無機(jī)材料工藝原理08無機(jī)非金屬材料的加工.ppt

1、無機(jī)非金屬材料的加工,本章內(nèi)容,無機(jī)非金屬材料的加工特征 無機(jī)非金屬材料的常規(guī)加工 無機(jī)非金屬材料的精密加工 陶瓷的金屬化與封接,思考,材料工程基礎(chǔ)中，金屬材料的加工方法： 鑄造 壓力加工 焊接 表面處理 無機(jī)非金屬材料有無這些加工,無機(jī)材料加工實(shí)例,無機(jī)非金屬材料的加工 尺寸規(guī)整度：方法切割加工 表面光潔度：研磨與拋光 表面處理：防污 所有的加工，只是對(duì)其器形進(jìn)行微調(diào)。 絕不能象加工金屬一樣加工陶瓷制品,示例,顯微鏡觀察用的光片與薄片應(yīng)如何加工？ 光片 薄片,無機(jī)非金屬材料的加工特征,燒結(jié)制品的精度都不可能很高，要獲得高精度、高表面質(zhì)量的制品及元件，只有通過加工及精加工甚至超精密加工才可實(shí)現(xiàn)

2、。 加工精度越高的加工方法，材料的去除速度越慢，生產(chǎn)效率越低、生產(chǎn)成本越高。 可通過提高加工精度，來提高產(chǎn)品的功能和附加值,無機(jī)非金屬材料的加工特征,無機(jī)非金屬材料超精密加工特征： 彈性系數(shù)高、剛性好； 硬度高、耐磨性好、去除量?。?加工變質(zhì)層??； 晶相穩(wěn)定； 耐蝕性好； 適合超精密平面加工,無機(jī)非金屬材料的加工特征,與金屬材料相比，無機(jī)非金屬材料的彈性變形小，適合于超精密加工，且在使用時(shí)，易于保持精度。但對(duì)于一些小體積的薄形產(chǎn)品，則由于剛性較差，易造成加工精度的降低,無機(jī)非金屬材料的加工特征,無機(jī)非金屬材料硬度高、耐磨性好、去除量小，故加工效率低，但加工面粗糙度小、加工變質(zhì)層也較淺。 導(dǎo)熱性

3、差，加工點(diǎn)附近溫度容易上升，刀具的磨損較大，增加了加工阻力和加工熱量，進(jìn)而導(dǎo)致了各種加工誤差，且易在材料表面產(chǎn)生裂紋及缺陷，降低加工精度和表面質(zhì)量,無機(jī)非金屬材料的加工特征,加工變質(zhì)層?。涸谳^高溫度下才有塑性變形，加工中不會(huì)產(chǎn)生毛刺，使用中發(fā)生刻痕時(shí)，其兩側(cè)也不會(huì)有材料凸起現(xiàn)象，易保持形狀精度,無機(jī)非金屬材料的加工特征,加工變質(zhì)層?。涸谳^高溫度下才有塑性變形，采用先粗加工（確保形狀精度），再精加工（除去粗加工的變質(zhì)層），可提高加工效率。 常多種加工法同時(shí)使用，并在拋光液中添加化學(xué)藥品，既可保證加工形狀精度，又可得到化學(xué)加工的無損傷加工面,無機(jī)非金屬材料的加工特征,晶相穩(wěn)定：在高溫下不會(huì)發(fā)生類似

4、金屬組織學(xué)的相變，故用其制造的零件不會(huì)發(fā)生時(shí)效變化，尺寸及形狀能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。 耐蝕性好：不易氧化，表面耐腐蝕性好，在加工和使用過程中不會(huì)生銹,無機(jī)非金屬材料的加工特征,適合超精密平面加工：金屬都是多晶體，沒有實(shí)用的單晶材料。但無機(jī)非金屬的各種單晶材料正在實(shí)用化。拋光多晶材料時(shí)易產(chǎn)生由結(jié)晶方位引起的各向異性，而單晶材料卻易于均勻地平面拋光，得到無殘留加工變質(zhì)層的平滑表面,無機(jī)非金屬材料的常規(guī)加工,最常用的機(jī)械加工方法是切削加工，其主要形式是材料的脆性斷裂過程，導(dǎo)致了零件強(qiáng)度的不穩(wěn)定性。提高無機(jī)非金屬材料加工質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)效率，是使它們得以廣泛應(yīng)用的基本要求,常規(guī)加工-切割加工,工藝要求：高

