拋光機理及加工參數(shù)設(shè)定（課堂PPT）

1、1同學們好！大家辛苦了！感謝同學們好！大家辛苦了！感謝大家本次配合、認真學習大家本次配合、認真學習2010.10.072 拋光機理及加工參數(shù)設(shè)定拋光機理及加工參數(shù)設(shè)定 目前中國光學研究最權(quán)威學府、最資深目前中國光學研究最權(quán)威學府、最資深教授所出教材（浙江大學曹天寧教授畢教授所出教材（浙江大學曹天寧教授畢生研究總結(jié)）生研究總結(jié)） 3一、玻璃的本質(zhì)一、玻璃的本質(zhì) 玻璃是由玻璃材料的熔體過冷玻璃是由玻璃材料的熔體過冷所得的一種無定形物質(zhì)，即為所得的一種無定形物質(zhì)，即為玻璃科學上稱之為玻璃科學上稱之為“過冷的液過冷的液體體”。由于粘度逐漸增加而呈。由于粘度逐漸增加而呈現(xiàn)固體的外部特征。玻璃態(tài)材現(xiàn)固體的

2、外部特征。玻璃態(tài)材料沒有熔點，只有一個料沒有熔點，只有一個Tg與與Tf之間的溫度范圍，稱之為玻璃之間的溫度范圍，稱之為玻璃的固化溫度范圍（圖一），的固化溫度范圍（圖一），Tg為轉(zhuǎn)化點，為轉(zhuǎn)化點，Tf為軟化點。結(jié)構(gòu)為軟化點。結(jié)構(gòu)特性類似于液體特性類似于液體 1.過冷液體的特性過冷液體的特性4對玻璃、液體、氣對玻璃、液體、氣體和晶體的體和晶體的X射線射線散射試驗，玻璃的散射試驗，玻璃的散射曲線與液體類散射曲線與液體類似，不同于固體似，不同于固體（晶體）（圖二）。（晶體）（圖二）。52 .玻璃的結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu)20面體，科學家最新發(fā)現(xiàn)。面體，科學家最新發(fā)現(xiàn)。 一直來存在二種最一直來存在二種最流行的學說

3、！晶子流行的學說！晶子說和不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)說。說和不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)說。蘇聯(lián)學者蘇聯(lián)學者AA列別列別捷夫（捷夫（eee）于于1921年提出晶子年提出晶子說，認為玻璃由無說，認為玻璃由無數(shù)數(shù)“晶子晶子”組成。組成。晶子是帶有點陣變晶子是帶有點陣變形的有序排列區(qū)域形的有序排列區(qū)域（圖三）（圖三）圖三圖三 玻璃結(jié)構(gòu)玻璃結(jié)構(gòu) 6 不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)說由荷蘭學者查哈里阿生（不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)說由荷蘭學者查哈里阿生（Zachariasen）于于1932年提出，在石英玻璃中是硅氧四面體年提出，在石英玻璃中是硅氧四面體SiO4，通過頂角連接的三度空間網(wǎng)絡(luò)。其排列是無序的，鈉通過頂角連接的三度空間網(wǎng)絡(luò)。其排列是無序的，鈉玻璃就在四面體空隙中

4、無序地分布著鈉離子。玻璃就在四面體空隙中無序地分布著鈉離子。 2008年在年在“自然自然材料科學材料科學”（NatureMaterial Science）科學家首次揭開玻璃結(jié)構(gòu)的雙重）科學家首次揭開玻璃結(jié)構(gòu)的雙重特性。英國布里斯托爾大學的帕特里克特性。英國布里斯托爾大學的帕特里克羅亞爾實驗證羅亞爾實驗證明：玻璃分子具有明：玻璃分子具有5個方面都對稱的個方面都對稱的20面體結(jié)構(gòu)，但不面體結(jié)構(gòu)，但不能結(jié)晶成固體，也不具備液體自由流動的特性。能結(jié)晶成固體，也不具備液體自由流動的特性。利用這一發(fā)展，可以制造利用這一發(fā)展，可以制造20面體金屬，形成新型的面體金屬，形成新型的“金屬玻璃金屬玻璃”材料，耐高

5、壓、高強度，是飛機機翼首材料，耐高壓、高強度，是飛機機翼首選材料。選材料。73.玻璃的生成體、中間體和網(wǎng)絡(luò)外體玻璃的生成體、中間體和網(wǎng)絡(luò)外體 從分子結(jié)構(gòu)來考察玻璃的結(jié)構(gòu)，我國光學玻璃從分子結(jié)構(gòu)來考察玻璃的結(jié)構(gòu)，我國光學玻璃 專家干福熹院士對光學玻璃作了結(jié)構(gòu)分析：專家干福熹院士對光學玻璃作了結(jié)構(gòu)分析：SiO2、B2O3、P2O5作為玻璃的形成體形成了硅酸鹽玻璃，作為玻璃的形成體形成了硅酸鹽玻璃，硼酸鹽玻璃和磷酸鹽玻璃。硼酸鹽玻璃和磷酸鹽玻璃。SiO4是硅氧共價鍵連是硅氧共價鍵連接，是玻璃的核心。接，是玻璃的核心。 Na2O、K2O、PbO、BaO等都是網(wǎng)絡(luò)外體，是等都是網(wǎng)絡(luò)外體，是離子鍵連接。連

6、接力較差，有的氧化物容易被置換離子鍵連接。連接力較差，有的氧化物容易被置換和水解析出，而和水解析出，而Al2O3則是中間體，介于二者之間。則是中間體，介于二者之間。83. 玻璃的組成與特性的關(guān)系玻璃的組成與特性的關(guān)系 最常用最普遍是硅酸鹽玻璃。下面硅酸鹽玻璃中最常用最普遍是硅酸鹽玻璃。下面硅酸鹽玻璃中均以均以SiO2為主要成分，為主要成分，B2O3與與Al2O3的加入大多的加入大多為高硼硅酸鹽玻璃，使之大多形成耐熱的低膨脹系為高硼硅酸鹽玻璃，使之大多形成耐熱的低膨脹系數(shù)玻璃，與常用光學玻璃數(shù)玻璃，與常用光學玻璃K9、光學石英玻璃作一個、光學石英玻璃作一個比對（表一）。比對（表一）。 從表一可以

