光學元件超光滑表面的流體動壓拋光特性研究

付振峰 王振忠 王 彪 申冰怡 黃雪鵬

（廈門大學航空航天學院，福建 廈門 361005）

隨著微電子學領域和光學領域及其相關技術的發展，對光學元件表面質量提出了極精確面形和超光滑表面的加工要求，其表面粗糙度在納米級。常用的拋光技術有氣囊拋光、化學機械拋光、離子束拋光、磁流變拋光和流體動壓拋光等，流體動壓拋光與其他技術相比，其優勢在于加工損傷面小，表面質量好、能達到原子級別的去除。最早由日本的Mori Y[1]提出，是一種超光滑表面加工方法,將聚氨酯回轉球與工件一起置于懸浮液含微細粉末粒子中，利用回轉球與工件表面之間產生的流體潤滑現象，達到去除工件表面材料的目的，其能實現表面粗糙度值達0.5 nm。之后Kanaoka M[2]等人通過彈性發射加工對低熱膨脹材料進行加工，發現工件在去除一定深度的材料后，其表面粗糙度RMS收斂到0.1 nm 的恒定值。李慶宇[3]在現有的彈性發射加工的基礎上，開展雙轉彈性發射加工技術的研究，在公轉20 r/min、自轉500 r/min 下獲得了RMS為0.080 1 nm 的超光滑表面。彭文強[4]等人在研究中對石英玻璃進行試驗采用水動力拋光方法得到了表面粗糙度RMS為0.145 nm 的超平滑表面，李巖[5]使用有槽工具對熔融石英玻璃進行拋光試驗，通過工具轉速的提高可以改善工件表面粗糙度。該拋光方法平均粗糙度可達1 nm。鄭子軍[6]利用圓柱形輥子工具在轉速為1 000 r/min，定點拋光4 h，把K9玻璃表面粗糙度Ra 從45.41 nm 下降到0.91 nm。

已有研究較多關注于流體動壓拋光方式下對不同材料的極限粗糙度，為進一步探索提升拋光效率及開展流體動壓拋光工程應用工藝，本文基于流體動壓原理，采用電主軸搭建四軸高速拋光平臺，通過理論計算及Fluent 仿真確定工藝試驗參數，開展單因素試驗獲得優化工藝參數，實際進行小口徑拋光驗證試驗。

1 流體動壓拋光工具設計

流體動壓拋光實現穩定均勻去除的關鍵在于工具頭與工件保持恒定微小的間隙，為提高拋光效率，可進一步提高拋光工具轉速。因此，本文基于高精度直線模組（運動分辨率1 μm，重復定位精度5 μm）及高速電主軸（北京精雕JD80-24-ER16/A 精密電主軸，最高轉速24 000 r/min），設計開發四軸流體動壓拋光系統，如圖1a 所示。運動控制選用深圳市軟贏科技公司的WMX3 工控系統，對于拋光間隙這一關鍵參數，Mori Y[1]通過采用施加壓力的方式保持拋光間隙恒定，而張富[7]在其研究的使用壓電陶瓷控制拋光間隙的方式，本次試驗通過平臺本身機械結構的運動精度來保持拋光間隙的恒定，并選用精密電主軸對拋光球轉速進行精確控制。

流體動壓拋光去除模型如圖1b，當工具頭進行旋轉，拋光液中磨粒會受到其旋轉帶來的動壓力，磨粒在受力過程與工件表面材料進行接觸碰撞，通過去除表面材料進而降低表面粗糙度，從而得到超光滑表面。

圖1 流體動壓拋光系統及去除模型

拋光加工的材料去除模型通常用經典Preston方程表示。基于Preston 方程，實際應用中研究人員根據材料去除理論和試驗研究對Preston 方程進行各種修正，在非接觸流體拋光過程中，拋光相對速度V和拋光壓力P都是隨著工件表面位置坐標(x,y)和時間t而不斷變化的[8]，所以線性液動壓拋光加工的材料去除率MMR也是和工件表面位置坐標(x,y)和時間t有關的函數。單位時間T內工件表面(x,y)處的材料去除率可以表示為

式中：k為比例常數，它與拋光過程中的多種因素相關；P(x,y)為t時刻工件坐標(x,y)處受到的動壓力；V(x,y)為t時刻工件坐標(x,y)處的相對速度。因此線速度、壓力和時間是拋光效果的重要因素，可通過設計小球尺寸和選擇主軸轉速來提高相對速度。已有研究中對拋光間隙控制嚴格，在微米級別，設備成本及控制精度要求較高。本文基于提高轉速增加效率并適當降低拋光間隙控制精度目的，選取h0為100 μ m左右，為了探究拋光球直徑對拋光加工的影響，設計工具球直徑分別為40 mm、50 mm 和60 mm。考慮主軸與水平面保持一個夾角的情況下保證加工過程中主軸不浸沒在水中。其二維設計見圖2a。將主軸水平傾斜角設為45°，拋光工具二維示意圖如圖2b，在完成基體加工后，使用聚氨酯拋光墊對其進行粘貼并修整，如圖2c。

