精密測量儀器在超精密加工實驗室中的作用

王素娟, 成思源, 周春強

(1. 廣東工業大學 廣東省微納加工技術與裝備重點實驗室, 廣東 廣州 510006；2. 廣東工業大學 廣東省創新方法與決策管理系統重點實驗室, 廣東 廣州 510006)

精密測量儀器在超精密加工實驗室中的作用

王素娟1, 成思源2, 周春強1

(1. 廣東工業大學 廣東省微納加工技術與裝備重點實驗室, 廣東 廣州 510006；2. 廣東工業大學 廣東省創新方法與決策管理系統重點實驗室, 廣東 廣州 510006)

實驗室不僅需要配置高水平的超精密加工裝備,還需要相應的精密測量儀器。如何正確而有效地利用加工裝備和測量儀器,是超精密加工技術專業本科生和研究生必須掌握的能力。利用白光干涉儀和掃描電子顯微鏡在超精密加工機理研究中的應用,分析精密測量儀器在超精密加工實驗室中的重要作用,提出一個具體的方案解決目前精密儀器數量少而學生多的實際問題。

超精密加工; 精密測量儀器; 白光干涉儀; 掃描電鏡

超精密加工技術綜合應用了微電子技術、計算機技術、自動控制技術、激光技術,是適應現代技術發展的一種機械加工新工藝。這種技術的出現使得加工技術產生了飛躍發展,主要體現在2個方面：一是加工精度越來越高,由微米級、亞微米級、納米級向原子級加工極限逼近；二是除了用于國防和航天等領域外,還進入了國民經濟和人們生活的各個領域。精密、超精密加工代表了加工精度發展的不同階段,從目前的發展水平來看,加工精度在0.1～1 μm、加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1 μm之間的加工方法稱為精密加工；加工精度高于0.1 μm、加工表面粗糙度小于Ra0.01 μm的加工方法稱為超精密加工。從加工精度的具體數值來分析,精密加工可分為微米加工、亞微米加工和納米加工等[1]。精密/超精密加工是一門綜合性技術,凡是影響加工精度和表面質量的因素都要考慮,其關鍵技術包括加工機理、工具技術、機床制造技術以及精密測量技術等。

目前,精密測量技術的發展主要包括高精度測量儀器和測量方法、超精密在線自動測量技術以及測量數據的自動采集處理技術的發展[2]。適用于精密、超精密加工中的納米級線位移測量儀器有：光柵線位移傳感器(分辨率1 nm,測量范圍500 mm)、激光干涉儀(分辨率0.1～10 nm,測量范圍大于1 m)、原子力顯微鏡和掃描探針顯微鏡(分辨率亞納米量級,測量范圍幾十微米)、掃描電子顯微鏡(分辨率1 nm,水平方向測量范圍幾毫米)[3]。

廣東省微納加工技術與裝備重點實驗室(以下簡稱微納實驗室)于2011年9月由廣東省科學技術廳批準成立,以廣東工業大學機電工程學院和香港理工大學超精密加工技術國家重點實驗室為依托。該實驗室占地4 500多m2,其中1 000多m2為超潔凈實驗室,擁有價值數億元超精密檢測儀器和加工設備。微納實驗室的主要研究領域包括：超精密加工裝備及其關鍵零部件的設計與開發、微納加工理論和技術的研究與應用、精密測量理論的研究與相關儀器的開發。微納實驗室除了購買4臺精密加工裝備(Moore Nanotech 350FG四軸超精密機床、Okamoto PSG106CA精密平面磨床、STUDER S31數控萬能精密外圓磨床、激光加工機DMG ULTRASONIC 10),還自主研發了4臺超精密機床(液晶導光板輥筒型模具超精密加工機床、微v溝槽超精密磨削機床、超精密5軸自由曲面機床、微點密集陣列超精密3軸加工機床)。同時,實驗室擁有的精密測量儀器包括：原子力顯微測量系統(Innova AFM microscope)、非接觸光學表面輪廓儀(白光干涉儀,Bruker Contour GTX)、接觸式表面粗糙度測量儀(Form Talysulf PGI1240)、掃描電子顯微鏡(TM3030)、超精密主軸精度檢測儀(Lion precision,CPL190-3-6-MTU)、工具顯微鏡(Nikon MM-400)等。

