抛光机理及加工参数设定PPT课件.ppt

同学们好 大家辛苦了 感谢大家本次配合 认真学习 2010 10 07 1 抛光机理及加工参数设定 目前中国光学研究最权威学府 最资深教授所出教材 浙江大学曹天宁教授毕生研究总结 2 一 玻璃的本质 玻璃是由玻璃材料的熔体过冷所得的一种无定形物质 即为玻璃科学上称之为 过冷的液体 由于粘度逐渐增加而呈现固体的外部特征 玻璃态材料没有熔点 只有一个Tg与Tf之间的温度范围 称之为玻璃的固化温度范围 图一 Tg为转化点 Tf为软化点 结构特性类似于液体 1 过冷液体的特性 3 对玻璃 液体 气体和晶体的X射线散射试验 玻璃的散射曲线与液体类似 不同于固体 晶体 图二 4 2 玻璃的结构 20面体 科学家最新發现 一直来存在二种最流行的学说 晶子说和不规则网络说 苏联学者A A 列别捷夫 e e e 于1921年提出晶子说 认为玻璃由无数 晶子 组成 晶子是带有点阵变形的有序排列区域 图三 图三玻璃結構 5 不规则网络说由荷兰学者查哈里阿生 Zachariasen 于1932年提出 在石英玻璃中是硅氧四面体 SiO4 通过顶角连接的三度空间网络 其排列是无序的 钠玻璃就在四面体空隙中无序地分布着钠离子 2008年在 自然 材料科学 Nature MaterialScience 科学家首次揭开玻璃结构的双重特性 英国布里斯托尔大学的帕特里克 罗亚尔实验证明 玻璃分子具有5个方面都对称的20面体结构 但不能结晶成固体 也不具备液体自由流动的特性 利用这一发展 可以制造20面体金属 形成新型的 金属玻璃 材料 耐高压 高强度 是飞机机翼首选材料 6 3 玻璃的生成体 中间体和网络外体 从分子结构来考察玻璃的结构 我国光学玻璃专家干福熹院士对光学玻璃作了结构分析 SiO2 B2O3 P2O5作为玻璃的形成体形成了硅酸盐玻璃 硼酸盐玻璃和磷酸盐玻璃 SiO4 是硅氧共价键连接 是玻璃的核心 Na2O K2O PbO BaO等都是网络外体 是离子键连接 连接力较差 有的氧化物容易被置换和水解析出 而Al2O3则是中间体 介于二者之间 7 3 玻璃的组成与特性的关系 最常用最普遍是硅酸盐玻璃 下面硅酸盐玻璃中均以SiO2为主要成分 B2O3与Al2O3的加入大多为高硼硅酸盐玻璃 使之大多形成耐热的低膨胀系数玻璃 与常用光学玻璃K9 光学石英玻璃作一个比对 表一 从表一可以看出 除了贵重的石英玻璃有很低的热膨胀系数外 QK2 G G 17与Pyrex玻璃的组分与热膨胀系数基本一致 K4与硬质玻璃近似 而K9则不属高硼硅酸盐玻璃 而属于典型的硅酸盐玻璃 它的热膨胀系数比Pyrex玻璃高一倍 8 表一高硼硅玻璃与K9的比对 9 二 抛光机理 玻璃的抛光是在玻璃完成上道工序研磨或磨削以后的凹凸层表面上进行抛光工作 抛光以后应达到如下要求 去除凹凸层 使表面光亮 达到一定的粗糙度级别 RZ0 025 对于光学表面 还有面形精度 N和 N或Pv值 大部分抛光表面要求没有划痕 没有麻点 光学表面要达到光学表面疵病级别B 10 抛光的机理有纯机械说 化学学说 流变学说和机械化学说 MechanialChemicalPolishing 我认为后一个学说比较全面地揭示了玻璃抛光的机理 提出这个学说的是苏联院士格列宾雪柯夫 pe eH eKOB 他认为抛光是一个机械的 化学的和物理化学的综合过程 玻璃研磨或磨削后的玻璃表面形貌如图四所示 表面形玻璃成了凹凸层与裂痕层 抛光的任务是要去除凹凸层与裂痕层 11 下面以氧化铈抛光粉悬浮液对硅酸盐玻璃抛光为典型例子说明抛光机理 玻璃表面产生水解反应 H2SiO3是一层硅酸盐凝胶 它保护了表面不再水解 它是一层疏松的组织 