硼硅玻璃薄膜的抛光工艺

第12卷　第1期2007年2月
哈尔滨理工大学学报
JOURNAL HARB I N UN I V .SC I .&TECH.
Vol 112No 11
　Feb .,2007
硼硅玻璃薄膜的抛光工艺
赵彦玲1
,　向敬忠1
,　顾玉武
2
(1.哈尔滨理工大学现代制造技术与刀具重点实验室,黑龙江哈尔滨150080;
2.哈尔滨理工大学工程训练中心,黑龙江哈尔滨150080)
摘　要:对硼硅玻璃产品的用途及加工表面质量要求进行了分析,以自制抛光机为抛光工具,
抛光薄膜为抛光膜,水作为抛光冷却液,通过对大量抛光实验数据的研究,拟定了最优的硼硅玻璃薄膜抛光过程工艺.该工艺不仅可以满足加工要求,而且其冷却液还具有绿色环保作用.
关键词:硼硅玻璃;薄膜抛光;抛光工艺.中图分类号:T H161114文献标识码:A 文章编号:1007-2683(2007)01-0114-04
S tudy on Po lishi ng Mechanism of Gri ndi ng Fil m
ZHAO Yan 2ling 1
,　X I AN G J ing 2zhong 1
,　G U Yu 2w u
2
(1.The Key Laborat ory of Advanced Manufaituring Tech .&Cutting Tools,Harbin Univ .Sci .Tech .,Harbin 150080,China;
2.Engineering Training Center,Harbin Univ .Sci .Tech .,Harbin 150080,China )
Abstract:The op ti m izati on techniques of the polishing p r ocess of bor on -silicon glass thr ough the research of much polishing experi m ental data and the analysis of the use of p r oduct of bor on -silicon glass and the request of the quality of machining surface are studied .I n the experi m ents we use self -made polishing machine as the t ool of polishing,use the polishing fil m s as fil m s,and water is used as coolant .This technics not only can satisfy the re 2quest of machining,in which the coolant used has the effect of green envir onmental p r otecti on,and it can als o make a p r ogress f or the manufacture and the app licati on field of bor on -silicon glass .
Key words:bor on -silicon glass;fil m polishing;polishing technics .
收稿日期:2006-09-02
基金项目:黑龙江省自然科学基金项目(E2004-31).作者简介:赵彦玲(1963-),女,哈尔滨理工大学教授.
1　引　言
随着生活水平的提高,对玻璃的需求发生了很大变化.单纯的透明玻璃已不能满足各种的需求,各玻璃生产厂家、科研机构为适应这种变化,通过对玻璃成分和表面的改性及加工,赋予玻璃光学、电气、热学、机械、化学等新功能,以此增加了玻璃的使用效果.
硼硅玻璃由于其内部结构特性,使其具有许多优良性能:如良好的热稳定性和化学稳定性、机械性
能和工艺性能好、优良的光学性能等,在各相关领域
得到了广泛应用
[1]
.表面粗糙度是决定硼硅玻璃能
否得到充分应用的重要因素,完整的抛光工艺及高效的抛光方法则是整个过程的关键.
玻璃的抛光技术在20世纪70年代之前一直使用低速的散粒磨料抛光,散粒磨料抛光方法主要是用水和抛光粉及适当的添加剂组成的抛光液进行抛光
[2]
.到80年代初期,又出现了聚氨酯高速抛光材
料.近年来,在玻璃抛光工艺中,国内外又采用稀土抛光粉、抛光膏对其加工抛光,使玻璃的研磨表面精确度得到了很大程度上的改善.但大部分方法都是
基于游离的抛光液、抛光浆,虽然效果显著,但易造成不必要的浪费以及环境污染.
