《精密与特种加工》试题

大连理工大学研究生试卷

系别：机械工程学院

课程名称：精密与特种加工技术

学号：21204118

姓名：王鑫林

考试时间：13年1月15日

《精密与加工技术》试题

一、必答题

1、目前精密和超精密加工的精度范围分别为多少？

答：（1）精密加工的加工精度为1~0.1μm,加工表面粗糙度在0.1μm 以下（一般为0.02~0.1μm）;超精密加工的加工精度为0.1~0.01μm，加工表面粗糙度小于0.01μm（0.01~0.001μm）。

2、超精密切削对刀具有什么要求？

答：为实现超精密切削，刀具应具有如下性能：（1）切削刃要磨的极其锋利，刃口的圆弧半径要极小才能实现超薄切削厚度，减小切削表面弹性恢复和表面变质层。（2）切削刃的粗糙度。切削时切削刃的粗糙度将决定加工表面的粗糙度，因此刀具切削刃要有极低的粗糙度，例如金刚石刀具刀刃的粗糙度为0.1~0.2μm特殊情况下为1nm。（3）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。（4）切削刃要无缺陷，切削时刃形将复印在加工表面上，这样就能得到超光滑的镜面。（5）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。

3、超精密磨削主要用于加工哪些材料？为什么超精密磨削一般多采用金刚石砂轮？

答：（1）利用细粒度的磨粒和微粉形成的砂轮等磨具对黑色金属、玻璃与陶瓷等硬脆材料进行磨削加工、研磨加工等。软质铜、铝等有色金属一般用金刚石刀具进行超精密切削。（2）超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而磨粒上所承受的剪切应力就急速地增加，可能接近磨粒的剪切强度极限。磨粒切削刃处受到高温和高压作用要求磨粒有很高的强度和高温硬度。普通磨料，在高温高压和高剪切应力的作用下，磨粒将会很磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度低表面粗糙度的磨削质量。因此，在超精密磨削时，一般采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

固结磨料加工与游离磨料加工相比有什么特点？

答：1.固结磨料加工：将磨粒或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。用这些磨具所进行的加工称为固结磨料加工。一般使用于硬、脆材料的精密与超精密加工。固结磨料研磨方法优点如下：

（1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如玻璃、陶瓷、半导体材料、宝石、石材、硬质合金、铜铝等有色金属及合金等（2）磨削能力强、耐磨性好、耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。（3)磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。（4）磨削效率高，有锋利的刃口，耐磨性高，因此有较高切除率和磨削比（5）加工成本柢，加工效率高，工时少，综合成本低。

2.游离磨料加工：在加工时，磨粒或微粉不是固结在一起，而是成游离状态，其传统加工方法是研磨和抛光。可用于各种材料的超精密加工。游离磨料研磨的特点如下：

（1）磨料散置于磨盘上，磨盘转速不能太高，以避免磨料飞溅，浪费磨料，因此加工效率低。（2）磨料与从工件上磨下的碎屑混在一起，磨料不能充分发挥切削作用，而且为提高加工效率要经常将磨料与这些碎屑一起洗掉，这既浪费了能源、又浪费了磨料。（3)磨料在磨盘上是随机分布的，分布密度不均，造成对工件研磨切削量不均，工件面形精度不易控制；特别是磨料与工件间的相对运动具有随机性，这也增加了工件面形精度的不确定因素，降低了加工精度的稳定性。（4）在研磨加工过程中，磨料相互间既有作用力又有相对运动，这造成了磨料之间产生切削作用，即磨料磨磨粒，加重了磨料和能源的浪费。（5）在研磨过程中，大尺寸的磨料承受较大的压力，而小尺寸的磨料所受到的压力小，甚至不受压力，这使得大颗粒磨料切削深度大，产生的划痕深，影响表面质量，因此为提高工件表面质量，游离磨料研磨对磨料的尺寸均匀性要求较高。（6）在研磨加工中要严格控制冷却液的流量，以愕然冲走磨料，这使得冷却效果变差，容易引起工件升温，造成加工精度下降。（7）在研磨过程中，磨盘产生的磨损影响加工工件的面形精度，这就要求经常修整磨盘，而修整磨盘则要求三个磨盘相对研，既费事麻烦，又对人的操作技术水平要求高。（8）为避免粗研中所用的大颗粒磨料被带到下道精研中，影响精研加工质量，要求各研磨工序间要对工件进行严格清洗。（9）污染环境。（10）工人劳动强度大，对工人技术水平要求高（11）较硬的磨料容易嵌入较软的工件表面肉内，影响工件的使用性能。

