| 隨著各種超精密加工方法的提出,以及加工技術的不斷成熟,超精密加工已成為現代尖端產業重要的生產技術,超精密加工正迎來一個繁榮的時代。超精密加工技術,不僅要求高精度、高質量,而且要求低成本,要求高的再現性。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:利用磨具通過磨料作用於工件表麵,進行微量加工的過程。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量級,在這種加工尺度內,加工氛圍的化學作用就不得不引進,並加以重視。超精密研磨加工過程中的化學作用就成為其不可或缺的一部分。 1 微量材料去除的機械作用及化學作用 材料的去除加工法以切削、磨削和研磨為代表。加工麵的表麵粗糙度是機械的、化學的切削形成後的痕跡,而存在於加工變質層中的彈塑性變形及微小破壞可以認為是進行切削的機械能的一部分產生的。從超精密加工技術發展的角度,采用使表麵粗糙度和加工變質層都變小的切削生成條件是非常重要的。設想材料去除的最小單位是一層原子的話,那麽,最基本的材料去除是將表麵的一層原子與內部的原子切開。事實上,完全去除材料一層原子的加工是不可能的。機械加工還需要必然殘留有加工變質層,並且隨著工件性質及加工條件的不同,加工變質層的深度也不同。由於加工中還伴隨著化學反應等複雜現象[223 ] ,材料去除的原理為從一層原子到數層原子乃至數十層原子幾種狀態的複合。 圖1 所示是磨粒研磨加工的模型[4 ] 。 單個磨粒的磨削模型,可用磨粒對工件的機械作用的動作來描述,即按摩擦2耕犁2切削的動作順序進行。工件與磨粒的後刀麵摩擦產生發熱及原子紊亂,同時產生切屑並且露出新生麵。最新表麵的應力與工件材料的抗拉強度等值。而在加工中產生的化學反應,對材料的去除及減小加工變質層, 可能是有利的[526 ] 。在進行,例如超精密加工後的表麵粗糙度已經廣泛 應用STM ,AFM 檢測就是一例。總之,超精密加工技術仍然是當前需要發展的重要課題之一,也是當前科技進步中迫切需要的。在我國當前趕超世界科學技術水平的進程中,雖然尚存許多課題有待突破,但在實現我國攀登世界科技高峰的實踐中,超精密加工技術的研究和發展,尤為迫切和重要。 2 目前研磨技術的發展 磨粒加工是目前精密、超精密加工的主要方法,包括研磨、拋光技術和磨削技術,所能達到的精度量 級如圖2 所示。 圖2 各種加工方法的精度範圍研磨加工不僅正向更高的加工精度發展,而且加工質量也正在不斷提高,研磨幾乎可以加工任何固態材料。隨著人們對產品性能的要求日益提高(影響產品性能的主要因素包括其構件的加工精度和加工質量) ,研磨加工以其加工精度和加工質量高而越來越受到了人們的關注。特別是近年來信息、光學技術的發展,對光學零件不僅需求量增大,而且對其質量、精度都提出了很高的要求,而研磨作為光學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研磨技術的研究,以進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,國內外研磨加工主要還是采用散粒磨料在慢速研磨機上研磨。其特點是加工精度高、加工設備簡單、投資少,但是加工精度不穩定、加工成本高、效率低。正是由於散粒磨料研磨存在一些不足, 所以許多學者在研究改進這種研磨加工技術。 3 幾種納米級研磨加工方法 311 彈性發射加工 彈性發射加工( Elastic Emission Machining ,EEM) 見圖3 。發明者Mori 和Tsuwa[ 8 ] 描述,是一種新的“原子級尺寸加工方法”。EEM 使用一種軟 (在微小壓力下很容易發生變形) 的聚亞胺酯球作為拋光工具(“研磨工具”) ,同時控製旋轉軸與加工工件的接觸線保持45°角。拋光時,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,並強迫其在旋轉的聚亞胺酯球麵下方加工工件[9 ] ,並保持球與工件間的距離稍大於微粉尺寸。 圖3 EEM 裝置示意圖 通過采用多種方法(如光幹涉測量、掃描隧道顯微測量和加工麵電壓測量等) 觀測被加工表麵,證實EEM 可以使被加工零件的表麵實現包括形狀和變質層等要求的完美表麵[10211 ] 。通過分析在EEM 加工中采用的微粉化學成份和加工材料間關係,證實EEM 加工中存在化學作用。比較EEM 加工表麵與化學蝕刻加工表麵:發現EEM 加工表麵上沒有出現納米尺寸的凹坑;而這種凹坑在化學蝕刻加工表麵上是非常典型的。因此得出結論: EEM 加工中的化學作用是研磨微粉表麵的化學作用,不同於化學蝕刻加工時的蝕刻劑作用[12 ] 。 312 磁流變拋光 Kordonski[13 ] 20 世紀80 年代中期發明的磁流變拋光技術( Magneto2Rheological Finishing ,MRF) 是利用磁流變液的特性來改變其在磁場中的黏性。