《精密和超精密加工技术(第3版)》第7章精密研磨与抛光
精密超精密加工技术
精密超精密加工技术精密及超精密加工对尖端技术的发展起着十分重要的作用。
当今各主要工业化国家都投入了巨大的人力物力,来发展精密及超精密加工技术,它已经成为现代制造技术的重要发展方向之一。
本节将对精密、超精密加工和细微加工的概念、基本方法、特点和应用作一般性介绍。
一、精密加工和超精密加工的界定精密和超精密加工主要是根据加工精度和表面质量两项指标来划分的。
这种划分是相对的，随着生产技术的不断发展，其划分界限也将逐渐向前推移。
1．一般加工一般加工是指加工精度在10µm左右（IT5~IT7）、表面粗糙度为R a0.2µm~0.8µm的加工方法，如车、铣、刨、磨、电解加工等。
适用于汽车制造、拖拉机制造、模具制造和机床制造等。
2．精密加工精密加工是指精度在10µm~0.1µm（IT5或IT5以上）、表面粗糙度值小于R a0.1µm的加工方法，如金刚石车削、高精密磨削、研磨、珩磨、冷压加工等。
用于精密机床、精密测量仪器等制造业中的关键零件，如精密丝杠、精密齿轮、精密导轨、微型精密轴承、宝石等的加工。
3．超精密加工超精密加工一般指工件尺寸公差为0.1µm~0.01µm数量级、表面粗糙度R a 为0.001µm数量级的加工方法。
如金刚石精密切削、超精密磨料加工、电子束加工、离子束加工等，用于精密组件、大规模和超大规模集成电路及计量标准组件制造等方面。
二、实现精密和超精密加工的条件精密和超精密加工技术是一项内容极为广泛的制造技术系统工程，它涉及到超微量切除技术、高稳定性和高净化的工作环境、设备系统、工具条件、工件状况、计量技术、工况检测及质量控制等。
其中的任一因素对精密和超精密加工的加工精度和表面质量，都将产生直接或间接的不同程度的影响。
1．加工环境精密加工和超精密加工必须具有超稳定的加工环境。
因为加工环境的极微小变化都可能影响加工精度。
精密研磨与抛光(精密加工)
表面平滑
在抛光过程中，工件表面逐渐被 磨平，最终达到镜面或高度平滑
的效果。
表面改性
在抛光过程中，工件表面可能会 发生物理或化学变化，如表面层 晶格结构的变化或表面化学成分
的改变。
抛光工艺参数
压力
抛光压力是影响抛光效果的重要参数，压力过大会导致工件表面 损伤，过小则抛光效率低下。
02
精密研磨技术
研磨材料
01
02
03
04
刚玉
常用作研磨材料，具有高硬度 和耐磨性，适用于硬材料的研
磨。
碳化硅
具有高硬度和高韧性，适用于 研磨硬而脆的材料。
氧化铝
具有较好的韧性和耐磨性，适 用于研磨软材料和中等硬度的
材料。
天然磨料
如河砂、海砂等，可用于粗研 磨和抛光。
研磨机理
切削作用
研磨材料表面上的磨粒在压力作 用下切入工件表面，切削出微小
智能化的发展
智能检测与监控系统
通过引入传感器和智能化检测技术，实现对 研磨与抛光过程的实时监测和数据采集，提 高加工过程的稳定性和可靠性。同时，通过 数据分析与处理，优化加工参数，提高加工 效率和表面质量。
自动化生产线
通过集成机器人、自动化设备和智能化管理 系统，构建自动化生产线，实现研磨与抛光 过程的自动化和连续化生产。这将大幅提高 生产效率，降低人工成本，提升企业竞争力
总结词
高分子材料的研磨与抛光是实现高分子材料表面高精度和高光洁度的重要手段。
详细描述
高分子材料的研磨与抛光主要采用金刚石、刚玉等硬质材料作为磨料，通过研磨、抛光等工艺去除高 分子材料表面的凸起和划痕，以提高其表面质量和性能。高分子材料的研磨与抛光广泛应用于塑料、 橡胶、涂料等领域。
精密和超精密磨料加工课件
高精度、低表面粗糙度、高效率 、高稳定性。
加工方法与分类
加工方法
磨削、研磨、抛光等。
分类
根据加工精度和表面粗糙度要求，可分为精密磨削、超精密磨削、纳米级磨削 等。
应用领域与发展趋势
应用领域
广泛应用于光学、航空航天、汽车、 医疗器械等领域。
发展趋势
随着科技的不断进步，精密和超精密 磨料加工技术将向更高精度、更低成 本、更短加工周期方向发展，同时将 不断拓展新的应用领域。
高精度模具的加工
总结词
高精度模具是制造高精度零部件的关键 工具，其加工精度和表面质量对产品性 能有着重要影响。精密和超精密磨料加 工在高精度模具的加工中具有重要作用 。
VS
详细描述
高精度模具的表面质量和几何精度要求非 常高，需要采用先进的加工工艺。精密和 超精密磨料加工通过精确控制磨料粒度和 工艺参数，能够实现高精度模具的高效、 高质量加工，提高产品的性能和稳定性。
冷却技术
通过冷却液对加工区域进行冷却，降低切削温度，减少热损 伤，提高加工精度和表面质量。
磨削工艺参数优化
磨削深度
切削深度对加工效率和表面质量有很 大影响，合理选择磨削深度可以提高 加工效率并降低表面粗糙度。
切削速度
切削速度对切削力和切削热有重要影 响，选择合适的切削速度可以降低切 削力和切削热，提高加工精度和表面 质量。
02
精密和超精密磨料加工技术
磨料与磨具
磨料
是用于切削的材料，具有高硬度、高韧性和良好的耐磨性。常用的磨料有碳化硅 、刚玉、金刚石等。
磨具
由磨料和结合剂制成的多孔性制品，具有高效切削和自锐性。根据形状可分为砂 轮、磨石、油石等。
磨削液与冷却技术
研磨与抛光的区别
研磨与抛光的区别
很早以前看过这样一个报道，说是德国、日本等几个国家的科学家耗时5年时间，花了近千万元打造了一个高纯度的硅-28材料制成的圆球，这个1kg纯硅球要求超精密加工研磨抛光，精密测量（球面度，粗糙度，质量..），可谓是世界上最圆的球了。
关于这个圆球的故事
