超精密研磨及拋光-2

1、本科生專業(yè)課程本科生專業(yè)課程 超精密研磨與拋光超精密研磨與拋光鄧建新鄧建新 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院20102010年年1010月月精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固結(jié)磨固結(jié)磨料加工料加工固結(jié)磨具固結(jié)磨具砂輪磨削砂輪磨削油石研磨油石研磨精密珩磨精密珩磨涂覆磨具涂覆磨具砂帶磨削砂帶磨削砂帶研拋砂帶研拋游離磨游離磨料加工料加工精密研磨精密研磨精密拋光精密拋光手工研磨手工研磨擠壓研磨擠壓研磨第一節(jié)第一節(jié)研磨拋光機(jī)理研磨拋光機(jī)理p 往往更加注重加工往往更加注重加工表面質(zhì)量表面質(zhì)量p 表面質(zhì)量?jī)?nèi)涵更廣，表面質(zhì)量?jī)?nèi)涵更廣，包括：包括：表面組織結(jié)構(gòu)、表面組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、應(yīng)變、表面硬度

2、、表面粗糙度、殘余應(yīng)力、應(yīng)變、表面硬度、表面粗糙度、殘余應(yīng)力、表面裂紋、表面成分等應(yīng)力、表面裂紋、表面成分等。研磨特點(diǎn)研磨特點(diǎn)1.不選擇切削用量不選擇切削用量，只限定壓強(qiáng)和加工時(shí)間只限定壓強(qiáng)和加工時(shí)間。2.研磨是在良好的預(yù)加工基礎(chǔ)上進(jìn)行的研磨是在良好的預(yù)加工基礎(chǔ)上進(jìn)行的，加工余量小加工余量小。3.研磨過程中工件與研具的接觸是研磨過程中工件與研具的接觸是隨機(jī)的隨機(jī)的，可使高點(diǎn)相可使高點(diǎn)相互修整，逐步減少誤差互修整，逐步減少誤差。4.降低表面粗糙度效果明顯降低表面粗糙度效果明顯，提高精度不明顯提高精度不明顯，生產(chǎn)率生產(chǎn)率低。低。5.研磨可加工研磨可加工鋼、鑄鐵、銅、鋁及其合金、半導(dǎo)體、陶鋼、鑄鐵、

3、銅、鋁及其合金、半導(dǎo)體、陶瓷、玻璃、塑料瓷、玻璃、塑料等材料；且不需要復(fù)雜和高精度設(shè)備，等材料；且不需要復(fù)雜和高精度設(shè)備，方法簡(jiǎn)便可靠，容易保證質(zhì)量。方法簡(jiǎn)便可靠，容易保證質(zhì)量。超精密研磨加工機(jī)理超精密研磨加工機(jī)理p 研磨：研磨：工件、磨料工件、磨料(較粗較粗)、研具、研具(硬質(zhì)硬質(zhì))、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng) 磨料在工件和研具之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，磨料不是固定的。磨料在工件和研具之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，磨料不是固定的。 由研具面支撐磨料研磨加工。由研具面支撐磨料研磨加工。 超精密研磨加工機(jī)理和特點(diǎn)超精密研磨加工機(jī)理和特點(diǎn) 研具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向經(jīng)常改變。研具與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向經(jīng)常改變。 研具的形狀要復(fù)印在工

4、件上，研具形狀應(yīng)盡可能研具的形狀要復(fù)印在工件上，研具形狀應(yīng)盡可能理想。理想。p 研磨：研磨：是產(chǎn)生切屑、研具磨損、磨粒破碎是產(chǎn)生切屑、研具磨損、磨粒破碎等綜合在一起的復(fù)雜情況下進(jìn)行的等綜合在一起的復(fù)雜情況下進(jìn)行的研磨模型研磨模型p 研磨加工的優(yōu)點(diǎn)：研磨加工的優(yōu)點(diǎn)：被加工表面粗糙度小，被加工表面粗糙度小，變質(zhì)層小，表面質(zhì)量高，研磨裝置簡(jiǎn)單變質(zhì)層小，表面質(zhì)量高，研磨裝置簡(jiǎn)單p 研磨加工的缺點(diǎn)：研磨加工的缺點(diǎn)：加工速度低，時(shí)間長，加工速度低，時(shí)間長，效率低。效率低。硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨p 硬脆材料研磨時(shí)，容易產(chǎn)生硬脆材料研磨時(shí)，容易產(chǎn)生微裂紋微裂紋。p 研磨過程：研磨過程：裂紋產(chǎn)