即含有去離子水,鐵質微粉,磨粒和經處理過的其他物質的磁流變液由泵驅動穩定地循環,當在有磁力作用的區域,其表現為固體形式，進行研磨;而在無磁力作用時,其表現為液體形式,磁流變液的這2 種形態在循環中交替出現。磁流變拋光的去除能力能夠保持非常穩定。因為材料去除量與磁流變液的黏度有關,而其黏度可以通過監控,保持其變動範圍在±1 %內。因而,磁流變拋光是一個可控的加工方法。此外,傳統拋光方法,施加在磨粒上的垂直載荷可能會在被加表麵產生劃痕,而磁流變拋光不會在磨粒上產生一個垂直載荷,而僅僅是依靠切剪力實現材料去除[14 ] 。所 以,磁流變拋光不僅材料去除能力(尺寸和去除量)的調節非常簡單,而且被加工表麵質量好。從而可在保持相對高的、穩定的去除率的同時,加工出光滑、無損傷的表麵。 313 在線修整固著磨料研磨方法 固著磨料高速研磨是在20 世紀60 年代發展起來的,我國是在20 世紀70 年代起步[7 ] 。其方法是先將散粒的磨粒固結起來製成丸片,再由丸片製成 不同形狀的磨具,其構造如圖4 所示。 圖4 固著磨料丸片及其製作的磨具 固著磨料加工可以顯著提高研磨加工效率。但是當磨具在研磨中出現磨損時,需要及時修整磨具,否則會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麵上固結極耐磨的磨料,但這使得磨具的修整十分困難。為推動固著磨料研磨技術發展,國內外展開了廣泛研究。最近Kim. D. J [15 ] 等針對鑄鐵結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) ,其修整示意見圖5 。 圖5 EL ID 修整示意圖 EL ID 修整可在研磨加工過程中控製磨粒銳度,使磨具始終保持高效率研磨的能力。據報道,采用EL ID 修整,對研質合金和光學玻璃進行超精密 研磨, 表麵粗糙度Ra 分別達到1017 nm 和1617 nm。314 化學機械拋光CMP[16 ]化學機械拋光( CMP , Chemical MechanicalPolishing) 是利用固相反應拋光原理的加工方法,原則上可以加工任何材料,是目前應用最為廣泛的 一種拋光方法,其拋光質量和效率較高,技術比較成熟。目前主要有4 種模型來描述CMP 加工過程的研磨機理:即基於CMP 過程結果的唯象研究,這是一種機械模型,並未完全揭示磨損機理;基於流體動力學理論的模型,認為拋光液的腐蝕是主要磨損機理,忽略了拋光墊表麵磨粒的機械磨損;基於接觸理論的研究的模型,認為是拋光液中磨粒產生的磨損是CMP 的主要去除機理;最後一種模型則建立在接觸力學和流體力學的基礎上。但這些模型在揭示CMP 加工過程的本質上還有一定的局限性。國內外對CMP 的工藝以及關鍵技術也進行了大量的研究:如CMP 加工中磨粒影響的研究,拋光盤的研究,拋光液的研究,微電子材料的化學機械平麵拋光的研究等。化學機械拋光由於能解決機械拋光所造成的劃痕、凹坑、微裂紋等表麵損傷,被廣泛的應用於藍寶石、單晶矽、砷化嫁、氮化矽等材料最後的精加工。如使用SiO2 來拋光藍寶石,用BaCO3 ,CeO2 和Ca2CO3 來拋光單晶矽,用Fe2O3 和MgO 來拋光石英,並獲得了光滑無損傷表麵(表麵粗糙度接近1 nm) 。 4 納米級研磨裝置 納米級平麵研磨已成為各種信息、光學等元件基片最常用也是最重要的加工方式。在傳統的研磨或拋光機上用硬質研磨盤或軟質拋光盤進行納米級平麵研磨或拋光時,由於盤麵的變形和磨損會引起工件平麵度惡化,因此,通常需憑工人的經驗頻繁地將研磨盤或拋光盤在標準平麵上進行手工對研,以修正拋光盤麵的變形,實現納米級的平麵加工。為了盡可能降低對工人熟練程度的要求、減小工作量和避免人為因素對加工過程影響,從設計原理上提出了一種修正環型平麵拋光加工方法(中國專利,CN93108 13718) ,其原理如圖6 所示。基於這一方法,一種采用修正環在線修整拋光盤技術及專家數據庫係統控製的智能型納米級拋光機被研製出[17219] ,如圖7 所示。修正環在線修整技術可長期保證拋光盤平麵精度,其專家數據庫智能控製係統能實現拋光機的納米級和亞納米級的加工精度[20224] 。 5 總結和展望 超精密磨削和研磨將追隨目前拋光能達到的的精度,另一方麵,而拋光加工將向達到更高精度發展,且其加工效率也會不斷提高。因此,超精密研磨、拋光等技術的研究,今後將更引人注目。曆來,光係元件常常是最高精度的元件,其加工方法也處於最先進的地位。而當今各種射線產品的應用和開發,如X 線光係元件等,都需要更高精度的超細精密加工。此外,功能陶瓷材料以及許多高純度化、高品質化、複合化的材料的大量應用,也要求超精密加工技術的發展。而STM (掃描隧道顯微鏡) 、AFM(原子力顯微鏡) 等運用於超精密測量,也給超精密加工技術的發展提供了新的技術手段, 可以認為,預言的納米加工的新時代正在到來。 納米級研磨技術及發展動向：http://www.donglongfz.com/news/20130208/471.html |
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