K9光学玻璃的化学机械磨削
作者:管理员    发布于:2018-12-28 19:25:07    文字:【】【】【
摘要:K9光学玻璃的化学机械磨削


K9光学玻璃的应用广泛,其表面质量宜接决定着光学器件的使用性能,但其传统加工技术加工效率低、加工精度差,难以获得超光滑高质量的表面。化学机械抛光技术(chemicalmechanicalpolishing,CMP)将化学与机械作用相结合,采用游离磨粒和抛光液,克服了单纯机械作用产生的表面损伤以及单纯化学作用的加工速度慢、表面精度低、抛光一致性差等缺陷,使加工质量大大提高。但该方法仍存在加工工艺复杂且可控性差等缺陷,难以确保工件的面形精度,并带来一定的环境污染。化学机械磨削技术(CMG)采用固结磨料,磨具中的磨料、添加剂及结合剂等合理搭配,且三者的硬度一般比工件低,磨具与工件的冲击、刮蹭所产生的瞬时高压高温环境,为工件、磨料、添加剂等之间产生的固相化学反应提供条件;其化学反应的生成物硬度也比选用磨料的硬度低,因此,通过磨料的机械去除就能完成对这些反应层的处理.又不会对工件表面造成损伤,最终得到高精度表面。

LBZhou等⑴对比了CMP和CMG加工石英玻璃的结果,发现加工后零件的光学特性相差不大,但用CMG加工获取的工件的表面精度和几何精度更好。仇中军等闪研究了CMG加工参数、磨削液等因素对玻璃的表面粗糙度和材料去除率的影响,解释了CMG加工机理。王斌u针对K9光学玻璃制备了不同配方的Ce()₂型、Mg()型和Fez()₃型CMG磨具,进行了干式磨削对比试验,发现Ce(b型磨具加工K9光学玻璃得到最好的磨削效果,用机8mmX30mm的圆柱状磨具进行端面磨削试验,得到的玻璃试件的表面粗糙度达0.586nm,经过优化后表面粗糙度达0.461nm.材料平均去除率达90nm/min。但干式磨削又带来了粉尘污染,且小直径磨具易出现钝化问题。根据国内外的相关研究"巾.发现在加入适量的磨削液后可以改善加工效果,使用循环的弱碱磨削液能够提高K9光学玻璃的加「.效率且易于获取超光滑表面阎。采用雾化磨削液加入磨削中.不仅大大降低了磨削液的消耗量⑼,而且消除了加工中出现的粉尘,避免了流动循环的磨削液带来的液体净化处理和稳定pH值等新问题。

本研究在干式CMG研究⑷基础上,采用接近实际加工的©86mmX27mm的杯形CMG磨具,改进原来干式Ce(b型磨具的最优配方,通过加入适量NaHC()₃水雾,进行干湿式磨削试验,在取得初步的磨削效果后,对K9光学玻璃的湿式CMG的工艺参数进行优化,最终获得满意的加工结果。

1CMG磨具的配方及制备

湿式CMG加工要先开发专用CMG磨具。根据K9光学玻璃的下式化学机械磨削试验⑶的磨具配方,先按表1配方制作干式磨削用磨具,进行验证性试验。之后,考虑湿式磨削的特点及磨具的结构形状的改变,对磨料、结合剂、添加剂、气孔等的比例关系加以调整。三种成分配比如表2所示。所示的磨具成分配比和磨具的结构尺寸,计算出磨具中各成分的质量和磨具的体积,经过干燥、称重、混料,再使用热压机及专用模具热压、固化,检查合格后得到各组配方,外径为©86mmX27mm的杯形CMG磨具,磨具实物如图1所示。


2磨削试验

试验在一个小型专用磨床上进行,先进行干式磨削试验,之后使用自制的超声雾化装置将0.1%质量浓度的NaHC(h水溶液雾化成为小分子的气雾,通过改变调控装置的风扇转速来控制雾化液的排量。为保证试验的可对比性,对每组磨具进行磨削试验时,把水雾的耗水量统一设置为40mL/h,通过超声雾化装置输出管喷出的水雾来为磨削试验提供潮湿环境,如图2所示。试验使用的K9光学玻璃试件如图3所示,规格为柄0mmX3mm,原始表面粗糙度值为0.6Mm,其主要化学成分质量分数组成为,69.12%的SiO₂,10.75%的Ba₂O₃30.40%的Na₂O,6.29%的&0、3.07%的BaO和0.36%的AszOx型表面轮廓仪对各阶段试件的表面粗糙度进行检测。

3试验结果及数据分析

使用表1及表2中的六组配方各制备四个磨具,采用表3所示的试验参数,对相同的K9光学玻璃试件分别磨削了30、60、90、120min,之后检测磨削效果。干式磨削的材料去除率及表面粗糙度的变化过程如图4、图5所示;湿式磨削的材料去除率及表面粗糙度的变化过程如图6、图7所示。干式与湿式磨削试验结果如表4所ZN。试件经过清洗及称重后通过石蜡与夹具盘粘在一起。粘好后用千分表检测其端面跳动,使其控制在20“m以内。磨具安装在主轴端部的圆盘内,通过磨具的底端和圆周定位,使用专用垫片和螺栓将磨具安装在主轴上。磨削试验参数的选取如表3所示,考虑到磨削区温度测量的难度,通过重复试验来调整磨削参数以保证磨削区温度达到所需温度。

