專利名稱：具有高精度超光滑表面的鋁合金材料及拋光盤、拋光液和拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學材料的表面拋光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種拋光后的鋁合金材料及其相應的拋光設(shè)備、拋光液和拋光工藝。
背景技術(shù)：
鋁合金在紅外、可見光、一直到紫外光的較寬的光譜范圍內(nèi)都具有非常高的反射率，這使得它成為多光譜成像應用的良好選擇。另外，鋁合金加工性能好、質(zhì)量輕、價格便宜，具有較高的導熱性。鋁合金還是許多光學系統(tǒng)特別是航空應用中首選的支撐件材料，支 撐結(jié)構(gòu)和光學元件都采用同樣的鋁材料可以避免由于不同的熱膨脹系數(shù)弓I起的熱應力。但是，由于鋁合金拋光性能差，易于氧化，因此難以獲得高精度的超光滑表面。單點金剛石車削鋁合金能夠獲得粗糙度Ra (Ra :輪廓算術(shù)平均偏差)優(yōu)于5nm的鏡面，但是鋁合金表面會殘留周期性的車削刀紋，影響成像質(zhì)量。單點金剛石車削本質(zhì)上屬于范成法加工，被車削的鋁合金表面精度受限于車床運動精度和工件裝夾變形，難以得到高精度面形。機械化學拋光(CMP)是可以實現(xiàn)全局平坦化的方法，美國NASA Goddard航天中心在US 6966820B1中提到，將墨汁加入到拋光液中，拋光鋁鏡可以獲得超光滑表面，但是不能實現(xiàn)材料的定點定量去除；英特爾公司在CN101208399A號中國專利文獻中公布了一種粒徑小于或等于100納米的沉淀二氧化硅磨料以及螯合緩沖劑組成的鋁合金拋光磨料；河北工業(yè)大學劉玉玲等人使用二氧化硅溶膠、氧化劑和自制的螯合劑拋光金屬合金，取得了一定的效果；但是現(xiàn)有的鋁合金拋光工藝獲得的表面質(zhì)量仍然較差，拋光精度和拋光質(zhì)量還有待進一步提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高精度超光滑表面的鋁合金材料，還相應提供一種結(jié)構(gòu)簡單、容易制作、可用于拋光前述鋁合金材料的拋光盤，提供一種配方簡單、原料容易獲得、成本低、可用于拋光前述鋁合金材料的拋光液，并綜合提供一種工藝簡單、拋光效果好的前述鋁合金材料的拋光方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種具有高精度超光滑表面的鋁合金材料，所述鋁合金材料的粗糙度Ra ( 2nm，所述鋁合金材料的面形RMS值(均方根值)(λ/10。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種可用于拋光上述鋁合金材料的拋光盤，所述拋光盤包括底盤、拋光墊、拋光膜和壓緊件，所述拋光墊位于底盤下方，所述拋光墊外包覆有拋光膜，所述壓緊件箍住拋光膜的邊緣并使拋光墊緊靠底盤的下表面，所述拋光
墊為粘彈性材料-聚二甲基娃氧燒橡膠制作(拋光墊的厚度優(yōu)選為8mm 15mm),所述拋
光膜為拋光用阻尼絨布制作(拋光膜的厚度優(yōu)選為O. 5mm 1mm)。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種可用于拋光上述鋁合金材料的拋光液，主要由以下體積分數(shù)的組分配制而成
水93% 95%
金剛石微粉 2% 3%
氧化劑1% 2%和
表面活性劑 1% 2% ；(優(yōu)選離子型表面活性劑，例如高級脂肪酸鹽等)
所述氧化劑為質(zhì)量濃度20% 30%的過氧化氫溶液。上述的拋光液中，所述拋光液的pH值優(yōu)選控制在8 9 (一般優(yōu)選通過添加氨水或稀硫酸對拋光液的pH值進行調(diào)節(jié))。 上述的拋光液中，所述金剛石微粉的平均粒徑優(yōu)選為O. 5 μ m I μ m。所述水和金剛石微粉的體積比優(yōu)選為100 I 30 I。作為一個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種具有高精度超光滑表面的鋁合金材料的拋光方法，包括以下步驟
(I)準備待拋光的鋁合金材料，先采用常規(guī)的單點金剛石車削工藝對該鋁合金材料的表面進行一次拋光，獲得粗加工鋁合金表面；
