第1章超精密研磨與拋光

1、第第5章章 超精密研磨與拋光超精密研磨與拋光Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing5.1 研磨和拋光的概述研磨和拋光的概述n利用工件與研具相對運動，利用工件與研具相對運動，通過研磨劑作用而獲得高質(zhì)通過研磨劑作用而獲得高質(zhì)量、高精度的加工方法。量、高精度的加工方法。n研磨和拋光的歷史很長。研磨和拋光的歷史很長。n玉器。玉器。n中國古代的銅鏡。中國古代的銅鏡。n眼鏡，最早出現(xiàn)于眼鏡，最早出現(xiàn)于1289年的意大利佛羅倫薩。年的意大利佛羅倫薩。n望遠鏡和顯微鏡是在文藝望遠鏡和顯微鏡是在文藝復興時期發(fā)明的。復興時期發(fā)明的。現(xiàn)在，除已實現(xiàn)批量生產(chǎn)透鏡

2、和棱鏡外，現(xiàn)在，除已實現(xiàn)批量生產(chǎn)透鏡和棱鏡外，其加工水平已能完成光學鏡面和保證高其加工水平已能完成光學鏡面和保證高形狀精度的光學平晶、平行平晶以及具形狀精度的光學平晶、平行平晶以及具有特定曲率的球面等標準件的加工。有特定曲率的球面等標準件的加工。就實施超精密加工而言，在各種加工方就實施超精密加工而言，在各種加工方法中，研磨和拋光方法最為有力。法中，研磨和拋光方法最為有力。為適應零件加工的要求，不斷進行技術為適應零件加工的要求，不斷進行技術改造和開發(fā)新加工原理的超精密研磨和改造和開發(fā)新加工原理的超精密研磨和拋光技術。拋光技術。5.2 研磨和拋光的機理和特點研磨和拋光的機理和特點5.2.1 研磨研

3、磨加工的機理和特點加工的機理和特點n研磨加工通常使用研磨加工通常使用1m到幾十到幾十m的氧化鋁和的氧化鋁和碳化硅等磨粒和鑄鐵等硬質(zhì)材料的研具。碳化硅等磨粒和鑄鐵等硬質(zhì)材料的研具。磨粒的工作狀態(tài)磨粒的工作狀態(tài)磨粒在工件與研具之間磨粒在工件與研具之間進行轉(zhuǎn)動進行轉(zhuǎn)動;由研具面支承磨粒研磨由研具面支承磨粒研磨加工面加工面;1)1) 由工件支承磨粒研磨加由工件支承磨粒研磨加工面。工面。 研磨的機理研磨的機理由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三種研磨方法由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三種研磨方法的研磨表面狀態(tài)也不同。表面的形成，是在產(chǎn)生切屑、研具的磨損的研磨表面狀態(tài)也不同。表面的形成

4、，是在產(chǎn)生切屑、研具的磨損和磨粒破碎等綜合在一起的復雜情況下進行的。和磨粒破碎等綜合在一起的復雜情況下進行的。 n硬脆材料的研磨硬脆材料的研磨n微小破碎痕跡構成的無光澤面；n磨粒不是作用于鏡面而是作用在有凸凹和裂紋等處的表面上，并產(chǎn)生磨屑。 n金屬材料的研磨金屬材料的研磨 n表面沒有裂紋；n對于鋁材等軟質(zhì)材料，研磨時有很多磨粒被壓入材料內(nèi)；n對刀具和塊規(guī)等淬火工具鋼等可確保有塊規(guī)那樣的光澤表面。 5.2.2 拋光加工的機理和特點拋光加工的機理和特點n使用使用1m的微細磨粒；的微細磨粒；n軟質(zhì)材料拋光墊：瀝軟質(zhì)材料拋光墊：瀝青、石蠟、合成樹脂青、石蠟、合成樹脂和人造革等。和人造革等。n微小的磨粒

