CN108177029B - 一种曲面工件超精密抛光方法 - Google Patents

一种曲面工件超精密抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种曲面工件超精密抛光方法，涉及超精密加工领域。一种曲面工件超精密抛光方法，所述方法为：室温下，将工件先后置于抛光液I和II中，并控制抛光液以一定流速流经工件的待抛光面，持续处理至少5min，所述抛光液I和II按质量百分比，包括1~25%的磨料和75~99%的基液；所述抛光液I所用磨料为氧化铝晶须、SiC晶须、ZnO晶须、碳纤维；所述抛光液II所用磨料为平均粒径为0.5~50微米的超硬材料颗粒。利用上方法可以有效去除材料表面不同程度的凸起，获得好的抛光效果。

Description

一种曲面工件超精密抛光方法
技术领域
本发明涉及一种曲面工件超精密抛光方法，涉及超精密加工领域。
背景技术
随着电子、金属、材料领域的飞速发展，对器件及工件表面平坦化的要求越来越高，为了获得表面粗糙度可接受的工件，在工件制备的最后步骤中，需对其表面进行抛光处理。抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。是利用抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工。
目前，常用的抛光方法包括化学抛光、机械抛光、电解抛光、超声波抛光、磁研磨抛光、化学机械抛光等，其中，一部分方式，如机械抛光、化学机械抛光由于其抛光方式的局限性仅适用于平面的平坦化抛光，而不适用于曲面工件的抛光。而其他可用于曲面的抛光方式也各有其问题。如磁研磨抛光，该抛光方法是利用磁性磨料在磁场作用下形成磨料刷，对工件磨削加工。这种方法加工效率高，质量好，加工条件容易控制，工作条件好，但是其需要交为复杂的磁场发生装置及控制系统，成本和能耗高。再如，电解抛光基本原理与化学抛光相同，即靠选择性的溶解材料表面微小凸出部分，使表面光滑。与化学抛光相比，可以消除阴极反应的影响，效果较好。但是电解液多为腐蚀性液体，易造成污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于各种表面形状工件的抛光方法，该抛光方法以内含磨粒的非牛顿流体（剪切增稠流体）作为抛光液，通过控制抛光液的流速和抛光液内的磨粒尺寸，对工件，尤其是曲面工件进行表面抛光。该方法适用于金属、陶瓷工件的表面加工。
一种曲面工件超精密抛光方法，所述方法为：室温下，将工件先后置于抛光液I和II中，并控制抛光液以一定流速流经工件的待抛光面，持续处理至少5min，所述抛光液I和II按质量百分比，包括1~25%的磨料和75~99%的基液；所述抛光液I所用磨料为氧化铝晶须、SiC晶须、ZnO晶须、碳纤维，且磨料的长径比为2~10，长度为5~10微米；所述抛光液II所用磨料为平均粒径为0.5~50微米的超硬材料颗粒，所述超硬材料为金刚石颗粒、立方BN颗粒、SiC颗粒。
本发明优选所述基液按下述方法制备所得， 包括下述工艺步骤：
（1）将SiO2纳米粒子与硅烷偶联剂和乙二醇按质量比为100:1~2:5~10混合后进行球磨，球磨时间至少0.5h，球磨后进行干燥，得到预处理的SiO2纳米粒子；
（2）将顺丁烯二酸酐按与水的质量比为15~50:100溶于水中，90～105℃，在过硫酸铵存在下使其与丙烯酸反应4~6 h，反应同时向反应液内滴加质量分数为30~40%NaOH溶液，反应完毕后调节溶液pH值为7~7.5，得共聚物溶液，其中，顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比1:0.5~2，过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.1~5:100；
（3）将步骤（1）所得预处理的SiO2纳米粒子按0.5~5g:10mL溶于步骤（2）所得共聚物溶液中，超声分散，干燥；将干燥所得SiO2纳米粒子按与介质溶剂的质量比为10:4~8分散于介质溶剂中，超声分散，得抛光液用基液。
本发明所述抛光方法优选，室温下，将工件先后置于抛光液I和II中，并控制抛光液以0.1~1.0m/s的流速流经工件的待抛光面，持续处理至少5min。
上述流速可通过将工件置于抛光液中，并利用泵等使抛光液进行流动。
