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說(shuō)起來(lái),白剛玉這東西在精密儀器制造里頭的角色,有點(diǎn)像足球場(chǎng)上的后腰——看比賽的時(shí)候你未必總盯著他看,但少了這個(gè)人,整個(gè)隊(duì)伍都得亂套。我在這個(gè)行當(dāng)泡了二十多年,從最早的磨床時(shí)代到現(xiàn)在搞納米級(jí)加工,白剛玉這家伙始終沒(méi)離開(kāi)過(guò)咱們的工作臺(tái)。
它是什么?簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)
白剛玉說(shuō)白了就是純度特別高的氧化鋁結(jié)晶。你拿它跟普通砂輪片比,好比拿瑞士軍刀跟菜刀比——都是刀,但精細(xì)程度完全不在一個(gè)檔次。它的硬度僅次于金剛石,但韌性更好,不容易崩裂。我見(jiàn)過(guò)剛?cè)胄械男∧贻p問(wèn):“師傅,這不就是高級(jí)點(diǎn)的砂紙材料嗎?”這話對(duì),但也不全對(duì)。
在精密制造里的“四兩撥千斤”
第一板斧:拋光——讓表面“長(zhǎng)”出光來(lái)
精密儀器最講究什么?表面質(zhì)量。我處理過(guò)最高精度的零件,要求表面粗糙度在0.01微米以下,什么概念?相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的兩萬(wàn)分之一。這種活兒,普通的磨料根本玩不轉(zhuǎn)。白剛玉微粉的妙處就在于,它能“溫柔地”把材料表面磨平。記得2008年我們給某研究所做光學(xué)平臺(tái),用的是德國(guó)進(jìn)口的微粉,效果是不錯(cuò),但價(jià)格貴得嚇人。后來(lái)我們實(shí)驗(yàn)室自己研發(fā)了白剛玉微粉配方,粒徑分布控制得特別好,做出來(lái)的平臺(tái)表面像鏡子一樣,成本還降了三分之一。拋光這活兒有講究。我常跟徒弟說(shuō):“你得感覺(jué)材料在手里的反饋?!卑讋傆駫伖鈺r(shí),那種均勻的沙沙聲聽(tīng)著就舒服。要是聲音變得刺耳,那肯定是參數(shù)沒(méi)調(diào)對(duì)。
第二板斧:研磨——精準(zhǔn)“瘦身”
精密零件經(jīng)常需要修尺寸,有時(shí)候就幾個(gè)微米的量。白剛玉在這時(shí)候就派上大用場(chǎng)了。我們車(chē)間有臺(tái)老式研磨機(jī),用了快三十年,精度依然能保持在1微米以內(nèi)。秘訣在哪?就在白剛玉研磨盤(pán)和微粉的配合上。這東西磨合時(shí)間越長(zhǎng),精度反而越高。去年有個(gè)客戶拿來(lái)一批傳感器基座,要求厚度公差控制在±2微米。我們用白剛玉研磨了四天,最后一測(cè)量,最差的也在±1.5微米以內(nèi)。有個(gè)竅門(mén):白剛玉研磨時(shí)要“少量多次”。就像吃西餐,一小口一小口地來(lái),不能像吃面條那樣大口嗦。我見(jiàn)過(guò)有的廠子為了趕工期,一次性下大量磨料,結(jié)果把零件給磨廢了。
第三板斧:清潔——看不見(jiàn)的功夫
這個(gè)作用很多人想不到。精密儀器裝配前,零件必須一塵不染。白剛玉微粉噴砂能去除微觀污染物,效果比化學(xué)清洗還好。我們做過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn):同樣清洗高精度軸承,化學(xué)清洗后表面能檢測(cè)出納米級(jí)的殘留;白剛玉微粉噴砂后再用超聲波清洗,干凈得連掃描電鏡都找不出毛病。有個(gè)做航天儀器的老工程師跟我說(shuō):“你們這個(gè)清洗工藝,解決了我們多年來(lái)的裝配難題?!?/span>
第四板斧:表面處理——打好“地基”
很多精密零件要鍍膜、要涂覆,基礎(chǔ)表面處理是關(guān)鍵。白剛玉噴砂能形成均勻的微觀粗糙面,讓涂層“咬”得更牢。前年我們接了個(gè)醫(yī)療器械的活,需要在鈦合金表面涂生物相容層。試了好幾種處理方法,涂層總愛(ài)脫落。最后用白剛玉微粉做了表面活化處理,問(wèn)題迎刃而解??蛻舻目偣ず髞?lái)專程來(lái)道謝,說(shuō)我們這一手讓他們的產(chǎn)品壽命提高了三倍。
實(shí)際應(yīng)用中的“門(mén)道”
光學(xué)儀器里的“隱形英雄”
