超光滑表面抛光技术的新进展

1、匸艺与材料1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料超光滑表面抛光技术的新进展侯徳海 罗征 王永刚 刘华松 季一勤1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹

2、葩第5期匸艺与材料1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料摘要总结了晟近几年来国 外在超光滑表面抛光技术方面的新进 展；介绍各种新趨光滑表面加工技术 的工作原理总结其主要特征，并提 供一些我新的实验结果.关键词超光滑表面抛光技术激光轮螺引言随行光学和光电了学的快速 发展.备种功能光电器件、软X 射线光学系统、高能激光反射 镜、澈光陀螺反射镜及高密度波 分复用器的应用对所使用的元件 或荃板捉出了衷面租糙度优于 1 nm me的超光滑要求叫特 别是在激光陀螺

3、的研制中，为了 降低环形腔的闭锁阈值要求环 形腔的高反片具有极低损耗和很 高的反射率。美国的激光陀螺技 术在20世纪80年代中后期C经 实现工程化，超光滑农面加工成 为其核心技术Z *0借助超光滑 表而加工技术來降低超光滑阜底 的表面粗糙度.是降低散射损耗 的首要条件川。超光滑表面-般 具有以F主要特征:表面粗糙度 小于1 nm (Ra );尽可能小的表 而和亚农面损伤；衣而残余应力 极小；晶体的表而貝有完整的品 体结构。1传统超光滑抛光技术的特点 传统的沥吉抛光盘加上氧化 釧抛光液可以抛光族种玻冏和晶 体。在加T过程中.材料的去除 是机械和化学相斤作用的过程。 具有熟练经验的工人,利用这种

4、方法可以达到非常好的表面结果 (优T* 0. 3 nm rills )“但是这种加 工过程的时间是不确定的，容易 造成表面及亚表面损伤，且加工 结果非常依赖人的个人经验, 很不适合现代社会对产品加r.A 动化，快捷化的要求。-个好的 抛光方法应该具有如下特点：1) 抛光过程容易控制;2)去除量是 町以预测的；3 )较高的抛光效 率；4)抛光装克成木低，抛光过 程污染小。2超光滑抛光技术新方法随着人们对亚纳米気级光滑 衣而形成机理认识的深入和超光 滑检测技术水平的提高，出现了 许女应用化学，磁学，流体力学 等原理加工超光滑表面的新方 法。下而分别介绍几种新的抛光 方法及其工作原理，总结其主要 特

5、征.井提供一些最新的实验结 果。2. 1浮法抛光1987年口本大坂大学的难 波义治教授ft先提出浮法抛光 法.如图1所示2】。这种方法 主要是霜抛光剂在工件和转动 磨具中间的空隙高速流动,从 而与工件表ilii产生碰撞而达到 去除材料的口的。磨盘曲纯度 99. 99%以上的金属锡加工而 成.貝有非常高的平面度。为了 防止锡盘损伤工件表面要在 锡盘面再车出更精细的螺旋线, 进行软化处理。工作时，将锡盘和工件浸入 抛光液中，锡盘绕主轴转动，同 时丁件浮在锡盘上绕自身轴做定 轴旋转运动。抛光液运动产生的 动压力便工件与M盘Z间有数微 米厚的液膜.微细抛光颗粒在这 层液膜中运动，与工件衷面不断 碰撞从

6、而实现材料的去除。浮法抛光采取非接触式的方 式.材料去除童很小,抛光模烧 损也非常小,容易控制锡盘面形 粘度，可以加工出非常好的超光 滑平而，表而粗糙度仅1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料本文201040-18收到,侯徳海、罗征均系中国人民解放军海军骁天津地区兵器设备代

7、表室军代表,王永刚、刘华松、季 勤分别系中国航夭三院八三五八所匸程师、崗工、研究员1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved.肺导弹葩第5期匸艺与材料1994-?11China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserve

8、d.肺导弹葩第5期艺与材料0. 2 nm nns,平面度高于入/20。 但由于这种方法是一种全I I径的 抛光方法，只适用于加工平而。 另外.锡盘的农而轿细化也很难 处理.而形轿度受锡盘的而形椅 度影响较大。图1浮法抛光I：作氐理图图2微射流抛光机的结构原理图为了实现对球而及非球而的 超光滑抛光.科研人员在浮法抛 光基础I采用了计算机控制小 匸具抛光'°和浮法抛光相结合 的设计思想，提出了一种新型的 抛光方法一微射流抛光法。既能 够继承浮法抛光的微左除、IF接 触、低表而及亚衣而损伤的优 点.又能加工出低陡度的球而和 非球而，英结构原理如图2所 示。小磨头位于工件上方电机 驱

