天線反射面表面富樹脂層的精密拋光參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律＊

劉建奇，康仁科，田俊超，董志剛，鮑 巖

（大連理工大學(xué),精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024）

隨著空間探測技術(shù)指標的提升，空間探測系統(tǒng)對天線反射面提出了越來越高的制造要求，要求面型精度RMS 優(yōu)于10 μm 和表面粗糙度Sa優(yōu)于5 nm[1-2]。為滿足上述指標要求，目前提出在制造反射面的過程中通常選用在表面附加樹脂層并修型加工的技術(shù)方案，即首先在反射面表面固化一層富樹脂層，之后通過修型加工富樹脂層使反射面面型精度達到要求，并提升其表面粗糙度[3-4]。由于樹脂具有黏彈性的特點，采用固結(jié)磨粒加工易出現(xiàn)刀具堵塞、樹脂脫涂等問題；且樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，需嚴格控制加工區(qū)溫升[5]。采用游離磨料拋光對工件材料進行微量去除，無刀具堵塞問題且加工區(qū)域溫度低[6]，可用于富樹脂層的修型加工。

針對樹脂的拋光加工，國內(nèi)外均有學(xué)者進行了試驗研究。NAIR 等[7]研究了2 種拋光機對2 類復(fù)合樹脂加工效果的影響，結(jié)果表明：納米混合樹脂的拋光效果優(yōu)于微填充樹脂的，采用Soflex 拋光機和柔性氧化鋁圓盤的方式拋光后表面粗糙度Ra可達0.08 μm；王丹鳳等[8]研究了3 種不同拋光方法對樹脂表面粗糙度的影響，結(jié)果表明：樹脂填料大小、硬度、含量、類型等是影響拋光表面粗糙度的主要因素，Venus 納米樹脂的拋光效果最光滑，采用磨粒小、分布均勻的Soflex 拋光盤可將納米樹脂平均粗糙度Ra降至0.5 μm；劉亞男等[9]研究了3 種含有金剛石磨粒的拋光系統(tǒng)對樹脂拋光效果的影響，結(jié)果表明：拋光效果與磨粒的粒徑、含量及分布的均勻程度相關(guān)，同時Vita 和Eve 拋光系統(tǒng)的樹脂表面粗糙度Ra均低于0.2 μm，光澤度均大于60 GU；HALIM 等[10]研究了2 種拋光系統(tǒng)對7 種復(fù)合樹脂拋光效果的影響，結(jié)果表明：表面粗糙度由磨粒的硬度和粒度決定，且小粒徑、軟質(zhì)磨粒的加工效果更優(yōu)；郭劍苓等[11]研究了不同磨粒粒徑的拋光碟對復(fù)合樹脂拋光效果的影響，結(jié)果表明：隨著磨粒粒徑的減小，樹脂表面的溝痕明顯變淺、凹坑減少，其表面粗糙度也隨著磨粒粒徑的減小而降低。

對現(xiàn)有樹脂拋光加工的研究進行分析后發(fā)現(xiàn)，目前樹脂拋光加工的表面粗糙度僅為微米級，無法滿足反射面表面富樹脂層納米級表面粗糙度的使用要求[12]。并且，目前樹脂拋光加工的應(yīng)用主要在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，針對富樹脂層拋光加工的工藝尚不明確。因此，根據(jù)富樹脂層的材料特性及使用要求，結(jié)合目前樹脂拋光加工研究的現(xiàn)狀，選用富樹脂層平面構(gòu)件進行拋光探索性試驗，研究拋光加工提高富樹脂層表面粗糙度的可行性。選用粒徑小的軟質(zhì)磨粒，通過拋光工藝試驗，研究拋光時間、磨粒粒徑、磨粒質(zhì)量分數(shù)、加載壓力以及拋光轉(zhuǎn)速對富樹脂層表面粗糙度的影響規(guī)律，探究如何通過優(yōu)化工藝參數(shù)來改善富樹脂層拋光加工后的表面粗糙度。