本文所采用的研磨抛光薄膜是一种以金刚石、立方氮化硼等粉末为磨料,聚脂类高分子化合物为基体的新型精密、超精密研磨抛光工具.与散粒磨料方法相比,具有生产效率高、操作方便、光圈质量稳定、表面粗糙度好、加工安全、环境清洁、可用于单块和成盘及流水线等优点.并结合自制抛光机,针对不同磨料种类、磨料粒度以及抛光速度等参数进行硼硅玻璃抛光实验,确定其最优薄膜抛光工艺.该工艺的研究与确定,对改变光学零件加工技术落后的抛光工艺,提高经济效益具有重要作用.
2　硼硅玻璃薄膜抛光实验条件
由于硼硅玻璃的硬度高,组织结构复杂,很难得到高平面度的表面.传统的光学抛光机都动摆式,即工件相对于磨盘转动,又沿一定的弧线摆动,工件在抛光的同时也不断修正抛光膜.但是,无论抛光参数如何设定,都不能实现工件表面材料的均匀去除,所以工件和抛光膜的面始终处于非收敛变化中,即面形朝凹或凸的方向单调改变.为获得较高的表面精确度,在抛光过程中,需不断检测面形,并调整抛光工艺参数,故对操作员的技术水平要求很高.
本文研究的硼硅玻璃抛光工艺所采用的抛光机是自制高速便携式抛光机,其特点是速度高,灵巧轻便,可以任意变换抛光速度.在抛光过程中,采用定偏心运动作为工作方式,同时,在高速运作的条件下,工件随抛光盘产生同向自转速度,使其表面平面度进行自我修正,并通过压力对其自转速度进行控制,抛光实验装置如图1所示
.
图1　硼硅玻璃薄膜抛光装置图
抛光是通过上盘(工件)和下盘(抛光盘)的相对运动,粘贴在抛光盘上的抛光薄膜对工件表面进行材料去除的过程.工件表面各点材料去除量如何,关系到其平面度的好坏.各点相对抛光盘的运动轨迹,是影响表面粗糙度的重要因素.因此,首先要对其材料去除情况和相对运动轨迹进行分析.
由于影响抛光的因素很多,如压力、时间、速度、温度、抛光膜磨粒粒度、磨料类型等,到目前为止,被普遍接受的表面材料去除的数学模型是Prest on 方程
[3]
,即
d R /d t =kpv
(1)
其中:k 为与被加工材料、工艺参数等有关的系数;p 为表面上某一点在t 瞬时与下盘间的压力;v 为该点在t 瞬时与下盘的相对运动速度;d R /d t 为单位时间内材料去除量.因此,为了进一步分析材料去除量与运动形式之间的关系,应对式(1)做如下假设:①材料去除量仅由工件与抛光盘的相互作用引起;②当抛光盘与工件表面吻合良好、去除率较小且在整个加工过程中不露边的情况下,压力p 可以认为不变.
在T (单位:h )时间内材料去除量用R (x,y )(单位:mm )表示,则
R (x,y )=kp ∫
t
v (x,y,t )d t
(2)
经模拟计算知,当工件与抛光盘同方向、同转速定轴回转时,工件上任意一点相对于底盘的运动速度v 相同[4]
,其各点在抛光时间T 内的材料去除量
相同,面形才能得到很好的改善.当转速为ω(单位:r/m in ),偏心距为e (单位:mm ),在研磨时间T 内各
点材料去除量R =kp
ωeT .此时,工件半径r 上的点相对于抛光盘的运动轨迹方程[5]
为
(X +r cos φ0)2+(Y -r sin φ0)
2=e 2
(3)
工件上任意点在抛光盘上走过的轨迹是以
(-r co s φ0,r sin φ0)为圆心,e 为半径的圆,在研磨时间T 内相对抛光盘的移动路程相同,即l (单位:mm )为
l =ωeT
(4)
由以上分析可知,在理想情况下,工件转速与抛光盘转速相同时,工件表面各点的相对线速度相同,材料去除率相同,抛光薄膜对工件表面作用效果也相同,才能得到最优的表面粗糙度.因此,为获得最佳的表面平面度,本实验抛光过程中的压力采用工件自身重力,使其转速达到最高,接近抛光盘转速.如对材料进行粗加工抛光,则需再加载重物,使其提
高抛光效率.
