微晶玻璃超光滑表面抛光方法与工艺技术

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1、微晶玻璃超光滑表面抛光方法与工艺技术 微晶玻璃超光滑表面抛光方法与工艺技术 杨志甫刘秭房建国 （北京航空精密机械研究所精密制造技术航空科技重点实验室，北京） 摘要：超光滑表面在 现代工业和国防领域的应用越来越多，但由于其对加工工艺和环境以及设备 的要求苛刻，使得超光滑表面的获得还存在较大难度。针对激光陀螺反射镜常用微晶玻璃的加工工 艺，本文介绍了一种较为成熟的超光滑表面加工方法一一定偏心浸液式抛光，采用这种方法进行多 次微晶玻璃超光滑表面的工艺实验，稳定地获得了埃量级的超光滑表面，精度可达平面度 咀，袁面粗糙度。 关键词：微晶玻璃；超光滑表面；定偏心浸液式抛光 引言 微晶玻璃是一种应用广泛的光

2、学材料，除了具有良好的光学性能外，它还具有许多宝贵的性能， 如调节其组成成分及热处理方法可使膨胀系数在一 ，的大范围内变化，机械强度高，化学稳定性和电性能好，使用温度高及坚硬耐磨等。因此，在 许多领域得到广泛 应用。它既可制作大型光学仪器、天文望远镜重达几十吨的主镜，也可制作 质量只有几克的激光陀螺反射镜片，还可用来制作超精密机床的主轴、大容量的 计算机硬盘的基板等， 应用范围不断扩大【】。就目前来说，微晶玻璃在光学 应用中最为常见，譬如上述的硬盘基板和激光陀螺反射镜基片等，其精度要求也非常之高，都要求达到埃量级的表面粗糙度和极高的面形精度，也即超光滑表面。因此有必要研究微 晶玻璃的超光滑表面

3、加工工艺，进一步扩大微晶玻璃的应用范围。超光滑表面抛光的技术要求与加工方法 由于超光滑表面加工已经进入纳米、亚纳米加工尺度，对工艺过程和操作技术的要求非常严格，玎三也公司在论述超光滑光学表面的加工时【，认为要满足以下四个条件：）先进的加工 设备：）现代化的测试仪器：）严格的过程控制；）高超的加工技艺。很显然，这里明确的说出了超光滑光学表面目前还不是机械化的大批量生产，制造过程中要有人的干预，去 严格的控制工艺过程， 发挥出人的技艺，才能加工出超光滑光学表面。 在常规加工技术中，能 够获得最佳表面粗糙度的方法是光学抛光。研磨、抛光属于散粒抛光粉加工范畴，是人类社会发展中最古老的加工方法，也是最常

4、用的制造光滑镜面的技术。然而要获得超光滑表面，必须对原有的加工技术进行变革或采用新原理的加工方法，随着人们对亚纳米量级光滑表面形成机理认识的深入和超光滑检测技术水平的提高，出现了许多应用化学、磁学、流体力学和能量场原理加工超光滑表面的新方法。具体来说，目前主要有以下几种加工方法： （）常规设备抛光 目前常用的光学加工设备有多轴抛光机，如两轴抛光机、四轴抛光机等。先将玻璃基片毛坯粘在一块垫板上，然后再把载有基片的垫板粘到一个可以转动的铁盘上，抛光模和一个可以往复运动的杠杆臂相连。载有基片的垫板不停的旋转，使材料在各个方向上的去除量是均匀的。抛光模容纳着抛光剂的悬浮液，抛光剂颗粒嵌入抛光模中，抛光

5、液在铁盘的运动过程中，不断的涂覆在被加工的基片表面上，并产生对材料的切削作用儿引。 （）浴法（）抛光将常规抛光设备作适当改动，把抛光模和载有被抛光基片的垫板都浸在一个容器内的“ 水面下”，抛光剂悬浮于水中，并且被不断地搅动起来。实际上，这是抛光剂的自磨砺的过程，抛光剂不断的细化，同时也抛出了高质量的超光滑光学表面。 （）浮法（）抛光这种方法是日本学者难波义治首先提出的，是一种比较新的抛光技 航空学会年学 术交流论文集术，类似于方法中的水下抛光。抛光模用金属锡做成，上面车出密排的很细的环形槽，这是一种准接触抛光方式，被抛光的工件就“ 悬浮” 在这 些环形槽的上面。抛光剂是胶体的微粒，其粒径多用。