圖2 拋光球設計

2 影響拋光效率的因素水平流場仿真

為了驗證拋光球直徑、轉速和拋光間隙等因素的影響規律，利用ANSYS 中的Fluent 模塊進行三維仿真，探究較優參數。首先，拋光區模型如圖3a，取長寬高分別為60 mm×60 mm×50 mm 的長方體，內有一直徑40 mm 的球體，球體與長方體底面最小距離為50 μm。考慮其最小間隙，如果要將網格畫的比較精細，就會導致網格數量激增，但同時網格數量的增加會導致運算緩慢，為了得到較精細的網格同時控制網格數量，對模型進行簡化，取拋光球與工件最近區域進行簡化，在此選取20 mm×20 mm×2 mm 的區域。如圖3b 所示。

圖3 仿真過程與結果

求解完成后，得到圖3c 所示的工件表面剪切力分布云圖，工件表面在與拋光球在楔形區域產生剪切力，剪切力分布為標準的高斯型。因此接下來對拋光間隙、工具球直徑和主軸轉速3 個參數來探討其因素水平對拋光區流場分布的影響。仿真參數見表1。

表1 單因素仿真參數

組1 探究不同拋光間隙對工件表面壓力和表面剪切力的變化，由圖4a 可以看出，拋光間隙為50 μm時，工件表面所受最大壓力和剪切力最大。在75 μm以后拋光間隙對工件表面力的分布影響不大。組2為不同拋光球直徑對工件表面壓力和剪切力的變化曲線圖，如圖4b 隨著拋光球直徑的增大，工件表面所受壓力和剪切力逐漸增大，這是由于一方面拋光球直徑增大帶動流體的速度增大，另一方面拋光球帶動液體運動曲線的曲率減小，對工件表面的剪切力變大。組3 為不同主軸轉速對工件表面所受最大壓力和最大剪切力的變化曲線圖，如圖4c 隨著主軸轉速的增加，工件表面所受最大壓力和最大剪切力幾乎線性增加。

圖4 單因素仿真結果趨勢圖

通過觀察不同轉速下剪切力云圖如圖5 可知：低轉速下，剪切力大于或等于50 Pa 的區域大概為一長軸3 mm、短軸2 mm 的橢圓形，而高轉速下，剪切力大于或等于50 Pa 的區域則約為一長軸6 mm、短軸4 mm 的橢圓形，表明主軸轉速的提高可以增大拋光區域。在得出剪切力和壓力與各因素水平之間的作用關系之后，進行試驗探究。

圖5 不同主軸轉速下工件表面剪切力分布云圖對比

3 流體動壓單因素拋光試驗

試驗過程如圖6a 所示，精密電主軸傾斜一定角度，在容器中充滿拋光液，工件通過磁臺吸附工件兩側的鐵塊進行定位，拋光球與工件保持微小間隙進行試驗。

工件選擇熔石英玻璃，它廣泛應用于微電子及其光學領域，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。工件加工區域劃分如圖6b，在工件表面劃分多個20 mm×20 mm 的加工區域，并劃分九宮格確定加工區域位置以方便后續檢測，進行不同因素水平定點拋光試驗。試驗固定參數：800 nm 氧化鈰顆粒、拋光液濃度25 g/L、主軸傾斜角45°，試驗參數組別見表2。

圖6 流體動壓單因素拋光試驗

表2 單因素試驗參數

實驗結果用ZYGO 公司的NewView9000 白光干涉儀拍攝檢測，在檢測中發現拋光區域極小，流體動壓作為超精密拋光的最后一步，去除效率較低是其特點之一，拋光區域大小約為0.3 mm×0.3 mm。拋光斑的輪廓與仿真中的剪切力分布基本一致。在流體動壓拋光過程中，其主要依靠剪切力作用，拋光顆粒速度方向始終與玻璃平面成一定角度，通過剪切力去除工件表面凸起，進而降低工件表面粗糙度。

3.1 拋光間隙影響規律

試驗中主軸轉速取2 000 r/min，拋光間隙選擇50/100/150 μm；每塊區域加工時間均為45 min。在完成試驗后，對工件進行檢測，得到拋光后的原始數據如圖7 所示。

