浮法抛光超光滑表面加工技术

浮法抛光超光滑表面加工技术摘要浮法抛光技术首先出现于日本，是加工超光滑表面的先进技术之一。本文介绍用浮法抛光加工超光滑表面的机械结构和加工过程，与传统的沥青抛光方法进行比较，分析材料去除机理。最后简单介绍我国研究浮法抛光技术的进展。正文一、浮法抛光技术的产生与现状光学零件的加工基本包括切割成型、研磨、抛光三道工序；最终的光学表面质量由抛光决定，因此抛光是最重要的工序。通常高质量光滑表面的抛光是以沥青或纤维等弹性材料作磨盘，配以抛光液或研磨膏来达到技术要求。近年来，光学及微电子学极大地推动了光学加工技术的发展。大规模或超大规模集成电路对所用基片(通常为硅、锗等材料)的表面精度提出了很高的要求；短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。表面粗糙度低于1nmrms的超光滑表面加工技术已成为光学及微电子学基础技术领域的重要课题。靠传统的经验依赖性的光学加工方法是不能满足日益发展的光学、电子学要求的。国内外已有许多科学家在探索加工高精度超光滑表面的各种技术。一般原子直径小于0.3nm，而超光滑表面微观起伏的均方根值为几个原子的尺寸，因此实现超光滑表面加工的关键在于实现表面材料原子量级的去除。1997年，日本大坂大学的难波义治教授发明了浮法抛光(FloatPolishing)加工超光滑表面技术。通过使用这项技术，可使刚玉单晶的平面面形达到λ/20，表面粗糙度低于1nmRz。1987年的研究报告表明，使用浮法技术进行多种材料的抛光实验，对φ180mm的工作，可以达到表面粗糙度优于o.2nmrms，平面度优于λ/20=0.03μm。目前在日本，浮法抛光技术应用很广泛，尤其是用于录音机、录像机或计算机的磁头生产；每年有2500万个磁头就是采用这项技术制造的。近年来，德国也在研究类似抛光技术。德国Ulm大学的欧威(O.Weis)研究表明，对白宝石材料的φ7mm的工件进行抛光，30分钟后达到表面粗糙度小于0.05nm的结果。将浮法抛光样品与普通抛光样品比较可以发现浮法抛光有许多优点。普通沥青式抛光使用硬度大于工件的磨料，也可以获得所谓超光滑表面的粗糙度指标，但对磨盘的平面度的修正很有讲究，这影响到被抛光工件的面形。普通抛光后的工件，其边缘几何尺寸总不太好，经常有塌边或翘边现象；并且在高倍显微镜下可以看到表面有塑性畸变层。应用浮法抛光法技术获得的超光滑表面，不仅具有较好的表面粗糙度和边缘几何形状，而且抛光晶体面有理想完好的晶格，亚表面没有破坏层，并且由抛光引起的表面残余应力极小。二、浮法抛光机的机械结构与抛光过程浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。在对工件进行浮法抛光前，被加工工件首先要进行预抛光，干燥。就可以浮法抛光。抛光过程中，抛光液随磨盘旋转；由于流体运动产生动压，工件与磨盘之间形成一层薄薄的液膜，使得工件浮在磨盘上旋转，保持软接触。液体旋转时的离心作用使抛光液中粒度稍大的颗粒被甩到四周，并渐渐沉到底部，这样夹在磨盘与工件间的液膜中的磨料越来越精细均匀；被加工光学表面越来越光滑，最后达到超光滑。工件的面形主要由磨盘面形决定，浮法抛光中，由于锡材料本身的特性，其硬度及流动性适中，在抛光中锡盘的磨损可以忽略，因而锡盘的平面度是很容易控制的；这样保证了工件面形的稳定性。传统抛光的经验性主要是由于沥青盘的抛光中变形决定的；使用锡盘后，这种经验性抛光就可以成为稳定抛光。三、浮法抛光的去除机理浮法抛光表面粗糙度可达到亚纳米量级，接近原子尺寸，工件材料的去除是原子水平上进行的。工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体，从而被去除。原子的去除过程，是磨料与工件在原子水平的碰撞、扩散、填补过程。四、磨料的选取根据去除机理，利用外表面层与主体原子结合能的差异，任何材料都可作为磨料去除工件表层原子，可以获得无晶格错位与畸变的表面。