精密和超精密加工技术

1、研磨加工机理
研磨加工机理
研磨是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面进行光整加工的方法。 磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧作用。 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。
研磨表面
研磨原理
磨削表面
2、抛光加工机理
抛光加工机理
抛光是将研磨剂涂在抛光垫（抛光轮）上，对工件表面进行光整加工的方法。 抛光过程中磨粒对工件的作用力很小，可抛光硬脆材料，不产生裂纹。 抛光借助磨粒和抛光垫与工件流动摩擦使工件表面的凹凸变平。 在抛光液中有化学性溶析。工件和磨粒之间有直接的化学反应，有助于抛光 过程。
ELID磨削的应用
电子材料，磁性材料的镜面磨削：大尺寸硅片；铁金氧磁头 光学材料的镜面磨削：记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前 陶瓷材料的镜面磨削 高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金
4、脆性材料精密磨削
尖锐压头下的材料变形过程
(a) 初始加载: 接触区产生—永久塑性变形区，没有任何 裂纹破坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。 (b) 临界区: 载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力 集中处产生中介裂纹(M edian Crack)。 (c) 裂纹增长区: 载荷增加, 中介裂纹也随之增长。 (d) 初始卸载阶段: 中介裂纹开始闭合，但不愈合。 (e) 侧向裂纹产生: 进一步卸载，由于接触区弹塑性应力 不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧 边扩展的横向裂纹(L ateral Crack)。 (f) 完全卸载: 侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则 形成破坏的碎屑。
超精镜面砂带抛光硬磁盘涂层表面
3、研磨和抛光的特点
研磨和抛光的特点
研磨工具（研具）与工件之间的运动不受约束 磨料不固定 研具的现状要复印在工件上 研具与工件的相对运动方向常发生变化
4、磁流变研磨抛光技术 (MRF)
磁流变研磨抛光工作原理
抛光液由磁埸控制，成为和工件表面一致的磨头。它的黏性与硬度由磁场精 密控制。 磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（＜0.015μm）的胶态液体。 由磁感应产生流动性。 非磁性材料的磨粒混入磁流体，在磁场作用下压向旋转的工件进行研磨。 磁流体抛光是采用永磁铁或电磁铁工具，将混有磨料的磁流体吸附在工具端 部，对工件进行抛光。
磁流变研磨
磁流变抛光
4、磁流变研磨抛光技术 (MRF)
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)。
研磨前0.25μm Ra
研磨后0.05μm Ra
5、化学机械抛光技术 (CMP)
化学机械抛光原理
利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。
化学作用形成比基体软的表面层；
机械的作用去除这一表面层。
5、化学机械抛光技术 (CMP)
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。
3、在线电解磨削技术
切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。 一般临界切削深度＜1μm。 磨粒与工件的接触点的切削温度应高到一定程度，使工件材料的局部物 理特性发生变化。
4、脆性材料精密磨削
脆性材料精密磨削切屑的形成
五、超精密研磨抛光技术
1、研磨加工机理 2、抛光机理 3、现代研磨抛光技术
2、超硬磨料砂轮及修整
磨料、砂轮类型
普通磨料 AI2O3、SiC 超硬磨料 金刚石、立方碳化硼
金刚石砂轮
CBN砂轮
2、超硬磨料砂轮及修整
超硬磨料砂轮组成
磨料层：人造金刚石磨粒和结合剂 组成，厚度1.5~5mm 过渡层：一层结合剂，将磨料层与 基体连接起来。
基体：砂轮的主体，一般基体材料 为铜、铝、钢。
精密、超精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕
1、精密和超精密磨削加工基础
精密和超精密磨削分类
将磨料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。
精密和超精 密磨料加工 固结磨 料加工
磨料或微粉不是固结在一起， 而是成游离状态。
硅片的化学机械抛光
硅片加工工艺条件
思考和讨论
1. 2. 3. 4. 分析精密超精密加工技术涉及的关键技术领域，并详述其中一种关 键技术。 论述精密和超精密加工技术的主要方法，并就其中一种简述其工作 原理和特点。 论述金刚石精密切削的机理和主要应用范围。分析超精密切削时的 最小切削厚度与刃口圆弧半径的关系。 论述超硬磨料砂轮精密磨削机理和特点。
游离磨 料加工 涂覆磨具 精密研磨 精密抛光
固结磨具 精密砂 轮磨削 精密超 精加工
油石研磨
精密珩磨
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。
4、脆性材料精密磨削
尖锐压头下的材料变形过程
由材料变形过程可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷 的作用下仍然会产生一定的塑性变形。当载荷增加时，材 料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部 和表面上产生脆性裂纹。 临界载荷：在材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变 转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷； 临界压深：材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转 变时，压头压入的深度。
磨粒可以看作具有弹性支承的和大负前角 切削刃的弹性体，弹性支承为结合剂，磨 粒虽有相当硬度，本身受力变形极小，实 际上仍属于弹性体。 磨粒切削刃的切入深度由零开始逐渐增加 ，到达最大值后又逐渐减小到零。 整个磨粒与工件的接触过程依次为弹性区 、塑性区、切削区、塑性区和弹性区。 超精密磨削中，微切削作用、塑性流动、 弹性破坏作用和滑擦作用依切削条件的变 化而顺序出现。
精密和超精密磨削技术
1、精密和超精密磨削加工基础 2、超硬材料砂轮及修整 3、在线电解磨削技术 4、脆性材料精密磨削
1、精密和超精密磨削加工基础
精密和超精密磨削：通常是指加工精度1～0.1μm，表面粗糙度低于 Ra0.2～0.025μm的表面磨削方法。 镜面磨削：一般是指加工表面粗糙度达到Ra0.02～0.01μm，磨削表 面光泽如镜的磨削方法。镜面磨削对加工精度要求不很明确，主要 强调表面粗糙度要求。
超硬磨料砂轮结合剂
树脂：树脂结合剂砂轮弹性好，砂轮磨粒保持力小，耐磨耗性较低， 耐热性差。树脂结合剂的自锐性和弹性使砂轮具有极高的加工品质。 陶瓷：陶瓷结合剂砂轮具有良好的磨削性能，适用于高速、高效、高 精密磨削，化学稳定性好，耐水，耐酸，耐热，成本低，但较脆。 金属：金属结合剂砂轮耐磨耗性强，磨粒保持力大，砂轮寿命长，砂 轮自砺性差。
1、精密和超精密磨削加工基础
切削和磨削的比较
1、精密和超精密磨削加工基础
精密磨削机理
(1) 微刃的微切削作用
(2) 微刃的等高切削作用 (3) 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用
(a)砂轮
(b)磨粒 磨粒具有微刃性和等高性
(c) 微刃 (锐利、半钝化、钝化)
1、精密和超精密磨削加工基础
精密磨削机理
脆性材料裂纹长度
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
Baidu Nhomakorabea
2、超硬磨料砂轮及修整
超硬磨料砂轮的修整
砂轮修整：用修整工具将砂轮修整成形或修去磨钝的表层的过程。 修整方法 磨削修整 滚压挤扎
喷砂修锐
超声波振动修整 电解修整 电火花修整
激光修整
高压水喷射修整
3、在线电解磨削技术
ELID（Electrolytic In-Process Dressing）：1987年日本理化研究所的大森整 等提出的一种磨削新工艺。 ELID原理：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断 对结合剂进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于 锋利状态。 组成要素：铸铁基砂轮：“+”极 ；石墨电极：“–”极；两电极间隙：0.1mm