專(zhuān)利名稱(chēng)：：激光玻璃機(jī)械化學(xué)拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及激光玻璃，特別是一種適用于激光玻璃機(jī)械化學(xué)拋光方法。技術(shù)背景目前，隨著強(qiáng)激光產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，激光玻璃拋光質(zhì)量要求越來(lái)越高，并且成為制約激光裝置光束輸出性能的關(guān)鍵。對(duì)激光玻璃的精密拋光仍然采用傳統(tǒng)的玻璃拋光工藝，即用金剛石散粒磨料在鑄鐵盤(pán)上分工序?qū)M(jìn)行機(jī)械研磨達(dá)到一定的面形和厚度公差，繼而在拋光瀝青盤(pán)上用氧化鈰或氧化鐵混合水的拋光機(jī)進(jìn)行拋光，最終達(dá)到一定的面形精度和表面粗糙度。傳統(tǒng)拋光工藝未曾深入地關(guān)注激光玻璃本身的物理和化學(xué)特性以及拋光過(guò)程中基片與拋光劑和拋光盤(pán)的化學(xué)因素，工序簡(jiǎn)單，拋光的效率不高，拋光表面的粗糙度一般都在納米量級(jí)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于改進(jìn)上述傳統(tǒng)的玻璃拋光工藝的不足，提供一種激光玻璃機(jī)械化學(xué)拋光方法，以提高激光玻璃傳統(tǒng)拋光的效率和表面質(zhì)量，加工出粗糙度(RMS)為5埃的超光滑釹玻璃表面。該方法應(yīng)適用于化學(xué)穩(wěn)定性較差的激光玻璃的超光滑拋光，也適用于其他光學(xué)玻璃的超光滑拋光。本發(fā)明的基本思想是將機(jī)械化學(xué)拋光的思想應(yīng)用到激光玻璃的拋光工藝中，在加工方法中充分考慮激光玻璃的物理、化學(xué)性質(zhì)和拋光過(guò)程中的化學(xué)因素。本發(fā)明激光玻璃機(jī)械化學(xué)拋光方法的關(guān)鍵是(-)對(duì)工序進(jìn)行細(xì)分，在不同的工序采用不同的研磨和拋光磨料，嚴(yán)格控制工序的材料去除量；仁)在工序間用腐蝕性溶液對(duì)上道工序產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行腐蝕；曰在拋光液中添加酸堿度調(diào)節(jié)劑，控制拋光液的酸堿性。所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，包括下列步驟步驟1:將待加工的激光玻璃在普通研磨機(jī)上采用常規(guī)的散粒磨料進(jìn)行機(jī)械研磨，最后使用平均粒徑為40微米的金剛砂散粒磨料，玻璃平整度加工到1020微米，根據(jù)公差要求至少為以下工序留300微米的加工余量，超聲波清洗；步驟2:用腐蝕劑對(duì)研磨表面和亞表面進(jìn)行侵蝕，去除研磨過(guò)程的表面缺陷和污染，并通過(guò)強(qiáng)酸深入加工亞表面微裂紋使之變得疏松，便于下道工序的材料去除，所采用的腐蝕劑為氫氟酸和氟化氨混合溶液氫氟酸濃度為10%15%，氟化氨濃度為10%~20%;歩驟3:用平均粒徑為28微米的金剛砂進(jìn)行精磨，去除步驟1產(chǎn)生的缺陷和微裂紋，去除量要大于200微米，以完全去除歩驟l造成的缺陷；歩驟4:重復(fù)歩驟歩驟2:;歩驟5:用平均粒徑小于14微米的金剛砂散粒磨料或固著丸片進(jìn)行精磨，控制面形精度15微米，去除歩驟3所產(chǎn)生的加工缺陷，去除量為50100微米，超聲波清洗；歩驟6:用濃度為5%7%氫氟酸和濃度為15%氟化氨的混合溶液，進(jìn)行侵蝕；步驟7:用平均粒度為0.52pm的氧化物拋光粉與蒸餾水混合的拋光劑，其濃度為50100克每升，并通過(guò)添加pH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)所述的拋光劑的pH值為39;拋光盤(pán)選用拋光瀝青，其硬度為2(TC針入度0.52X10—'mm，控制拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