5、生、裂紋擴(kuò)展、微小破碎裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展、微小破碎、脫落、產(chǎn)生磨屑、脫落、產(chǎn)生磨屑。p 研磨時(shí)，如何控制裂紋大小是研磨時(shí)，如何控制裂紋大小是關(guān)鍵關(guān)鍵。硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨Abrasive particlePlastic zonehLateral crackMedian-radial crack CL超精密研磨超精密研磨硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨硬脆材料的超精密研磨金屬材料的超精密研磨金屬材料的超精密研磨 金屬材料研磨時(shí)，不產(chǎn)生金屬材料研磨時(shí)，不產(chǎn)生裂紋裂紋。 磨料的研磨作用相當(dāng)于磨料的研磨作用相當(dāng)于普

6、通切削和磨削普通切削和磨削的切削的切削深度極小時(shí)的狀態(tài)。深度極小時(shí)的狀態(tài)。 由于磨料處于游離狀態(tài)，難以形成由于磨料處于游離狀態(tài)，難以形成連續(xù)切削連續(xù)切削。 通過轉(zhuǎn)動(dòng)和加壓，磨料與工件間存在通過轉(zhuǎn)動(dòng)和加壓，磨料與工件間存在斷續(xù)研磨斷續(xù)研磨作用。作用。金屬材料的超精密研磨金屬材料的超精密研磨 Brittle mode Ductile mode超精密拋光超精密拋光加工加工機(jī)理和特點(diǎn)機(jī)理和特點(diǎn)p 拋光：拋光：工件、磨料工件、磨料(較細(xì)較細(xì))、拋光器、拋光器(軟質(zhì)軟質(zhì))、相、相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)運(yùn)動(dòng)。拋光模型拋光模型用涂有用涂有拋光膏拋光膏的軟輪（拋光輪）高速旋轉(zhuǎn)的軟輪（拋光輪）高速旋轉(zhuǎn)（或往復(fù)運(yùn)（或往復(fù)運(yùn)動(dòng)）

7、動(dòng)）對(duì)工件進(jìn)行微弱切削，從而降低工件表面粗糙度，對(duì)工件進(jìn)行微弱切削，從而降低工件表面粗糙度，提高光亮度的一種精密加工方法提高光亮度的一種精密加工方法。軟輪用皮革、毛氈、帆布軟輪用皮革、毛氈、帆布等材料疊制而成，具有一定等材料疊制而成，具有一定彈性彈性。拋光膏由。拋光膏由磨料和油脂磨料和油脂（油酸、硬脂酸、煤油、石（油酸、硬脂酸、煤油、石蠟）調(diào)制而成。蠟）調(diào)制而成。拋光不能提高拋光不能提高尺寸精度、形狀精度和位置精度。尺寸精度、形狀精度和位置精度。超精密拋光超精密拋光加工機(jī)理和特點(diǎn)加工機(jī)理和特點(diǎn)超精密拋光超精密拋光加工機(jī)理和特點(diǎn)加工機(jī)理和特點(diǎn)p 拋光原理與特點(diǎn)拋光原理與特點(diǎn) 工作原理與研磨類似，

8、加工表面質(zhì)量工作原理與研磨類似，加工表面質(zhì)量更高。更高。 磨料磨料更細(xì)。更細(xì)。 研具為研具為軟質(zhì)軟質(zhì)材料。材料。 即使拋光脆性材料也即使拋光脆性材料也不產(chǎn)生裂紋。不產(chǎn)生裂紋。p 拋光加工機(jī)理拋光加工機(jī)理 塑性生成切屑。塑性生成切屑。 磨料和拋光器與工件間的流動(dòng)摩擦作用，使工磨料和拋光器與工件間的流動(dòng)摩擦作用，使工件表面的凸凹變平。件表面的凸凹變平。 在加工液中進(jìn)行化學(xué)性溶析。在加工液中進(jìn)行化學(xué)性溶析。 磨料與工件間直接化學(xué)反應(yīng)。磨料與工件間直接化學(xué)反應(yīng)。超精密拋光硬質(zhì)合金表面超精密拋光硬質(zhì)合金表面超精密拋光超精密拋光Al2O3基陶瓷刀具表面基陶瓷刀具表面超精密拋光超精密拋光Si3N4基陶瓷刀具

