| 隨著各種超精密加工方法的提出,以及加工技術(shù)的不斷成熟,超精密加工已成為現(xiàn)代尖端產(chǎn)業(yè)重要的生產(chǎn)技術(shù),超精密加工正迎來(lái)一個(gè)繁榮的時(shí)代。超精密加工技術(shù),不僅要求高精度、高質(zhì)量,而且要求低成本,要求高的再現(xiàn)性。研磨是一種重要的精密和超精密加工方法,其定義可以表述為:利用磨具通過(guò)磨料作用于工件表面,進(jìn)行微量加工的過(guò)程。目前,用磨粒去除材料的去除單位已在納米甚至是亞納米數(shù)量級(jí),在這種加工尺度內(nèi),加工氛圍的化學(xué)作用就不得不引進(jìn),并加以重視。超精密研磨加工過(guò)程中的化學(xué)作用就成為其不可或缺的一部分。 1 微量材料去除的機(jī)械作用及化學(xué)作用 材料的去除加工法以切削、磨削和研磨為代表。加工面的表面粗糙度是機(jī)械的、化學(xué)的切削形成后的痕跡,而存在于加工變質(zhì)層中的彈塑性變形及微小破壞可以認(rèn)為是進(jìn)行切削的機(jī)械能的一部分產(chǎn)生的。從超精密加工技術(shù)發(fā)展的角度,采用使表面粗糙度和加工變質(zhì)層都變小的切削生成條件是非常重要的。設(shè)想材料去除的最小單位是一層原子的話(huà),那么,最基本的材料去除是將表面的一層原子與內(nèi)部的原子切開(kāi)。事實(shí)上,完全去除材料一層原子的加工是不可能的。機(jī)械加工還需要必然殘留有加工變質(zhì)層,并且隨著工件性質(zhì)及加工條件的不同,加工變質(zhì)層的深度也不同。由于加工中還伴隨著化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象[223 ] ,材料去除的原理為從一層原子到數(shù)層原子乃至數(shù)十層原子幾種狀態(tài)的復(fù)合。 圖1 所示是磨粒研磨加工的模型[4 ] 。 單個(gè)磨粒的磨削模型,可用磨粒對(duì)工件的機(jī)械作用的動(dòng)作來(lái)描述,即按摩擦2耕犁2切削的動(dòng)作順序進(jìn)行。工件與磨粒的后刀面摩擦產(chǎn)生發(fā)熱及原子紊亂,同時(shí)產(chǎn)生切屑并且露出新生面。最新表面的應(yīng)力與工件材料的抗拉強(qiáng)度等值。而在加工中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng),對(duì)材料的去除及減小加工變質(zhì)層, 可能是有利的[526 ] 。在進(jìn)行,例如超精密加工后的表面粗糙度已經(jīng)廣泛 應(yīng)用STM ,AFM 檢測(cè)就是一例�？傊�,超精密加工技術(shù)仍然是當(dāng)前需要發(fā)展的重要課題之一,也是當(dāng)前科技進(jìn)步中迫切需要的。在我國(guó)當(dāng)前趕超世界科學(xué)技術(shù)水平的進(jìn)程中,雖然尚存許多課題有待突破,但在實(shí)現(xiàn)我國(guó)攀登世界科技高峰的實(shí)踐中,超精密加工技術(shù)的研究和發(fā)展,尤為迫切和重要。 2 目前研磨技術(shù)的發(fā)展 磨粒加工是目前精密、超精密加工的主要方法,包括研磨、拋光技術(shù)和磨削技術(shù),所能達(dá)到的精度量 級(jí)如圖2 所示。 圖2 各種加工方法的精度范圍研磨加工不僅正向更高的加工精度發(fā)展,而且加工質(zhì)量也正在不斷提高,研磨幾乎可以加工任何固態(tài)材料。隨著人們對(duì)產(chǎn)品性能的要求日益提高(影響產(chǎn)品性能的主要因素包括其構(gòu)件的加工精度和加工質(zhì)量) ,研磨加工以其加工精度和加工質(zhì)量高而越來(lái)越受到了人們的關(guān)注。特別是近年來(lái)信息、光學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)光學(xué)零件不僅需求量增大,而且對(duì)其質(zhì)量、精度都提出了很高的要求,而研磨作為光學(xué)加工中一種非常重要的加工方法,起著不可替代的作用。因此,工藝工作者均十分重視對(duì)研磨技術(shù)的研究,以進(jìn)一步提高研磨的加工效率、加工精度和降低加工成本[7 ] 。目前,國(guó)內(nèi)外研磨加工主要還是采用散粒磨料在慢速研磨機(jī)上研磨。其特點(diǎn)是加工精度高、加工設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少,但是加工精度不穩(wěn)定、加工成本高、效率低。正是由于散粒磨料研磨存在一些不足, 所以許多學(xué)者在研究改進(jìn)這種研磨加工技術(shù)。 3 幾種納米級(jí)研磨加工方法 311 彈性發(fā)射加工 彈性發(fā)射加工( Elastic Emission Machining ,EEM) 見(jiàn)圖3 。