第7章精密研磨與拋光

2023/2/67.1研磨7.2拋光7.3精密研磨與拋光的主要工藝因素7.4精密研磨拋光新技術(shù)7.5曲面研磨拋光技術(shù)

2023/2/6第7章精密研磨與拋光2023/2/6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。超精密研磨拋光具有獨(dú)特的加工原理，對加工設(shè)備和環(huán)境因素要求不高，可以實(shí)現(xiàn)納米級甚至原子級的加工，已經(jīng)成為超精密加工技術(shù)中一個(gè)十分重要的部分。精密研磨與拋光加工涉及的材料：金屬材料，硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料，藍(lán)寶石、鈮酸鋰等光電子材料，壓電材料，磁性材料，光學(xué)材料等。第7章精密研磨與拋光2023/2/61.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，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工件表面進(jìn)行刻劃，實(shí)現(xiàn)微切削加工；3）磨粒對工件表面的滾軋與微量刻劃同時(shí)作用。一、研磨加工的機(jī)理第1節(jié)研磨研磨加工：利用硬度比被加工材料更高的微米級磨粒，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。2023/2/62.硬脆材料的研磨

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，產(chǎn)生滾軋效果。在給磨粒加壓時(shí)，就在硬脆材料加工表面的拉伸應(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。研磨脆硬材料時(shí)，要控制產(chǎn)生裂紋的大小和均勻性。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。2023/2/63.金屬材料的研磨當(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，不會發(fā)生脆性材料那樣的破碎和裂紋。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)。研磨表面不會產(chǎn)生裂紋。但研磨鋁、銅等軟質(zhì)材料時(shí)，磨粒會被壓入工件材料內(nèi)，影響表面質(zhì)量。2023/2/6二、研磨加工特點(diǎn)第1節(jié)研磨1.微量切削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1μm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、滾動，可實(shí)現(xiàn)多方向切削。2023/2/6二、研磨加工特點(diǎn)第1節(jié)研磨3.按進(jìn)化原理成形當(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。超精密研磨的加工精度與構(gòu)成相對運(yùn)動的機(jī)床運(yùn)動精度幾乎無關(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，以及相對運(yùn)動軌跡的形態(tài)等因素決定。獲得理想加工表面要求：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運(yùn)動軌跡不重復(fù)，以減小研具表面的幾何形狀誤差對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，采用浮動的研磨盒，可以保證加工質(zhì)量。2023/2/6第2節(jié)拋光拋光加工：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：磨料。拋光使用1μm以下的微細(xì)磨粒。研磨是采用微米級磨粒。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)自動調(diào)整磨粒的切削深度、減緩較大磨粒對加工表面引起的劃痕損傷，提高表面質(zhì)量。研磨采用硬質(zhì)研磨盤。2023/2/61）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摩擦使工件表面的凸凹變平。一、拋光加工的機(jī)理第2節(jié)拋光2023/2/6

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)，使工件表面的力學(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，因此在超精密研磨拋光中要求變質(zhì)層越薄越好。硬脆材料研磨后的表面，從表層向里依次為：非晶體層或多晶體層、鑲嵌結(jié)構(gòu)層、畸變層和完全結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從彈塑性力學(xué)的角度評價(jià)變質(zhì)層，依次為：極薄的塑性流動層、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質(zhì)層與硬脆材料類似。二、研磨、拋光的加工變質(zhì)層第2節(jié)拋光2023/2/6

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3μm。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)對材料去除和減少加工變質(zhì)層有利。二、研磨、拋光的加工變質(zhì)層（接上頁）第2節(jié)拋光2023/2/6精密研磨與拋光加工的主要工藝因素：加工條件：對殘留有裂紋的硬脆材料和不產(chǎn)生裂紋的金屬材料的加工條件不同；研磨方式：單面研磨和雙面研磨；研磨機(jī)：應(yīng)能均勻地加工工件，研具磨損要小并要求能容易修整精度；研具和拋光盤：必須避免因工作面磨損和彈性變形引起精度下降；研具材料：微細(xì)的磨粒和使磨粒對工件作用很淺的材料；加工液：提供磨粒、排屑、冷卻和減輕不必要摩擦的效果。第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素一、工藝因素及其選擇原則2023/2/6第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素二、研磨與拋光設(shè)備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，使工件得到均勻不重復(fù)的加工軌跡。2023/2/6第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素二、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：①工件相對研具作平面平行運(yùn)動，使工件上各點(diǎn)具有相同或相近的研磨行程。②工件上任一點(diǎn)不出現(xiàn)運(yùn)動軌跡的周期性重復(fù)。③避免曲率過大的運(yùn)動轉(zhuǎn)角，保證研磨運(yùn)動平穩(wěn)。④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。⑤及時(shí)變換工件的運(yùn)動方向，以減小表面粗糙度值，并保證表面均勻一致。2023/2/6第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素三、研磨盤與拋光盤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；研磨盤是研磨表面的成型工具；研磨盤本身的幾何精度按一定程度會“復(fù)印”到工件上，所以研磨盤的加工面要有較高的幾何精度。對拋光盤的要求：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。2023/2/6分類對象材料部分使用例硬質(zhì)材料金屬鑄鐵、碳鋼、工具鋼一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)材料軟質(zhì)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）、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麂（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、柳金屬模拋光表7-4研磨盤及拋光盤材料及部分使用實(shí)例2023/2/6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。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。研具開槽的作用：1)存儲多余磨粒，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；3)作為及時(shí)排屑的通道，防止研磨表面被劃傷。2023/2/6第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素四、磨粒磨粒按硬度可分為：硬磨粒和軟磨粒。研磨用磨粒需要具有的性能：磨粒形狀、尺寸均勻一致；磨粒能適當(dāng)破碎，使切刃鋒利；磨粒熔點(diǎn)要比工件熔點(diǎn)高；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2倍，有時(shí)使用兩種以上磨粒的混合物。氧化鈰玻璃；SiO2膠體石英玻璃,硅片；金剛石陶瓷；Al2O3,SiC,Cr2O3