5、效率、低成本、窄切縫 (材料利用率高) 、無損傷、無環(huán)境污染等,常規(guī)加工-切割加工,金剛石鋸片切割，不能切割曲線，且切縫較寬，出材率較低，不適于對(duì)貴重材料的精密切割； 激光束切割，切割深度有限，增大激光器功率，則激光與工件間產(chǎn)生的高溫等離子體會(huì)明顯降低加工效率，增加熔融物的排出難度，且設(shè)備投資費(fèi)用昂貴； 高壓水射流切割，可以切割石材、陶瓷等脆性材料，但切縫較寬，不易實(shí)現(xiàn)精細(xì)的切割加工，且設(shè)備昂貴，需耗費(fèi)大量水資源,無機(jī)非金屬材料的常規(guī)加工,近十幾年來，隨著超硬材料及其應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，切割加工無機(jī)非金屬材料的新工藝、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，其中金剛石線鋸切割技術(shù)發(fā)展較快，其獨(dú)特結(jié)構(gòu)不但能切割各種貴重

6、硬脆材料，而且可以方便地切割曲線,金剛石線鋸,線鋸種類 使用游離磨料鋼絲鋸； 使用固結(jié)磨料金剛石線鋸和金剛石串珠鋸,金剛石線鋸鋼絲鋸,鋼絲鋸：用一根鋼絲纏繞在一組鋸絲導(dǎo)輪上，形成一排按一定間隔排列的切割線切割時(shí)，鋼絲按一定方向運(yùn)動(dòng)，并與工件相互壓緊，當(dāng)含有游離磨料的切割液澆注到工件與鋸絲之間時(shí)，鋸絲的快速運(yùn)動(dòng)將切割液帶入工件切縫中，而對(duì)工件材料產(chǎn)生切割作用,金剛石線鋸鋼絲鋸,提高切割效率的關(guān)鍵是提高切割速度，方法： 通過單向行程鋼絲，切割速度可提高 1 2 倍，達(dá) 400 800 /min； 通過提高送料速度，可縮短鋸切時(shí)間，鋼絲可重復(fù)使用 5 10 次； 仍用單向走絲，但增大鋼絲線長(zhǎng)度，達(dá)

7、300 500km，是普通鋼絲線長(zhǎng)度的 5 10 倍，最大走線速度可達(dá) 900 /min,金剛石線鋸鋼絲鋸,鋼絲鋸切割的優(yōu)點(diǎn)：切縫窄 (目前最小切縫可達(dá) 0.2 ) 、切片量大、加工成本低等； 缺點(diǎn)：可靠性較差、鋼絲耐用度低，鋼絲鋸加工所用切割液通常為磨料與礦物油按一定比例混合而成，常用的磨料為碳化硅,金剛石線鋸固結(jié)磨料鋸,采用電鍍工藝將金剛石磨粒固著于鋼絲基體上制備而成其最大特點(diǎn)是采用線型鋸絲，因此可對(duì)硬脆材料進(jìn)行曲線切割，鋸縫可小于 1mm ，不僅可用于加工石材，玻璃等普通硬脆材料，而且特別適合寶石，瑪瑙，陶瓷,水晶等貴重硬脆材料的精密切割,金剛石線鋸固結(jié)磨料鋸,金剛石線鋸可切割硬脆材料的

8、優(yōu)點(diǎn)： 切割未經(jīng)燒結(jié)的硬質(zhì)合金時(shí)可保證其軟邊緣不產(chǎn)生破損； 切割脆性晶體的加工效果優(yōu)于砂輪切割，鋸絲接觸工件后，其振動(dòng)可馬上停止； 加工溫度較低，適于切割易炸裂材料； 切割絕緣體時(shí)不會(huì)引起崩碎； 可切割精密窄縫； 可切割出大尺寸工件切片,金剛石線鋸固結(jié)磨料鋸,目前主要有以下三種形式： 繞線式線鋸：切割運(yùn)動(dòng)與鋼絲鋸類似，切割時(shí)，鋸絲從一個(gè)絞輪繞到另一個(gè)絞輪上，由于鋸絲無焊縫，因此可實(shí)現(xiàn)高速切割,金剛石線鋸固結(jié)磨料鋸,目前主要有以下三種形式： 往復(fù)式線鋸：鋸絲可上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好，可切割各種硬脆材料內(nèi),外曲線表面。但鋸絲的有效工作長(zhǎng)度受到限制，利用率不高，切割速度較低 (一般為 2

