第2章粗磨精磨抛光讲授郎贤礼单位仪器科学与光电工程学院HFUTLOGO概述??光学零件的抛光是获得光学表面的最主要工序。其目的一是去除精磨的破坏层达到规定的表面质量要求二是精修页型达到图纸要求的光圈和局部光圈最后形成透明规则的表面??抛光的过程十分复杂。并且对抛光机理未形成普遍的理论。??抛光机转速、压力、抛光模和抛光剂质量等都对抛光效率和零件有重要的影响。LOGO概述??迄今为止对抛光的本质仍然没一个统一的看法。但大致可以归纳为三种理论机械磨削理论、化学作用理论和热的表面流动理论。??抛光机转速、压力、抛光模和抛光剂质量等都对抛光效率和零件有重要的影响。??关于抛光的本质的三种基本假说概述如下一.机械磨削理论??机械磨削理论认为抛光是研磨的继续其本质与研磨是相同 的都是尖硬的磨料颗粒对玻璃表面进行微小切削作用的结果。由于抛光是用较细颗粒的抛光剂所以微小的切削作用可以在分子大小范围内进行LOGO??其主要实验依据如下??一抛光后的零件质量明显减轻–零件抛光后质量明显减轻。通过实验测得被抛掉的玻璃颗粒尺寸平均为11·2nm。??二抛光表面有起伏层和机械划痕–用氧化铈抛光时零件表面凸凹层厚度为3090nm用氧化铁抛光凸凹层要2090nm .用电子显微镜 热转印花膜观察玻璃表面发现每平方厘米的抛光表面有3万至7万条深为0.008-0.070微米的微痕约占抛光总面积的1020。综上说明抛光是机械作用的过程。??三抛光剂的粒度和硬度对抛光效率的影响–抛光剂直接作用于玻璃表面其粒度和硬度对机械磨削作用都有重要影响–实验表明LOGO–光粉粒度直径在一定范围内粒
度愈大抛光速率愈高抛光速率与颗粒大小成正比。抛光剂硬度愈高抛光速率愈高如目前广泛使用的氧化铈抛光粉Ce0。比氧化铁–红粉的硬度高所以前者比后者的抛光速率高23倍。??四抛光速率与压力、速度成线性关系–在抛光过程中压力和相对速度在一定限度内抛光速率与压力、速度近似成线性关系。因此通过增加压力和转速可以显著提高抛光速率高速抛光就是依此发展而来。LOGO??五磨料也能用作抛光剂–磨料很细而且加工压力很小时也能作为抛光剂。如碳化硼B4C和刚玉Al2O3本属磨料但其粒度直径为0.5μm 左右时也能用于玻璃抛光。??综上可以说明抛光过程机械磨削作用是基本的。但抛光的本质并不仅仅是微小切削作用其理由是??1如果抛光仅仅是机械磨削过程那么抛光速率应与玻璃硬度有关愈软的玻璃抛光愈快反之亦然。可是这个结论不适用于硅酸盐玻璃ZK9和所有硼酸盐玻璃仅研究18种玻璃。??2机械磨削理论尽管得到普遍承认但它不能解释各种化学因素对抛光速率所声生的重要影响LOGO二、化学作用理论??化学说认为抛光过程是在玻璃表层、抛光剂、抛光模和水的作用下发生错综复杂的化学过程主要是玻璃表面发生的水解过程。??纯粹的化学理论力图把抛光过程都归结于化学作用这当然是不全面的但水解作用确实存在于抛光过程的始终并起重要作用。一抛光介质水对玻璃的侵蚀作用??1玻璃的亲水性光学玻璃的表面结构和内部结构并不相同。表面结构往往处于不稳定状态这是由于表面上每个金属阳离子所需要的氧离子数得不到满足就出现不平衡产生表面力。这个力决定了玻璃表面的张力和吸湿性而最普遍最容易吸引的便是水。实验表明水分子与玻璃表面的亲和力是相当大的要从玻璃表面消除水迹需要800C的高温。因此处于室温下的玻璃表面很容易吸附空气中的水分。况且光学零件在加工过程中时刻在与水接触这更加剧了水对玻璃的侵蚀作用——水
解作用。LOGO一抛光介质水对玻璃的侵蚀作用??2·玻璃的水解反应许多学者在研究水对玻璃的侵蚀作用时基本观点是一致的认为水与玻璃表面的硅酸盐产生水解反应结果玻璃表面的碱金属或碱土金属溶解出来生成氢氧化物
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使溶液成碱性。同时玻璃表面形成硅酸凝胶层从而减缓了水的侵蚀作用。但由于硅胶层往往是多孔的或因龟裂而产生裂纹于是在水溶液中OH-就会进一步侵蚀玻璃的网络内体。??硅酸凝胶层在正常情况下硅酸凝胶层能保护玻璃表面大大减缓侵蚀速度。但在抛光粉的作用下胶层不断被刮去露出新的表面又被水解如此往复循环构成抛光过程。因此水解作用是非常重要的。如果用其他介质代替水时抛光速度显著下降这是由于这些介质不能进行水解反应。此外水能使抛光粉均匀分布在抛光膜的工作表面上同时水还有良好的冷却和洗涤作用LOGO二光学玻璃化学稳定性与抛光速度的关系??实验表明玻璃的抛光速度与玻璃的硬度和软化点无关而与化学稳定性有关。如图6-2所示。??由此可以得出结论玻璃是否容易抛光取决于表面水解后形成的腐蚀层抛光速度则取决于破坏腐蚀层的难易程度。??一般来说抛光困难的玻璃不易出现表面疵病反之容易抛光的玻璃也容易出现疵病LOGO三抛光液pH值的影响??实验表明大多数光学玻璃是不耐碱的至于耐酸的程度则视光学玻璃的牌号不同而异。因此光学加工中大多数光学玻璃在弱酸性抛光液中抛光pH5.5-7具有较高的速率和表面质量。四添加剂对抛光过程的影响??在抛光液中加入少量的其他物质以达到提高速率和改善表面质量的目的这种物质称为抛光液的添加剂。五抛光剂的作用??抛光剂两种作用其一是以抛光剂颗粒的坚硬特性在模具和机床的作用下对
