超硬微结构光学表面振动辅助抛光工艺研究（原版论文） .pdf

硕士学位论文硕士学位论文 超硬微结构光学表面振动辅助抛光工艺研究 ultrasonic assisted chemical-mechanical polishing of superhard micro-structured optical surface 武昌壕武昌壕 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2013 年年 7 月月 国内图书分类号：th161+.1 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工工学学硕士学位论文硕士学位论文 超硬微结构光学表面振动辅助抛光工艺研究 硕 士 研 究 生 ： 武昌壕 导 师 ： 赵清亮 教授 申 请 学 位 ： 工学硕士 学科 ： 机械制造及其自动化 所 在 单 位 ： 机电工程学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: th161+.1 u.d.c: 621 dissertation for the master degree in engineering ultrasonic assisted chemical mechanical polishing of superhard micro-structured optical surface candidate： wu changhao supervisor： prof. zhao qingliang academic degree applied for： master of engineering speciality： mechanical manufacturing and automation affiliation： school of mechanical engineering date of defence： july, 2013 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 微结构光学功能表面有着传统光学表面所无法相比的优势和特性，广泛地应 用在航天、电子、光学数字通信、微机器人和生物医疗行业中。随着对光学元件 性能的要求不断提高，碳化硅和碳化钨等具有耐高温、耐腐蚀、高硬度、质轻等 优良特性的硬脆材料正在逐步代替传统的模具钢材料，广泛应用于模具的生产中。 玻璃模压技术是批量生产微结构光学元件的最经济手段，光学元件精度的保证需 要依靠模具的加工质量，而抛光技术是保证模具加工质量的关键。本课题针对超 硬微结构模具的抛光技术进行了研究，旨在保证模具精度的前提下提高抛光效率。 首先，本文搭建了集金刚石砂轮修整、圆弧槽微结构阵列磨削、抛光轮修整 和（超声振动辅助）抛光于一体的实验平台，分析了实验系统的误差源及解决措 施。通过单因素实验针对碳化硅材料选择了合适类型的抛光盘和抛光液。 然后，利用传统的抛光方法对碳化硅工件的圆弧槽微结构阵列进行了抛光实 验，通过正交实验分析工件移动速度、抛光力、抛光时间、磨粒粒度、浓度、ph 值六个因素对微结构的表面粗糙度、面形精度和材料去除率影响的显著性，并确 定最佳的抛光工艺参数；然后通过单因素实验，研究了抛光轮转速、抛光力、工 件移动速度、抛光时间对三个指标的影响规律。 最后，在超声振动条件下对圆弧槽微结构阵列进行了抛光实验，通过正交实 验分析了超声波振幅、工件移动速度、抛光力、抛光时间、磨粒粒度、抛光液浓 度六个因素对三个指标影响的显著性，并确定此条件下最佳的抛光工艺参数；通 过单因素实验，研究超声波振幅和频率对微结构的表面粗糙度、面形精度和材料 去除率的影响规律；对比分析在有无超声振动条件下抛光后工件的表面粗糙度、 面形精度和材料去除率的改善程度；利用 matlab 软件分别建立了有无超声振动条 件下的材料去除率方程。 实验结果表明：在超声振动条件下，各因素对指标的影响顺序发生了变化， 并且超声振动辅助抛光在提高微结构抛光效率的同时还能够有效地降低表面粗糙 度、提高面形精度。 关键词：圆弧槽微结构；抛光；超声振动；材料去除率 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract microstructured optical functional surfaces have many advantages and features over conventional optical surfaces, which contributes those microstructured elements widely used in aerospace, electronics, optical digital