超光滑表面加工技術(shù)研究進(jìn)展*

文東輝，周海鋒，徐 釘，樸鐘宇

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014)

0 引言

超光滑表面加工技術(shù)伴隨著21世紀(jì)光學(xué)、光電子學(xué)以及納米薄膜技術(shù)的快速發(fā)展地位日益突出。高能激光反射鏡、軟X 射線光學(xué)系統(tǒng)、激光陀螺反射鏡、計(jì)算機(jī)芯片、新型電光源、航空航天器材、納米薄膜制備所需的襯底等高科技產(chǎn)品都對(duì)材料表面質(zhì)量提出了極高的要求［1-2］。特別是納米薄膜制備過程中的沉積襯底，襯底是納米薄膜生長(zhǎng)的基石，且直接決定納米薄膜的質(zhì)量特性，高質(zhì)量的納米薄膜不但需要極低的表面粗糙度，并對(duì)亞表面的位錯(cuò)、應(yīng)力等物理缺陷都有苛刻的要求［3-4］。因此，如何高效穩(wěn)定地獲得超光滑、低損傷的超光滑表面加工技術(shù)已成為超精密加工的一個(gè)重要分支，并且受到越來越高的重視。

1 超光滑表面加工技術(shù)原理

目前，在拋光過程中，材料的去除模型被人們普遍接受的是Preston 方程。該方程表示如下:

式中:Z—拋光材料去除量，μm;K—Preston 系數(shù)，與工藝參數(shù)、被加工材料等有關(guān)，N/m2;P—工件表面與拋光工具間的壓力，N/m2;V—拋光工具與工件表面間的相對(duì)切向速度，m/s;T—拋光時(shí)間，s。

從Preston 經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，材料的去除是眾多因素共同作用的結(jié)果。以機(jī)械切削為主的傳統(tǒng)拋光中，認(rèn)為拋光是以磨粒極小量塑性切削生成切屑的過程，就像無數(shù)把車刀切削工件的表面［5］。在超光滑表面加工過程中，材料的去除是在原子水平下進(jìn)行的，從材料上去除表面的原子所需的能量要比破壞表層原子結(jié)合所需的能量少，凸出部分最易受到?jīng)_擊而被去除。因此，工件表面的微觀凸起部分受到磨粒一定次數(shù)的撞擊后，表層原子就會(huì)脫落，從而實(shí)現(xiàn)材料原子級(jí)別的去除［6］。

2 超光滑表面拋光技術(shù)

傳統(tǒng)的接觸式機(jī)械拋光過程是在瀝青拋光盤上加上拋光液來加工各種硬脆性材料。其加工過程時(shí)間不確定，容易產(chǎn)生劃痕，對(duì)亞表面損傷較大，難以滿足現(xiàn)代科技發(fā)展對(duì)超光滑表面加工的需要。隨著人們對(duì)原子級(jí)超光滑表面形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷的深入、高精度機(jī)床的出現(xiàn)以及超光滑表面檢測(cè)技術(shù)水平的提高，出現(xiàn)了許多應(yīng)用化學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等原理的非接觸式加工方法。非接觸式拋光方法能大幅度提高工件的表面質(zhì)量，因而成為超光滑表面加工技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向。下面將介紹幾種非接觸式超光滑表面加工技術(shù)，總結(jié)其加工原理、特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展。

2.1 彈性發(fā)射加工

日本大阪大學(xué)的Mori［7］首先提出彈性發(fā)射加工，該方法是利用電機(jī)帶動(dòng)聚氨酯球高速旋轉(zhuǎn)，在聚氨酯球與工件之間形成的流體動(dòng)壓流來促使磨粒以近似水平角度沖擊工件表層凸起的原子堆，造成工件表層原子晶格的空位、工件原子和磨粒原子相互擴(kuò)散，形成與工件表層其他原子結(jié)合力較弱的雜質(zhì)點(diǎn)缺陷，當(dāng)具有沖擊力的磨粒再次撞擊這些缺陷時(shí)，雜質(zhì)點(diǎn)原子、與其相鄰的幾個(gè)原子以及工件表層凸起原子將一起被移除，其拋光裝置如圖1所示。

