精密研磨與拋光(精密加工)

1、第7*皤密耐虜鳥拋紀(jì)7.1 g7,三拋蕪7,彳楕窯苛虜拋宛新枚術(shù)7S曲砂燼拋蕪技術(shù)2013-9-22第7索希番耐虜鳥拋宛A在超精密加工中，超精密切削和超精密磨削的實(shí) 現(xiàn)在很大程度上依賴于加工設(shè)備、加工工具以及相關(guān) 技術(shù)的支持，并受到加工原理及環(huán)境因素的影響和限 制，要實(shí)現(xiàn)更高精度的加工十分困難。A超精密研磨拋光具有獨(dú)特的加工原理，對(duì)加工設(shè) 備和環(huán)境因素要求不高，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)甚至原子級(jí)的加工，已經(jīng)成為超精密加工技術(shù)中一個(gè)十分重要的 部分。A精密研磨與拋光加工涉及的材料：金屬材料，硅 、種化傢等半導(dǎo)體材料，藍(lán)寶石、饑酸鋰等光電子材 料呦應(yīng)電材料，磁性材料，光學(xué)材料等。2013-9-22一、研磨加

2、工的機(jī)理研磨加工:利用硬度比被加工材料更高的微米級(jí)磨粒, 在硬質(zhì)研磨盤作用下產(chǎn)生微切削和滾扎作用，實(shí)現(xiàn)被 加工表面的微量材料去除，使工件的形狀、尺寸精度 達(dá)到要求值，并降低表面粗糙度、減小加工變質(zhì)層的 加工方法。1. 研磨時(shí)磨料的工作狀態(tài)1）磨粒在工件與研具之間發(fā)生滾動(dòng)，產(chǎn)生滾軋效果；2）磨粒壓入到研具表面，用露出的磨粒尖端對(duì)工件表 面進(jìn)行刻劃，實(shí)現(xiàn)微切削加工；3）磨粒對(duì)工件表面的滾軋與微量刻劃同時(shí)作用。2.材料的研磨一部分磨粒由于研磨壓力的作用，嵌入研磨盤表面， 用露出的尖端刻劃工件表面進(jìn)行微切削加工；另一部分 磨粒則在工件與研磨盤之間發(fā)生滾動(dòng)，產(chǎn)生滾軋效果。 在給磨粒加壓時(shí)，就在硬脆材料加

3、工表面的拉伸應(yīng)力最 大部位產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯(cuò)的裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生脆性 崩碎形成磨屑，達(dá)到表面去除的目的。A研磨脆硬材料時(shí)， 要控制產(chǎn)生裂紋的大 小和均勻性。A通過選擇磨粒的粒 度及控制粒度的均勻 性，可避免產(chǎn)生特別 大的加工缺陷。3.金屬材料的研磨A當(dāng)金屬表面用硬度計(jì)壓頭壓入時(shí)，只在表面 產(chǎn)生塑性變形的壓坑，不會(huì)發(fā)生脆性材料那 樣的破碎和裂紋。A研磨時(shí)，磨粒的研磨作用相當(dāng)于極微量切削 和磨削時(shí)的狀態(tài)。磨粒是游離狀態(tài)的，其與 工件僅是斷續(xù)的研磨狀態(tài)。A研磨表面不會(huì)產(chǎn)生裂紋。但研磨鋁、銅等軟 質(zhì)材料時(shí)，磨粒會(huì)被壓入工件材料內(nèi)，影響 表面質(zhì)量。2013-9-22第7節(jié)可虜二、研磨加工特點(diǎn)1 微量切削

4、由于眾多磨粒參與研磨，單個(gè)磨粒所受載荷很小，控 制適當(dāng)?shù)募庸ぽd荷范圍，可得到小于lpm的切削深度。2. 多刃多向切削磨粒形狀不一致，分布隨機(jī)，有滑動(dòng)、滾動(dòng)，可實(shí)現(xiàn) 多方向切削。2013-9-22第7節(jié)可虜二、研磨加工特點(diǎn)3. 按進(jìn)化原理成形A當(dāng)研具與工件接觸時(shí)，在非強(qiáng)制性研磨壓力作用下，能自動(dòng) 地選擇局部凸出處進(jìn)行加工，故僅切除兩者凸出處的材料。A超精密研磨的加工精度與構(gòu)成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度幾乎 無關(guān)。加工精度主要由工件與研具間的接觸性質(zhì)和壓力特性， 以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的形態(tài)等因素決定。A獲得理憩加工表面要求：1）研具與工件能相互修整；2）盡量使被加工表面上各點(diǎn)的加工痕跡與研磨盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌

5、 跡不重復(fù)，以減小研具表面的幾何形狀誤差對(duì)工件表面形狀所 引起的“復(fù)印”現(xiàn)象，同時(shí)減小劃痕深度，減小表面粗糙度。3）在保證研具具有理想幾何形狀的前提下，采用浮動(dòng)的研磨盒, 砰嘆棵飪加工質(zhì)量。拋光加工:利用微細(xì)磨粒的機(jī)械作用和化學(xué)作用，在 軟質(zhì)拋光工具或化學(xué)加工液、電/磁場(chǎng)等輔助作用下, 為獲得光滑或超光滑表面，減小或完全消除加工變質(zhì) 層，從而獲得高表面質(zhì)量的加工方法。拋光與研磨的區(qū)別：A磨料。拋光使用1以下的微細(xì)磨粒。研磨是采用微 米級(jí)磨粒。A研具材料的選擇。拋光盤選用瀝青、石蠟、合成樹 脂和人造革、錫等軟質(zhì)金屬或非金屬材料制成，可根 據(jù)接觸狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整磨粒的切削深度、減緩較大磨粒 對(duì)加工表面

6、引起的劃痕損傷，提高表面質(zhì)量。研磨釆 用硬質(zhì)研磨盤。第紳掘免一、拋光加工的機(jī)理1）以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但是它僅利用極 少磨粒強(qiáng)制壓入產(chǎn)生作用。2）借助磨粒和拋光器與工件流動(dòng)摩擦使工件表面的凸凹變平。2013-9-22圖7-2拋光加工的模型第殲拋老二、研磨、拋光的加工變質(zhì)層不管采取什么加工方法，或多或少要在被加工表 面上產(chǎn)生加工變質(zhì)層，加工變質(zhì)層使工件材質(zhì)的結(jié)構(gòu)、 組織和組成遭到破壞或接近于破壞狀態(tài)，使工件襄面 的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能與母體材料不同，進(jìn)而影 響制成元件的性能，因此在超精密研產(chǎn)拋光中要求變 質(zhì)層越薄越好。硬脆蘆料研廉后的表面，從表層向里依次為：非 晶體層或多晶體層、鑲嵌

7、結(jié)構(gòu)層、畸走層和完全結(jié)晶 彗構(gòu)，從彈塑性力學(xué)的角度評(píng)價(jià)變質(zhì)層，依次為：極 薄的塑性流動(dòng)層、有異物混入的裂紋層、裂紋層、彈 性變形層和母體材料。金屬材料研磨后的加工表面變 廈層占硬脆材料類似。第紳拋蕪二、研磨、拋光的加工變質(zhì)層（接上頁）拋光加工后的加工變質(zhì)層，由表層向里依 次為：拋光應(yīng)力層、經(jīng)腐蝕出現(xiàn)的二次裂紋應(yīng) 力層、二次裂紋影響層和完全結(jié)晶層，整個(gè)加工變質(zhì)層深度約為3 pm。并且加工表面越粗,加工變質(zhì)層深度越大。在加工過程中的化學(xué)反應(yīng)對(duì)材料去除和減少加工變質(zhì)層有利O2013-9-22第占節(jié)希盡吋虜鳥掘老的i宴工藝素一、工藝因素及其選擇原則精密研磨與拋光力口工的主要工藝因素.金屬材料的麗網(wǎng)驚的

8、題材料和不產(chǎn)生裂紋的 k研磨方式：?jiǎn)蚊嫜心ズ碗p面研磨；紜芻陽鷲勻地加工工件扁具磨損要小并要求 總答譽(yù)盤：必須避免因工作面磨損和彈性變形引 第具材料：微細(xì)的磨粒和使磨粒對(duì)工件作用很淺的材 二簣：提供磨粒、排屑、冷卻和減輕不必要摩擦的第*節(jié)希密可虜鳥拋克的麥宴工藝素二、研磨與拋光設(shè)備減速機(jī)構(gòu)a). 一 b)圖7-3雙面平面研磨機(jī) 工作原理圖1 一內(nèi)齒輪2下研帯盤3上 研磨盤4 一小齒輪5工件6工件保持架（行星輪）圖74工件保持架作成行星輪形式a）工件保持架和內(nèi)齒輪、小垛輪嚙合b）不同工件保持架形式工件保持架齒面與設(shè)備的內(nèi)齒圈和太陽輪同時(shí)嚙合，2013-9-22使工件得到均勻不重復(fù)的加工軌跡。第呂節(jié)