在抛光模的压力 P 与相对运动速度作用下 去除了表面顶层的凝胶层 新的表面又水解 去除 一直到裂痕层去除 完成了抛光过程 图五 图五抛光过程 12 基于抛光的机理我们研究一下抛光工艺因素对抛光过程的影响 1 机床的压力和速度在一定范围内 抛去量与机床的正压力和相对速度成线性上升关系 图六 可以用著名的抛光方程 Preston方程来表达 hi 在Pi点T时间内抛去玻璃层厚度Pi 在Pi点的瞬时正压强Vi 在Pi点的瞬时相对速度抛光时其它工艺因素 图六抛去量与机床的正压力的线性關系 13 2 氧化铈抛光悬浮液的参数1 抛光粉的牌号氧化铈抛光粉的牌号是否适合被抛光玻璃的种类和牌号 例如工艺品抛光宜选用较粗的粒度 2 9 m 的抛光粉 而光学件和电子玻璃宜选用中等或细的粒度 0 1 2 m 的抛光粉 而硅片锗片等的抛光则需要微粉级 0 1 m 的抛光粉 2 抛光液的供给量抛光液的供给量在一定条件下有一个适中值 过高过低均会降低抛光效率 图七 图七抛光液的供给量的的适中值 14 3 抛光液的浓度氧化铈 水 1 5或更稀 速度 压力高时可以加浓 4 抛光液的酸度值 pH值 通常抛光液的pH值在3 9之间 图八 5 抛光液的添加剂在氧化铈抛光液中加入硝酸铈 NH4 2Ce NO3 6 氢氧化铈 Ce OH 4 和硫酸锌 ZnSO4 都能提高抛光效率 因为它们中的阳离子对玻璃表面的阴离子有吸附作用 图八抛光液的酸度值图 15 6 抛光液的温度抛光过程的摩擦热 化学反应热 液温和工房温度都会影响到玻璃表面温度 温度高 化学反应加速 提高抛光效率 温度过高会使抛光不正常 7 抛光模的类型古典法抛光用柏油模 采用低压低速低温 高抛用聚氨酯抛光 可以高压高速高温 如果采用固着磨料抛光片或固着磨料抛光模 则不用抛光粉悬浮液 采用冷却液 不仅高压高速 而且更易于达到定时定光圈 工件清洗容易 工房环境清洁度提高 8 细磨表面的质量对表面的粗糙度与面形有一定的要求 表面质量直接影响抛光的效率 16 三 抛光粉 1 抛光粉的种类及其特性玻璃抛光粉有Fe2O3 CeO2 Zr2O3 SiO2 Al2O3和Cr2O3 其特性见表二 表二各种抛光粉特性 17 2 对抛光粉的主要要求抛光眼镜片和工艺品要求抛光粉有高的抛光效率与耐磨性 抛光高科技领域的高精度超光滑表面则要有好的面形精度 小的表面粗糙度和高的表面疵病等级 对抛光粉的基本要求为 外观均匀一致 不含有机械杂质 粒度均匀 有一定的硬度 一般比被抛材料稍硬 具有一定的晶格晶形和晶格缺陷 化学活性较高 并有适当的自锐性 有良好的分散性 不易结块 和吸附性 抛光时不易聚集和流失 合适的pH值 化学稳定性好 不腐蚀工件 18 3 氧化铈抛光粉的特性探讨1 氧化铈抛光粉的分类按氧化铈的原材料和制造方法不同 将抛光粉分成两大类 第一类 氧化铈抛光粉 用独居石或氟碳铈镧矿为原料 经过萃取法或分离法 而得到抛光粉 工艺较复杂 流程较长 装备要完整 如果向原料厂购入预处理好纯度在90 以上的抛光粉或中间体 如草酸铈 碳酸铈 经过煅烧 磨细和分级得到抛光粉 工艺比较简便 根据需要 可以进行淬硬处理 19 第二类 混合稀土抛光粉 用稀土元素的盐类 如氯化稀土 砂酸铈等 为原料 用硅氟酸 H2SiF6 和碳酸铵 NH4 2CO3 处理得到沉淀物 经焙烧而得抛光粉 含铈量较低 40 50 抛光效果好 不需淬硬处理 但焙烧温度根据需要可以选择 例如需要获微米级细颗粒混合稀土抛光粉 可以选择600 700 焙烧 得到CeO2含量80 D50小于1 5 m 比表面积在6m2 g以上的抛光粉 20 图九显示了不同温度煅烧的抛光粉的X衍射 400 时已经结晶化 900 