激光拋光工藝的發(fā)展與應用

激光拋光工藝的發(fā)展與應用

1應用新的拋光工藝。在微現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展對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)設計的復雜化和產(chǎn)品組合形式的多樣化,拋光工藝的應用也越來越顯著。這是拋光工藝技術(shù)發(fā)展擴大化體現(xiàn)的一個方面。另一方面,微納科技和精密制造的發(fā)展,尤其是非硅微機械加工,也離不開對拋光工藝的研究。在宏觀領(lǐng)域適用的傳統(tǒng)拋光手段(主要是機械拋光),由于實現(xiàn)方式的單一化,很難擴展到微觀領(lǐng)域。其他的特種拋光技術(shù)如化學拋光、電化學(電解)拋光、火焰拋光等等,在適用于微元器件表面處理上,要做到僅對微米范圍內(nèi)成形的微結(jié)構(gòu)拋光,而對其他部位沒有影響,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。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對樣品施加任何壓力。2不銹鋼表面刮痕普通光學加工中采用砂粒研磨的方式,微小顆粒對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)表面精度微細加工領(lǐng)域,激光拋光也有著較大的應用潛力。目前,一般的Si微器件、MEMS的制作,在微結(jié)構(gòu)成形的時候,工藝方法自身就保證了表面精度,而不需要像宏觀機械零件加工那樣在切削處理后,還應進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,初級成形結(jié)構(gòu)的表面精度達不到使用要求,或者處于易損(折斷或磨損)應用場合的微器件,則要求進行微區(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現(xiàn)工作,而激光束的精細聚焦、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)復雜微結(jié)構(gòu)材料制備中,往往需要對選定的區(qū)域進行表面處理,而需處理和待處理的區(qū)域根據(jù)設計要求又往往交錯在一起,這就需要相應的作用區(qū)域用可控的拋光技術(shù)來處理,對選定的區(qū)域進行局部拋光。5加工工藝對傳統(tǒng)工藝的特現(xiàn)代電子器件、精密機械、儀器儀表、光學元件、醫(yī)療器械等行業(yè)的發(fā)展,對提高產(chǎn)品核心競爭力的要求越來越迫切,結(jié)構(gòu)設計越來越復雜,相應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,使得對深凹槽(深孔)結(jié)構(gòu)、大拐點結(jié)構(gòu)、密封器件等的拋光變?yōu)榭赡堋?平面進行機械拋光激光拋光有很高的靈活性,由于他是非接觸式加工,所以不僅能對平面進行拋光,還能運用計算機三維控制對各種曲面進行拋光。如為對稱曲面效果則更好,激光能夠拋光的面形有平面、球面、橢球面、拋物面等。81提高標準部件的生產(chǎn)效率激光的高密度、高定向性能和高光子能量,使其對材料拋光的去除率可以達到比較高的值,因此可以比傳統(tǒng)手段的拋光效率提高很多數(shù)量級。9數(shù)據(jù)處理的難點這些工具與輔料尤其在光學鏡頭的研磨拋光處理上是必不可少的,工序復雜,操作技能要求高,并帶來一定的污染。激光拋光則可以簡化拋光用具,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)點還有很多,如有利于實現(xiàn)拋光工藝自動化;可對非球面和非旋轉(zhuǎn)對稱面進行拋光;拋光需要的工作環(huán)境比較簡單,一般在室溫下進行即可,不需要特殊條件等。2光化學的應用國外有學者從20世紀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,有文獻報道的研究單位,國內(nèi)外約有十幾家。美國加州南加州大學激光研究中心的Y.M.Xiao和MichaelBass,較早報道了對熔融石英和Pyrex玻璃的激光拋光美國威斯康星大學Perry,TylerL.等也采用微熔化的機理對金屬微零件進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0.6mm厚304亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼進行拋光處理西班牙加泰羅尼亞工業(yè)大學學者F.Laguarta所在課題組采用CO西班牙巴斯克地區(qū)大學A.Lamikiz對于SLS成型樣品拋光,進行了一系列參數(shù)試驗,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(TokaiUniversity)電子工程系MasatakaMurahara等人采用了光化學輔助反應的拋光機理日本大阪大學激光工程研究院TakahisaJitsuno等人,在光學元件前表面黏附PMMA薄膜,采用193nm準分子激光修正、拋光PMMA,從而補償光學元件的波像差,獲得希望的光學曲面形狀,最終得到最優(yōu)質(zhì)量的光學元件德國亞琛夫瑯霍費激光所(ILT)的Willenborg,E.等人,在1.2343,1.2344,1.2316等鋼材上進行了激光拋光試驗,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)大學物理系M.Udrea等,采用10WCO英國赫瑞特瓦特大學HeriotWattUniversity工程和理學院KrzysztofM.Nowak等,也報道了采用CO其機理仍使用快速重熔-再凝機理,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定和脈沖能量標定,試驗掃描完成1mm直徑和10μm高度的微凸透鏡結(jié)構(gòu)大約需10min。流動的量由熔融玻璃的粘性、熔池的幾何形狀、低粘性的保持時間(定義為駐留時間)等因素決定。作者認為大面積的整體拋光(指對拋光光學元件的整體面積)是沒有優(yōu)勢的。因為這將減少質(zhì)量流的空間控制。通過限制光點尺寸,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、點尺寸的合理選擇、限定駐留時間、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元件,獲得的石英表面粗糙度可從1μm量級降低到1nm量級。加拿大國家研究會微結(jié)構(gòu)科學研究所(InstituteforMicrostructuralSciences,NationalResearchCouncilofCanada)J.J.Dubowski等人采用308nmXeCl準分子激光拋光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,華中科技大學和華南理工大學的科