因此，工件表面的微觀凸起部分受到磨粒一定次數(shù)的撞擊后，表層原子就會脫落，從而實現(xiàn)材料原子級別的去除［6］。

2 超光滑表面拋光技術(shù)

傳統(tǒng)的接觸式機械拋光過程是在瀝青拋光盤上加上拋光液來加工各種硬脆性材料。其加工過程時間不確定，容易產(chǎn)生劃痕，對亞表面損傷較大，難以滿足現(xiàn)代科技發(fā)展對超光滑表面加工的需要。隨著人們對原子級超光滑表面形成機理的認(rèn)識不斷的深入、高精度機床的出現(xiàn)以及超光滑表面檢測技術(shù)水平的提高，出現(xiàn)了許多應(yīng)用化學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等原理的非接觸式加工方法。非接觸式拋光方法能大幅度提高工件的表面質(zhì)量，因而成為超光滑表面加工技術(shù)研究的熱點方向。下面將介紹幾種非接觸式超光滑表面加工技術(shù)，總結(jié)其加工原理、特點以及國內(nèi)外最新研究進展。

2.1 彈性發(fā)射加工

日本大阪大學(xué)的Mori［7］首先提出彈性發(fā)射加工，該方法是利用電機帶動聚氨酯球高速旋轉(zhuǎn)，在聚氨酯球與工件之間形成的流體動壓流來促使磨粒以近似水平角度沖擊工件表層凸起的原子堆，造成工件表層原子晶格的空位、工件原子和磨粒原子相互擴散，形成與工件表層其他原子結(jié)合力較弱的雜質(zhì)點缺陷，當(dāng)具有沖擊力的磨粒再次撞擊這些缺陷時，雜質(zhì)點原子、與其相鄰的幾個原子以及工件表層凸起原子將一起被移除，其拋光裝置如圖1所示。

圖1 彈性發(fā)射加工裝置示意圖

要獲得理想的加工效果，磨粒的直徑應(yīng)小于液膜的厚度，一般是納米級別的拋光粒子。韓國學(xué)者Jeong［8］對彈性發(fā)射加工拋光區(qū)域的壓力、速度進行分析，并對磨粒運動進行模擬仿真以此來揭示材料的去除機理。Kutbota 等［9-10］對彈性發(fā)射加工中磨粒的形態(tài)對材料去除率的影響進行研究，結(jié)果表明磨粒相對表面積越大，形態(tài)越不規(guī)則，其材料去除率也就越大，通過實驗獲得理想的光學(xué)微晶玻璃超光滑表面。

Joshi 等［11］對高硬度ONHS 鋼進行了實驗研究，并分析了彈性發(fā)射加工過程中液動壓潤滑區(qū)的材料的去除機理。國內(nèi)學(xué)者趙繼等［12］首次建立了納米級磨粒撞擊工件表面微觀粗糙峰的理論模型，驗證了納米磨粒沖擊工件表面可實現(xiàn)對表面粗糙峰的原子級加工去除，并對K9 玻璃展開實驗研究，獲得了較好的加工效果。

2.2 磁流變拋光

磁流變拋光是一種將電磁學(xué)理論、流體動力學(xué)、分析化學(xué)等相結(jié)合的一種先進的加工方法。該方法最早由白俄羅斯的研究人員提出，經(jīng)美國Rochester 大學(xué)加工中心(COM)研究人員對磁流變拋光理論、實驗進行深入研究，使磁流變拋光獲得快速的發(fā)展［13］。

磁流變拋光原理如圖2所示。

圖2 磁流變拋光原理圖

拋光盤與工件之間保持一個微小的間隙不變，電磁鐵芯置于工件的下方，通電時在拋光盤與工件間形成高梯度磁場。磁流變拋光液經(jīng)蠕動泵進入拋光區(qū)域，在磁場的作用下，拋光液產(chǎn)生磁變效應(yīng)，使拋光液變成為一個拋光“小磨頭”并與工件保持較快的相對運動，使工件表面凸峰原子堆受到較大的剪切力，從材料表面脫落，從而實現(xiàn)材料的原子級去除。

