CN113528027A - 金属材料的抛光液、抛光磨盘及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种抛光液，由以下重量份数的组分配制而成，包括：水基载液75～80份；抛光粉3～5份；表面活性剂5～10份；氧化剂0.5～5份；pH调节剂0.2～0.4份；消泡剂0.1～0.3份。抛光粉为氧化铝颗粒；表面活性剂为多元醇和醇铵盐；氧化剂为过氧化氢；pH调节剂为碳酸钠和有机酸；消泡剂为聚醚消泡剂。本发明的抛光液的抛光性能不受抛光时间影响，可以按照加工路径和规划时间对金属表面进行确定性去除，实现面形精度的快速提升。并且抛光液配制方法简单，原料容易获取，安全无污染，成本低且易清洗。

Description

金属材料的抛光液、抛光磨盘及抛光方法

技术领域

本发明属于金属表面加工领域，具体涉及一种金属材料抛光的抛光液、抛光磨盘及抛光方法。

背景技术

铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，是地壳中含量最丰富的金属元素。铝合金在红外、可见光、一直到紫外光的较宽的光谱范围内都具有非常高的反射率，这使得它成为多光谱成像应用的良好选择。铝制品及铝合金制品均具有比刚度高、比模量高、质量轻、延展性好、导热性好、耐腐蚀性强等特点，在航空工业、建筑工业、汽车工业、仪器仪表工程以及日用五金中的应用极为广泛。

目前铝合金发射镜多采用单点金刚石车削加工，但是车削后的表面精度只能达到微米级，现阶段铝合金反射镜多应用于红外系统当中，同时由于车削后的表面存在周期性刀痕，造成系统成像质量下降。若想实现铝合金反射镜在可见光、甚至紫外系统中应用，就需要对车削后的表面进行进一步抛光。但是由于铝合金材料相对与传统的玻璃等材料较软，另外由于铝合金含有其他金属成分，采用传统抛光很难获得高质量的抛光表面。而采用对表面镀镍磷金属层的方法会带来“双金属效应”，制约铝合金反射镜在空间系统中应用。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种金属材料抛光的抛光液、抛光磨盘及抛光方法。

一种抛光液，由以下重量份数的组分配制而成，包括：水基载液75～80份；抛光粉3～5份；表面活性剂5～10份；氧化剂0.5～5份；pH调节剂0.2～0.4份；消泡剂0.1～0.3份。

所述抛光粉为氧化铝颗粒；所述表面活性剂包括多元醇和醇铵盐；所述PH调节剂为碳酸钠和有机酸。

进一步地，所述水基载液为去离子水；所述氧化剂为过氧化氢；所述消泡剂为聚醚消泡剂。

进一步地，所述氧化铝颗粒为圆形，直径为0.3μm～0.8μm。

进一步地，所述抛光液pH值为6.5～7.5。

进一步地，所述多元醇和醇铵盐的质量比为3:1～5:1。

一种抛光磨盘，包括依次设置的基板、柔性材料、橡胶膜片、密封圈和抛光垫；所述基板与抛光机床的主轴球头相连接，所述橡胶膜片包裹住柔性材料并与所述基板封闭连接，所述密封圈用于固定、密封所述橡胶膜片和所述柔性材料，所述抛光垫与所述抛光液配合进行抛光。

进一步地，所述柔性材料的材质为非牛顿流体；所述抛光磨盘的尺寸为待抛光的金属材料的尺寸的1/5～1/3。

一种抛光方法，包括以下步骤：

S1、使用抛光磨盘和抛光液对经过车削加工的金属表面进行抛光，利用计算机控制光学表面成形工艺软件根据所要加工的金属面形和获得的所述金属表面的面形的误差进行分析，计算得到抛光的抛光路径和所述金属表面各点的加工驻留时间，再利用数控系统控制所述抛光磨盘在所述金属表面按设定的抛光路径和加工驻留时间，完成抛光。