速，對(duì)工件進(jìn)行拋光，使表面面形誤差接近最終加工面形要求誤差范圍內(nèi)，超聲波清洗；歩驟8:重復(fù)步驟6;步驟9:選用平均粒度0.20.5pm拋光粉、蒸餾水與乙二醇混合的拋光劑，比歩驟7的濃度減小一倍，并用比步驟7更軟的拋光瀝青盤(pán)進(jìn)行拋光，降低拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速，調(diào)整拋光運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)以保障不使工件面形變差，用純蒸餾水低速拋光一刻鐘，去除拋光殘留物；步驟10:超聲波清洗，干燥；歩驟ll:檢驗(yàn)面形和粗糙度。所述步驟5中所述采用金剛石固著丸片加工激光玻璃。所述的pH值調(diào)節(jié)劑為無(wú)機(jī)酸、或有機(jī)酸的酸性調(diào)節(jié)劑；或無(wú)機(jī)堿、或有機(jī)堿、或堿性鹽的堿性調(diào)節(jié)劑。所述的酸性調(diào)節(jié)劑為鹽酸、檸檬酸、醋酸或草酸。所述的堿性調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉或氨水。所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，用于磷酸鹽激光玻璃的拋光時(shí)，采用鹽酸作為拋光劑的pH值調(diào)節(jié)劑，pH值控制在67。所述的步驟9中所述在拋光劑中添加乙二醇，減少水的含量以降低拋光中的化學(xué)作用。固著丸片精磨對(duì)激光玻璃具有較高的磨削效率，能夠快速去除上道工序產(chǎn)生的表面缺陷，達(dá)到非常小的表面粗糙度(如用顆粒粒徑小于8微米的固著丸片可使最終的表面粗糙度達(dá)到0.05微米)，使工件加工表面成鏡面，便于檢驗(yàn)面形誤差和降低拋光工序的負(fù)荷。但是，固著磨料研磨去除率會(huì)由于玻璃碎屑在表面的填充和加工溫度等原因趨于緩慢，而且易產(chǎn)生"道子"，這是由于丸片中個(gè)別粗磨粒或丸片銳邊產(chǎn)生的，所以用固著磨料進(jìn)行精磨時(shí)要合理的使用冷卻液并精確控制加工余量，盡可能避免深的"道子"出現(xiàn)，否則會(huì)對(duì)后序拋光工序造成致命的麻煩。綜上，本發(fā)明方法中包括三個(gè)關(guān)鍵一是對(duì)工序細(xì)分，在不同的工序采用不同的研磨和拋光磨料，調(diào)整不同的工藝參數(shù)；二是在工序間用腐蝕性溶液對(duì)上道工序產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行腐蝕；三是拋光劑pH調(diào)節(jié)劑控制拋光液的酸堿性。圖1是本發(fā)明散粒磨料研磨和拋光原理圖。圖2使本發(fā)明固著丸片精磨工具的示意圖。圖3是激光玻璃加工的工藝流程圖。圖4是激光玻璃研磨加工面的缺陷示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，在圖1中，1-1為磨料顆粒(金剛砂散粒磨料或拋光粉)，1-2為工件貼模，1-3為研磨盤(pán)或拋光盤(pán)，1-4為激光玻璃工件，1-5為拋光墊或拋光膠層。研磨和拋光過(guò)程中研磨盤(pán)1-3由機(jī)床主軸帶動(dòng)以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，激光玻璃工件1-4在一定的壓力下與拋光墊或拋光膠層1-5緊密接觸隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)材料去除。傳統(tǒng)研磨拋光機(jī)，激光玻璃工件1-4在沿盤(pán)軸向方向上呈一定的擺輻來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻磨削和面形修整。圖4是激光玻璃研磨加工面的缺陷示意圖。圖中表征了磨料對(duì)脆性材料加工所產(chǎn)生的缺陷形式。