xxx0123玻璃表面的硅胶层进行微小的切削玻璃被去除并使玻璃露出新表面进而得以水解其二是以抛光剂颗粒表面的吸附特征使硅胶层以分子级程度被抛光剂吸附而剥落。这两种作用在抛光剂使用寿命内自始至终都存在。前者作用与抛光剂的粒度、硬度和形状有关后者与抛光剂的化学活性有关而化学活性与抛光剂颗粒的有效表面积有关。有效表面积是指单位质量的抛光剂所具有的外表面积总和。LOGO六抛光模的作用??光学零件的抛光是在抛光机上由模具对工件施加压力使其与工件紧密接触在抛光剂作用下通过两者模具和工件的相对运动而达到抛光的。由此看来抛光模层不仅起着承载抛光粉的作用同时也起一定的化学作用能与玻璃的阳离子发生交换反应使玻璃表面以微量的分子形式进行剥落。??实验表明使用柏油或毛毡抛光模抛光不用抛光剂只用清水也能抛光。由于毛毡抛光盘比柏油抛光模层有较多的活基性所以它的抛光速率比柏油的高这正是毛毡至今仍被国内外用于抛光的原因。用棉花植物纤维则不能进行抛光因为它们不含有化学活性基。LOGO三、热的表面流动理论??热的表面流动理论认为玻璃表面由于高压和相对运动摩擦生热致使表面产生塑性流动凸起的部分将凹陷填平形成光滑的抛光表面。这种理论的实验依据是抛光表面用金刚石刀划成图案然后抛掉再用酸腐蚀结果看到划痕再现。另一实验发现由抛去厚度计算的抛去质量比实测的大得多于是认为抛去的玻璃填到表面凸凹层的谷部。由此说明抛光过程是流动作用的覆盖。但这与工件抛光后有质量减轻的事实相矛盾另外软化点高的玻璃抛光速率低这也可以说明这种理论的正确性LOGO概述??光学设计者要求透镜、棱镜等光学元件具有与理想的几何形状极接近的精度两者之差往往以波长为计量单位计量如λ/2λ/10甚至更小。??对于这样高精度的抛光表面检验面形偏差常用的方法有干涉图样法和阴影法。??干涉图样法又可分为
接触法即样板法和非接触法即干涉仪法。本节着重讲样板检验亦称光圈检验。??样板检验是光学零件制造中使用最广泛、最简便的一种精密检测方法。LOGO一.样板检验原理??被检验光学表面相对于参考光学表面的偏差称面形偏差。通常在光学加工中光学零件的面形偏差是通过与样板参考表面比较而鉴别出来的。若两者的面形球面或平面不一致存在微小误
差时就形成一个楔形空气隙类似一个薄膜从而产生薄膜干涉现象如图6—3a所示。若用单光源空气隙呈环形对称时则产生明暗相间的同心圆干涉环用白光照射产生彩圆环。这些圆环称作光圈又叫牛顿环。光学零件面形偏差是在圆形检验范围内通过垂直位臵所观察到的光圈数目、形状、变化和颜来确定的并且面形误差用光圈数表示所以样板检验亦称―光圈检验‖LOGO一.样板检验原理LOGO一.光圈数与空气隙厚度的关系??考察b中的s1s2两束光产生干涉。两束光的光程差为??当产生第k级亮条纹??当产生第k级暗条纹??那么第k级和k1级亮条纹所对应空气隙的厚度为??光线垂直照射则相邻亮条纹空气厚度1cos1kkkii232233234LOGO??则相邻亮条纹空气隙厚度差近似为??由此可知相邻亮条纹空气厚度近似等于即一道光圈相当于空气隙厚度厚度。总的光圈N与空气总厚度之间关系为??牛顿球干涉为等厚干涉。光圈即干涉条纹的形状是由空气隙等厚层的轨迹决定的即同一级干涉条纹对应的空气隙厚度是相等的。因此对于规则平面干涉条纹为直线若有微小不平度则干涉条纹出现弯曲根据不直度的方向和弯曲程度即可判定面形误差。对于规则球面空气隙的等厚层是环形所以干涉条纹为圆环状利用干涉条纹的数量和不规则程度可以判定球面的面形误差。由此可以判定面形误差。236235LOGO
二.光圈数N与曲率半径偏差ΔR关系??光学零件曲率半径尺与工作样板半径R0之间的偏差ΔR以干涉条纹数即光圈数N表示。ΔR值不仅取决光圈数N、零件与样板的接触口径D在此口径范围内显示干涉环和干涉光的波长还取决于样板是沿边缘接触低光圈还是在中部接触高光圈。??图6—4是样板与透镜沿边缘接触情况。??对上式微分239238237LOGO??由得将此式代入2-39得??将2-36代入上式得??对于小曲率透镜RpRh所以Δh/2可忽略2-39可写成??