9、表面基陶瓷刀具表面超精密拋光的陶瓷表面超精密拋光的陶瓷表面超精密拋光晶須增韌陶瓷表面超精密拋光晶須增韌陶瓷表面超精密拋光晶須增韌陶瓷表面超精密拋光晶須增韌陶瓷表面超精密拋光的陶瓷表面超精密拋光的陶瓷表面超精密拋光超精密拋光Al2O3/TiC陶瓷表面陶瓷表面超精密拋光純超精密拋光純Al2O3陶瓷表面陶瓷表面投射電鏡投射電鏡TEMTEM照片照片超精密拋光鑄鐵材料表面超精密拋光鑄鐵材料表面超精密拋光的纖維增強(qiáng)材料表面超精密拋光的纖維增強(qiáng)材料表面硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)涂層硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)涂層硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)梯度陶瓷拋光表面梯度陶瓷拋光表面自潤滑刀具表面潤滑膜自潤滑刀具表面潤滑膜表面壓痕表面壓

10、痕電火花加工表面電火花加工表面涂層照片涂層照片元素?cái)U(kuò)散元素?cái)U(kuò)散Ti-6Al-4V Carbide AInterfaceTiWTi-6Al-4V Carbide AInterfaceTiWCoCoo(a) (b)超精密拋光涂層界面超精密拋光涂層界面涂層刻劃痕跡涂層刻劃痕跡研磨、拋光加工變質(zhì)層研磨、拋光加工變質(zhì)層 不管采用什么加工方法，材料加工部位均會(huì)產(chǎn)生不管采用什么加工方法，材料加工部位均會(huì)產(chǎn)生變變質(zhì)層質(zhì)層。 變質(zhì)層的存在會(huì)對(duì)材料的變質(zhì)層的存在會(huì)對(duì)材料的物理、化學(xué)、機(jī)械、電、物理、化學(xué)、機(jī)械、電、磁、光學(xué)等性能磁、光學(xué)等性能產(chǎn)生顯著影響，影響工件的使用性產(chǎn)生顯著影響，影響工件的使用性能。能。 加

11、工變質(zhì)層包括：加工變質(zhì)層包括：表面表面微裂紋微裂紋、表面組織、表面結(jié)、表面組織、表面結(jié)構(gòu)、表面應(yīng)力、表面應(yīng)變、表面硬度、表面粗糙度構(gòu)、表面應(yīng)力、表面應(yīng)變、表面硬度、表面粗糙度、殘余應(yīng)力、表面成分。、殘余應(yīng)力、表面成分。第二節(jié)第二節(jié) 精密精密研磨、拋光的主要工藝因素研磨、拋光的主要工藝因素 研磨方法研磨方法(單面、雙面、旋轉(zhuǎn)、往復(fù)單面、雙面、旋轉(zhuǎn)、往復(fù))； 研磨工具（研具）研磨工具（研具）(材料、形狀、表面狀態(tài)。材料、形狀、表面狀態(tài)。鑄鑄鐵、軟布、樹脂、橡膠、塑料鐵、軟布、樹脂、橡膠、塑料)； 磨粒（磨料）磨粒（磨料）(種類、材質(zhì)、粗細(xì)種類、材質(zhì)、粗細(xì)) 加工液加工液(研磨液研磨液) 壓力、速度

12、、時(shí)間壓力、速度、時(shí)間 環(huán)境環(huán)境雙面雙面研磨機(jī)研磨機(jī)研磨加工設(shè)備研磨加工設(shè)備研磨（拋光）工具研磨（拋光）工具 研磨工具：研磨工具：磨損要小，容易修正精度。磨損要小，容易修正精度。 研具工作面的形狀精度會(huì)反映到工件上，必須減研具工作面的形狀精度會(huì)反映到工件上，必須減小因研具磨損和變形引起的精度下降。小因研具磨損和變形引起的精度下降。拋光工具拋光工具研磨磨料研磨磨料研磨磨料研磨磨料第三節(jié)第三節(jié)超精密平面研磨拋光超精密平面研磨拋光 大規(guī)模集成電路的硅片大規(guī)模集成電路的硅片，不僅要求極高的平面度，極，不僅要求極高的平面度，極小的表面粗糙度，還要求表面無變質(zhì)層、無劃傷。小的表面粗糙度，還要求表面無變質(zhì)層