communications, micro-robotics and bio-medical industries. with the continuously high requirements for optical elements, silicon carbide and tungsten carbide etc. hard and brittle materials are gradually replacing the traditional mold steel materials, widely used in the production of mold. these hard and brittle materials have many excellent characteristics, such as high temperature resistance, corrosion resistance, high hardness, and excellent properties of lightweight. glass molding is the most economical means to manufacture these complex glass components with high quantities, which can save lots of time and cost compared with grinding and polishing. the accuracy of optical components depends on mold processing quality which is decided by chemical and mechanical polishing. this paper studies the polishing of microstructured mold made of silicon carbide, aiming at improving the polishing efficiency as well as quality. first, an integration of experimental platform is built, which is used for dressing diamond grinding wheel, grinding micro-cylindrical array, dressing polishing wheel, (ultrasonic assists) chemical mechanical polishing. the appropriate type of polishing wheel and slurry are selected through single factor experiments. error sources derived from the experimental system are analyzed, and the effective countermeasures are proposed to reduce these errors simultaneously then, the polishing experiments of silicon carbide micro-cylindrical array are done by using conventional methods. the effects of factors (moving speed of the workpiece, polishing pressure, polishing time, grit size, grit concentration, ph value) on surface roughness, surface accuracy and the material removal rate are analyzed through orthogonal experiments. meanwhile, the optimum polishing parameters are obtained. then the effects of wheel rotational speed, polishing pressure, workpiece moving speed and polishing time on surface roughness, surface accuracy and the material removal rate are studied through single factor experiments. at last, the experiments of ultrasonic