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K9光學玻璃的化學機械磨削
作者:管理員    發布于:2018-12-28 19:25:07    文字:【】【】【
摘要:K9光學玻璃的化學機械磨削


K9光學玻璃的應用廣泛,其表面質量宜接決定著光學器件的使用性能,但其傳統加工技術加工效率低、加工精度差,難以獲得超光滑高質量的表面。化學機械拋光技術(chemicalmechanicalpolishing,CMP)將化學與機械作用相結合,采用游離磨粒和拋光液,克服了單純機械作用產生的表面損傷以及單純化學作用的加工速度慢、表面精度低、拋光一致性差等缺陷,使加工質量大大提高。但該方法仍存在加工工藝復雜且可控性差等缺陷,難以確保工件的面形精度,并帶來一定的環境污染。化學機械磨削技術(CMG)采用固結磨料,磨具中的磨料、添加劑及結合劑等合理搭配,且三者的硬度一般比工件低,磨具與工件的沖擊、刮蹭所產生的瞬時高壓高溫環境,為工件、磨料、添加劑等之間產生的固相化學反應提供條件;其化學反應的生成物硬度也比選用磨料的硬度低,因此,通過磨料的機械去除就能完成對這些反應層的處理.又不會對工件表面造成損傷,最終得到高精度表面。

LBZhou等⑴對比了CMP和CMG加工石英玻璃的結果,發現加工后零件的光學特性相差不大,但用CMG加工獲取的工件的表面精度和幾何精度更好。仇中軍等閃研究了CMG加工參數、磨削液等因素對玻璃的表面粗糙度和材料去除率的影響,解釋了CMG加工機理。王斌u針對K9光學玻璃制備了不同配方的Ce()?型、Mg()型和Fez()?型CMG磨具,進行了干式磨削對比試驗,發現Ce(b型磨具加工K9光學玻璃得到最好的磨削效果,用機8mmX30mm的圓柱狀磨具進行端面磨削試驗,得到的玻璃試件的表面粗糙度達0.586nm,經過優化后表面粗糙度達0.461nm.材料平均去除率達90nm/min。但干式磨削又帶來了粉塵污染,且小直徑磨具易出現鈍化問題。根據國內外的相關研究"巾.發現在加入適量的磨削液后可以改善加工效果,使用循環的弱堿磨削液能夠提高K9光學玻璃的加「.效率且易于獲取超光滑表面閻。采用霧化磨削液加入磨削中.不僅大大降低了磨削液的消耗量⑼,而且消除了加工中出現的粉塵,避免了流動循環的磨削液帶來的液體凈化處理和穩定pH值等新問題。

本研究在干式CMG研究⑷基礎上,采用接近實際加工的?86mmX27mm的杯形CMG磨具,改進原來干式Ce(b型磨具的最優配方,通過加入適量NaHC()?水霧,進行干濕式磨削試驗,在取得初步的磨削效果后,對K9光學玻璃的濕式CMG的工藝參數進行優化,最終獲得滿意的加工結果。

1CMG磨具的配方及制備

濕式CMG加工要先開發專用CMG磨具。根據K9光學玻璃的下式化學機械磨削試驗⑶的磨具配方,先按表1配方制作干式磨削用磨具,進行驗證性試驗。之后,考慮濕式磨削的特點及磨具的結構形狀的改變,對磨料、結合劑、添加劑、氣孔等的比例關系加以調整。三種成分配比如表2所示。所示的磨具成分配比和磨具的結構尺寸,計算出磨具中各成分的質量和磨具的體積,經過干燥、稱重、混料,再使用熱壓機及專用模具熱壓、固化,檢查合格后得到各組配方,外徑為?86mmX27mm的杯形CMG磨具,磨具實物如圖1所示。


2磨削試驗

試驗在一個小型專用磨床上進行,先進行干式磨削試驗,之后使用自制的超聲霧化裝置將0.1%質量濃度的NaHC(h水溶液霧化成為小分子的氣霧,通過改變調控裝置的風扇轉速來控制霧化液的排量。為保證試驗的可對比性,對每組磨具進行磨削試驗時,把水霧的耗水量統一設置為40mL/h,通過超聲霧化裝置輸出管噴出的水霧來為磨削試驗提供潮濕環境,如圖2所示。試驗使用的K9光學玻璃試件如圖3所示,規格為柄0mmX3mm,原始表面粗糙度值為0.6Mm,其主要化學成分質量分數組成為,69.12%的SiO?,10.75%的Ba?O?30.40%的Na?O,6.29%的&0、3.07%的BaO和0.36%的AszOx型表面輪廓儀對各階段試件的表面粗糙度進行檢測。

3試驗結果及數據分析

使用表1及表2中的六組配方各制備四個磨具,采用表3所示的試驗參數,對相同的K9光學玻璃試件分別磨削了30、60、90、120min,之后檢測磨削效果。干式磨削的材料去除率及表面粗糙度的變化過程如圖4、圖5所示;濕式磨削的材料去除率及表面粗糙度的變化過程如圖6、圖7所示。干式與濕式磨削試驗結果如表4所ZN。試件經過清洗及稱重后通過石蠟與夾具盤粘在一起。粘好后用千分表檢測其端面跳動,使其控制在20“m以內。磨具安裝在主軸端部的圓盤內,通過磨具的底端和圓周定位,使用專用墊片和螺栓將磨具安裝在主軸上。磨削試驗參數的選取如表3所示,考慮到磨削區溫度測量的難度,通過重復試驗來調整磨削參數以保證磨削區溫度達到所需溫度。