进一步地，在步骤S1之前还包括如下步骤：

S0、采用车削工艺对所述待抛光的金属材料的表面进行预抛光处理，获得粗糙度Ra为3～5nm，面形精度的RMS为20～60nm的金属表面。

进一步地，所述抛光过程中，抛光磨盘的转速为100～300r/min，抛光压力不大于0.08MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、通过对抛光磨盘的改进，将传统CCOS加工技术与单点金刚石车削工艺相结合实现对金属镜面的高精度、高质量抛光，抛光后面形精度RMS≤12nm，粗糙度Ra≤1.5nm，为金属应用于可见光系统提供重要技术保障。

2、本发明的抛光液的抛光性能不受抛光时间影响，可以按照加工路径和规划时间对铝合金表面的确定性去除，实现面形精度的快速提升。

3、本发明提出采用非牛顿体抛光磨盘，结构简单、方便制作，抛光磨盘与金属表面吻合度高，满足对非球面表面确定性抛光。

4、本发明的抛光液体配制方法简单，原料容易获取，安全无污染，成本低且易清洗。

附图说明

图1是本发明实施例1中的抛光磨盘的结构图；

图2为本发明实施例1中单点金刚石车削工艺切削后铝合金的面形精度示意图；

图3为本发明实施例1中单点金刚石车削工艺切削后铝合金表面的粗糙度示意图；

图4为本发明实施例1中抛光方法的流程示意图；

图5为本发明实施例1中使用抛光液和抛光磨盘相结合的抛光方法抛光后铝合金表面的面形精度示意图；

图6为本发明实施例1中使用抛光液和抛光磨盘相结合的抛光方法抛光后铝合金表面的粗糙度示意图；

图7为本发明实施例2中使用抛光液和抛光磨盘相结合的抛光方法抛光后纯铝表面的粗糙度示意图；

图8为本发明实施例3中使用抛光液和抛光磨盘相结合的抛光方法抛光后304不锈钢表面的粗糙度示意图。

其中的附图标记如下：

铝制基板1、柔性材料2、橡胶膜片3、铝制密封圈4、抛光垫5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，对铝合金材质的金属材料进行处理：

一种金属材料的抛光液，由以下重量份数的组分配制而成，包括：

水基载液75份、抛光粉5份、表面活性剂6.5份、氧化剂5份、pH调节剂0.2份、消泡剂0.1份；其中，水基载液为去离子水；抛光粉为氧化铝颗粒；表面活性剂为乙二醇和三乙醇胺；氧化剂为过氧化氢；pH调节剂为L-苹果酸和碳酸钠；消泡剂为聚醚消泡剂。

本发明提供一种优选实施例，其中氧化铝颗粒为圆形颗粒，直径为0.5μm。

本发明提供一种优选实施例，抛光液pH值为6.5～7.5。

本发明提供一种优选实施例，乙二醇和三乙醇胺质量分数分别为5％、1.5％。

本发明的抛光液，所使用圆形颗粒的氧化铝作为直径为0.3～0.8μm的近圆形颗粒的抛光粉，其具有优异的抛光效果，能够提升抛光的光滑度，减小抛光过程中的损伤；多元醇和醇铵盐的配合起到悬浮和润滑的作用避免抛光过程中的损伤；过氧化氢作为氧化剂能够有效提升抛光质量；pH调节剂能够使本发明的抛光液处于中性状态，即使残留的情况下也能保证抛光液不损伤待抛光物和抛光所使用的机器。抛光液的pH值为6.5～7.5，将抛光过程中抛光液体对铝合金表面的腐蚀降至最低，同时配合过氧化氢有效的消除抛光表面的“橘皮效应”，提升加工效率和加工精度。聚醚消泡剂能够有效抑制搅拌过程中所产生的气泡。

本发明提供一种优选实施例，抛光磨盘结构如图1所示，包括依次设置的铝制基板1、非牛顿流体材质的柔性材料2、橡胶膜片3、铝制密封圈4、抛光阻尼布材质的抛光垫5，橡胶膜片3包裹住非牛顿流体材质的柔性材料2并与铝制基板1封闭连接。非牛顿流体材质的柔性材料2制成的抛光磨盘，可与待抛光的金属材料的非球面表面很好的吻合，并且配合阻尼绒布抛光垫，可以实现高精度修形，又可以避免表面划伤铝合金表面，实现超光滑加工。

