精密研磨与抛光(精密加工)

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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
2013-9-22
第7章 精密研磨与抛光
在超精密加工中,超精密切削和超精密磨削的实
现在很大程度上依赖于加工设备、加工工具以及相关 技术的支持,并受到加工原理及环境因素的影响和限 制,要实现更高精度的加工十分困难。 超精密研磨抛光具有独特的加工原理,对加工设 备和环境因素要求不高,可以实现纳米级甚至原子级 的加工,已经成为超精密加工技术中一个十分重要的 部分。 精密研磨与抛光加工涉及的材料:金属材料,硅 、砷化镓等半导体材料,蓝宝石、铌酸锂等光电子材 2013-9-22 料,压电材料,磁性材料,光学材料等。
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.
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。
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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 2013-9-22 效果。
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。
对抛光盘的要求:
1)抛光盘材料硬度一般比工件材料低,组织均匀致密、无杂质、 异物、裂纹和缺陷,并有一定的磨料嵌入性和浸含性; 2)机构合理,有良好的刚性、精度保持性和耐磨性,工作表面 应具有较高的几何精度; 3)排屑性和散热性好。
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表7-4 研磨盘及抛光盘材料及部分使用实例
分类 硬质 材料 金属 非金 属 软质 金属 天然 树脂 对象材料 铸铁、碳钢、工具钢 部分使用例 一般材料研磨 金刚石抛光
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。 2013-9-22
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。
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。
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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;
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。 2013-9-22
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, 2013-9-22 可以保证加工质量。
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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。
⑤及时变换工件的运动方向,以减小表面粗糙度值,并 保证表面均匀一致。
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第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素 三、研磨盘与抛光盘
研磨盘是用于涂敷或嵌入磨料的载体,使磨粒发挥 切削作用;
研磨盘是研磨表面的成型工具;
研磨盘本身的几何精度按一定程度会“复印”到工 件上,所以研磨盘的加工面要有较高的几何精度。
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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。
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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。2013-9-22源自第1节 研磨 二、研磨加工特点
3.按进化原理成形
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。
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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 2013-9-22 学作用,以提高研磨抛光的加工效率和质量。
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, 2013-9-22 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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