在进行浮法超光滑表面的抛光中，选择合适的材料作为磨料很重要。一般用于浮法抛光的磨料为粒度约7nm的SiO2微粉。综上所述，浮法抛光技术的关键在于：1.高面形精度的锡盘，以此来保证工件面形的高精度。1.粒度小于20nm的磨料，目的在于增大工件与磨盘的接触面积，增多磨料颗粒与工件表面的碰撞机会，达到原子量级去除的目的。2.抛光液将工件和磨盘浸没，靠流体作用形成工件与磨盘间液膜，为磨料颗粒与工件的碰撞提供环境。五、我国的研究现状长春光机所应用光学国家重点实验室，在短波段光学的带动下，从1992年开始研究浮法抛光技术，已研制出一台抛光原理样机，并进行了大量实验。目前对K9玻璃样片的抛光实验结果表明，表面粗糙度优于1nmRa。所使用磨料粒度约为25nm。有关实验正在继续进行，并且一台高精度的浮法抛光实验样机正在研制中。（来源：《光学技术》1995年第3期）计算机控制光学加工过程中的技术难点及解决方法0引言计算机控制表面成形(ComputerControlledOpticalSurfacing,简称CCOS)是七十年代初发展起来的一门新兴光学加工技术，它利用计算机控制一个比被加工工件小得多的研磨头或抛光头在工件表面上移动，通过控制磨头与工件间的相对运动速度，压力以及磨头在表面某一区域的停留时间实现对材料去除量的控制。由于计算机数据处理速度快、控制准确、记忆可靠，因此，可以极大提高工作效率及加工质量，降低对操作人员技术的依赖性，所以具有广阔的发展前景。目前国外应用这一技术已经加工出各种大口径精密光学表面，包括手工难以加工的对称或非对称的非球面。应用该技术形成一个高精度的光学表面的原理框图。如图1所示。图1CCOS加工流程示意图1CCOS的基本原理描述材料去除量与其影响因素之间关系的数学模型是Preston方程：(1)式中——单位时间材料去除量；K——与加工条件及材料性能有关的系数；P——磨头与工件间的相对压力；V——磨头与工件间的相对运动速度。定义磨头的工作函数R(x,y)为磨头覆盖区域内材料去除量的分布函数：R(x,y)=K∫TOV(x,y,t)·P(x,y,t)dt，式中T——加工周期。若考虑压力P为常量，则t式变为：R(x,y)=KP∫TOV(x,y,t)dt定义D(x,y)为磨头中心在表面任一点(x,y)周围区域的驻留时间函数，并考虑当小磨头与工件表面吻合良好且加工过程中不露出工件边缘时压力P为常量，这样在工件表面上移动磨头并在每一区域停留相应的时间，然后将各区域材料去除量叠加起来即可确定整个表面的材料去除量，它是磨头的工作函数与驻留时间的卷积，即：Z(x,y)=R(x,y)**D(x,y)(2)式中**——两维卷积。设原始表面误差为W0(x,y)，则加工后表面误差W(x,y)为：W(x,y)=W0(x,y)-NR(x,y)**D(x,y)(3)N为加工次数，(3)式就是计算机模拟的最重要的理论依据。2CCOS加工中的关键问题及解决方法一般光学加工的基本步骤为：成形粗磨、精磨抛光，衡量每一过程加工质量的指标是：面形误差的收敛速度；下表面破坏层深度的控制；边缘磨削量的控制，即边缘效应的去除。上述环节解决的好坏将直接影响到被加工工件的表面质量，处理好这些技术难点多年来一直为各国光学技术人员所关注〔１〕。本文在理论分析及工艺实验的基础上做了以下研究。图2下表面结构示意图2.1微量磨削技术(Microgrinding)的研究传统的抛光工序一般在被加工表面RMS误差为1～3μm时开始，这时研磨工序在工件下表面留下一个裂纹层，称之为破坏层，其深度可达几个微米甚至更多，如图2所示。它的存在会严重影响光学零件的表面质量，必须抛掉，但由于抛光工艺的加工效率较低，要抛去这一破坏层需要好几个加工周期，加工效率极大降低；另外由于传统研磨后工件的表面质量很差，不能进行定量的干涉测量，从而也就不能提供数据指导CCOS加工。这一直是CCOS过程中急待解决的问题。本文提出用固着金刚石丸片为磨头，在细磨和抛光工序之间加入微量磨削工序，通过大量工艺实验获得了最佳工艺参数组合〔２〕，加工后的工作表面可直接进行干涉计量，并使下表面破坏层深度降至最低。