摘要:本文设计并研制了一套可控制抛光作用力的精密抛光装置,该装置具有抛光作用力微调功能及显示功能。用该装置对Zerodur陶瓷玻璃进行控制力抛光实验,稳定地获得了具有纳米级及亚纳米级表面粗糙度的超光滑表面,将该装置与机械化学抛光方法结合使用,可高效地加工出表面无损伤的超光滑基片。
一、引言
在散粒抛光(又称古典抛光)过程中,抛光模与工件盘之间的切向力和法向力是影响工件抛光表面质量的主要因素。因此,研究古典抛光过程抛光作用力的变化规律是非常必要的。为了寻求抛光模与工件盘之间的接触压力对抛光表面质量的影响规律,并实现无损伤抛光技术,设计了一套控制力精密抛光装置,并利用该装置进行抛光实验,获得了质量相当高的光学表面。
二、控制力精密抛光装置的设计
1·控制力精密抛光装置的结构设计
由于受力作用形式的影响,不同形式的力,其测量手段各不相同。对于抛光模与抛光盘之间的作用力来说,主要是控制工件的被抛光表面所受的外加法向力和切向摩擦力。针对在抛光过程中抛光作用力随时间变化的特殊性,所设计的精密抛光装置的原理简图如图1所示。
2·控制力精密抛光装置的组成及功能
如图1所示,通过调整螺杆1,使滑套3、传感器4、工件盘5在支承套2内上下滑动,以调整工件6与抛光模层8之间的接触间隙,并由传感器4测量接触压力的大小。
(1)微调机构 在超精密加工和测量中,多数采用压电驱动装置作为微动调整机构。本抛光装置采用了制造精度较高的差动螺纹调整机构,可以实现0·001mm的位移精度,并配合以高精度的力传感器和显示输出电路,可以使抛光模层与工件接触压力以1%N的精度进行调节。
(2)传感器与显示输出电路 实验装置所使用的力传感器采用YL12-CZ材料的弹性梁作为敏感元件,BH350-3AA-N电阻应变片作为变换元件。输出显示电路是将电桥输出的电压信号经过运算放大器放大、滤波以后输入至ICL7107集成芯片,将模拟的电压信号转变成数字信号,再输入到数码管,由数码管直接显示接触压力的大小。
显示输出电路的标定如表1所示。从表1中可以看出,当力超过1·96N时,显示值与理论值有一定的误差,误差的原因是环境温度的改变和干扰信号诸因素造成的。
三、控制力精密抛光实验
1·实验条件
抛光机床:JZ28180/ZF四轴抛光机。
抛光参数:氧化铈抛光液;柏油抛光模;抛光转速15r/min;摆幅12mm;抛光压力0·098~2·45N。工件材料:Zerodur玻璃。
2·抛光实验过程
(1)研磨 实验装置调整好以后,即可进行研磨。在铸铁盘上用302#金刚砂粗研约20min,然后清洗铸铁盘和工件盘,再用302#金刚砂精研约30min,保证工件的面型精度小于或等于一个光圈。
(2)抛光 精研后的零件在柏油抛光模上进行抛光。抛光条件如表2所示。在不同实验条件下抛光表面质量的检测结果如表3所示。
3·控制力抛光实验结果分析
从表3中的检测结果可以看出,随着接触压力的降低,工件的面型精度逐渐提高,光圈局部误差减小。这是由于在接触压力很小时,使得抛光模与工件接触部分的压力趋向均匀分布,从而使沥青模的弹、塑性变形小且匀质。在理论上,当工件与抛光模间的接触压力为零时,抛光模不会发生变形(不考虑其它因素的影响)。那么在工件抛光过程中,抛光模与工件始终保持一种接触状态,从而可以获得具有很高面形精度的表面。从表3还可以看出,随着抛光接触压力的减小,工件的表面粗糙度Ra值降低。这是由于随着接触压力的降低,抛光的机械作用减弱,抛光去除量主要以化学作用为主。另外,由于抛光接触压力的降低,使工件受到的切向力减小,从而使在抛光过程中工件的振动得到了控制,当接触压力接近于零时,工件几乎不产生由于切向力变化而产生的振动问题。
四、结论
通过对Zerodur玻璃的控制力抛光实验,从中可以得出如下结论:
(1)针对古典抛光所开发的控制力精密抛光装置,能准确地控制抛光模与工件之间接触压力的大小,对实现超光滑表面Zerodur陶瓷玻璃超精密抛光具有决定性的意义。
(2)控制正压力的大小,也就控制了切向力的大小,间接控制了工件盘振动的影响。
(3)在古典抛光过程中,精确控制抛光模与工件之间接触压力在较小的范围内,将获得低粗糙度的抛光表面。
(4)当接触压力接近于零时,古典抛光与浮法抛光的工作方式相似,工件的抛光是以化学作用为主的机械-化学抛光,可以获得具有极高面型精度和极细表面粗糙度的超光滑表面。
参考文献:
[1]黄美文·电阻应变测试技术[M]·北京:中国电子工业出版社,1986·
[2]姜学文·超精研抛技术[M]·北京:国防工业出版社,1990·
收稿日期: 1997-11-24;收到修改稿日期: 1997-12-17
基金项目:航空科学基金资助项目
作者简介:史兴宽(1967-),男,陕西人,西北工业大学精密超精密加工研究室副教授,博士,主要从事精密超精密加工、难加工材料磨削、高速超高速加工、超净清洗的研究。
