| 随着各种超精密加工方法的提出,以及加工技术的不断成熟,超精密加工已成为现代尖端产业重要的生产技术,超精密加工正迎来一个繁荣的时代。超精密加工技术,不仅要求高精度、高质量,而且要求低成本,要求高的再现性。研磨是一种重要的精密和超精密加工方法,其定义可以表述为:利用磨具通过磨料作用于工件表面,进行微量加工的过程。目前,用磨粒去除材料的去除单位已在纳米甚至是亚纳米数量级,在这种加工尺度内,加工氛围的化学作用就不得不引进,并加以重视。超精密研磨加工过程中的化学作用就成为其不可或缺的一部分。 1 微量材料去除的机械作用及化学作用 材料的去除加工法以切削、磨削和研磨为代表。加工面的表面粗糙度是机械的、化学的切削形成后的痕迹,而存在于加工变质层中的弹塑性变形及微小破坏可以认为是进行切削的机械能的一部分产生的。从超精密加工技术发展的角度,采用使表面粗糙度和加工变质层都变小的切削生成条件是非常重要的。设想材料去除的最小单位是一层原子的话,那么,最基本的材料去除是将表面的一层原子与内部的原子切开。事实上,完全去除材料一层原子的加工是不可能的。机械加工还需要必然残留有加工变质层,并且随着工件性质及加工条件的不同,加工变质层的深度也不同。由于加工中还伴随着化学反应等复杂现象[223 ] ,材料去除的原理为从一层原子到数层原子乃至数十层原子几种状态的复合。 图1 所示是磨粒研磨加工的模型[4 ] 。 单个磨粒的磨削模型,可用磨粒对工件的机械作用的动作来描述,即按摩擦2耕犁2切削的动作顺序进行。工件与磨粒的后刀面摩擦产生发热及原子紊乱,同时产生切屑并且露出新生面。最新表面的应力与工件材料的抗拉强度等值。而在加工中产生的化学反应,对材料的去除及减小加工变质层, 可能是有利的[526 ] 。在进行,例如超精密加工后的表面粗糙度已经广泛 应用STM ,AFM 检测就是一例。总之,超精密加工技术仍然是当前需要发展的重要课题之一,也是当前科技进步中迫切需要的。在我国当前赶超世界科学技术水平的进程中,虽然尚存许多课题有待突破,但在实现我国攀登世界科技高峰的实践中,超精密加工技术的研究和发展,尤为迫切和重要。 2 目前研磨技术的发展 磨粒加工是目前精密、超精密加工的主要方法,包括研磨、抛光技术和磨削技术,所能达到的精度量 级如图2 所示。 图2 各种加工方法的精度范围研磨加工不仅正向更高的加工精度发展,而且加工质量也正在不断提高,研磨几乎可以加工任何固态材料。随着人们对产品性能的要求日益提高(影响产品性能的主要因素包括其构件的加工精度和加工质量) ,研磨加工以其加工精度和加工质量高而越来越受到了人们的关注。特别是近年来信息、光学技术的发展,对光学零件不仅需求量增大,而且对其质量、精度都提出了很高的要求,而研磨作为光学加工中一种非常重要的加工方法,起着不可替代的作用。因此,工艺工作者均十分重视对研磨技术的研究,以进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,国内外研磨加工主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投资少,但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。正是由于散粒磨料研磨存在一些不足, 所以许多学者在研究改进这种研磨加工技术。 3 几种纳米级研磨加工方法 311 弹性发射加工 弹性发射加工( Elastic Emission Machining ,EEM) 见图3 。发明者Mori 和Tsuwa[ 8 ] 描述,是一种新的“原子级尺寸加工方法”。EEM 使用一种软 (在微小压力下很容易发生变形) 的聚亚胺酯球作为抛光工具(“研磨工具”) ,同时控制旋转轴与加工工件的接触线保持45°角。抛光时,垂直工件方向施加载荷,且保持载荷为常量。研磨用微粉粒径为亚微米,微粉与水混合,并强迫其在旋转的聚亚胺酯球面下方加工工件[9 ] ,并保持球与工件间的距离稍大于微粉尺寸。 图3 EEM 装置示意图 通过采用多种方法(如光干涉测量、扫描隧道显微测量和加工面电压测量等) 观测被加工表面,证实EEM 可以使被加工零件的表面实现包括形状和变质层等要求的完美表面[10211 ] 。通过分析在EEM 加工中采用的微粉化学成份和加工材料间关系,证实EEM 加工中存在化学作用。比较EEM 加工表面与化学蚀刻加工表面:发现EEM 加工表面上没有出现纳米尺寸的凹坑;而这种凹坑在化学蚀刻加工表面上是非常典型的。因此得出结论: EEM 加工中的化学作用是研磨微粉表面的化学作用,不同于化学蚀刻加工时的蚀刻剂作用[12 ] 。 312 磁流变抛光 Kordonski[13 ] 20 世纪80 年代中期发明的磁流变抛光技术( Magneto2Rheological Finishing ,MRF) 是利用磁流变液的特性来改变其在磁场中的黏性。即含有去离子水,铁质微粉,磨粒和经处理过的其他物质的磁流变液由泵驱动稳定地循环,当在有磁力作用的区域,其表现为固体形式，进行研磨;而在无磁力作用时,其表现为液体形式,磁流变液的这2 种形态在循环中交替出现。