我们明天会具体的介绍一下
今天我们主要是想通过这个视频
来介绍一下超精密抛光工艺
我们经常把研磨和抛光放在一起讲，因为零件经过这两个工序的粗糙度已经十分小了。
首先咱们了解一下它们的区别。
研磨与抛光的区别
研磨利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工。
研磨可用于加工各种金属和非金属材料，加工的表面形状有平面，内、外圆柱面和圆锥面，凸、凹球面，螺纹，齿面及其他型面。
加工精度可达IT5～IT1，表面粗糙度可达Ra0.63～0.01微米。
抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。
两者的主要区别在于：抛光达到的表面光洁度要比研磨更高，并且可以采用化学或者电化学的方法，而研磨基本只采用机械的方法，所使用的磨料粒度要比抛光用的更粗，即粒度大。
现代电子工业，超精密抛光是灵魂
超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命，不仅仅是平坦化不同的材料，而且要平坦化多层材料，使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管。
精密和超精密加工技术
第一章精密和超精密加工技术及其发展展望精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。
什么叫精密加工？加工精度在0.1～1µm，加工表面粗糙度在Ra0.02～0.1µm之间的加工方法称为精密加工。
什么叫超精密加工？加工精度高于0.1µm，加工表面粗糙度小于Ra0.01µm之间的加工方法称为超精密加工。
以下哪些是精密和超精密加工的分类？A.去除加工；B.结合加工；C.变形加工；D.切削加工；E.磨粒加工；F.特种加工；G.复合加工；影响精密与超精密加工的因素有哪些？加工机理、被加工材料、加工设备及其基础元部件、加工工具、检测与误差补偿、工作环境等。
我国今后发展精密与超精密加工技术的重点研究内容包括什么？（1）超精密加工的加工机理；（2）超精密加工设备制造技术；（3）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术；（4）精密测量技术及误差补偿技术；（5）超精密加工工作环境条件。
第二章超精密切削与金刚石刀具举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。
超精密切削速度是如何选择的？超精密切削实际速度的选择根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
金刚石刀具的尺寸寿命甚高，高速切削时刀具磨损亦甚慢，因此刀具是否磨损以加工表面质量是否下降超差为依据，切削速度并不受刀具寿命的制约。
第二章超精密切削与金刚石刀具•举例说明超精密切削的应用范围有哪些？陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、录像机的磁头、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜等由有色金属和非金属材料制成的零件。
第七讲精密加工和超精密加工
工艺过程的优化
五、游离磨料的高效加工
（一）超声研磨工艺
• 超声研磨是一种采用游离磨料（研磨膏或研磨液）进 行切削的加工方法。磨料通过研磨工具的振动产生切 削功能，从而把研磨头（工具）的形状传递到工件 上。 • 超声研磨正是利用脆性材料的这一特点。有目的有控 制地促进材料表层的断裂和切屑的形成。
二、金刚石车削技术及其应用
1. 金刚石车床的技术关键
• 除了必须满足很高的运动平稳性外，还必须具有很高 的定位精度和重复精度。镜面铣削平面时，对主轴只 需很高的轴向运动精度，而对径向运动精度要求较 低。金刚石车床则须兼备很高的轴向和径向运动精 度，才能减少对工件的形状精度和表面粗糙度的影 响。 • 目前市场上提供的金刚石车床的主轴大多采用气体静 压轴承，轴向和径向的运动误差在50nm以下，个别主 轴的运动误差已低于25nm。金刚石车床的滑台在90年 代以前绝大部分采用气体静压支承，荷兰的Hembrug 公司则采用液体静压支承。进入90年代以来，美国的 Pneumo公司（现已与Precitech公司合并）的主要产品 Nanoform600和250也采用了具有高刚性、高阻尼和高
（二）超声研磨加工玻璃
• 在玻璃上钻孔时，超声加工已经可以与金刚石钻削竞 争，优化后的超声钻孔已经达到金刚石钻削时的材料 切除速度。根据孔径和孔深的不同，超声钻孔时的进 钻速度可也达到20～40mm/min。 • 用金刚石钻削玻璃上的孔时，需要从两面进刀，以免 钻透时出现玻璃崩裂，采用超声钻孔时，则可从一侧 直接钻通，工具出口时不会出现玻璃的崩裂。从而可 以省去金刚石钻孔时的校正和倒角等加工工序。 • 在玻璃上钻小孔时，超声研磨的作用变得更为重要。 普通的金刚石钻孔，最小孔径大约在2mm左右。超声 钻孔时的最小孔径几乎没有任何限制，目前在实验室 中进行的实验表明，用超声研磨可在3mm厚的玻璃上 钻出直径为0.5～1.0mm的小孔
研磨与抛光
第5章模具的研磨与抛光模具的研磨与抛光是以降低零件外表粗糙度，提高外表形状精度和增加外表光泽为主要目的，属光整加工，可归为磨削工艺大类。
他们研磨与抛光在工作成形理论上很相似，一般用于产品、零件的最终加工。