(2 )采用計算機控制光學表面成形工藝(CCOS)對步驟(I)后獲得的粗加工鋁合金表面進行二次拋光，二次拋光采用的拋光工具為上述的拋光盤，二次拋光過程中用到的拋光液為上述的拋光液，二次拋光過程中，先利用計算機控制光學表面成形工藝軟件根據(jù)所述拋光盤的去除函數(shù)和所述粗加工鋁合金表面的初始面形，計算得到粗加工鋁合金表面各點的加工駐留時間，再利用數(shù)控系統(tǒng)控制所述拋光盤在粗加工鋁合金表面按設(shè)定的拋光路徑和預先輸入的加工駐留時間，完成對粗加工鋁合金表面的二次拋光。采用上述拋光方法可以獲得粗糙度Ra值優(yōu)于2nm的超光滑鋁合金材料表面，而且可以達到定點、定量修整鋁合金材料面形的目的，修整后的鋁合金材料面形RMS值優(yōu)于λ /10?？捎蒙鲜鰭伖夥椒庸さ匿X合金材料包括普通的6061鋁合金或者7075鋁合金材料等，且對鋁合金材料的形狀及尺寸無特別要求。上述拋光方法的二次拋光過程中，拋光壓力優(yōu)選不大于O. 04MPa，拋光盤的轉(zhuǎn)速優(yōu)選不大于lOOrpm。上述拋光方法主要是基于以下工作原理本發(fā)明的拋光方法采用了兩次拋光疊加的組合式拋光方案，即本發(fā)明中高精度超光滑的鋁合金材料面形是依靠CCOS技術(shù)修整單點金剛石車削后的面形得到，CCOS技術(shù)之所以能夠修整單點金剛石車削后的面形，這主要是因為CCOS技術(shù)是一種能定量去除光學材料的方法，根據(jù)preston定理，材料去除量正比于拋光壓強八速度K和拋光時間 ，即Λ=υΚ ，其中#為常數(shù)；通過相對尺寸較小的拋光盤拋光相對尺寸大的光學工件(例如鋁合金材料)表面，然后在高點駐留相對較長的時間，在低點駐留相對較短的時間，這樣就能使材料面形逐漸收斂到較高的精度。另外，上述本發(fā)明拋光方法的成功應用也得益于本發(fā)明上述拋光盤的獨特結(jié)構(gòu)和拋光液的獨特優(yōu)勢。由于本發(fā)明拋光的鋁合金材料為質(zhì)地很軟的金屬合金，使用質(zhì)軟的聚二甲基硅氧烷橡膠和阻尼絨布組成的拋光盤，不會劃傷已經(jīng)獲得的粗加工鋁合金表面，而阻尼絨布具有紋理細膩且密布溝槽等特點，這也有利于進一步提升鋁合金材料表面的質(zhì)量。在本發(fā)明拋光方法使用的拋光液中，起切削作用的主要為其中的金剛石微粉，由于金剛石微粉的顆粒粒徑很小、性質(zhì)穩(wěn)定，其不與鋁及鋁的氧化物發(fā)生反應，不易凝聚形成大的硬顆粒，其在鋁合金表面作不規(guī)則的塑形切削，能夠有效實現(xiàn)鋁合金材料的去除。此外，本發(fā)明的拋光液中加入了過氧化氫，由于鋁的化學性質(zhì)很活潑，極易氧化，氧化后生成的氧化鋁等氧化物附著在鋁合金表面，極易形成“橘子皮”狀拋光缺陷，因此通過在拋光液中加入氧化劑過氧化氫，能夠促進鋁的氧化，促使氧化物快速離開鋁合金表面，提高拋光效率。另外，在優(yōu)選的技術(shù)方案中，通過將拋光液的PH值控制在8 9，使拋光液處于弱堿性的溫和環(huán)境中，這更有利于拋光的進行，提高拋光的質(zhì)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
1.通過將CCOS技術(shù)應用于鋁合金材料的表面拋光，實現(xiàn)了對鋁合金材料的定點定量去除，得到粗糙度Ra優(yōu)于2nm、面形RMS值優(yōu)于λ /10的高精度鋁合金面形；
2.通過采用本發(fā)明改進后的拋光盤和拋光液對鋁合金材料進行拋光，可以有效去除粗加工鋁合金表面上留下的方向性車削刀紋，進一步提升拋光加工后的表面質(zhì)量；
3.本發(fā)明的拋光盤結(jié)構(gòu)簡單、容易制作，只需簡單替換相應材料即可取得較好的拋光效果;
4.本發(fā)明的拋光液配方簡單，原料容易獲得，成本低，其與本發(fā)明的拋光盤和拋光工藝配合使用，能夠顯著優(yōu)化本發(fā)明的拋光效果；
5.本發(fā)明的拋光方法步驟簡單，其不僅提出了單點金剛石車削與CCOS技術(shù)相結(jié)合的兩次拋光組合技術(shù)，而且結(jié)合了拋光盤的改進和拋光液組分的優(yōu)化，以較低的工藝成本、較高的拋光效率獲得了表面質(zhì)量進一步提升的鋁合金拋光表面，這為鋁合金材料在光學領(lǐng)域的廣泛應用提供了廣闊的應用前景。


圖I為本發(fā)明實施例中拋光盤的結(jié)構(gòu)示意圖(沿中軸線的剖視圖)。圖2為本發(fā)明實施例中拋光盤在鋁合金材料表面拋光的行走示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中粗加工鋁合金表面的面形精度測量結(jié)果。圖4為本發(fā)明實施例中粗加工鋁合金表面的表面質(zhì)量(即粗糙度值)測量結(jié)果。圖5為本發(fā)明實施例中獲得的去除函數(shù)的表征圖。圖6為本發(fā)明實施例中鋁合金材料表面二次拋光后的面形精度測量結(jié)果。圖7為本發(fā)明實施例中鋁合金材料表面二次拋光后的表面質(zhì)量測量結(jié)果。圖例說明