4_1是研磨后的粗糙表面層(0.012^im),由致密的脆性斷裂，劃擦和玻璃屑填充組成，用接觸式的粗糙度測(cè)試儀器測(cè)試的加工粗糙度即表征該層的起伏和粗糙程度。4一2是研磨過(guò)程中由散料磨料或固著磨削形成的致密的壓碎層(約為幾十個(gè)微米)，由于固著磨料主要由徑向的切削力起作用，所以固著磨料產(chǎn)生較小的壓碎層。4一3是微裂紋層，該層由于不同的加工方式下，深度可以從100^im到300pm，使得精磨和拋光所要去除的總深度一般要大于這個(gè)深度。實(shí)施例1，對(duì)40毫米口徑的激光玻璃工件進(jìn)行拋光。實(shí)驗(yàn)用的激光玻璃材料是中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的磷酸鹽釹玻璃。其特征參數(shù)見(jiàn)表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>參見(jiàn)圖3，圖3是激光玻璃加工的工藝流程圖。具體工藝步驟如下在普通研磨機(jī)進(jìn)行常規(guī)的散粒磨料機(jī)械研磨成型，最后一道工序用粒徑約為40微米的金剛砂，平整度加工至15微米，記錄研磨產(chǎn)生的表面粗糙度。對(duì)工件進(jìn)行超聲波清洗。用10%氫氟酸和20%氟化氨混合溶液對(duì)研磨表面和亞表面進(jìn)行侵蝕3小時(shí)。用粒徑約為28微米的金剛砂磨料進(jìn)行研磨表面，加工時(shí)間30分鐘。所用機(jī)床示意圖如圖1所示，主軸轉(zhuǎn)速150rpm，工件隨轉(zhuǎn)。每隔10分鐘記錄去除量和表面粗糙度。超聲波清洗。用10%氫氟酸和20%氟化氨混合溶液對(duì)研磨表面和亞表面進(jìn)行侵蝕2小時(shí)。用粒徑約為14微米的金剛砂磨料對(duì)加工面進(jìn)行精磨，控制面形精度15微米(用光學(xué)樣板檢測(cè))，加工時(shí)間30分鐘。主軸轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)每分鐘，工件隨轉(zhuǎn)。每隔10分鐘記錄去除量和表面粗糙度。用濃度為5%氫氟酸和濃度為15%氟化氨混合溶液對(duì)加工面進(jìn)行侵蝕2小時(shí)。第一階段拋光。為了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，我們采用的拋光粉技術(shù)參數(shù)為氧化鈰含量大于99%，平均粒度1微米，密度1.6克/升。拋光劑濃度100克/升。在拋光劑中加入鹽酸使拋光劑保持pH值67。拋光盤(pán)采用較硬的拋光瀝青澆鑄(松香和瀝青混合比約為7:3)。拋光主軸轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)每分鐘，工件隨轉(zhuǎn)。拋光時(shí)間為120分鐘，每隔30分鐘記錄拋光去除量。拋光完成后超聲波清洗，用激光輪廓儀檢測(cè)表面粗糙度。用濃度5%氫氟酸和濃度為15%氟化氨混合溶液對(duì)加工面進(jìn)行輕度侵蝕30分鐘。第二階段拋光。采用的拋光粉是一種高純度(99.98%)氧化鋁拋光粉，密度0.15克/升，平均粒度為0.4微米。拋光劑濃度為50克/升。在拋光劑中加入鹽酸使拋光劑保持pH值67。拋光盤(pán)采用較軟的拋光瀝青澆鑄(松香和瀝青混合比約為6:4)。拋光主軸轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)每分鐘，工件隨轉(zhuǎn)。拋光時(shí)間為60分鐘，每隔30分鐘記錄拋光去除量。純水低速(40轉(zhuǎn)每分鐘)拋光15分鐘。拋光完成后超聲波清洗，用激光輪廓儀檢測(cè)表面粗糙度，表面粗糙度的均方根RMS為0.758nm，這個(gè)數(shù)據(jù)是包含儀器的系統(tǒng)誤差的，實(shí)際去除儀器測(cè)量的系統(tǒng)誤差，表面粗糙度應(yīng)達(dá)到5埃的超光滑水平。用激光平面干涉儀檢測(cè)工件最終加工面形。面形精度最終可保持到PV值A(chǔ)/10。