7、看出，除了貴重的石英玻璃有很低的從表一可以看出，除了貴重的石英玻璃有很低的熱膨脹系數(shù)外，熱膨脹系數(shù)外，QK2、G.G-17與與Pyrex玻璃的組分玻璃的組分與熱膨脹系數(shù)基本一致。與熱膨脹系數(shù)基本一致。K4與硬質(zhì)玻璃近似。而與硬質(zhì)玻璃近似。而K9則不屬高硼硅酸鹽玻璃，而屬于典型的硅酸鹽玻則不屬高硼硅酸鹽玻璃，而屬于典型的硅酸鹽玻璃。它的熱膨脹系數(shù)比璃。它的熱膨脹系數(shù)比Pyrex玻璃高一倍。玻璃高一倍。9牌號牌號組分組分%光學光學石英石英玻璃玻璃Pyrex7740硬質(zhì)硬質(zhì)玻璃玻璃G.G-17光學玻璃光學玻璃K4QK2K9SiO210078807680.563.7080.0969.13B2O312.

8、513.51312.751012.4010.75Al2O32241.48K2O1.50.46.29Na2O6.547.85.0210.40BaO3.07密度密度(g/cm3)2.212.232.362.232.52.272.52 X10-75.8324932493576硬度硬度77776.576.5 表一表一 高硼硅玻璃與高硼硅玻璃與K9的比對的比對10二、拋光機理二、拋光機理 玻璃的拋光是在玻璃完成上道工序研磨或磨削以玻璃的拋光是在玻璃完成上道工序研磨或磨削以后的凹凸層表面上進行拋光工作。拋光以后應(yīng)達到后的凹凸層表面上進行拋光工作。拋光以后應(yīng)達到如下要求：如下要求：去除凹凸層，使表面光亮，達

9、到一定的粗糙度級去除凹凸層，使表面光亮，達到一定的粗糙度級 別（別（RZ0.025 ）對于光學表面，還有面形精度（對于光學表面，還有面形精度（N和和 N或或Pv值）值）大部分拋光表面要求沒有劃痕、沒有麻點，光學大部分拋光表面要求沒有劃痕、沒有麻點，光學 表面要達到光學表面疵病級別表面要達到光學表面疵病級別B 11拋光的機理有純機械說、化學學說、流變學說和機械化學說拋光的機理有純機械說、化學學說、流變學說和機械化學說（Mechanial Chemical Polishing），我認為后一個學說比），我認為后一個學說比較全面地揭示了玻璃拋光的機理，提出這個學說的是蘇聯(lián)院士較全面地揭示了玻璃拋光的機

10、理，提出這個學說的是蘇聯(lián)院士格列賓雪柯夫（格列賓雪柯夫（peeHeKOB），他認為拋光是一個機械），他認為拋光是一個機械的、化學的和物理化學的綜合過程。的、化學的和物理化學的綜合過程。 玻璃研磨或磨削后的玻璃表面形貌如圖四所示，表面形玻璃玻璃研磨或磨削后的玻璃表面形貌如圖四所示，表面形玻璃成了凹凸層與裂痕層。拋光的任務(wù)是要去除凹凸層與裂痕層。成了凹凸層與裂痕層。拋光的任務(wù)是要去除凹凸層與裂痕層。12下面以氧化鈰拋光粉懸浮液對硅酸鹽玻璃拋光為典型例子說下面以氧化鈰拋光粉懸浮液對硅酸鹽玻璃拋光為典型例子說明拋光機理。玻璃表面產(chǎn)生水解反應(yīng)：明拋光機理。玻璃表面產(chǎn)生水解反應(yīng)：2322322Na SiO

11、H OH SiONaOH22322NaOHCONa COH O空氣H2SiO3是一層硅酸鹽凝膠，它是一層硅酸鹽凝膠，它保護了表面不再水解，它是一保護了表面不再水解，它是一層疏松的組織，在拋光模的壓層疏松的組織，在拋光模的壓力（力（P）與相對運動速度作用下，）與相對運動速度作用下，去除了表面頂層的凝膠層，新去除了表面頂層的凝膠層，新的表面又水解、去除，一直到的表面又水解、去除，一直到裂痕層去除，完成了拋光過程裂痕層去除，完成了拋光過程（圖五）。（圖五）。圖五圖五 拋光過程拋光過程 13基于拋光的機理我們研究一下拋光工藝因素對拋基于拋光的機理我們研究一下拋光工藝因素對拋光過程的影響。光過程的影響。

12、1.機床的壓力和速度機床的壓力和速度在一定范圍內(nèi)，拋去量與機床的正壓力和相對在一定范圍內(nèi)，拋去量與機床的正壓力和相對速度成線性上升關(guān)系（圖六），可以用著速度成線性上升關(guān)系（圖六），可以用著名的拋光方程名的拋光方程Preston方程來表達：方程來表達：hi在在Pi點點T時間內(nèi)拋去玻璃層厚度時間內(nèi)拋去玻璃層厚度Pi在在Pi點的瞬時正壓強點的瞬時正壓強Vi在在Pi點的瞬時相對速度點的瞬時相對速度拋光時其它工藝因素拋光時其它工藝因素TiiiOhAPVdtTiiiOhAPVdt圖六圖六 拋去量與機床的正壓力的線性關(guān)系拋去量與機床的正壓力的線性關(guān)系142氧化鈰拋光懸浮液的參數(shù)氧化鈰拋光懸浮液的參數(shù)1）拋光

13、粉的牌號）拋光粉的牌號 氧化鈰拋光粉的牌號是否適合被拋光玻璃的種類和牌號，例氧化鈰拋光粉的牌號是否適合被拋光玻璃的種類和牌號，例如工藝品拋光宜選用較粗的粒度（如工藝品拋光宜選用較粗的粒度（29 m）的拋光粉，而光學）的拋光粉，而光學件和電子玻璃宜選用中等或細的粒度（件和電子玻璃宜選用中等或細的粒度（0.12 m）的拋光粉，）的拋光粉，而硅片鍺片等的拋光則需要微粉級（而硅片鍺片等的拋光則需要微粉級（0.1 m）的拋光粉。）的拋光粉。2）拋光液的供給量）拋光液的供給量 拋光液的供給量在一拋光液的供給量在一定條件下有一個適中值，定條件下有一個適中值，過高過低均會降低拋光過高過低均會降低拋光效率（圖七