5、微小的磨微小的磨粒微小的磨粒被拋光器彈性地夾粒被拋光器彈性地夾持研磨工件。因而，持研磨工件。因而，磨粒對磨粒對工件的作用力工件的作用力很小，即使拋光脆性很小，即使拋光脆性材料也不會發(fā)生裂紋。材料也不會發(fā)生裂紋。拋光的加工機理拋光的加工機理n 由磨粒進行的機械拋光可塑性地生成切由磨粒進行的機械拋光可塑性地生成切屑。但是它僅利用極少磨粒強制壓入產(chǎn)屑。但是它僅利用極少磨粒強制壓入產(chǎn)生作用。生作用。n 借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸因變平。件表面的凸因變平。n 在加工液中進行化學性溶析。在加工液中進行化學性溶析。n 工件和磨粒之間有直接的化學反應而有工件

6、和磨粒之間有直接的化學反應而有助于上述現(xiàn)象。助于上述現(xiàn)象。 5.2.3 5.2.3 研磨的加工變質(zhì)層研磨的加工變質(zhì)層 n加工變質(zhì)層使工件材質(zhì)的結構、組織和組成遭到破壞或接近于破壞狀態(tài)。加工變質(zhì)層使工件材質(zhì)的結構、組織和組成遭到破壞或接近于破壞狀態(tài)。在變質(zhì)層部分存在變形和應力，還有其物理的和化學的影響等。硬度和在變質(zhì)層部分存在變形和應力，還有其物理的和化學的影響等。硬度和表面強度變化等機械性質(zhì)和耐腐蝕性等化學性質(zhì)也與基體材料不同。表面強度變化等機械性質(zhì)和耐腐蝕性等化學性質(zhì)也與基體材料不同。 n硬脆材料經(jīng)研磨后的表面硬脆材料經(jīng)研磨后的表面 ，經(jīng)研磨的單晶硅表面，使用氟、硝酸系列的經(jīng)研磨的單晶硅表面

7、，使用氟、硝酸系列的溶液進行化學浸蝕，依次去掉表層，用電子衍射法進行晶體觀察時，從溶液進行化學浸蝕，依次去掉表層，用電子衍射法進行晶體觀察時，從表層向內(nèi)部的順序為非晶體層或多晶體層、鑲嵌結構層、畸變層和完全表層向內(nèi)部的順序為非晶體層或多晶體層、鑲嵌結構層、畸變層和完全結晶結構。另外，從使用結晶結構。另外，從使用X射線衍射法的彈塑性學的觀點來評價，則表射線衍射法的彈塑性學的觀點來評價，則表層是由極小的塑性流動層構成，其下是有異物混人的裂紋層，再下則是層是由極小的塑性流動層構成，其下是有異物混人的裂紋層，再下則是裂紋層、彈性變形層和主體材料。裂紋層、彈性變形層和主體材料。n在研磨金屬材料時，雖不發(fā)

8、生破碎，但是磨粒轉(zhuǎn)動和刮削時，由于材料在研磨金屬材料時，雖不發(fā)生破碎，但是磨粒轉(zhuǎn)動和刮削時，由于材料承受了塑性變形，通常形成與上述硅片相類似的加工變質(zhì)層。相反，例承受了塑性變形，通常形成與上述硅片相類似的加工變質(zhì)層。相反，例如是多晶的金屬材料，則越接近被加工的表層，晶粒越微細，累積位錯如是多晶的金屬材料，則越接近被加工的表層，晶粒越微細，累積位錯在最表層，變成非晶質(zhì)狀態(tài)。在這部分，金屬與大氣中的活在最表層，變成非晶質(zhì)狀態(tài)。在這部分，金屬與大氣中的活性氧結合，性氧結合，變得活躍。另外，有時發(fā)生因塑性變形而使磨粒等容易嵌進金屬。變得活躍。另外，有時發(fā)生因塑性變形而使磨粒等容易嵌進金屬。 5.2.4