本发明提供一种优选实施例，抛光磨盘的尺寸为待抛光的金属材料的尺寸的1/5～1/3。抛光盘的尺寸的设计小于待抛光的金属材料的尺寸，能够更有效的在抛光过程中适配待抛光的金属材料的表面面型，有利于提升加工精度。

本发明还提供一种抛光方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1、利用计算机控制光学表面成形工艺(以下简称CCOS)对经车削工艺后的加工金属表面进行抛光，抛光过程中配合使用抛光磨盘和抛光液。

本发明提供一种优选实施例，还包括步骤S0。

S0、使用单点金刚石车削工艺对铝合金的表面进行预抛光，加工参数为主轴60转/分钟，并以5μm/转的速度进刀。通过步骤S0抛光后面形精度的RMS为≤12nm，粗糙度Ra≤1.5nm。

使用激光干涉仪对进行预抛光后的铝合金的表面进行面形精度检测，检测结果如图2所示，可以看出，仅经过单点金刚石车削工艺处理过的铝合金的表面精度较低。使用白光干涉仪对车削工艺抛光后的铝合金的表面进行粗糙度检测，测试物镜采用10倍的镜头，检测结果如图3所示，可以看出，单点金刚石车削后的表面留下了规则的车削刀痕，这会显著降低光学系统成像质量。因此，为了消除刀痕、提升面形精度，需要后续的高精度确定性抛光。

利用CCOS软件根据所要加工的金属面形和获得的金属表面的面形的误差进行分析，计算得到抛光的抛光路径和金属表面各点的加工驻留时间，再利用数控系统控制抛光磨盘在金属表面按设定的抛光路径和加工驻留时间，完成抛光。抛光的CCOS具体参数如表1所示。

表1CCOS抛光铝合金加工参数

经过步骤S0和S1迭代14小时的加工，加工后φ220mm铝合金反射镜面形精度检测结果如图5所示，表面粗糙度结果如图6所示。从图5和图6可以看出，本发明抛光后的铝合金表面的面形精度和粗糙度均达到满足可见光系统应用需求，利用本发明方法能够制造优质的铝合金反射镜。

实施例2，对纯铝材质的金属材料进行处理：

一种金属材料的抛光液，由以下重量份数的组分配制而成，包括：

水基载液80份、抛光粉5份、表面活性剂6份、氧化剂3份、pH调节剂0.25份、消泡剂0.1份；其中，水基载液为去离子水；抛光粉为氧化铝颗粒；表面活性剂为乙二醇和三乙醇胺；氧化剂为过氧化氢；pH调节剂为L-苹果酸和碳酸钠；消泡剂为聚醚消泡剂。

本发明提供一种优选实施例，其中氧化铝颗粒为圆形颗粒，直径为0.5μm。

本发明提供一种优选实施例，抛光液pH值为7。

本发明提供一种优选实施例，聚乙二醇-2w和三乙醇胺质量分数分别为5％、1％。

本发明的抛光液，所使用圆形颗粒的氧化铝作为直径为0.8μm的近圆形颗粒的抛光粉，其具有优异的抛光效果，能够提升抛光的光滑度，减小抛光过程中的损伤；多元醇和醇铵盐的配合起到悬浮和润滑的作用避免抛光过程中的损伤；过氧化氢作为氧化剂能够有效提升抛光质量；pH调节剂能够使本发明的抛光液处于中性状态，即使残留的情况下也能保证抛光液不损伤待抛光物和抛光所使用的机器。抛光液的pH值为7，将抛光过程中抛光液体对纯铝表面的腐蚀降至最低，同时配合过氧化氢有效的消除抛光表面的“橘皮效应”，提升加工效率和加工精度。聚醚消泡剂能够有效抑制搅拌过程中所产生的气泡。