I、拋光盤；2、底盤；3、拋光墊；4、拋光膜；5、壓緊件；6、粗加工鋁合金表面；7、拋光路徑。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。實施例
一種如圖6和圖7所示本發(fā)明的具有高精度超光滑表面的鋁合金材料，該鋁合金材料的粗糙度Ra為I. 563nm,該鋁合金材料的面形RMS值為O. 088 λ。本實施例上述的具有高精度超光滑表面的鋁合金材料是采用以下拋光方法獲得，具體包括以下步驟
I. 一次拋光準備待拋光的鋁合金材料，先采用常規(guī)的單點金剛石車削工藝對該鋁合金材料的表面進行一次拋光，獲得粗加工鋁合金表面；在激光干涉儀上測量出該粗加工鋁合金表面的面形分布，測量結(jié)果如圖3所示；由圖3可見，粗加工鋁合金表面面形比較光順，但是面形精度較低；另外，在白光干涉儀上測量該粗加工鋁合金表面的表面質(zhì)量(本實施例中白光干涉儀的測量統(tǒng)一使用IOX鏡頭)，檢測范圍均為O. 94mmXO. 7_，檢測結(jié)果如圖4所示，由圖4可見，單點金剛石車削后的粗加工鋁合金表面殘留有方向性的車削刀紋，刀紋的周期d等于車削進給步距δ，gp:
權(quán)利要求
1.一種具有高精度超光滑表面的鋁合金材料，其特征在于所述鋁合金材料的粗糙度Ra ( 2nm，所述鋁合金材料的面形RMS值彡λ /10。
2.—種可用于拋光權(quán)利要求I所述招合金材料的拋光盤，所述拋光盤包括底盤、拋光墊、拋光膜和壓緊件，所述拋光墊位于底盤下方，所述拋光墊外包覆有拋光膜，所述壓緊件箍住拋光膜的邊緣并使拋光墊緊靠底盤的下表面，其特征在于所述拋光墊為聚二甲基硅氧烷橡膠制作，所述拋光膜為拋光用阻尼絨布制作。
3.一種可用于拋光權(quán)利要求I所述鋁合金材料的拋光液，主要由以下體積分數(shù)的組分配制而成 水93% 95% 金剛石微粉 2% 3% 氧化劑1% 2%和 表面活性劑 1% 2% ； 所述氧化劑為質(zhì)量濃度20% 30%的過氧化氫溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的拋光液，其特征在于所述拋光液的pH值控制在8 9。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的拋光液，其特征在于所述金剛石微粉的平均粒徑為O.5 μ m I μ m，所述水和金剛石微粉的體積比為100 I 30 I。
6.一種具有高精度超光滑表面的鋁合金材料的拋光方法，包括以下步驟 (1)準備待拋光的鋁合金材料，先采用常規(guī)的單點金剛石車削工藝對該鋁合金材料的表面進行一次拋光，獲得粗加工鋁合金表面； (2)采用計算機控制光學表面成形工藝對步驟(I)后獲得的粗加工鋁合金表面進行二次拋光，二次拋光采用的拋光工具為權(quán)利要求2所述的拋光盤，二次拋光過程中用到的拋光液為權(quán)利要求3 5中任一項所述的拋光液,二次拋光過程中，先利用計算機控制光學表面成形工藝軟件根據(jù)所述拋光盤的去除函數(shù)和所述粗加工鋁合金表面的初始面形，計算得到粗加工鋁合金表面各點的加工駐留時間，再利用數(shù)控系統(tǒng)控制所述拋光盤在粗加工鋁合金表面按設(shè)定的拋光路徑和預先輸入的加工駐留時間，完成對粗加工鋁合金表面的二次拋光。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的拋光方法，其特征在于所述二次拋光過程中，拋光壓力不大于O. 04MPa，拋光盤的轉(zhuǎn)速不大于lOOrpm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有高精度超光滑表面的鋁合金材料的拋光方法，另公開了一種拋光盤和拋光液，拋光盤包括底盤、拋光墊、拋光膜和壓緊件，拋光墊外包覆有拋光膜，壓緊件箍住拋光膜的邊緣并使拋光墊緊靠底盤的下表面，拋光墊為聚二甲基硅氧烷橡膠制作。拋光液主要由水、金剛石微粉、過氧化氫和表面活性劑配制而成。本發(fā)明的拋光方法為先采用單點金剛石車削工藝對鋁合金材料的表面進行一次拋光，再采用計算機控制光學表面成形工藝及前述拋光盤和拋光液對一次拋光后的表面進行二次拋光。本發(fā)明可以獲得具有高精度超光滑表面(粗糙度Ra≤2nm、面形RMS值≤λ/10)的鋁合金材料。
文檔編號B24B37/00GK102941528SQ20121047087
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者尹自強, 戴一帆, 石峰, 聶徐慶, 鐵貴鵬 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學