9、5.2.4拋光的加工變質(zhì)層拋光的加工變質(zhì)層n關于拋光的加工變質(zhì)層，即使工件是硬脆材料，拋光時也不會出現(xiàn)裂紋，加工變質(zhì)層的結構與深度應當與研磨有相當大的不同。 n由氧化鈰磨粒和瀝青研具精加工的石英振子鏡面，其加工變質(zhì)層的結構可使用氟化氨的飽和水溶液腐蝕來檢測。根據(jù)檢測結果得知，由表層向組織內(nèi)部的結構順序是拋光應力層，經(jīng)腐蝕出現(xiàn)的2次裂紋應力層，2次裂紋影響層和完全結晶層，整個深度為3um。 5.3 研磨和拋光的主要工藝因素研磨和拋光的主要工藝因素項項 目目內(nèi)內(nèi) 容容研磨法研磨法加工方式加工方式加工運動加工運動驅(qū)動方式驅(qū)動方式單面研磨、雙面研磨單面研磨、雙面研磨旋轉(zhuǎn)、往復旋轉(zhuǎn)、往復手動、機械驅(qū)動、

10、強制驅(qū)動、從動手動、機械驅(qū)動、強制驅(qū)動、從動研具研具材料材料形狀形狀表面狀態(tài)表面狀態(tài)硬質(zhì)、軟質(zhì)、人造、天然硬質(zhì)、軟質(zhì)、人造、天然平面、球面、非球面、圓柱面平面、球面、非球面、圓柱面有槽、有孔、無槽有槽、有孔、無槽磨粒磨粒種類種類材質(zhì)、形狀材質(zhì)、形狀粒徑粒徑金屬氧化物、金屬碳化物、氮化物、硼化物金屬氧化物、金屬碳化物、氮化物、硼化物硬度、韌性、形狀硬度、韌性、形狀0.01um幾十幾十um加工液加工液水質(zhì)水質(zhì)油質(zhì)油質(zhì)酸性酸性堿性、界面活性劑堿性、界面活性劑界面活性劑界面活性劑工件、研具相對速度工件、研具相對速度1100m/min加工壓力加工壓力0.0130N/cm2加工時間加工時間10h環(huán)境環(huán)境溫

11、溫 度度室溫設定溫度室溫設定溫度0.1 塵塵 埃埃利用凈化槽、凈化操作臺利用凈化槽、凈化操作臺5.4 超精密平面研磨和拋光n超精密研磨和拋光是加工誤差0.1 m，表面粗糙度Ra0.02 m的加工方法。n用于制造高精度高表面質(zhì)量的零件，如大規(guī)模集成電路的硅片，不僅要求極高的平面度，極小的表面粗糙度，而且要求表面無變質(zhì)層、無劃傷。光學平晶、量塊、石英振子基片平面，除要求極高平面度、極小表面粗糙度外，還要求兩端面嚴格平行。行星輪式雙面平面研磨機行星輪式雙面平面研磨機超精密平面研磨機n可以用單面研磨，也可以用雙面研磨。n進行高質(zhì)量平行平面研磨時，需使用雙面研磨。單面研磨機平面研磨的研具n為確保幾何形狀

12、精度，研磨端面小的高精度平面工件時要使用彈性變形小的研具；除特種玻璃外，可以用在加工成平面的金屬板上涂一層四氟乙烯，或鍍鉛和銦；n為獲得高的表面質(zhì)量，在工件材料較軟時，有時使用半軟質(zhì)（如錫）和軟質(zhì)（如瀝青）的研磨盤，主要問題是不易保持平面度，優(yōu)點是表面變質(zhì)層小、表面粗糙度小。拋光機n多頭、單頭拋光機Substrate CarrierPolishOverarmPolish TableSubstrate Carrier with Polish Overarm拋光墊形狀外貌拋光墊材料和類型Type I注入聚合物的毛氈注入聚合物的毛氈Type II微孔材料微孔材料Type III充填聚合物充填聚合物T