现代模具成形外表的精度和外表粗糙度要求越来越高，特别是高精度、高寿命的模具要求到μm级的精度。
一般的磨削外表不可防止要留下磨痕、微裂纹等缺陷，这些缺陷对一些模具的精度影响很大，其成形外表一部分可采用超精密磨削加工到达设计要求，但大多数异型和高精度外表大都要进行研磨与抛光加工。
对冲压模具来讲，模具经研磨与抛光后，改善了模具的外表粗糙度，利于板料的流动，减小流动阻力，极大地提高了成形零件的外表质量，特别是对于汽车外覆盖件尤为明显。
经研磨刃口后的冲裁模具，可消除模具刃口的磨削伤痕，使冲裁件毛刺高度减少。
塑料模具型腔研磨、抛光后，极大地提高型腔外表质量，提高成形性能，满足塑件成型质量的要求、塑件易于脱模。
浇注系统经研磨、抛光后，可降低注射时塑料的流动阻力。
另外研磨与抛光可提高模具接合面精度，防止树脂渗漏，防止出现沾粘等。
电火花成型的模具外表会有一层薄薄的变质层，变质层上许多缺陷需要用研磨与抛光去处。
另外研磨与抛光还可改善模具外表的力学性能，减少应力集中，增加型面的疲劳强度。
研磨的基本原理与分类研磨是一种微量加工的工艺方法，研磨借助于研具与研磨剂〔一种游离的磨料〕，在工件的被加工外表和研具之间上产生相对运动，并施以一定的压力，从工件上去除微小的外表凸起层, 以获得很低的外表粗糙度和很高的尺寸精度、几何形状精度等，在模具制造中，特别是产品外观质量要求较高的精密压铸模、塑料模、汽车覆盖件模具应用广泛。
1.研磨的基本原理1〕物理作用研磨时，研具的研磨面上均匀地涂有研磨剂，假设研具材料的硬度低于工件，当研具和工件在压力作用下做相对运动时，研磨剂中具有尖锐棱角和高硬度的微粒，有些会被压嵌入研具外表上产生切削作用〔塑性变形〕，有些则在研具和工件外表间滚动或滑动产生滑擦〔弹性变形〕。
精密和超精密加工技术的复习题
精密和超精密加工技术的复习题一、名词解释1.金刚石晶体的解理现象：金刚石晶体受到定向的机械力作用时，可以沿平行于（111）平面平整地劈开的现象，称为解理现象。
2.精密磨削：是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度达到Ra0.2~0.025μm的磨削方法，又称为小粗糙度磨削。
3.超精密磨削：是指加工精度达到或高于0.1μm，表面粗糙度小于R a0.025μm的一种亚微米级的加工方法，并正向纳米级发展。
4.在线检测：工件在加工过程中的同时进行检测，称之为在线检测。
5.空气洁净度：是指空气中含尘埃量多少的程度。
6.恒温精度：是指相对于平均温度所允许的偏差值。
7.恒温基数：是指空气的平均温度。
二、填空题1.精密和超精密加工包含三个领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。
2.金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，再就是金刚石刀具的研磨质量——切削刃钝圆半径r。
n3.隧道扫描显微镜是目前世界上精度最高的测量仪，可用于测量金属和半导体零件表面的原子分布的外貌。
4.最新的研究证实，在扫描隧道显微镜下可移动原子，实现精密工程的最终目标——原子级精密加工。
5.超精密切削实际选择的切削速度，经常是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
6.超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性能状态、切削时的环境条件等都直接有关。
7.金刚石刀具的磨损，主要属机械磨损，其磨损本质是微观解理的积累。
8.对金刚石刀具来说，切削刃处的解理破损是磨损和破损的主要形式，故切削刃的微观强度是刀具设计选择晶面的主要依据。
9.金刚石晶体定向方法有：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。
10.精密磨削机理可归纳为：微刃的微切削作用；微刃的等高切削作用；微刃的滑挤、摩擦、抛光作用。
11.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。
精密和超精密加工技术复习思考题答案
精密和超精密加工技术复习思考题答案第一章1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。
答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。
国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。
制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。
尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。
因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。
因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。
2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。
答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。
而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。