9、动小磨头绕口身中心轴转动. 组成行星运动方式。磨头的轴上 端通过动态密封装豐和抛光液供 给系统连接起來。磨头与工件Z 间的抛光液层厚度约为儿十微 米，在径向压差和剪切应力共同 作用下抛光液做层流流动。悬浮 丁抛光液中的抛光微粒便以近似 平行于丁件表面的方向不断掠击 匸件表面.不断修整微观隆起。2.2 磁流变抛光磁性抛光法是一种新兴的加 匸超光滑表面的方法,它是电磁 ；、流体力学、化学等应用于光 学表面加工而形成的项综介技 术。这种想法是由白俄罗斯的研 究人员首先提出的.后经与罗彻 斯特人学的光学加工中心的合 作，使得这项技术得到长足的发 展Z。磁流变液是由磁性领粒.基 液和稳定剂组成的悬浮液。

10、这种 液体在不加磁场作用F是可以自 山流动的液体。而在磁场的作用 F,其流变特性发生急剧改变, 衣现为貝有粘塑性的Bingham介 质，撤抻磁场后乂恢复；t流动特 性网。工件位于运动盘的上方.与 运动盘农而形成了 个凹隙。磁 极置于运动盘的下方，并II在工件和运动盘所形成的小空隙处产 生高梯度磁场。运动盘内装仃磁 性抛光液，当磁性抛光液随运动 盘起运动到凹隙附近时，高梯 度磁场使Z聚结.变硬.形成凸 起缎带.从而对匸件表面产生剪 切力.从而实现匸件表面材料的 去除，如图3、图4所示。庆转轴工件4 扌I过更縫牠光颗粒图4抛光液对工件的剪切去除模型在抛光过程中，工件绕自身 轴作回转运动，可对匸件的

11、任意 环带进行抛光。同时，工件轴也 可以作摆动，从而对工件的全域 抛光。改变工件通过磁流变液的 打过速率（或驻留时间）來实现 选择性工件表面材料去除。当去 除非对称误差时可改变旋转轴 的转动速度來控制各区域材料的 去除最，进而粘修工件衷而。磁流变抛光方法适介于抛光 任何儿何形状的光学元件；具有 加工速度快,效率高;加工精度 高；不存在工具磨损问题；抛光 碎片及抛光产生的热量能及时被 带走,避免形响加工精度;不产 牛亚表而破坏戻；无需专用工貝. 和特殊机构；易于实现计算机数 控等优点。但是在技术实现I需 解决两个难点：1）磁流变液的研 究。要求无磁场作用时流动性© 19翁级尖畏蛊書金c

12、亂umal Electronic Publishing House. All rights reserved, 艺与材料喷射角0°橫向尺'J/Pm8000-好.有外加磁场作用时流变性 好皱度人且响应快；2 )磁流变 抛光过程的数字化控制。在这两项关键性技术上，国 外许多单位特别是Rochester大 学光学中心的研究人员做了大彊 的工作，并取得了一定的成果。 在对110 mm的BK7非球面数控抛光后，而形粘度达到7 nm f V , 表面粗糙度优于lnm mis,且没 有亚表面损伤151 o2.3 流体溅射抛光技术荷兰Delft大学的Oliver. Booij等人于20世纪9

13、0年代末 提出了流体澱射抛光法，如图5 所示，6 °它既可以修正工件面 形；也可以在不改变面形的直础 上对表面进行抛光,改善表面粗 糙度。斥力泵把抛光液从容器运送 到喷嘴处，喷射到工件表面上, 实现材料去除.抛光过程是种 水动压驱动的犁性公除过程。使 用过的抛光液经过过滤后阿收到 容器中用搅拌器搅拌容器屮的 抛光液，保持溶液密度的均匀 性。啖嘴的口径般为2 nun & 右，水流喷速为30 m/so工作 时.啖嘴固定在丁件上方的支架 上.在喷压不变的条件下.通过用水某抛光液时.由于囁嘴 口的边界效应，喷出的水束会出 现散开的现象，如图8 a),不同 的喷压下.水束发散的程度也不

14、 一样，降低了去除函数的稳定 性。为了克服这种现象，美国 Rochest 大学的 William Kordonski 等人T- 2005年捉出了磁控诱导 的射流抛光法，7 ,抛光原理与 水射流抛光法类似，只尼把水基 抛光液换成磁性抛光液，在喷嘴 口的方向加上约束磁场,磁场开 启前后.从图8 (b)、图8 (c )nJ 以石出.液体束的发散得到仃效 的约束。流体溅射法可以用于加工平 面、球面及各种非球面,尤其在 抛光高陡度的光学农而冇很人的 发展潜力.Roehest大学的实验 人员利用该方法加的高陡度整 流罩的面形精度达到6.7 nin rms ),表面粗糙度优于 1 nin rms。2.4 等

