第7章精密研磨与抛光

2015/10/24
第4节 精密研磨抛光的新技术 一、无损伤抛光 化学抛光：是在软质抛光盘上用化学液进行 腐蚀抛光。优点：没有变形损伤层；缺点：有 腐蚀破坏层。 化学机械复合抛光分为干式化学机械抛光和 湿式化学机械抛光。
干式化学机械抛光：借助施加机械能作用，引 起晶体表面发生物理化学变化，产生固相反应。 湿式化学机械抛光：在机械作用同时施加化学 作用，借助加工中的摩擦热和局部应力应变，并 由加工液促进化学作用。
第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 六、工艺参数
加工速度、加工压力、加工时间以及研磨液和抛光 液的浓度是研磨与抛光加工的主要工艺参数。 加工速度过高，会因为离心力将加工液甩出工作区， 降低加工的平稳性，加快研具磨损，影响加工精度。 粗加工用低速、高压力；精加工用低速、低压力。
在一定范围内增加加工压力可提高研磨抛光效率； 压力减小对减小表面粗糙度有利。
研磨液和抛光液的浓度增加，材料去除率增加，但 浓度过高，磨粒的堆积和阻塞会引起加工效率降低， 引起加工质量恶化。
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第4节 精密研磨抛光的新技术 一、无损伤抛光 晶体材料的无损伤表面抛光技术是以不破坏极 薄表层结晶结构的加工单位进行材料微量切除 加工的方法。 无损伤表面抛光方法分为：机械微量去除抛光、 化学抛光、化学机械复合抛光。 机械微量去除抛光：只限定于磨粒作用区域 的机械抛光，其抛光效果取决于晶体和磨粒的 粒度、磨粒形状、抛光盘保持抛光剂的性能等 物理特性。
聚氨脂球加工头边回转边向工件表 面接近，微细粒子以接近水平的角 度与被加工材料碰撞，完成加工。
微细粒子的作用区域很微小( 12mm)，在接近材料表面处产生最大 切应力，既不使基体内的位错、缺 陷等发生移动，又能产生微量的弹 性破坏，进行去除加工。 2015/10/24
数控弹性发射加工装臵
图为数控弹性发射加工装 臵。整个装臵是一个三坐 标数控系统，聚氨酯球装 在数控主轴上，由变速电 动机带动旋转，其负载为 2N。 在加工硅片表面时，用直 径为 0.1μm 的氧化锆微粉， 以 100m/s 速 度 及 水 平 面 成 20° 的 入 射 角 向 工 件 表 面 发射，其加工精度可达 ±0.1μm，表面粗糙 度Ra0.0005μm 以下。
第2节 抛光 二、研磨、抛光的加工变质层（接上页） 抛光加工后的加工变质层，由表层向里依 次为：抛光应力层、经腐蚀出现的二次裂纹应 力层、二次裂纹影响层和完全结晶层，整个加 工变质层深度约为 3μm。并且加工表面越粗， 加工变质层深度越大。 在加工过程中的化学反应对材料去除和减少加 工变质层有利。
第2节 抛光
抛光加工：利用微细磨粒的机械作用和化学作用，在 软质抛光工具或化学加工液、电 / 磁场等辅助作用下， 为获得光滑或超光滑表面，减小或完全消除加工变质 层，从而获得高表面质量的加工方法。 抛光与研磨的区别： 磨料。抛光使用1µm以下的微细磨粒。研磨是采用微 米级磨粒。 研具材料的选择。抛光盘选用沥青、石蜡、合成树 脂和人造革、锡等软质金属或非金属材料制成，可根 据接触状态自动调整磨粒的切削深度、减缓较大磨粒 对加工表面引起的划痕损伤，提高表面质量。研磨采 用硬质研磨盘。
3) 作为及时排屑的通道， 防止研磨表面被划伤。
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第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 四、磨粒
磨粒按硬度可分为：硬磨粒和软磨粒。 研磨用磨粒需要具有的性能： 磨粒形状、尺寸均匀一致； 磨粒能适当破碎，使切刃锋利； 磨粒熔点要比工件熔点高； 磨粒在加工液中容易分散。 抛光用磨粒还要考虑与工件材料作用的化学活性。 通常研磨加工使用磨粒的硬度是工件材质的 2倍，有 时使用两种以上磨粒的混合物。 氧化铈 抛光 玻璃；SiO2胶体 抛光 石英玻璃,硅片； 金刚石 抛光 陶瓷；Al2O3,SiC,Cr2O3 抛光 钢系列金属.
