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在注塑模具制造领域,扫描仪镜头座模具的光学级表面质量至关重要,它直接影响到最终产品的光学性能。实现扫描仪镜头座注塑模具光学级表面的超精抛光,需要一系列先进工艺和技术的协同配合。
超精抛光对设备有着极高要求。在光学、半导体等领域,为达到极限的形状精度、尺寸精度和表面完整性,设备必须具备高精度。以超精密抛光设备核心器件 “磨盘” 为例,其由特殊材料合成,不仅要满足自动化操作的纳米级精密度,还要有精确的热膨胀系数。因为磨盘在高速运转时与工件摩擦产生的热量,可能导致热变形,进而影响工件加工精度,像平面度和平行度等关键指标。通常,为保证亚微米级甚至纳米级抛光精度,磨盘热变形要求控制在几纳米之内 。并且,超精密抛光设备还需配备高精度的控制、测量和检测系统,以便在抛光过程中实时监控和调整参数,确保每个环节的精度和稳定性。目前,我国在高精密磨盘生产技术上受国外技术封锁,如何合成热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘,是亟待攻克的难题 。
抛光材料对实现纳米级表面粗糙度起着关键作用。除了开发亚微米级超细磨料,还需研究抛光材料材质、形貌,并控制粒度分布。比如,球形磨料粒子能实现更均匀抛光效果,减少划痕和凹坑。针对不同材料的工件,选择的磨料也不同,像硬质材料如碳化硅晶圆,需用更硬质抛光磨料来提高去除率;软质材料则需较软磨料,以达到低损伤目的 。例如富士开发的超精细抛光粉末,能实现极高表面光洁度和低损伤,其用于硅和碳化硅晶圆纳米级抛光的氧化铝、二氧化硅基抛光液在全球市场占有率超八成 。
在工艺技术方面,有多种先进技术可供选择。磁流变抛光技术利用磁流变液在磁场中的流变性对工件抛光。磁流变液进入抛光区后,在磁场作用下变成粘塑性介质,形成 “柔性抛光模”,与光学零件表面接触产生很大剪切力,实现材料稳定去除,达到抛光、修形目的。该技术能有效解决光学元件加工精度高、收敛要求高、表面质量好、亚表面损伤低以及中高频误差可控等需求,可广泛应用于抛光球面透镜、非球面透镜、棱镜、自由曲面等 。
离子束抛光技术由美国伊士曼柯达提出,适用于大口径非球面光学加工。该技术在真空室中,利用具有一定能量与空间分布的离子束流轰击镜面表面,通过能量沉积实现非接触式材料去除,为大口径非球面高精度抛光提供新选择。它与磁流变抛光技术,因抛光精度高、无亚表面损伤等优点,被公认为近三十年来光学加工领域最具创新性的两大技术 。
化学机械抛光(CMP)技术是目前唯一能兼顾表面全局和局部平坦化的抛光技术,最初用于获取高质量玻璃表面,如今在扫描仪镜头座注塑模具抛光中也有应用 。
在实际对扫描仪镜头座注塑模具进行超精抛光时,一般先进行粗抛,对于经铣、电火花、磨等工艺后的表面,可选择转速在 35000 - 40000rpm 的旋转表面抛光机或超声波研磨机。例如利用直径 φ3mm、wa#400 的轮子去除白色电火花层,然后进行手工油石研磨,条状油石加煤油作为润滑剂或冷却剂,按约 70 度角位均衡进行交叉研磨 。接着进行细抛,使用砂纸配合较硬木棒,像油石作业一样约 70 度角交叉研磨,一面砂纸研磨次数约 10 - 15 次,也可采用竹片或材质弹力小的木棒、硬度低的铝棒约 45 度角进行研磨 。最后是精抛,主要使用钻石研磨膏,若用抛光布轮混合钻石研磨粉或研磨膏进行研磨,通常研磨顺序是 9μm(#1800) - 6μm(#3000) - 3μm(#8000),之后再用粘毡和钻石研磨膏,顺序为 1μm(#14000) - 1/2μm(#60000) - 1/4μm(#100000) 。
超精抛光工艺中,质量检测也不容忽视。高精度工业 3D 扫描技术在模具尺寸检测方面发挥重要作用,比如先临天远的 OptimScan 9M 高精度蓝光三维检测系统,一次扫描即可完整获取模具三维数据,并与设计数据对比,通过色谱图可视化分析结果,清晰展现模具尺寸加工偏差情况 。
实现扫描仪镜头座注塑模具光学级表面的超精抛光,需要从设备、材料、工艺以及检测等多个环节入手,不断优化和创新,才能满足日益增长的高精度光学模具制造需求 。
