超光滑表面的加工、表征和功能

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1 引言
6 s: N' j& }" l# [  E- h6 B: R随着精密、超精密以及纳米级加工技术、先进控制系统、激光测量技术、扫描探针显微镜等相关技术的快速发展，超精密加工表面的研究不断取得新的进展，其加工精度正逐步从亚微米级提高到纳米级，通过超精加工获得超光滑表面已成为可能。但是，这些超光滑表面通常是在反复加工和试验的基础上获得的，如何稳定地、可重复地获得高质量表面，实现表面的设计功能，仍是超精密表面加工研究的一个难点。目前，关于超精密加工表面的一个重要研究方向是研究表面的加工形成机理，并根据表面的不同用途及相应的功能要求，在加工前对表面进行设计和预测，从而达到稳定获得所需功能表面以满足实际应用需求的目的。为此，必须对超精密元件表面的加工、表征及功能进行全面而深入的研究。
$ o3 c( r! h3 c$ {* [2 超精密加工表面及其特点
加工表面的相关定义
# I7 B9 @! D$ D* ]4 Z表面是一个物体分隔于其它物体或空间的周界面。为便于研究分析，美国国家标准ASME B46.1-1995中给出了名义表面、实际表面和测量表面的定义，即：①名义表面：预期的表面分界面(不包括任何表面粗糙度)，其形状及范围通常在图示中显示并标注或者加以详细说明。②实际表面：物体的实际边界面，它与名义表面的偏差来源于表面形成的加工过程。③测量表面：基于测量仪获得的对实际表面的描述。
加工表面的特点
超精密加工的实际表面与名义表面的差别在于它可显现出表面的特征、缺陷和形状误差。其中，表面特征是控制工业产品表面质量的主要内容，它是实际表面上某些典型偏差的综合，主要包括粗糙度和波纹度。粗糙度是指表面特征的精细不规则性，通常来源于加工过程所固有的作用或材料条件，这些都可能是加工过程留在表面上的特征标记。波纹度是表面特征更为广泛的空间构成，产生于机床或工件的偏差或振动。粗糙度可被认为是波动表面上的叠加。
/ h" S  f6 s) W! [- W! r作为物质实体，表面具有许多特征。表面的几何形状即为其重要特征之一，它的自然状态是三维(3D)的，其特征细节被称为形貌。在许多应用中，形貌代表着表面的主要外部特征。
3 超精密元件表面的加工、表征及功能
工件表面产生于大量的加工过程，一旦加工完成，反映加工过程的表面特征就会体现在表面上，因此加工元件的表面特征是整个加工过程的复现(Fingerprint)，任何加工变量的改变和加工刀具的误差都将体现在表面特征中。同时，这些表面特征又决定着加工元件表面的最终功能，即特定的表面特征产生相应的表面功能，因此表面是其加工控制和功能设计的联结(Link)，而对表面的表征是获取表面信息的重要手段。由此可知，表面的加工、表征和功能是相互关联的：一方面，表面形成的每一加工阶段及处理过程都决定着表面宏观及微观几何特性；另一方面，工件表面的几何特性以及物理、化学特性等在相当大程度上决定了产品表面的最终功能。表面的加工、表征和功能之间的相互关系可用下图加以说明。针对具体的应用功能，应考虑相应表面的几何、物理和化学特性等，只有通过相应的加工控制和质量控制才能获得理想的表面设计功能。

图  表面的加工、表征和功能之间的关系
表面的加工
7 Y8 b  c& H3 ?& C7 Z/ X先进的加工技术是获得高质量表面的重要前提和保证。以纳米级加工为发展目标的超精密加工技术是当今及未来制造技术的基础之一。超精密切削是超精密加工的重要组成部分，其关键技术是极锋锐的金刚石单点切削(SPDT)，即采用具有纳米级锋锐度的切削刃、切削时刃口可复印在加工表面上、具有高耐磨性的单晶金刚石刀具进行切削加工。该技术现已发展成为制造尖端、精密元件的成熟加工技术，可加工出具有微米至亚微米级精度、表面粗糙度达纳米级范围的工件。由于可获得高质量、高精度的加工表面，金刚石单点切削(SPDT)技术已被广泛应用于精密部件和扫描镜、注塑相机透镜塑模等光学元件的加工。此外，具有特殊功能要求的高质量表面是由多种加工过程完成的，由此产生的表面特征也是多加工综合作用的结果。例如，汽缸内腔的平面磨削就是一个多加工修整过程，它产生一种特殊类型的表面特征，由深的沟槽(有利于油液滞留)和沟槽之间精细的表面(确保高支承能力)组成。表面的形成是加工全过程综合作用的结果，故影响表面质量的加工因素较多。对于切削、成型、研磨以及刻蚀、激光、电子束等加工技术，表面几何形貌的形成主要受机床、刀具、工件和加工环境等相关因素的影响，如表1 所示。