14、）。效率（圖七）。圖七圖七 拋光液的供給量的的適中拋光液的供給量的的適中值值153）拋光液的濃度）拋光液的濃度 氧化鈰：水氧化鈰：水=1:5或更稀。速度、壓力高時可以加濃。或更稀。速度、壓力高時可以加濃。4）拋光液的酸度值（）拋光液的酸度值（pH值）值） 通常拋光液的通常拋光液的pH值在值在39之間（圖八）。之間（圖八）。5）拋光液的添加劑）拋光液的添加劑 在氧化鈰拋光液中加入在氧化鈰拋光液中加入硝酸鈰硝酸鈰(NH4)2Ce(NO3)6、氫氧化鈰氫氧化鈰Ce(OH)4和硫和硫酸鋅（酸鋅（ZnSO4）都能提高）都能提高拋光效率。因為它們中的拋光效率。因為它們中的陽離子對玻璃表面的陰離陽離子對玻璃

15、表面的陰離子有吸附作用。子有吸附作用。圖八圖八 拋光液的酸度值圖拋光液的酸度值圖166）拋光液的溫度）拋光液的溫度 拋光過程的摩擦熱、化學反應(yīng)熱、液溫和工房溫度都會影拋光過程的摩擦熱、化學反應(yīng)熱、液溫和工房溫度都會影響到玻璃表面溫度。溫度高，化學反應(yīng)加速，提高拋光效率。響到玻璃表面溫度。溫度高，化學反應(yīng)加速，提高拋光效率。溫度過高會使拋光不正常。溫度過高會使拋光不正常。7）拋光模的類型）拋光模的類型 古典法拋光用柏油模，采用低壓低速低溫；高拋用聚氨酯古典法拋光用柏油模，采用低壓低速低溫；高拋用聚氨酯拋光，可以高壓高速高溫；如果采用固著磨料拋光片或固著拋光，可以高壓高速高溫；如果采用固著磨料拋光

16、片或固著磨料拋光模，則不用拋光粉懸浮液，采用冷卻液。不僅高壓磨料拋光模，則不用拋光粉懸浮液，采用冷卻液。不僅高壓高速，而且更易于達到定時定光圈，工件清洗容易，工房環(huán)高速，而且更易于達到定時定光圈，工件清洗容易，工房環(huán)境清潔度提高。境清潔度提高。8) 細磨表面的質(zhì)量細磨表面的質(zhì)量 對表面的粗糙度與面形有一定的要求，表面質(zhì)量直接影響對表面的粗糙度與面形有一定的要求，表面質(zhì)量直接影響拋光的效率。拋光的效率。17三、拋光粉三、拋光粉1.拋光粉拋光粉的種類及的種類及其特性其特性玻璃拋光玻璃拋光粉有粉有Fe2O3、CeO2、Zr2O3、SiO2、Al2O3和和Cr2O3。其特性見其特性見表二。表二。表二表

17、二 各種拋光粉特性各種拋光粉特性三氧化二三氧化二鐵鐵（Fe2O3）氧化鈰氧化鈰（CeO2）氧化鋯氧化鋯（Zr2O3）氧化硅氧化硅（SiO2）氧化鋁氧化鋁（Al2O3）氧化鉻氧化鉻（Cr2O3）外觀外觀深紅、褐深紅、褐紅紅白、黃白、黃紅紅白、黃白、黃白白白白綠綠密度密度/(g/cm3)5.15.377.35.77.22.73.445.2顆粒外形顆粒外形球形球形多邊形多邊形晶系晶系斜方斜方立方立方單斜單斜六方六方等軸、六等軸、六方方六方六方點陣結(jié)構(gòu)點陣結(jié)構(gòu)剛玉點陣剛玉點陣螢石點螢石點陣陣熔點熔點/15601570260027002715161020201990182. 對拋光粉的主要要求對拋光粉的

18、主要要求拋光眼鏡片和工藝品要求拋光粉有高的拋光效率與耐磨性；拋拋光眼鏡片和工藝品要求拋光粉有高的拋光效率與耐磨性；拋光高科技領(lǐng)域的高精度超光滑表面則要有好的面形精度，光高科技領(lǐng)域的高精度超光滑表面則要有好的面形精度，小的表面粗糙度和高的表面疵病等級。小的表面粗糙度和高的表面疵病等級。對拋光粉的基本要求為：對拋光粉的基本要求為：外觀均勻一致，不含有機械雜質(zhì)；外觀均勻一致，不含有機械雜質(zhì)；粒度均勻；粒度均勻；有一定的硬度，一般比被拋材料稍硬；有一定的硬度，一般比被拋材料稍硬；具有一定的晶格晶形和晶格缺陷，化學活性較高，并有適當?shù)木哂幸欢ǖ木Ц窬魏途Ц袢毕荩瘜W活性較高，并有適當?shù)淖凿J性；自銳性；

19、有良好的分散性（不易結(jié)塊）和吸附性，拋光時不易聚集和流有良好的分散性（不易結(jié)塊）和吸附性，拋光時不易聚集和流失；失；合適的合適的pH值，化學穩(wěn)定性好，不腐蝕工件。值，化學穩(wěn)定性好，不腐蝕工件。193氧化鈰拋光粉的特性探討氧化鈰拋光粉的特性探討1）氧化鈰拋光粉的分類）氧化鈰拋光粉的分類按氧化鈰的原材料和制造方法不同，將拋光粉分成兩按氧化鈰的原材料和制造方法不同，將拋光粉分成兩大類：大類：第一類：氧化鈰拋光粉第一類：氧化鈰拋光粉用獨居石或氟碳鈰鑭礦為用獨居石或氟碳鈰鑭礦為原料，經(jīng)過萃取法或分離法，而得到拋光粉，工藝較原料，經(jīng)過萃取法或分離法，而得到拋光粉，工藝較復雜，流程較長，裝備要完整，如果向原