13、ype IV未充填聚合物未充填聚合物拋光墊的修整拋光前 拋光后修整器三種磨粒分布方式均勻分布型 任意分布型 成簇分布型拋光液類型拋光液類型絮狀拋光液絮狀拋光液膠狀拋光液膠狀拋光液高質(zhì)量平面的研磨拋光工藝規(guī)律高質(zhì)量平面的研磨拋光工藝規(guī)律n研磨運動軌跡應能達到研磨痕跡均勻分布，并且不重疊；研磨運動軌跡應能達到研磨痕跡均勻分布，并且不重疊；n硬質(zhì)研磨盤在精研修形后，可以獲得平面度很高的研磨表面，但要求很硬質(zhì)研磨盤在精研修形后，可以獲得平面度很高的研磨表面，但要求很嚴格的工藝條件。硬質(zhì)研磨盤要求材質(zhì)均勻，并有微孔容納微粉磨料。嚴格的工藝條件。硬質(zhì)研磨盤要求材質(zhì)均勻，并有微孔容納微粉磨料。n軟質(zhì)和半軟質(zhì)

14、研磨盤容易獲得表面變質(zhì)層小、和表面粗糙度極小的研磨軟質(zhì)和半軟質(zhì)研磨盤容易獲得表面變質(zhì)層小、和表面粗糙度極小的研磨拋光表面，主要問題是不易保持面型，不易獲得很高的平面度。拋光表面，主要問題是不易保持面型，不易獲得很高的平面度。n使用金剛石微粉等超硬磨料可以達到很高的研磨拋光效率。在最后精密使用金剛石微粉等超硬磨料可以達到很高的研磨拋光效率。在最后精密拋光硅片、光學玻璃、石英晶片時，使用拋光硅片、光學玻璃、石英晶片時，使用SiO2,CeO2微粉和軟質(zhì)研磨盤微粉和軟質(zhì)研磨盤容易得到表面變質(zhì)層和表面粗糙度小的優(yōu)質(zhì)表面，不易獲得很高的平面容易得到表面變質(zhì)層和表面粗糙度小的優(yōu)質(zhì)表面，不易獲得很高的平面度。

15、度。n研磨平行度要求很高的零件時，可采用上研磨盤浮動以消除上下研磨盤研磨平行度要求很高的零件時，可采用上研磨盤浮動以消除上下研磨盤不平行誤差；小研磨零件實行定期不平行誤差；小研磨零件實行定期180方位對換研磨，以消除因零件方位對換研磨，以消除因零件厚度不等造成上研磨盤傾斜而研磨表面不平行。厚度不等造成上研磨盤傾斜而研磨表面不平行。n在研磨劑中加入一定量的化學活性物質(zhì)，可以提高研磨拋光的效率和表在研磨劑中加入一定量的化學活性物質(zhì)，可以提高研磨拋光的效率和表面質(zhì)量。面質(zhì)量。圓柱面的研磨球面的研磨5.5 新原理的超精密研磨拋光新原理的超精密研磨拋光n傳統(tǒng)的研磨拋光方法是完全靠微細磨粒的機械傳統(tǒng)的研磨

16、拋光方法是完全靠微細磨粒的機械作用去除被研磨表面的材質(zhì)，達到很高的加工作用去除被研磨表面的材質(zhì)，達到很高的加工表面。表面。n最近出現(xiàn)新原理的研磨拋光方法其工作原理有最近出現(xiàn)新原理的研磨拋光方法其工作原理有些已不完全是純機械的去除，有些不用傳統(tǒng)的些已不完全是純機械的去除，有些不用傳統(tǒng)的研具和磨料。這些新的研磨拋光方法可以達到研具和磨料。這些新的研磨拋光方法可以達到分子級和原子級材料的去除，并達到相應的極分子級和原子級材料的去除，并達到相應的極高幾何精度和無缺陷無變質(zhì)層的加工表面。高幾何精度和無缺陷無變質(zhì)層的加工表面。n磨料：磨料：微細的微細的Al2O3磨粒磨粒n研具：研具：聚氨酯聚氨酯n加工液：