9、皤橋可虜鳥拋蕪的殳要工藝因素二、研磨與拋光設(shè)備保證工件加工表面和研具表面上各點(diǎn)均有相同或相近的 被切削條件和切削條件: 工件相對(duì)研具作平面平行運(yùn)動(dòng)，使工件上各點(diǎn)具有相 同或相近的研磨行程。 工件上任一點(diǎn)不出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的周期性重復(fù)。 避免曲率過大的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角，保證研磨運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 保證工件走遍整個(gè)研具表面，以使研具磨損均勻，進(jìn) 而保證工件表面的平面度精度。 及時(shí)變換工件的運(yùn)動(dòng)方向，以減小表面粗糙度值，并 保證表面均勻一致。第M節(jié)皤橋可虜鳥拋宛的殳要工藝素研磨盤與拋光盤A研磨盤是用于涂敷或嵌入磨料的載體，使磨粒發(fā)揮 切削作用；A研磨盤是研磨表面的成型工具；A研磨盤本身的幾何精度按一定程度會(huì)“復(fù)印”到工

10、 件上，所以研磨盤的加工面要有較高的幾何精度。A對(duì)拋光盤的要求：1）拋光盤材料硬度一般比工件材料低，組織均勻致密、無雜質(zhì)、 異物、裂紋和缺陷，并有一定的磨料嵌入性和浸含性；2）機(jī)構(gòu)合理，有良好的剛性、精度保持性和耐磨性，工作表面 應(yīng)具有較高的幾何精度；3）排屑性和散熱性好。2013-9-22表7-4研磨盤及拋光盤材料及部分使用實(shí)例分類對(duì)象材料部分使用例材料金屬鑄鐵.碳鋼.工具鋼_般材料研磨 金剛石拋光非金 屬玻璃.陶瓷化合物半導(dǎo)體材料研磨軟質(zhì)材料金屬Sn、Pb. In、Cu焊料陶瓷拋光天然 樹脂松脂.焦油.蜜蠟.樹脂光學(xué)玻璃拋光 一般材料拋光合成 樹脂硬質(zhì)發(fā)泡聚氨酯PMMA （聚甲基丙烯酸甲酯

11、）、聚四氟乙烯 聚碳酸酯、聚氨酯橡膠光學(xué)玻璃拋光 一般材料拋光天然 皮革M ( ji)皮金屬拋光人工 皮革軟質(zhì)發(fā)泡聚氨酯 氟碳樹脂發(fā)泡體硅晶片拋光 化合物半導(dǎo)體材料拋光纖維非織布（毛氈）金屬材料拋光 一般材料拋光木材桐、杉.柳金屬模拋光研具表面開槽槽的形狀有：放射狀、網(wǎng)絡(luò)狀、同心圓狀和螺旋狀等。2013-9-22研具開槽的作用3）作為及時(shí)排屑的通道,防止研磨表面被劃傷。槽的形狀、寬度、深度和間距等根據(jù)工件材料性質(zhì)、 形狀及研磨面的加工精度而選擇。1）存儲(chǔ)多余磨粒，防止磨 料堆積而損傷工件表面；2）作為向工件供給磨粒的 通道；2013-9-22第召節(jié)皤橋可虜鳥拋蕪的殳要工藝因素四、磨粒磨粒按硬度

12、可分為：硬磨粒和軟磨粒。研磨用磨粒需要具有的性能：A磨粒形狀、尺寸均勻一致；A磨粒能適當(dāng)破碎，使切刃鋒利；A磨粒熔點(diǎn)要比工件熔點(diǎn)高；A磨粒在加工液中容易分散。拋光用磨粒還要考慮與工件材料作用的化學(xué)活性。通常研磨加工使用磨粒的硬度是工件材質(zhì)的 倍，有 時(shí)使用兩種以上磨粒的混合物。氧化缽 戦玻璃；S膠體戦 石英玻璃,硅片； 金剛石 込陶瓷；A12O3 SjC, Cr203 44RI系列金屬.2013-9-22第呂節(jié)皤橋可虜鳥拋蕪的殳要工藝因素五、加工液通常研磨加工拋光液由基液（水性或油性）、磨粒和添 加劑組成。作用:供給磨粒、排屑、冷卻和潤(rùn)滑。 對(duì)加工液的要求：A能有效散熱,避免研具和工件表面熱變