3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。
答：精密和超精密加工目前包含三个领域：1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。
它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。
2)精密和超精密磨削研磨。
例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。
3)精密特种加工。
如电子束，离子束加工。
使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。
4.试展望精密和超精密加工技术的发展。
答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。
5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。
答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。
精密加工课后习题答案
1-1试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。
精密和超精密加工是国际竞争取得成功的关键技术。
许多现代技术产品需要高精度制造。
发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备。
1-2从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工精密加工：加工精度0.1～1um表面粗糙度Ra在0.02～0.1um超精密加工：加工精度高于0.1um表面粗糙度Ra小于0.01um1-3精密和超精密加工现在包括那些领域。
1）超精密切削（各种镜面）2）精密和超精密磨削研磨（集成电路基片和高精度磁盘）3）精密特种加工（电子束、离子束加工使美国超大规模集成电路线宽达到0.1um）1-4试展望精密和超精密加工技术的发展。
对精密和超精密加工技术给予足够的重视，投入较多的人力物力进行研究和发展，在生产中稳定纳米加工，扩大应用亚微米加工技术，并开始纳米级加工的试验研究，则在10～15年内有希望达到美国等先进国家的水平。
可先在某些单项技术上取得突破，逐步使我国的精密和超精密加工技术达到国际先进水平。
1-5我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何与发达国家相比，仍有不少的差距。
不少精密机电产品尚靠进口。
有些靠老工人手艺，且报废高。
某些精密机电产品我国虽已能生产，但其中的核心关键部件仍需依靠进口，我国每年需进口大量尚不能生产的精密数控机床设备。
1-6我国要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容?1）超精密切削、磨削的基本理论和工艺2）超精密设备的关键技术、精度、动特性和热稳定性3）超精密加工的精度检测、在线检测和误差补偿4）超精密加工的环境条件；5）超精密加工的材料2-1金刚石刀具超精密切削有哪些应用范围?用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料。
用于加工陀螺仪、激光反射镜、天文望远镜的反射镜、红外反射镜和红外透镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘、激光打印机的多面棱镜、复印机的硒鼓、菲尼尔透镜2-2金刚石刀具超精密切削的切削速度如何选择？根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性选取，即选择振动最小的转速。
精密和超精密加工技术
4、脆性材料精密磨削
? 脆性材料划擦变形模型
磨粒作用下的脆性裂纹
4、脆性材料精密磨削
? 脆性材料精密磨削机理
? 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通 过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。
? 磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。
? 脆性材料精密磨削工艺条件
? 磁流变研磨抛光的特点
? 利用磁场达到快速及可靠的控制。 ? 易于实现数控。 ? 抛光板能准确符合复杂的形状，因此能确保非球面及复杂的表
面的精密抛光。
4、磁流变研磨抛光技术 (MRF)
? 磁流变研磨抛光技术的应用
? 长宽比例大的光学部件及基片 (通讯仪器、硬盘、晶片等 ) ； ? 光学玻璃镜片； ? 单结晶 (钙氟化物，矽 )； ? 陶瓷(矽碳化物，钨碳化物 )。
游离磨 料加工
固结磨具
涂覆磨具 精密研磨 精密抛光
精密砂 轮磨削
油石研磨 精密珩磨
精密超 精加工
砂带磨削 砂带研磨
精密砂轮磨削：砂轮的粒度60 ＃～80＃，加工精度1μm， Ra0.025μm； 超精密砂轮磨削：砂轮的粒度 W40～W50，加工精度0.1μm， Ra0.025～0.008μm。
精密砂带磨削：砂带粒度W63～ W28，加工精度1μm，Ra0.025; 超精密砂带磨削：砂带粒度 W28～W3，加工精度0.1μm， Ra0.025～0.008μm。