發(fā)明者M(jìn)ori 和Tsuwa[ 8 ] 描述,是一種新的“原子級(jí)尺寸加工方法”。EEM 使用一種軟 (在微小壓力下很容易發(fā)生變形) 的聚亞胺酯球作為拋光工具(“研磨工具”) ,同時(shí)控制旋轉(zhuǎn)軸與加工工件的接觸線(xiàn)保持45°角。拋光時(shí),垂直工件方向施加載荷,且保持載荷為常量。研磨用微粉粒徑為亞微米,微粉與水混合,并強(qiáng)迫其在旋轉(zhuǎn)的聚亞胺酯球面下方加工工件[9 ] ,并保持球與工件間的距離稍大于微粉尺寸。 圖3 EEM 裝置示意圖 通過(guò)采用多種方法(如光干涉測(cè)量、掃描隧道顯微測(cè)量和加工面電壓測(cè)量等) 觀(guān)測(cè)被加工表面,證實(shí)EEM 可以使被加工零件的表面實(shí)現(xiàn)包括形狀和變質(zhì)層等要求的完美表面[10211 ] 。通過(guò)分析在EEM 加工中采用的微粉化學(xué)成份和加工材料間關(guān)系,證實(shí)EEM 加工中存在化學(xué)作用。比較EEM 加工表面與化學(xué)蝕刻加工表面:發(fā)現(xiàn)EEM 加工表面上沒(méi)有出現(xiàn)納米尺寸的凹坑;而這種凹坑在化學(xué)蝕刻加工表面上是非常典型的。因此得出結(jié)論: EEM 加工中的化學(xué)作用是研磨微粉表面的化學(xué)作用,不同于化學(xué)蝕刻加工時(shí)的蝕刻劑作用[12 ] 。 312 磁流變拋光 Kordonski[13 ] 20 世紀(jì)80 年代中期發(fā)明的磁流變拋光技術(shù)( Magneto2Rheological Finishing ,MRF) 是利用磁流變液的特性來(lái)改變其在磁場(chǎng)中的黏性。即含有去離子水,鐵質(zhì)微粉,磨粒和經(jīng)處理過(guò)的其他物質(zhì)的磁流變液由泵驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定地循環(huán),當(dāng)在有磁力作用的區(qū)域,其表現(xiàn)為固體形式，進(jìn)行研磨;而在無(wú)磁力作用時(shí),其表現(xiàn)為液體形式,磁流變液的這2 種形態(tài)在循環(huán)中交替出現(xiàn)。磁流變拋光的去除能力能夠保持非常穩(wěn)定。因?yàn)椴牧先コ颗c磁流變液的黏度有關(guān),而其黏度可以通過(guò)監(jiān)控,保持其變動(dòng)范圍在±1 %內(nèi)。因而,磁流變拋光是一個(gè)可控的加工方法。此外,傳統(tǒng)拋光方法,施加在磨粒上的垂直載荷可能會(huì)在被加表面產(chǎn)生劃痕,而磁流變拋光不會(huì)在磨粒上產(chǎn)生一個(gè)垂直載荷,而僅僅是依靠切剪力實(shí)現(xiàn)材料去除[14 ] 。所 以,磁流變拋光不僅材料去除能力(尺寸和去除量)的調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單,而且被加工表面質(zhì)量好。從而可在保持相對(duì)高的、穩(wěn)定的去除率的同時(shí),加工出光滑、無(wú)損傷的表面。 313 在線(xiàn)修整固著磨料研磨方法 固著磨料高速研磨是在20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來(lái)的,我國(guó)是在20 世紀(jì)70 年代起步[7 ] 。其方法是先將散粒的磨粒固結(jié)起來(lái)制成丸片,再由丸片制成 不同形狀的磨具,其構(gòu)造如圖4 所示。 圖4 固著磨料丸片及其制作的磨具 固著磨料加工可以顯著提高研磨加工效率。但是當(dāng)磨具在研磨中出現(xiàn)磨損時(shí),需要及時(shí)修整磨具,否則會(huì)因其精度下降而使被加工零件的精度下降。因此,通常固著磨料研磨的磨具表面上固結(jié)極耐磨的磨料,但這使得磨具的修整十分困難。為推動(dòng)固著磨料研磨技術(shù)發(fā)展,國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了廣泛研究。最近Kim. D. J [15 ] 等針對(duì)鑄鐵結(jié)合劑金剛石固著磨料砂輪(A cast iron bonded diamond(CIB2D) wheel ) 采用電解修整( Elect rolytic In2 processDressing , EL ID) ,其修整示意見(jiàn)圖5 。 圖5 EL ID 修整示意圖 EL ID 修整可在研磨加工過(guò)程中控制磨粒銳度,使磨具始終保持高效率研磨的能力。據(jù)報(bào)道,采用EL ID 修整,對(duì)研質(zhì)合金和光學(xué)玻璃進(jìn)行超精密 研磨, 表面粗糙度Ra 分別達(dá)到1017 nm 和1617 nm。