9、3m/s),金剛石線鋸固結(jié)磨料鋸,目前主要有以下三種形式： 環(huán)形回轉(zhuǎn)式線鋸：焊接為環(huán)形，可通過導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)循環(huán)切割，整個(gè)鋸絲長(zhǎng)度均可參與切割，使用壽命長(zhǎng)，切割速度高 (可達(dá) 10 20m/s) ；但切割內(nèi)曲面時(shí)必須先切割一條引線槽,金剛石線鋸金剛石串珠鋸,金剛石串珠鋸：最早出現(xiàn)于 70 年代，應(yīng)用于石材開采，后來廣泛用于建筑物、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)的拆除和改造，也用于切割玻璃等硬脆材料金剛石串珠鋸由鋼絲繩芯、金剛石串珠和隔離套組成，串珠按一定間隔穿在繩芯上，并由隔離套相互分開,金剛石線鋸金剛石串珠鋸,傳統(tǒng)的金剛石串珠制備方法 電鍍法：只有一層金剛石磨料，開始加工時(shí)切割速度較快，但磨損速度也較快； 熱壓

10、燒結(jié)法：1983年以后出現(xiàn)的燒結(jié)式串珠可以不斷地更新金剛石磨料，雖然切割速度較慢，但使用壽命較長(zhǎng)。 共同缺點(diǎn)：金剛石磨粒為隨機(jī)分布，均勻性較差，目前已開發(fā)出磨?？砂匆欢ǚ较蚓鶆蚍植嫉蔫偤甘浇饎偸?金剛石線鋸金剛石串珠鋸,金剛石串珠鋸不但能切割直面，而且能切割曲面切割板料時(shí)，可進(jìn)行多道串珠鋸切割，生產(chǎn)效率很高，用途廣泛。但切縫較寬，因此目前還不適合用于細(xì)微結(jié)構(gòu)和貴重材料的切割加工,線鋸切割發(fā)展方向,切割速度將不斷提高：往復(fù)式線鋸僅為 2 3m/s ，而回轉(zhuǎn)式線鋸則可提高到 20m/s 以上； 出材率提高； 可有效控制鋸絲彎曲，提高切割精度； 數(shù)控切割并且允許切割形狀復(fù)雜的曲面。 振動(dòng)切割，其

11、效率相當(dāng)于普通無振動(dòng)切割的 3 倍，并且可以降低切削力，提高切割精度，延長(zhǎng)工具壽命,常規(guī)加工-切削加工,通常用超高精度的車床和金剛石單晶車刀進(jìn)行加工，吃刀深度與走刀量都很小，可用于精加工，它是一種高效率的加工方法一般，切削工具的硬度為被加工物硬度的 4 倍左右。高硬度的氧化鋁陶瓷可選用多晶金剛石刀具進(jìn)行切削加工，燒結(jié)或熔融氟云母成型的云母陶瓷也容易進(jìn)行切削加工,常規(guī)加工切削加工,國(guó)外研制成功了多種采用高精度空氣軸承主軸的超精密機(jī)床，用金剛石刀具能高精度切削加工各種非金屬材料，另外，還開發(fā)了以等離子體進(jìn)行加熱切削的方法，這種方法是用等離子體加熱陶瓷至高溫后，在強(qiáng)度較低狀態(tài)時(shí)切削陶瓷，可采用 CB

12、N （立方氮化硼）切削工具，工具尖端用水冷卻,常規(guī)加工-磨削加工,磨削加工過程是高速旋轉(zhuǎn)的砂輪磨粒對(duì)被磨削層的擠壓過程，磨屑實(shí)際上是被擠壓下來的磨削過程中有的磨粒起切削作用，有的起刻劃作用，有的則僅起摩擦拋光作用,常規(guī)加工-磨削加工,磨削加工形式：外圓磨削 (其方法有縱向磨削法、切入磨削法、綜合磨削法、深度磨削法) 、內(nèi)圓磨削、平面磨削 (又分為適用于精磨的圓周磨削、適用于粗磨的端面磨削、轉(zhuǎn)盤式研磨) 、無心磨削等；按以砂輪工作表面來區(qū)分，磨削加工又可分周邊磨削、端面磨削、成型磨削三大類,常規(guī)加工-研磨與拋光,拋光目的：使表面光滑拋光時(shí)采用軟質(zhì)、富于彈性或粘彈性的工具（拋光機(jī)）及微粉磨料。 拋