进一步的，优选室温下，将工件先置于抛光液I，并控制抛光液以0.1~1.0m/s的流速流经工件的待抛光面，持续处理5~30min，然后将工件取出，清洗，干燥后置于抛光液II中，并控制抛光液以0.1~1.0m/s的流速流经工件的待抛光面，持续处理5~30min。
本发明所述抛光方法另一个优选的方案：利用夹具夹持工件，使工件的待处理面浸入抛光液I中，控制工件旋转，转速为20~200r/min，同时，控制承装抛光液的液槽按与工件相反的方向旋转，转速为0~1000r/min，处理时间10~60min；取出工件，清洗，烘干；然后，将工件的待处理面浸入位于抛光液II中，控制工件旋转，转速为20~200r/min，同时，控制承装抛光液的液槽按与工件相反的方向旋转，转速为0~1000r/min，处理时间10~60min，清洗，烘干。
上述技术方案中，所述方法可于商品化的剪切增稠抛光设备中进行，也可于现有技术公开的设备中进行，如公开号为CN102717325B的中国专利中公开的剪切增稠抛光装置。
上述技术方案中，所述液槽可固定不动。
本发明所述抛光液，优选所述抛光液I或II按质量百分比，由1~25%的磨料颗粒和75~99%的基液组成。
上述技术方案所述抛光液I或II按下述方法制得：将磨粒分批加入到基液中，加入中持续进行超声分散。
本发明所述复合抛光液I或II，另一个优选方案为所述抛光液按质量百分比，由1~20%的磨料颗粒、0~5%的水和75~99%的基液组成。
进一步优选，所述抛光液按质量百分比，由1~20%的磨料颗粒、3~5%的水和75~96%的基液组成。
上述技术方案所述抛光液按下述方法制得：将磨粒和水分批加入到基液中，加入中持续进行超声分散。
本发明优选所述抛光液I中，磨料的长径比为2~6，长度为5~10微米。
本发明优选所述抛光液II所用磨料为平均粒径为10~20微米的超硬材料颗粒。
本发明所述抛光液用基液的制备方法，所述步骤（1）中，将SiO2纳米粒子、硅烷偶联剂、乙二醇按质量比为100:1~2:5~10混合后进行球磨。进一步地，优选所述球磨转速为800~2000r/min；优选所述球磨时间为0.5~2h。
本发明所述抛光液用基液的制备方法，优选所述步骤（1）中，所述SiO2纳米粒子的平均粒径为50nm~200nm。进一步地，所述SiO2纳米粒子优选为纳米微球，且其平均粒径为80nm~120nm。
本发明所述抛光液用基液的制备方法，优选所述步骤（1）中，干燥为喷雾干燥，条件进口温度200~220℃，出口温度70~100℃，压缩空气压力0.5~1Mpa。
本发明所述抛光液用基液的制备方法，所述步骤（2）中，60~70℃下，将顺丁烯二酸酐与水按质量比为15~50:100混合，使顺丁烯二酸酐溶于水。
本发明所述抛光液用基液的制备方法，所述步骤（2）中，90～105℃，同时向顺丁烯二酸酐水溶液中分批加入过硫酸铵和丙烯酸，反应4~6 h，整个反应过程中持续滴加NaOH溶液，直至反应结束；反应完毕后调节溶液pH值为7~7.5，得共聚物溶液，其中，顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比1:0.5~2，过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.1~5:100。
利用步骤（2）所述方法所得的共聚物溶液为透明溶液，其为顺丁烯二酸酐-丙烯酸共聚物钠盐溶液。
优选地，所述步骤（2）中，所述顺丁烯二酸酐与水的质量比为28~35:100。
优选地，所述顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比为1:1~1.5。
优选地，所述过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.5~2.7:100。
优选地，所述步骤（3）中，所述介质溶剂为聚乙二醇、乙二醇、丙三醇中的至少一种。进一步优选地，介质溶剂为聚乙二醇，所述聚乙二醇的平均分子量为200~2000；进一步优选地，所述介质溶剂为PEG200、PEG400、PEG600、PEG1000、PEG2000。
优选地，所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH570、硅烷偶联剂KH-560、硅烷偶联剂Si69中的一种。