314 化學(xué)機(jī)械拋光CMP[16 ]化學(xué)機(jī)械拋光( CMP , Chemical MechanicalPolishing) 是利用固相反應(yīng)拋光原理的加工方法,原則上可以加工任何材料,是目前應(yīng)用最為廣泛的 一種拋光方法,其拋光質(zhì)量和效率較高,技術(shù)比較成熟。目前主要有4 種模型來(lái)描述CMP 加工過(guò)程的研磨機(jī)理:即基于CMP 過(guò)程結(jié)果的唯象研究,這是一種機(jī)械模型,并未完全揭示磨損機(jī)理;基于流體動(dòng)力學(xué)理論的模型,認(rèn)為拋光液的腐蝕是主要磨損機(jī)理,忽略了拋光墊表面磨粒的機(jī)械磨損;基于接觸理論的研究的模型,認(rèn)為是拋光液中磨粒產(chǎn)生的磨損是CMP 的主要去除機(jī)理;最后一種模型則建立在接觸力學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)上。但這些模型在揭示CMP 加工過(guò)程的本質(zhì)上還有一定的局限性。國(guó)內(nèi)外對(duì)CMP 的工藝以及關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究:如CMP 加工中磨粒影響的研究,拋光盤(pán)的研究,拋光液的研究,微電子材料的化學(xué)機(jī)械平面拋光的研究等。化學(xué)機(jī)械拋光由于能解決機(jī)械拋光所造成的劃痕、凹坑、微裂紋等表面損傷,被廣泛的應(yīng)用于藍(lán)寶石、單晶硅、砷化嫁、氮化硅等材料最后的精加工。如使用SiO2 來(lái)拋光藍(lán)寶石,用BaCO3 ,CeO2 和Ca2CO3 來(lái)拋光單晶硅,用Fe2O3 和MgO 來(lái)拋光石英,并獲得了光滑無(wú)損傷表面(表面粗糙度接近1 nm) 。 4 納米級(jí)研磨裝置 納米級(jí)平面研磨已成為各種信息、光學(xué)等元件基片最常用也是最重要的加工方式。在傳統(tǒng)的研磨或拋光機(jī)上用硬質(zhì)研磨盤(pán)或軟質(zhì)拋光盤(pán)進(jìn)行納米級(jí)平面研磨或拋光時(shí),由于盤(pán)面的變形和磨損會(huì)引起工件平面度惡化,因此,通常需憑工人的經(jīng)驗(yàn)頻繁地將研磨盤(pán)或拋光盤(pán)在標(biāo)準(zhǔn)平面上進(jìn)行手工對(duì)研,以修正拋光盤(pán)面的變形,實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的平面加工。為了盡可能降低對(duì)工人熟練程度的要求、減小工作量和避免人為因素對(duì)加工過(guò)程影響,從設(shè)計(jì)原理上提出了一種修正環(huán)型平面拋光加工方法(中國(guó)專(zhuān)利,CN93108 13718) ,其原理如圖6 所示�；谶@一方法,一種采用修正環(huán)在線(xiàn)修整拋光盤(pán)技術(shù)及專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)控制的智能型納米級(jí)拋光機(jī)被研制出[17219] ,如圖7 所示。修正環(huán)在線(xiàn)修整技術(shù)可長(zhǎng)期保證拋光盤(pán)平面精度,其專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)拋光機(jī)的納米級(jí)和亞納米級(jí)的加工精度[20224] 。 5 總結(jié)和展望 超精密磨削和研磨將追隨目前拋光能達(dá)到的的精度,另一方面,而拋光加工將向達(dá)到更高精度發(fā)展,且其加工效率也會(huì)不斷提高。因此,超精密研磨、拋光等技術(shù)的研究,今后將更引人注目。歷來(lái),光系元件常常是最高精度的元件,其加工方法也處于最先進(jìn)的地位。而當(dāng)今各種射線(xiàn)產(chǎn)品的應(yīng)用和開(kāi)發(fā),如X 線(xiàn)光系元件等,都需要更高精度的超細(xì)精密加工。此外,功能陶瓷材料以及許多高純度化、高品質(zhì)化、復(fù)合化的材料的大量應(yīng)用,也要求超精密加工技術(shù)的發(fā)展。而STM (掃描隧道顯微鏡) 、AFM(原子力顯微鏡) 等運(yùn)用于超精密測(cè)量,也給超精密加工技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段, 可以認(rèn)為,預(yù)言的納米加工的新時(shí)代正在到來(lái)。 納米級(jí)研磨技術(shù)及發(fā)展動(dòng)向：http://rmwang.cn/news/20130208/471.html |
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