? 组成要素 ：铸铁基砂轮：“ +”极 ；石墨电极：“ –”极；两电极间隙： 0.1mm
3、在线电解磨削技术
? ELID磨削的特点
? 磨削过程具有良好的稳定性； ? ELID 修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率； ? ELID 修整法使磨削过程具有良好的可控性； ? 采用 ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的 残留裂纹。
超精密研磨与抛光
研磨速度
适当的研磨速度能够提高研磨 效率，同时也有助于控制表面 粗糙度。
研磨时间
研磨时间的长短会影响工件表 面的粗糙度和研磨效率，需要 根据实际情况进行调整。
03
抛光技术
抛光材料
抛光布
常用的抛光布材料包括棉布、细 帆布、化纤布等，具有良好的耐 磨性和柔软性，能够承受抛光过
程中的摩擦和压力。
抛光液
通过超精密研磨与抛光技术，可以加工出具有高精度、低 表面粗糙度的金属表面，提高金属材料的耐磨性、耐腐蚀 性和抗疲劳性能。该技术还可以用于加工金属材料的特殊 结构，如纳米级涂层、微纳颗粒等。
05
技术挑战与未来发展
技术挑战
01
02
03
04
加工精度要求高
超精密研磨与抛光需要达到纳 米级甚至更高级别的加工精度 ，对设备、工艺和材料的要求 极高。
研磨液
为了降低表面粗糙度和提高研磨效率，通常会使用 研磨液，如硅溶胶、氧化铝悬浮液等。
研磨垫
研磨垫是超精密研磨中常用的辅助工具，能够提供 均匀的研磨压力和稳定的研磨效果。
研磨机理与过程
80%
微观切削
研磨过程中，研磨砂纸上的磨粒 在压力作用下切入工件表面，通 过微观切削的方式去除材料。
100%
表面塑性流动
具体而言，超精密研磨与抛光技术可以对光学元件的表面进行纳 米级别的加工和修饰，使其表面达到原子级的光滑度，减少散射 和反射，提高光的透过率和成像质量。同时，该技术还可以加工 出具有特殊光学性能的元件，如非球面透镜、光波导等。
半导体材料
半导体材料是现代电子工业的基础，其质量和性能对电子器 件的性能和可靠性有着至关重要的影响。超精密研磨与抛光 技术是半导体材料加工的关键技术之一，主要用于加工硅片 、锗片、砷化镓等半导体材料。
精密和超精密加工技术
《精密和超精密加工技术》学习总结11机械1班 2011411011070. 引言精密和超精密加工技术不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，还影响着国家的机械制造业的国际竞争力，因此，全球各国对此十分重视！本文就从超精密切削、精密和超精密磨削、精密研磨与抛光、精密加工的机床设备和外部支撑环境、微纳加工技术等相关的超精密加工技术进行研究与总结。
1. 超精密切削超精密切削是国防和尖端技术中的重要部分，受到了各国的重视和发展。
一、超精密切削的切削速度选择超精密切削所使用的刀具是天然单晶金刚石刀具，它是目前自然界硬度最高的物质，具有耐磨性好、热传导系数高和有色金属间摩擦系数小。
因此，在加工有色金属时，切削温度低，刀具寿命很高，亦可使用1000-2000m/min的高速切削。
而这一点（切削速度并不受刀具寿命的制约）是和普通切削规律不同的。
超精密切削的速度选择是根据所使用的超精密机床的动特性和切削系统的动特性所决定的，即选择振动最小的转速。
换而言之，要高效地切削出高质量的加工表面，就应该选择动特性好，振动小条件下最高转速的超精密机床。
例如沈阳第一机厂圣工场的SI-255液体静压主轴的超精密车床在700-800r/min时振动最大，故要避开该转速范围，选择低于或者高于该速度范围进行切削，则可得到较好的加工表面。
二、超精密切削时刀具的磨损和寿命天然单晶金刚石刀具超精密切削应用于加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属和某些非金属材料，比如激光反射镜、雷达的波导管内腔、计算机磁盘等。
判断金刚石刀具是否破损或磨损而不能继续使用的标准是根据工件加工的表面粗糙度有无超过规定值。
而金刚石刀具的切削路程的长度则是其寿命长短的标志。
倘若切削条件正常，刀具的耐用度可达数百千米。
但是在实际使用中，金刚石刀具常是达不到这个耐用度，因为加工过程中切削刃会产生微小崩刃而不能继续使用，而这主要是由于切削时的振动或切削刃的碰撞引起的。
因此，金刚石刀具只能使用在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上，而刀具的维护对机床的要求亦是如此。
机械制造工艺学课件第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
➢ 精密、超精密磨削和磨料加工
超精密磨削和磨料加工是利用细粒度的磨粒和微 粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，可分为固 结磨料和游离磨料两大类加工方式。
固结磨料加工主要有：超精密砂轮磨削和超硬材 料微粉砂轮磨削、超精密砂带磨削、ELID 磨削、双 端面精密磨削以及电泳磨削等。
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
7.1 概述
现代制造业持续不断地致力于提高加工精度和加
工表面质量，主要目标是提高产品性能、质量和可靠性
，改善零件的互换性，提高装配效率。超精密加工技术
是精加工的重要手段，在提高机电产品的性能、质量和
发展高新技术方面都有着至关重要的作用，因此，该技