13、光與研磨的差別在于磨粒的大小和保持磨粒的方法不同。 陶瓷研磨：在加工面上產(chǎn)生的微小裂紋趨于長(zhǎng)大，然后尖端脫離。 影響加工特性的主要因素：研具的種類、磨粒的種類和大小、研磨液、加壓壓力、加工速度等,常規(guī)加工-研磨與拋光,拋光的機(jī)理有多種，由此產(chǎn)生了許多不同的拋光方法，如復(fù)合拋光、軟質(zhì)粉末的機(jī)械化學(xué)拋光、水合拋光及無污染拋光等,研磨硬脆材料時(shí)的加工過程,常規(guī)加工-研磨與拋光,對(duì)電子材料的最終精加工還可采用具有復(fù)合效果的化學(xué)-力學(xué)拋光法，即采用磨粒的力學(xué)研磨確保形狀精度，同時(shí)用化學(xué)研磨除去因磨粒的力學(xué)作用產(chǎn)生的加工缺陷,常規(guī)加工-研磨與拋光,由軟質(zhì)粉末產(chǎn)生的機(jī)械-化學(xué)拋光的最大特征是其粉末比加工物的

14、質(zhì)地還軟，能夠與加工物發(fā)生固相反應(yīng)，拋光時(shí)，由于摩擦力而發(fā)生粉末脫落，使加工得以進(jìn)行,常規(guī)加工-粘彈性流動(dòng)加工,這是利用含磨料的半流動(dòng)狀態(tài)的粘性磨料介質(zhì)，在一定壓力下強(qiáng)迫通過被加工表面，由磨料顆粒的刮削作用去除工件表面微觀不平整部分的工藝方法粘性磨料在一定壓力作用下反復(fù)在工件待加工表面滑移通過，從而達(dá)到表面拋光或除去毛刺的目的,粘彈性流動(dòng)加工過程示意圖1、粘性磨料； 2、夾具； 3、上部磨料室； 4、工件；5、下部磨料室；6、液壓操縱活塞的,常規(guī)加工-粘彈性流動(dòng)加工,粘性磨料介質(zhì)應(yīng)具備的性能： 有一定的流動(dòng)性和粘彈性； 有很強(qiáng)的內(nèi)聚力； 有很小的內(nèi)摩擦力； 穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)； 磨料不粘到加

15、工零件上； 切削作用強(qiáng)，加工速度快，拋光效果顯著； 介質(zhì)對(duì)工件無腐蝕作用，對(duì)人體無影響,常規(guī)加工-粘彈性流動(dòng)加工,粘彈性流動(dòng)加工的特點(diǎn)： 適用范圍廣，尤其適用于各種型孔、交叉孔、噴嘴小孔等內(nèi)壁的精加工； 拋光效果好，加工精度較高，加工后表面粗糙度可達(dá)原始的1/10，一般可提高3級(jí)左右；。 加工效率高，磨料流動(dòng)加工時(shí)材料的去除量一般為 0.01 0.lmm，加工時(shí)間通常為l 5min；對(duì)小型零件可以同時(shí)加工多件。 但僅適于表面加工，不能修正零件的形狀誤差,磨料噴射加工,利用混有細(xì)磨料粉末的氣體，聚焦成束的高速噴射來進(jìn)行加工磨料種類應(yīng)隨被加工陶瓷的硬度而定。加工硬度較小的陶瓷可用石英或石榴石，加工

16、較硬的陶瓷可用碳化硅或氧化鋁，特別硬的陶瓷可用碳化硼作磨料。 磨料種類、磨料尺寸、噴嘴口徑、噴嘴與工件表面的距離、噴嘴角度、磨料噴射速度等都可能是影響磨料噴射加工的因素通常磨粒愈大，噴射速度愈高，材料的去除速度也愈快,磨料噴射加工,磨料噴射加工示意圖 壓氣瓶； 2 過濾器； 3 磨料室； 4 手柄； 5 噴嘴； 6 集收器； 7 工件； 8 控制閥； 9 振動(dòng)器； 10 混合腔,常規(guī)加工激光加工,當(dāng)激光照射在被加工工件表面時(shí)，光能被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，使照射斑點(diǎn)的局部區(qū)域迅速熔化以致氣化蒸發(fā)，形成小四坑隨著激光能量的繼續(xù)吸收，凹坑中蒸氣迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物被爆炸性地高速噴射出來，所產(chǎn)生