利用上述方法制得的抛光基液具有剪切增稠特性，SiO2纳米粒子在介质溶剂中具有良好的分散状态，其粘度为2~20Pa·S。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所述组合抛光液由抛光液I和II组成，各抛光液按质量百分比，包括1~25%的磨料颗粒和75~99%的基液。在利用上述组合抛光液进行抛光时，首先使用抛光液I进行抛光，再使用抛光液II进行抛光。抛光液I中的磨料为晶须，其可像“刀刃”一样取出较高且材料表面凸起；随后利用抛光液II进行二次抛光，利用较细的磨粒处理表面。利用上方法可以有效去除材料表面不同程度的凸起。本发明所用基液为非牛顿流体，与现有技术提供的非牛顿流体相比，其制备包含了两次改性的过程，一方面保证了制备过程中二氧化硅纳米粒子具有好的分散性，另一方面在使用该非牛顿流体进行抛光时，抛光液内纳米粒子粒子簇的形成，保证了抛光效果和速率。
具体实施方式
发明的保护范围不限于上述实施例所公开的内容，对发明进行简单的变形与组合均属于本发明的保护范围之内。
下述实施例1~4中所用基液制备方法如下：
（1）将SiO2纳米粒子与硅烷偶联剂和乙二醇按质量比为100:5:5混合后进行球磨，球磨时间0.5h，球磨转速为1200r/min，球磨后进行干燥，得到预处理的SiO2纳米粒子；
（2）60~70℃下，将顺丁烯二酸酐与水按质量比为35:100混合，使顺丁烯二酸酐溶于水；100～105℃，同时向顺丁烯二酸酐水溶液中分批加入过硫酸铵和丙烯酸，反应5h，整个反应过程中持续滴加质量分数为35%的NaOH溶液，直至反应结束；反应完毕后调节溶液pH值为7~7.5，得共聚物溶液，其中，顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比1: 2，过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为3:100；
（3）将步骤（1）所得预处理的SiO2纳米粒子按5g:10mL溶于步骤（2）所得共聚物溶液中，超声分散，干燥；将干燥所得SiO2纳米粒子按与介质溶剂的质量比为10:7分散于介质溶剂中，超声分散，得抛光液用基液。
上述方法所得抛光液用基液具有剪切增稠特性，SiO2纳米粒子在介质溶剂中具有良好的分散状态，其粘度为4.61Pa·S，在50Pa的剪切应力下，其粘度上升为10.05 Pa·S。
所用SiO2纳米粒子为二氧化硅纳米微球，平均粒径为100nm；所用硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH570；所用干燥方法为喷雾干燥，条件进口温度210~215℃，出口温度85~90℃，压缩空气压力1Mpa；所用介质溶剂为PEG400。
下述实施例5~8中所用基液制备方法如下：
（1）将SiO2纳米粒子与硅烷偶联剂和乙二醇按质量比为100:2:8混合后进行球磨，球磨时间0.5h，球磨转速为1200r/min，球磨后进行干燥，得到预处理的SiO2纳米粒子；
（2）60~70℃下，将顺丁烯二酸酐与水按质量比为28:100混合，使顺丁烯二酸酐溶于水；100～105℃，同时向顺丁烯二酸酐水溶液中分批加入过硫酸铵和丙烯酸，反应5h，整个反应过程中持续滴加质量分数为35%的NaOH溶液，直至反应结束；反应完毕后调节溶液pH值为7~7.5，得共聚物溶液，其中，顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比1: 1.5，过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为2:100；
（3）将步骤（1）所得预处理的SiO2纳米粒子按5g:10mL溶于步骤（2）所得共聚物溶液中，超声分散，干燥；将干燥所得SiO2纳米粒子按与介质溶剂的质量比为10:6分散于介质溶剂中，超声分散，得抛光液用基液。
上述方法所得抛光液用基液具有剪切增稠特性，SiO2纳米粒子在介质溶剂中具有良好的分散状态，其粘度为5.79Pa·S。
所用SiO2纳米粒子为二氧化硅纳米微球，平均粒径为100nm；所用硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH570；所用干燥方法为喷雾干燥，条件进口温度210~215℃，出口温度85~90℃，压缩空气压力1Mpa；所用介质溶剂为PEG2000。
实施例1~10
