激光拋光工藝的發(fā)展與應(yīng)用

激光拋光工藝的發(fā)展與應(yīng)用

1應(yīng)用新的拋光工藝。在微現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展對(duì)表面的精確加工提出了更高的要求。而作為制造加工業(yè)的重要工藝手段——拋光工藝,不僅影響著產(chǎn)品的使用性能而且也影響著產(chǎn)品的檔次。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化和產(chǎn)品組合形式的多樣化,拋光工藝的應(yīng)用也越來越顯著。這是拋光工藝技術(shù)發(fā)展擴(kuò)大化體現(xiàn)的一個(gè)方面。另一方面,微納科技和精密制造的發(fā)展,尤其是非硅微機(jī)械加工,也離不開對(duì)拋光工藝的研究。在宏觀領(lǐng)域適用的傳統(tǒng)拋光手段(主要是機(jī)械拋光),由于實(shí)現(xiàn)方式的單一化,很難擴(kuò)展到微觀領(lǐng)域。其他的特種拋光技術(shù)如化學(xué)拋光、電化學(xué)(電解)拋光、火焰拋光等等,在適用于微元器件表面處理上,要做到僅對(duì)微米范圍內(nèi)成形的微結(jié)構(gòu)拋光,而對(duì)其他部位沒有影響,確也勉為其難。激光拋光,作為一種非接觸性原理的拋光技術(shù),則是可以想見的成為微結(jié)構(gòu)拋光工藝的重要技術(shù)手段。激光拋光的必要性主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。1非接觸光澤接觸式拋光在樣品上施加了外力,樣品在外力下容易破裂。而非接觸式激光拋光則不會(huì)對(duì)樣品施加任何壓力。2不銹鋼表面刮痕普通光學(xué)加工中采用砂粒研磨的方式,微小顆粒對(duì)玻璃表面有很小的刮痕,通過原子力顯微鏡等手段可以觀察到這些刮痕。刮痕深度可能達(dá)幾十納米,從而影響拋光質(zhì)量。采用激光拋光,可克服這一問題的產(chǎn)生。3微區(qū)表面精度微細(xì)加工領(lǐng)域,激光拋光也有著較大的應(yīng)用潛力。目前,一般的Si微器件、MEMS的制作,在微結(jié)構(gòu)成形的時(shí)候,工藝方法自身就保證了表面精度,而不需要像宏觀機(jī)械零件加工那樣在切削處理后,還應(yīng)進(jìn)行表面研拋處理才能降低表面粗糙度。但在特種微加工、特殊器件制作領(lǐng)域,初級(jí)成形結(jié)構(gòu)的表面精度達(dá)不到使用要求,或者處于易損(折斷或磨損)應(yīng)用場(chǎng)合的微器件,則要求進(jìn)行微區(qū)拋光。微結(jié)構(gòu)由于線度的影響,采用其他宏觀大面積拋光處理方法很難實(shí)現(xiàn)工作,而激光束的精細(xì)聚焦、柔性變換等特征,可以充分滿足微結(jié)構(gòu)的拋光處理要求。4可控的拋光技術(shù)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)材料制備中,往往需要對(duì)選定的區(qū)域進(jìn)行表面處理,而需處理和待處理的區(qū)域根據(jù)設(shè)計(jì)要求又往往交錯(cuò)在一起,這就需要相應(yīng)的作用區(qū)域用可控的拋光技術(shù)來處理,對(duì)選定的區(qū)域進(jìn)行局部拋光。5加工工藝對(duì)傳統(tǒng)工藝的特現(xiàn)代電子器件、精密機(jī)械、儀器儀表、光學(xué)元件、醫(yī)療器械等行業(yè)的發(fā)展,對(duì)提高產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力的要求越來越迫切,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜,相應(yīng)的加工工藝要求也越來越高,傳統(tǒng)拋光工藝受到一定的局限。62機(jī)械無法連接結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的光度激光具有一定的穿透性、可聚焦性、柔性傳輸性,這些特點(diǎn),使得對(duì)深凹槽(深孔)結(jié)構(gòu)、大拐點(diǎn)結(jié)構(gòu)、密封器件等的拋光變?yōu)榭赡堋?平面進(jìn)行機(jī)械拋光激光拋光有很高的靈活性,由于他是非接觸式加工,所以不僅能對(duì)平面進(jìn)行拋光,還能運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維控制對(duì)各種曲面進(jìn)行拋光。如為對(duì)稱曲面效果則更好,激光能夠拋光的面形有平面、球面、橢球面、拋物面等。81提高標(biāo)準(zhǔn)部件的生產(chǎn)效率激光的高密度、高定向性能和高光子能量,使其對(duì)材料拋光的去除率可以達(dá)到比較高的值,因此可以比傳統(tǒng)手段的拋光效率提高很多數(shù)量級(jí)。