15、离子体化学抛光法等离子体化学是由Nikon公 司和OSAKA大学共同发明的一 种新的抛光方法。与传统的抛光 方法相比,PCVM法加工平面与 加工球而以及II：球面的难易程度 是等同的。加工后的而形耕度可 以达到X/50表而粗糙度可达 到0.5 nm。但是它对丁作环境的 要求也很严格.条件不满足时有 可能毁坏工件表面。由于化学抛 光法的上除率不稳立，所以效率 不是很高。nr.l nr 2 nr. 3 nr.4 nr.5nr. 6 nr. 7 -tir.8© 1994躺 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rig

16、hts reserved.艺与材料© 1994躺 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.艺与材料图6 0。时喷头的去除函数调整喷嘴与工件之间的距离及嘴轴与匸件表面法向的夹角，可© 1994躺 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.艺与材料45。时.水流速和水压的乘积在 接触中心偏左处的值城几因此以获得不同形状的云除函数，如 图6、图7所示。夹角为0。时, 由于接触区

17、中心部的水流速度为 零.中心没有去除，整个去除函 数截面成W形分布。而夹角为喷射角45。横向尺、打pm22£悪蓋© 1994躺 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.艺与材料年第5期图7 45 °时喷头的去除说数此处的去除WXo飞航导弹2011 hitp:/Aki.© 1994躺 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.匚艺与材料© 19

18、tH/hinaAciuc)urnal Electronic Publishing I louse. All rights reserved, 83匚艺与材料6）水芯抛光枝Q）磁性抛光液 離场未开）图8流体汲射法抛光液喷射图G）確件抛光液（磁场开启）等离子体等离刊I'反应生成物射频功率供给系统何服电机在等离子体化学抛光法工作 时.反应气体（等离子体）经过喷 嘴指向工件表面,使气体和匸件 农面发生化学反应，生成气体从 而实现材料的公除。该法的上要 特点是利用緘化物（如SE6混介 氮气）来加工各种传硅晶体。实 验是在个密封的圆柱形不锈钢 容器中实现的。去除率和驻留时 间之间是非线性的关系.因

19、为等 离子体对工件表面的加热作用需 要0.5 min才能达到平衡，但是 这种非线性关系町以通过调节和 控制喷嘴与工件Z间的运动使H 达到均匀。去除函数在喷嘴垂直 指向工件作用下是一个环形因 数，一般比喷嘴的直径稍大 些。气体和工件衣而的化学作用 相匹配时，英最大去除率可以达 f'Jl nm/min.加工时喷嘴和工件 Z间的距离不超过0.5 mmo工 作气体和匸件的化学作用产生气 体只发生在工件农面不到 0.1卩“的薄层上。喷嘴保持静工作气体工件 -1 件运动方向等离f体化学法工作原理图气体供 排系统计算机数控系统图10等离子体化哮法系统纽成止，工件町以做三维的运动，使喷嘴和对丁工件表而

20、作栅形的打描运动.扫描速度一般为4 mm/so在这个过程中要让工件 随着其1111率的变化趙近或离开喷 嘴.并使工件和喷嘴Z间保持适 当的距离。在不需要去除的地方 进行打描时对以通过控制射频 激励功率和T作距离来降低等离 子体的蚀刻速度。另外要让喷嘴 保持正入射于工件表面。用这种 方法加工160 mm的熔硅非球 面,英最佳拟合球面（曲率半径 404 nun ）中引入了 0. 5 ptm的偏 差，经过三次栅形扌I描面形误 差减小到17 nm nns,表面粗糙 度为0. 37 nm rms。这种装置的喷嘴厲径般不 超过1 mm,所以非常适介用于 加工小型的非球面表面。而且具 有抛光效率高1作不受机

21、械斥 力,加工完成面无亚表面破坏, 无污染,加工球面和非球面难易 相当等优点。但是其使用范围 小.只能加工含硅材料等少数材 料且加工过程复杂。2.5 气盘旋动加工法IRP系列气曩式进动抛光机 是ZEEK0公司和伦敦人学等单 位介作研制的7轴CNC抛光装 置.如图11所示叱°。它利用 传统的摩擦润滑化学过程來实现 抛光.摩擦润滑化学作用是商业 用抛光粉在聚亚胺酯或其他材料 的正压作用下产生的。这种装置 比较父杂，它是宙安装在旋转枢 轴末端的抛光盘和个充满液体 或气体的受压球形弹性模抛光头 组成。抛光头和工件接触的作用区 域的人小般是抛光头直径的% 15 % 2间。如果让抛光头©