配置抛光液，将磨粒和水（如需）分批加入到基液中，加入中持续进行超声分散，获得组合抛光液1~8。将抛光液1~8分别置于剪切增稠抛光设备中，对氧化铝陶瓷曲面工件进行抛光。
实施例1~4中，利用夹具夹持氧化铝陶瓷曲面工件使其浸入位于液槽的抛光液中，固定液槽，并使夹具以50r/min的转速旋转和液槽以200rr/min转速旋转，各处理10min。抛光液I所用磨料为SiC晶须，且磨料的长径比为2~5，长度为5~10微米；所述抛光液II所用磨料为平均粒径为10微米的金刚石颗粒。
实施例5~8中，利用夹具夹持氧化铝陶瓷曲面工件使其浸入位于液槽的抛光液中，固定液槽，并使夹具以200r/min的转速旋转，液槽固定，各处理15min。抛光液I所用磨料为SiC晶须，且磨料的长径比为2~5，长度为5~10微米；所述抛光液II所用磨料为平均粒径为10微米的金刚石颗粒。
实施例9~10中，抛光液配比及处理时间同实施例1，不同在于使抛光液以0.5m/s的速度进行流动。
对比例1和2处理条件分别同实施例1和5，抛光处理总时长相同（对比例1处理20min；对比例2处理30min）；不同在于仅利用10微米的金刚石颗粒作为磨料。
所述氧化铝陶瓷曲面工件处理前表面粗糙度Ra为129.6nm，抛光处理后结果如下表1所示：
表1
Figure 502102DEST_PATH_IMAGE002
各原料组分含量为占抛光液总质量的百分比。

Claims (6)

1.一种曲面工件超精密抛光方法，其特征是，所述方法为：室温下，将工件先后置于抛光液I和II中，并控制抛光液以一定流速流经工件的待抛光面，持续处理至少5min，所述抛光液I和II按质量百分比，包括1~25%的磨料和75~99%的基液；所述抛光液I所用磨料为氧化铝晶须、SiC晶须、ZnO晶须、碳纤维，且磨料的长径比为2~10，长度为5~10微米；所述抛光液II所用磨料为平均粒径为0.5~50微米的超硬材料颗粒，所述超硬材料为金刚石颗粒、CBN颗粒、SiC颗粒，所述基液按下述方法制备所得， 包括下述工艺步骤：
（1）将SiO2纳米粒子与硅烷偶联剂和乙二醇按质量比为100:1~2:5~10混合后进行球磨，球磨时间至少0.5h，球磨后进行干燥，得到预处理的SiO2纳米粒子；
（2）将顺丁烯二酸酐按与水的质量比为15~50:100溶于水中，90～105℃，在过硫酸铵存在下使其与丙烯酸反应4~6 h，反应同时向反应液内滴加质量分数为30~40%NaOH溶液，反应完毕后调节溶液pH值为7~7.5，得共聚物溶液，其中，顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比1:0.5~2，过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.1~5:100；
（3）将步骤（1）所得预处理的SiO2纳米粒子按0.5~5g:10mL溶于步骤（2）所得共聚物溶液中，超声分散，干燥；将干燥所得SiO2纳米粒子按与介质溶剂的质量比为10:4~8分散于介质溶剂中，超声分散，得抛光液用基液。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述抛光液I按质量百分比，包括5~15%的磨料，所述抛光液I所用磨料为氧化铝晶须、SiC晶须、ZnO晶须、碳纤维，且磨料的长径比为2~5，长度为5~10微米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述抛光液II按质量百分比包括10~25%的磨料，所用磨料为平均粒径为5~20微米的超硬材料颗粒，所述超硬材料为金刚石颗粒、CBN颗粒、SiC颗粒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（1）中，所述SiO2纳米粒子的平均粒径为50nm~200nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（2）中，所述顺丁烯二酸酐与水的质量比为28~35:100。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤（2）中，所述顺丁烯二酸酐与丙烯酸的摩尔比为1:1~1.5；所述过硫酸铵与顺丁烯二酸酐的摩尔比为0.5~2.7:100。
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