1 試驗條件

拋光原理如圖1所示。底盤帶動拋光墊旋轉(zhuǎn)，并帶動工件自旋轉(zhuǎn)，拋光液通過蠕動泵輸送至拋光加工表面。富樹脂層拋光試驗平臺如圖2所示。選用ZYP30 型擺動重力式研磨拋光機，底盤直徑為230 mm，可實現(xiàn)0～120 r/min 的無級調(diào)速；通過改變配重塊的重量調(diào)節(jié)加載壓力。選用阻尼布為拋光墊，硅溶膠溶液為拋光液。試樣為富樹脂層平面構(gòu)件，由EPOLAM 2090樹脂與EPOLAM 2060 固化劑按比例混合攪拌均勻，浸濕增強纖維進行積層，然后在40 ℃下固化24 h 所形成。試驗前將平面構(gòu)件裁切為10 mm×10 mm×2 mm 的樣件，依次經(jīng)過打磨、超聲清洗，最后使用石蠟將樣件按照環(huán)形陣列粘在配重塊上，如圖2b。

圖1 拋光原理圖Fig.1 Polishing schematic

圖2 富樹脂層拋光試驗平臺Fig.2 Resin-rich layer polishing test platform

拋光試驗結(jié)束后，使用無水乙醇、去離子水超聲清洗試樣，并用高壓氣槍將試樣表面水漬吹干。使用3D 表面輪廓儀（NewView 9000，ZYGO 公司）檢測樣件表面粗糙度及表面形貌，將同一工藝參數(shù)下3 個樣件的表面粗糙度均值記為試驗值。富樹脂層拋光試驗工藝參數(shù)如表1所示。

表1 富樹脂層拋光試驗工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of resin-rich layer polishing test

2 結(jié)果與討論

2.1 拋光時間對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖3 為拋光時間對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中磨粒粒徑為25 nm，磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%，加載壓力為14.1 kPa，拋光轉(zhuǎn)速為50 r/min，拋光液流量為10 mL/min。從圖3 可以看出：拋光時間為0.5 h 時，表面粗糙度Sa為14.41 nm；隨著拋光時間的延長，表面粗糙度減小，在1.0 h 時表面粗糙度達到最低，Sa為6.69 nm；隨后表面粗糙度大小趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在7.00 nm 左右。

圖3 拋光時間對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.3 Effect of polishing time on surface roughness

不同拋光時間下的富樹脂層表面形貌如圖4所示。在拋光初期，富樹脂層表面較為粗糙，由于拋光時間短，材料去除量不足，表面粗糙度大，如圖4a；隨著拋光時間的延長，材料的粗糙表面被進一步去除，表面趨于光滑，表面粗糙度減小，如圖4b；拋光時間進一步延長，當(dāng)前工藝參數(shù)對材料表面質(zhì)量的改善能力進入飽和階段，材料表面粗糙度進入穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4c 及圖4d。因此，考慮到拋光加工效率，富樹脂層的拋光時間應(yīng)選擇1.0 h。

圖4 富樹脂層隨拋光時間變化的表面形貌Fig.4 Surface topography of resin-rich layer as function of polishing time

2.2 磨粒粒徑對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖5所示為磨粒粒徑對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%，加載壓力為14.1 kPa，拋光轉(zhuǎn)速為50 r/min，拋光時間為1.0 h，拋光液流量為10 mL/min。從圖5 中可以看出：當(dāng)粒徑大小為25 nm 時，富樹脂層表面粗糙度Sa為6.69 nm；隨著二氧化硅磨粒粒徑的增大，富樹脂層的表面粗糙度逐漸增大，當(dāng)粒徑為100 nm時，樹脂層表面粗糙度Sa增至29.92 nm。

圖5 磨粒粒徑對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.5 Effect of abrasive particle size on surface roughness

圖6所示為富樹脂層隨磨粒粒徑變化的表面形貌。當(dāng)磨粒質(zhì)量分數(shù)相同時，磨粒粒徑小，拋光液中磨粒數(shù)量多，材料去除較為穩(wěn)定、均勻，如圖6a 及圖6b。磨粒粒徑增大，拋光液中的磨粒數(shù)量減少，對材料的去除作用不均勻，致使表面粗糙度增大，如圖6c 及圖6d；同時，在相同轉(zhuǎn)速的情況下，粒徑增大，單個磨粒受到的壓力增大，磨粒壓入工件表面的深度增大，使材料去除率升高。因此，在對富樹脂層拋光加工的過程中，應(yīng)當(dāng)盡量減小磨粒的粒徑，以獲得較小的表面粗糙度，故選擇粒徑為25 nm 的磨粒最合適。