目前,工程學科中實驗教學的重要性越來越明顯,實驗教學有利于培養和訓練學生的創新意識、創新能力和動手能力,提高學生分析問題、解決問題的能力和獨立工作的能力[4]。通過實驗教學可提高本科學生對所學內容的熟悉程度和理解程度,也可提高研究生的科研能力和實際應用能力,既有助于提高教學質量，又促進科研工作的順利開展[5]。微納實驗室所配備的這些加工裝備和精密測量儀器,除了滿足我校機械制造學科的研究生和本科生培養的需要、相關領域教師的科研需求外,還可為社會和企業提供超精密加工、檢測和超精密設備設計等服務。

1 掃描電子顯微鏡

Max Knoll和Ernst Ruska于1931年首先提出了掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscopy,SEM) 的工作原理。隨后,Zworykin等人設計了第一臺掃描電子顯微鏡,目前SEM已經成為了探索微米、納米材料微觀結構時使用最廣泛的一種儀器。掃描電子顯微鏡通過聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像,由電子槍發射出的電子束在加速電壓的作用下,電子束經過電磁透鏡匯聚成一個細小的電子探針(電子束初始直徑為微米級,通過磁透鏡聚焦到納米量級的光斑)。隨后在末級透鏡上部掃描線圈的作用下,電子探針在試樣表面做光柵狀掃描。由于高能量電子與所分析試樣物質相互作用會產生各種信息,這些信息的二維強度和分布與試樣的表面形貌及表面狀態等因素有關,所以,通過接收和處理這些信息,便可以獲得表征試樣微觀形貌的掃描電子圖像[6]。

微納實驗室所購買的日立臺式掃描電子顯微鏡TM3030采用緊湊型設計,可以在辦公室和其他地方安裝和操作。TM3030標配4分割背散射探測器,可采集來自4個不同方向的圖像信息,包含4種成像模式。TM3030不僅有15 kV的模式,還通過優化電子光學系統,提供了“5 kV mode”。5 kV模式下的圖像能得到更多的表面細節,可用于拓撲學和元素組成成像，放大倍數可達6萬倍,數字放大可達24萬倍,最大容納的樣品直徑為70 mm,厚度50 mm。TM3030獨特的低真空功能使得樣品不需任何處理即可快速進行觀察。另外,TM3030結合了新的圖像處理功能的自動化儀器，可以為圖像帶來更好的銳度和對比度。

2 非接觸光學表面輪廓儀

從20 世紀 50 年代開始,光學技術被引入表面形貌測量，實現了非接觸測量。光學表面形貌測量法可分為光波干涉法、光散射計量法和聚焦探測法。其中光波干涉法利用標準參考面和被測表面反射的光束產生干涉,被測面的微觀輪廓起伏由顯微鏡轉換成放大的平面干涉條紋,然后通過測量干涉條紋的相對變形來間接完成表面輪廓的測量[7]。干涉法主要包括相移干涉儀、差分干涉儀和白光干涉儀3種,利用干涉接收的表面測量儀器具有測量信息直觀和測量精度高等優點。相移技術在形貌測量中的成功應用,使得干涉技術測量表面形貌的精度和速度有了大幅度提高。

白光干涉技術(white-light interferometry technology)是20世紀70年代發展起來的一門新技術,與單頻光波相比,白光干涉不再受相鄰采樣點之間的高度差不能超過 λ /4的限制,并且噪聲小,因此可以保證單頻干涉儀測量準確性,還可以避免傳統干涉技術的限制。白光干涉測量原理就是利用白光調制度低、易形成干涉的特性,透過頻率與振幅相近的光波形成低相干性的白光干涉波度。目前,用于精密/超精密表

面形貌測量的白光干涉儀基本都是雙光路干涉顯微結構,根據分光方式的不同分為 Michelson、Mirau、Linnik三種類型[8]。測量三維表面輪廓信息的時候,白光干涉法利用2道相同特性的相干光在零光程差時,將產生高對比度的零級條紋的特性,以此來判定零光程差,即相位調制的具體位置。通過干涉相位原理以及相關公式,就能取得待測零件的相移參數,最后再還原相關三維形貌輪廓[9]。

微納實驗室所配備的白光干涉儀為德國Bruker公司的Contour GT-X三維光學顯微鏡,其應用包括眼科鏡片、醫療器械、高亮度LED、半導體器件、TSV、太陽能電池片、汽車零部件、觸摸屏和精密加工零件等行業各種材料的三維非接觸式表面測量,可為實驗室研究和生產工藝控制提供最佳性能的非接觸式表面計量方案。Contour GT-X包括垂直掃描干涉度量技術(vertical scanning interferometry,VSI)和相移干涉度量技術(phase shifting interferometry,PSI)2種測量模式。VSI模式適用于表面變化較大的樣品,而PSI模式的RMS重復性0.01 nm,適用于較光滑的樣品,垂直高度起伏變化小于 λ/4[10]。