22、; 19tH/hinaAciuc)urnal Electronic Publishing I louse. All rights reserved, 83SSB艺与材料© 1994：黑 i垂直匸件表面进行加E.由于中 心接触点的速度为冬，因而这个 点的公除为冬.将会产生个截 而为W的去除函数，即作用区 域中间部分去除少，四周去除最 多。这种去除函数对于面形不好 控制.因此一般让抛光头旋转轴 和工件法线方向成15。25。的 角.如图12所示。图12庐头上除示慈图开始抛光时.在负载单元的 控制F把抛光头趋向尸工科表 面。抛光过程屮要控制好抛光区 域的犬小和抛光头的碾度。2007年，伦敦光

23、学实验室和 Zeeko公司,依靠该项技术承担 了欧洲超人里远镜项I I的主镜加 工任务.望远镜主镜由1 100块 直径为144 m的徹晶玻璃镜片 组成。而亚利桑那大学的工作小 组利用这种方法成功的加工出六 边形的2 m级反射镜主镜，垠终 的PV面形精度达到X/10,均方 根面形粘度达到入/50(X = 600 n in ) 211 o气囊抛光方法貝冇加工效率 高、表面质帚好、成本低、自动 化程度高、易于操作的优点.是 种确定性的光学加匸工艺方 法。用这种加工方法可以得到小 于1 nin mis的表面粗糙度。3结束语超光滑表面的加工已经成为 J"新时期的科学发展特别是光学 发展的必不町

24、少的一环。H前看 來，在众多新出现的超光滑加工F 段屮，依赖丁粘细僭粒的抛光方法 C不山统治地位。新的加工方法克 服了对工人的个人经验的依赖实 现加匸过程的自动化快捷化。超 光滑表面加匸技术已经朝着低成 本、高效率的方向发展。采用超精 密机械设备.用磨削替代抛光以及 利用场效应辅助抛光是超光滑加 工的一个发展趙势。参考文献1张华王文.光学表面超精密力【1 工技术.光学仪器.2003, 25 G)12高宏刚.曹健林.超光滑&而及 其制造技术的发展.物理学和 高新技术，2000. 5 (7 )3 E金林.陈明.激光陀螺超光滑 反射镜基片的光学加工和检测 技术.航空楕密制造技术. 2003,

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28、MRF polishes calcium fluoricle to high quality()plo- electr. 2001 G7 )：S5-S7(下转第89页) 飞航导弹2011年第5期 hitp:/AChina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.匚艺与材料方法.提高测最梢度提供了有力 的支撑。4结束语随着微T程与电子系统综介 集成设计的发展采用FP- GA、ASIC. ASIS. SOC> IP、 MEMS等先进技术，实现系统级 微型化集成设计，将是21世纪 军用飞行器的种设计风格

29、。 MEMS技术发展迅速,特点突 出.在E航导弹等高端军用E行 器中的应用优势明显、前景广 阔对未來飞行器向小型化、智 能化发展和提高飞行器的町隹性 将发挥不可估量的作用。参考文献1王勇,冯运辉，李博.微工程与嵌 入式弹载计算机飞航导弹,2008 (5 )：16-182 张文明孟光.MEMS可靠性与 失效件分析机械强度.2005.27 6) ： 855-8593 王立鼎，褚金奎，刘冲等中国 微纳制造研究进展.机械T程学 报.2008> 44 (11 )： 2424 刘军营，楮金奎,朱向荣，等.微 机电系统的发展山东理工大学 学报.2003 J7 (1 )： 107-4105 王虬何胜.国

30、内外MEMS惯性 仪农技术发展趙势导弹弓航天 运娥技术.2009 G): 24256 Slrwart R. MEMS louinertial grade accrlrronirlers and gyros using a common, bulk mi- ch>niacl)ining process Phxsrdof thr .MAA Corferriicr on Guidance Navijwtion and C(>n- tml 3999-08:7367427 Wisniowski H. Analog devices introduces world 89 s first int

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33、集成与 内装测试应用研究.国防技术 基础.2010 « )： 36-37© 199lhiAcmc?oumal Electronic Publishing House. All rights reserved.匚艺与材料© 199lhiAcmc?oumal Electronic Publishing House. All rights reserved.匚艺与材料0 000000000900 O OQ 0000-0 00900 oooo o oo oo o oo -o o o oo O O O© 199lhiAcmc?oumal Electronic Publishing House. All rights reserved.匚艺与材料CE接第84页)14 DeGroote J Roiiianofsky II J, and K()zhinova I A Pdlihin