淺談超光滑表面加工技術(shù)

王廣林 馬瑾

摘 要：超光滑表面加工技術(shù)屬于超精密加工技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此受到各國(guó)的重視。文章闡述了現(xiàn)有超光滑表面加工的先概念，詳細(xì)介紹了浮法拋光、等離子體輔助拋光、浴法拋光和流體拋光法等技術(shù)。

關(guān)鍵詞：拋光；超光滑表面；光學(xué)零件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.009

隨著微電子學(xué)領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域及其相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)展，越來(lái)越多的現(xiàn)代科學(xué)研究項(xiàng)目和民用商用裝備儀器越來(lái)越多地需要具有高表面質(zhì)量的光學(xué)元件[1]，尤其是強(qiáng)激光技術(shù)、電子學(xué)以及薄膜技術(shù)的發(fā)展對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的要求更為苛刻，其明顯特征是需要光學(xué)表面的表面粗糙度小于1nm[2-3]。因此，超光滑表面加工技術(shù)已成為各國(guó)科學(xué)家研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，高效、快速和穩(wěn)定獲得高質(zhì)量表面越來(lái)越多受到重視。

1 超光滑表面概念

所謂光學(xué)超光滑表面，一般是指其表面粗糙度均方根值（RMS）小于 1 納米的光學(xué)表面，并且對(duì)其表面損傷程度和物理結(jié)構(gòu)等也有嚴(yán)格的要求，比如具有較高的表面面形精度和較低的表面疵?。╯urface defect）和亞表面損傷（SSD），表面殘余應(yīng)力極小、具有完整的晶格結(jié)構(gòu)等[4]。

2 浮法拋光

浮法拋光是以錫盤(pán)為拋光盤(pán)，采用浴式拋光方式的加工法。它是一種非接觸式拋光方法，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求很高且轉(zhuǎn)速很快，一般為60～200rpm，既可用軟質(zhì)磨料又可用硬質(zhì)磨料，關(guān)鍵是磨料的粒度和均勻性。為了增大工件與磨料的接觸面積和碰撞概率，提高拋光效率，所用磨料粒度要小，最好為納米量級(jí)，通常為20nm。浮法拋光是一種去除量較小的拋光方法，工件需要用傳統(tǒng)的拋光方法加工到一定的面性精度，一般為2～4個(gè)光圈。它是目前所有超光滑表面加工技術(shù)中加工的工件表面粗糙度最小的方法[5-8]。

3 等離子體輔助拋光

等離子體輔助拋光[5-8]的原理是利用被拋光工件表面的材料與等離子體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)達(dá)到光學(xué)零件拋光的目的。光學(xué)零件利用等離子體輔助拋光技術(shù)實(shí)現(xiàn)光學(xué)拋光的主要兩方面是：一是根據(jù)光學(xué)零件的材料選擇合適的能與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的拋光材料；另一方面是拋光材料經(jīng)過(guò)激光沖擊形成等離子體。采用等離子體輔助拋光光學(xué)零件的過(guò)程為：光學(xué)零件和拋光材料置于真空的環(huán)境當(dāng)中，激光脈沖照射到拋光材料上形成等離子體，等離子體與光學(xué)零件表面的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件表面材料的去除，達(dá)到拋光的目的。由于拋光材料的等離子體與工件表面通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)拋光，屬于經(jīng)典拋光理論中的化學(xué)作用理論，不是傳統(tǒng)的機(jī)械剝離，因此，光學(xué)零件表面不形成新的亞表層損傷和機(jī)械應(yīng)力。

4 浴法拋光

傳統(tǒng)的古典法拋光原理是光學(xué)零件與拋光盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其中拋光盤(pán)或光學(xué)零件之一作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)再其的帶動(dòng)下發(fā)生從動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且兩者之一作左右擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)在兩者之間添加拋光液實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件的拋光。浴法拋光[5-8]與傳統(tǒng)的古典法拋光方式的最主要區(qū)別是將光學(xué)零件和拋光盤(pán)置于拋光液中，其運(yùn)動(dòng)方式基本一致。光學(xué)零件與拋光盤(pán)之間通過(guò)機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)拋光顆粒對(duì)工件表面材料的去除，拋光過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致拋光盤(pán)和光學(xué)零件的變形，從而影響光學(xué)零件的拋光質(zhì)量。浴法拋光使拋光液充分的與拋光盤(pán)和光學(xué)零件相接觸，不僅可以提高拋光效率，而且可以起到降溫的作用。浴法拋光能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)玻璃的超光滑表面拋光。

5 流體拋光法

流體拋光方式主要由拋光盤(pán)、工件和拋光液等組成。流體拋光的方法是拋光盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，拋光液在拋光盤(pán)高速離心力的作用下而形成一層拋光液體膜，光學(xué)零件懸浮在拋光液體膜的上，光學(xué)零件與拋光液體膜之間夾持著拋光顆粒，拋光顆粒連續(xù)的碰撞光學(xué)零件表面，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)零件表面的材料去除。與傳統(tǒng)的古典法相比，拋光盤(pán)具有相對(duì)高的旋轉(zhuǎn)速度，機(jī)械剝離不是工件表面材料去除的主要方式，而是依靠拋光顆粒的連續(xù)碰撞剝離工件表面材料，可以減少亞表層損傷和實(shí)現(xiàn)高精度拋光，但拋光效率較低[5-8]。

6 結(jié)束語(yǔ)

超光滑表面的先進(jìn)拋光方法主要利用流體體力學(xué)及化學(xué)反應(yīng)等原理來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面的原子量級(jí)去除，改變了過(guò)去以往通過(guò)改進(jìn)工藝參數(shù)獲取高精度表面的技術(shù)。隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025等工程的實(shí)施，開(kāi)展原子量級(jí)的材料去除及無(wú)亞表層損傷的先進(jìn)拋光技術(shù)將是今后研究的熱點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：王廣林（1972-），男，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事精密加工及機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。