assisted polishing are conducted, by orthogonal design, the effects of factors (ultrasonic amplitude, moving speed of the workpiece, polishing pressure, polishing time, grit size, grit concentration) on surface roughness, surface accuracy and the material removal rate are analyzed and the optimum polishing parameters are obtained. after that, the affecting rules of ultrasonic amplitude and ultrasonic frequency on surface roughness, surface accuracy and the material removal rate are studied. in comparison with polishing without ultrasonic, it is found that the surface roughness, surface accuracy and the material removal rate are 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - improved greatly. at last, the material removal rate equation with and without ultrasonic is regressed using matlab software. by the contrast of conventional polishing, the results show that the impacts of various factors on the order of indexes are changed. furthermore, ultrasonic vibration can improve the efficiency of microstructure polishing as well as the surface roughness and surface accuracy. keywords: micro-cylindrical array; polishing; vibration; material removal rate 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题来源及研究的背景和意义 . 1 1.2 微结构表面抛光的研究现状 . 3 1.3 超声振动辅助抛光的研究现状 . 5 1.4 本课题的主要研究内容 . 8 第 2 章 实验平台的搭建及抛光盘和抛光液的选取 . 9 2.1 引言 . 9 2.2 实验平台的搭建 . 9 2.2.1 金刚石砂轮的电火花修整实验平台 . 10 2.2.2 圆弧槽微结构阵列的磨削实验平台 . 12 2.2.3 圆弧形抛光轮的修整实验平台 . 13 2.2.4 圆弧槽微结构阵列的抛光实验平台 . 14 2.3 工件材料和抛光材料的选取 . 16 2.3.1 碳化硅材料的选取 . 16 2.3.2 抛光盘材料的选取 . 16 2.3.3 抛光液种类的选取 . 19 2.4 系统误差分析 . 20 2.4.1 数控系统误差 . 20 2.4.2 工艺系统误差 . 21 2.5 本章小结 . 22 第 3 章 圆弧槽微结构阵列的抛光实验研究 . 23 3.1 引言 . 23 3.2 抛光轮修整方案及材料去除量测量方案的设计 . 23 3.2.1 圆弧形抛光轮修整方案的设计 . 23 3.2.2 材料去除量测量方案的设计 . 24 3.3 正交实验方案设计及结果分析 . 24 3.3.1 实验方案的设计 . 24 3.3.2 实验结果分析 . 25 3.4 抛光参数对表面质量和材料去除率的影响分析 . 28 3.4.1 抛光力-抛光轮转速对表面质量和材料去除率的影响 . 28 3.4.2 工件移动速度-抛光时间对表面质量和材料去除率的影响 . 33 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.4.3 抛光力-抛光时间对表面质量和材料去除率的影响 . 37 3.5 本章小结 . 39 第 4 章 超声振动辅助抛光实验研究及材料去除率方程的建立 . 40 4.1 引言 . 40 4.2 超声振动辅助抛光实验平台的搭建 . 