CN111702566A - 一种软脆光学材料的抛光方法 - Google Patents

一种软脆光学材料的抛光方法 Download PDF

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Abstract

一种软脆光学材料的抛光方法，属于精密/超精密加工领域。该抛光方法具体为剪切增稠振动抛光，通过配制具有剪切增稠效应的非牛顿幂律流体抛光液，在抛光液中以一定频率和振幅振动待抛光工件，频率与振幅设定要求为：使待抛光工件与抛光液间的相对运动能够使抛光液发生剪切增稠现象。此时抛光液中的多羟基聚合物颗粒将磨粒包裹形成粒子簇，在此振动条件下结合抛光液旋转使剪切增稠效应加剧，使得粒子簇不断冲刷到待抛光工件的表面，利用粒子簇的微切削作用去除材料，得到超光滑、低/无损伤的表面。本发明采用柔性抛光工具，加工精度高、面形精度好；工件振动与抛光液旋转耦合，可以提高抛光效率；适用范围广，平面、曲面工件都可以加工。

Description

一种软脆光学材料的抛光方法
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种针对软脆光学材料的剪切增稠振动抛光的加工方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的不断发展，软脆光学材料由于具有优异的光学性能、温度稳定性等在航空航天、通信、仪器仪表、生物医疗等领域具有极其广阔的应用前景。常见的软脆光学材料如氟化钙(CaF2)晶体是高能探测、红外追踪和光学元件等领域中的常用材料。特别是在紫外光学系统中，CaF2晶体以其独特的光学性能成为其首选的透镜材料。三硼酸锂(LiB3O5)晶体在全固态激光技术中得到广泛应用。磷酸二氢钾(KDP)晶体以其优异的快速光开关性能，逐渐成为激光诱导核聚变工程中的首选材料。
但是，软脆光学材料由于其材料特性具有质地软、脆性高、断裂韧性低、各向异性强、热冲击小等性能特点，这在很大程度上增加了软脆光学材料的加工难度，使得在加工过程中，极易产生划痕、破碎、崩裂和磨料嵌入等问题，造成表面/亚表面损伤、面形精度低、加工质量差、加工效率低等现象，制约了其精密/超精密加工的研究进展。
抛光主要是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的一种修饰加工方法。抛光的主要目的是去除前道工序所产生的表面/亚表面损伤，降低面型误差，减小表面粗糙度。在使用传统的游离磨料研磨抛光方法来加工软脆光学材料的过程中易出现脆性破坏和磨粒嵌入等损伤现象,这会严重降低加工质量和加工效率。针对软脆光学材料的水合抛光方法是通过工件表面发生水合反应生成一层易去除的水合层，再利用抛光盘的摩擦力去除水合层，以达到抛光的目的。这种方法虽然加工效率较高，但是设备复杂，且抛光材料有限。
专利(CN201810907288.9)公开了一种非牛顿幂律流体作为抛光介质的液浮抛光方法，该方法通过管道将非牛顿幂律流体导入磨头内部，经磨头流入抛光区域，流体在抛光区域以一定速度流动，在剪切力作用下流体出现剪切增稠现象以实现对工件凸峰的去除。但是，这种抛光方法抛光不均匀，且还会使软脆光学材料的表面产生崩裂。专利(CN201510279746.5)公开了一种基于空化效应的软脆材料加工方法，该专利通过空化装置使得加工区域的水基加工液发生空化，所形成的空泡溃灭在加工液中产生微射流、冲击波和氧化自由基，微射流和冲击波以机械作用在工件表面生成疲劳破坏层，氧化自由基于工件表面生产化学反应层，最后通过弹性摩擦轮去除化学反应层和疲劳破坏层实现表面抛光。但是这种方法不能对球面、空间曲面工件进行有效抛光。
发明内容
针对软脆光学材料加工时容易产生刻痕、凹坑、磨粒嵌入或吸附等加工缺陷的问题。本发明提出了一种新的软脆光学材料的抛光方法，在提高抛光效率的同时能够获得很好的面形精度和表面质量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种软脆光学材料的抛光方法，该抛光方法具体为剪切增稠振动抛光，通过配制具有剪切增稠效应的非牛顿幂律流体抛光液5，在抛光液5中以一定振幅与频率振动待抛光工件7，振幅与频率设定要求为：使待抛光工件7与抛光液5之间的相对运动能够使抛光液5发生剪切增稠现象。此时抛光液5中的多羟基聚合物9颗粒将磨粒8包裹形成粒子簇10，在此振动条件下结合抛光液5旋转使剪切增稠效应加剧，使得粒子簇10不断冲刷到待抛光工件7的表面，利用粒子簇10的微切削作用去除材料，从而得到超光滑、低/无损伤的表面。具体步骤如下：
