微晶玻璃研磨抛光超光滑表面粗糙度的工艺研究

２００７年　１２月　郑州大学学报（工学版）　Ｄｅｃ．　２００７　第２８卷　第４期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　ＶｏＬ　２８　Ｎｏ．４　文章编号：１６７１—６８３３（２００７）０４—０１２６—０３　微晶玻璃研磨抛光超光滑表面粗糙度的工艺研究　刘春红，李成贵，张庆荣，贾世奎　（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京１０００８３）　摘要：研磨抛光采用浸液式定偏心锡磨盘抛光方式，研究抛光液浓度、ＰＨ值、上下研磨盘转速、抛光　时间等参数对微晶玻璃超光滑表面粗糙度的影响，粗糙度的测量采用ＮＴ１１００干涉仪．实验结果表明：粗　糙度受ＰＨ值影响比较大；试件在低浓度弱碱抛光液中，延长抛光时间可降低表面粗糙度值并获得高质　量的表面，最终测得表面粗糙度为Ｒ　＝０．３７　ｎｍ．　关键词：微晶玻璃；研磨抛光；粗糙度；工艺　中图分类号：ＴＱ　１７１．６　８４　文献标识码：Ａ　０　引言　图１为试件抛光前用ＮＴ１１００轮廓仪测得的　表面形貌，粗糙度值Ｒａ＝１．０５８　ｎｍ　微晶玻璃是２０世纪６０年代发展起来的新型　光学材料，它又称为玻璃陶瓷．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．由于其特殊的制　造工艺，最后制得的材料是非常均匀而致密的，整　体在某一温度区域的膨胀系数达到或接近于零，　故称这种玻璃是具有零膨胀系数的玻璃．它还有　许多宝贵的特殊性能，如机械强度高、硬度及耐磨　性高、重量轻、热稳定性好、介电常数高，在高频高　图１抛光前试件表面形貌　温下介电损失系数小等．随着光学、光电子技术的　Ｆｉｇ．１　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ　ｏｆ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　发展，微晶玻璃己在很多领域得到了广泛的应用，　ｂｅｆｏｒｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　如天文望远镜、激光陀螺系统中的反射镜基片等．　由于微晶玻璃中无数微小晶粒的存在，大家都认　１．１　抛光液ｐＨ值对表面粗糙度的影响　为很难得到超光滑高质量的表面．笔者主要以微　经过选取不同的ｐＨ值，所得试件表面的粗　晶玻璃为研究对象，研究影响其超光滑表面粗糙　糙度与ｐＨ值的关系曲线如图２所示．　度各工艺参数之问的关系，为超精密加工提供　由图２可以看出，粗糙度受ｐＨ值影响比较　依据¨　．　大，抛光液ｐＨ值在８～８．５范围内的情况下，粗　糙度值较低，容易获得高质量的表面．　１　实验部分　抛光中，微晶玻璃表面较活泼的Ｌｉ　０、Ａ１　０　微晶玻璃超精密加工采用浸液式定偏心锡磨　与抛光液中Ｈ　０的结合，电离出微量的ＯＨ一，抛　盘研磨抛光方式．笔者主要研究抛光液浓度、ｐＨ　光中摩擦产生的局部高温，促进酸性溶液中Ｈ　值、上下研磨盘转速、抛光时间等参数对超光滑表　与ＯＨ一的结合，进而促进Ｌｉ　０、Ａ１　０，和Ｈ　０进　面粗糙度的影响．粗糙度Ｒａ取３点的平　步结合，大量的Ｌｉ　、Ａｌ”形成并进入溶液，所　均值　．　以酸性环境抛光腐蚀占主体，粗糙度受影响，碱性　溶液抑制了ＯＨ一的电离，腐蚀很小，主要靠处于　收稿日期：２００６—０９—１２；修订日期：２００７—０９—２９　基金项目：北京市自然基金资助项目（３０５２０１２）　作者简介：刘春红（１９８２一），女，黑龙江鹤岗人，北京航空航天大学硕士研究生，主要从事超光滑表面完整性方面的　研究工作．　第４期　刘春红等　微晶玻璃研磨抛光超光滑表面粗糙度的工艺研究　１２７　工件与锡盘之间的胶体ＳｉＯ　对表面凸起部分的　轻擦和凸起表面的塑性流动来改善．所以，碱性溶　液能获得较好的表面．但是，ｐＨ值过大，抛光液中　ＯＨ一增多，同样会增加工件表面的腐蚀，导致表　面质量变差　．　暑　精　懈　图２表面粗糙度值与ＰＨ值的关系曲线　Ｆｉｇ．２　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ＰＨ　ｖａｌｕｅ　１．２抛光液浓度对表面粗糙度的影响　经选取不同的抛光液浓度，所得试件表面粗　糙度与抛光液浓度的关系曲线如图３所示．　暑　精　图３表面租糙度与抛光液浓度的关系曲线　Ｆｉｇ．