圖1 彈性發(fā)射加工裝置示意圖

要獲得理想的加工效果，磨粒的直徑應(yīng)小于液膜的厚度，一般是納米級(jí)別的拋光粒子。韓國(guó)學(xué)者Jeong［8］對(duì)彈性發(fā)射加工拋光區(qū)域的壓力、速度進(jìn)行分析，并對(duì)磨粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真以此來揭示材料的去除機(jī)理。Kutbota 等［9-10］對(duì)彈性發(fā)射加工中磨粒的形態(tài)對(duì)材料去除率的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明磨粒相對(duì)表面積越大，形態(tài)越不規(guī)則，其材料去除率也就越大，通過實(shí)驗(yàn)獲得理想的光學(xué)微晶玻璃超光滑表面。

Joshi 等［11］對(duì)高硬度ONHS 鋼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了彈性發(fā)射加工過程中液動(dòng)壓潤(rùn)滑區(qū)的材料的去除機(jī)理。國(guó)內(nèi)學(xué)者趙繼等［12］首次建立了納米級(jí)磨粒撞擊工件表面微觀粗糙峰的理論模型，驗(yàn)證了納米磨粒沖擊工件表面可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面粗糙峰的原子級(jí)加工去除，并對(duì)K9 玻璃展開實(shí)驗(yàn)研究，獲得了較好的加工效果。

2.2 磁流變拋光

磁流變拋光是一種將電磁學(xué)理論、流體動(dòng)力學(xué)、分析化學(xué)等相結(jié)合的一種先進(jìn)的加工方法。該方法最早由白俄羅斯的研究人員提出，經(jīng)美國(guó)Rochester 大學(xué)加工中心(COM)研究人員對(duì)磁流變拋光理論、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究，使磁流變拋光獲得快速的發(fā)展［13］。

磁流變拋光原理如圖2所示。

圖2 磁流變拋光原理圖

拋光盤與工件之間保持一個(gè)微小的間隙不變，電磁鐵芯置于工件的下方，通電時(shí)在拋光盤與工件間形成高梯度磁場(chǎng)。磁流變拋光液經(jīng)蠕動(dòng)泵進(jìn)入拋光區(qū)域，在磁場(chǎng)的作用下，拋光液產(chǎn)生磁變效應(yīng)，使拋光液變成為一個(gè)拋光“小磨頭”并與工件保持較快的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使工件表面凸峰原子堆受到較大的剪切力，從材料表面脫落，從而實(shí)現(xiàn)材料的原子級(jí)去除。

COM 通過相關(guān)研究認(rèn)為磁流變拋光過程中拋光液的運(yùn)動(dòng)形式與軸承潤(rùn)滑中潤(rùn)滑脂的運(yùn)動(dòng)相類似，并建立了材料去除模型，研制了垂直布置的磁流變拋光機(jī)，還對(duì)玻璃光學(xué)元器件進(jìn)行了相應(yīng)的拋光實(shí)驗(yàn)，使表面粗糙度接近1 nm RMS 左右。

此外，COM 又對(duì)磁流變拋光液展開了一系列的研究，并與QED 公司合作開發(fā)了適用于非球面器件加工的Q22 系列磁流變拋光機(jī)，如圖3所示。

圖3 Q22-XE 磁流變拋光機(jī)

