CN101670556B

CN101670556B - 胶体液流动压空化射流抛光装置及方法

Info

Publication number: CN101670556B
Application number: CN2009103086910A
Authority: CN
Inventors: 张勇; 张飞虎; 宋孝宗; 栾殿荣
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: CN101670556A

Abstract

胶体液流动压空化射流抛光装置及方法，它涉及一种抛光装置及方法。本发明为解决现有超光滑表面抛光方法加工效率低、成本高、工件材料适应性受限以及现有的超光滑表面抛光装置存在设备复杂、维护成本高的问题。装置：空化射流器固定在支架上，空化射流器的输入端通过管路与第一液流换向阀的出口连接。方法：一、胶体抛光液面淹没被抛光工件10～200mm；二、空化射流器的油压为0.5～15MPa；三、空化射流压力为0.5～15MPa；四、空化射流器的喷口设置在胶体抛光液中，空化射流器以15～250m/s的速度喷向工件，抛光后取出工件即为抛光工件。本发明用于光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料的超精密、超光滑抛光。

Description

胶体液流动压空化射流抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及一种抛光装置及方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，特别是航空、航天、国防、军工、信息、微电子与光电子等尖端科学技术的突飞猛进，现代光学系统(如现代短波光学、强光光学等)以及光电子和薄膜科学领域对器件的表面质量要求越来越高，为了满足其性能，要求器件的表面粗糙度都在1nm以下，且加工后的表面要求尽可能小的表面疵病与亚表面损伤；如硅表面微小的表面粗糙度都会影响微电子器件的性能，在下一代超大规模集成电路中要求具有完整晶格结构的超光滑表面，为了提高器件集成度，减少光刻线宽，极限紫外线(波长λ＝13nm)光刻技术将应用于半导体器件加工中，用于该类波长的非球面光学器件不仅要求具有很高的形状精度，而且要求具有极高表面质量的超光滑表面，甚至要求达到原子级的表面粗糙度。因此，超光滑表面特别是超光滑非球曲面以及自由曲面的加工技术是目前精密超精密加工技术领域所面临的巨大挑战。传统的抛光技术，如浴法抛光、浮法抛光等，可以获得很低的表面粗糙度值，但其加工效率极其低下，而且难以实现非球曲面零件的加工。目前，日本大阪大学学者Mori.Y教授发明的弹性发射加工方法(EEM)被认为是获得最高表面质量的抛光加工方法。该方法利用浸没在抛光液中与被加工工件成一定间隙(1μm左右)的聚氨酯轮的高速旋转产生的流体动压作用下的纳米颗粒与工件表面产生的界面化学反应及流体动压产生机械剪切作用来实现对加工表面材料的微量去除，Mori.Y教授等利用该方法在对Si表面进行加工时最终可获得表面粗糙度值为0.1nm，并具有完整晶格结构的超光滑表面。该方法虽然能获得高质量的超光滑加工表面，但由于纳米粒子与加工表面的界面化学反应和机械剪切作用所需流体动压是靠高速旋转的聚氨酯轮提供的，这种方式不仅能量利用率低，加工设备复杂，而且受加工条件及机床稳定性的限制，聚氨酯轮转速不能过高，流体动压作用效果受到限制从而导致其加工效率极其低下。同样利用界面化学反应进行抛光加工的方法还有日本大阪大学发明的大气等离子体化学气化抛光加工方法(PCVM)，与此同时，美国Lawrence Livermore国家实验室对反应原子等离子体(RART)超精密加工技术进行了研究。该方法利用射频电场的激励，使反应气体在等离子体中被激发，从而在大气压下产生高密度的活性反应原子。活性原子进而与工件表面原子发生化学反应，生成强挥发性的气体生成物，实现高效的、原子级的材料去除。该方法通常选用氦气和四氟化碳气体分别作为等离子体气体和反应气体。在氦等离子体中激发出的大量活性氟原子与工件表面原子发生化学反应，生成易挥发的反应物。由于该方法是靠化学反应实现对工件的微量去除，不会在工件表面产生表层或亚表层损伤，是一种较为理想的超光滑表面加工方法。但是为了使反应能够继续进行下去，加工过程中的反应生成物应为气体，因此在工件材料的使用范围上受到限制，并且加工中激发的活性氟原子和反应生成的氟化物都有剧毒，加工过程如若处理不当会对工作人员造成伤害，气体排入大气后会造成严重的环境污染。可以应用于超光滑表面加工的方法还有离子束抛光、等离子体辅助抛光、磁流变抛光等，这些加工方法均存在设备复杂、维护成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的超光滑表面抛光方法加工效率低、加工成本过高、加工工件材料适应性受限以及现有的超光滑表面抛光装置存在设备复杂、维护成本高的问题，提供一种胶体液流动压空化射流抛光装置及方法。