磁流变抛光的去除能力能够保持非常稳定。因为材料去除量与磁流变液的黏度有关,而其黏度可以通过监控,保持其变动范围在±1 %内。因而,磁流变抛光是一个可控的加工方法。此外,传统抛光方法,施加在磨粒上的垂直载荷可能会在被加表面产生划痕,而磁流变抛光不会在磨粒上产生一个垂直载荷,而仅仅是依靠切剪力实现材料去除[14 ] 。所 以,磁流变抛光不仅材料去除能力(尺寸和去除量)的调节非常简单,而且被加工表面质量好。从而可在保持相对高的、稳定的去除率的同时,加工出光滑、无损伤的表面。 313 在线修整固着磨料研磨方法 固着磨料高速研磨是在20 世纪60 年代发展起来的,我国是在20 世纪70 年代起步[7 ] 。其方法是先将散粒的磨粒固结起来制成丸片,再由丸片制成 不同形状的磨具,其构造如图4 所示。 图4 固着磨料丸片及其制作的磨具 固着磨料加工可以显著提高研磨加工效率。但是当磨具在研磨中出现磨损时,需要及时修整磨具,否则会因其精度下降而使被加工零件的精度下降。因此,通常固着磨料研磨的磨具表面上固结极耐磨的磨料,但这使得磨具的修整十分困难。为推动固着磨料研磨技术发展,国内外展开了广泛研究。最近Kim. D. J [15 ] 等针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂轮(A cast iron bonded diamond(CIB2D) wheel ) 采用电解修整( Elect rolytic In2 processDressing , EL ID) ,其修整示意见图5 。 图5 EL ID 修整示意图 EL ID 修整可在研磨加工过程中控制磨粒锐度,使磨具始终保持高效率研磨的能力。据报道,采用EL ID 修整,对研质合金和光学玻璃进行超精密 研磨, 表面粗糙度Ra 分别达到1017 nm 和1617 nm。314 化学机械抛光CMP[16 ]化学机械抛光( CMP , Chemical MechanicalPolishing) 是利用固相反应抛光原理的加工方法,原则上可以加工任何材料,是目前应用最为广泛的 一种抛光方法,其抛光质量和效率较高,技术比较成熟。目前主要有4 种模型来描述CMP 加工过程的研磨机理:即基于CMP 过程结果的唯象研究,这是一种机械模型,并未完全揭示磨损机理;基于流体动力学理论的模型,认为抛光液的腐蚀是主要磨损机理,忽略了抛光垫表面磨粒的机械磨损;基于接触理论的研究的模型,认为是抛光液中磨粒产生的磨损是CMP 的主要去除机理;最后一种模型则建立在接触力学和流体力学的基础上。但这些模型在揭示CMP 加工过程的本质上还有一定的局限性。国内外对CMP 的工艺以及关键技术也进行了大量的研究:如CMP 加工中磨粒影响的研究,抛光盘的研究,抛光液的研究,微电子材料的化学机械平面抛光的研究等。化学机械抛光由于能解决机械抛光所造成的划痕、凹坑、微裂纹等表面损伤,被广泛的应用于蓝宝石、单晶硅、砷化嫁、氮化硅等材料最后的精加工。如使用SiO2 来抛光蓝宝石,用BaCO3 ,CeO2 和Ca2CO3 来抛光单晶硅,用Fe2O3 和MgO 来抛光石英,并获得了光滑无损伤表面(表面粗糙度接近1 nm) 。 4 纳米级研磨装置 纳米级平面研磨已成为各种信息、光学等元件基片最常用也是最重要的加工方式。在传统的研磨或抛光机上用硬质研磨盘或软质抛光盘进行纳米级平面研磨或抛光时,由于盘面的变形和磨损会引起工件平面度恶化,因此,通常需凭工人的经验频繁地将研磨盘或抛光盘在标准平面上进行手工对研,以修正抛光盘面的变形,实现纳米级的平面加工。为了尽可能降低对工人熟练程度的要求、减小工作量和避免人为因素对加工过程影响,从设计原理上提出了一种修正环型平面抛光加工方法(中国专利,CN93108 13718) ,其原理如图6 所示。基于这一方法,一种采用修正环在线修整抛光盘技术及专家数据库系统控制的智能型纳米级抛光机被研制出[17219] ,如图7 所示。修正环在线修整技术可长期保证抛光盘平面精度,其专家数据库智能控制系统能实现抛光机的纳米级和亚纳米级的加工精度[20224] 。 5 总结和展望 超精密磨削和研磨将追随目前抛光能达到的的精度,另一方面,而抛光加工将向达到更高精度发展,且其加工效率也会不断提高。因此,超精密研磨、抛光等技术的研究,今后将更引人注目。历来,光系元件常常是最高精度的元件,其加工方法也处于最先进的地位。而当今各种射线产品的应用和开发,如X 线光系元件等,都需要更高精度的超细精密加工。此外,功能陶瓷材料以及许多高纯度化、高品质化、复合化的材料的大量应用,也要求超精密加工技术的发展。而STM (扫描隧道显微镜) 、AFM(原子力显微镜) 等运用于超精密测量,也给超精密加工技术的发展提供了新的技术手段, 可以认为,预言的纳米加工的新时代正在到来。 纳米级研磨技术及发展动向：http://www.szfangda.com.cn/news/20130208/471.html |
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