9 M3 c$ a& \5 `: `; J5 Y在一定加工条件下，可形成相应的表面特征。若改变加工控制参数(切削速度、进给量、切削深度等)，必然会产生相应的几何形貌变化。由于振动、热的不稳定性、加工环境变化等诸多随机因素的影响，导致加工控制和表面形成出现一些不确定性因素，阻碍了工程技术人员通过精确控制加工条件而获得理想表面。基于机床运动学和切削理论分析，进行适当的合理假设，借助数学变换对加工控制参数与表面特征表征参数之间的关系进行建模，实现在加工前预测表面质量，是超精密加工表面研究的一个重要方向。
0 j2 U9 C! c+ ]9 _& W3 R8 \& f" i表面的表征
作为加工控制和功能设计的关联环节，表面的表征提供了极有价值的形貌、特性信息，因此它是有关表面研究的一个关键问题。现有的表面表征方法较多，如统计分析、谱分析、自相关分析、时间序列分析、分形和函数说明等。但不论采取何种技术，从工程学的观点看，表面形貌的表征最终都是利用相关参数进行表征并辅以通用的视觉技术，即表面形貌特性是根据视觉图象和表面参数值来进行评价。
! F: K9 I1 E) t8 q7 ]由于表面形貌固有的三维状态，采用二维参数和轮廓图难以提供充分及可靠的信息以供分析，因此3D参数和3D图象已成为评价表面形貌的实用方法。3D参数能表征并定量说明表面的微观几何形貌，3D数据由测量仪获得。采用视觉技术和图象处理技术可对表面进行直观、现实的描述，图象可传递大量易于解释的信息，是定性表征表面的有效方法。由于单个参数难以完整描述复杂的实际表面，因此需要利用综合的组参数来进行参数表征，其中的每个参数只能提供微观几何形貌的某些具体特征，它可以被测量和定量表示。由于工程表面三维形貌信息的复杂性和综合性，仅用几个参数很难完整描述三维表面特征。K.J.Stout等人提出按不同的表征特性将参数划分为幅度参数、空间参数、综合参数和功能参数四大类(共14 个参数)，各参数的类别及定义见表2。
表2 三维表面微观形貌的表征参数
幅度参数
空间参数
% I  ?8 J9 `, X' Z综合参数
) r" ~/ z* y" F- M* [/ @功能参数
Sq—表面形貌的均方根偏差
& z# h  F" P* z, FSz—表面十点高度
Ssk—表面高度分布的偏斜度
* H& Z9 @2 O- m2 i' T/ BSku—表面高度分布的峭度
Sal—最速衰减自相关函数
Sds—表面峰顶密度
4 F6 N, a7 J; _. y% UStr—表面的结构形状比率
* |4 U! A# U" l* VStd—表面的纹理方向
9 L. R5 _$ Y, L! n1 O5 c) mS∆q—表面的均方根斜率
% i; F' W6 O9 gSsc—表面算术平均顶点曲率
Sdr—表面的展开界面面积比率
: i9 g4 ^  L3 HSbi—表面支承指数
- o9 n. }  Y1 S' G: h: w: ASci—中心液体滞留指数
' h( s5 o' U5 |; m: SSvi—谷区液体滞留指数
" q+ H" ]. g9 L为对表面进行定量分析，还可采用MOTIF参数表征和分形函数表征。MOTIF参数表征采用7个参数对表面粗糙度和波纹度进行完整描述，该方法是将未滤波轮廓分解为由峰表征的几何形状特征，根据相对幅值其轮廓峰或消失或保持不变。分形是一种连续但处处不可微的函数，在一定范围的观测尺度上，分形呈现出自相似/ 相关性。实验表明，许多工程表面均具有分形特征。分形函数表征仅用一个表面分形维数D(D是介于2和3之间的分数)即可描述复杂的几何形状。