20、料廠購入預(yù)復雜，流程較長，裝備要完整，如果向原料廠購入預(yù)處理好純度在處理好純度在90%以上的拋光粉或中間體（如草酸鈰、以上的拋光粉或中間體（如草酸鈰、碳酸鈰），經(jīng)過煅燒、磨細和分級得到拋光粉。工藝碳酸鈰），經(jīng)過煅燒、磨細和分級得到拋光粉。工藝比較簡便，根據(jù)需要，可以進行淬硬處理。比較簡便，根據(jù)需要，可以進行淬硬處理。20第二類：混合稀土拋光粉第二類：混合稀土拋光粉用稀土元素的鹽類用稀土元素的鹽類（如氯化稀土，砂酸鈰等）為原料，用硅氟酸（如氯化稀土，砂酸鈰等）為原料，用硅氟酸（H2SiF6）和碳酸銨（）和碳酸銨（NH4）2CO3）處理得到）處理得到沉淀物，經(jīng)焙燒而得拋光粉，含鈰量較低，沉淀物，經(jīng)

21、焙燒而得拋光粉，含鈰量較低，4050%，拋光效果好，不需淬硬處理，但焙燒溫，拋光效果好，不需淬硬處理，但焙燒溫度根據(jù)需要可以選擇。例如需要獲微米級細顆?；於雀鶕?jù)需要可以選擇。例如需要獲微米級細顆?；旌舷⊥翏伖夥郏梢赃x擇合稀土拋光粉，可以選擇600700焙燒，得到焙燒，得到CeO2含量含量80%，D50小于小于1.5 m，比表面積在，比表面積在6m2/g以上的拋光粉。以上的拋光粉。21圖九圖九 顯示了不同溫度煅顯示了不同溫度煅燒的拋光粉的燒的拋光粉的X衍射，衍射，400時已經(jīng)結(jié)晶化，時已經(jīng)結(jié)晶化，900時結(jié)晶化比較完時結(jié)晶化比較完善。善。圖九圖九 不同溫度煅燒的拋光粉的不同溫度煅燒的拋光粉的X

22、衍射衍射 22但從粒度和比表面積看但從粒度和比表面積看（圖十），（圖十），600700為最佳，粒度小，比表為最佳，粒度小，比表面積大。面積大。圖十圖十 粒度和比表面積粒度和比表面積23圖十一不同溫度煅燒的拋光粉的拋光效率圖十一不同溫度煅燒的拋光粉的拋光效率24氧化鈰拋光粉按氧化鈰的含量分成三個牌號（表三）氧化鈰拋光粉按氧化鈰的含量分成三個牌號（表三）高鈰拋光粉高鈰拋光粉CeO2含量為含量為95%以上，呈白色，一般稱白粉；以上，呈白色，一般稱白粉；富鈰拋光粉富鈰拋光粉CeO2含量為含量為8095%之間，淺黃色，一般稱黃粉；之間，淺黃色，一般稱黃粉；低鈰拋光粉低鈰拋光粉CeO2含量為含量為4050

23、%之間，黃紅色，也稱黃粉。之間，黃紅色，也稱黃粉。表三表三 氧化鈰拋光粉的技術(shù)要求氧化鈰拋光粉的技術(shù)要求25混合稀土拋光粉含稀土氧化物高、含氟量高，混合稀土拋光粉含稀土氧化物高、含氟量高，具有很好的拋光效率（表四）具有很好的拋光效率（表四） 表四表四 混合稀土拋光粉含氟量高混合稀土拋光粉含氟量高262）氧化鈰拋光粉的粒度及其分布，粒度越大，拋光時壓力就越大，拋光效率）氧化鈰拋光粉的粒度及其分布，粒度越大，拋光時壓力就越大，拋光效率就越高，但表面粗糙度會越粗。就越高，但表面粗糙度會越粗。根據(jù)拋光材質(zhì)和精度要求，選用不同粒度的拋光粉，按粒度根據(jù)拋光材質(zhì)和精度要求，選用不同粒度的拋光粉，按粒度D50

24、分類：分類：粗粉（微米級）：粗粉（微米級）：210 m 用于工藝品和眼鏡片、平板玻璃用于工藝品和眼鏡片、平板玻璃細粉（亞微米級細粉（亞微米級-微米級）：微米級）：0.12 m 用于光學零件用于光學零件微粉（諾米級）：微粉（諾米級）：0.1 m 用于硅片、鍺晶體用于硅片、鍺晶體 拋光效率和、拋光效率和、D50及分布曲線有關(guān)（圖十二）及分布曲線有關(guān)（圖十二） D50越大，拋得越快。越大，拋得越快。Dmax越越大，容易出劃道。所以要控制大，容易出劃道。所以要控制Dmax不要過大。不要過大。圖十二圖十二 拋光效率拋光效率和、和、D50及分布曲及分布曲線線273）氧化鈰拋光粉的硬度及淬硬溫度）氧化鈰拋光

25、粉的硬度及淬硬溫度硬質(zhì)玻璃的莫氏硬度為硬質(zhì)玻璃的莫氏硬度為7，光學玻璃為，光學玻璃為56.5，氧化鈰拋光粉，氧化鈰拋光粉為為6.58。通常要求拋光粉的硬度稍高于被拋光玻璃。硬度高。通常要求拋光粉的硬度稍高于被拋光玻璃。硬度高耐磨性好；硬度高，抗破碎強度大，拋光粉的粗顆粒不易破耐磨性好；硬度高，抗破碎強度大，拋光粉的粗顆粒不易破碎，容易產(chǎn)生劃道，而且晶格缺陷少，比表面積低，化學活碎，容易產(chǎn)生劃道，而且晶格缺陷少，比表面積低，化學活性低，影響拋光效率的提升。對于硬質(zhì)玻璃，應(yīng)該采用淬火性低，影響拋光效率的提升。對于硬質(zhì)玻璃，應(yīng)該采用淬火處理后的氧化鈰拋光粉，提高了硬度，從而提高了拋光效率處理后的氧化