40 4.3 实验方案设计及结果分析 . 42 4.3.1 正交实验设计及结果分析 . 43 4.3.2 有无超声振动抛光实验结果的对比分析 . 45 4.3.3 振幅和频率对表面质量和材料去除率的影响 . 48 4.4 材料去除率方程的建立 . 50 4.5 本章小结 . 54 结 论 . 56 参考文献 . 57 攻读学位期间发表的学术论文 . 61 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 62 致 谢 . 63 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题来源及研究的背景和意义 本课题来源于国家自然科学基金： “超硬微结构表面的振动超精密磨-抛加工 机理与技术基础” 。项目编号：51075093。 微型元件广泛应用在电子、光学、微机器人和生物医疗行业中。各个国家对 微机械加工技术的发展投入了巨大的努力，在很大程度上促进了微切削、微磨削、 微铣削、微细电火花加工、微超声波加工和微激光束加工技术的发展。通过这些 技术，在大量不同的工程材料上成功加工出尺寸在 1000m 以下、具有微结构的 元件，如小孔、沟槽、狭缝、金字塔1。 结构化表面是指：具有一些规则排列的高度特征阵列的“图案”表面，这些 表面高度特征能够实现特定的功能。尺寸在微米级的微小结构化表面即为微结构 表面2。图 1-1 所示为不同类型的微结构表面。微结构表面有着传统表面所无法 相比的优势和特性，例如在国防领域中，美国通过应用具有微结构的衍射光学元 件消除飞行器探测系统的色差并校正其像差自由度，这样不仅提高了系统的成像 质量还可以减小光学系统的体积和重量3；对于同一过热壁，金字塔状的微结构 能够明显改善其冷却性能；具有微孔隙和微观形貌的晶体硅太阳能电池可以减少 表面反射率，提高电池的效率4；在切削工具工作表面上加工出微/纳纹理能改善 刀具的抗粘效果5；在锗浸没光栅元件上制造大量锐利光滑的 v 槽结构之后，其 角色散是常规尺寸反射光栅的四倍，摄谱仪的总体积减小至原来的 1/646。 图 1-1 不同类型的微结构7 微结构表面可以用以下方式加工：金刚石精密车削、激光束加工、模压加工、 蚀刻技术、liga 技术、磨料喷射加工、微细电火花加工8-11。近年来许多论文报 道能够用激光束加工微结构表面，但是其加工效率和制造精度低、加工范围小； yag 激光车削也许能在陶瓷上加工微槽阵列，但是这些槽的表面非常粗糙而且形 状还不规则；蚀刻技术加工微形阵列的均匀性尚未可控，微结构阵列只能大量、 随机地分布在微米级空间表面；liga 技术虽然能够实现微结构的精密加工，但 其过于昂贵的加工成本使得一般单位无法利用该技术加工微结构。利用成形磨削 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 的方法，用特定形状的砂轮通过控制磨削过程可以加工出满足要求的微结构表面。 该方法最早是在 1989 年提出来的，这种微磨削加工微结构表面的方法不仅成本 低，而且效率还非常高12。1994 年，利用这种成形磨削方法成功加工出气体润滑 的陶瓷制动盘。因而，在严格保证光学元件表面质量的前提下对硬脆材料进行加 工，微磨削技术体现出了其他加工方法难以比拟的优势，例如微磨削加工技术可 加工的零件范围很广，如时钟谐振器、发动机和轴承的陶瓷零件、锗非球面光学 镜片和光纤光栅等元件13。 近年来，由于光学数字通信、医学技术和成像技术的发展，大量光电设备如 数码相机、dvd 和手术用内窥镜等元件的尺寸不断减小。因此，对微结构光学玻 璃透镜的需求日益增多，玻璃模压技术是批量生产微结构玻璃透镜最经济的手段。 随着对光学元件表面质量的要求越来越高，碳化硅和碳化钨等硬脆材料正在逐步 代替传统的模具钢材料14-15，广泛应用于模具的生产中。碳化硅是高硬度、高强 度、高性能的材料之一，能够保证模具在恶劣的使用环境下具有很长的使用寿命 并能保持长期稳定的使用精度，这样不仅能节约成本还能保证被复制的光学元件 精度，这些优良的特性使碳化硅陶瓷非常适合作为玻璃模压的模具材料。 使用传统方法很难加工先进的陶瓷材料。到目前为止，主要通过磨削和抛光 对陶瓷材料进行镜面加工。通过应用细磨粒金属基砂轮和高刚度机床对陶瓷材料 进行高效高质量的磨削16-17，相比抛光，磨削能有效地加工出工件几何形貌。相 比传统的加工方法，利用玻璃模压成形技术可以加工形状复杂的光学元件并能保 证其精度18，使其加工一步到位，这样便可以减少磨削和抛光加工的时间和成本。 为了生产能够达到质量要求的微结构透镜模具以及避免对复制加工的玻璃透 镜进行抛光处理，采用超精密成形微磨削和玻璃模压相结合的技术，形成微结构 光学功能元件的制造链19-20（如图 1-2 所示） 。