以單位時間內去除材料的厚度定義材料去除率,根據K9光學玻璃試件的圓端面面積、比重以及試驗前后試件的質量差可以確定材料的去除率。對此,要求試驗前后對試件進行超聲清洗,清洗劑分別采用無水乙醇和石油醞,以去除上面的石蠟及其他污物,保證試驗前后用SartoriusCP225D型精密電子天平稱量的試件質量為試件的凈重。用ZygoNewView5022由圖4可以看到,B組磨具得到的材料去除率最大,從圖5中也可看出B組磨具得到的粗糙度最好,C組次之,A組最差。說明在一定范圍內增大CeO2磨料的比例會提高磨削效率,但添加過多磨料會造成磨具內氣孔率下降,反而不利于磨具對K9玻璃的材料去除。中可看出:濕式磨削的各磨具磨削K9光學玻璃的表面粗糙度值E由小到大依次為E組、F組和D組,E組CeOz型磨具無論表面粗糙度還是材料去除率都是最好的。這主要基于NaHCO?水霧的水解作用以及更好的堿性環境,K9光學玻璃試件的硅膠層為多空或因龜裂產生的裂紋結構,堿性離子0H-會侵蝕玻璃的網絡內體,破壞玻璃主體,加上磨粒不斷刮除、吸附試件的膠態硅酸保護層,使得露出的玻璃表面又不斷地加入化學反應,如此循環往復,完成材料的去除過程。

4加工工藝參數的優化

在本濕式CMG試驗中,工藝參數主要有霧化液的pH值、磨具轉速、工件轉速等。為了達到最優的磨削效果,需要找出最佳工藝參數組合,了解各工藝參數對磨削效果的影響程度以及影響規律。分別選取三種霧化液的pH值、磨具轉速和工件轉速進行正交試驗,用K9光學玻璃的材料去除率和表面粗糙度R,來綜合評價CMG磨具的磨削效果。按表5所示的正交試驗參數進行優化試驗,其中,霧化磨削液的pH值可通過調節NaHCCh的濃度大小來控制,使用pH計測量獲得。由于NaHCO?在溶解過程中會釋放出CO?,使得測出的數據不穩定,因此要在開始加水10min內進行pH值的測定。獲得的正交試驗數據使用SPSS軟件進行處理。

將濕式磨削試驗結果與干式磨削試驗結果對比后發現,NaHCO?含量較高的E組和F組磨具試驗得到的表面粗糙度及材料去除率都優于干式磨削試驗中的最優B組的結果。除了配方中的微小差別,在NaHCO?霧化環境下能為磨削試驗的進行提供較充足的堿性環境,磨具對K9玻璃的磨削效率較高。從圖7可以看出:整個模型的統計量為1.414,概率值是0.470,由此可見,該方差分析模型十分顯著;同時判決系數為0.809,說明CMG磨具對K9玻璃的表面粗糙度能被“磨具轉速”、“工件轉速”、“霧化液的pH值”及三者的交互效應解釋的部分占了80.9%;其中,霧化液的pH值對其表面粗糙度影響最大。

根據圖8所示的不同pH值的估算邊際均值,在霧化液的pH值為7.84的弱堿性環境下,工件轉速為250r/min,磨具轉速為600r/min時,CMG磨具對K9光學玻璃的磨削表面粗糙度達到最優,粗糙度值達到了R?0.515nm。表8給出了針對材料去除率的多因素方差分析結果表。自由度值與概率值是用于檢驗整體數據模型有效程度的量。從表7可以看出:整個模型的統計量2.913,概率值是0.4278,由此可見,該方差分析模型十分顯著;同時判決系數為0.897,說明CMG磨具對K9玻璃的材料去除率能被“磨具轉速”、“工件轉速”、“霧化液的pH值”及三者的交互效應解釋的部分占了89.7%;其中,霧化液的pH值對其表面粗糙度影響最大。根據圖9所示的不同pH值的估算邊際均值對比可知,在霧化液的pH值為7.84的弱堿性環境下,工件轉速為250r/min,磨具轉速為600r/min時,CMG磨具磨削K9光學玻璃的材料去除率最大,達到95.37nm/min?


5結論

(1)在干式CMG的基礎上,研制了適合濕式CMG的磨具,采用超聲霧化方式對K9光學玻璃的試樣進行試驗。研究表明,使用霧化液增大了化學反應速度,消除了干式CMG產生的粉塵污染,加工的材料去除率及表面粗糙度都有所提高。
(2)采用正交試驗法,對比研究了工件轉速、磨具轉速以及霧化液的pH值對加工效果的影響。對工件表面粗糙度的影響,霧化液的酸堿度最強,磨具轉速次之,工件轉速最弱;對材料去除率的影響,霧化液的酸堿度最強,工件轉速次之,磨具轉速最弱。
(3)最佳綜合加工效果的磨削參數組合為霧化液pH值7.84、磨具轉速600r/min、工件轉速250r/min,獲得的K9光學玻璃表面粗糙度達到了R*0.515nm,最大材料去除率為95.37nm/min?
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