17、的反沖擊力又在工件內(nèi)部形成一個(gè)方向性很強(qiáng)的沖擊波。在高溫熔融和沖擊波的同時(shí)作用下，工件達(dá)到加工的目的,激光加工的種類,常規(guī)加工激光加工,激光加工的特點(diǎn) 不需要加工工具； 加工功率密度高，可加工各種金屬、陶瓷、石英、金剛石等材料； 加工速度快，效率高，熱影響區(qū)??； 適于精微加工，能加工深而小的微孔和窄縫； 適宜對(duì)透明材料進(jìn)行打孔； 不宜加工厚尺寸的產(chǎn)品,常規(guī)加工超聲波加工,利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過磨料懸浮液加工硬脆材料。加工時(shí)，在工具和工件之間加入液體和磨料懸浮液，并使工具以很小的力輕輕壓在工件上。超聲換能器產(chǎn)生 16000Hz以上的超聲頻縱向振動(dòng)，并借助于變幅桿把振幅放大到 0.05 0

18、.lmm左右，驅(qū)動(dòng)工具端面作超聲振動(dòng)，迫使工作液中懸浮的磨粒以很大的速度和加速度不斷地撞擊，拋磨被加工表面，把加工區(qū)域的材料粉碎而被打擊下來,超聲加工原理示意圖1、工具；2、工件；3、磨料懸浮液；4與5、變幅桿；6、換能器；7、超聲發(fā)生器,常規(guī)加工超聲波加工,工作液受工具端面超聲振動(dòng)作用而產(chǎn)生的高頻、交變的液壓正負(fù)沖擊波和“空化”作用，促使工作液鉆入被加工材料的微裂縫處，加劇了機(jī)械破壞作用。所謂空化作用，是指當(dāng)工具端面以很大的加速度離開工件表面時(shí)，加工間隙內(nèi)形成負(fù)壓和局部真空，在工作液體內(nèi)形成很多微空腔，當(dāng)工具端面以很大的加速度接近工件表面時(shí)，空泡閉合，引起極強(qiáng)的液壓沖擊波，以強(qiáng)化加工過程,常

19、規(guī)加工超聲波加工,影響超聲波加工速度的主要因素 合適的振幅和頻率，一般控制在 0.01 0.lmm，頻率在 16000 25000Hz之間； 合適的進(jìn)給壓力，加工面積小時(shí)，靜壓力可較大； 使用硬度較高的磨料，如金剛石、碳化硼、碳化硅等； 合適的磨料懸浮液濃度，通常采用濃度為磨料對(duì)水的質(zhì)量比約 0.5 1 左右； 考慮被加工材料性質(zhì)，材料愈脆，承受沖擊載荷的能力愈低，愈易被加工；而韌性好的材料則不易加工,常規(guī)加工超聲波加工,超聲波加工的特點(diǎn) 適合加工硬脆材料，特別是不導(dǎo)電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷、石英、金剛石等； 加工設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、維修方便； 工件表面的宏觀切削力很小，切削應(yīng)力、切削熱

20、很小，不會(huì)引起變形及燒傷，表面粗糙度也較好，而且可以加工薄壁、窄縫零件,常規(guī)加工- EMG 加工法,由電氣機(jī)械磨削系統(tǒng)構(gòu)成，同時(shí)具有電解磨削和機(jī)械磨削兩種功能的復(fù)合磨削加工方法，加在工件上的應(yīng)力比普通機(jī)械磨削低了 30 % 50%，適用于脆性材料的加工,常規(guī)加工- EMG 加工法,加上電源，負(fù)極接磨輪，正極接工件，工件和磨輪之間注入電解液。加電壓后，工件表面生成薄而脆的陽極氧化膜。在電解作用下選擇性地溶解其凸部，從而變得光滑，然后全面形成新的陽極氧化膜，再進(jìn)行機(jī)械磨削,EMG磨削裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖,常規(guī)加工 MEEC 加工法,這是由機(jī)械磨削加工（機(jī)械的）、電解加工（電分解）和電火花（ Elect