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第4节 精密研磨抛光的新技术 二、非接触抛光
非接触抛光：工件与抛光盘在抛光中不发生接触，仅 用抛光液中的微细粒子冲击工件表面，获得加工表面 完美结晶性和精确形状，去除量为几个到几十个原子 级的抛光方法。可用于功能晶体材料(注重结晶完整性 和物理性能)和光学零件（注重表面粗糙度和形状精度） 的抛光。
金属抛光
硅晶片抛光 化合物半导体材料抛光 金属材料抛光 一般材料抛光 金属模抛光
纤维
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非织布（毛毡）
桐、杉、柳
木材
研具表面开槽 槽的形状有：放射状、网络状、同心圆状和螺旋状等。 槽的形状、宽度、深度和间距等根据工件材料性质、 形状及研磨面的加工精度而选择。 研具开槽的作用： 1) 存储多余磨粒，防止磨 料堆积而损伤工件表面； 2) 作为向工件供给磨粒的 通道；
当研具与工件接触时，在非强制性研磨压力作用下，能自动 地选择局部凸出处进行加工，故仅切除两者凸出处的材料。 超精密研磨的加工精度与构成相对运动的机床运动精度几乎 无关。加工精度主要由工件与研具间的接触性质和压力特性， 以及相对运动轨迹的形态等因素决定。
获得理想加工表面要求：
1)研具与工件能相互修整； 2) 尽量使被加工表面上各点的加工痕迹与研磨盘的相对运动轨 迹不重复，以减小研具表面的几何形状误差对工件表面形状所 引起的“复印”现象，同时减小划痕深度，减小表面粗糙度。 3)在保证研具具有理想几何形状的前提下，采用浮动的研磨盒， 2015/10/24 可以保证加工质量。
研 磨 脆 硬 材 料 时 ， 要控制产生裂纹的大 小和均匀性。
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通 过 选 择 磨 粒 的 粒 度及控制粒度的均匀 性 ，可避免产生特别 大的加工缺陷。
3.金属材料的研磨
当金属表面用硬度计压头压入时，只在表面 产生塑性变形的压坑，不会发生脆性材料那 样的破碎和裂纹。
研磨时，磨粒的研磨作用相当于极微量切削 和磨削时的状态。磨粒是游离状态的，其与 工件仅是断续的研磨状态。 研磨表面不会产生裂纹。但研磨铝、铜等软 质材料时，磨粒会被压入工件材料内，影响 表面质量。
玻璃、陶瓷
Sn、Pb、In、Cu焊料 松脂、焦油、蜜蜡、树脂
硬质发泡聚氨酯 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚四氟乙烯 聚碳酸酯、聚氨酯橡胶
化合物半导体材料研磨
陶瓷抛光 光学玻璃抛光 一般材料抛光 光学玻璃抛光 一般材料抛光
软 质 材 料
合成 树脂
天然 皮革
人工 皮革
麂（ji）皮
软质发泡聚氨酯 氟碳树脂发泡体
第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 二、研磨与抛光设备
工件保持架齿面与设备的内齿圈和太阳轮同时啮合， 2015/10/24 使工件得到均匀不重复的加工轨迹。
第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 二、研磨与抛光设备
保证工件加工表面和研具表面上各点均有相同或相近的 被切削条件和切削条件：
①工件相对研具作平面平行运动，使工件上各点具有相 同或相近的研磨行程。 ②工件上任一点不出现运动轨迹的周期性重复。 ③避免曲率过大的运动转角，保证研磨运动平稳。 ④保证工件走遍整个研具表面，以使研具磨损均匀，进 而保证工件表面的平面度精度。
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第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 一、工艺因素及其选择原则
精密研磨与抛光加工的主要工艺因素： 加工条件：对残留有裂纹的硬脆材料和不产生裂纹的 金属材料的加工条件不同； 研磨方式：单面研磨和双面研磨； 研磨机：应能均匀地加工工件，研具磨损要小并要求 能容易修整精度； 研具和抛光盘：必须避免因工作面磨损和弹性变形引 起精度下降； 研具材料：微细的磨粒和使磨粒对工件作用很浅的材 料； 加工液：提供磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的 2015/10/24 效果。
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第1节 研磨 二、研磨加工特点
1.微量切削
由于众多磨粒参与研磨，单个磨粒所受载荷很小，控 制适当的加工载荷范围，可得到小于 1µ m的切削深度。
2.多刃多向切削 磨粒形状不一致，分布随机，有滑动、滚动，可实现 多方向切削。
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第1节 研磨 二、研磨加工特点
3.按进化原理成形
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第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 五、加工液
通常研磨加工抛光液由基液(水性或油性)、磨粒和添 加剂组成。 作用：供给磨粒、排屑、冷却和润滑。 对加工液的要求： 能有效散热，避免研具和工件表面热变形； 粘性低，提高磨料的流动性； 不会污染工件； 化学物理性能稳定，不会因放臵或温升而分解变质； 能较好分散磨粒。 添加剂作用是防止或延缓磨料沉淀，并对工件发挥化 2015/10/24 学作用，以提高研磨抛光的加工效率和质量。
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2.硬脆材料的研磨
一部分磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面， 用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工；另一部分 磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动，产生滚轧效果。 在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最 大部位产生微裂纹。当纵横交错的裂纹扩展并产生脆性 崩碎形成磨屑，达到表面去除的目的。
第1节 研磨
一、研磨加工的机理
研磨加工：利用硬度比被加工材料更高的微米级磨粒， 在硬质研磨盘作用下产生微切削和滚扎作用，实现被 加工表面的微量材料去除，使工件的形状、尺寸精度 达到要求值，并降低表面粗糙度、减小加工变质层的 加工方法。 1.研磨时磨料的工作状态 1）磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧效果； 2）磨粒压入到研具表面，用露出的磨粒尖端对工件表 面进行刻划，实现微切削加工； 3）磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。
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第2节 抛光 一、抛光加工的机理
1）以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但是它仅利用极 少磨粒强制压入产生作用。 2）借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸 凹变平。
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第2节 抛光 二、研磨、抛光的加工变质层
不管采取什么加工方法，或多或少要在被加工表 面上产生加工变质层，加工变质层使工件材质的结构、 组织和组成遭到破坏或接近于破坏状态，使工件表面 的力学性能、物理化学性能与母体材料不同，进而影 响制成元件的性能，因此在超精密研磨抛光中要求变 质层越薄越好。 硬脆材料研磨后的表面，从表层向里依次为：非 晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全结晶 结构，从弹塑性力学的角度评价变质层，依次为：极 薄的塑性流动层、有异物混入的裂纹层、裂纹层、弹 性变形层和母体材料。金属材料研磨后的加工表面变 质层与硬脆材料类似。 2015/10/24