立式导热油加热器由式2-38有222phRh238240241242243LOGO??将2-36 2-43代入2-42得–ΔR透镜曲率
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半径偏差–R透镜曲率半径–D零件与样板接触口径–pD/2–N光圈数–λ波长??由2-42光圈数与半径偏差关系244245LOGO三光圈半径与与波长的关系??假定Δhk第k级暗条纹所对应的空气层厚度Rk为k级暗条纹对应的干涉条纹半径R为透镜的曲率半径。??由图6-5的几何关系得??考虑到RΔhk故Δhk2可以舍去即??在光垂直入射时两表面光程差??将2-36代入2-42得248247246249LOGO??δ满足暗条纹条件为??由此得出光圈半径与波长的平方根成正比。因此对于同一级的干涉环波长愈长干涉条纹离接触点愈远。四相邻光圈的间隔△r与干涉级的关系??由2-50得??当k逐渐增大时愈来愈小即Δr逐渐减小以致以致眼睛无法分辩。K的极限可由物理光学得出251250252LOGO??对人眼Δλ10nm白光平均波长500nm则人眼分辨极限为??将k50代入暗环为公式得??由此得出白光检验时所能检测最大厚度不能超过12.5um.253LOGO二.光圈的识别与度量??用样板检验工件时如果两者在边缘接触当空气隙缩小时条纹从边缘向中间移动则称低光圈如图6—6a所示如果两者在中间接触当空气隙缩小时条纹从中心向
甘薯苗边缘移动则称高光圈如图6—6b所示。LOGO一高低光圈的识别??正确地识别光圈的高低对于修改零件的面形偏差是非常重要的。通常是根据干涉条纹的特征、移动情况、弯曲方向、疏密程度、颜和形状等来识别和度量光圈的。??识别光圈高低常用方法有三种。??1周边加压法周边加压法是识别光圈高低最常用的方法。此方法适用于光圈N1的判断。??采用周边加压法识别光圈高低的原理是将样板臵于零件上两者间存在空气隙在样板周边加压时则使空气隙由厚变薄即空气隙△h由大变小。这样与△h 对应的干涉条纹也随之移动。对于低光圈空气隙△h等厚层的移动方向是由边缘移向中心因此与△h等厚层对应的干涉条纹也随之从边缘向中心移动。高光圈识别正好与
此相反。LOGO一高低光圈的识别??2边缘点力法边缘点力法是在样板边缘某一点轻轻加压使其另一端浮起则形成楔形空气隙从而产生干涉条纹。它是根据干涉条纹的弯曲方向和弯曲程度来识别和度量光圈的。如果工件为理想平面用平面样板平晶检验零件时则呈现平直条纹由于浮起程度不同条纹数目也随之增减如图6—7所示。LOGO??2边缘点力法??如果工件为高光圈如图6—8所示设样板面为A、B、C、D加工面为E、F、G、H边缘一点加压后C和G点接触则两面之间形成楔形空气层从而产生干涉条纹。如将干涉图形向平面上投影那么各带条纹势必弯向受力点这是由与其对应的空气隙等厚层的轨迹方向决定的此弯曲程度与条纹间隔之比为光圈数。低光圈干涉条纹弯曲方向与上相反它是背向受力点如图6—9所示。??这种方法适用于N1时光圈高低的识别而且也可用于N1的情况??在光圈数多的情况下N1以有效检验范围内直径方向上最多条纹数的一半来度量.LOGO二光圈的度量??1光圈数N的度量??2光圈数N
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