圖6 富樹脂層隨磨粒粒徑變化的表面形貌Fig.6 Surface topography of resin-rich layer as function of abrasive particle size

2.3 磨粒質(zhì)量分數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖7所示為磨粒質(zhì)量分數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中磨粒粒徑為25 nm，加載壓力為14.1 kPa，拋光轉(zhuǎn)速為50 r/min，拋光時間為1.0 h，拋光液流量為10 mL/min。磨粒質(zhì)量分數(shù)為5%時，富樹脂層表面粗糙度Sa為10.75 nm；隨著磨粒質(zhì)量分數(shù)的升高，表面粗糙度減小，當(dāng)磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%時表面粗糙度Sa降至6.69 nm；后隨著磨粒質(zhì)量分數(shù)的升高表面粗糙度增大，當(dāng)磨粒質(zhì)量分數(shù)為30%時，表面粗糙度Sa為8.12 nm，因而應(yīng)選用磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%。

圖7 磨粒質(zhì)量分數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.7 Effect of abrasive particle mass fraction on surface roughness

圖8所示為富樹脂層隨磨粒質(zhì)量分數(shù)變化的表面形貌。當(dāng)磨粒粒徑、加載壓力相同時，磨粒質(zhì)量分數(shù)低，拋光液中的磨粒數(shù)量少，材料的去除不均，表面粗糙度大，如圖8a 及圖8b。隨著磨粒質(zhì)量分數(shù)的升高，參與拋光作用的磨粒數(shù)量增多，對材料的去除作用較為均勻，表面粗糙度下降，如圖8b 和圖8c。磨粒質(zhì)量分數(shù)進一步升高，會導(dǎo)致磨粒堆積，容易出現(xiàn)堵塞并黏附在材料表面，影響材料的去除并降低表面粗糙度，如圖8c。因此，為降低表面粗糙度，應(yīng)將拋光液的磨粒質(zhì)量分數(shù)設(shè)置在20 %。

圖8 富樹脂層隨磨粒質(zhì)量分數(shù)變化的表面形貌Fig.8 Surface topography of resin-rich layer as function of abrasive particle mass fraction

2.4 加載壓力對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖9所示為加載壓力對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中磨粒粒徑為25 nm，磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%，拋光轉(zhuǎn)速為50 r/min，拋光時間為1.0 h，拋光液流量為10 mL/min。加載壓力為14.1 kPa 時，富樹脂層表面粗糙度Sa為6.69 nm；隨著壓力的增大，表面粗糙度逐漸增大，當(dāng)加載壓力為47.1 kPa 時，富樹脂層表面粗糙度Sa增至10.59 nm。

圖9 加載壓力對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.9 Effect of loading pressure on surface roughness

圖10所示為富樹脂層隨加載壓力變化的表面形貌。當(dāng)加載壓力較小時，工件與拋光墊之間的摩擦力小，工件可以平穩(wěn)自旋轉(zhuǎn)；同時磨粒壓入工件表面的深度小，在其他工藝參數(shù)相同的情況下材料去除率低，因此表面粗糙度小，如圖10a。隨著加載壓力的增大，工件與拋光墊之間的摩擦力增大，工件的自旋轉(zhuǎn)變慢，影響磨粒運動速度與運動方向，大幅降低了工件表面材料去除的均勻性，如圖10b 及圖10c。加載壓力的增大，使得磨粒對工件的切削作用增強，磨粒壓入深度增大，提升了單顆磨粒對材料的去除作用，增大了材料去除率。過大的壓力還會給工件表面帶來較大的劃痕，降低表面質(zhì)量，如圖10d。針對富樹脂層加工，不宜選用過大的加載壓力，以防止材料去除率過高將富樹脂層全部拋除；為獲得較小的表面粗糙度，應(yīng)適當(dāng)降低加載壓力，在所設(shè)計的試驗參數(shù)中最佳加載壓力為14.1 kPa。

圖10 富樹脂層隨加載壓力變化的表面形貌Fig.10 Surface topography of resin-rich layer as function of loading pressure