Zhuravskii 等［14］對(duì)拋光參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量、加工效率的影響展開了研究。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了磁流變拋光樣機(jī)，對(duì)玻璃材料進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，研究了拋光參數(shù)對(duì)拋光去除特性的影響，并把超聲加工技術(shù)引入到磁流變加工中，開展超聲波磁流變復(fù)合拋光技術(shù)的研究［15-16］。此外，長(zhǎng)春光學(xué)精密研究所和清華大學(xué)也開發(fā)了相應(yīng)的磁流變拋光設(shè)備，其中，清華大學(xué)對(duì)K9 玻璃進(jìn)行近半個(gè)小時(shí)的加工表面粗糙度達(dá)到0.673 9 nm［17］。

2.3 超聲波拋光

超聲波拋光是利用適當(dāng)功率的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲振動(dòng)能量，驅(qū)動(dòng)拋光液中的磨粒作高頻振動(dòng)，磨粒與工件表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)沖擊工件表面，由此實(shí)現(xiàn)材料的原子級(jí)去除［18］。超聲加工是磨粒在超聲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械碰撞、拋磨作用與超聲空化作用的綜合結(jié)果。近年來，科研人員以超聲波拋光為基礎(chǔ)開發(fā)了超聲磨料流拋光、聲懸浮拋光、機(jī)器人超聲研磨拋光以及超聲波復(fù)合拋光等技術(shù)［19-20］。

其中，聲懸浮拋光是超聲拋光的一個(gè)重要方向，超聲波在拋光液中傳播時(shí)產(chǎn)生的聲壓幅值超過液體本身的空化閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)，伴隨著局部能量的集中出現(xiàn)高溫、高壓、沖擊波和高速射流等現(xiàn)象，利用該現(xiàn)象可以使磨粒高速?zèng)_擊工件表面。沖擊過程中，磨粒的速度分解為垂直方向v1和水平方向v2。垂直方向沖擊使金屬材料實(shí)現(xiàn)塑性應(yīng)變，而水平方向沖擊可以實(shí)現(xiàn)工件表面微觀凸起部分的去除。

聲懸浮拋光原理如圖4所示。

圖4 聲懸浮拋光原理示意圖

王正偉等人［21-22］開發(fā)了聲懸浮拋光試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)拋光槽內(nèi)的聲壓進(jìn)行數(shù)值模擬，采用水聽器法、染色法分析了拋光槽內(nèi)部聲場(chǎng)的分布特性，結(jié)果表明，聲壓幅值的大小在發(fā)射端與反射端之間呈正弦規(guī)律變化。此外，他們還利用PIV 觀測(cè)了拋光槽內(nèi)流場(chǎng)分布，測(cè)試表明磨粒的運(yùn)動(dòng)情況大致與聲壓等勢(shì)線的方向一致，并在拋光槽內(nèi)聲壓強(qiáng)度不同的位置對(duì)硅片、鎢鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了超聲空化對(duì)加工效果的影響。

林云［23］主要對(duì)聲懸浮拋光作用下工件表面殘余應(yīng)力松弛進(jìn)行了研究，根據(jù)彈塑性力學(xué)理論建立了磨粒沖擊工件表面的理論模型，通過有限元分析揭示了聲懸浮拋光時(shí)對(duì)工件表面殘余應(yīng)力松弛效應(yīng)以及沖擊載荷對(duì)殘余松弛過程的作用規(guī)律，最后通過對(duì)聲懸浮拋光后的工件的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，證實(shí)聲懸浮拋光加工方法具有表面低殘余應(yīng)力的加工特征。