第一步，配制具有剪切增稠效应的抛光液5，将磨粒8、多羟基聚合物9(剪切增稠相)和防腐剂以一定比例在去离子水中超声混合均匀。
第二步，组装振动抛光装置：将抛光液5放入抛光池6中，搅拌装置3设于抛光池6内，对抛光液5进行搅拌，使抛光液5均匀分散；旋转装置4置于抛光池6底部，能够带动抛光液5以一定转速旋转；将待抛光工件7置于抛光液5内，通过夹具2与振动装置1连接，能够带动待抛光工件7在抛光液5内以一定的频率和振幅振动。振动装置1与竖直方向之间预设一定角度，以提高抛光效果。
第三步，启动振动装置1，使待抛光工件7能够以一定的振幅与频率在抛光液5内振动，确保在此速率下抛光液5发生剪切增稠现象。振动装置1预设的振动频率为25～35Hz，振幅为20～30mm。
第四步，启动旋转装置4带动抛光液5旋转，确保在此转速下能够使抛光液5的剪切增稠现象加剧。旋转装置4预设转速为500-1000rpm。
第五步，抛光至工件7表面达到要求，关停装置，将工件7在去离子水中清洗，然后干燥。
进一步的，所述具有剪切增稠效应的抛光液5包括磨粒8、多羟基聚合物9、防腐剂、去离子水。其中，所述多羟基聚合物9质量分数为50-60wt％；所述磨粒8选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径5-10μm，质量分数为20-25wt％；所述防腐剂选用苯甲酸钠，质量分数为0.1～0.5wt％；其余为去离子水。
作为优选的技术方案，可以在抛光液5中根据材料性质加入特定的化学物质，利用化学物质与待抛光工件7表面反应生成一层易去除的化学反应层11，进而通过剪切增稠效应产生的粒子簇10的微切削作用去除，可以进一步提高抛光效率。此时为剪切增稠与化学复合效应对待抛光工件7表面进行振动抛光。该方法中，所述旋转装置4的转速为500-1000rpm。振动装置1预设的振动频率和振幅分别设置为25～35Hz和20～30mm。所述的特定的化学物质为氧化剂、pH调节剂。以抛光液5质量分数100％计，所述的多羟基聚合物9质量分数为50-60wt％；所述的磨粒8选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径为5-10μm，质量分数为20-25wt％；所述的防腐剂选用苯甲酸钠，质量分数0.1～0.5wt％；所述的氧化剂为过氧化氢，质量分数为8-10wt％；所述的pH调节剂为氢氧化钠、苹果酸，质量分数分别为0.1-0.3wt％和0.5-0.7wt％；其余为去离子水。
本发明的有益效果为：(1)本发明针对软脆材料难抛光的特性提出了一种新的剪切增稠振动抛光方法；(2)本发明采用柔性抛光工具，加工精度高、面形精度好；(3)工件振动与抛光液旋转耦合，可以提高抛光效率；(4)适用范围广，平面、曲面工件都可以加工。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例1装置示意图；
图3为实施例1抛光原理图；
图4为实施例2抛光原理图；
图中：1振动装置；2夹具；3搅拌装置；4旋转装置；5抛光液；6抛光池；7工件；8磨粒；9多羟基聚合物；10粒子簇；11化学反应层
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理及技术方案进行清楚、完整的描述。采用附图1、所示的装置示意图实现对软脆光学材料工件的抛光。
实施例1
一种软脆光学材料的抛光方法，包括以下步骤：
第一步，配制具有剪切增稠效应的抛光液5，将20wt％的碳化硅磨粒8(粒径为5μm)、55wt％的多羟基聚合物9和0.3wt％的苯甲酸钠在去离子水中超声混合均匀。
第二步，组装振动抛光装置：将抛光液5放入抛光池6中，搅拌装置3设于抛光池6内，对抛光液5进行搅拌，使抛光液5均匀分散；旋转装置4置于抛光池6底部；将待抛光工件7置于抛光液5内，通过夹具2与振动装置1连接，能够带动待抛光工件7在抛光液5内以一定的频率和振幅振动。所述待抛光工件材料为CaF2。所述振动装置1与竖直方向倾斜角度保持30°。
第三步，启动振动装置1(振动频率设置为25Hz，振幅设置为20mm)，确保在此振动速率下工件7和抛光液5的相对运动能够使抛光液5发生剪切增稠现象，待抛光工件7在预设的振幅区间内始终浸没在抛光液5中。
第四步，启动旋转装置4，设置转速700rpm带动抛光液5旋转，确保在此转动速率下能够加剧剪切增稠效应，在发生剪切增稠现象的反应区域抛光液5中分散的多羟基聚合物9迅速聚集将磨粒8包裹形成粒子簇10，增大磨粒8把持力，从而利用粒子簇10的微切削作用去除材料实现对工件7抛光。