本发明提供一种优选实施例，抛光磨盘结构如图1所示，包括依次设置的铝制基板1、非牛顿流体材质的柔性材料2、橡胶膜片3、铝制密封圈4、抛光阻尼布材质的抛光垫5，橡胶膜片3包裹住非牛顿流体材质的柔性材料2并与铝制基板1封闭连接。非牛顿流体材质的柔性材料2制成的抛光磨盘，可与待抛光的金属材料的非球面表面很好的吻合，并且配合阻尼绒布抛光垫，可以实现高精度修形，又可以避免表面划伤纯铝表面，实现超光滑加工。

本发明提供一种优选实施例，抛光磨盘的尺寸为待抛光的金属材料的尺寸的1/5～1/3。抛光盘的尺寸的设计小于待抛光的金属材料的尺寸，能够更有效的在抛光过程中适配待抛光的金属材料的表面面型，有利于提升加工精度。

本发明还提供一种抛光方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1、利用计算机控制光学表面成形工艺(以下简称CCOS)对经车削工艺后的加工金属表面进行抛光，抛光过程中配合使用抛光磨盘和抛光液。

本发明提供一种优选实施例，还包括步骤S0。

S0、使用单点金刚石车削工艺对纯铝的表面进行预抛光，加工参数为主轴60转/分钟，并以5μm/转的速度进刀。通过步骤S0抛光后面形精度的RMS为≤12nm，粗糙度Ra≤1.5nm。

利用CCOS软件根据所要加工的金属面形和获得的金属表面的面形的误差进行分析，计算得到抛光的抛光路径和金属表面各点的加工驻留时间，再利用数控系统控制抛光磨盘在金属表面按设定的抛光路径和加工驻留时间，完成抛光。抛光的CCOS具体参数如表2所示。

表2CCOS抛光纯铝加工参数

经过步骤S0和S1迭代14小时的加工，加工后纯铝的表面粗糙度结果如图7所示。图7可以看出，本发明抛光后的纯铝表面的粗糙度达到满足可见光系统应用需求，利用本发明方法能够制造优质的纯铝反射镜。

实施例3，对304不锈钢材质的金属材料进行处理：

一种金属材料的抛光液，由以下重量份数的组分配制而成，包括：

水基载液75份、抛光粉5份、表面活性剂6.5份、氧化剂1份、pH调节剂0.2份、消泡剂0.1份；其中，水基载液为去离子水；抛光粉为氧化铝颗粒；表面活性剂为乙二醇和三乙醇胺；氧化剂为过氧化氢；pH调节剂为L-苹果酸和碳酸钠；消泡剂为聚醚消泡剂。

本发明提供一种优选实施例，其中氧化铝颗粒为圆形颗粒，直径为0.5μm。

本发明提供一种优选实施例，抛光液pH值为6.75。

本发明提供一种优选实施例，聚乙二醇-2w和三乙醇胺质量分数分别为4％、1.5％。

本发明的抛光液，所使用圆形颗粒的氧化铝作为直径为0.8μm的近圆形颗粒的抛光粉，其具有优异的抛光效果，能够提升抛光的光滑度，减小抛光过程中的损伤；多元醇和醇铵盐的配合起到悬浮和润滑的作用避免抛光过程中的损伤；过氧化氢作为氧化剂能够有效提升抛光质量；pH调节剂能够使本发明的抛光液处于偏中性状态，即使残留的情况下也能保证抛光液不损伤待抛光物和抛光所使用的机器。抛光液的pH值为6.75，将抛光过程中抛光液体对304不锈钢表面的腐蚀降至最低，同时配合过氧化氢有效的消除抛光表面的“橘皮效应”，提升加工效率和加工精度。聚醚消泡剂能够有效抑制搅拌过程中所产生的气泡。

本发明提供一种优选实施例，抛光磨盘结构如图1所示，包括依次设置的铝制基板1、非牛顿流体材质的柔性材料2、橡胶膜片3、铝制密封圈4、抛光阻尼布材质的抛光垫5，橡胶膜片3包裹住非牛顿流体材质的柔性材料2并与铝制基板1封闭连接。非牛顿流体材质的柔性材料2制成的抛光磨盘，可与待抛光的金属材料的非球面表面很好的吻合，并且配合阻尼绒布抛光垫，可以实现高精度修形，又可以避免表面划伤304不锈钢表面，实现超光滑加工。