如图3所示，这一结果提高了细磨和抛光阶段的加工及检测效率，使CCOS技术前进了一步。(a)微量磨削后可直接进行干涉计量的表面(b)裂纹层深度已降低，包含在表面粗糙度起伏当中(1000×)图3固着金刚石丸片微磨削结果2.2边缘效应的消除本文提到的CCOS技术，保持压力恒定靠控制磨头在工件表面的驻留时间来控制去除量，所以当磨头移动到工件边缘而不露边时，由于最边缘区域的相对加工时间小于中间区域，则去除量减少，工件发生“翘边”；反之，当磨头部份露出工件边缘时，由于相对压力增大，使边缘区域去除量增加，工件发生“塌边”。这两种现象都使工件边缘去除量难以控制，严重阻碍面形误差收敛，称之为边缘效应。我们通过理论计算及实验研究，确定了磨头在工件边缘区域运动时的修正函数，经修正使边缘误差得以收敛，从而消除了边缘效应〔３〕。该方法的基本思路是：设工件边缘面形误差函数为E(x,y)，而磨头露边后由于压力P不恒定，则工作函数的修正函数为：Rm(x,y)=R(x,y)·P(x,y,n)式中P(x,y,n)——边缘区域磨头与工件间的相对压力；n——与露边程度等因素有关的变量。这样利用卷积迭代法，以E(x,y)为迭代初值，便可求出边缘区域去除量，即：Zm(x,y)=Rm(x,y)**E(x,y)**表示卷积。按上式控制修抛就可使边缘误差收敛，实验结果如图4所示。3FSGJ-1型非球面自动加工机床介绍3.1设计特点这是一台四轴联动集成形、抛光及在线检测于一体的非球面自动加工机床。它可以沿着X，Y，Z轴移动，还可以沿着C轴转动，这样便可加工各种球面和非球面，特别是非回转对称的离轴非球面。最大加工直径为Φ600mm，相对孔径为1∶4。3.2工艺实验情况图4边缘去除量的控制结果应用自行编制的应用程序可根据面形误差自动选择加工方案并生成加工代码，从而指导CNC单元控制加工，经过几个加工周期可使面形误差收敛。4结束语CCOS技术极大提高了加工精度及效率，实验证明其基本理论正确；本文研制的FSGJ-1型非球面自动加工机床性能可靠，适用于非球面的加工；CCOS中关键问题“边缘效应”的解决方法已在该机床上得到验证，用加工非球面的方法抛光中Φ230mm的球面仅用15小时便使面形误差下降到(1)/(8)λRMS，而且边缘误差得到了很好的控制，其波动在±15%之间，完全满足光学表面的要求。磁流变抛光技术*张峰余景池张学军王权陡摘要对磁介质辅助抛光技术20年来的发展作了简要的回顾,进而介绍了磁流变抛光技术的产生和发展背景、抛光机理及微观解释、数学模型,同时提出了这种抛光技术的关键所在,并对其发展未来进行了展望。关键词磁介质辅助抛光磁流变抛光磁流变抛光液凸缎带抛光区中图分类号TQ171.684文献标识码AMagnetorheologicalFinishingTechnologyZHANGFeng,YUJing-Chi,ZHANGXue-Jun,WANGQuan-Dou（TheStateKeyLab.ofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences，Changchun130022）AbstractThedevelopingofmagneticmedia-assistedfinishingtechnologyinthelast20yearsisreviewedinthispaper.Producing,developing,mechanismandmicromechanismandmathematicalmodelofmagnetorheologicalfinishingaredescribedindetail.Thekeytechnologyandthefutureoffinishingarealsogiveninthepaper.KeyWords：Magneticmedia-assistedfinishing，Magneto