第五步，抛光工件7至达到要求，关停装置，将工件7取下在去离子水中清洗，然后干燥。
实施例2(剪切增稠与化学复合效应)
第一步，配制具有剪切增稠效应的抛光液5，将20wt％的碳化硅磨粒8(粒径为5μm)、55wt％的多羟基聚合物9、10wt％的过氧化氢和0.3wt％的苯甲酸钠加入到去离子水中超声混合均匀，将0.5wt％的苹果酸溶解在溶液中，使用0.1wt％的NaOH调节溶液的pH值为3.5，得到所要求的抛光液5。
第二步，组装振动抛光装置：将抛光液5放入抛光池6中，搅拌装置3设于抛光池6内，对抛光液5进行搅拌，使抛光液5均匀分散；旋转装置4置于抛光池6底部；将待抛光工件7置于抛光液5内，与振动装置1连接，能够带动待抛光工件7在抛光液5内以一定的频率和振幅振动。所述振动装置1与竖直方向倾斜角度保持35°。
第三步：启动振动装置1(振动频率设置为25Hz，振幅设置为20mm)，确保在此振动速率下工件7和抛光液5的相对运动能够使抛光液5发生剪切增稠现象，待抛光工件7在预设的振幅区间内始终浸没在抛光液5中。
第四步，启动旋转装置4，设置转速700rpm带动抛光液5旋转，确保在此转动速率下工件7与抛光液5的相对运动能够使抛光液5发生剪切增稠现象。抛光液5中的氧化剂与工件7表面快速反应生成一层化学反应层11，在发生剪切增稠效应的反应区域抛光液5中分散的多羟基聚合物9迅速聚集将磨粒8包裹形成粒子簇10，增大磨粒8把持力，从而利用粒子簇10的微切削作用去除化学反应层11，在抛光过程中不断反应、去除，实现对工件7的抛光。
第五步，关停装置，将工件7取下在去离子水中清洗，然后干燥。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种软脆光学材料的抛光方法，其特征在于，该抛光方法为剪切增稠振动抛光法，通过配制具有剪切增稠效应的非牛顿幂律流体抛光液(5)，在抛光液(5)中以一定频率与振幅振动待抛光工件(7)，使待抛光工件(7)与抛光液(5)之间的相对运动能够使抛光液(5)发生剪切增稠现象；此时抛光液(5)中的多羟基聚合物(9)颗粒将磨粒(8)包裹形成粒子簇(10)，在此振动条件下结合抛光液(5)旋转使剪切增稠效应加剧，使得粒子簇(10)不断冲刷到待抛光工件(7)的表面，利用粒子簇(10)的微切削作用去除材料，得到超光滑、低/无损伤的表面；具体步骤如下：
第一步，配制具有剪切增稠效应的抛光液(5)，将磨粒(8)、多羟基聚合物(9)和防腐剂以一定比例在去离子水中超声混合均匀；
第二步，组装振动抛光装置：将抛光液(5)放入抛光池(6)中，搅拌装置(3)设于抛光池(6)内，对抛光液(5)进行搅拌，使抛光液(5)均匀分散；旋转装置(4)置于抛光池(6)底部，能够带动抛光液(5)以一定转速旋转；将待抛光工件(7)置于抛光液(5)内，通过夹具(2)与振动装置(1)连接，能够带动待抛光工件(7)在抛光液(5)内以一定的频率和振幅振动；振动装置1与竖直方向之间预设一定角度，以提高抛光效果；；
第三步，启动振动装置(1)，使待抛光工件(7)能够以一定的振幅与频率在抛光液(5)内振动，确保在此速率下抛光液(5)发生剪切增稠现象；振动装置(1)预设的振动频率为25～35Hz，振幅为20～30mm；
第四步，启动旋转装置(4)带动抛光液(5)旋转，确保在此转速下能够使抛光液(5)的剪切增稠现象加剧；旋转装置(4)预设转速为500-1000rpm；
第五步，抛光至工件(7)表面达到要求，关停装置，将工件(7)在去离子水中清洗后干燥。
2.根据权利要求1所述的一种软脆光学材料的抛光方法，其特征在于，所述抛光液(5)包括磨粒(8)、多羟基聚合物(9)、防腐剂、去离子水；其中，所述多羟基聚合物(9)质量分数为50-60wt％；所述磨粒(8)选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径5-10μm，质量分数为20-25wt％；所述防腐剂选用苯甲酸钠，质量分数为0.1～0.5wt％；其余为去离子水。
3.根据权利要求1或2所述的一种软脆光学材料的抛光方法，其特征在于，还可以在抛光液(5)中根据材料性质加入氧化剂、pH调节剂，使其与待抛光工件(7)表面反应生成一层易去除的化学反应层(11)，通过剪切增稠效应产生的粒子簇(10)去除，进一步提高抛光效率。
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