本发明的装置包括水平工作台基座、水平工作台传动机构、水平移动工作台、旋转工作台、胶体抛光液槽、垂直工作台基座、垂直移动工作台、垂直旋转工作台、支架、空化射流器、夹具、胶体抛光液回收箱、蠕动泵、第一液流换向阀、胶体抛光液流量计、囊式储能装置、三通、第二液流换向阀、压力油流量计、油压调节阀、高压泵、压力油回收箱和第三液流换向阀，水平工作台传动机构固定在水平工作台基座上，水平移动工作台和旋转工作台由下至上安装在水平工作台传动机构的输出端上，垂直工作台基座垂直固装在水平工作台基座上，垂直移动工作台固定在垂直工作台基座上，垂直旋转工作台安装在垂直移动工作台的输出端上，支架固装在垂直旋转工作台上，蠕动泵的一端通过管路与胶体抛光液回收箱连接，蠕动泵的另一端通过管路与第三液流换向阀的入口连接，第三液流换向阀的出口分别通过管路与胶体抛光液流量计的入口和胶体抛光液槽连接，胶体抛光液槽的出口通过管路与胶体抛光液回收箱连接，胶体抛光液流量计的出口通过管路与第一液流换向阀的入口连接，第一液流换向阀上的一个出口通过管路与囊式储能装置连接，高压泵的入口通过管路与压力油回收箱连接，高压泵的出口通过三通和管路分别与压力油流量计的入口和油压调节阀的入口连接，油压调节阀的出口通过管路与压力油回收箱连接，压力油流量计的出口通过管路与第二液流换向阀的入口连接，第二液流换向阀的出口分别通过管路与囊式储能装置和压力油回收箱连接，空化射流器通过夹具固定在支架上，空化射流器的输入端通过管路与第一液流换向阀的出口连接。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：一、注入胶体抛光液：向胶体抛光液槽中注入胶体抛光液，胶体抛光液面淹没被抛光工件10～200mm；二、调节油压：打开高压泵，调节油压调节阀，将油压控制在0.5～15MPa范围内；三、调节空化射流压力：调节油压调节阀，将空化射流压力控制在0.5～15MPa范围内；四、抛光：将空化射流器的喷口设置在胶体抛光液中且对准抛光工件，空化射流器随着工件的运行以15～250m/s的喷射速度连续不断地喷向工件，抛光完成后，关闭高压泵，取出工件即得到抛光工件。