简述慢刀伺服车削和快刀伺服车削的定义及其应用。

答：（1）慢刀伺服车削：在普通超精密车削机床基础上发展起来，通过将主轴运动由速度控制改为位置控制，利用 C ，X，Z 轴联动在极坐标或圆柱坐标系内实现非回转对称曲面加工的方法，由于带动刀具运动的Z 轴最高只能达到几十赫兹，相比快刀几百甚至上千赫兹的运动较慢因此称为慢刀伺服技术。

应用：对主轴与进给轴、Z轴均进行位置控制且三轴联动插补运动，可以将光学阵列如微透镜阵列、微反射镜阵列等看成自由曲面，利用慢刀伺服车削技术可以一次加工成型，可以解决传统加工中将光学阵列分块加工后拼装和调整的困难。

（2）快刀伺服车削：在车床上安装具有快速响应能力的刀具微进给伺服系统，在车削过程中，主轴带动工件旋转，刀具在伺服系统的驱动下，以与主轴转速相关联的频率沿工件径向（对于非圆车削）或轴向（对于非轴对称车削）做往复进给运动，从而加工出工件的非圆截面轮廓或非轴对称截面。

应用：FTS的应用实例有加工内燃机活塞轮廓、凸轮轴、凸轮、非圆轴承内轮廓等。

简述精密磨削获得高精度和低粗糙度表面的机理。

答：精密和超精密磨削是一个系统工程。精密和超精密磨床是超精密磨削的关键，目前超精密磨床精度已达亚微米级。精密与超精密磨削质量与机床精度、环境、工艺系统各因素有关，而各因素之间相互关联。超精密磨削需要一个稳定的工艺系统，对力、热、振动、材料组织、工作环境的温度和净化等都有稳定性要求，并有较强的抗击来自系统内外的各种干扰能力，有了高稳定性，才能保证加工质量的要求。目前超精密机床处于恒温、恒湿、净化和抗振的环境中，其工艺系统更加稳定，精密与超精密磨削能达到很高的质量。

（1）超微量切除。精密和超精密磨削是一种极薄切削，切屑厚度极小，磨削深度可能小于晶粒的大小，磨削就在晶粒内进行，因此磨削力一定要超过晶体内部非常大的原子、分子结合力，从而磨粒上所承受的切应力就急速地增加并变得非常大，可能接近被磨削材料的剪切强度的极限。同时，磨粒切削刃处受到高温和高压作用，要求磨粒材料有很高的高温强度和高温硬度。对于普通磨料，在这种高温、高压和高剪切力的作用下，磨粒将会很快磨损或崩裂，以随机方式不断形成新切削刃，虽然使连续磨损成为可能，但得不到高精度、低表面粗糙度值的磨削质量。因此，在超精密磨削时

一般多采用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

（2）单颗粒磨削加工过程。砂轮中的磨粒分布是随机的，磨削时磨粒与工件的接触也是无规律的，为研究方便起见，对单颗粒的磨削加工过程进行分析。磨粒是一颗具有弹性支承的和大负前角切削刃的弹性体。单颗磨粒磨削时在与工件接触过程中，开始是弹性区，继而是塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区，这与切屑形成形状相符合。超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。当刀刃锋利，有一定磨削深度时，微切削作用较强；如果刀刃不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不能切入工件，则产生塑性流动、弹性破坏以及滑擦。

（3）连续磨削加工过程。工件连续转动，砂轮持续切入，开始磨削系统整个部分都产生弹性变形，磨削切入量（磨削深度）和实际工件尺寸的减少量之间产生差值即弹性让刀量。此后，磨削切入量逐渐变得与实际工件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态。最后，磨削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复，为无切深磨削状态。在超精密磨削中，掌握弹性让刀量十分重要，应尽量减小弹性让刀量，即磨削系统要求高刚度，砂轮修锐质量好，形成切屑的磨削深度小

二、选答题

论述化学抛光（CP）、化学机械抛光（CMP）和电化学机械抛光（ECMP）技术的原理、特点及其在超精密加工领域的应用。

答：1.化学抛光（CP）

（1）化学抛光（CP）原理[1]：一般是用硝酸或者是磷酸等氧化剂溶液，在一定的条件下，使工件表面氧化，此氧化层又能逐渐溶于溶液，表面微凸起处被氧化较快而较多，微凹处则被氧化慢而少，同样凸起处的氧化层又比凹处更多，更快地扩散，溶解于酸性溶液中，因此使加工表面逐渐被整平，达到表面平滑化和光泽化

（2）CP的特点:

优点是可以大面或多件抛光薄壁、低刚度零件[2]，可以抛光内表面和形状复杂的零件，不需要外加电源、设备，操作简单、成本低。

其缺点是化学抛光效果比电解效果差，且抛光液用后处理比较麻烦。

（3）CP的应用：

主要应用于金属、半导体材料的抛光。

金属的化学抛光：常用硝酸、磷酸、硫酸、盐酸等酸性溶液抛光铝、钼、钼合金、碳钢及不锈钢等，有时还加入胶或甘油之类的添加剂。抛光是必须严格控制溶液的温度和时间。温度从室温到90°C，时间自数秒到数分钟，要根据材料、溶液成分经试验后才能确定最佳值。半导体材料的化学抛光：如锗和硅等基片在机械研磨平整后，还要最终用化学抛光去除表面杂质和变质层。常用氢氟酸和硝酸、硫酸的混合溶液或双氧水和氢氧化铵的水溶液。