鋼系列金屬.拋光拋光拋光拋光2023/2/6第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素五、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、冷卻和潤滑。對加工液的要求：能有效散熱，避免研具和工件表面熱變形；粘性低，提高磨料的流動性；不會污染工件；化學(xué)物理性能穩(wěn)定，不會因放置或溫升而分解變質(zhì)；能較好分散磨粒。添加劑作用是防止或延緩磨料沉淀，并對工件發(fā)揮化學(xué)作用，以提高研磨拋光的加工效率和質(zhì)量。2023/2/6第3節(jié)精密研磨與拋光的主要工藝因素六、工藝參數(shù)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)。加工速度過高，會因?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。粗加工用低速、高壓力；精加工用低速、低壓力。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，但濃度過高，磨粒的堆積和阻塞會引起加工效率降低，引起加工質(zhì)量惡化。2023/2/6第4節(jié)精密研磨拋光的新技術(shù)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。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。2023/2/6第4節(jié)精密研磨拋光的新技術(shù)一、無損傷拋光化學(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?；瘜W(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。2023/2/6第4節(jié)精密研磨拋光的新技術(shù)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)原子級的拋光方法?？捎糜诠δ芫w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。微細(xì)粒子的作用區(qū)域很微小(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，又能產(chǎn)生微量的彈性破壞，進(jìn)行去除加工。2023/2/6圖為數(shù)控彈性發(fā)射加工裝置。整個(gè)裝置是一個(gè)三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)，聚氨酯球裝在數(shù)控主軸上，由變速電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，其負(fù)載為2N。在加工硅片表面時(shí)，用直徑為0.1μm的氧化鋯微粉，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)±0.1μm，表面粗糙度Ra0.0005μm以下。數(shù)控彈性發(fā)射加工裝置2023/2/6第4節(jié)精密研磨拋光的新技術(shù)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?；瘜W(xué)機(jī)械拋光(CMP,ChemicalMechanicalPolishing),是目前應(yīng)用最廣泛,拋光質(zhì)量和效率較高,技術(shù)比較成熟的一種拋光方法,從原理講可以加工任何材料。水合拋光(HydrationPolishing),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Al2O3),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、無畸變的潔凈表面,且拋光速度顯著提高。2023/2/6第4節(jié)精密研磨拋光的新技術(shù)四、電、磁場輔助拋光電場和磁場輔助拋光加工(FFF,Field-assistedFineFinishing,或稱場致拋光)：通過控制電、磁場的強(qiáng)弱控制磨粒對工件的作用力，進(jìn)行拋光。電場輔助拋光：是指電泳拋光，它利用膠體粒子在電場作用下產(chǎn)生的電泳現(xiàn)象進(jìn)行拋光。磁場輔助拋光：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。2023/2/6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，通過磁流體在磁場作用下的“浮置”作用進(jìn)行拋光。它可以獲得的無變質(zhì)層加工表面,并能研拋表面形狀復(fù)雜的工件；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)磁場方向移動的特性，通過橡膠板等彈性體擠壓磨料，對工件進(jìn)行拋光。第4節(jié)精密研磨拋光的新技術(shù)四、電、磁場輔助拋光2023/2/6第5節(jié)曲面研磨拋光技術(shù)一、磁性磨粒加工磁性磨粒加工(MagneticAbrasiveFinishing,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中,在工件和磁極的間隙中放人磁性磨料。在磁場力的作用下,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)工件在磁場中旋轉(zhuǎn)并作軸向振動時(shí),工件與磨料發(fā)生相對運(yùn)動,“磨料刷”就對工件表面進(jìn)行研磨加工。2023/2/6第5節(jié)曲面研磨拋光技術(shù)一、磁性磨粒加工磁性磨粒加工特點(diǎn)：①通過改變磁場的強(qiáng)度可以容易地控制研磨壓力，加工過程可作到全面自動化；②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；③對設(shè)備精度和剛度要求不高，沒有傳統(tǒng)精密設(shè)備的振動或顫動等問題；④磨料沿加工表面不斷滾動和更換位置,使其具有良好的自銳性；⑤磁性材料被約束在磁極之間,不會污染操作環(huán)境；⑥可使工件表面產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力，提高工件的抗疲勞