17、加工液：過濾水、蒸餾水、凈化水過濾水、蒸餾水、凈化水n機理：機理：將研磨操作浸入在含有磨粒的研磨劑中將研磨操作浸入在含有磨粒的研磨劑中進行，借助水波效果，利用浮游的微細磨粒進進行，借助水波效果，利用浮游的微細磨粒進行研磨加工。以磨粒的機械作用為中心，由加行研磨加工。以磨粒的機械作用為中心，由加工液進行磨粒的分散，起緩沖和冷卻作用。工液進行磨粒的分散，起緩沖和冷卻作用。n應用：應用：加工硅片，可以得到完全高質(zhì)量的鏡面。加工硅片，可以得到完全高質(zhì)量的鏡面。5.5.2 化學機械拋光化學機械拋光n微細磨粒軟質(zhì)拋光墊酸性（或堿性）液n利用磨粒的機械作用和加工液的腐蝕作用的雙重作用的加工方法5.5.3 非

18、接觸研磨技術非接觸研磨技術n非接觸研磨技術是以彈性發(fā)射加工（非接觸研磨技術是以彈性發(fā)射加工（EEM)的理的理論為基礎的。論為基礎的。 EEM方法是利用微方法是利用微細粒子在材料表面上滑細粒子在材料表面上滑動時去除材料的加工。動時去除材料的加工。微細粒子以接近水平的微細粒子以接近水平的角度與材料碰撞，在接角度與材料碰撞，在接近材料表面處產(chǎn)生最大近材料表面處產(chǎn)生最大的剪斷應力，既不使基的剪斷應力，既不使基體內(nèi)的位錯、缺陷等發(fā)體內(nèi)的位錯、缺陷等發(fā)生移動（塑性變形），生移動（塑性變形），又能產(chǎn)生微量的又能產(chǎn)生微量的“彈性彈性破壞破壞”，以進行去除加，以進行去除加工。工。彈性發(fā)射加工彈性發(fā)射加工EEM（

19、Elastic Emission Machining）n加工時研具于工件不接觸，使微細加工時研具于工件不接觸，使微細粒子在研具與工件表面之間自由狀粒子在研具與工件表面之間自由狀態(tài)流動，當使微細粒子撞擊工件表態(tài)流動，當使微細粒子撞擊工件表面時，則產(chǎn)生彈性破壞物質(zhì)的原子面時，則產(chǎn)生彈性破壞物質(zhì)的原子結合，從而獲得無干擾的加工表面。結合，從而獲得無干擾的加工表面。n加工單位為加工單位為0.1 m以下，原理上是以下，原理上是采用噴射粒子的加工方式，要盡量采用噴射粒子的加工方式，要盡量以小角度撞擊加工表面，其加工精以小角度撞擊加工表面，其加工精度接近于原子級，可獲得相當好的度接近于原子級，可獲得相當好的

20、表面。表面。n加工方法是使用聚氨酯球作加工頭，加工方法是使用聚氨酯球作加工頭，在微細粒子混合均勻的懸浮液中，在微細粒子混合均勻的懸浮液中，使加工頭邊回轉(zhuǎn)邊向工件表面靠近，使加工頭邊回轉(zhuǎn)邊向工件表面靠近，是混合液中的微細粒子在工件表面是混合液中的微細粒子在工件表面的微小面積（的微小面積（12mm）內(nèi)產(chǎn)生作）內(nèi)產(chǎn)生作用，進行加工。用，進行加工。n微細粒子撞擊工件表面時，在接觸點產(chǎn)生高溫高壓。微細粒子撞擊工件表面時，在接觸點產(chǎn)生高溫高壓。高溫使工件表層原子晶格中空位增大；高壓使磨粒的高溫使工件表層原子晶格中空位增大；高壓使磨粒的原子擴散到工件表層的原子空位上，工件表層的原子原子擴散到工件表層的原子空