5
11第1期赵彦玲等:硼硅玻璃薄膜的抛光工艺
3　薄膜抛光实验工艺及数据
通过对材料去除情况和工件相对运动轨迹的理论分析,可以充分肯定抛光速度是抛光过程中的一个重要参数.同时,通过实验验证,抛光薄膜磨粒粒度、磨料类型、抛光时间、压力以及冷却液也是决定工件最终表面精确度的必要参数.311　抛光速度
满足由理论分析所获得的对转速的基本要求是工件平面面形收敛所必需的,是实验进行的先决条件.在薄膜抛光时,由于实验条件所限,抛光盘的转速与工件转速不可能完全相同,经模拟计算可知,二者速度越接近,工件各点材料去除差异越小,对平面精确度影响越小,在实验中通过改变压力便可得到证明.抛光转速根据实际情况来选择,一般转速范围在1300～8000r/m in .转速越低,抛光效率越低,抛光精确度越差;转速越高,效率越高,抛光精确度也明显提高.图2为实验数据曲线图,该曲线反映了在不加外力的情况下,其他参数均相同时,不同速度对硼硅玻璃抛光精确度的影响
.
图2　抛光速度与抛光精确度关系曲线
312　抛光薄膜磨料类型及粒度
影响抛光精确度另一大参数就是与工件直接发生作用的抛光膜.选择适当的抛光薄膜类型以及磨料的粒度,不仅可以有效改善抛光工件表面精确度,提高抛光效率,而且有利于节约薄膜的成本.实验用的抛光薄膜磨料类型有A l 2O 3薄膜和金刚石薄膜两种.由于金刚石磨料造价成本高,硬度大,适合精抛光硬度比较高的硬脆材料,而硼硅玻璃的硬度值为7,A l 2O 3磨料抛光薄膜可以满足抛光要求,因此,本
实验采用A l 2O 3抛光薄膜进行抛光.根据加工要求选择合适的薄膜粒度,以缩短加工工序.
图3是磨料粒度与抛光精确度关系曲线图.该图反映的是在加工速度为2500r/m in 时,相同抛光时间、抛光外力等参数下,不同AL 2O 3磨料粒度对硼硅玻璃加工表面粗糙度的影响
.
图3　磨料粒度与抛光精度关系曲线
从图3曲线可知,在此速度下,当选用粒度为
15#的A l 2O 3磨料时,抛光精确度达到最高,再选用粒度更小的AL 2O 3磨料抛光时,抛光精确度有回升趋势.由此说明,在该速度下,粒度为15#的A l 2O 3薄膜对硼硅玻璃抛光的效果最好.通过大量的实验数据可知,总结抛光速度、抛光精确度和薄膜粒度之间的变化规律,发现不同粒度的抛光薄膜都有其最优抛光速度,并且随着磨料粒度的降低而升高.因此,若需再提高工件表面的粗糙度,则需要在提高抛光速度的同时,选择更小的磨粒粒度的抛光薄膜,如9#或2#.313　抛光时间
在传统的抛光工艺中,时间参数决定抛光效率.由于本实验采用的是超高速抛光机,时间对效率的影响相对于对表面粗糙度、表面平面度等重要加工参照的影响是很小的.一般由粗加工到精抛光全过程工艺只需10m in 左右,平均每道工序只需2m in .因此,在抛光过程中,只考虑抛光时间对表面粗糙度、
平面度的影响.由实验数据测得,在其他参数不变的情况下,玻璃片表面的粗糙度随时间的延长趋好.因此,适当的增加抛光时间是必要的,可以充分发挥每张膜片的利用率,减少浪费.随着时间的延长,表面精确度将趋向某一稳定值.抛光时间太短,会使玻璃表层材料的去除还没有完全改变其初始变质层,膜片利用率降低.当然时间太长,也会由于腐蚀等作用破坏表面精确度.因此,时间的长短应根据抛光薄膜的寿命来决定.314　冷却液
抛光过程中,抛光机的高速旋转,使抛光薄膜与工件之间摩擦产生大量的热.尽管玻璃对温度变换不敏感,但由于抛光薄膜的基体为聚酯化合物,温度达到一定值会破坏其组织结构,引起薄膜烧伤,磨粒脱落,影响抛光薄膜的抛光效果.