26、鈰拋光粉，提高了硬度，從而提高了拋光效率和耐磨性。和耐磨性。4）混合稀土拋光粉的氟化特性）混合稀土拋光粉的氟化特性混合稀土氧化鈰拋光粉的含氟量高，混合稀土氧化鈰拋光粉的含氟量高，5.67.5%，氟的存在有，氟的存在有昨于提高拋光效率，因為氟使拋光粉團聚體解體成晶粒，晶昨于提高拋光效率，因為氟使拋光粉團聚體解體成晶粒，晶粒具有高耐磨性和活性。平板狀的六面體晶格結(jié)構(gòu)有好的拋粒具有高耐磨性和活性。平板狀的六面體晶格結(jié)構(gòu)有好的拋光效率。光效率。285）混合稀土拋光粉中的）混合稀土拋光粉中的固溶體拋光特性固溶體拋光特性混合稀土拋光粉，含鈰量混合稀土拋光粉，含鈰量低，僅低，僅4050%，為什么，為什么還有

27、好的拋光效率呢。因還有好的拋光效率呢。因為稀土氧化物中除氧化鐠為稀土氧化物中除氧化鐠Pr6O11具有螢石型立方具有螢石型立方結(jié)構(gòu)外，其他鑭系氧化物結(jié)構(gòu)外，其他鑭系氧化物（包括（包括Pr2O3）沒有拋光）沒有拋光能力，但是和能力，但是和CeO2組成組成固溶體，使晶形變?yōu)槲炇倘荏w，使晶形變?yōu)槲炇秃土叫停▓D十一）獲型和六方型（圖十一）獲得很好的拋光能力。得很好的拋光能力。圖十三圖十三 混合稀土拋光粉中的固溶體混合稀土拋光粉中的固溶體296）氧化鈰是一種兩性氧化物）氧化鈰是一種兩性氧化物氧化鈰適合拋光硅酸鹽玻璃另外一個理由是它的兩性氧化物特氧化鈰適合拋光硅酸鹽玻璃另外一個理由是它的兩性氧化物特性

28、，既能和堿起化學反應(yīng)變成鹽，也可以和酸反應(yīng)變化鹽，其性，既能和堿起化學反應(yīng)變成鹽，也可以和酸反應(yīng)變化鹽，其活性優(yōu)于其他拋光粉?；钚詢?yōu)于其他拋光粉。7）氧化鈰的酸度值）氧化鈰的酸度值pH通常通常pH值應(yīng)該適當，顆粒度大時要求值應(yīng)該適當，顆粒度大時要求pH大一些，因為大一些，因為pH值有值有助于拋光顆粒不重新結(jié)聚，助于拋光顆粒不重新結(jié)聚，pH值通常為值通常為510。8）氧化鈰拋光粉的密度）氧化鈰拋光粉的密度古典法拋光或低束環(huán)拋時應(yīng)該用密度高的拋光粉（古典法拋光或低束環(huán)拋時應(yīng)該用密度高的拋光粉（7g/cm3），），高速拋光則用輕一點的拋光粉（高速拋光則用輕一點的拋光粉（66.5g/cm3）。）。9）

29、粉體顏色）粉體顏色高鈰拋光粉，焙燒溫度高，呈白色；富鈰焙燒溫度低，呈淺黃高鈰拋光粉，焙燒溫度高，呈白色；富鈰焙燒溫度低，呈淺黃色，低鈰呈黃紅色。混合稀土拋光粉含有鐠（色，低鈰呈黃紅色?；旌舷⊥翏伖夥酆戌挘≒r），呈棕紅色。），呈棕紅色。304氧化鈰拋光粉懸浮液的合理配置氧化鈰拋光粉懸浮液的合理配置1）濃度）濃度 濃度的適中值非常重要，過高過低都會影響拋光效率和質(zhì)量，濃度用水中濃度的適中值非常重要，過高過低都會影響拋光效率和質(zhì)量，濃度用水中拋光粉的百分含量（重量）來表示，例如高鈰拋光粉（拋光粉的百分含量（重量）來表示，例如高鈰拋光粉（99.9%）的合適濃度是）的合適濃度是815%；“739”拋

30、光粉濃度是拋光粉濃度是34%。2）添加劑）添加劑 氧化鈰拋光粉懸浮液采用如下添加劑配方（表五），包括硝酸鋅、硫酸氧化鈰拋光粉懸浮液采用如下添加劑配方（表五），包括硝酸鋅、硫酸鋅和氯化鋅，可提高拋光效率鋅和氯化鋅，可提高拋光效率11.5倍，并改善了拋光表面質(zhì)量。倍，并改善了拋光表面質(zhì)量。表五表五 添加劑配方添加劑配方 313）懸浮液分散劑混合稀土拋光粉的加入硅氟酸）懸浮液分散劑混合稀土拋光粉的加入硅氟酸可以改善拋光過程，拋光液懸浮液要保持其分散可以改善拋光過程，拋光液懸浮液要保持其分散穩(wěn)性，可以加氮氯十二熔基吡啶、聚丙烯酸或聚穩(wěn)性，可以加氮氯十二熔基吡啶、聚丙烯酸或聚乙二醇等。乙二醇等。4）pH

31、值調(diào)節(jié)劑值調(diào)節(jié)劑 通常拋光懸浮液的酸度為通常拋光懸浮液的酸度為5.56.5，“739”型拋光粉使用時要用氨水調(diào)節(jié)型拋光粉使用時要用氨水調(diào)節(jié)懸浮液懸浮液pH值到值到89，鋁酸鈉有時也可以調(diào)節(jié)，鋁酸鈉有時也可以調(diào)節(jié)pH值，值，pH值高時可以減少拋光粉的團聚。值高時可以減少拋光粉的團聚。5）懸浮液的溫度為）懸浮液的溫度為2540。325混合拋光粉混合拋光粉混合拋光粉是由二種或二種以上拋光粉混合而成混合拋光粉是由二種或二種以上拋光粉混合而成的拋光粉，可以直接混合、混合焙燒和混合粉碎，的拋光粉，可以直接混合、混合焙燒和混合粉碎，混合焙燒和混合粉碎?；旌虾髢?yōu)勢互補，達到更混合焙燒和混合粉碎?；旌虾髢?yōu)勢互補

