隨著科學(xué)技術(shù)有飛速發(fā)展，光學(xué)晶體、精密閥門、光學(xué)玻璃、平板顯示器等的需求日益增加^[1]。這些材料主要通過研磨拋光手段達(dá)到使用要求。但傳統(tǒng)形式的游離磨料研磨拋光工件亞表面損傷層較大，磨粒利用率低，環(huán)境污染嚴(yán)重。而固結(jié)磨料研磨拋光中磨粒被固結(jié)在研磨拋光墊上，磨粒分布均勻，固結(jié)磨料加工對(duì)面形有很高的選擇性，只需少量的材料去除量，即可達(dá)到工件平面化的目的，從原理上消除了對(duì)環(huán)境的污染問題^[2－3]。

林魁等對(duì)比研究了相同粒徑磨粒下的游離磨料、固結(jié)磨料丸片及親水性固結(jié)磨料研磨墊三種不同方法對(duì)K9光學(xué)玻璃的加工性能，得出K9玻璃采用親水性固結(jié)磨料研磨墊研磨，可達(dá)到精研的加工效率和拋光的表面質(zhì)量^[4]。王軍的研究表明：研磨盤轉(zhuǎn)速增大時(shí)，藍(lán)寶石基片材料去除率增大而表面粗糙度總體呈下降趨勢(shì)^[5]。王旭等用不同粒徑磨粒制成的固著磨料丸片對(duì)碳化硅材料進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，固著磨料加工工藝的去除速率受外界干擾較小，使用較粗的磨料即可獲得較好的工件表面質(zhì)量^[6]。劉春紅等采用浸液式定偏心錫磨盤拋光方式對(duì)微晶玻璃進(jìn)行了研磨拋光，研究了拋光液濃度、PH值、上下研磨盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)微晶玻璃超光滑表面粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面：試件在低濃度弱堿拋光液中，延長(zhǎng)拋光時(shí)間可降低表面粗糙度值并獲得高質(zhì)量的表面^[7]。

K9玻璃是一種最常用的光學(xué)玻璃，極少有人開展固結(jié)磨料研磨K9玻璃的工藝優(yōu)化研究。我們采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探索親水性固結(jié)磨料研磨墊研磨K9玻璃時(shí)，加工工藝參數(shù)對(duì)其材料去除率（MRR）和加工后工件的三維輪廓表面粗糙度(S_a)的影響。

研磨試驗(yàn)在CETR公司生產(chǎn)的CP-4研磨拋光機(jī)上開展，工件為3英寸K9玻璃，研磨墊為實(shí)驗(yàn)室自制的親水性固結(jié)磨料研磨墊，墊中磨粒為M20/30的金剛石顆粒。研磨前后工件表面的微觀形貌采用日本三豐工具顯微鏡觀察，研磨后工件表面的三維輪廓表面粗糙度S_a用ADE MocroXAM測(cè)量，在工件表面任取10點(diǎn)，取其平均值。工件的研磨去除速率由公式（1）獲得。

　　               　（1）

其中，M₀、M_i分別為研磨前后工件的質(zhì)量（g）；

t為研磨時(shí)間(min)；h為工件初始(mm)。

　　K9玻璃的初始表面較粗糙，如圖1a所示，為確保研磨工序能將工件表面的初始損傷層完全去除，在進(jìn)行研磨正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)之前，必須確定合適的研磨時(shí)間。研磨工藝參數(shù)如表1所示，采用M20/30金剛石固結(jié)磨料研磨墊對(duì)K9玻璃進(jìn)行加工，研磨時(shí)間分別設(shè)定為5min、10min、15min、20min、25min。研磨后K9玻璃表面形貌如圖1b、圖1c所示。可見，研磨5min后，Ｋ9玻璃表面仍有較多凹坑缺陷逐漸減小，研磨15min時(shí)，Ｋ9玻璃表面不再有凹坑，宏觀上研磨質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定。

 

 

　　圖2為研磨不同時(shí)間后工件表面的粗糙度情況。可以看出，研磨15min后，K9玻璃表面質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，S_a約為20nm。因此，本試驗(yàn)中將正交實(shí)驗(yàn)條件下Ｋ9玻璃的研磨時(shí)間定固定為15min。

  