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,表中粗糙度表征為均方根RMS和算術(shù)平均值Ra。從實(shí)施例l看出，通過(guò)采用前述發(fā)明方法中的關(guān)鍵步驟，獲得了亞納米級(jí)的激光玻璃的超光滑表面加工。<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>冷卻液主軸轉(zhuǎn)速150轉(zhuǎn)每分鐘情況下研磨30分鐘，步驟9的最后階段在純水中加入50%的乙二醇，其他加工參數(shù)和步驟不變。試驗(yàn)中采用的金剛石丸片加工工具示意圖見(jiàn)圖2，2-1為不同粒度的金剛石固結(jié)丸片，2-2為鑄鐵或不銹鋼托模，在實(shí)際制作時(shí)要通過(guò)對(duì)研使得托模達(dá)到一定的面形精度，最后將丸片按一定的排布和疏密程度用膠黏結(jié)于托模上，干燥后修整至所需的加工精度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)下表3。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從實(shí)施例2和實(shí)施例1的對(duì)比來(lái)看采用金剛石丸片最顯著的優(yōu)勢(shì)是在精磨階段迅速的降低表面粗糙度從幾微米下降到幾十個(gè)納米(見(jiàn)表3)，并且使得工件加工表面成鏡面，可以在研磨階段采用光學(xué)的方法檢測(cè)面形。而且本身面形精度好的固著丸片拋光工具可以容易的加工出高精度的工件面形，這樣就減輕了拋光階段的任務(wù)量。但是，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用固著丸片在低速研磨時(shí)(150轉(zhuǎn)每分鐘)的材料去除率明顯小于散料磨料加工，并且隨著時(shí)間延續(xù)，由于加工碎屑的填充，效率會(huì)迅速下降，而采用高速研磨又必然產(chǎn)生較高的加工熱量從而降低面形精度。所以，采用金剛石丸片研磨要采用循環(huán)冷卻來(lái)降低加工溫度，并精確控制研磨去除量，確保加工破壞層的完全去除。在實(shí)施例2的步驟3考慮到粒徑約為40微米的金剛砂散粒磨料產(chǎn)生破壞層和微裂紋層(約為40100微米)的完全去除又加工了30分鐘，只是在實(shí)際加工中采取的一種保守方法。在拋光劑中加入乙二醇混合液，可以有效的降低拋光過(guò)程中的化學(xué)作用，使得拋光去除率降低，這是在拋光的最后階段防止由于拋光效率過(guò)快導(dǎo)致面形變壞的有效方法。權(quán)利要求1、一種激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于(一)對(duì)工序進(jìn)行細(xì)分，在不同的工序采用不同的研磨和拋光磨料，嚴(yán)格控制工序的材料去除量；(二)在工序間用腐蝕性溶液對(duì)上道工序產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行腐蝕；(三)在拋光液中添加酸堿度調(diào)節(jié)劑，控制拋光液的酸堿度。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于包括下列歩驟歩驟1:將待加工的激光玻璃在普通研磨機(jī)上采用常規(guī)的散粒磨料進(jìn)行機(jī)械研磨，最后使用平均粒徑為40微米的金剛砂散粒磨料，玻璃平整度加工到1020微米，根據(jù)公差要求至少為以下工序留300微米的加工余量，超聲波清洗；步驟2:用腐蝕劑對(duì)研磨表面和亞表面進(jìn)行侵蝕，去除研磨過(guò)程的表面缺陷和污染，并通過(guò)強(qiáng)酸深入加工亞表面微裂紋使之變得疏松，便于下道工序的材料去除，所采用的腐蝕劑為氫氟酸和氟化氨混合溶液氫氟酸濃度為10%~15%，氟化氨濃度為10%~20%;歩驟3:用平均粒徑為28微米的金剛砂進(jìn)行精磨，去除步驟1產(chǎn)生的缺陷和微裂紋，去除量要大于200微米，以完全去除步驟l造成的缺陷；歩驟4:重復(fù)歩驟2;步驟5:用平均粒徑小于14微米的金剛砂散粒磨料或固著丸片進(jìn)行精磨，控制面形精度15微米，去除步驟3所產(chǎn)生的加工缺陷，去除量為50100微米，超聲波清洗；步驟6:用濃度為5%7%氫氟酸和濃度為15%氟化氨的混合溶液，進(jìn)行侵蝕；步驟7:用平均粒度為0.52tmi的氧化物拋光粉與蒸餾水混合的拋光劑，其濃度為50100克每升，并通過(guò)添加pH值調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)所述的拋光劑的pH值為39;拋光盤(pán)選用拋光瀝青，其硬度為20。