21、ro 釋放）結(jié)合而成的復(fù)合加工法,常規(guī)加工 MEEC 加工法,特殊導(dǎo)電砂輪的兩種形式： 一是將通電部分設(shè)計(jì)成輻射狀的砂輪，采用一般直流電源進(jìn)行電解加工、電火花加工，再加上機(jī)械磨削加工； 二是采用特殊導(dǎo)電整體型砂輪，用特殊加工的電源裝置供給脈沖電場(chǎng)，從而引起電解、電火花。前者，因?yàn)榉烹娒}沖是由旋轉(zhuǎn)引起的，所以脈沖時(shí)間不能太短，但是加工電源裝置比較簡(jiǎn)單。后者，脈沖是由加工電源裝置引起的，將它施加在砂輪上，雖然脈沖時(shí)間相當(dāng)短，但是裝置比較復(fù)雜,常規(guī)加工電子束加工,在真空條件下，利用聚焦后能量密度極高(106 109w/cm2)的電子束，以極高的速度沖擊到工件表面極小的面積上，在極短的時(shí)間（幾分之一微

22、秒）內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使被沖擊部分的工件達(dá)到數(shù)千度以上，從而引起材料的局部熔化或氣化,常規(guī)加工電子束加工,控制電子束能量密度的大小與能量注入時(shí)間，就可以達(dá)到不同的加工目的，如熱處理、焊接、打孔、切割等加工，還可以進(jìn)行光刻加工,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,超精密加工技術(shù)是一門新興的綜合性加工技術(shù)它集成了現(xiàn)代機(jī)械，光學(xué)，電子，計(jì)算機(jī),測(cè)量及材料等先進(jìn)技術(shù)成就，使得超精密加工的精度從 60 年代初的微米級(jí)提高到目前的 0.01 m 級(jí)，提高了 1 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，極大地改善了產(chǎn)品的性能和可靠性,超精密加工定義,兩種含義：一是指向傳統(tǒng)加工方法不易突破的精度界限挑戰(zhàn)的高精度加工；其二是指向?qū)崿F(xiàn)微細(xì)尺寸界限挑

23、戰(zhàn)的，以微電子集成電路生產(chǎn)為代表的微細(xì)加工,超精密加工定義,將達(dá)到或超過本時(shí)期最高精度的加工稱為超精密加工。目前，一般將加工精度優(yōu)于 0.1m，粗糙度低于 0.025m或更高精度的加工稱為超精密加工。它已進(jìn)入納米級(jí)精度階段，出現(xiàn)了納米加工技術(shù),超精密加工分類,按加工方法機(jī)理和特點(diǎn)：可以分為去除加工、結(jié)合加工和變形加工三大類。 按加工方式：可以分為切削加工、磨料加工（分固結(jié)磨料和游離磨料）、特種加工和復(fù)合加工四類,精密加工方法分類,超精密加工方法分類,超精密加工的實(shí)現(xiàn)條件,綜合性高新技術(shù)，已發(fā)展成它以人、技術(shù)、組織為基礎(chǔ)的精密加工系統(tǒng)工程，涉及到如下因素： 超精密加工的工藝方法和機(jī)理； 超精密加

24、工用的工件材料； 超精密加工工裝裝備； 超精密加工工具； 精密測(cè)量及誤差補(bǔ)償技術(shù)； 超精密加工工作環(huán)境、條件,影響超精密加工的主要因素 1,超精密加工機(jī)床：這是超精密加工最重要、最基本的加工設(shè)備，要求應(yīng)達(dá)到如下要求： 高精度：包括靜精度和動(dòng)精度； 高剛度：包括高的靜剛度和動(dòng)剛度，還應(yīng)注意接觸剛度，同時(shí)應(yīng)考慮由工件、機(jī)床、刀具、夾具所組成的工藝系統(tǒng)剛度。 高穩(wěn)定性：在工作環(huán)境下和使用過程中應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間保持精度，應(yīng)有良好的耐磨性、抗振性等。 高自動(dòng)化：為了保證加工質(zhì)量，減少人為因素影響，采用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,影響超精密加工的主要因素 2,超精密加工工具： 切削刀具：天然金剛石、高性能陶瓷刀具，錫，