圖7 白光干涉儀所測原始數據

在原始數據中，只能得到整個區域的RMS和PV值，則需對原始數據分析處理。選用Veeco 公司的V32 軟件進行數據分析處理，選擇其中心區域半徑為0.1 mm 的區域進行分析，表征結果為去除深度和表面粗糙度RMS。結果如圖8 所示。

圖8 拋光去除區域數據分析

通過以上軟件的分析處理，拋光間隙對拋光效果的影響如圖9a，可知去除深度隨拋光間隙的增大而減小，其影響規律與仿真中剪切力作用基本一致。而表面粗糙度規律并不明顯，原因是表面粗糙度的影響是拋光參數、工件區域原始形貌等共同作用的結果。而100 μm 間隙處粗糙度最低，原因是間隙100 μm 時生成的油膜厚度較為均勻，導致拋光后的表面粗糙度較低。

3.2 主軸轉速影響規律

試驗完成后得到圖9b 所示的主軸轉速對去除深度和表面粗糙度的影響趨勢圖，當主軸轉速越快時，表面粗糙度越低，這與仿真中的趨勢吻合，隨著主軸轉速的增加，其拋光過程中的剪切力也越大，去除效果越好。

圖9 拋光間隙和主軸轉速影響趨勢

3.3 拋光時間影響規律

此次各區域加工時間為15/30/45/60 min，拋光球直徑為50 mm，其結果如圖10a。觀察發現隨著拋光時間的增加其表面粗糙度是呈下降趨勢，這符合流體動壓的去除機理，但是去除深度并未隨著拋光時長增加而增加，原因可能是當前拋光力無法完成進一步去除。

3.4 拋光工具直徑影響規律

使用直徑40 mm 的拋光球進行對照試驗，其他參數均與上述試驗相同，結果如圖10b。表面粗糙度隨著拋光時間的增加逐漸降低，但45 min 的拋光效果會優于60 min，分析可能是工件原始誤差導致的。而去除深度均小于直徑50 mm 拋光球產生的去除，但是直徑40 mm 小球拋光后的表面粗糙度RMS均低于直徑50 mm 拋光球拋光后的表面。

圖10 拋光時間和拋光球直徑影響趨勢

在此次單因素試驗中發現拋光間隙的減小會增加其流體動壓力，去除深度較大，但是若要較低的粗糙度則需要較為合適的拋光間隙。主軸轉速增加，使拋光過程中的剪切力增大，有助于降低表面粗糙度。小球直徑增大會增大去除深度，但是較小直徑的拋光球可得到較低的表面粗糙度。而拋光時間增加能提升其表面質量，得到超光滑表面。在本次試驗中，表面粗糙度RMS最小可達0.36 nm。

4 小口徑區域流體動壓拋光驗證試驗

上節分析得較優參數，現開展小口徑試驗驗證，在試驗前對加工區域進行拍攝，尺寸為1.6 mm×1.6 mm、3 mm×3 mm 和20 mm×20 mm。由于定點拋光區域的尺寸約為0.3 mm×0.3 mm，為了保證拋光均勻性，路徑選用光柵路徑，光柵間距為0.1 mm。小尺寸區域拋光參數見表3。

表3 20 mm×20 mm 區域拋光參數

使用ZYGO 公司的NewView9000 白光干涉儀拍攝檢測，得到試驗前后表面形貌對比如圖11～13。在圖11 中拋光前表面存在微細劃痕，拋光后其劃痕消失，表面粗糙度RMS從16.939 nm 降至2.467 nm。在圖12 中表面粗糙度RMS從9.665 nm 降至4.706 nm。經過拋光作用中間凸起區域得到改善。中間區域拋光時間較長，由拋光前的波峰區域轉變為拋光后的波谷。在圖13 中其表面粗糙度RMS顯著降低，并且中心區域較拋光前更為平滑，環拋機拋光后的周期性紋路經過拋光后消失，表面紋理較拋光前也明顯減少，試驗結果進一步驗證了該參數下可獲得超光滑表面。

圖11 1.6 mm×1.6 mm 區域拋光前后對比

圖12 3 mm×3 mm 區域拋光前后對比

圖13 20 mm×20 mm 區域拋光前后對比

5 結語

本文通過設計流體動壓拋光工具，利用Fluent仿真探究拋光間隙、工具球直徑、主軸轉速這3 個因素對流場的影響，試驗證明合適的拋光間隙是獲得超光滑表面的關鍵，增加主軸轉速的影響可以提升加工效率，同時驗證拋光時間長短是影響表面質量的重要因素。在優選參數完畢后，使用光柵路徑進行小口徑拋光，將區域表面粗糙度RMS由16.939 nm降至2.467 nm。通過提高轉速增加效率并適當降低拋光間隙控制精度目的，以降低實現超光滑表面的工業成本，后續將進一步探究提升超光滑表面拋光效率的因素。