熔融石英玻璃衬底的平面研磨加工实验研究*

阎秋生, 李基松, 潘继生

(广东工业大学 机电工程学院, 广州 510006)

在光学工程中，常用熔融石英、K9玻璃及Si等材料为衬底[1]，如制备高次谐波体声波谐振器时，常在双面抛光的熔融石英基片上覆盖氧化物薄膜[2]。因此，对高品质熔融石英玻璃进行研磨和抛光，实现超光滑无亚表面损伤，是熔融石英玻璃成功应用的关键。

研磨是熔融石英玻璃超光滑抛光加工的基础工序，其目的是高效去除材料，提高其平面度，进一步降低其表面粗糙度，减少表面和亚表面损伤，从而降低后续抛光的难度及成本[3-4]。国内外学者对此进行了系统的研究。王文泽等[5]、朱永伟等[6]基于亲水性固结磨料研磨垫技术，制备了平均粒径14 μm的金刚石固结磨料研磨垫，并对石英玻璃精研30 min，有效避免了研磨过程中的严重脆性崩裂造成的工件表面损伤，获得了材料去除率为2.5～3.0 μm/min、表面粗糙度Ra为31.6 nm的高质量表面；袁巨龙等[7-9]利用SiO2软质磨料微粉加软质沥青抛光盘在环型抛光机上对石英晶片进行加工，获得了表面粗糙度Ra为0.1～0.2 nm的石英晶体超光滑表面；孙磊等[10]通过延长抛光时间来减小石英晶片的表面残余应力，有效控制了石英晶片的四角“翘曲”现象，得到了更好的平面度和平行度；刘顺等[11]采用超声磁粒研磨熔融石英玻璃工件，使其表面的原始缺陷和原始波峰基本去除，加工均匀性显著提升。

但这些研究对石英玻璃加工过程中的加工工艺参数对研磨和抛光效果的影响规律分析尚不明确。为此，采用游离磨料研磨技术及单因素实验法，研究熔融石英玻璃研磨过程中的磨料质量分数、研磨盘转速、研磨液流量、研磨时间等因素对石英玻璃研磨特性的影响，获取优化的研磨工艺参数，并对熔融石英玻璃进行超精密研磨和抛光。

1 实验条件与方法

1.1 实验设备与原理

研磨加工实验在如图1所示的KD15BX精密平面研磨机上进行，研磨机由控制系统、研磨盘、工件夹持装置和研磨液供给系统等构成。工件通过石蜡粘贴在圆形陶瓷盘上并正对研磨盘，圆形陶瓷盘外套修整环，压力块置于圆形陶瓷盘上方，实验中通过增加压力块来改变研磨压力；研磨过程中保持架滑轮与修整环相切，修整环和圆形陶瓷盘在保持架和研磨盘摩擦力作用下自动旋转；磨料通过研磨液输送系统传送到工件表面，在工件表面通过滚压破碎或微切削的方式去除工件材料。

用ContourGT-X白光干涉仪测量工件的表面粗糙度；用OLS 4000激光共聚焦显微镜观察熔融石英玻璃基片加工后的表面形貌特征；用感量0.1 mg的电子天平称量熔融石英玻璃加工前后的质量，其质量的差值表示石英玻璃研磨去除的质量。材料的去除率TMRR由下式计算：

(1)

式中：Δm为加工前后熔石英玻璃的质量差，g；ρ为熔融石英玻璃的密度，取2.2 g/cm3；r为熔石英玻璃的半径，cm；t为研磨加工时间，min；TMRR为材料去除率，μm/min。

1.2 实验方案

石英玻璃工件的研磨分粗研、精研2步，粗研用铸铁盘，精研用合成铜盘。研磨液由去离子水、磨料和分散剂以一定的比例配制而成，研磨前采用超声波振动方法使磨料充分分散。

粗研工件样品选用直径为50.8 mm、厚度为2 mm的熔融石英玻璃片，其初始表面粗糙度Ra约为 0.4 μm，圆形陶瓷盘上每次粘3片，研究磨料质量分数、研磨盘转速、研磨液流量、研磨时间对其表面粗糙度和材料去除率的影响规律。粗研实验条件如表1所示。

表1 粗研实验条件

精研加工实验的样品选用粗研后表面粗糙度Ra约为0.11 μm的试件，在20 kPa压力下，选用不同粒径的Al2O3和CeO2磨料进行实验，分析表面粗糙度和表面形貌随加工时间的变化规律。精研实验条件如表2所示。

表2 精研实验条件

2 粗研实验结果及讨论

2.1 磨料质量分数对粗研加工效果的影响

在表1的磨料、研磨液流量20 mL/min、研磨盘转速60 r/min及20 kPa压力实验条件下,在铸铁盘上研磨石英玻璃片20 min，得到不同磨料质量分数对粗研加工效果的影响规律如图2所示。