Contour GT-X配有可快速方便定位的電動X、Y、Z平臺和電動測量頭部傾斜裝置；擁有集成式防震臺與特殊設計的基座提供優異的抗震性能；內部激光自校準專利技術可以自動校準因環境或機械不穩定產生的漂移,無需標準塊；獨特的雙LED光源(白光和綠光)設計,配合0.5X到230X的放大倍數保證了優異的測試質量；最新的Vision64軟件,具有業界最強的儀器測量和數據分析功能,優化設計的用戶界面為使用者自行定義、自動測量和數據分析提供了極大的便利[11]。

以上詳細介紹了白光干涉儀和掃描電子顯微鏡的原理及其應用。由于使用這類儀器的研究生和本科生數量較大，微納實驗室采用了不同的培訓模式。對于碩士和博士研究生,需要使用儀器的時間比較多時,采用高一級研究生培訓低一級學生的模式,要求研究生必須熟練掌握該類儀器的操作和使用。而在本科生的測量儀器實驗教學中，則發揮多媒體作用,把功能介紹、工作原理、應用領域、樣品制備、實驗內容等制成多媒體課件。這樣可以解決儀器數量少而學生多、不能很好地開展實驗教學的問題,使本科生能很好地理解、掌握儀器的相關知識,開拓思路,為將來的科研和工作奠定基礎[4]。

3 微透鏡陣列超精密加工精度影響因素研究

3.1 實驗設計

微透鏡陣列是由結構尺寸為微米級別的子透鏡組成的陣列,廣泛應用于軍用及民用領域的許多新型光學系統,能夠滿足傳統光學元件無法達到的新型光學性能要求,例如波前傳感與光聚能及整形等系統、手機、LCD 背光板以及DVD 讀寫頭等光學設備。應用于光學領域的微透鏡陣列不僅拓撲結構具有微米級的特征尺寸,要求很高的加工質量(表面粗糙度小于30 nm,陣列的位置精度0.1～0.5 μm),還需保證微拓撲結構的面形精度達到亞微米級。這些都使得微透鏡陣列加工精度的保障難度急劇增加。實驗的目的是研究影響超精密加工微透鏡陣列過程中影響其表面粗糙度和形狀精度的因素。

切削實驗是在美國Precitech 公司的五軸超精密加工設備(Freeform 705G)上使用單晶金剛石刀具以飛刀銑削的方式加工平面和平面上的不同深度的微透鏡陣列,工件材料為鋁合金6061。在飛刀銑削模式下,單晶金剛石刀具安裝在主軸上,刀具隨主軸高速旋轉,同時沿X軸和Y軸直線運動。工件在機床的工作臺上,沿Z軸方向直線運動。表1和表2分別給出了平面(基面)加工和微透鏡陣列加工的參數和所使用的金剛石刀具幾何參數。圖1所示為光學顯微鏡觀測的加工后的深度分別為2 μm和10 μm的微透鏡陣列。

表1 平面加工參數

表2 微透鏡加工參數

圖1 加工結果圖

3.2 樣品測量與分析

加工后的基面和微透鏡陣列使用Contour GT-X測量其表面形貌并評定其表面粗糙度以及形狀精度。對于平面選用PSI模式(20X,測量范圍0.31 mm×0.23 mm),測量結果如圖2所示。從圖中可以看出,飛刀銑削加工后平面的表面粗糙度值為Ra23.549 nm、Rt0.139 μm。同時,由測量所得的表面微觀形貌可以發現飛刀銑削表面粗糙度是由進給方向和切削間距方向的殘留高度疊加而成,并且切削間距方向的殘留高度值大于進給方向。從圖3中二維輪廓曲線可以看出,進給方向殘留高度值為40.182 nm,而切削間距方向殘留高度為95.779 nm,并且2個殘留高度值之和135.9 nm與圖2中測量所得的Rt值0.139 μm十分接近。對于微透鏡陣列采用VSI模式(10 X,測量范圍1.3 mm×1.0 mm),測量結果如圖4所示。在測量所得的三維數據中,通過沿著水平和垂直2個方向截取,可獲得子透鏡的二維輪廓曲線(見圖5)。