3D分析的最大特点是可以进行直观的图像表征，合适的图像表征能给出足够的表面微观形貌信息。常用的图像表征方式有等高图、灰度图、投影图等。等高图可帮助辩识表面的方向特征，它是采用直线或曲线连接具有相同高度的点，并用线性插值法求出其余的交叉点，据此绘制表面形貌图。灰度图上的每一点可表示与其高度相关的灰度等级。在投影图中，数据点的有效表示是基于等轴或正视投影。
" n. [0 @7 ^/ L& \8 H& _. c1 N表面的功能
3 J* j5 X' R5 V' c  w5 R* Y! W4 m在工程应用中，要求某些元件的表面具有某些特殊功能特性，如具有高支承能力、密封能力、润滑油滞留能力等。为实现这些功能要求，需要将功能表面设计为可产生相应功能的特殊形貌。表面功能的范围很广，对于接触元件，常用的应用功能要求有磨损、摩擦、润滑、疲劳、密封、接触刚度、接触应力、承载面积、热传导性等；对于非接触元件，常用的功能要求主要有光学焦距、反射、表面保护、表面喷涂等。
5 Y" f8 M) k8 c5 R" P3 H6 ?/ j% ]目前对表面功能尚无十分明确的表征方法。有些表面参数可用于预测工件的功能特性。例如，由于粗糙度的轮廓峰高度Rz值始终小于涂层厚度，因此粗糙度参数具有控制加工表面质量和确保表面功能的双重作用。表面的某些特征对于实现其特殊应用功能十分重要，因此有时需要用专门定义的功能参数来描述表面的相应特征。例如，表面支承指数Sbi用于表示表面的支承性能，Sbi值大，表明表面支承性能好；中心液体滞留指数Sci可反映在表面的中心区域液体滞留的性能，Sci值大，表明表面的中心区域液体滞留性能好；谷区液体滞留指数Svi表示在表面谷区的液体滞留性能，Svi值大，表明在表面谷区液体的滞留能力强。但是，一组功能参数只能描述有限的几类应用功能，因此利用一组功能参数来表征所有的功能要求是不可能的，而为每一项应用功能都建立相应的功能参数也是不现实的。由于表面特征参数(如表面粗糙度)对加工的变化具有敏感性，而且它是在接触或流动状况下反映表面功能的关键因素，因此可利用其来预测表面功能特性。除表面粗糙度外，几何尺寸参数、圆度或圆柱度参数、残余应力等物理特性也可用于预测表面功能特性。
- ^7 e; t" G1 M. ]* }' uD.J.Whitehouse等人不久前提出一种评价工件表面功能特性的新方法——功能图。该方法尝试对表面功能特性作出明确表征，并在设计阶段有效控制表面粗糙度等影响因素。由于没有界限条件，因此传统的表面参数仍适用于功能图。功能图是以图形方式而非文字说明方式表征表面功能特性(它同时也是加工图的模拟)，它主要由两个笛卡尔坐标轴构成：纵坐标轴表示表面之间的间隔，若表面之间相互脱离，间隔值为正；若表面之间相互接触，间隔值为负(例如表面之间因相互嵌入而发生弹性或塑性变形，则表现为负间隔值)。表面间隔特性主要受加工过程的影响(尤其当表面间隔很小时)。横坐标轴表示表面间的相对横向移动。接触点的数量及分布取决于局部几何形状(来源于轮廓信息)，而相对速度所受影响则取决于表面的总体形状和区域层(主要受刀具空间轨迹的影响)。横坐标还需考虑剪切应力、表面运动的接触动能等横向影响因素。功能图的应用范围不只局限于双表面，当表面间隔值较大时(相对粗糙度值而言)，即可认为是一个光学反射的单表面。但是，采用功能图评价工件表面功能时，有些功能特性(如承载特性等)无法表达。
9 \( z: t3 o* a1 u* X- _要实现稳定地、可重复地获得高质量表面，其困难之处不仅在于需要对加工条件、加工性能以及加工控制具有全面而深刻的了解，还在于如何使元件表面按设计者的目标和具体要求实现相应的表面功能。因此必须对表面加工过程、表面特征以及表面功能具有准确的理解与掌握，从而通过对加工过程的连续监控获得所需的功能表面。
4 结语
表面是加工控制与功能设计的联结，表面特征产生于大量的加工过程，同时又决定着工件表面的最终功能。全面了解表面的加工、表征、功能及其相互关系，是超精密元件表面加工形成机理研究的基础。
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