　　本研究采用L₉(3⁴)正交表安排實(shí)驗(yàn)，研磨正交試驗(yàn)的因素及因素水平的設(shè)置如表2所示，實(shí)驗(yàn)研磨時(shí)間固定為15min，研磨液PH值為10.5。

 

 

 

　　在各因素水平組合下研磨Ｋ9玻璃的材料去除率如表3所示。 

　　研磨因素水平對(duì)Ｋ9玻璃材料去除率的影響見圖3，同一條件的試驗(yàn)重復(fù)三次，測(cè)其材料去除率，取平均值作為該條件下Ｋ9玻璃的材料去除速率。

課題組曾對(duì)研磨液對(duì)Ｋ9玻璃的化學(xué)作用進(jìn)行了研究，研磨過程中，Ｋ9玻璃表層發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成一層比較軟的變質(zhì)層，變質(zhì)層的存在可以提高研磨效率。變質(zhì)層生成速度和研磨液與Ｋ9玻璃的接觸時(shí)率。變質(zhì)層生成速率和研磨液與Ｋ9玻璃的接觸時(shí)間、化學(xué)物質(zhì)濃度以及反應(yīng)溫度等因素有關(guān)。林魁等研究了拋光液的PH值對(duì)Ｋ9玻璃拋光速率的影響，當(dāng)PH值為7時(shí)，拋光效率較低；當(dāng)ＰＨ值為9時(shí)，拋光效率顯著升高^[8]。

　　本研究中，研磨液對(duì)工件的化學(xué)作用基本相同。

　　由圖3可見，轉(zhuǎn)速比為95/100時(shí)，機(jī)械作用比較弱，K9玻璃表面的變質(zhì)層形成速度高于其機(jī)械去除速率，材料去除率較小，轉(zhuǎn)速比由95/100增加到145/150時(shí)，研磨墊的機(jī)械作用增強(qiáng)，材料去除率呈遞增趨勢(shì)；轉(zhuǎn)速比繼續(xù)增加到195/200時(shí)，研磨液停留在拋光墊上的時(shí)間縮短，造成其化學(xué)作用減弱，機(jī)械去除速度高于K9表面變質(zhì)層的形成速率，材料去除率反而減小。

　　研磨壓力對(duì)材料去除率的最大。在化學(xué)作用不變，即變質(zhì)層形成速度不變的前提下，隨著研磨壓力增大，磨粒壓入Ｋ9玻璃表面的深度增加，磨粒的切削量相應(yīng)增加，材料去除率提高，符合Preston公式關(guān)于去除率與相對(duì)速度的描述。

　　材料去除速率隨著研磨液流量的增大而緩慢增大。研磨液流量與K9表面變質(zhì)層的形成速度相關(guān)，研磨液流量增大時(shí)，K9表面形成變質(zhì)層的速度有增大，在機(jī)械作用相同的情況下，材料去除速率提高。

 3.2      研磨參數(shù)水平對(duì)表面粗糙度的影響

　　在各因素水平組合下對(duì)Ｋ9玻璃進(jìn)行研磨，研磨后Ｋ9玻璃的三維輪廓表面粗糙度結(jié)果如表4所示。

 

  

　　各參數(shù)水平對(duì)Ｋ9玻璃研磨后S_a的影響如圖4所示。隨著研磨拋光機(jī)轉(zhuǎn)速比的增加Ｋ9玻璃的S_a值呈上升趨勢(shì)。研磨轉(zhuǎn)速比由95/100增加到145/150時(shí)，Ｋ9表面的S_a值上升較快：轉(zhuǎn)速比由145/150增加到195/200時(shí)，Ｋ9玻璃的S_a值上升趨勢(shì)減緩。隨著研磨壓力的增大，磨粒壓入Ｋ9玻璃表面深度增加，Ｋ9玻璃表面的劃痕較深，Ｓ_a值也逐漸增大。隨著研磨液流量的增加，研磨后S_a值呈先減小后增大趨勢(shì)。分析認(rèn)為，研磨液的流量較小（20mL/min）時(shí)，研磨液對(duì)Ｋ9玻璃表面的化學(xué)腐蝕比較弱，化學(xué)作用小于機(jī)械去除作用，此時(shí)Ｋ9玻璃S_a較大；當(dāng)研磨液流量為40mL/min時(shí)，化學(xué)作用與機(jī)械作用基本平衡，Ｋ9玻璃Sa值達(dá)到最低值；當(dāng)研磨液流量繼續(xù)增大時(shí)，化學(xué)作用逐漸大于機(jī)械作用，對(duì)Ｋ9玻璃表面腐蝕過量，導(dǎo)致S_a值增大。