2.化学机械抛光（CMP）

（1）化学机械抛光（CMP）原理：表面材料与磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，这一表面层通过磨料中的研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去[3]。CMP过程是化学过程与机械过程协同作用的过程[4]。

（2）CMP的特点：

优点：能获得全局平坦化，台阶高度可控制到50?左右；能够平坦化不同的材料；在一次抛光过程中可以平坦化多层材料；减小严重表面起伏；能配合制作金属图形（大马士革工艺）；改善金属台阶覆盖；增加IC可靠性[5]；减少缺陷；不使用危险气体。

缺点：CMP是一种新技术，工艺窗口窄[6]，工艺变量控制相对较差；厚度及均匀性的控制比较困难加强终点检测；设备昂贵。

（3）CMP的应用：

STI 氧化硅抛光；LI 氧化硅抛光；LI 钨抛光；ILD 氧化硅抛光；钨塞抛光；双大马士革铜抛

光。

3.电化学机械抛光（ECMP）

（1）电化学机械抛光（ECMP）的原理：利用钝化性电解液在金属表面生成钝化膜的方式在阴极和工件间接通电流时，如电流密度极小，工件表面只生成钝化膜[7]，而不发生电化学溶解。此时用机械作用把钝化膜的高点去除，是表面粗糙度降低。反复这个过程，即不断的进行钝化及去除，最后可使工件表面的微观不平度整平，达到抛光的目的。

（2）ECMP的特点：

优点：ECMP结合了电化学抛光和化学机械抛光的优点将电化学预抛光和机械精抛光有机的结合在一起，结合化学与机械的双重作用使抛光速率以及晶圆的全局平坦化达到较高水平，发挥了电化学和机构两类抛光特长。它不受材料硬度和韧性的限制，可抛光各种复杂形状的工件。在很低的压力下实现了平坦化, 较好地解决了低机械强度的介质应用于集成电路制作所带来的问题。并且, ECMP技术还有另外两大优点:低的设备磨损率和高的去除速率。优点可总结为：能够缩短拋光加工的时间，人力的需求減少，成本降低；克服传统机械研磨抛光的精度不易掌握的难点；由于拋光产生的热量小，会被电解液带走，因此也可去除因机械砂轮的研磨，而在工件表面所遗留的烧痕及残留应力；可用于修磨抛光形状复杂的器件，显著提高劳动生产率；能快速降低表面粗糙度提高工件的寿命和精度。

缺点：其中之一就是终端效应[8], 这是因为电化学机制的引入而产生。由于电极终端与晶圆表面的接触必须处于晶圆外围, 从而导致整个晶圆表面上的电势非均匀化, 使得靠近终端的部分, 即晶圆边缘的去除速率高于中心的去除速率。而且, ECMP技术的应用主要是在互连层的平坦化, 此时衬底上的元件制作已经基本完成并与互连层金属连通。在这种条件下施加一个外部电场的ECMP技术是否会对器件性能有所影响或带来潜在的失效可能性仍有待于进一步研究。

（3）ECMP的应用：

该项技术的应用符合未来模具业的发展趋势，可广泛应用到各导电材料的加工及拋光。针对电化学机械拋光的参数进行研究，并结合CNC工具，可以用于自动化电化学机械曲面拋光。今后若能更进一步深入研究并将该技术推广到抛光行业中，将对模具产业的整体发展起到推动作用。

参考文献

[1] 彭荣华,李国斌,马洪江等. 铜及其合金化学抛光工艺研究[J].化学界.2005,3(6):30-33.

[2] 庞洪涛. 铝及铝合金环保型化学抛光研究[J].材料保护.2003,1(36):82-86.

[3] 廉近卫,张大全,高立新等. 化学机械抛光液的研究进展[J].化学世界.2006,9(3):565-567.

[4] 康仁科,李秀娟,金洙吉等.铜化学机械抛光中电化学理论的应用研究[J].润滑与密封.2005,1(6):104-106.

[5] 于剑锋. 新型化学机械抛光垫和抛光液的研究[J].化学世界.2011,7(13):73-75.

[6] 宋晓岚. 化学机械抛光技术研究进展[J].化工进展.2008,27(1):26-30.

[7] 李和仙. 谈电化学机械抛光[J].机电研究及设计制造.2010,5(9):63-67.

[8] 许旺. 电化学机械抛光技术研究进展[J].功能材料.2009,32(5):196-199.