首先经过光学功能元件的设计和相 应的模具设计之后，用磨削和抛光工艺加工出满足精度要求的微结构模具。利用 电火花修整金刚石砂轮，磨削后对微结构表面进行在线抛光处理。然后利用玻璃 模压技术大批量地复制加工具有光学功能表面的元件。因此，针对具有微结构表 面的硬脆材料模具的高效加工提出振动辅助超精密磨抛技术，该技术是保证微 结构光学元件通过玻璃模压技术进行高质量、大批量生产的关键。 化学机械抛光（chemical mechanical polishing，简称 cmp）技术广泛地应用 在半导体设备、微机电系统和激光系统透镜的微/纳米制造中，是模具制造精加工 必要的工序并影响其使用性能21，其加工表面能够达到纳米级的表面粗糙度和微 米级的面形精度，同时无表面和亚表面损伤22。 超声振动辅助抛光加工是指在抛光盘或工件上施加超声振动，使抛光盘或工 件以一定的频率和振幅沿着一定的方向做高频机械振动23，在抛光液中游离磨粒 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 与超声波的复合作用下实现材料的去除。振动辅助抛光不仅可以快速修整磨削后 工件表面的面形精度而且还可达到纳米级的表面粗糙度。 图 1-2 微结构玻璃透镜加工工艺链19 因此，对于碳化硅等超硬脆材料来说，超声振动辅助抛光不但可以保证抛光 后工件表面的高精度而且可以在很大程度上提高抛光的效率，进而降低加工成本， 这便确立了超声振动辅助抛光技术针对在硬脆难加工材料表面进行微结构加工方 面的巨大优势。以此为背景，本课题在有无超声振动两种条件下对碳化硅材料的 圆弧槽阵列微结构表面进行抛光实验研究，确定最佳工艺参数及主要因素对表面 质量和材料去除率的影响趋势，并建立材料去除率方程，旨在通过超声振动辅助 抛光在保证抛光质量的前提下提高抛光效率。 1.2 微结构表面抛光的研究现状 来自 lfm 实验室的 f. klocke 和 e. brinksmeier 等学者24-25针对碳化钨材料 进行圆弧槽微结构的磨削-抛光-玻璃模压实验研究，圆弧槽的半径为 1.123 0.0125mm，磨削后微槽的表面粗糙度 ra 为 38nm44nm。接着对圆弧槽阵列进行 抛光处理，其抛光示意图如图 1-3 所示。与传统连续表面的抛光相比，微结构表 面的抛光过程中抛光头和工件的接触面积要小很多，存在的主要问题为：应尽量 减少抛光对微结构尖角造成的崩碎；避免抛光头磨损不一致以及局部材料去除率 不同的现象。可以通过改变抛光头与工件的作用力和相对速度来避免上述的问题， 因而该实验选择压制梨木作为抛光头材料，该材料的轮廓形状保持性和可加工性 强，并且抛光过程中该材料能够容纳较多的磨粒，达到理想的抛光效果；使用侧 面为平面的针尖状抛光头对圆弧槽阵列进行抛光；选择磨粒尺寸为 3m 的油基金 刚石抛光液。抛光后表面粗糙度 ra 降到 10nm 以下，形状误差保持在 0.5m 以 下。之后进行玻璃模压实验，如图 1-4 所示，复制加工的圆弧槽阵列透镜的表面 质量满足精度要求，表面粗糙度在 10nm 的范围内。lfm 学者指出，为了提高的 复制微结构玻璃透镜的质量，需要将抛光应用于光学模具的制造中。未来的工作 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 主要集中于整个加工工艺连的改善上，包括：使用磨粒粒度更小的金刚石砂轮以 减少后续抛光的工作量；抛光过程中由于抛光头的变形，在微结构顶端尖角部分 难免会造成局部崩碎，通过有限元计算设计合适的抛光头形状。 图 1-3 圆弧槽阵列微结构抛光示意图24 a）圆弧槽阵列微结构模具 b）模压后的玻璃光学元件 图 1-4 在碳化钨上加工的圆弧槽阵列微结构以及模压后的玻璃元件24 德国亚琛 ipt 生产工程研究所的 f. klocke 等学者15在碳化硅、碳化钨和氮 化硅等超硬脆材料上进行了微结构表面磨削-抛光加工实验研究。他们指出：到目 前为止，可行的办法便是利用磨削-抛光的工艺方案对具有微结构表面的硬脆材料 模具进行加工，但其加工效率不高。因此，未来面向超硬微结构光学表面的超精 密加工的研究重点应在如何通过控制工艺参数和工艺路径来保证磨削、抛光后的 表面粗糙度和面形精度，并降低亚表层损伤层的深度以及提高磨削-抛光的加工效 率等方面开展。 韩国釜山国立大学 h.s. lee 等学者26针对 sic 的化学机械抛光实验提出混合 抛光液抛光技术，并研究利用混合抛光液进行抛光时材料的去除机理。通过 xps 分析发现：sic 工件表面的反应生成物为 sio2，由于 sio2比 sic 软，所以在 cmp 中更容易通过机械作用实现材料的去除。使用胶体 sio2抛光液对 sic 工件 进行抛光时，对其材料的去除机理做如下解释，如图 1-5 所示，首先 sic 工件的 表面受到一定的机械应力作用，抛光液与表面受力区域产生化学反应生成较软的 sio2薄膜层，然后通过机械作用，抛光液中的胶体 sio2磨粒将反应生成的 sio2 薄膜层去除。