以单位时间内去除材料的厚度定义材料去除率,根据K9光学玻璃试件的圆端面面积、比重以及试验前后试件的质量差可以确定材料的去除率。对此,要求试验前后对试件进行超声清洗,清洗剂分别采用无水乙醇和石油醞,以去除上面的石蜡及其他污物,保证试验前后用SartoriusCP225D型精密电子天平称量的试件质量为试件的净重。用ZygoNewView5022由图4可以看到,B组磨具得到的材料去除率最大,从图5中也可看出B组磨具得到的粗糙度最好,C组次之,A组最差。说明在一定范围内增大CeO2磨料的比例会提高磨削效率,但添加过多磨料会造成磨具内气孔率下降,反而不利于磨具对K9玻璃的材料去除。中可看出:湿式磨削的各磨具磨削K9光学玻璃的表面粗糙度值E由小到大依次为E组、F组和D组,E组CeOz型磨具无论表面粗糙度还是材料去除率都是最好的。这主要基于NaHCO₃水雾的水解作用以及更好的碱性环境,K9光学玻璃试件的硅胶层为多空或因龟裂产生的裂纹结构,碱性离子0H-会侵蚀玻璃的网络内体,破坏玻璃主体,加上磨粒不断刮除、吸附试件的胶态硅酸保护层,使得露出的玻璃表面又不断地加入化学反应,如此循环往复,完成材料的去除过程。

4加工工艺参数的优化

在本湿式CMG试验中,工艺参数主要有雾化液的pH值、磨具转速、工件转速等。为了达到最优的磨削效果,需要找出最佳工艺参数组合,了解各工艺参数对磨削效果的影响程度以及影响规律。分别选取三种雾化液的pH值、磨具转速和工件转速进行正交试验,用K9光学玻璃的材料去除率和表面粗糙度R,来综合评价CMG磨具的磨削效果。按表5所示的正交试验参数进行优化试验,其中,雾化磨削液的pH值可通过调节NaHCCh的浓度大小来控制,使用pH计测量获得。由于NaHCO₃在溶解过程中会释放出CO?,使得测出的数据不稳定,因此要在开始加水10min内进行pH值的测定。获得的正交试验数据使用SPSS软件进行处理。

将湿式磨削试验结果与干式磨削试验结果对比后发现,NaHCO₃含量较高的E组和F组磨具试验得到的表面粗糙度及材料去除率都优于干式磨削试验中的最优B组的结果。除了配方中的微小差别,在NaHCO₃雾化环境下能为磨削试验的进行提供较充足的碱性环境,磨具对K9玻璃的磨削效率较高。从图7可以看出:整个模型的统计量为1.414,概率值是0.470,由此可见,该方差分析模型十分显著;同时判决系数为0.809,说明CMG磨具对K9玻璃的表面粗糙度能被“磨具转速”、“工件转速”、“雾化液的pH值”及三者的交互效应解释的部分占了80.9%;其中,雾化液的pH值对其表面粗糙度影响最大。

根据图8所示的不同pH值的估算边际均值,在雾化液的pH值为7.84的弱碱性环境下,工件转速为250r/min,磨具转速为600r/min时,CMG磨具对K9光学玻璃的磨削表面粗糙度达到最优,粗糙度值达到了Rₐ0.515nm。表8给出了针对材料去除率的多因素方差分析结果表。自由度值与概率值是用于检验整体数据模型有效程度的量。从表7可以看出:整个模型的统计量2.913,概率值是0.4278,由此可见,该方差分析模型十分显著;同时判决系数为0.897,说明CMG磨具对K9玻璃的材料去除率能被“磨具转速”、“工件转速”、“雾化液的pH值”及三者的交互效应解释的部分占了89.7%;其中,雾化液的pH值对其表面粗糙度影响最大。根据图9所示的不同pH值的估算边际均值对比可知,在雾化液的pH值为7.84的弱碱性环境下,工件转速为250r/min,磨具转速为600r/min时,CMG磨具磨削K9光学玻璃的材料去除率最大,达到95.37nm/min₀


5结论

(1)在干式CMG的基础上,研制了适合湿式CMG的磨具,采用超声雾化方式对K9光学玻璃的试样进行试验。研究表明,使用雾化液增大了化学反应速度,消除了干式CMG产生的粉尘污染,加工的材料去除率及表面粗糙度都有所提高。
(2)采用正交试验法,对比研究了工件转速、磨具转速以及雾化液的pH值对加工效果的影响。对工件表面粗糙度的影响,雾化液的酸碱度最强,磨具转速次之,工件转速最弱;对材料去除率的影响,雾化液的酸碱度最强,工件转速次之,磨具转速最弱。
(3)最佳综合加工效果的磨削参数组合为雾化液pH值7.84、磨具转速600r/min、工件转速250r/min,获得的K9光学玻璃表面粗糙度达到了R*0.515nm,最大材料去除率为95.37nm/min„
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脚注信息
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