COM 通過相關(guān)研究認(rèn)為磁流變拋光過程中拋光液的運動形式與軸承潤滑中潤滑脂的運動相類似，并建立了材料去除模型，研制了垂直布置的磁流變拋光機，還對玻璃光學(xué)元器件進行了相應(yīng)的拋光實驗，使表面粗糙度接近1 nm RMS 左右。

此外，COM 又對磁流變拋光液展開了一系列的研究，并與QED 公司合作開發(fā)了適用于非球面器件加工的Q22 系列磁流變拋光機，如圖3所示。

圖3 Q22-XE 磁流變拋光機

Zhuravskii 等［14］對拋光參數(shù)對表面質(zhì)量、加工效率的影響展開了研究。國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了磁流變拋光樣機，對玻璃材料進行拋光實驗，研究了拋光參數(shù)對拋光去除特性的影響，并把超聲加工技術(shù)引入到磁流變加工中，開展超聲波磁流變復(fù)合拋光技術(shù)的研究［15-16］。此外，長春光學(xué)精密研究所和清華大學(xué)也開發(fā)了相應(yīng)的磁流變拋光設(shè)備，其中，清華大學(xué)對K9 玻璃進行近半個小時的加工表面粗糙度達到0.673 9 nm［17］。

2.3 超聲波拋光

超聲波拋光是利用適當(dāng)功率的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振動能量，驅(qū)動拋光液中的磨粒作高頻振動，磨粒與工件表面的相對運動沖擊工件表面，由此實現(xiàn)材料的原子級去除［18］。超聲加工是磨粒在超聲振動驅(qū)動下的機械碰撞、拋磨作用與超聲空化作用的綜合結(jié)果。近年來，科研人員以超聲波拋光為基礎(chǔ)開發(fā)了超聲磨料流拋光、聲懸浮拋光、機器人超聲研磨拋光以及超聲波復(fù)合拋光等技術(shù)［19-20］。

其中，聲懸浮拋光是超聲拋光的一個重要方向，超聲波在拋光液中傳播時產(chǎn)生的聲壓幅值超過液體本身的空化閾值時，就會產(chǎn)生空化效應(yīng)，伴隨著局部能量的集中出現(xiàn)高溫、高壓、沖擊波和高速射流等現(xiàn)象，利用該現(xiàn)象可以使磨粒高速沖擊工件表面。沖擊過程中，磨粒的速度分解為垂直方向v1和水平方向v2。垂直方向沖擊使金屬材料實現(xiàn)塑性應(yīng)變，而水平方向沖擊可以實現(xiàn)工件表面微觀凸起部分的去除。

聲懸浮拋光原理如圖4所示。

圖4 聲懸浮拋光原理示意圖

王正偉等人［21-22］開發(fā)了聲懸浮拋光試驗平臺，對拋光槽內(nèi)的聲壓進行數(shù)值模擬，采用水聽器法、染色法分析了拋光槽內(nèi)部聲場的分布特性，結(jié)果表明，聲壓幅值的大小在發(fā)射端與反射端之間呈正弦規(guī)律變化。此外，他們還利用PIV 觀測了拋光槽內(nèi)流場分布，測試表明磨粒的運動情況大致與聲壓等勢線的方向一致，并在拋光槽內(nèi)聲壓強度不同的位置對硅片、鎢鋼進行實驗研究，分析了超聲空化對加工效果的影響。

林云［23］主要對聲懸浮拋光作用下工件表面殘余應(yīng)力松弛進行了研究，根據(jù)彈塑性力學(xué)理論建立了磨粒沖擊工件表面的理論模型，通過有限元分析揭示了聲懸浮拋光時對工件表面殘余應(yīng)力松弛效應(yīng)以及沖擊載荷對殘余松弛過程的作用規(guī)律，最后通過對聲懸浮拋光后的工件的表面殘余應(yīng)力進行了測試，證實聲懸浮拋光加工方法具有表面低殘余應(yīng)力的加工特征。

