磁力抛光机抛光方法详细介绍

  超精密加工技术标志着一个国家机械制造业的水平,对提高光学机械产品的性能、质量、寿命和高科技产品的研发起着非常重要的作用。在超精密加工中,超精密近距离切割和超精密磨削的实现在很大程度上取决于加工设备、加工工具和其他相关技术的支持。而受其加工原理和环境因素的影响,很难实现更高的精度加工。超精密磨削抛光,由于其独特的加工原理和加工设备,对环境因素的要求不高,因此可以实现纳米尺度甚至原子尺度加工,已成为超精密加工技术的重要组成部分。

  基于机械作用的超精密磨削抛光方法是依靠微磨粒的机械作用去除加工表面,实现高精度加工表面。

  弹性发射加工是一种可以获得较高加工精度和较低表面粗糙度的超精密磨削方法。聚氨酯球用作加工头进行加工,在高速旋转加工头和加工工作件表面之间添加含有细磨颗粒(0.1 至 0.01 米)的磨料,并产生一定的压力。高速旋转加工头产生的高速气流和离心力使研磨颗粒冲击或擦过工作块表面,形成弹性破坏材料的原子组合,从而从工作块表面去除材料。它允许材料没有误用和缺陷,但它也可以产生少量的弹性损伤(即非干扰处理),从而实现原子级加工。并得到一个很好的表面。处理晶圆时,获得相当于腐蚀处理的无缺陷表面。如果将数控装置用于聚氨酯球和工作台,工件可以弯曲。它不仅可以实现性消除,而且可以获得最佳的几何形状精度。图2是数控弹性发射加工装置。整个装置是一个三坐标数控系统。聚氨酯球安装在数控主轴上,由负载为2N的变速电机驱动旋转。加工硅片表面时,以100米/秒的速度,以与水平面成20度的入射角,向工件表面发射直径为0.1μm的错误氧化物粉末。加工精度可达0.1微米,表面粗糙度小于0.0005 μ m

  浮动研磨和抛光的工作原理如图3所示。它利用流体力学原理使抛光机漂离工件,在抛光机工件表面形成多个楔形槽。当抛光机高速旋转时,由于油楔的动压力,工件或抛光机漂浮,同时磨粒抛光工件表面。浮动抛光可以加工平整度高的工件表面,无边缘塌陷和变形缺陷。浮动抛光可用于计算机头磁性间隙表面的抛光。对于光学零件和功能陶瓷基板的超精密加工,通过选择合适的抛光液和化学添加剂可以避免晶界差异。采用超软石墨和水溶性脲醛树脂对蓝宝石{0001}的硬质表面进行抛光,用浮动研磨和抛光的方法对其表面进行抛光,抛光表面粗糙度可达0.00008 m,无需使用夹具,抛光后的边缘塌陷半径可降至0.01 m,表面结晶性好,表面无残余压力。

  它是企业通过在磁场相互作用下形成的磁流体(由磁性纳米颗粒、表面不同活性剂和液相载体如水、油组成)使悬浮以及其中的非磁性磨料在磁流体的活动和浮动影响作用发展下压向旋转的工件材料进行充分研磨及抛光,从而不断进步精整加工的质量和效率。它可以自己获得Ra≤0.01μm的无变质层加工产品表面,并能研抛表面结构外形设计复杂的工件。

  这个过程起源于20世纪40年代的美国。通过对工艺和设备的不断改进和完善,利用有限元分析模拟了磁性抛光过程,分析了磁性流体和磨料颗粒在磁感应强度下的运动特性,大大推动了磁性抛光技术的应用。

  在磁力研磨中,将工件置于两个磁极形成的磁场中,将工件与磁极之间的间隙置于磁力研磨中。在磁力的作用下,磨料沿磁力线整齐排列,形成柔软坚硬的“磁力磨具刷”。当工件在磁场中旋转并轴向振动时,工件与磨料相对运动,磨料刷磨削工件表面。

  (2)由于磁极与工件表面之间有1~4 mm的加工间隙,“磨刷”柔性磨削不仅可以用于圆柱和平面磨削,还可以用于异形表面和自由曲面的磨削。

  (3)在磁极结构方面,通过磁感应强度,可以调节磨削力,过程容易实现自动化:

  (4)磨料沿加工表面不断转动和更换位置,使其具有良好的自铣性;磁性材料被限制在磁极之间,不会污染环境

  磁力进行研磨方法适用于各种精密加工零件的研磨、抛光和往毛剂,如轴承的内外滚道、滑阀、齿轮泵、印刷电子电路板、模具、表壳、叶片等。它不但可通过用于以铁和碳素钢、合金钢等磁性纳米材料设计制造的零件,也适用于普通黄铜、不锈钢和钦合金等非磁性金属结构材料,以及中国陶瓷、硅片等非金属复合材料。由于磁磨具有适应性强、应用范围广等优点,是一种很有前途的超精密加工方法。今后,磁磨将朝两个方向发展:

  研究开发磁导率高、韧性高的新型磁磨剂:用旋转磁场模型磨出形状复杂的零件。

  电解磁性研磨抛光是电化学加工和磁性研磨抛光的结合。加工示意图如图5所示。电流和电压的阳极连接到工件,阴极连接到工具,阴极连接到要去毛刺的工件。电解液由泵驱动,通过阴极流过阳极工件的毛刺,到达回流罐。工件在轴向振动的同时以一定的速度旋转。在垂直于工件轴线和电力线的平面方向上上施加强DC磁场,自由磁性磨料填充在磁场中。由磁性磨料组成的磨料刷快速冲击工件表面,去除凸起的毛刺,实现抛光。这种影响复合研磨技术加工处理方法可以适用于具有高强度、高硬度和高韧性材料的精密往毛刺和光整加工。其效率为磁场力研磨法的2倍。并可持续进步2个等级的工件通过表面粗糙度,加工后不会发展产生一个二次毛刺。

  机械化学研磨是粉末颗粒影响的化学作用和磨液的化学作用,从工作片表面去除微量材料。这种方法经济高效。不仅能达到较高的表面粗糙度,而且加工的几何精度也很高,而且在加工表面几乎没有椎骨层,这对微电子功能材料的加工非常重要。在磨盘上铸造锡层,沿圆周方向开槽。金刚石刀具用于切割磨盘端面,使其具有较高的平面和镜面。研磨盘和工件轴在(20 ~ 200) r/min 内高精度旋转。工件固定在工件轴上。所述工件轴与所述磨盘的主轴的旋转方向相同。在液体动压力的作用下,工件悬浮在具有数微米浮动间隙的磨盘上。工件受磨削液的化学作用和细小颗粒的冲击而磨损。日本名古屋工业技术研究所生产的SP46超精密磨床是典型的基于机械化学的超精密磨床。该机采用0.02μm二氧化硅微粉颗粒加工硅片,表面粗糙度可达2nm,残余应力几乎为零。在该机上磨削出直径100mm、厚度30mm的BX7光学玻璃,平整度可达0.031μm,表面粗糙度RMS(均方根偏差)可达3.8nm。由于这种磨削方法对材料去除率低,对工件本身要求有一定的精度和表面质量。磨削前,工件的精度应控制在平面度(2-3) m 和表面粗糙度(0.1-0.2) m 范围内,否则可能导致不能达到磨削的不良结果,造成工件的损伤。

  液面研磨抛光又称水面滑行抛光(HydroPlane Polishing)。液面研磨抛光处理装置设计如图7所示。该研磨方式方法的明显重要特点是不使用磨料,研抛时工件与抛光盘(水晶平板)之间由流体工作压力逐渐形成一个间隙,利用企业具有中国腐蚀影响作用以及液体的运动能力进行研抛,因此,它是作为一种通过化学结构腐蚀加工研究方法。加工中使用的腐蚀液为甲醇、乙二醇与溴的混合液。主要就是用来提高加工CaAs、InP基片表面。

  水合研磨抛光是一种积极利用工件临界表面上的天然水合反应进行研磨抛光的方法。水合磨光是蓝宝石和锌晶体(CO2激光光学)的超精密加工的理想之选,需要光滑的表面、高平整度要求、晶体不失真和高清洁度。此外,玻璃、水晶、MgO、Y2O3、MgAl2O4等作为水力水源,也应用水抛光。

  超声研磨抛光是作为一种非接触超精密研磨技术方法。其加工工作原理设计如图9所示(略)。超声振动分析工具头的端面与工件材料表面可以保持一固定的间隙δ,并在其间充以微细磨粒工作液,当超声振动研究工具以一定的频率以及振动时,带动微细磨粒冲击影响工件表面,从而对工件表面问题进行充分研磨。在超声磨削过程中,以与超声振动相同的频率和脉冲冲击在工件表面加工大量磨粒,去除或改性工件表面原有的变质层,在其下面形成一个新的变质层(即表面加工层)。合理选择振幅、磨削压力和刀具转速等工艺参数,可使新生变质层更薄、更均匀,从而获得几乎无损伤的表面。超声波磨削应用广泛,可以加工各种硬脆材料、平面和复杂曲面。目前,直径(0.1-1.0)毫米的孔可以通过超声波研磨在3毫米厚的玻璃上钻孔。同时,单位时间切除率高,不需要复杂的技术,所需设备简单,可以获得较高的技术经济效果。在很多场合,比如在玻璃上钻孔或者加工超薄工件,超声磨削是一个值得选择的工艺或者是唯一可以选择的工艺。

  与传统的机械进行抛光处理方法研究不同,离子束抛光可以采用被充电的高能原子或离子(离子的质量较原子服务质量影响更大,因而企业可获得一个更大的动能),在真空环境状态下由离子枪射向工件,当带有一定很高能量的离子撞击工件通过表面时,在撞击点上材料以原子量级实现往除。材料的往除量取决于离子束在该点的溅射工作时间。由于离子束抛光是在原子量级上实现建筑材料的往除,因而这些材料的往除率较低,为此在采用该方法前,工件要经过我们传统教学方法的预抛光,在基本没有达到提高精度设计要求后再采用离子束抛光对工件表面面形(如球面、非球面、非对称的自由选择曲面等)实现成本很高精度的修正。固然离子束抛光技术制造所需要的设备管理投资风险较大,运行本钱较高,但对于学生某些方面具有一些特殊高精度发展要求的光学大型镜面还是教师必须同时采用离子束抛光方式方法。

  由于离子束抛光需要在真空中进行,所以抛光和镀膜可以在同一个真空槽中进行;

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