2.4 浮法拋光

浮法拋光的拋光裝置示意圖如圖5所示。

該裝置采用帶有同心圓或螺旋溝槽的高平面度的錫拋光盤，由高回轉(zhuǎn)精度的主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在拋光液浸沒環(huán)境下，同時(shí)錫盤繞自身軸線定軸旋轉(zhuǎn)，在拋光盤與工件之間形成一層微米級(jí)的液膜，磨粒在液膜中不斷碰撞浮離工件的表面，工件表面最外層原子與磨粒表面最外層原子在接觸點(diǎn)的局部高溫高壓作用下發(fā)生相互擴(kuò)散，從而使工件表面最外層原子的結(jié)合能降低，然后被后續(xù)的磨粒碰撞而被去除。該方法最初由日本學(xué)者Namba［24］提出，并對(duì)此展開深入的研究。經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)研究表明，浮法拋光技術(shù)可用于熔融石英、微晶玻璃等硬脆材料的加工，能獲得粗糙度2.0 ?、平面度高達(dá)λ/20 的原子級(jí)超光滑表面，并且拋光時(shí)間與工件表面的初始狀態(tài)有關(guān)。池憲等［25］利用浮法拋光方法對(duì)GCr15 軸承鋼展開工藝實(shí)驗(yàn)研究，獲得了無加工變質(zhì)層的納米級(jí)超光滑表面。

圖5 浮法拋光加工裝置示意圖

2.5 動(dòng)壓浮離拋光

動(dòng)壓浮離拋光是日本學(xué)者渡邊純二［26］基于動(dòng)壓推力軸承工作原理提出的一種非接觸式超光滑表面加工技術(shù)。

其動(dòng)壓浮離拋光裝置示意圖如圖6所示。

圖6 動(dòng)壓浮離拋光裝置示意圖

圖6 中，在沿圓周方向上分布著若干個(gè)傾斜平面的圓盤在液體浸沒環(huán)境下旋轉(zhuǎn)，拋光液流經(jīng)楔形產(chǎn)生液動(dòng)壓使工件浮離圓盤表面，處在間隙間的拋光粒子對(duì)工件表面微觀凸起的區(qū)域不斷碰撞，進(jìn)行拋光加工，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料原子水平下的去除，利用該加工方法可使3 英寸的硅片表面粗糙度達(dá)到1 nm(Ra)。丁少杰［27］通過理論分析與數(shù)值模擬的方法對(duì)楔形、L 形和拋物線形3 種結(jié)構(gòu)化流道產(chǎn)生液動(dòng)壓的能力進(jìn)行對(duì)比分析，并分析了浮力與拋光盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，還運(yùn)用高速攝影技術(shù)觀測(cè)了拋光狀態(tài)下磨粒的運(yùn)動(dòng)及分布情況。

2.6 磨料水射流拋光

磨料水射流拋光最早由荷蘭TNO 應(yīng)用物理研究所的Faehnle 等［28-29］開發(fā)的，經(jīng)過多年的研究，拋光后工件表面粗糙度已達(dá)到1 nm(Ra)左右，并且可使拋光去除點(diǎn)的重復(fù)性控制在±5%內(nèi)。他還開發(fā)了磨料水射流數(shù)控拋光機(jī)床。在磨料水射流拋光中拋光液經(jīng)機(jī)械攪拌后由噴槍的噴嘴形成射流噴出，磨粒與工件表面的高速碰撞而產(chǎn)沖蝕、剪切的作用，達(dá)到對(duì)材料表面凸峰的去除。通過調(diào)整噴射的壓力、角度、時(shí)間等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)工件表面面形誤差的修正，拋光液經(jīng)回收裝置可循環(huán)使用。

日本學(xué)者Horiuchi 等［30］對(duì)磨料射流拋光技術(shù)展開試驗(yàn)研究，采用濃度0.8%的氧化鋁拋光液，磨粒直徑約0.6 μm，以91 m/s 的速度對(duì)BK7 進(jìn)行拋光試驗(yàn)，結(jié)果顯示工件面形PV 由151 nm 降至29 nm，粗糙度也有一定程度的降低，此外還研究了工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響。國(guó)內(nèi)蘇州大學(xué)的方慧［31-32］對(duì)射流拋光過程中的邊緣效應(yīng)通過仿真、試驗(yàn)的研究證實(shí)射流拋光不會(huì)出現(xiàn)邊緣效應(yīng)問題。中科院成都光電技術(shù)研究所施春燕［33-34］對(duì)射流拋光材料的去除模型進(jìn)行深入的理論分析并建立模型，通過實(shí)驗(yàn)證明了模型的正確性。此外，他還對(duì)射流拋光沖擊角度對(duì)材料去除面形的影響展開了研究。