6、 （）浅低温抛光这是一种新型抛光方法，由中科院长春光机所韩荣久等人提出并进行了实验，通过降低温度改善材料加工性能而加工出超光滑表面。抛光精度达到，这种方法抛光效果和效率都很好，但对设备条件和面形控制技艺都有较高的要求瞪【。微晶玻璃的的特性和微观结构 微晶玻璃是六十年代发展起来的新型光学材料，它是按制作“系统玻璃所采用 的方法进行熔炼和成型的，然后进行高温热处理。 热处理时，玻璃 经历了两个阶段，第一阶段是在玻璃内部各处形成晶核；第二阶段形成晶核的玻璃在晶体生长过程中，逐渐转变为陶瓷，放又称为玻璃陶瓷。微晶玻璃与普通玻璃的主要区别是具有结晶的结构，而与陶瓷的主要区别是它的结晶结构要比陶瓷细得多。

7、由于玻璃陶瓷是在均匀的玻璃基体内，通过晶体生长来制造的，所以最后制得的材料是非常均匀而致密的。微晶玻璃在热处理中析出大量负膨胀系数的微小晶相颗粒，使微晶玻璃的整体在某一温度区域的膨胀系数达到或接近于零，故又称微晶玻璃为零膨胀玻璃，其性能如表： 表微晶玻璃的特性 项目 数据 导热系数 最大工作温度 弹性模量 刚性模量 抗拉强度 努氏硬度 密度 耐水性 耐酸性 陌 耐碱性 热膨胀系数 。 微晶玻璃由结晶相和玻璃相组成，其结晶相是多晶结构，晶粒细小，比一般固体材料的晶粒粒度要小得多，空间分布取向，在晶体之间分布着稳定的玻璃相，把数量巨大、晶粒微细的结晶体结合起来。微晶玻璃的三维立体微观结构用美国公司

8、的原子力显微镜（，）在的扫描范围内观察如图所示，据中科院长春光机所韩荣久等人的研究表明，微晶玻璃的晶粒尺寸大约为”。因此，要实现其原子量级的去除，获得超光滑表面，必须采用纳米级的抛光磨料。微晶玻璃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。 微，艘离趔龙附矗弛丸、，兰 图微晶玻璃神三维擞砚鲸构定偏心浸液式抛光方法的原理 定偏心浸液式抛光方法手阴浮法抛光较为相似，其原理；意如割所不。浮法抛光难世纪年代现于日本的种超光滑表向抛光技术，是种非接触式抛光：定偏心技液， 抛光魁种准接触式抛光。工艺实验在超精密加工重点定验奄自行研制

9、的一，蛆超精密研麻机。进亿该设备且有 两个抛光 盘，均聚液件静压主轴支承，埏 动精艘根商廷抛光盅轴向、耗精度优丁：其抛光艋径向群动），轴帘动 ，偏摆 ”。廷抛光骁采， 锡啦，锡较软 ，具宵良好的嵌砂性，精 车后玎然到鞍低的袭艇糙度一仃趔精南七超精督研抛弧人基扛功能。茸先山超精密车：】实现抛圯鼎钧晶自腰修帮，后的倒鼎：珂彤辅 墨 。然后再枉抛光盘。对丁件进行超光滑抛垃 ） 晒强豢 燃 磊薯辩蚓 镟翱 目、定偏一一茂渡或抛圯的厚垲“毡嘲 微龆艘璃定偏心浸液式抛光的、赝也足 种化，机械抛比 ），漪堤供仝硒中晰化的种胖想技术，存、噎端书托州弧坝妙一刘 融虬 姓以为， ”村判的、豫是目【娥缚削和化。，膊