本发明的优点是：一、本发明的装置利用空化射流器11进行工件的抛光加工，一方面，空化射流器11的空化作用产生的局部高温(约5200K)和局部高压(约50MPa以上)环境会促进界面化学反应的进行，同时分解出大量的自由基OH-离子，自由基OH-离子会对工件表面产生氧化作用，氧化作用的存在会削弱工件表层原子的结合键能，这也有利于提高被加工工件表层材料的去除效率；另一方面，流体动压空化过程中形成的气泡在接近工件表面发生破灭时会产生压缩波和高速微射流，同时，在工件表面微小区域内形成局部真空。微射流的存在会强化液流动压对加工过程的机械剪切作用，而且空泡破灭时产生的局部真空会在被加工工件表面形成局部负压，局部负压的存在会对被加工工件表面产生强烈的拉应力作用，从而促进被加工工件表层材料的去除，而且，抛光液中纳米颗粒的存在也可以增强空化射流对加工表面的机械剪切作用。因此，空化射流产生的空化作用在各种综合效应的作用下对加工过程中化学机械两方面都起到强化和促进作用，从而可以提高工件表面的抛光质量和加工效率；与此同时，液流动压空化对化工过程强化作用所消耗的能量不足超声波所消耗能量的十分之一，根据流体动力学，空化射流的传输效率比普通射流高1-2倍，因此，利用空化射流技术进行抛光加工可以降低能耗，从而降低了加工成本。二、本发明方法是利用胶体抛光液中纳米颗粒与加工工件表面产生的界面化学反应和空化射流产生的流体动压作用实现对被加工工件的抛光加工，这一过程对被加工工件的材料无特殊要求，可用于光学玻璃、微晶玻璃、半导体材料及单晶材料等多种材料的超精密、超光滑抛光，因此，加工工件材料的适应性广泛。三、本发明的抛光液中不需要添加具有腐蚀作用的化学试剂来增强氧化作用，抛光液不需特殊处理也不会对环境造成污染，是一种绿色高效低耗的抛光加工方法；而空化射流产生的空化作用在胶体溶液中进行，空化作用的存在有利于胶体溶液中胶体颗粒的分散，使胶体溶液能够长期的处于稳定的分散状态。四、空化射流器11的空化作用还有利于对被加工表面的污渍进行清洗，从而将加工过程与清洗过程合二为一。