國(guó)防科技大學(xué)李兆澤［35］針對(duì)射流拋光的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出傾斜旋轉(zhuǎn)式拋光光系統(tǒng)，并對(duì)噴嘴進(jìn)行仿真優(yōu)化，從彈性波理論及其能量分布的角度，分析射流沖擊中材料的去除機(jī)理，得到垂直與傾斜沖擊下材料去除的理論公式，通關(guān)相關(guān)分析表明射流拋光材料的去除主要是磨粒與工件表面微觀凸起部分高速碰撞過程中剪切力作用的結(jié)果，并通過實(shí)驗(yàn)獲得不同角度沖擊下材料的去除函數(shù)，進(jìn)而對(duì)去除函數(shù)的修形能力進(jìn)行了研究。

最后，他對(duì)矩形平面鏡和Φ21 mm 的小圓形平面鏡進(jìn)行修形試驗(yàn)，結(jié)果表明，磨料水射流拋光具有較高的面形誤差收斂比，適用于超光滑光學(xué)鏡面面形修整［36-37］。

3 超光滑表面加工存在的問題

超光滑表面加工技術(shù)正在不斷發(fā)展之中并取得一定的成績(jī)，各類新型的拋光方法也在開發(fā)，如離子束拋光、氣囊拋光等。但是目前各類拋光表面加工技術(shù)也存在著不足之處。

對(duì)上述拋光方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 超光滑表面加工方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)對(duì)目前超光滑表面加工技術(shù)存在的問題總結(jié)如下:

(1)對(duì)于拋光過程中材料去除機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠深入，有待于進(jìn)一步加強(qiáng)基本理論與加工工藝方面的研究;

(2)由于拋光過程中受具體工況的限制，拋光區(qū)域的壓力難以精確控制與檢測(cè)，無法對(duì)材料的去除量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，可開發(fā)精度高、響應(yīng)快的壓力測(cè)量系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)拋光區(qū)域壓力的在線檢測(cè);

(3)拋光加工所需設(shè)備對(duì)精度和穩(wěn)定性要求較高，急需開發(fā)控制精度高、剛度好、智能化、人性化、可靠性高、低成本的拋光設(shè)備以及高精度低成本的專用檢測(cè)裝置;

(4)大多數(shù)超光滑表面加工技術(shù)對(duì)設(shè)備的依賴程度較高，新型加工原理的超光滑表面加工方法有待開發(fā);

(5)目前超光滑表面加工成本較高，效率低下，難以推廣實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的要求。

4 結(jié)束語

超光滑表面的應(yīng)用范圍將越來越廣，其在民品中的比例不斷增大，這就要求超光滑表面加工不僅要獲得高精度、少無損傷的超光滑表面，而且還要向著自動(dòng)化、綠色化、低成本、高效率的方向發(fā)展，并且批量加工產(chǎn)品的一致性變得越來越重要。然而目前超光滑表面加工普遍存在效率低、成本高的問題。因此，需要深入研究超光滑表面加工材料的去除機(jī)理及復(fù)合化、無損傷的批量加工工藝，優(yōu)化原有的加工方法，開發(fā)新型的加工原理的方法，以減少對(duì)拋光設(shè)備的依賴，降低加工成本。

目前，非接觸式的拋光方法以其加工精度高、亞表面損傷少的優(yōu)勢(shì)仍將會(huì)成為未來超光滑表面加工技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。各類非接觸式的拋光方法中，沒有出現(xiàn)同時(shí)滿足加工效率高、精度好、成本低，且不受工件形狀、尺寸、材料限制等要求的拋光方法，因此，還有待于對(duì)非接觸式超光滑表面加工技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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