本发明提供一种优选实施例，抛光磨盘的尺寸为待抛光的金属材料的尺寸的1/5～1/3。抛光盘的尺寸的设计小于待抛光的金属材料的尺寸，能够更有效的在抛光过程中适配待抛光的金属材料的表面面型，有利于提升加工精度。

本发明还提供一种抛光方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1、利用计算机控制光学表面成形工艺(以下简称CCOS)对经车削工艺后的加工金属表面进行抛光，抛光过程中配合使用抛光磨盘和抛光液。

本发明提供一种优选实施例，还包括步骤S0。

S0、使用单点金刚石车削工艺对304不锈钢的表面进行预抛光，加工参数为主轴60转/分钟，并以5μm/转的速度进刀。通过步骤S0抛光后面形精度的RMS为≤12nm，粗糙度Ra≤1.5nm。

利用CCOS软件根据所要加工的金属面形和获得的金属表面的面形的误差进行分析，计算得到抛光的抛光路径和金属表面各点的加工驻留时间，再利用数控系统控制抛光磨盘在金属表面按设定的抛光路径和加工驻留时间，完成抛光。抛光的CCOS具体参数如表3所示。

表3CCOS抛光304不锈钢加工参数

经过步骤S0和S1迭代14小时的加工，加工后304不锈钢表面粗糙度结果如图8所示。从图8可以看出，本发明抛光后的304不锈钢表面的粗糙度达到满足可见光系统应用需求，利用本发明方法能够制造优质的304不锈钢反射镜。

本发明所提出的一种金属材料抛光的抛光液、抛光磨盘及抛光方法可以满足多种金属材料的抛光，包括但不限于纯铝、铝膜表面、6061铝合金、6063铝合金、7075铝合金、905铝合金、304不锈钢等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种抛光液，其特征在于，由以下重量份数的组分配制而成，包括：

水基载液75～80份；抛光粉3～5份；表面活性剂5～10份；氧化剂0.5～5份；pH调节剂0.2～0.4份；消泡剂0.1～0.3份；其中，

所述抛光粉为氧化铝颗粒；

所述表面活性剂包括多元醇和醇铵盐；

所述PH调节剂为碳酸钠和有机酸。

2.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述水基载液为去离子水；所述氧化剂为过氧化氢；所述消泡剂为聚醚消泡剂。

3.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述氧化铝颗粒为圆形，直径为0.3μm～0.8μm。

4.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述抛光液pH值为6.5～7.5。

5.根据权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述多元醇和醇铵盐的质量比为3:1～5:1。

6.一种抛光磨盘，其特征在于，包括依次设置的基板、柔性材料、橡胶膜片、密封圈和抛光垫；

所述基板与抛光机床的主轴球头相连接，所述橡胶膜片包裹住柔性材料并与所述基板封闭连接，所述密封圈用于固定、密封所述橡胶膜片和所述柔性材料，所述抛光垫与所述抛光液配合进行抛光。

7.根据权利要求6所述的抛光磨盘，其特征在于，所述柔性材料的材质为非牛顿流体；

所述抛光磨盘的尺寸为待抛光的金属材料的尺寸的1/5～1/3。

8.一种抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、使用抛光磨盘和抛光液对经过车削加工的金属表面进行抛光，利用计算机控制光学表面成形工艺软件根据所要加工的金属面形和获得的所述金属表面的面形的误差进行分析，计算得到抛光的抛光路径和所述金属表面各点的加工驻留时间，再利用数控系统控制所述抛光磨盘在所述金属表面按设定的抛光路径和加工驻留时间，完成抛光。

9.根据权利要求8所述的抛光方法，其特征在于，

在步骤S1之前还包括如下步骤：

S0、采用车削工艺对所述待抛光的金属材料的表面进行预抛光处理，获得粗糙度Ra为3～5nm，面形精度的RMS为20～60nm的金属表面。

10.根据权利要求8所述的抛光方法，其特征在于：所述抛光过程中，抛光磨盘的转速为100～300r/min，抛光压力不大于0.08MPa。

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