13、形；A粘性低，提高磨料的流動(dòng)性;A不會(huì)污染工件;A化學(xué)物理性能穩(wěn)定，不會(huì)因放置或溫升而分解變質(zhì);A能較好分散磨粒。添加劑作用是防止或延緩磨料沉淀,并對(duì)工件發(fā)揮化學(xué)昨用，以提高研磨拋光的加工效率和質(zhì)量。第呂節(jié)皤橋可虜鳥拋蕪的殳要工藝因素六、工藝參數(shù)A加工速度、加工壓力、加工時(shí)間以及研磨液和拋光 液的濃度是研磨與拋光加工的主要工藝參數(shù)。A加工速度過高，會(huì)因?yàn)殡x心力將加工液甩出工作區(qū),降低加工的平穩(wěn)性,加快研具磨損,影響加工精度。粗力口工用低速、高壓力；精加工用低速、低壓力。A在一定范圍內(nèi)增加加工壓力可提高研磨拋光效率;壓力減小對(duì)減小表面粗糙度有利。研磨液和拋光液的濃度增加，材料去除率增加，但濃度過

14、高，磨粒的堆積和阻塞會(huì)引起加工效率降低,引起加工質(zhì)量惡化。第樣精橋可虜拋蕪的新狀*一、無損傷拋光晶體材料的無損傷表面拋光技術(shù)是以不破壞極 薄表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)的加工單位進(jìn)行材料微量切除 加工的方法。無損傷表面拋光方法分為：機(jī)械微量去除拋光、 化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光。A機(jī)械微量去除拋光：只限定于磨粒作用區(qū)域 的機(jī)械拋光，其拋光效果取決于晶體和磨粒的 粒度、磨粒形狀、拋光盤保持拋光劑的性能等 物理特性。第樣睛橋可虜拋蕪的新牧*一、無損傷拋光A化學(xué)拋光：是在軟質(zhì)拋光盤上用化學(xué)液進(jìn)行 腐蝕拋光。優(yōu)點(diǎn)：沒有變形損傷層；缺點(diǎn)：有 腐蝕破壞層。A化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光分為干式化學(xué)機(jī)械拋光和 濕式化學(xué)機(jī)械拋光。/干式

15、化學(xué)機(jī)械拋光：借助施加機(jī)械能作用，引 起晶體表面發(fā)生物理化學(xué)變化，產(chǎn)生固相反應(yīng)。/濕式化學(xué)機(jī)械拋光：在機(jī)械作用同時(shí)施加化學(xué) 作用，借助加工中的摩擦熱和局部應(yīng)力應(yīng)變，并 由加工液促進(jìn)化學(xué)作用。2013-9-22加工壓力加工面懸浮液中微粒子 （0.1-0-01JLI 叫）軸向進(jìn)給工件非接觸狀態(tài)彈性發(fā)射加工（EEhl）的磨粒運(yùn)動(dòng)聚氨脂球第樣精橋可虜拋蕪的新狀*二、非接觸拋光非接觸拋光：工件與拋光盤在拋光中不發(fā)生接觸，僅 用拋光液中的微細(xì)粒子沖擊工件表面，獲得加工表面 完美結(jié)晶性和精確形狀，去除量為幾個(gè)到幾十個(gè)原子 級(jí)的拋光方法。可用于功能晶體材料（注重結(jié)晶完整性 和物理性能）和光學(xué)零件（注重表面粗糙

16、度和形狀精度） 的拋光。聚氨脂球加工頭邊回轉(zhuǎn)邊向工件表 面接近，微細(xì)粒子以接近水平的角 度與被加工材料碰撞，完成加工。/待嗎工面微細(xì)粒子的作用區(qū)域很微?。? 1-2mm）,在接近材料表面處產(chǎn)生最大 切應(yīng)力，既不使基體內(nèi)的位錯(cuò)、缺 陷等發(fā)生移動(dòng)，又能產(chǎn)生微量的彈 性艄進(jìn)行去除加工。數(shù)控彈性發(fā)射加工裝一圖為數(shù)控彈性發(fā)射加工裝 菴個(gè)裝置是一個(gè)二坐 標(biāo)k控系統(tǒng)，聚氨酯球裝 在數(shù)控主軸上，由變速電 動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其負(fù)載為2N。在加工硅片表面時(shí)，用直 徑為0.1 pm的氧化錯(cuò)微粉，以100m/s速度及水平面成 20的入射角向工件表面 發(fā)射，其加工精度可達(dá) 0.1 pm,表面粗糙度RaO. 0005 gm