３　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｆｌｕｉｄ　由图３可以看出，抛光液浓度越高，粗糙度值　就越大．这是因为抛光液浓度高，磨料粒子与微晶　玻璃表面原子之间的扩散速度快．浓度高，工件表　面材料被磨料粒子擦除的概率大，这无疑增加微　晶玻璃表面材料的去除量．由理论分析知，工件表　面各点相对锡磨盘运动轨迹长度有差异，当去除　量增加时，工件表面各点材料去除差异增加，这自　然就影响了表面粗糙度…．　１．３磨盘转速对表面粗糙度的影响　经选取不同的磨盘转速，所得的试件表面粗　糙度与转速的关系如图４所示．　由图４中所示转速在４５～５５　ｒ／ｍｉｎ范围内粗　糙度值较低，太高不利于获得超光滑表面．转速高　时，胶体Ｓｉ０　粒子动能增加，故与微晶玻璃表面　原子之间碰撞、扩散成功的概率增加；而且磨料粒　子在单位时间滑过工件表面的次数增加，表面活　泼原子、化学反应物被擦除的速度增加，这些都增　加微晶玻璃表面材料去除量，提高抛光效率，但由　于表面各点去除差异随之增加，获得的表面粗糙　度精度低　．　暑　精　图４表面租糙度与转速的关系　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｒｏｔａｔｅ　ｓｐｅｅｄ　１．４抛光时间对表面粗糙度的影响　经不同的抛光时间，所得试件表面粗糙度与　时间的关系曲线如图５所示　暑　精　图５表面租糙度与时间的关系曲线　Ｆｉｇ．５　Ｒｅ￣ｆｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｔｉｍｅ　随着研磨时间延长，微晶玻璃表面粗糙度精　度逐渐提高，抛光时间在４～４．５　ｈ范围内，曲线　趋于水平状态，说明抛光时间达到４　ｈ以后，粗糙　度值趋于稳定，如图５所示．随着时间延长，正是　锡盘通过磨料对微晶玻璃表面修整的过程．工件　与锡盘之间的抛光液层在压力作用下具有刚性，　当其滑过微晶玻璃表面时，凸起部分首先被擦除．　抛光初始，微晶玻璃与锡盘接触面积小，压强大，　去除率高，由于化学作用形成的表层化合物被去　除得快，新表层不断暴露；随着抛光的进行，两者　１２８　郑州大学学报（工学版）　２００７矩　之间接触面积增大，压力小，工件与锡盘之间的抛　光液变少，擦划减少；随抛光液中微晶玻璃组成元　素浓度的增加，扩散速度减慢，去除率降低　．　若抛光时间太短，微晶玻璃表层材料的去除还没　有完全改变其初始变质层，表面精度仍然低；随着　（４）随着抛光时间的延长，微晶玻璃表面粗　糙度值逐渐降低，但时间太长影响抛光效率和抛　光精度，所以，抛光时间选择在４—４．５　ｈ范围内　为宜．　时间延长，表面精度终将趋于某一稳定值，表面质　参考文献：　［１］　张飞虎，谢大纲，赵清亮．微晶玻璃低温抛光表面微　观形貌的研究［Ｊ］．机械工程学报，２００２，３８（１）：８７　量改善效果不明显．时间太长，锡盘本身的磨损、　完美表面被腐蚀等将会影响抛光精度．　根据以上分析，选取最优实验方案后对试件　进行加工，用ＮＴ１１００轮廓仪测得的表面形貌如　图６所示．最终获得微晶玻璃表面粗糙度为Ｒａ＝　０．３７　ｎｍ．　９０．　［２］　张红霞，殷伯华，吴明根，等．超光滑高精度微晶玻　璃的平面抛光工艺［Ｊ］．制造技术与机床，１９９９，　（１２）：４１—４３．　［３］　王金林，陈　明，韩荣久，等．激光陀螺超光滑反射　镜基片的光学加工和检测技术［Ｊ］．航空精密制造　技术，２００３，３９（２）：５—９．　［４］谢会东，王晓青，沈光球．晶体的超精密抛光［Ｊ］．人　工晶体学报，２００４，３３（６）：１０３５—１０４０．　［５］　陈　飞，周　海，姚斌，等．加弧光离子无氢渗碳　对钛合金表面粗糙度的影响［Ｊ］．热加工工艺，　２００３，（４）：３１—３３．　［６］　高宏刚，曹健林，朱镛，等．超光滑表面及其制造　技术发展【Ｊ］．物理，２０００，２９（１０）：２１０—２１４．　［７］　赵萍，范鹏飞，袁巨龙，等．功能陶瓷超精密加工　技术［Ｊ］．航空制造技术，２００３，（４）：６３—６６．　［８］ＬＡＭＢＲＯＰＯＵＬＯＳ　Ｊ　Ｃ．Ｇｌａｓｓ．ｃｅｒａｍｉｃ：ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ　ｍｉｃｒｏｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｌａｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ【Ｃ］．ＳＰＩＥ，３１３４：　１７８—１８９．　［９］　陈杨，陈建清，陈志刚．超光滑表面抛光技术［Ｊ］．　