21、位上，工件表層的原子也擴散到磨粒中。擴散到工件中的磨粒原子成為表層也擴散到磨粒中。擴散到工件中的磨粒原子成為表層的雜質(zhì)原子，減弱了本體原子的聯(lián)系。的雜質(zhì)原子，減弱了本體原子的聯(lián)系。EEM方法的剪切作用n加了速的微小加了速的微小粒子彈性沖擊粒子彈性沖擊被加工表面的被加工表面的原子晶格，使原子晶格，使表層不平的原表層不平的原子晶格受到極子晶格受到極大的剪切力，大的剪切力，從而移去這層從而移去這層不平的原子，不平的原子，這是不需經(jīng)過這是不需經(jīng)過擴散過程的機擴散過程的機械作用的結果。械作用的結果。彈性發(fā)射彈性發(fā)射加工裝置加工裝置n對聚氨酯對聚氨酯球的加工球的加工頭和工作頭和工作臺采用數(shù)臺采用數(shù)控裝置，

22、控裝置，則能進行則能進行曲面加工曲面加工。非接觸研磨加工裝置n半導體基板、半導體基板、各種晶體、玻各種晶體、玻璃基板的非接璃基板的非接觸研磨裝置。觸研磨裝置。n研具是使用有研具是使用有輻射狀傾斜平輻射狀傾斜平面組成的圓環(huán)面組成的圓環(huán)裝平板。平面裝平板。平面工件放在圓環(huán)工件放在圓環(huán)中。中。動壓效應動壓效應n當圓盤在液當圓盤在液體中回轉(zhuǎn)時，體中回轉(zhuǎn)時，在傾斜平面在傾斜平面部位產(chǎn)生動部位產(chǎn)生動壓效應，使壓效應，使平面板上浮，平面板上浮，工件將是懸工件將是懸浮狀態(tài)，由浮狀態(tài)，由微細粒子進微細粒子進行研磨。行研磨。浮動拋光浮動拋光 浮動拋光（浮動拋光（Float PolishingFloat Polis

23、hing）使用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫）使用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤，使拋光盤及工件高速回轉(zhuǎn)，在二者之間拋光液呈動壓流體狀態(tài)，形成一層液拋光盤，使拋光盤及工件高速回轉(zhuǎn)，在二者之間拋光液呈動壓流體狀態(tài)，形成一層液膜，從而使工件在浮起狀態(tài)下進行拋光。膜，從而使工件在浮起狀態(tài)下進行拋光。 19771977年，年，NambaNamba和和TsuwaTsuwa首次使用了浮動拋光加工藍寶石單晶體時表面粗首次使用了浮動拋光加工藍寶石單晶體時表面粗糙度低于糙度低于1nm1nm。此技術發(fā)展應用到拋光不銹鋼、鑄鐵、鎳等金屬（。此技術發(fā)展應用到拋光不銹鋼、鑄鐵、鎳等金屬（19801

24、980），以及硼硅），以及硼硅酸鹽玻璃，熔融硅和低膨脹系數(shù)等光學材料（酸鹽玻璃，熔融硅和低膨脹系數(shù)等光學材料（1980-19871980-1987），工件表面粗糙度達到了），工件表面粗糙度達到了1-2 1-2 。 TougeTouge和和MatsuoMatsuo（19961996）研究了鐵酸鹽多晶體的浮動拋光，采用金剛石磨料，）研究了鐵酸鹽多晶體的浮動拋光，采用金剛石磨料，其拋光速度要比傳統(tǒng)拋光方法高其拋光速度要比傳統(tǒng)拋光方法高2.72.7倍。目前，采用浮動拋光方法拋光計算機磁頭的倍。目前，采用浮動拋光方法拋光計算機磁頭的磁隙面，可防止出現(xiàn)晶界差，獲得磁隙面，可防止出現(xiàn)晶界差，獲得Rz2nmRz2nm的表面粗糙度。于浮動拋光容易獲得很高精的表面粗糙度。于浮動拋光容易獲得很高精度的平面形狀，可用于光學平晶，鈮酸鋰、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工。度的平面形狀，可用于光學平晶，鈮酸鋰、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工。水面滑行拋光水面滑行