離子束拋光原理及發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械制造行業(yè)，80%以上的零件因表面故障而導(dǎo)致故障，但由于總強(qiáng)度不足而造成的誤差和變形的零件的損失比例較低。因此，提高材料的表面性能是延長零件使用壽命、合理配置性能和保障系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。而拋光處理是材料表面加工的關(guān)鍵工序,所以各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都深入地開展了這方面的研究。材料表面拋光主要目的是減小表面粗糙度值,提高表面性能要求目前,對(duì)材料表面拋光主要方法有以下幾種:機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、激光拋光等1離子束的能量傳遞離子束拋光是根據(jù)離子束濺射原理進(jìn)行去除加工的技術(shù),其工作原理如圖1所示。通過加速器從離子源獲得的離子束能量加至幾百電子伏到幾萬電子伏,當(dāng)高速離子轟擊材料表面時(shí),離子與金屬發(fā)生碰撞失去動(dòng)能,大部分能量傳遞給材料表層內(nèi)原子。此時(shí)受撞擊的表層原子由于周圍原子的限制,只能在初始位置附近振動(dòng),同時(shí)向周圍原子傳遞能量,從而形成大量的原子聯(lián)級(jí)運(yùn)動(dòng)2離子束加工特點(diǎn)離子束拋光在真空或惰性保護(hù)氣體中進(jìn)行,無氧化、無脫碳。拋光后的工件表面呈亮白色,幾乎不發(fā)生變形,表面質(zhì)量良好。與常規(guī)的拋光技術(shù)相比,離子束拋光有以下優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)特性:(1)加工精度高,表面光潔度好:因?yàn)殡x子束拋光是在計(jì)算機(jī)和干涉儀的精密控制下進(jìn)行加工,因此它的加工精度可以達(dá)到原子量級(jí)以上,加工環(huán)境穩(wěn)定,離子源產(chǎn)生的離子束波動(dòng)小,工件表面不會(huì)出現(xiàn)磨損。(2)穩(wěn)定性好:在離子束的加工過程之中,發(fā)射的離子束與傳統(tǒng)的拋光方法相比,其空間與能量的分布都能保持穩(wěn)定,因此確定性就能有大幅度的改善(3)熱變形量小:離子束拋光時(shí),只針對(duì)工件表面進(jìn)行處理,而工件整體未能達(dá)到高溫狀態(tài),因而工件整體的熱影響區(qū)較小,適用于高精度加工。(4)應(yīng)用范圍廣:能加工各種形狀和尺寸的表面3我國長距離研磨與光刻化學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用離子束表面拋光技術(shù)從產(chǎn)生至今,一直在不斷地改進(jìn)和完善,作為材料表面拋光的一個(gè)強(qiáng)有力的工具,國內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了大量而深入的研究。3.1國外的科學(xué)研究離子束表面拋光技術(shù)在國外研究廣泛且深入,目前仍有大幅增長的趨勢,主要集中在歐洲,北美及亞洲。研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。(1)離子散射對(duì)研磨效果的影響研究His-Chaochen等人Thielsch等人(2)最初，樣品表面粗糙度對(duì)離子束研磨效果的影響研究S.F.Mahmud日本科學(xué)家Kamimur3.2中國的科研國內(nèi)離子束表面拋光技術(shù)起步較國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家晚,這方面的研究尚處于初始階段。目前國內(nèi)研究內(nèi)容主要涉及以下幾個(gè)方面。(1)關(guān)于離子束表面活性劑的參數(shù)研究張厚亮武磊馮殊瑞鐘昊玟(2)離子層表面光滑的物理模型和數(shù)值模型的研究王登峰徐明進(jìn)張?jiān)骑w唐瓦(3)產(chǎn)斜角度對(duì)離子束光度的影響研究舒誼次年,舒誼4離子束表面拋光技術(shù)在國內(nèi)的研究中的應(yīng)用進(jìn)展自1965年,A.B.Meinel發(fā)現(xiàn)離子束轟擊熔融石英平面有材料去除現(xiàn)象以來,世界主要發(fā)達(dá)國家,如美國、法國、德國、俄羅斯、日本等均對(duì)離子束拋光技術(shù)進(jìn)行了深入研究;國內(nèi)一些科研單位也深入開展了該領(lǐng)域的研究,如國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院研究生院、長春理工大學(xué)等,從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看,離子束表面拋光技術(shù)在理論及實(shí)踐方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展及研究成果。如在離子束拋光對(duì)光學(xué)元器件表面粗糙度的改良、工藝參數(shù)的研究、溫度場和應(yīng)力場物理模型的建立、數(shù)值模擬方面都有所突破(1)離子束后處理對(duì)光學(xué)薄膜表面粗糙度的影響研究有待深入,而揭示光學(xué)薄膜表面粗糙度與離子束后處理工藝之間的聯(lián)系,對(duì)制備超光滑、低散射損耗的高質(zhì)量光學(xué)薄膜有重要現(xiàn)實(shí)意義。(2)獲取離子束拋光駐留時(shí)間矩陣之后,如何更快速、更高效、更高精度地劃分軌跡段及其進(jìn)給速度求解算法的研究鮮有報(bào)道。5離子束加工設(shè)備的應(yīng)用離子束拋光是一種行之有效的拋光工序,能夠大幅減小工件表面粗糙度值,對(duì)超光滑光學(xué)元器件的表面粗糙度值可減小至納米級(jí),在工業(yè)產(chǎn)品的多樣化發(fā)展中起到?jīng)Q定性作用。雖然離子束拋光設(shè)備的高成本和對(duì)加工過程精密