时结晶化比较完善 图九不同温度煅烧的抛光粉的X衍射 21 但从粒度和比表面积看 图十 600 700 为最佳 粒度小 比表面积大 图十粒度和比表面积 22 图十一不同温度煅烧的抛光粉的抛光效率 23 氧化铈抛光粉按氧化铈的含量分成三个牌号 表三 高铈抛光粉 CeO2含量为95 以上 呈白色 一般称白粉 富铈抛光粉 CeO2含量为80 95 之间 浅黄色 一般称黄粉 低铈抛光粉 CeO2含量为40 50 之间 黄红色 也称黄粉 表三氧化铈抛光粉的技术要求 24 混合稀土抛光粉含稀土氧化物高 含氟量高 具有很好的抛光效率 表四 表四混合稀土抛光粉含氟量高 25 2 氧化铈抛光粉的粒度及其分布 粒度越大 抛光时压力就越大 抛光效率就越高 但表面粗糙度会越粗 根据抛光材质和精度要求 选用不同粒度的抛光粉 按粒度D50分类 粗粉 微米级 2 10 m用于工艺品和眼镜片 平板玻璃 细粉 亚微米级 微米级 0 1 2 m用于光学零件 微粉 诺米级 0 1 m用于硅片 锗晶体抛光效率和 D50及分布曲线有关 图十二 D50越大 抛得越快 Dmax越大 容易出划道 所以要控制Dmax不要过大 图十二抛光效率和 D50及分布曲线 26 3 氧化铈抛光粉的硬度及淬硬温度硬质玻璃的莫氏硬度为7 光学玻璃为5 6 5 氧化铈抛光粉为6 5 8 通常要求抛光粉的硬度稍高于被抛光玻璃 硬度高耐磨性好 硬度高 抗破碎强度大 抛光粉的粗颗粒不易破碎 容易产生划道 而且晶格缺陷少 比表面积低 化学活性低 影响抛光效率的提升 对于硬质玻璃 应该采用淬火处理后的氧化铈抛光粉 提高了硬度 从而提高了抛光效率和耐磨性 4 混合稀土抛光粉的氟化特性混合稀土氧化铈抛光粉的含氟量高 5 6 7 5 氟的存在有昨于提高抛光效率 因为氟使抛光粉团聚体解体成晶粒 晶粒具有高耐磨性和活性 平板状的六面体晶格结构有好的抛光效率 27 5 混合稀土抛光粉中的固溶体抛光特性混合稀土抛光粉 含铈量低 仅40 50 为什么还有好的抛光效率呢 因为稀土氧化物中除氧化镨Pr6O11具有萤石型立方结构外 其他镧系氧化物 包括Pr2O3 没有抛光能力 但是和CeO2组成固溶体 使晶形变为萤石型和六方型 图十一 获得很好的抛光能力 图十三混合稀土抛光粉中的固溶体 28 6 氧化铈是一种两性氧化物氧化铈适合抛光硅酸盐玻璃另外一个理由是它的两性氧化物特性 既能和碱起化学反应变成盐 也可以和酸反应变化盐 其活性优于其他抛光粉 7 氧化铈的酸度值pH通常pH值应该适当 颗粒度大时要求pH大一些 因为pH值有助于抛光颗粒不重新结聚 pH值通常为5 10 8 氧化铈抛光粉的密度古典法抛光或低束环抛时应该用密度高的抛光粉 7g cm3 高速抛光则用轻一点的抛光粉 6 6 5g cm3 9 粉体颜色高铈抛光粉 焙烧温度高 呈白色 富铈焙烧温度低 呈浅黄色 低铈呈黄红色 混合稀土抛光粉含有镨 Pr 呈棕红色 29 4 氧化铈抛光粉悬浮液的合理配置1 浓度浓度的适中值非常重要 过高过低都会影响抛光效率和质量 浓度用水中抛光粉的百分含量 重量 来表示 例如高铈抛光粉 99 9 的合适浓度是8 15 739 抛光粉浓度是3 4 2 添加剂氧化铈抛光粉悬浮液采用如下添加剂配方 表五 包括硝酸锌 硫酸锌和氯化锌 可提高抛光效率1 1 5倍 并改善了抛光表面质量 表五添加剂配方 30 2020 3 21 31 3 悬浮液分散剂混合稀土抛光粉的加入硅氟酸可以改善抛光过程 抛光液悬浮液要保持其分散稳性 可以加氮氯十二熔基吡啶 聚丙烯酸或聚乙二醇等 4 pH值调节剂通常抛光悬浮液的酸度为5 5 6 5 739 型抛光粉使用时要用氨水调节悬浮液pH值到8 9 