江苏大学学报：自然科学版，２００３，２４（５）：５５—５９．　［１０］　ＣＨＡＮＧ　Ｇ．Ｗ，ＹＡＮ　Ｂ·Ｈ，ＨＳＵ　Ｒ·Ｔ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｃｙｌｉｎｄｒｉ．　ｃａｌ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｂｒａｓｉｖｅ　ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ｕｎｂｏｎｄｅｄ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ａｂｒａｓｉｖｅｓ　ｆ　Ｊ　１．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌｓ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２ＯＯ２，４５（５）：５７５—５８３．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｕｐｅｒ　Ｓｍｏｏｔｈ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｐｏｌｉｓｈｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｇｌａｓｓ　ＬＩＵ　Ｃｈｕｎ—ｈｏｎｇ，ＬＩ　Ｃｈｅｎｇ—ｇｕｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｑｉｎｇ—ｒｏｎｇ，ＪＩＡ　Ｓｈｉ—ｋｕｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｍａｎｎｅｒ　ｏｆ　ｆｉｘｅｄ　ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ　ｉｍｍｅｒｓｅｄ　ｔｉｎ　ｌａｐ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｌａｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｆｌｕｉｄ，ＰＨ　ｖａｌｕｅ，ｒｏｔａｔｅ　ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｏｎ　ｓｕｐｅｒ　ｓｍｏｏｔｈ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｇｌａｓｓ　ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ＮＴ１　１００　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕ—　ｅｎｃｅ　ｏｆ　ＰＨ　ｖａｌｕｅ　ｏｎ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｓ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｏｔｈｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓ—　ｉｎｇ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ｉｎ　ｌｏｗ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｌｋａｌｅｓｃｅｎｔ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｆｌｕｉｄ，ａｎｄ　ｈｉｇｈ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｑｕａｌｉ—　ｔｙ　ｉｓ　ｓｅｃｕｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，Ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｏｆ　Ｒａ　ｉｓ　０．３７　ｎｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ　ｇｌａｓｓ；ｌａｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