2.5 拋光轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律

圖11所示為拋光轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律，其中磨粒粒徑為25 nm，磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%，加載壓力為14.1 kPa，拋光時間為1.0 h，拋光液流量為10 mL/min。當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 r/min 時，表面粗糙度Sa為9.72 nm；拋光轉(zhuǎn)速增大到50 r/min 時，表面粗糙度Sa減小至6.69 nm；后隨著拋光轉(zhuǎn)速的增大，表面粗糙度進一步地增大，當(dāng)拋光轉(zhuǎn)速增大到70 r/min 時，表面粗糙度Sa增大至9.84 nm。

圖11 拋光轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響規(guī)律Fig.11 Effect of polishing speed on surface roughness

圖12所示為富樹脂層隨拋光轉(zhuǎn)速變化的表面形貌。隨著拋光轉(zhuǎn)速的增大，磨粒相對工件的運動速度增大。轉(zhuǎn)速較小時，磨粒相對速度較小，做無規(guī)則運動的磨粒數(shù)量較少，磨粒與工件表面間相互作用次數(shù)少，材料去除能力差，導(dǎo)致材料去除率低，表面粗糙度大，如圖12a所示。隨著拋光轉(zhuǎn)速的增大，磨粒隨離心力分布均勻穩(wěn)定，材料表面被去除得較為均勻，表面粗糙度減小，如圖12b所示。隨著拋光轉(zhuǎn)速進一步增加，由于離心力過大，部分拋光液被甩出，參與拋光的磨粒數(shù)變少。加工區(qū)域內(nèi)剩余的磨粒會沿著拋光墊半徑方向梯度分布，數(shù)量由內(nèi)向外增多，引起材料去除不均勻[13]。速度過大還會引起工件自旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)速越大豎直方向的跳動越大，跳動造成工件受到的加載壓力不穩(wěn)定，易導(dǎo)致較大的劃痕產(chǎn)生，使表面粗糙度增大，如圖12c 及圖12d所示。因此，為獲得較小的表面粗糙度，應(yīng)將拋光轉(zhuǎn)速控制在50 r/min 左右。

圖12 富樹脂層隨拋光轉(zhuǎn)速變化的表面形貌Fig.12 Surface topography of resin-rich layer as function of polishing speed

2.6 加工試驗驗證

根據(jù)試驗結(jié)果，選取最優(yōu)工藝參數(shù)進行富樹脂層拋光試驗驗證：磨粒粒徑為25 nm，磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%，加載壓力為14.1 kPa，拋光轉(zhuǎn)速為50 r/min，拋光時間為1.0 h，拋光液流量為10 mL/min，最終獲得的表面粗糙度Sa為4.73 nm，滿足富樹脂層的使用要求。其表面粗糙度如圖13所示。

圖13 富樹脂層加工后表面形貌Fig.13 Surface topography of resin-rich layer

3 結(jié)論

針對新一代天線反射面對富樹脂層表面的高質(zhì)量加工需求，開展富樹脂層拋光工藝試驗，研究了拋光時間、磨粒粒徑、磨粒質(zhì)量分數(shù)、加載壓力以及拋光轉(zhuǎn)速對富樹脂層表面粗糙度的影響規(guī)律，探究了如何通過工藝參數(shù)優(yōu)化以降低富樹脂層拋光加工的表面粗糙度。得出結(jié)論如下：

（1）基于當(dāng)前的試驗條件，隨著拋光時間的延長，富樹脂層表面粗糙度逐漸減小，在1.0 h 后趨于穩(wěn)定；隨著磨粒粒徑和加載壓力的增大，富樹脂層的表面粗糙度增大，材料的去除變得不均勻；隨著磨粒質(zhì)量分數(shù)的升高或拋光轉(zhuǎn)速的增大，富樹脂層表面粗糙度先減小后增大。

（2）優(yōu)化后得到富樹脂層拋光的最佳工藝參數(shù)：磨粒粒徑為25 nm，磨粒質(zhì)量分數(shù)為20%，加載壓力為14.1 kPa，拋光轉(zhuǎn)速為50 r/min，拋光時間為1.0 h，拋光液流量為10 mL/min。在此工藝下加工得到的表面粗糙度Sa為 4.73 nm，滿足富樹脂層的使用要求。