32、，達到更好的拋光特性，如氧化鈰與紅粉的混合后，拋光好的拋光特性，如氧化鈰與紅粉的混合后，拋光效率高了，表面質(zhì)量也提高了。效率高了，表面質(zhì)量也提高了。336復合拋光粉復合拋光粉復合拋光粉懸浮液的研究將是未來的趨勢之一，因為復合拋光復合拋光粉懸浮液的研究將是未來的趨勢之一，因為復合拋光粉懸浮液在保持單一拋光粉懸浮液優(yōu)點同時也改善了其缺點，粉懸浮液在保持單一拋光粉懸浮液優(yōu)點同時也改善了其缺點，在國外已經(jīng)出現(xiàn)了復合拋光粉的研究報道，如在國外已經(jīng)出現(xiàn)了復合拋光粉的研究報道，如Al2O3、SiO2、CeO2各種單一拋光的優(yōu)點，從而配制出拋光效果更佳的新型各種單一拋光的優(yōu)點，從而配制出拋光效果更佳的新型復合

33、拋光粉懸浮液。實驗表明，在較軟的粒子外面包覆一層較復合拋光粉懸浮液。實驗表明，在較軟的粒子外面包覆一層較硬的物質(zhì)，可以提高其拋光速率的同時也保持了較高的選擇性；硬的物質(zhì)，可以提高其拋光速率的同時也保持了較高的選擇性；而在較硬的粒子外面包覆一層較軟的物質(zhì)，則可在保持其較高而在較硬的粒子外面包覆一層較軟的物質(zhì)，則可在保持其較高拋光速率的基礎(chǔ)上改善其拋光表面質(zhì)量。有人成功地在球形拋光速率的基礎(chǔ)上改善其拋光表面質(zhì)量。有人成功地在球形SiO2粒子外面包覆一層粒子外面包覆一層CeO2，并以其作為制備復合拋光粉懸，并以其作為制備復合拋光粉懸浮液與浮液與SiO2和和CeO2拋光粉懸浮液進行拋光實驗的比較，研究

34、拋光粉懸浮液進行拋光實驗的比較，研究表明，復合拋光粉具有更好的拋光效果。目前，拋光玻璃或晶表明，復合拋光粉具有更好的拋光效果。目前，拋光玻璃或晶體已經(jīng)不局限于使用固體磨料，甚至現(xiàn)出了用氣體來進行拋光體已經(jīng)不局限于使用固體磨料，甚至現(xiàn)出了用氣體來進行拋光的技術(shù)。的技術(shù)。347拋光過程中拋光粉參量變化規(guī)律及其對拋光表面質(zhì)拋光過程中拋光粉參量變化規(guī)律及其對拋光表面質(zhì)量的影響量的影響 在航天、慣性約束聚變（在航天、慣性約束聚變（ICF）等高科技領(lǐng)域要求超精拋光工藝達到超精）等高科技領(lǐng)域要求超精拋光工藝達到超精光學表面，需要優(yōu)化拋光粉各種參量。光學表面，需要優(yōu)化拋光粉各種參量。1）氧化鈰拋光粉粒度及其分

35、布對拋光的影響）氧化鈰拋光粉粒度及其分布對拋光的影響 拋光粉中粗顆粒多時，拋光效率與耐磨性好，但平均顆粒尺寸過大，會使拋光粉中粗顆粒多時，拋光效率與耐磨性好，但平均顆粒尺寸過大，會使拋光表面的粗糙度較大。超大顆粒尺寸還會超過表面凝膠層厚度而產(chǎn)生劃傷。拋光表面的粗糙度較大。超大顆粒尺寸還會超過表面凝膠層厚度而產(chǎn)生劃傷。細顆粒含量多時拋光粉的平均粒度小，拋光效率下降，但拋光表面的粗糙度細顆粒含量多時拋光粉的平均粒度小，拋光效率下降，但拋光表面的粗糙度較小，當顆粒粒度過細到小于凝膠層厚度時就失去拋光能力，如氧化鐵的顆較小，當顆粒粒度過細到小于凝膠層厚度時就失去拋光能力，如氧化鐵的顆粒小于粒小于0.3

36、4 m時就沒有拋光效率，拋光粉的最大粒徑時就沒有拋光效率，拋光粉的最大粒徑Dmax、中位徑、中位徑D50和和平均粒徑都是我們要考察的參量。平均粒徑都是我們要考察的參量。2）拋光粉的晶格對拋光過程的影響）拋光粉的晶格對拋光過程的影響 氧化鈰拋光粉有高的分散性和晶格缺陷，較高比表面積，有高活性。如果氧化鈰拋光粉有高的分散性和晶格缺陷，較高比表面積，有高活性。如果制造過程溫度過高，顆粒過大，過硬，抗破碎強度大，不易破碎變小，容易制造過程溫度過高，顆粒過大，過硬，抗破碎強度大，不易破碎變小，容易出劃道，不能產(chǎn)生新的晶格缺陷，不宜于拋光。出劃道，不能產(chǎn)生新的晶格缺陷，不宜于拋光。353）拋光過程中拋光粉

37、的粒度分布和平均粒徑在拋光過程中的變化規(guī)律）拋光過程中拋光粉的粒度分布和平均粒徑在拋光過程中的變化規(guī)律在拋在拋光初期，約光初期，約1020min、Dmax、D50和迅速變小，大概小于原來的二分之和迅速變小，大概小于原來的二分之一，在拋光正常期一，在拋光正常期2050min，隨著晶粒的破碎，活性增加拋光效率迅速提，隨著晶粒的破碎，活性增加拋光效率迅速提高，維持一個穩(wěn)定的水平，到拋光后期，高，維持一個穩(wěn)定的水平，到拋光后期，60min前后，粒度進一步變小，前后，粒度進一步變小，就失去了拋光能力（圖十四）。就失去了拋光能力（圖十四）。圖十四圖十四 拋光粉的粒度分布和平均粒徑在拋光過程中的變化規(guī)律拋光