9數(shù)據(jù)處理的難點(diǎn)這些工具與輔料尤其在光學(xué)鏡頭的研磨拋光處理上是必不可少的,工序復(fù)雜,操作技能要求高,并帶來一定的污染。激光拋光則可以簡(jiǎn)化拋光用具,避免以上問題。10也研磨材料的拋光超硬、超軟、脆性等材料的拋光問題,一直是對(duì)加工制造業(yè)的挑戰(zhàn)。而激光拋光是解決這類材料拋光的最佳候選技術(shù)方案之一。11激光拋光這是由于在激光拋光過程中,可能產(chǎn)生材料表面淺層區(qū)域的極快速熔化又冷卻現(xiàn)象。激光拋光的其他優(yōu)點(diǎn)還有很多,如有利于實(shí)現(xiàn)拋光工藝自動(dòng)化;可對(duì)非球面和非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面進(jìn)行拋光;拋光需要的工作環(huán)境比較簡(jiǎn)單,一般在室溫下進(jìn)行即可,不需要特殊條件等。2光化學(xué)的應(yīng)用國(guó)外有學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始就著手這一技術(shù)的研究,探索激光拋光作為拋光工藝技術(shù)發(fā)展的可行性。到目前為止,有文獻(xiàn)報(bào)道的研究單位,國(guó)內(nèi)外約有十幾家。美國(guó)加州南加州大學(xué)激光研究中心的Y.M.Xiao和MichaelBass,較早報(bào)道了對(duì)熔融石英和Pyrex玻璃的激光拋光美國(guó)威斯康星大學(xué)Perry,TylerL.等也采用微熔化的機(jī)理對(duì)金屬微零件進(jìn)行拋光新加坡制造工程研究所的T.A.Mai和G.C.Lim使用脈沖二倍頻Nd:YAG激光對(duì)0.6mm厚304亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼進(jìn)行拋光處理西班牙加泰羅尼亞工業(yè)大學(xué)學(xué)者F.Laguarta所在課題組采用CO西班牙巴斯克地區(qū)大學(xué)A.Lamikiz對(duì)于SLS成型樣品拋光,進(jìn)行了一系列參數(shù)試驗(yàn),獲得表面粗糙度從初始7.5~7.8μm到1.49μm的表面日本東海大學(xué)(TokaiUniversity)電子工程系MasatakaMurahara等人采用了光化學(xué)輔助反應(yīng)的拋光機(jī)理日本大阪大學(xué)激光工程研究院TakahisaJitsuno等人,在光學(xué)元件前表面黏附PMMA薄膜,采用193nm準(zhǔn)分子激光修正、拋光PMMA,從而補(bǔ)償光學(xué)元件的波像差,獲得希望的光學(xué)曲面形狀,最終得到最優(yōu)質(zhì)量的光學(xué)元件德國(guó)亞琛夫瑯霍費(fèi)激光所(ILT)的Willenborg,E.等人,在1.2343,1.2344,1.2316等鋼材上進(jìn)行了激光拋光試驗(yàn),獲得了接近鏡面的表面粗糙度。并用于玻璃鑄造模具的制造,獲得的模具表面粗糙度土耳其安卡拉中東技術(shù)大學(xué)物理系M.Udrea等,采用10WCO英國(guó)赫瑞特瓦特大學(xué)HeriotWattUniversity工程和理學(xué)院KrzysztofM.Nowak等,也報(bào)道了采用CO其機(jī)理仍使用快速重熔-再凝機(jī)理,技術(shù)核心是產(chǎn)生沖擊凹坑。通過重疊產(chǎn)生的沖擊凹坑,來掃描整個(gè)待拋光區(qū)域。也使用了光柵掃描法(rasterscan)。掃描控制方式事先通過程序設(shè)定和脈沖能量標(biāo)定,試驗(yàn)掃描完成1mm直徑和10μm高度的微凸透鏡結(jié)構(gòu)大約需10min。流動(dòng)的量由熔融玻璃的粘性、熔池的幾何形狀、低粘性的保持時(shí)間(定義為駐留時(shí)間)等因素決定。作者認(rèn)為大面積的整體拋光(指對(duì)拋光光學(xué)元件的整體面積)是沒有優(yōu)勢(shì)的。因?yàn)檫@將減少質(zhì)量流的空間控制。通過限制光點(diǎn)尺寸,拋光作用限制在熔化區(qū)以內(nèi),有效地降低了滿足平滑條件的特征尺寸上限。因此,激光脈沖參數(shù)、掃描柵條間距、點(diǎn)尺寸的合理選擇、限定駐留時(shí)間、熔化區(qū)的形狀和溫度剖面,將最終決定被拋光量的發(fā)生。這一途徑允許精確控制被拋光量。他們采用拋光石英微光學(xué)元件,獲得的石英表面粗糙度可從1μm量級(jí)降低到1nm量級(jí)。加拿大國(guó)家研究會(huì)微結(jié)構(gòu)科學(xué)研究所(InstituteforMicrostructuralSciences,NationalResearchCouncilofCanada)J.J.Dubowski等人采用308nmXeCl準(zhǔn)分子激光拋光GaN薄膜俄羅斯通用物理研究所S.M.Pimenov等我國(guó)近幾年也開始在此領(lǐng)域開展研究工作。邵天敏另外,華中科技大學(xué)和華南理工大學(xué)的科