2.4 浮法拋光

浮法拋光的拋光裝置示意圖如圖5所示。

該裝置采用帶有同心圓或螺旋溝槽的高平面度的錫拋光盤，由高回轉(zhuǎn)精度的主軸帶動旋轉(zhuǎn)，在拋光液浸沒環(huán)境下，同時錫盤繞自身軸線定軸旋轉(zhuǎn)，在拋光盤與工件之間形成一層微米級的液膜，磨粒在液膜中不斷碰撞浮離工件的表面，工件表面最外層原子與磨粒表面最外層原子在接觸點的局部高溫高壓作用下發(fā)生相互擴散，從而使工件表面最外層原子的結(jié)合能降低，然后被后續(xù)的磨粒碰撞而被去除。該方法最初由日本學(xué)者Namba［24］提出，并對此展開深入的研究。經(jīng)過多年的實驗研究表明，浮法拋光技術(shù)可用于熔融石英、微晶玻璃等硬脆材料的加工，能獲得粗糙度2.0 ?、平面度高達λ/20 的原子級超光滑表面，并且拋光時間與工件表面的初始狀態(tài)有關(guān)。池憲等［25］利用浮法拋光方法對GCr15 軸承鋼展開工藝實驗研究，獲得了無加工變質(zhì)層的納米級超光滑表面。

圖5 浮法拋光加工裝置示意圖

2.5 動壓浮離拋光

動壓浮離拋光是日本學(xué)者渡邊純二［26］基于動壓推力軸承工作原理提出的一種非接觸式超光滑表面加工技術(shù)。

其動壓浮離拋光裝置示意圖如圖6所示。

圖6 動壓浮離拋光裝置示意圖

圖6 中，在沿圓周方向上分布著若干個傾斜平面的圓盤在液體浸沒環(huán)境下旋轉(zhuǎn)，拋光液流經(jīng)楔形產(chǎn)生液動壓使工件浮離圓盤表面，處在間隙間的拋光粒子對工件表面微觀凸起的區(qū)域不斷碰撞，進行拋光加工，進而實現(xiàn)材料原子水平下的去除，利用該加工方法可使3 英寸的硅片表面粗糙度達到1 nm(Ra)。丁少杰［27］通過理論分析與數(shù)值模擬的方法對楔形、L 形和拋物線形3 種結(jié)構(gòu)化流道產(chǎn)生液動壓的能力進行對比分析，并分析了浮力與拋光盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，還運用高速攝影技術(shù)觀測了拋光狀態(tài)下磨粒的運動及分布情況。

2.6 磨料水射流拋光

磨料水射流拋光最早由荷蘭TNO 應(yīng)用物理研究所的Faehnle 等［28-29］開發(fā)的，經(jīng)過多年的研究，拋光后工件表面粗糙度已達到1 nm(Ra)左右，并且可使拋光去除點的重復(fù)性控制在±5%內(nèi)。他還開發(fā)了磨料水射流數(shù)控拋光機床。在磨料水射流拋光中拋光液經(jīng)機械攪拌后由噴槍的噴嘴形成射流噴出，磨粒與工件表面的高速碰撞而產(chǎn)沖蝕、剪切的作用，達到對材料表面凸峰的去除。通過調(diào)整噴射的壓力、角度、時間等參數(shù)可以實現(xiàn)工件表面面形誤差的修正，拋光液經(jīng)回收裝置可循環(huán)使用。