　　通過對(duì)研磨參數(shù)水平對(duì)Ｋ9玻璃材料去除速率和S_a值的影響分析可得，Ｋ9玻璃最大材料去除率的工藝參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)速比145/150，研磨壓力0.055Mpa，研磨液流量60mL/min；K9玻璃最優(yōu)三維輪廓表面粗糙度的工藝參數(shù)組合為轉(zhuǎn)速比95/100，研磨壓力0.028Mpa，研磨液流量40mL/min。但研磨過程中材料去除率是最優(yōu)先考慮的因素，且圖4表明，各研磨參數(shù)的改變對(duì)研磨后K9玻璃S_a值的影響并不是很顯著。因此綜合考慮，最終取得最佳研磨效果的工藝參數(shù)組合為轉(zhuǎn)速比145/150，研磨壓力0.055Mpa，研磨液流量60mL/min。

　　在該參數(shù)下進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)，最終得到K9玻璃的材料去除率為3186nm/min ,三維輪廓表面粗糙度S_a值為19.2nm，見圖5。

 4       結(jié)論

　　采用正交實(shí)驗(yàn)法研究分析了轉(zhuǎn)速比、研磨壓力、研磨液流量等參數(shù)對(duì)K9玻璃的研磨材料去除率和表面三維輪廓粗糙度影響，得到如下結(jié)論：

　　(1)    隨著轉(zhuǎn)速比的增大，Ｋ9玻璃的材料去除率先增大后略微減小，隨著研磨壓力的增大材料去除率逐漸增大，研磨液流量的增大有材料去除率的提高。

　　(2)    Ｋ9玻璃的S_a值隨著轉(zhuǎn)速比的增加變大，隨著研磨壓力的增大逐漸變大，隨著研磨液流量的增加，S_a值先減小后增大。

　　(3)    優(yōu)化的研磨加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速比145/150，研磨壓力0.055Mpa，拋光液流量60mL/min。在該參數(shù)下，K9玻璃的材料去除率達(dá)到3186nm/min，S_a值為19.6nm。

 

[1]　雷紅，雒建斌，張朝輝.化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究進(jìn)展[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，9（6）：494－502.

[2]　樊吉龍，朱永偉，李軍，等.金剛石丸片與固結(jié)磨料拋光墊研磨硅片的比較研究[Ｊ].硅酸鹽通報(bào)，2010，29（6）：1253－1257.

[3]　朱永偉，何健橋.固結(jié)磨料拋光墊作用下的材料去除速率模型[Ｊ].金剛石與磨料磨具工程，2006（3）：38－41.

[4]　林魁，朱永偉，李軍，等.金剛石固結(jié)磨料研磨Ｋ9研磨Ｋ9玻璃的研究[Ｊ].硅酸鹽通報(bào)，2010，29（1）：6－11.

[5]　王軍，單晶藍(lán)寶石基片精密研磨工藝研究[Ｄ].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[6]　王旭，張學(xué)軍，徐領(lǐng)娣，等.固著磨料加工碳化硅反射鏡的實(shí)驗(yàn)[Ｊ].光學(xué)精密工程，2009，17（4）：771－777.

[7]　劉春紅，李成貴，張慶榮，等.微晶玻璃研磨拋光超光滑表面粗糙度的工藝研究[Ｊ].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工業(yè)版），2007，28（4）：126－128.

[8]　林魁，朱永偉，李軍，等.固結(jié)磨料拋光Ｋ9光學(xué)玻璃的工藝實(shí)驗(yàn)研究[Ｊ]，激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010（4）：1－6.

 

墨洪磊（1987－），男，碩士研究生，主要從事精密加工方面的學(xué)習(xí)和研究。

朱永偉（1967－），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精密與超精密加工、納米材料的制備與應(yīng)用、表面工程等方面的研究。