铝酸钠有时也可以调节pH值 pH值高时可以减少抛光粉的团聚 5 悬浮液的温度为25 40 32 5 混合抛光粉混合抛光粉是由二种或二种以上抛光粉混合而成的抛光粉 可以直接混合 混合焙烧和混合粉碎 混合焙烧和混合粉碎 混合后优势互补 达到更好的抛光特性 如氧化铈与红粉的混合后 抛光效率高了 表面质量也提高了 33 6 复合抛光粉复合抛光粉悬浮液的研究将是未来的趋势之一 因为复合抛光粉悬浮液在保持单一抛光粉悬浮液优点同时也改善了其缺点 在国外已经出现了复合抛光粉的研究报道 如Al2O3 SiO2 CeO2各种单一抛光的优点 从而配制出抛光效果更佳的新型复合抛光粉悬浮液 实验表明 在较软的粒子外面包覆一层较硬的物质 可以提高其抛光速率的同时也保持了较高的选择性 而在较硬的粒子外面包覆一层较软的物质 则可在保持其较高抛光速率的基础上改善其抛光表面质量 有人成功地在球形SiO2粒子外面包覆一层CeO2 并以其作为制备复合抛光粉悬浮液与SiO2和CeO2抛光粉悬浮液进行抛光实验的比较 研究表明 复合抛光粉具有更好的抛光效果 目前 抛光玻璃或晶体已经不局限于使用固体磨料 甚至现出了用气体来进行抛光的技术 34 7 抛光过程中抛光粉参量变化规律及其对抛光表面质量的影响在航天 惯性约束聚变 ICF 等高科技领域要求超精抛光工艺达到超精光学表面 需要优化抛光粉各种参量 1 氧化铈抛光粉粒度及其分布对抛光的影响抛光粉中粗颗粒多时 抛光效率与耐磨性好 但平均颗粒尺寸过大 会使抛光表面的粗糙度较大 超大颗粒尺寸还会超过表面凝胶层厚度而产生划伤 细颗粒含量多时抛光粉的平均粒度小 抛光效率下降 但抛光表面的粗糙度较小 当颗粒粒度过细到小于凝胶层厚度时就失去抛光能力 如氧化铁的颗粒小于0 34 m时就没有抛光效率 抛光粉的最大粒径Dmax 中位径D50和平均粒径都是我们要考察的参量 2 抛光粉的晶格对抛光过程的影响氧化铈抛光粉有高的分散性和晶格缺陷 较高比表面积 有高活性 如果制造过程温度过高 颗粒过大 过硬 抗破碎强度大 不易破碎变小 容易出划道 不能产生新的晶格缺陷 不宜于抛光 35 3 抛光过程中抛光粉的粒度分布和平均粒径在抛光过程中的变化规律在抛光初期 约10 20min Dmax D50和迅速变小 大概小于原来的二分之一 在抛光正常期20 50min 随着晶粒的破碎 活性增加抛光效率迅速提高 维持一个稳定的水平 到抛光后期 60min前后 粒度进一步变小 就失去了抛光能力 图十四 图十四抛光粉的粒度分布和平均粒径在抛光过程中的变化规律 36 4 抛光粉的颗粒形貌在抛光过程的变化规律抛光粉的粒度 晶格和颗粒形貌是影响抛光质量的重要工艺要素 用扫描电镜观测氧化铈抛光过程的颗粒形貌变化 图十五 37 图十五氧化铈抛光过程的颗粒形貌变化 38 图十五 a 是未抛光前的颗粒形貌 颗粒基本成平板状长方体结构 有明显尖角 且粒径分布不均匀 最长粒径为5 m左右 有较为明显的团聚现象 抛光颗粒这种片状结构 较大的脆性和在不大的机械作用下迅速被研碎成具有尖角形状薄片结构的性质 使其具有很高的抛光能力 但当颗粒的粒度和晶粒较大或有个别研颗粒和外界杂质存在时 往往会在抛光元件的表面产生疵病 图十五 b 和 c 是添加抛光粉加工5min后抛光粉的颗粒形貌 由图可见 抛光粉的粒度迅速变小 颗粒棱角变钝 这表明在抛光过程中抛光粉的棱角会起到充分磨削的作用 在颗粒断裂面有明显的断裂分层结构 说明抛光粉颗粒的晶粒也同时破碎 随着抛光的继续 抛光粉仍有变小的趋势 但是形貌变化不大 如图十五 e 所示 这一段时间持续较长 是保证抛光质量的重要阶段 当抛光粉减小到一定的粒度时就不再减小 如图十五 f 所示 