附图说明

图1是本发明胶体液流动压空化射流抛光装置的整体结构主视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括水平工作台基座1、水平工作台传动机构2、水平移动工作台3、旋转工作台4、胶体抛光液槽6、垂直工作台基座7、垂直移动工作台8、垂直旋转工作台9、支架10、空化射流器11、夹具12、胶体抛光液回收箱14、蠕动泵15、第一液流换向阀16、胶体抛光液流量计17、囊式储能装置18、三通19、第二液流换向阀20、压力油流量计21、油压调节阀22、高压泵23、压力油回收箱24和第三液流换向阀25，水平工作台传动机构2固定在水平工作台基座1上，水平移动工作台3和旋转工作台4由下至上安装在水平工作台传动机构2的输出端上，水平移动工作台3通过水平工作台传动机构2实现工件5在水平面内的横向和纵向移动，旋转工作台4实现工件5在水平平面内的旋转运动，垂直工作台基座7利用螺栓连接垂直固装在水平工作台基座1上，垂直移动工作台8固定在垂直工作台基座7上，垂直旋转工作台9安装在垂直移动工作台8的输出端上，支架10固装在垂直旋转工作台9上，蠕动泵15的一端通过管路与胶体抛光液回收箱14连接，蠕动泵15的另一端通过管路与第三液流换向阀25的入口连接，第三液流换向阀25的出口分别通过管路与胶体抛光液流量计17的入口和胶体抛光液槽6连接，胶体抛光液槽6的出口通过管路与胶体抛光液回收箱14连接，胶体抛光液流量计17的出口通过管路与第一液流换向阀16的入口连接，第一液流换向阀16上的一个出口通过管路与囊式储能装置18连接，高压泵23的入口通过管路与压力油回收箱24连接，高压泵23的出口通过三通19和管路分别与压力油流量计21的入口和油压调节阀22的入口连接，油压调节阀22的出口通过管路与压力油回收箱24连接，压力油流量计21的出口通过管路与第二液流换向阀20的入口连接，第二液流换向阀20的出口分别通过管路与囊式储能装置18和压力油回收箱24连接，空化射流器11通过夹具12固定在支架10上，空化射流器11的输入端通过管路与第一液流换向阀16的出口连接。空化射流器11通过垂直移动工作台8实现垂直方向的移动，并通过垂直旋转工作台9实现沿垂直工作面的转动。启动蠕动泵15，通过第三液流换向阀25将胶体抛光液回收箱14中的胶体抛光液注入胶体抛光液槽6中，切换第三液流换向阀15，使第三液流换向阀15与胶体抛光液流量计17连通，并切换第一液流换向阀16，使第一液流换向阀16与囊式储能装置18连通，同时向囊式储能装置18注入胶体抛光液，并通过胶体抛光液流量计17控制注入囊式储能装置18中的胶体抛光液的体积，胶体抛光液注满囊式储能装置18后，关闭蠕动泵15。启动高压泵23，将油压通过囊式储能装置18和第一液流换向阀16传递给空化射流器11形成空化射流。由于空化射流器11具有空化射流的作用，空化射流器11在空化射流过程中能产生空泡，利用空泡在工件表面破灭时产生的高温高压强化胶体抛光液中纳米颗粒和加工工件表面的界面化学反应过程，同时利用空泡在工件表面破灭时产生的压缩波和高速微射流来增强流体动压对加工表面的机械剪切作用，从而使抛光工件获得高质量超光滑的表面，并大幅度地提高加工效率。本实施方式的空化射流器可以选用广州奥工喷雾设备有限公司生产的型号为SL-1/8-3001.4-SS、SL-1/8-3004-SS、SL-1/8-1507-SS或SL-1/8-1514-SS的射流器。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的空化射流器11为文丘里喷嘴或风琴管自振空化喷嘴。文丘里喷嘴选用东莞市博美喷雾系统有限公司生产的型号为2003-L-3/8-PP的喷嘴。文丘里喷嘴和风琴管自振空化喷嘴在空化射流中产生的空泡在破灭时，产生的局部高温约5200K、局部高压约50MPa以上，利用这一过程来强化胶体抛光液中纳米颗粒和加工工件表面的界面化学反应过程，同时利用空化效应中空泡在加工表面破灭时产生的压缩波和高速微射流来增强流体动压对工件表面的机械剪切作用，从而使抛光工件获得高质量超光滑的表面，同时，加工效率也得到大幅度地提高。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：一、注入胶体抛光液：向胶体抛光液槽6中注入胶体抛光液，胶体抛光液面淹没被抛光工件10～200mm；二、调节油压：打开高压泵23，调节油压调节阀22，将油压控制在0.5～15MPa范围内；三、调节空化射流压力：调节油压调节阀22，将空化射流压力控制在0.5～15MPa范围内；四、抛光：将空化射流器11的喷口设置在胶体抛光液中且对准抛光工件5，空化射流器11随着工件5的运行以15～250m/s的喷射速度连续不断地喷向工件5，抛光完成后，关闭高压泵23，取出工件5即得到抛光工件。利用步骤一中的淹没方式来提高空化射流的性能。

具体实施方式四：本实施方式的步骤一中的胶体抛光液的动力粘度为0.001～0.002N·s/m²，pH值为8～12。运动粘度是液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度。其它步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式的步骤一中胶体抛光液中的纳米颗粒为无机纳米颗粒，其粒径为1～100nm。根据纳米材料的理化特性，当无机纳米颗粒的尺寸减小到一定程度后，无机纳米颗粒将表现出与宏观材料不同的理化特性，如量子尺寸效应，小尺寸效应以及表面效应等将大大增强。当无机纳米颗粒径在1nm～100nm之间时，在单位体积中的比表面将急剧增大，巨大的比表面使得表面能极高，这时由于表面原子数的增多，原子配位不足，很高的表面能使得这些表面原子具有很高的活性，很容易与其他原子结合。而抛光前的工件表面是由大量具有不饱和化学键的原子及其原子团簇组成的，具有很高表面能的纳米颗粒与这样的工件表面接触时很容易与工件表面的不饱和原子结合形成较为稳定的化学键，也即发生界面化学反应，这时纳米颗粒被吸附在工件表面，当纳米粒子被流体动压的机械剪切作用带走时，由于工件的表层原子与内层原子的结合能较弱，其中部分表层原子将被一同带走，实现对被加工工件的原子级去除，从而获得无亚表面损伤的超光滑表面。其它步骤与具体实施方式三相同。