17、以下。2013-9-22二二備環(huán)膜片泵2恒溫采統(tǒng)3變速電動(dòng)機(jī)4十字萍簣5數(shù)控主抽箱6加載桿7察氮砂球8撇光減和料9工件10容器11來具12 MX作臺(tái)性發(fā)射加工裝第樣精橋可虜拋蕪的新狀*fJl三、界面反應(yīng)拋光當(dāng)工件與摩擦界面處于高溫高壓狀態(tài)時(shí)，工件表面容易形成一 層化合物，在表層深度極淺的反應(yīng)物很容易通過研拋去除，最 終可高效地獲得表面粗糙度為數(shù)納米以下的完美表面，主要有 化學(xué)機(jī)械拋光和水合拋光兩種方法。是目前加工功能陶瓷元器 件基片精密加工的主要方法。A化學(xué)機(jī)械拋光(CMP, Chemical Mechanical Polishing),是目 前應(yīng)用最廣泛，拋光質(zhì)量和效率較高，技術(shù)比較成熟的一

18、種拋 光方法，從原理講可以加工任何材料。A水合拋光(Hydration Polishing)，是在拋光過程中，利用過 熱水蒸氣分子和水作用工件表面，在界面上形成水合化層(如 Al203),借助過熱水蒸氣，不是用游離磨粒，或在一個(gè)大氣壓的 水蒸氣環(huán)境條件下，利用外來的摩擦力從工件表面上將這水合 化層分離.去除，去除量是數(shù)所以可獲得無劃痕.平滑光 澤如忑騎變的潔凈表面，且拋光速度顯著提高。第樣睛橋可虜拋蕪的新牧*電、磁場(chǎng)輔助拋光電場(chǎng)和磁場(chǎng)輔助拋光加工（FFF，F(xiàn)ield-assisted Fine Finishing,或稱場(chǎng)致拋光）：通過控制電、磁 場(chǎng)的強(qiáng)弱控制磨粒對(duì)工件的作用力，進(jìn)行拋光。電場(chǎng)輔

19、助拋光：是指電泳拋光，它利用膠體粒 子在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的電泳現(xiàn)象進(jìn)行拋光。A磁場(chǎng)輔助拋光：主要包括磁性磨粒加工（下節(jié)介 紹）、磁流體拋光和磁流變加工（下節(jié)介紹）三種第樣精橋可虜拋蕪的新狀*四、電、磁場(chǎng)輔助拋光磁流體拋光有懸浮式和分離式兩種。懸浮式磁流體拋光：是將磨?；烊氪帕黧w中， 通過磁流體在磁場(chǎng)作用下的“浮置”作用進(jìn)行 拋光。它可以獲得 恥0001啊勺無變質(zhì)層加工 表面，并能研拋表面形狀復(fù)雜的工件；9JA分離式磁流體拋光：磨料不混入磁流體中， 利用磁流體向強(qiáng)磁場(chǎng)方向移動(dòng)的特性，通過橡 膠板等彈性體擠壓磨料，對(duì)工件進(jìn)行拋光。2013-9-22第5節(jié)曲而耐虜掘蕪牧*一、磁性磨粒加工磁性磨粒力口工

20、(Magnetic Abrasive Finishing, MAF): 利用磁性磨粒(由磨粒與鐵粉經(jīng)混合、燒結(jié)再粉碎至一 定粒度制成)對(duì)工件表面進(jìn)行研磨拋光。磁性磨粒加工時(shí)，工件放人由 兩磁極形成的磁場(chǎng)中，在工件 和磁極的間隙中放人磁性磨 料。在磁場(chǎng)力的作用下，磨料 沿磁力線方向整齊排列，形成 一只柔軟且具有一定剛性的“磁研磨刷”。當(dāng)工件在磁 場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)并作軸向振動(dòng)時(shí)，工 件與磨料發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，“磨 料刷”就對(duì)工件表面進(jìn)行研 磨加工。2013-9-22磁性磨粒加工特點(diǎn)： 通過改變磁場(chǎng)的強(qiáng)度可以容易地控制研磨壓力，加工過程可作 到全面自動(dòng)化； 由于磁極與工件表面之間有加工間隙，因此通過“磨料刷” 進(jìn)行柔性研磨，不但可用于圓柱和平面研磨，還可以進(jìn)行異形表 面及自由曲面的研磨； 對(duì)設(shè)備精度和剛度要求不高，沒有傳統(tǒng)精密設(shè)備的振動(dòng)或顫動(dòng) 等問題； 磨料沿加工表面不斷滾動(dòng)和更換位置，使其具有良好的自銳性; 磁性材料被約束在磁極之間，不會(huì)污染操作環(huán)境； 可使工件表面產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，提高工件的抗疲勞強(qiáng)度； 卿3妙削鐵磁性材