第7章 精密、超精密及微细加工工艺
游离磨料类加工是指在加工时磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨 剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。 游离磨料加工的典型方法是超精密研磨与抛光加工。
① 超精密研磨技术
研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面
和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面
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第7章 精密、超精密及微细加工工艺
② 超精密砂带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和 微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂 带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达 到高精度和低表面粗糙度值。
砂带磨削机构示意图
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第7章 精密、超精密及微细加工工艺
③ ELID（电解在线修整）超精密镜面磨削技术
术是衡量一个国家先进制造技术水平的重要指标之一，
精密磨削和超精密磨削
2.磨料粒度及其选择：多选用180＃～240＃普通磨料、170/200～325/400超
硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。
3.结合剂及其选择：将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。
树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂。
4.组织和浓度及其选择：普通磨具中磨料的含量用组织表示，超硬磨具中磨
料的含量用浓度表示。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓 度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密 磨削和超精密磨削选用细粒度、低质量浓度。
三、精密和超精密涂覆磨具
1.涂覆磨具分类：
2.涂覆磨料及粒度:棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉、黑色碳 化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人造金刚石等。涂覆磨料的粒度无 论磨粒还是微粉，都用P字粒度号表示。
3.粘接剂:又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。 动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨和油磨。（溶 于水） 树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂等。用于难磨 材料或复杂形面的磨削或抛光。（易溶于有机溶剂） 高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。（粘接性能好、 耐湿、有弹性，成本高）
5.硬度及其选择：普通磨具硬度低表示磨粒易脱落。超硬磨具无硬度项 指标。 6.磨具的强度：高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。 7.磨具的形状和尺寸及其基体材料：根据机床规格和加工情况选择磨具 的形状和尺寸。
基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨具多采用铁或铜合金；树脂结合 剂磨具采用铝及合金或电木；陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷。
三、精密磨削时的砂轮修整
砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、 金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修 整等。
砂轮的修整用量有修整速度、修整深度、修整次
超精密研磨与抛光课件[行业荟萃]
![超精密研磨与抛光课件[行业荟萃]](https://img.taocdn.com/s3/m/54ed9e8c227916888486d7cf.png)
行业借鉴
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研磨特点
1. 不选择切削用量，只限定压强和加工时间。
2. 研磨是在良好的预加工基础上进行的，加工余量小。
3. 研磨过程中工件与研具的接触是随机的，可使高点相
互修整，逐步减少误差。
4. 降低表面粗糙度效果明显，提高精度不明显，生产率
行业借鉴
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超精密抛光加工机理和特点