13、、無劃傷。 其他：其他：光學(xué)平晶、量塊、石英振動(dòng)子基片等。光學(xué)平晶、量塊、石英振動(dòng)子基片等。一般在精密平面研磨機(jī)上進(jìn)行研磨 研具：研具：通過研磨使研具的平面狀態(tài)復(fù)印到工通過研磨使研具的平面狀態(tài)復(fù)印到工件上。件上。 常用研具：常用研具：特殊玻璃、金屬板上涂一層四氟特殊玻璃、金屬板上涂一層四氟乙烯和鍍鉛和銦、錫盤、瀝青盤。乙烯和鍍鉛和銦、錫盤、瀝青盤。獲得高質(zhì)量平面研磨拋光的工藝規(guī)律獲得高質(zhì)量平面研磨拋光的工藝規(guī)律 研磨運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)均勻分布且不重疊研磨運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)均勻分布且不重疊由研磨機(jī)的行由研磨機(jī)的行星運(yùn)動(dòng)保證。星運(yùn)動(dòng)保證。 研磨盤要求材質(zhì)均勻，并有微細(xì)孔容納微粉磨料研磨盤要求材質(zhì)均勻，并有微細(xì)孔容

14、納微粉磨料，修形后可獲得平面度很高的研磨表面。修形后可獲得平面度很高的研磨表面。 軟質(zhì)（半軟質(zhì)）研磨盤：容易獲得粗糙度極小軟質(zhì)（半軟質(zhì)）研磨盤：容易獲得粗糙度極小和變和變質(zhì)層小的表面，但平面度不高。質(zhì)層小的表面，但平面度不高。獲得高質(zhì)量平面研磨拋光的工藝規(guī)律獲得高質(zhì)量平面研磨拋光的工藝規(guī)律 使用金剛石超硬磨料研磨和拋光使用金剛石超硬磨料研磨和拋光效率更高。效率更高。 研磨平面度要求很高的零件時(shí)，可研磨平面度要求很高的零件時(shí)，可使用浮動(dòng)研磨盤使用浮動(dòng)研磨盤，以消除誤差。以消除誤差。 為提高效率，可在研磨劑中加為提高效率，可在研磨劑中加化學(xué)活性物質(zhì)化學(xué)活性物質(zhì)。 避免粗磨料、空氣中灰塵等混入，否則

15、將使研磨表面避免粗磨料、空氣中灰塵等混入，否則將使研磨表面劃傷劃傷，達(dá)不到高質(zhì)量研磨要求。，達(dá)不到高質(zhì)量研磨要求。a.傳統(tǒng)研磨拋光：傳統(tǒng)研磨拋光：完全依靠微細(xì)磨料的機(jī)械完全依靠微細(xì)磨料的機(jī)械作用去除被研磨材質(zhì)作用去除被研磨材質(zhì)b.研磨拋光新工藝：其原理不完全是機(jī)械式研磨拋光新工藝：其原理不完全是機(jī)械式去除，如去除，如機(jī)械作用機(jī)械作用+化學(xué)作用化學(xué)作用等等第四節(jié)第四節(jié) 超精密超精密研磨和拋光新工藝研磨和拋光新工藝液中研磨、拋光液中研磨、拋光將研磨、拋光操作浸入在含將研磨、拋光操作浸入在含磨料的磨料的研磨劑中研磨劑中，借助于水波效果，利用浮，借助于水波效果，利用浮游的細(xì)磨料顆粒進(jìn)行研磨加工。游的細(xì)

16、磨料顆粒進(jìn)行研磨加工。2.機(jī)械化學(xué)研磨、拋光機(jī)械化學(xué)研磨、拋光 在腐蝕液中加有磨料，對(duì)工件在腐蝕液中加有磨料，對(duì)工件邊腐蝕邊加工邊腐蝕邊加工。 利用磨料本身或研磨劑與工件之間的利用磨料本身或研磨劑與工件之間的化學(xué)作用化學(xué)作用，對(duì)工，對(duì)工件進(jìn)行研磨拋光。件進(jìn)行研磨拋光。 在腐蝕液中研磨，是為了利用腐蝕液的在腐蝕液中研磨，是為了利用腐蝕液的腐蝕作用腐蝕作用，提，提高效率。高效率。 工件與研磨液或磨料進(jìn)行工件與研磨液或磨料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)，可促進(jìn)研磨的進(jìn)，可促進(jìn)研磨的進(jìn)行。行。機(jī)理：機(jī)理：機(jī)械機(jī)械+化學(xué)作用，稱為化學(xué)作用，稱為“增壓活化增壓活化”。拋光工具活性拋光液 機(jī)械化學(xué)拋光小間隙工件工具運(yùn)動(dòng)方向加壓工作原理工作原理拋光工具上開有鋸齒槽拋光工具上開有鋸齒槽，靠楔形擠壓和拋光液的，靠楔形擠壓和拋光液的反彈，增加微切削作用。反彈，增加微切削作用。機(jī)理：機(jī)理：微切削作用微切削作用。拋光工具 液體動(dòng)力拋光小間隙工件工具運(yùn)動(dòng)