C針入度0.52X10—imm，控制拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速，對(duì)工件進(jìn)行拋光，使表面面形誤差接近最終加工面形要求誤差范圍內(nèi)，超聲波清洗；步驟8:重復(fù)步驟6;步驟9:選用平均粒度0.20.5pm拋光粉、蒸餾水與乙二醇混合的拋光劑，比歩驟7的濃度減小，并用比步驟7更軟的拋光瀝青盤(pán)進(jìn)行拋光，降低拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速，調(diào)整拋光運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)以保障不使工件面形變差，用純蒸餾水低速拋光一刻鐘，去除拋光殘留物；歩驟10:超聲波清洗，干燥；.歩驟ll:檢驗(yàn)面形和粗糙度。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于所述步驟(5)中所述采用金剛石固著丸片加工激光玻璃。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于所述的pH值調(diào)節(jié)劑為無(wú)機(jī)酸、或有機(jī)酸的酸性調(diào)節(jié)劑；或無(wú)機(jī)堿、或有機(jī)堿、或堿性鹽的堿性調(diào)節(jié)劑。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于所述的酸性調(diào)節(jié)劑為鹽酸、檸檬酸、醋酸或草酸。6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于所述的堿性調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉或氨水。7、根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于該拋光方法適用于磷酸鹽激光玻璃的拋光，采用鹽酸作為拋光劑的pH值調(diào)節(jié)劑，pH值控制在67。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于所述的歩驟9中所述在拋光劑中添加乙二醇，減少水的含量以降低拋光中的化學(xué)作用。全文摘要一種激光玻璃的化學(xué)機(jī)械拋光方法，該方法包括以下關(guān)鍵在精磨和拋光過(guò)程中采用不同粒度的磨料精分工序并精確控制加工去除量以保證消除上道工序產(chǎn)生的破壞層；在工序間采用腐蝕性溶液對(duì)加工表面和亞表面進(jìn)行腐蝕，使得破壞層“疏松”；在拋光劑中添加pH值調(diào)節(jié)劑，改變拋光效率。對(duì)加工表面和亞表面腐蝕提高了表面加工的質(zhì)量和后道工序的加工效果。本發(fā)明提高了激光玻璃表面加工的粗糙度，在實(shí)施例中采用該化學(xué)機(jī)械拋光方法獲得了表面粗糙度均方根為5埃的超光滑激光玻璃表面。文檔編號(hào)C03C15/00GK101249625SQ200810034960公開(kāi)日2008年8月27日申請(qǐng)日期2008年3月21日優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日發(fā)明者張寶安,錢(qián)紅斌申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所