➢ 用涂有抛光膏的软轮（抛光轮）高速旋转（或往复运 动）对工件进行微弱切削，从而降低工件表面粗糙度， 提高光亮度的一种精密加工方法。 ➢ 软轮用皮革、毛毡、帆布等材料叠制而成，具有一定 弹性。抛光膏由磨料和油脂（油酸、硬脂酸、煤油、石 蜡）调制而成。 ➢ 抛光不能提高尺寸精度、形状精度和位置精度。
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双面研磨机
行业借鉴
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行业借鉴
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行业借鉴
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研磨加工设备
行业借鉴
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行业借鉴
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行业借鉴
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研磨（抛光）工具
✓ 研磨工具：磨损要小，容易修正精度。 ✓ 研具工作面的形状精度会反映到工件上，必须减
小因研具磨损和变形引起的精度下降。
行业借鉴
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抛光工具
行业借鉴
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研磨磨料
行业借鉴
✓ 利用磨料本身或研磨剂与工件之间的化学作用，对工
件进行研磨抛光。
✓ 在腐蚀液中研磨，是为了利用腐蚀液的腐蚀作用，提
高效率。
✓ 工件与研磨液或磨料进行化学反应，可促进研磨的进
行。
行业借鉴
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机理：机械+化学作用，称为“增压活化”。
活性 抛光液
工具运动方向 加压
精密与超精密磨削技术
精密与超精密磨削技术一、精密与超精密磨削技术国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削研究，以获得亚微米级尺寸精度。
微细磨料磨削，用于超精密镜面磨削树脂结合剂砂轮金刚石磨粒平均直径可小至4μm。
日本用激光研磨过人造单晶金刚石上切出大量等高性一致微小切刃，对硬脆材料进行精密磨削加工，效果很好。
超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料，精度可达0.025μm。
日本开发了电解线修整(ELID)超精密镜面磨削技术，使得用超细微(或超微粉)超硬磨料制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料高精度、高效率超精密磨削。
作平面研磨运动双端面精密磨削技术，其加工精度、切除率都比研磨高得多，且可获得很高平面度,工具模具制造，磨削保证产品精度质量最后一道工序。
技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性作用。
磨削脆性材料时，由于材料本身物理特性，切屑形成多为脆性断裂，磨剂后表面比较粗糙。
某些应用场合如光学元件，这样粗糙表面必须进行抛光，它虽能改善工件表面粗糙度，但由于很难控制形状精度，抛光后经常会降低。
为了解决这一矛盾，80年代末日本欧美众多公司研究机构相继推回了两种新磨削工艺：塑性磨削（Ductile Grinding）镜面磨削（Mirror Grinding）。
1.塑性磨削它主要针对脆性材料而言，其命名来源出自该种工艺切屑形成机理，即磨削脆性材料时，切屑形成与塑性材料相似，切屑通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。
所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削（Shere Mode Grindins）。
由此磨削后表面没有微裂级形成，也没有脆必剥落时元规则凹凸不平，表面呈有规则纹理。
塑性磨削机理至今不十分清楚切屑形成由脆断向逆性剪切转变为塑断，这一切削深度被称为临界切削深度，它与工件材料特性磨粒几何形状有关。
一般来说，临界切削深度100μm以下，因而这种磨削方法也被称为纳米磨削（Nanogrinding）。
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图7-4所示其余因素的选择原则。
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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
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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
常用的研磨与抛光设备见表7-3
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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