说明这时抛光粉的颗粒已经很小而失去对玻璃作用的能力 即为抛光后期 这个抛光周期在一定的工艺条件约为50 60min 抛光初期 大约5 10min 是抛光粉粗颗粒的破碎 非常容易出划道 如果在添加新的抛光液的初期 用一块压板进行预抛光 就可以避免了划道的风险 39 8 抛光粉的抛蚀量对比测试法抛光粉在抛光过程中的抛光效率和表面质量是主要质量指标 本人协助郑州市甫明新材料有限公司设计了一种 水中抛光 系统 专门用于抛光粉的比对测试 方法如下 被抛光工件抛光前测出重量 然后夹持在抛光夹具里 在聚氨酯抛光盘定点抛光 氧化铈抛光液刚浸到被抛光玻璃表面 经过nmin后 观察抛光玻璃表面有无划道 整个表面的干涉花样 然后称重 算出抛蚀量 mg cm2 min 整个系统在南京利生光学机械有限责任公司的平摆式单轴机上实现 整个系统已经交付使用 经试验 效果明显 达到预期的效果 图十五水中抛光系统 40 图十六 A 水中抛光系统 41 图十六 B 机器全貌 图十六 C 水中抛光装置 42 9 我国市场CeO2抛光粉的性能近年来 我国市场上的CeO2抛光粉品牌很多 现列出部分国内外抛光粉产品的性能 表六 表中CEROX系列抛光粉是日本产品 Regipol系列抛光粉是英国产品 其他系列则为国内产品 表六国内外部分抛光粉产品的性能 43 四 抛光过程的运动学与动力学 抛光模具设计原则在光学平面和光学球面抛光时除了要尽可能地提高抛光效率外 还要保证表面面形精度 表面成型原理包括了复制成型和均匀磨损成型 这就要求设计合理的模具 模具设计原则是源于抛光的动力学和运动学 按照Preston抛光方程 要求每一个时刻 在光学表面上任一点i的抛去量 i 都是相等的 Pi i点的瞬时压强 正压力 Vi i点的瞬时相对速度 44 1 抛光过程运动学设压力P为常量时1 平面工件不动时磨损情况 改平行度 图十七 图十七平面不旋转 45 2 平面工件旋转时磨损情况 图十八 图十八平面旋转 46 3 工件大小小于模具时的磨损情况 图十九 图十九平面工件小于模具 47 4 平面均匀磨损的措施 图二十 图二十平面均匀磨损 1 粘结模 上模 小于磨模 抛光模 抛光模具设计原则之一 2 镜盘 带工件 除旋转外加摆动 3 适当的摆幅l 48 5 球面抛光运动 图二十一 图二十一球面抛光运动 镜盘大小的设计 限制镜盘镜盘矮高h镜 0 85R0 极限镜盘 最大镜盘 h镜 R0 实用镜盘 高抛时 h镜 0 7R0实用镜盘具有较好均匀磨损 抛光模具设计原则之二 49 2 抛光过程动力学D平面抛光时Pi的分布 图二十二 图二十二平面的压力分布 50 平面的着力点A0时 顶针的驱动力Q0和主轴的交角为 Q0平移到工件表面A时 产生了Q和M二个力 Q的法向分量Q1和垂直压力W组成了抛光主要正压强 S为平面面积 而平面倒覆力矩M形成了不均磨损 倒覆力矩M的大小和L成正比关系 L 0 M 0 所以平面抛光时L要尽量小 也就是说着力点越低越好 抛光模具设计原则之三 51 2 球面时Pi的分布分析球面主截面Pi分布 图二十三 图二十三球面压强分布 52 1 2 A点的正压力和切向力 3 Ai任意点的正压强和切向压强 法向压强变化切向压强变化 4 Ai任意点倒覆力矩的影响切向力产生抛光运动 并产生倒覆力矩 造成边缘压力加大 造成塌边 而其磨损力Ri的合力点位置就是对球面着力点最佳位置 即使 不均匀磨损减少 抛光模具设计原则之四 平摆球面抛光时 上下模大小合理匹配抛光模中心开孔和控制摆动 有利均匀磨损 53 5 准球心摆动抛光时 近似等压分布 但要注意机床的中间接送的高度必须和夹具配合 使之满足机床定位面到机床摆动中心的距离70mm的要求 抛光模具设计原