10、蚀口勺维，划四、缘一先瀚川 ，。惴地” 。 山向，旮抛光过栏什翻局部接触点一。训新：、，从。效东列复热的餐隙佗 ，正“拈抛光液：朗碱【生成分纳求麝羊删！籼竹朋，们嵌形成柑蚀软赝川通过抛光耵抛光料的机械作川上除璃蚀产生的生成物，这样何鬃菲的新表四蛙 蚀，姓：。抛光效率和抛圯 表嘶质艟、另玎神，橄槲公式：，山 乐救；山名：址 航空学会年学术交流论文集在瞬时与抛光盘之间的压力；为单个磨料所去除材料的体积，包括被去除的工件基体的体积和软质层的体积 ），软质层的形成导致增大（即化学腐蚀作用可促进机械磨削作用），减小，从而有利于减小切削深度、增强塑性磨削和提高抛光表面质量。因此，在抛光液质量浓度相同的条件

11、下，采用 纳 米磨料抛光不仅有利于减小切削深度、提高抛光表面质量，同时由于有效磨粒数的急剧增多， 还有利于提高抛光效率。工艺实验 辅助工艺 （）抛光 盘 实验中的抛光 盘由纯锡铸成，与沥青盘等传统抛光盘相比，锡盘具有良好的嵌砂性和耐磨性， 刚性也较高。抛光 过程实际上是种面形复映过程，因此抛光盘的面形精度等也是影响抛光质量关键因素。抛光前，用研磨机自带的车削功能将锡盘车成平平面度优于的镜面；然后再在锡盘表面车出的精细螺纹，使工件表面更好地与抛光 盘表面吻合，同时也使工件与抛光液充分接触。 （）工件的粘结方式 抛光过程中需要将工件粘结在平模垫板上，传统的光学加工中一般使用热熔型粘结材料（如石蜡和

12、松香等），先把工件和平模垫板加热到适当温度，然后把粘结胶熔化并均匀地涂在垫板上，再把工件压紧粘结在垫板上。这种粘结法的一个最大缺陷就是工件粘结过程中受热产生较大的热应力，抛光结束下盘后由于应力释放，工件的面形精度变化较大。因此， 这里采用另外一种新的粘结方法：工件和垫板都不用加热，工件直接托在垫板上，然后将熔化后的粘结胶滴在工件和垫板的接缝处，大大减少了工件的热变形，利于保持工件下盘后的面形精度。工艺参数 （）抛光液 实验中选用的是抛光液粒度为纳米级的国产溶胶，在抛光过程中能保持一种稳定状态，不易分散。作为一种软质抛光材料，易于得到较好的表面粗糙度和加工变质层。其平均粒径约为（粒度越小越易于工

13、件表面原子级的去除，越易于达到更低的表面粗糙度）：质量浓度约为（浓度的高低与工件的去除率相关，浓度太高，去除率大，容易造成工件塌边，影响工件的面形精度）；抛光液偏碱性，利于在工件表面形成腐蚀软质层，提高抛光质量。 （）转速 抛光中，工件和抛光 盘的转速与工件的去除率基本成正比，转速过高，工件去除过快，也同 样会造成塌 边等缺陷。由平面成形理论知，工件与抛光盘的转速相同时，工件表面的去除是均匀的，工件表面各点的去除量一致，工件面形向理想的平面收敛。 实验中，工件的 转 速一般在 ，若工件比抛光盘的转速稍小一些，有助于降低工件运动轨迹的重复性，也利于提高抛光效果。 （）温度 随着抛光的进行，抛光液

14、由于 挥发会致使温度降低，有必要对其进行补偿控制，可以在抛光液中加一热源，周期加 热，使液温恒定。 ?芪呐蛘拖凳 苄。 砸何碌谋浠 皇呛苊舾校 喽缘奈 堂 嫘问芤何掠跋旖洗螅 虼硕砸何碌目刂剖欠浅匾 摹?（）抛光 时间 抛光过程中，工件面形和表面粗糙度在一定时间范围内会随抛光时间的延长而降低。但我们也发现，工件的表面质量从时间上来说有一个控制点，在这个时间点之外，由于抛光 过程中的去除材料可能参与抛光，影响了抛光液的质量，工件的表面质量有可能变坏，因此抛光时间点的控制尤为关键。抛光结果与参数影响因素的关系 （）表面粗糙度与面形精度 微艘璃超兜卅应，抛光山试，】技术 微。 钻破璃订闰。徽玻璃、是【 的“ 品、俄罗蜥的 和能阳的肆，宜骗”选川的楚罔所“；为微 诮玻璃抛光过程的【形随时问的变化阁（榆测绌果由