并且指出，在划痕附近的应力集中区的材料去除率较高，而在相对 应力较小的区域中，较低的材料去除率使 sic 的划痕增宽。 抛光头 工件 抛光头 圆弧槽 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 图 1-5 胶体氧化硅抛光液 cmp 抛光机理26 使用混合抛光液对 sic 工件进行化学机械抛光时，材料去除机理如图 1-6 所 示。混合抛光液中的金刚石磨粒在受力相对较小的 sic 表面引起一定的压力，并 通过机械作用去除 sic 工件表层的材料。其中，抛光液中的化学物质更容易和受 压的区域发生化学反应，且反应生成的化学薄膜更容易通过机械作用被抛光液中 的胶体 sio2磨粒去除。并且，h.s. lee 等学者指出：利用混合抛光液能够将应力 相对较低的区域去除，且材料去除率高于使用胶体 sio2抛光液；在低应力区，较 高的材料去除率减小了 sic 表面划痕的深度，降低了工件表面的粗糙度；混合抛 光液中金刚石磨粒在 cmp 中的作用是压力源，而胶体 sio2的作用是平滑受到化 学和机械作用的 sic 表面。与胶体 sio2抛光液对比，混合抛光液能够达到更高的 材料去除率和更小的表面粗糙度。 图 1-6 混合抛光液的材料去除机理26 1.3 超声振动辅助抛光的研究现状 近年来，许多研究集中在超声振动辅助抛光上，例如 suzuki 等学者27研究了 超声振动辅助抛光，以完成用于制造高数值孔径透镜的模具，kobayashi 等学者28 针对硅片边缘处理介绍了一种超声振动辅助抛光技术，并研发一种连接超声波椭 圆振动垫的设备。与传统的无超声振动的抛光相比，该方法将硅片边缘的表面粗 胶体 sio2 化学反应层 划痕扩展 受压区域 纳米金刚石 化学反应层 受压区域 胶体 sio2 机械应力和 化学反应层 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 糙度降低了 31.7%。 丰桥技术科学大学与东京大学的 hirofumi suzuki 和 toshiro higuchi 等学者29 通过研制特定的加工系统对菲涅尔透镜的加工进行可行性研究，图 1-7 所示为菲 涅尔透镜的加工示意图。实验中用碳化钨作为透镜模具材料，之后用加工好的模 具通过玻璃模压技术复制加工出菲涅尔透镜。实验结果显示，菲涅尔透镜模具的 面形精度可达 0.1m，表面粗糙度 ry 可达到 10nm 左右，表明该新型的磨削系统 和玻璃模压技术可行有效。另外他们还针对碳化钨材料微结构阵列，研究传统抛 光与施加一维、二维超声振动辅助抛光效果的不同，图 1-8 所示为抛光后的微透 镜阵列。使用传统方法抛光后表面粗糙度 ra 可达 12nm 左右，面形精度为 90nm； 一维超声振动辅助条件下，抛光后表面粗糙度 ra 可达 3nm，面形精度为 70nm； 二维超声振动辅助条件下，抛光后表面粗糙度 ra 可达 1nm。因而他们指出：超 声振动辅助化学机械抛光在提高抛光效率的同时降低了微结构的表面粗糙度、提 高了其面形精度。 图 1-7 菲涅尔透镜加工示意图29 图 1-8 抛光后的微透镜阵列29 日本神户大学的 h. suzuki 等学者30通过开发超声振动辅助抛光设备对碳化 硅模具的微结构表面进行大量的抛光实验研究。图 1-9 所示为超声辅助抛光示意 图，将一个尺寸较小的抛光工具头安装在三轴联动的实验平台上，并以一定的频 率振动，在工件表面施加恒定的抛光力，抛光力的分辨率可控制在 2mn 的范围 内。抛光前，模具的面形精度为 120nm，表面粗糙度 ry 为 12nm，利用该设备进 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 行抛光后，模具的面形精度小于 70nm，表面粗糙度 ry 小于 7nm，由此我们可以 看出，超声振动辅助抛光能够减小工件的表面粗糙度、提高其面形精度，进而改 善抛光后工件的表面质量。 图 1-9 超声振动辅助抛光示意图30 国立勤益科技大学 ming-yi tsai 学者31在超声振动辅助条件下对铜基片进行 化学机械抛光实验研究，图 1-10 所示为系统工作部分的装置详图，该系统包括超 声波加工设备，可以移动、旋转的抛光头，旋转的抛光台，抛光液供给系统、测 力仪，基于 pc 的控制器。通过对比传统的化学机械抛光指出：传统的 cmp，材 料去除率的变化范围为 12-16mg/h，对于超声振动辅助 cmp，材料去除率的变化 范围为 18-30mg/h，材料去除率提高了 50-90%；超声振动条件下，抛光的平均力 矩为 0.41n.m 左右，低于传统 cmp 的抛光力矩（0.58n.m 左右） ；利用传统的方 法抛光后铜基片表面粗糙度 ra 为 2.4nm，利用超声振动辅助抛光后铜基片表面粗 糙度 ra 为 1.4nm，其原因可能是超声振动防止抛光液的磨粒发生凝聚。 