图2中：磨料质量分数增加，表面粗糙度Ra先增大然后趋于平缓，工件材料去除率先增大后减小。原因是磨料质量分数低时，单位体积内参与研磨的有效磨粒数量较少，材料去除率低；当磨料质量分数从2%增加到4%时，石英玻璃接触面单位面积内磨料颗粒数继续增多，剪切力增大，机械作用明显提高，材料去除率逐渐升高，表面粗糙度增大；磨料质量分数继续增加，参与研磨的有效磨粒数增加，磨料开始堆积而发生滚动，导致材料去除率变差，表面粗糙度增大有限。因此，考虑研磨液的成本与加工效果，研磨液的磨料质量分数选择4%为宜。此时，材料去除率TMRR最大，为7.91 μm/min，其表面粗糙度Ra适中，为0.257 μm。

2.2 研磨盘转速对粗研加工效果的影响

在表1的磨料、磨料质量分数4%、研磨液流量20 mL/min及20 kPa压力实验条件下，在铸铁盘上研磨石英玻璃片20 min，得到不同研磨盘转速对粗研加工效果的影响规律如图3所示。

由图3可以看出：随研磨盘转速增大，石英玻璃材料去除率TMRR先增大后减小，表面粗糙度变化不明显。在研磨盘转速分别为30 r/min、45 r/min、60 r/min和75 r/min时，获得的材料去除率TMRR分别为3.58 μm/min、4.33 μm/min、7.91 μm/min和6.59 μm/min，工件表面粗糙度Ra分别为0.231 μm、0.226 μm、0.266 μm和0.268 μm。这主要是因为研磨盘转速低时，单位时间内磨粒与工件接触次数少，磨粒更新速度较慢，同时切削作用小，去除率低；随着转速增加，单位时间内磨粒与工件接触频率增加，磨粒更新速度快，参与去除的有效磨粒增多，导致材料去除率提高。在转速60 r/min时材料去除率最大，为7.91 μm/min，且表面粗糙度Ra适中。但转速继续增大，在离心力的作用下易造成研磨液过度飞溅而流失，反而影响粗研加工效果。因此，在给出的实验条件下对石英玻璃进行粗研加工，研磨盘转速应选用60 r/min为好。

2.3 研磨液流量对粗研加工效果的影响

在表1的磨料、磨料质量分数4%、研磨盘转速60 r/min及20 kPa压力实验条件下，在铸铁盘上研磨石英玻璃片20 min，得到不同研磨液流量对粗研加工效果的影响规律图4。

图4中：供给不同流量的研磨液，会影响单位时间内的磨料分布，从而影响基片的粗研加工效果。当研磨液流量分别为10 mL/min、20 mL/min、30 mL/min、40 mL/min时，材料去除率TMRR分别是2.91 μm/min、3.71 μm/min、3.40 μm/min、3.32 μm/min，工件表面粗糙度Ra分别为0.270 μm、0.182 μm、0.222 μm、0.237 μm。从图4的实验结果来看，研磨液流量过小，研磨液供给量不足，在加工区域分布不均匀，材料去除较少，同时加工产生的磨屑不能及时带离加工区域，粗糙度较大；研磨液流量增加，可以有效降低工件的表面粗糙度、提高工件材料去除率。研磨液流量为20 mL/min时，材料去除率TMRR最大，为3.71 μm/min，表面粗糙度Ra最低，为0.182 μm。但是流量达到一定水平后再继续增大流量，磨料开始堆积而发生滚动，基片的粗糙度升高，去除率降低。考虑研磨液成本与加工效果，研磨液流量选择20 mL/min为好。

2.4 研磨加工时间对粗研加工效果的影响

在表1的磨料、磨料质量分数4%、研磨液流量20 mL/min、研磨盘转速60 r/min及20 kPa压力实验条件下，在铸铁盘上研磨石英玻璃片，得到不同研磨时间对粗研加工效果的影响规律图5。

从图5可以看出：在加工初期粗糙度Ra下降较快，在达到一个较低的Ra值之后表面粗糙度值趋于稳定，约为0.11 μm。表明在其他工艺参数固定的条件下只改变研磨时间，加工的石英玻璃表面粗糙度Ra达到一定值后不会随着研磨时间的增加而无限地减小。同样的情况，加工一段时间后材料的去除率TMRR也趋于稳定，最终稳定在6.24 μm/min。因此，在实际的加工过程中要根据加工要求来选择研磨时间。根据图 5的结果，石英玻璃粗研的加工时间最好控制在30 min，超过30 min后试件的表面粗糙度及材料去除率变化很小。

3 精研实验结果及讨论

为了提高石英玻璃表面质量，减少其后续抛光工序的时间及成本，在表2的条件及20 kPa压力下，对粗研后表面粗糙度Ra为0.11 μm的熔融石英玻璃基片在合成铜盘上进行精磨实验，获得精磨后工件表面的粗糙度随加工时间的变化(图6)和精研后工件的材料去除率随加工时间的变化(图7)。