Claims

1.一种胶体液流动压空化射流抛光装置，所述抛光装置包括水平工作台基座（1）、水平工作台传动机构（2）、水平移动工作台（3）、旋转工作台（4）、胶体抛光液槽（6）、垂直工作台基座（7）、垂直移动工作台（8）、垂直旋转工作台（9）、支架（10）、夹具（12）、胶体抛光液回收箱（14）、蠕动泵（15）、第一液流换向阀（16）、胶体抛光液流量计（17）、囊式储能装置（18）、三通（19）、第二液流换向阀（20）、压力油流量计（21）、油压调节阀（22）、高压泵（23）、压力油回收箱（24）和第三液流换向阀（25），水平工作台传动机构（2）固定在水平工作台基座（1）上，水平移动工作台（3）和旋转工作台（4）由下至上安装在水平工作台传动机构（2）的输出端上，垂直工作台基座（7）垂直固装在水平工作台基座（1）上，垂直移动工作台（8）固定在垂直工作台基座（7）上，垂直旋转工作台（9）安装在垂直移动工作台（8）的输出端上，支架（10）固装在垂直旋转工作台（9）上，蠕动泵（15）的一端通过管路与胶体抛光液回收箱（14）连接，蠕动泵（15）的另一端通过管路与第三液流换向阀（25）的入口连接，第三液流换向阀（25）的出口分别通过管路与胶体抛光液流量计（17）的入口和胶体抛光液槽（6）连接，胶体抛光液槽（6）的出口通过管路与胶体抛光液回收箱（14）连接，胶体抛光液流量计（17）的出口通过管路与第一液流换向阀（16）的入口连接，第一液流换向阀（16）上的一个出口通过管路与囊式储能装置（18）连接，高压泵（23）的入口通过管路与压力油回收箱（24）连接，高压泵（23）的出口通过三通（19）和管路分别与压力油流量计（21）的入口和油压调节阀（22）的入口连接，油压调节阀（22）的出口通过管路与压力油回收箱（24）连接，压力油流量计（21）的出口通过管路与第二液流换向阀（20）的入口连接，第二液流换向阀（20）的出口分别通过管路与囊式储能装置（18）和压力油回收箱（24）连接，其特征在于：所述抛光装置还包括空化射流器（11）、空化射流器（11）通过夹具（12）固定在支架（10）上，空化射流器（11）的输入端通过管路与第一液流换向阀（16）的出口连接。

2.根据权利要求1所述胶体液流动压空化射流抛光装置，其特征在于：所述空化射流器（11）为文丘里喷嘴或风琴管自振空化喷嘴。

3、一种利用权利要求1所述装置实现胶体液流动压空化射流抛光方法，其特征在于：所述抛光方法是通过以下步骤实现的：一、注入胶体抛光液：向胶体抛光液槽（6）中注入胶体抛光液，胶体抛光液面淹没被抛光工件10～200mm；二、调节油压：打开高压泵（23），调节油压调节阀（22），将油压控制在0.5～15MPa范围内；三、调节空化射流压力：调节油压调节阀（22），将空化射流压力控制在0.5～15MPa范围内；四、抛光：将空化射流器（11）的喷口设置在胶体抛光液中且对准工件（5），空化射流器（11）随着工件（5）的运行以15-250m/s的喷射速度连续不断地喷向工件（5），抛光完成后，关闭高压泵（23），取出工件（5）即得到抛光工件。

4、根据权利要求3所述的胶体液流动压空化射流抛光方法，其特征在于：所述步骤一中的胶体抛光液的动力粘度为0.001～0.002 N·s/m²，pH值为8～12。

5、根据权利要求3所述的胶体液流动压空化射流抛光方法，其特征在于：所述步骤一中胶体抛光液中的纳米颗粒为无机纳米颗粒，其粒径为1～100nm。