我做過(guò)的天文望遠(yuǎn)鏡鏡片,最大的直徑1.2米。那么大的玻璃鏡片,拋光時(shí)用白剛玉微粉,得用特制的瀝青盤(pán),手法要特別柔和。老師傅教我的時(shí)候說(shuō):“你要想象自己在給嬰兒擦臉?!币粋€(gè)鏡片要拋兩個(gè)月,每天工作八小時(shí),最后出來(lái)的表面精度能達(dá)到λ/20(λ=632.8nm)。
半導(dǎo)體設(shè)備里的“精密手術(shù)刀”
現(xiàn)在的芯片制造,對(duì)平整度要求到了變態(tài)的地步。白剛玉微粉在CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝?yán)锸侵鹘侵弧N覀兘o某晶圓廠做的拋光液,用的是經(jīng)過(guò)特殊表面處理的白剛玉微粉,能把硅片表面不平整度控制在0.5納米以內(nèi)——這相當(dāng)于在足球場(chǎng)大小的面積上,最高點(diǎn)和最低點(diǎn)差不超過(guò)一根頭發(fā)絲。
醫(yī)療儀器里的“安全衛(wèi)士”
手術(shù)器械、植入體,這些都要絕對(duì)光滑。白剛玉拋光的好處是不產(chǎn)生金屬污染。我們給一家骨科器械廠做關(guān)節(jié)頭拋光,用白剛玉拋出來(lái)的表面不僅光滑,而且沒(méi)有重金屬殘留。他們的產(chǎn)品出口歐洲,一次性通過(guò)了最嚴(yán)格的生物相容性檢測(cè)。
遇到的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)
白剛玉也不是萬(wàn)能的。它最大的問(wèn)題是批次一致性。礦石來(lái)源、生產(chǎn)工藝稍有變化,性能就可能波動(dòng)。我們實(shí)驗(yàn)室常年備著十幾批樣品,每批都做全套檢測(cè)。我有個(gè)筆記本,記了二十多年的檢測(cè)數(shù)據(jù),現(xiàn)在成了我們的“寶貝”。溫度控制也是個(gè)技術(shù)活。白剛玉拋光時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,溫度高了會(huì)改變材料性能。我們做高精度導(dǎo)軌時(shí),要實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度,超過(guò)30℃就得停一停。有次徒弟沒(méi)注意,連續(xù)拋了兩個(gè)小時(shí),結(jié)果一批價(jià)值幾十萬(wàn)的零件全報(bào)廢了。從那以后,我們車(chē)間多了條規(guī)矩:“手要勤,心要細(xì),眼要尖?!?/span>
未來(lái)的可能性
這兩年新材料層出不窮,但白剛玉在精密制造中的地位依然穩(wěn)固。不過(guò)用法在變。我們現(xiàn)在在研究:
智能拋光——在微粉里加傳感器,實(shí)時(shí)反饋拋光狀態(tài)
復(fù)合磨料——把白剛玉和其他材料復(fù)合,取長(zhǎng)補(bǔ)短
綠色工藝——減少耗材,提高利用率
上個(gè)月去德國(guó)參觀,看到人家已經(jīng)在用機(jī)器人做自適應(yīng)拋光了,但用的還是白剛玉微粉。這說(shuō)明什么?工具在升級(jí),但核心材料依然不可或缺。
干了這么多年,我覺(jué)得白剛玉在精密儀器制造里的角色,很像中醫(yī)里的“藥引子”——單用它治不了病,但配上其他工藝,就能發(fā)揮奇效。它的價(jià)值不在于多高科技,而在于恰到好處地解決問(wèn)題?,F(xiàn)在的年輕人喜歡追新潮,什么納米材料、智能材料說(shuō)起來(lái)頭頭是道。但我還是經(jīng)常跟徒弟們講:“先把白剛玉玩明白了,再學(xué)別的。”這東西看似普通,里面的門(mén)道深著呢。你能控制好它的粒度分布,能掌握好拋光參數(shù),能用它做出納米級(jí)精度的表面,那你在這個(gè)行當(dāng)就算入門(mén)了。
精密儀器制造是個(gè)需要耐心的活,白剛玉的使用也是個(gè)需要經(jīng)驗(yàn)積累的技術(shù)。我今年五十多了,還在學(xué)新東西。上個(gè)月剛學(xué)會(huì)用計(jì)算機(jī)模擬拋光過(guò)程,但實(shí)際干起活來(lái),還是得靠手上的感覺(jué)。這大概就是這個(gè)行業(yè)的魅力所在——科技再發(fā)達(dá),最終還是需要人的經(jīng)驗(yàn)和判斷。說(shuō)到底,白剛玉就是個(gè)工具。工具用得好不好,關(guān)鍵看用工具的人。咱們這些搞精密制造的,得有這樣的覺(jué)悟:手里的每一粒微粉,都可能決定著一個(gè)精密儀器的成敗。這份責(zé)任,得扛得住。