38、粉的粒度分布和平均粒徑在拋光過程中的變化規(guī)律364）拋光粉的顆粒形貌在拋光過程的變化規(guī)律）拋光粉的顆粒形貌在拋光過程的變化規(guī)律拋光粉的粒度、晶格和顆粒形貌是影響拋光質(zhì)量的重要工藝要素，用掃描拋光粉的粒度、晶格和顆粒形貌是影響拋光質(zhì)量的重要工藝要素，用掃描電鏡觀測氧化鈰拋光過程的顆粒形貌變化（圖十五）。電鏡觀測氧化鈰拋光過程的顆粒形貌變化（圖十五）。37圖十五圖十五 氧化鈰拋光過程的顆粒形貌變化氧化鈰拋光過程的顆粒形貌變化38圖十五（圖十五（a）是未拋光前的顆粒形貌，顆粒基本成平板狀長方體結(jié)構(gòu)，有明）是未拋光前的顆粒形貌，顆?；境善桨鍫铋L方體結(jié)構(gòu)，有明顯尖角，且粒徑分布不均勻，最長粒徑為顯尖角

39、，且粒徑分布不均勻，最長粒徑為5 m左右，有較為明顯的團聚現(xiàn)象。左右，有較為明顯的團聚現(xiàn)象。拋光顆粒這種片狀結(jié)構(gòu)，較大的脆性和在不大的機械作用下迅速被研碎成具拋光顆粒這種片狀結(jié)構(gòu)，較大的脆性和在不大的機械作用下迅速被研碎成具有尖角形狀薄片結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有尖角形狀薄片結(jié)構(gòu)的性質(zhì) ，使其具有很高的拋光能力。但當顆粒的粒度，使其具有很高的拋光能力。但當顆粒的粒度和晶粒較大或有個別研顆粒和外界雜質(zhì)存在時，往往會在拋光元件的表面產(chǎn)和晶粒較大或有個別研顆粒和外界雜質(zhì)存在時，往往會在拋光元件的表面產(chǎn)生疵病。圖十五（生疵病。圖十五（b）和（）和（c）是添加拋光粉加工）是添加拋光粉加工5min后拋光粉的顆粒形貌。后

40、拋光粉的顆粒形貌。由圖可見，拋光粉的粒度迅速變小，顆粒棱角變鈍，這表明在拋光過程中拋由圖可見，拋光粉的粒度迅速變小，顆粒棱角變鈍，這表明在拋光過程中拋光粉的棱角會起到充分磨削的作用。在顆粒斷裂面有明顯的斷裂分層結(jié)構(gòu)，光粉的棱角會起到充分磨削的作用。在顆粒斷裂面有明顯的斷裂分層結(jié)構(gòu)，說明拋光粉顆粒的晶粒也同時破碎。隨著拋光的繼續(xù)，拋光粉仍有變小的趨說明拋光粉顆粒的晶粒也同時破碎。隨著拋光的繼續(xù)，拋光粉仍有變小的趨勢，但是形貌變化不大，如圖十五（勢，但是形貌變化不大，如圖十五（e）所示，這一段時間持續(xù)較長，是保）所示，這一段時間持續(xù)較長，是保證拋光質(zhì)量的重要階段。當拋光粉減小到一定的粒度時就不再減

41、小，如圖十證拋光質(zhì)量的重要階段。當拋光粉減小到一定的粒度時就不再減小，如圖十五（五（f）所示，說明這時拋光粉的顆粒已經(jīng)很小而失去對玻璃作用的能力，）所示，說明這時拋光粉的顆粒已經(jīng)很小而失去對玻璃作用的能力，即為拋光后期。即為拋光后期。 這個拋光周期在一定的工藝條件約為這個拋光周期在一定的工藝條件約為5060min，拋光初期，拋光初期，大約大約510min，是拋光粉粗顆粒的破碎，非常容易出劃道，如，是拋光粉粗顆粒的破碎，非常容易出劃道，如果在添加新的拋光液的初期，用一塊壓板進行預(yù)拋光，就可以果在添加新的拋光液的初期，用一塊壓板進行預(yù)拋光，就可以避免了劃道的風險。避免了劃道的風險。398拋光粉的拋

42、蝕量對比測試法拋光粉的拋蝕量對比測試法 拋光粉在拋光過程中的拋光效率和表面質(zhì)量是主要質(zhì)量指標，本人協(xié)助拋光粉在拋光過程中的拋光效率和表面質(zhì)量是主要質(zhì)量指標，本人協(xié)助鄭州市甫明新材料有限公司設(shè)計了一種鄭州市甫明新材料有限公司設(shè)計了一種“水中拋光水中拋光”系統(tǒng)，專門用于拋光系統(tǒng)，專門用于拋光粉的比對測試。方法如下：被拋光工件拋光前測出重量，然后夾持在拋光粉的比對測試。方法如下：被拋光工件拋光前測出重量，然后夾持在拋光夾具里，在聚氨酯拋光盤定點拋光，氧化鈰拋光液剛浸到被拋光玻璃表面，夾具里，在聚氨酯拋光盤定點拋光，氧化鈰拋光液剛浸到被拋光玻璃表面，經(jīng)過經(jīng)過n min后，觀察拋光玻璃表面有無劃道，整個

43、表面的干涉花樣，然后后，觀察拋光玻璃表面有無劃道，整個表面的干涉花樣，然后稱重，算出拋蝕量（稱重，算出拋蝕量（mg/cm2min）。）。 整個系統(tǒng)在南京利生光學機械有限責任公司的平擺式單軸機上實現(xiàn)。整整個系統(tǒng)在南京利生光學機械有限責任公司的平擺式單軸機上實現(xiàn)。整個系統(tǒng)已經(jīng)交付使用，經(jīng)試驗，效果明顯，達到預(yù)期的效果（圖十五水中個系統(tǒng)已經(jīng)交付使用，經(jīng)試驗，效果明顯，達到預(yù)期的效果（圖十五水中拋光系統(tǒng)）。拋光系統(tǒng)）。22/minminmgmg cmcm失重拋蝕量表面積拋光時間40圖十六（圖十六（A） 水中拋光系統(tǒng)水中拋光系統(tǒng)41圖十六圖十六(B) 機器全貌機器全貌圖十六圖十六(C) 水中拋光裝置水中