其中典型的单面研磨/抛光设备如图7-5所示,为带修整环 型抛光机。
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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。
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1.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。
加工时将被加工面以一定 的负载压于旋转的圆形研 具上。工件本身跟着旋转, 运动轨迹的随机性使加工 表面的去除量均匀。同时, 工件对研具的反作用,也使 研具表面磨损。为避免加 工精度恶化,在工件外侧配 置旋转的修整环,使研具表 面的磨损得以均匀修整。
第7章 精密研磨与抛光
7.1 研磨 7.2 抛光 7.3 精密研磨与抛光的主要工艺因素 7.4 精密研磨抛光新技术 7.5 曲面研磨抛光技术
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第7章 精密研磨与抛光
研磨与抛光加工是历史最久、应用广泛而又在不
断发展的表面微去除加工方法。最近的发展趋势是加 工对象从加工金属、玻璃等转化为用于 X 射线光学元 件、电子工业的各种功能陶瓷元器件材料的加工。 在现代微电子、信息、光学等领域,为实现功能陶 瓷和晶体材料的应有功能 、砷化镓等半导体材料，蓝宝石、铌酸锂等光电子材 料，压电材料，磁性材料，光学材料等。
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第2节 抛光 二、微小机械去除与化学作用
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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包括加工设备、研 具、磨粒、加工液、工艺参数和加工环境等。 表7-2所示因素决定了最终加工精度和表面质量。 加工环境的控制可参照本书第九章。
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第1节 研磨 二、研磨加工特点
1.微量切削
由于工件与研具之间有众多磨粒分布，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,并且全体磨粒的切削机会和切削刃破碎 率均等,可实现自动修锐。
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， 2018/3/11 可以保证表面加工精度。
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。磨粒加工的去 除单位已在纳米甚至是亚纳米数量级。 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。
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第2节 抛光 二、微小机械去除与化学作用
为保证加工质量 ,在抛光加工中 ,应采用使表面粗糙 度值小和加工变质层小的切屑生成条件。 完全除去材料一层原子的加工是极困难的。机械加 工必然残留有加工变质层 , 并且随着工件材料性质及 加工条件的不同,加工变质层的深度也不同。 目前 , 抛光加工中材料的去除单位已在纳米甚至是 亚纳米级,在这种加工尺度内,加工周围气氛的化学作 用就成为抛光加工不可忽视的一部分。图 7-3 是物理 作用与化学作用复合的加工方法。表 7-1 是利用加工 中的化学现象的化学机械抛光应用实例。
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第1节 研磨 二、研磨加工特点
3.按进化原理成形
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。
研磨脆硬材料时，要控制产生裂纹的大小 和均匀性。 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。
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2.金属材料的研磨
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。
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第2节 抛光 一、抛光机理
1）由于抛光过程的复杂性和不可视性,往往是用通过 特定的实验条件下获得的实验结果来说明抛光的机理。 对于脆性材料的抛光机理,归纳起来主要有如下解释: 2）抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进 行的。在材料切除过程中会由于局部高温、高压而使 工件与磨粒、加工液及抛光盘之间存在着直接的化学 作用,并在工件表面产生反应生成物。由于这些作用的 重叠,以及抛光液、磨粒及抛光盘的力学作用,使工件 表面的生成物不断被除去而使表面平滑化。 3）采用工件、磨粒、抛光盘和加工液等的不同组合 , 可实现不同的抛光效果。