图 1-10 振动辅助抛光实验装置图31 上海交通大学焦锋32对超声辅助研磨工程陶瓷进行了研究，通过与普通研磨 夹持器 基片 夹持器 基片 抛光头 抛光液 抛光力 超声波发生器 压电换能器 抛光垫 抛光垫 抛光液 a）工作部分放大图 机械振动 抛光台 b）基片-抛光液-抛光盘接触放大图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 作对比，指出：超声振动条件下，工件表面材料的去除率有了明显的增加，且随 着振幅的增大而增大；超声辅助研磨的过程中，材料会产生半塑性域去除，可获 得更好的表面质量；加工方式不同，表面的残余应力产生机制不同，在超声辅助 条件下工件表面的残余应力总是压应力；同时超声振动还可能使工件的表面材料 发生相变。由此我们可以看出，超声振动辅助加工对工件表面加工的质量存在很 大程度的改善，因此该方法可能也适用于微结构的抛光。 重庆大学周忆等学者33对脆性材料进行超声辅助研磨实验研究，并分析了表 面加工质量的主要影响因素，并通过实验和理论分析指出：超声波给研磨液中的 磨粒施加一定的能量，而磨粒的能量以冲击的形式施加到工件表面，表面经过微 观裂纹的产生扩张脱落，形成最终的加工表面；超声振动辅助条件下，材料 的去除量和超声波参数、研磨液参数和加工间隙有关且为非线性关系。 目前国内外虽然在该方面已经有了一定的研究，但是主要是针对平面和金属 材料进行的。美国、德国和日本等国外超精密制造技术先进的国家针对硬脆材料 微结构磨削的研究已经取得一定的成果，但是仍有很多关键问题尚未解决，针对 超硬微结构光学表面振动辅助抛光的研究较少，而国内在这方面的研究刚刚起步， 尚未发现相关的研究成果。 1.4 本课题的主要研究内容 本课题主要对碳化硅圆弧槽阵列微结构进行超声振动辅助抛光研究，具体研 究内容如下： （1）通过单因素实验，对碳化硅圆弧槽微结构表面进行抛光处理，根据抛 光后工件表面的 sem 图片和粗糙度值选择合适的类型抛光盘和抛光液。 （2）通过正交实验确定抛光碳化硅工件的最佳工艺参数，并分析影响表面 质量的主要因素，通过单因素实验分析抛光液的 ph 值、浓度、磨粒粒度以及不 同工艺参数对工件表面粗糙度、面形精度和材料去除率的影响。 （3）在超声振动条件下，分析超声波频率和振幅对表面质量的影响，以及 加上超声振动后的最佳工艺参数组合，对比有无超声振动的抛光质量和效率。 （4）计算材料去除率，得出传统抛光的材料去除方程，并优化超声振动条 件下考虑振幅与频率在内的材料去除率方程。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 第2章 实验平台的搭建及抛光盘和抛光液的选取 2.1 引言 抛光盘和抛光液对碳化硅工件表面材料的去除率和抛光表面质量方面有着至 关重要的作用，因而选择合适的抛光盘和抛光液是能够加工出良好表面质量的关 键所在，同时实验过程中存在的系统误差和加工误差对工件质量存在着一定的影 响。因而本章研究的主要内容为：搭建在线磨削-修整-抛光-检测一体化的实验平 台，保证抛光的可靠性和稳定性；通过单因素实验，综合分析抛光后工件的表面 粗糙度和微结构表面的 sem 图，选择合适的抛光盘和抛光液；最后分析本实验 的误差源并提出控制误差的措施，保证最终圆弧槽微结构的抛光质量。 2.2 实验平台的搭建 本实验平台在哈尔滨工业大学-杭州机床厂联合实验室的 mugk7120x5 超精 密卧轴平面磨床上搭建（如图 2-1 所示） ，在该机床上进行金刚石砂轮修整、圆弧 槽微结构阵列磨削、抛光轮修整和（超声振动辅助）抛光实验研究，修整、磨削、 抛光、检测等工序皆在线原位进行。表 2-1 所示为该磨床的主要性能参数。为了 提高主轴的刚度，该磨床的主轴系统采用大轴径动静压轴承，主轴最大转速可达 4000rpm，径向跳动度为 0.5m 左右，y、z 轴的进给分辨率为 0.1m，x、z 轴 的定位精度为 0.2m。实验中使用 sbs-4500 动平衡调节系统（美国 schmitt 公司 生产）调节砂轮的动平衡。 图 2-1 mugk7120x5 超精密平面磨床 控制面板 动平衡系统控制仪 kistler 测力仪 超声振动数控电源 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 表 2-1 mugk7120x5 磨床的主要性能参数 名 称 参 数 工作台（宽 长） 200 500 mm2 可磨削工件的最大尺寸（长 宽 高） 500 200 250 mm3 工作台 工作台 最大位移 纵 向 650mm 横 向 230mm 工作台纵向移动速度（无级调速） 325m/min 工作台横向 进给量 快速进给 1500m