44、拋光裝置 429我國市場我國市場CeO2拋光粉的性能拋光粉的性能近年來，我國市場上的近年來，我國市場上的CeO2拋光粉品牌很多，現(xiàn)列出部分國內(nèi)拋光粉品牌很多，現(xiàn)列出部分國內(nèi)外拋光粉產(chǎn)品的性能（表六），表中外拋光粉產(chǎn)品的性能（表六），表中CEROX系列拋光粉是日本系列拋光粉是日本產(chǎn)品，產(chǎn)品，Regipol系列拋光粉是英國產(chǎn)品，其他系列則為國內(nèi)產(chǎn)品。系列拋光粉是英國產(chǎn)品，其他系列則為國內(nèi)產(chǎn)品。 表六表六 國內(nèi)外部分國內(nèi)外部分拋光粉產(chǎn)品的性能拋光粉產(chǎn)品的性能43四、拋光過程的運動學與動力學：拋光模具設(shè)計原則四、拋光過程的運動學與動力學：拋光模具設(shè)計原則在光學平面和光學球面拋光時除了要盡可能地提高拋光

45、效率外，還要保證表在光學平面和光學球面拋光時除了要盡可能地提高拋光效率外，還要保證表面面形精度，表面成型原理包括了復制成型和均勻磨損成型，這就要求設(shè)計面面形精度，表面成型原理包括了復制成型和均勻磨損成型，這就要求設(shè)計合理的模具，模具設(shè)計原則是源于拋光的動力學和運動學。合理的模具，模具設(shè)計原則是源于拋光的動力學和運動學。按照按照Preston拋光方程，要求每一個時刻，在光學表面上任一點拋光方程，要求每一個時刻，在光學表面上任一點i的拋去量的拋去量（ i）都是相等的。）都是相等的。Pii點的瞬時壓強（正壓力）；點的瞬時壓強（正壓力）；Vii點的瞬時相對速度。點的瞬時相對速度。TiiiOApVd 常

46、數(shù)441拋光過程運動學拋光過程運動學設(shè)壓力設(shè)壓力P為常量時為常量時1)平面工件不動時磨損情況（改平行度）（圖十七）平面工件不動時磨損情況（改平行度）（圖十七）圖十七圖十七 平面不旋轉(zhuǎn)平面不旋轉(zhuǎn)452)平面工件旋轉(zhuǎn)時磨損情況平面工件旋轉(zhuǎn)時磨損情況 （圖十八）（圖十八）圖十八平面旋轉(zhuǎn)圖十八平面旋轉(zhuǎn)463)工件大小小于模具時的磨損情況工件大小小于模具時的磨損情況（圖十九）（圖十九） 圖十九圖十九 平面工件小于模具平面工件小于模具474)平面均勻磨損的措施平面均勻磨損的措施（圖二十）（圖二十） 圖二十圖二十 平面均勻磨損平面均勻磨損 (1)粘結(jié)模（上模）小于粘結(jié)模（上模）小于磨模（拋光模）磨模（拋光模

47、）拋拋光模具設(shè)計原則之光模具設(shè)計原則之 一一(2)鏡盤（帶工件）除旋鏡盤（帶工件）除旋轉(zhuǎn)外加擺動轉(zhuǎn)外加擺動(3)適當?shù)臄[幅適當?shù)臄[幅l33485) 球面拋光運動球面拋光運動（圖二十一）（圖二十一） 圖二十一圖二十一 球面拋光運動球面拋光運動鏡盤大小的設(shè)計：鏡盤大小的設(shè)計：限制鏡盤限制鏡盤 鏡盤矮高鏡盤矮高 h鏡鏡=0.85R0極限鏡盤（最大鏡盤）極限鏡盤（最大鏡盤） h鏡鏡=R0實用鏡盤（高拋時）實用鏡盤（高拋時） h鏡鏡=0.7R0實用鏡盤具有較好均勻磨損：實用鏡盤具有較好均勻磨損：拋光模拋光模具設(shè)計原則之二具設(shè)計原則之二492拋光過程動力學拋光過程動力學D平面拋光時平面拋光時Pi的分布（圖

48、二十二）的分布（圖二十二）TiOiAVPdt 圖二十二圖二十二 平面的壓力分布平面的壓力分布50平面的著力點平面的著力點A0時，頂針的驅(qū)動力時，頂針的驅(qū)動力Q0和主軸的交角為和主軸的交角為 ，Q0平移到工件表面平移到工件表面A時，產(chǎn)生了時，產(chǎn)生了Q和和M二個力，二個力，Q的法向分量的法向分量Q1和垂直壓力和垂直壓力W組成了拋光主要正壓強，組成了拋光主要正壓強，S為平面面積，而平面為平面面積，而平面倒覆力矩倒覆力矩M形成了不均磨損。形成了不均磨損。11QWPS2sinMQ LQL倒覆力矩倒覆力矩M的大小和的大小和L成正比關(guān)系，成正比關(guān)系，L=0，M=0。所以平面拋。所以平面拋光時光時L要盡量小，

49、也就是說著力點越低越好要盡量小，也就是說著力點越低越好拋光模具設(shè)計原拋光模具設(shè)計原則之三。則之三。512）球面時）球面時Pi的分布的分布分析球面主截面分析球面主截面Pi分布分布（圖二十三）（圖二十三）圖二十三圖二十三 球面壓強分布球面壓強分布52(1)(2)A點的正壓力和切向力點的正壓力和切向力(3)Ai任意點的正壓強和切向壓強任意點的正壓強和切向壓強: 法向壓強變化法向壓強變化 切向壓強變化切向壓強變化 (4)Ai任意點倒覆力矩的影響任意點倒覆力矩的影響 切向力產(chǎn)生拋光運動，并產(chǎn)生倒覆力矩，造成邊緣壓力加切向力產(chǎn)生拋光運動，并產(chǎn)生倒覆力矩，造成邊緣壓力加大，造成塌邊，而其磨損力大，造成塌邊，而其磨損力Ri的合力點位置就是對球面著的合力點位置就是對球面著力點最佳位置，即使力點最佳位置，即使 ，不均勻磨損減少，不均勻磨損減少拋光模拋光模具設(shè)計原則之四。具設(shè)計原則之四。平擺球面拋光時，上下模大小合理匹配拋光模中心開孔和控制平擺球面拋光時，上下模大小合