从图6可知：用不同类型、不同平均粒径的磨料精研后，石英玻璃表面粗糙度随加工时间的变化趋势相似，都随时间增加而快速下降至某相对稳定的值，但表面粗糙度的最终稳定值和降低速率却有显著的差异。用粒径3 μm的CeO2磨料研磨，表面粗糙度在前20 min迅速下降，30 min后达到稳定状态，最终表面粗糙度Ra稳定在 4.11 nm左右；用粒径3 μm的Al2O3磨料研磨，表面粗糙度在40 min后达到稳定状态，最终表面粗糙度Ra稳定在9.16 nm左右；用粒径1 μm的Al2O3磨料研磨，表面粗糙度在50 min后达到稳定状态，最终表面粗糙度Ra稳定在22.21 nm左右。

从图7可知：用不同类型、不同平均粒径的磨料研磨时，粒径3 μm 的Al2O3的材料去除率最大，粒径1 μm的Al2O3的材料去除率次之，粒径3 μm的 CeO2材料去除率最小。对比粒径同为3 μm 的Al2O3和CeO2的研磨效果，Al2O3磨料具有较高的材料去除率，这是由于氧化铝磨料的莫氏硬度(9.0)远大于工件材料的莫氏硬度(5.5～6.5)，更容易去除工件材料，而CeO2磨料的莫氏硬度(6.0)和工件比较接近，较难去除材料。

图6和图7综合起来对比发现：粒径为1 μm 和3 μm 的Al2O3磨料的材料去除率和表面粗糙度随时间变化的趋势相同，但1 μm的Al2O3材料去除率稍低，表面粗糙度稍高，而3 μm的Al2O3则相反。这是因为磨料粒径过小时，单颗研磨粒子的去除量非常小，材料去除效率低，导致工件表面粗糙度下降缓慢。

总之，Al2O3和CeO22种磨料的性能不同，但最终加工后都能得到光滑平坦的熔融石英玻璃基片表面，都可用于后期的抛光过程。

图8为熔融石英玻璃精研后的共聚焦显微镜形貌。由图8可以看出：最初的石英玻璃表面布满较深的划痕和凹坑(图8a、图8d、图8g)，这些均是在粗研过程中由较大粒径磨粒产生的；用粒径3 μm的CeO2磨料经图8a～图8c所示的精研过程后，其表面大部分划痕和凹坑被去除，表面光滑平坦，最后的表面粗糙度Ra约4.11 nm(图6)，但由于磨料粒度不均匀或磨料团聚等因素导致表面有少量划痕存在；用粒径3 μm的Al2O3磨料经图8d～图8f所示的精研后，工件表面逐渐平坦，表面划痕基本去除，但仍有浅坑残留，并未出现光滑表面，最后的表面粗糙度约为9.16 nm(图6)；使用粒径1 μm的Al2O3磨料经图8g～图8i所示的精研后，熔融石英玻璃工件表面大部分逐渐平坦，表面粗糙度约为21.22 nm(图6)，但仍存在凹坑和划痕，后续加工很难去除。

产生此现象的原因是：CeO2磨料硬度较低，微观结构为球状、无棱角，使加工后的工件表面较为均匀且有光泽；Al2O3磨料硬度较高，棱边刃口多，加工过程中能够形成二体摩擦[13]，使加工后的工件表面产生较深的划痕和坑。因此，平面加工过程中采用CeO2磨料加铜盘精研，对熔融石英玻璃表面形貌的改善作用突出。

(a)3 μm CeO2,0 min(b)3 μm CeO2,20 min(c)3 μm CeO2,50 min(d)3 μm Al2O3,0 min(e)3 μm Al2O3,20 min(f)3 μm Al2O3,50 min(g)1 μm Al2O3,0 min(h)1 μm Al2O3,20 min(i)1 μm Al2O3,50 min图8 熔融石英玻璃精研后的表面形貌Fig. 8 Surface morphology of fused silica glass after precision machining

4 结论

采用铸铁盘和合成铜盘对熔融石英玻璃进行平面研磨加工，分析了主要加工参数对加工效果的影响，得出如下结论：

(1)磨料质量分数增大，工件材料去除率先增大后减小，表面粗糙度Ra先增大然后趋于平缓。当磨料质量分数为4%时，材料去除率最大。

(2)研磨盘转速增加，工件材料去除率TMRR先增大后减小，当研磨盘转速为60 r/min时材料去除率最大；表面粗糙度Ra随转速增加而逐渐增大，转速继续增加，在离心力的作用下会造成研磨液飞溅而过度流失，反而影响粗研加工效果。

(3)研磨液流量增大，材料去除率TMRR先增大后减小，表面粗糙度Ra先减小后增大。当研磨液流量为20 mL/min时材料去除率最大，表面粗糙度Ra最低。

(4)在固定的工艺参数下，延长研磨时间，石英玻璃的表面粗糙度Ra在达到一个稳定值后不会随着研磨时间的增加而无限地减小，同时材料去除率也趋于稳定。

(5)用不同类型及粒径的Al2O3、CeO2磨料精研熔融石英玻璃，粒径3 μm的CeO2加工50 min后获得了光滑表面，其最低表面粗糙度Ra值为 4.11 nm。