圖2 超精密飛刀銑削基面白光干涉儀測量結果圖

圖3 超精密飛刀銑削平面2個方向的二維測量結果圖

圖4 不同深度的微透鏡陣列子透鏡測量所得三維形貌圖

圖5 不同深度的微透鏡陣列子透鏡幾何精度測量結果圖

Contour GT-X的測量結果表明：

(1) 從平面子透鏡的測量結果可以看出,超精密飛刀銑削加工可以直接加工出納米級表面粗糙度和亞微米級形狀精度的光學元件。

(2) 因為微透鏡陣列的加工需先完成基面的超精密銑削,隨后在基面上加工透鏡陣列,因此基面的局部微觀形貌會造成子透鏡加工時的材料去除和切削力的改變,并且從圖5(a)測量的二維輪廓中,基面切削間距方向的殘留高度(95.779 nm)明顯影響了2 μm和4 μm的子透鏡的形狀精度,這也是造成2 μm透鏡的形狀誤差最大的原因。

(3) 與設定的深度相比,2 μm子透鏡幾何誤差最大,而深度為8 μm時,誤差最小。這是基面幾何誤差、工件材料以及振動的綜合影響的結果,工件材料的彈性回彈和振動都會引起幾何誤差增加,但是彈性回彈會造成子透鏡深度的減小[11],而振動會引起深度的增加。另一方面,彈性回彈量和振動都與切削力的大小成正比關系,即深度越大切削力越大，則回彈量和振動都增大。

圖5中輪廓曲線放大之后可以看到曲線并非光滑的。為了研究子透鏡表面粗糙度的影響因素,掃描電鏡被用于觀測加工后的微透鏡,其結果如圖6所示。圖中可以看出不同深度的子透鏡表面有白色的粒子產生,并且透鏡的深度改變了白色粒子的分布、大小和數目。這是由于鋁合金 6061 中化學成分按質量比為：Mg 0.92,Si 0.76,Fe 0.28,Cu 0.22,Ti 0.10,Cr 0.07,Zn0.06,Mn 0.04。該合金屬于Al-Mg-Si 系合金,是一種可熱處理的合金,熱量的不同會造成沉淀相數量和大小以及分布的不同。不同深度的子透鏡超精密加工所引起的切削熱也不同,當深度從2 μm增大到10 μm時,切削熱也逐漸增加,沉淀相不但數量增加,尺寸也增加。圖中白色的粒子就是由于切削熱引起的沉淀相(Fe3SiAl12)[12]。沉淀相的硬度比Al6061大,因此會在被加工表面造成劃痕,從而影響子透鏡的表面完整性,增加其表面粗糙度[13]。

圖6 超精密飛刀銑削不同深度微透鏡陣列的SEM圖

4 結語

精密測量是精密/超精密加工中的重要組成部分,因為在線測量和誤差補償是提高加工裝備精度的重要舉措,而工件的加工精度通過測量來驗證,因此精密測量儀器是實驗室建設中必不可少的重要組成部分,也是先進制造技術實驗教學必需的工具。如何正確而有效地利用實驗室設備和儀器完成先進制造領域的學習和研究,是本科生和研究生必須掌握的能力之一。詳細介紹了白光干涉儀和掃描電子顯微鏡的原理和應用,并針對目前高校精密儀器數量少而學生多的問題,對本科生和研究生分別采用不同的培養方式。同時,還以白光干涉儀和掃描電子顯微鏡為例,介紹了精密儀器在微透鏡陣列超精密加工精度影響因素的實驗研究中的應用。實驗結果表明,白光干涉儀可以實現納米級表面粗糙度和亞微米級形狀精度的平面和微結構陣列的評定,而掃描電子顯微鏡的應用可分析材料對加工精度的影響。

References)

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Function of precision measuring instruments in ultra-precision machining laboratory

Wang Sujuan1, Cheng Siyuan2, Zhou Chunqiang1

(1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Micro-nano Machining Technology and Equipment,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Innovation Method and Decision Management System,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

The laboratory needs to be equipped with not only high-level ultra-precision machining equipment,but also the precision measuring instruments accordingly. How to make correct and efficient use of the machining equipment and measuring instruments is the ability that the undergraduate students and the graduate students of ultra-precision machining technology speciality have to master. By the application of the white-light interferometer and the scanning electron microscopy in the study of ultra-precision machining mechanism,the important function of the precision measuring instruments in the ultra-precision machining laboratory is analyzed,and a concrete scheme to solve the practical problem about the small number of precision instruments and the large number of the students is proposed.

ultra-precision machining; precision measuring instruments; white-light interferometer; scanning electron microscopy

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.058

2017-01-08

2017-03-22

國家自然科學基金項目(51205067); 廣東省本科高校教學質量與教學改革工程項目(粵教高函〔2016〕233號)

王素娟(1978—)，女，江西萍鄉，博士，副教授，主要從事超精密加工技術的研究.

E-mail：grace.wangsj@gmail.com

G484

A

1002-4956(2017)07-0222-06