本文选用纯净水作为冷却液,采用抛光盘中心
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供给方式,可以充分对抛光薄膜冷却,并会及时带走抛光过程中脱落的小玻璃晶体抛光屑,对抛光过程有清洁作用,使其不至于影响抛光精确度.同时,随抛光速度的增加,应适当增加冷却液供给量,但不能过多.当冷却液过多时,会使玻璃工件像吸盘一样完全吸附在抛光薄膜表面,尤其对粒度小的抛光薄膜,更容易出现吸附现象,使抛光过程变得困难,影响抛光精确度.在抛光玻璃过程中,抛光盘处于高速旋转状态,冷却液接触到抛光薄膜的瞬间,便向周围散尽,冷却液太少,不仅起不到冷却作用,而且还会使玻璃工件产生干磨现象,这是薄膜抛光过程中急需避免的现象.实验表明,当工件发生干磨现象时,磨粒会大部分脱落,抛光屑中的玻璃晶体变大,造成玻璃加工表面大范围划痕,严重影响抛光效果.因此,需经验丰富的技术人员根据抛光薄膜的磨粒粒度对冷却液的供给量进行控制.
4　薄膜抛光工艺参数及结果分析
通过以上实验数据分析,得出硼硅玻璃薄膜抛光最佳工艺参数路线,并根据抛光薄膜磨粒的种类,将抛光过程分为六道工序,其内容和详细参数如表1所示.在粗加工两道工序加工过程中,由原始表面粗糙度决定两道工序的加工时间,也可适当延长粗抛光时间.精抛光工序由于速度大幅度提升,冷却液应随之适当增加,同时须不断检测表面平面度,观察工件抛光稳定性,当加工到精抛光最后两道工序时,应严格控制冷却液的供给量.
从表1中可看出,随速度的提升,抛光时间逐渐减少.当达到最高转速时,抛光精确度不仅受以下固定参数的影响,还受外界条件的影响,如抛光机由高速旋转产生的振动、操作人员技术等不可控参数,需不断检测以保证最优抛光精确度.由于实验抛光机的自身条件,最高转速只能达到8000r/m in,限制了抛光薄膜的抛光效果.由实验数据中可知,磨料粒度为2#的抛光薄膜并未发挥其最大抛光效果,在今后的实验中,应进一步提高抛光速度.
注:磨料类型:A l
2
O3薄膜,抛光盘有效半径为0101m.
图4为硼硅玻璃经薄膜抛光后,由粗糙度仪测得的表面轮廓曲线图,其表面粗糙度在50nm左右.从该曲线可看出,抛光后的玻璃表面基本具有一定的平面度,加工精确度一致性好,适合在工业生产中推广
.
图4　硼硅玻璃表面轮廓图
5　结　语
硼硅玻璃的应用才刚刚起步,其巨大的发展前景是普通玻璃无法比拟的.今后硼硅玻璃将朝着多功能、高性能、高质量、多规格、大尺寸的方向发展,这必伴随着对其加工要求、质量及效率的提高.硼硅玻璃薄膜抛光工艺的研究,对玻璃抛光工艺具有极大的补充,也为实现薄膜抛光工业化奠定基础.
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(编辑:付长缨)
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第1期赵彦玲等:硼硅玻璃薄膜的抛光工艺。