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        淺談超光滑表面加工技術(shù)

        2018-08-20 09:48:22王廣林馬瑾
        山東工業(yè)技術(shù) 2018年12期

        王廣林 馬瑾

        摘 要:超光滑表面加工技術(shù)屬于超精密加工技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題,是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志,因此受到各國(guó)的重視。文章闡述了現(xiàn)有超光滑表面加工的先概念,詳細(xì)介紹了浮法拋光、等離子體輔助拋光、浴法拋光和流體拋光法等技術(shù)。

        關(guān)鍵詞:拋光;超光滑表面;光學(xué)零件

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.009

        隨著微電子學(xué)領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)展,越來越多的現(xiàn)代科學(xué)研究項(xiàng)目和民用商用裝備儀器越來越多地需要具有高表面質(zhì)量的光學(xué)元件[1],尤其是強(qiáng)激光技術(shù)、電子學(xué)以及薄膜技術(shù)的發(fā)展對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的要求更為苛刻,其明顯特征是需要光學(xué)表面的表面粗糙度小于1nm[2-3]。因此,超光滑表面加工技術(shù)已成為各國(guó)科學(xué)家研究的重點(diǎn)領(lǐng)域,高效、快速和穩(wěn)定獲得高質(zhì)量表面越來越多受到重視。

        1 超光滑表面概念

        所謂光學(xué)超光滑表面,一般是指其表面粗糙度均方根值(RMS)小于 1 納米的光學(xué)表面,并且對(duì)其表面損傷程度和物理結(jié)構(gòu)等也有嚴(yán)格的要求,比如具有較高的表面面形精度和較低的表面疵?。╯urface defect)和亞表面損傷(SSD),表面殘余應(yīng)力極小、具有完整的晶格結(jié)構(gòu)等[4]。

        2 浮法拋光

        浮法拋光是以錫盤為拋光盤,采用浴式拋光方式的加工法。它是一種非接觸式拋光方法,機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求很高且轉(zhuǎn)速很快,一般為60~200rpm,既可用軟質(zhì)磨料又可用硬質(zhì)磨料,關(guān)鍵是磨料的粒度和均勻性。為了增大工件與磨料的接觸面積和碰撞概率,提高拋光效率,所用磨料粒度要小,最好為納米量級(jí),通常為20nm。浮法拋光是一種去除量較小的拋光方法,工件需要用傳統(tǒng)的拋光方法加工到一定的面性精度,一般為2~4個(gè)光圈。它是目前所有超光滑表面加工技術(shù)中加工的工件表面粗糙度最小的方法[5-8]。

        3 等離子體輔助拋光

        等離子體輔助拋光[5-8]的原理是利用被拋光工件表面的材料與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到光學(xué)零件拋光的目的。光學(xué)零件利用等離子體輔助拋光技術(shù)實(shí)現(xiàn)光學(xué)拋光的主要兩方面是:一是根據(jù)光學(xué)零件的材料選擇合適的能與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的拋光材料;另一方面是拋光材料經(jīng)過激光沖擊形成等離子體。采用等離子體輔助拋光光學(xué)零件的過程為:光學(xué)零件和拋光材料置于真空的環(huán)境當(dāng)中,激光脈沖照射到拋光材料上形成等離子體,等離子體與光學(xué)零件表面的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件表面材料的去除,達(dá)到拋光的目的。由于拋光材料的等離子體與工件表面通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)拋光,屬于經(jīng)典拋光理論中的化學(xué)作用理論,不是傳統(tǒng)的機(jī)械剝離,因此,光學(xué)零件表面不形成新的亞表層損傷和機(jī)械應(yīng)力。

        4 浴法拋光

        傳統(tǒng)的古典法拋光原理是光學(xué)零件與拋光盤相對(duì)運(yùn)動(dòng),其中拋光盤或光學(xué)零件之一作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),另外一個(gè)再其的帶動(dòng)下發(fā)生從動(dòng)運(yùn)動(dòng),并且兩者之一作左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),通過在兩者之間添加拋光液實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件的拋光。浴法拋光[5-8]與傳統(tǒng)的古典法拋光方式的最主要區(qū)別是將光學(xué)零件和拋光盤置于拋光液中,其運(yùn)動(dòng)方式基本一致。光學(xué)零件與拋光盤之間通過機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)拋光顆粒對(duì)工件表面材料的去除,拋光過程中會(huì)產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致拋光盤和光學(xué)零件的變形,從而影響光學(xué)零件的拋光質(zhì)量。浴法拋光使拋光液充分的與拋光盤和光學(xué)零件相接觸,不僅可以提高拋光效率,而且可以起到降溫的作用。浴法拋光能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)玻璃的超光滑表面拋光。

        5 流體拋光法

        流體拋光方式主要由拋光盤、工件和拋光液等組成。流體拋光的方法是拋光盤高速旋轉(zhuǎn),拋光液在拋光盤高速離心力的作用下而形成一層拋光液體膜,光學(xué)零件懸浮在拋光液體膜的上,光學(xué)零件與拋光液體膜之間夾持著拋光顆粒,拋光顆粒連續(xù)的碰撞光學(xué)零件表面,從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件表面的材料去除。與傳統(tǒng)的古典法相比,拋光盤具有相對(duì)高的旋轉(zhuǎn)速度,機(jī)械剝離不是工件表面材料去除的主要方式,而是依靠拋光顆粒的連續(xù)碰撞剝離工件表面材料,可以減少亞表層損傷和實(shí)現(xiàn)高精度拋光,但拋光效率較低[5-8]。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        超光滑表面的先進(jìn)拋光方法主要利用流體體力學(xué)及化學(xué)反應(yīng)等原理來實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面的原子量級(jí)去除,改變了過去以往通過改進(jìn)工藝參數(shù)獲取高精度表面的技術(shù)。隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025等工程的實(shí)施,開展原子量級(jí)的材料去除及無亞表層損傷的先進(jìn)拋光技術(shù)將是今后研究的熱點(diǎn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]楊力.先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)發(fā)展研究[J].光學(xué)技術(shù),1998(03):2-5.

        [2]馬占龍,劉健,王君林.超光滑光學(xué)表面加工技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].激光與光學(xué)電子進(jìn)展,2011.

        [3]李錫善,戈鶴忠.超光滑表面加工技術(shù)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,1998.

        [4]孟凱.基于散粒磨料的超光滑拋光材料去除機(jī)理與試驗(yàn)研究[D].中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所博士論文.

        [5]李圣怡,戴一帆等.大中型光學(xué)非球面鏡制造與測(cè)量新技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

        [6]程灝波,馮之敬,王英偉.磁流變拋光超光滑光學(xué)表面[J].哈爾濱業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005.

        [7]武建芬.離子束加工技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士論文,2010.

        [8]蘇建修.IC 制造中硅片化學(xué)機(jī)械拋光材料去除機(jī)理研究[D].大連理工大學(xué)博士論文,2006.

        作者簡(jiǎn)介:王廣林(1972-),男,陜西西安人,高級(jí)工程師,主要從事精密加工及機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。

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