日本學(xué)者Horiuchi 等［30］對磨料射流拋光技術(shù)展開試驗研究，采用濃度0.8%的氧化鋁拋光液，磨粒直徑約0.6 μm，以91 m/s 的速度對BK7 進行拋光試驗，結(jié)果顯示工件面形PV 由151 nm 降至29 nm，粗糙度也有一定程度的降低，此外還研究了工藝參數(shù)對材料去除率的影響。國內(nèi)蘇州大學(xué)的方慧［31-32］對射流拋光過程中的邊緣效應(yīng)通過仿真、試驗的研究證實射流拋光不會出現(xiàn)邊緣效應(yīng)問題。中科院成都光電技術(shù)研究所施春燕［33-34］對射流拋光材料的去除模型進行深入的理論分析并建立模型，通過實驗證明了模型的正確性。此外，他還對射流拋光沖擊角度對材料去除面形的影響展開了研究。

國防科技大學(xué)李兆澤［35］針對射流拋光的特點，設(shè)計出傾斜旋轉(zhuǎn)式拋光光系統(tǒng)，并對噴嘴進行仿真優(yōu)化，從彈性波理論及其能量分布的角度，分析射流沖擊中材料的去除機理，得到垂直與傾斜沖擊下材料去除的理論公式，通關(guān)相關(guān)分析表明射流拋光材料的去除主要是磨粒與工件表面微觀凸起部分高速碰撞過程中剪切力作用的結(jié)果，并通過實驗獲得不同角度沖擊下材料的去除函數(shù)，進而對去除函數(shù)的修形能力進行了研究。

最后，他對矩形平面鏡和Φ21 mm 的小圓形平面鏡進行修形試驗，結(jié)果表明，磨料水射流拋光具有較高的面形誤差收斂比，適用于超光滑光學(xué)鏡面面形修整［36-37］。

3 超光滑表面加工存在的問題

超光滑表面加工技術(shù)正在不斷發(fā)展之中并取得一定的成績，各類新型的拋光方法也在開發(fā)，如離子束拋光、氣囊拋光等。但是目前各類拋光表面加工技術(shù)也存在著不足之處。

對上述拋光方法的優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 超光滑表面加工方法的主要優(yōu)缺點

現(xiàn)對目前超光滑表面加工技術(shù)存在的問題總結(jié)如下:

(1)對于拋光過程中材料去除機理的認(rèn)識還不夠深入，有待于進一步加強基本理論與加工工藝方面的研究;

(2)由于拋光過程中受具體工況的限制，拋光區(qū)域的壓力難以精確控制與檢測，無法對材料的去除量進行準(zhǔn)確的預(yù)測，可開發(fā)精度高、響應(yīng)快的壓力測量系統(tǒng)以實現(xiàn)拋光區(qū)域壓力的在線檢測;

(3)拋光加工所需設(shè)備對精度和穩(wěn)定性要求較高，急需開發(fā)控制精度高、剛度好、智能化、人性化、可靠性高、低成本的拋光設(shè)備以及高精度低成本的專用檢測裝置;

(4)大多數(shù)超光滑表面加工技術(shù)對設(shè)備的依賴程度較高，新型加工原理的超光滑表面加工方法有待開發(fā);

(5)目前超光滑表面加工成本較高，效率低下，難以推廣實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)束語

超光滑表面的應(yīng)用范圍將越來越廣，其在民品中的比例不斷增大，這就要求超光滑表面加工不僅要獲得高精度、少無損傷的超光滑表面，而且還要向著自動化、綠色化、低成本、高效率的方向發(fā)展，并且批量加工產(chǎn)品的一致性變得越來越重要。然而目前超光滑表面加工普遍存在效率低、成本高的問題。因此，需要深入研究超光滑表面加工材料的去除機理及復(fù)合化、無損傷的批量加工工藝，優(yōu)化原有的加工方法，開發(fā)新型的加工原理的方法，以減少對拋光設(shè)備的依賴，降低加工成本。

目前，非接觸式的拋光方法以其加工精度高、亞表面損傷少的優(yōu)勢仍將會成為未來超光滑表面加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。各類非接觸式的拋光方法中，沒有出現(xiàn)同時滿足加工效率高、精度好、成本低，且不受工件形狀、尺寸、材料限制等要求的拋光方法，因此，還有待于對非接觸式超光滑表面加工技術(shù)進行進一步的研究。

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