25、 CBN,金剛石涂層的硬質(zhì)合金刀具以及 CBN 刀片，但其加工表面質(zhì)量不如天然金剛石。 磨削砂輪：金剛石微粉砂輪。 研磨研具：可用鑄鐵、錫、工程塑料和玻璃等。 磨料：超硬磨料，如 CBN 微粉，金剛石微粉，軟質(zhì)磨料，如 SiO2 、 CeO2、ZrO2 等,影響超精密加工的主要因素 3,超精密加工材料：超精密加工所用的工件材料質(zhì)量、工件的表面結(jié)構(gòu)完整性、殘余應(yīng)力等將影響功能陶瓷元器件的性能如反射鏡的反射率會(huì)降低，磁盤存儲(chǔ)密度降低。因此，對(duì)超精密加工所用的材料化學(xué)成分、物理力學(xué)性能動(dòng)工性均有嚴(yán)格要求，要求質(zhì)地均勻、性能穩(wěn)定、無微觀缺陷,影響超精密加工的主要因素 4,超精密加工測(cè)量：沒有高精度測(cè)量

26、手段，就不能對(duì)超精密加工精度進(jìn)行評(píng)價(jià)通常要求測(cè)量精度高于加工精度一個(gè)數(shù)量級(jí),影響超精密加工的主要因素 5,超精密加工環(huán)境：加工環(huán)境條件的極微小變化都可能使超精密加工精度達(dá)不到要求超精密加工必須在超穩(wěn)定的加工環(huán)境條件下（主要指恒溫、恒濕、防振、超凈）進(jìn)行,影響超精密加工的主要因素 6,誤差預(yù)防和補(bǔ)償： 誤差預(yù)防可通過提高機(jī)床制造精度、保證加工環(huán)境的條件等措施來減小誤差的影響。 誤差補(bǔ)償可利用誤差補(bǔ)償裝置對(duì)誤差值進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)補(bǔ)償，以消除誤差本身的影響。使用在線檢測(cè)和誤差補(bǔ)償可以突破超精密加工系統(tǒng)的固有加工精度,影響超精密加工的主要因素 7,超精密加工設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮的事項(xiàng)： 選擇適合超精密加工的材料，如

27、彈性系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、加工引起特性變化小的材料適合超精密加工非晶質(zhì)材料沒有各向異性的問題，任何形狀都能均質(zhì)地加工。各向異性單晶材料適合平面拋光，而不適合其它形狀拋光,影響超精密加工的主要因素 7,超精密加工設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮的事項(xiàng)： 設(shè)計(jì)成適合超精密加工的形狀，單純形狀的工件比復(fù)雜形狀的零件更容易實(shí)現(xiàn)超精密加工精度，平面、圓筒或球面較易于實(shí)現(xiàn)高精度,超精密研磨新技術(shù),無損傷拋光 晶體材料的無損傷表面拋光技術(shù)是以不破壞極表層結(jié)晶結(jié)構(gòu)的加工單位進(jìn)行材料微量切除加工的方法。按加工狀態(tài)，可看作由機(jī)械作用和化學(xué)作用及其組合構(gòu)成的，如,超精密研磨新技術(shù),無損傷拋光 機(jī)械微量去除拋光：只限定于磨粒作用區(qū)域的機(jī)

28、械拋光其拋光效果取決于晶體和磨粒的硬度、磨粒形狀、拋光盤保持拋光劑的性能等物理特性,超精密研磨新技術(shù),無損傷拋光 化學(xué)拋光（化學(xué)腐蝕拋光、盤式化學(xué)拋光）：是在軟質(zhì)拋光盤上用化學(xué)液進(jìn)行腐蝕拋光其加工效率和表面形狀都不理想，只適用于化合物半導(dǎo)體單晶拋光,超精密研磨新技術(shù),無損傷拋光 化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光：借助施加機(jī)械能作用引起晶體表面產(chǎn)生固相反應(yīng)的拋光，也有在機(jī)械作用同時(shí)再施加化學(xué)作用，借助加工中的摩擦熱和局部應(yīng)力應(yīng)變，并由加工液促進(jìn)化學(xué)作用的拋光,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,非接觸拋光 拋光工件與拋光盤不接觸，僅用拋光劑沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結(jié)晶性和精確形狀，去除量為幾個(gè)到幾十個(gè)原子級(jí)的拋

29、光方法既可用于功能晶體材料拋光（注重結(jié)晶完整性和物理性能），也可用于光學(xué)零件的拋光（注重表面粗糙度及形狀精度,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,非接觸拋光 非接觸拋光技術(shù)是以彈性發(fā)射加工（EEM）理論為基礎(chǔ)的，微粒子以接近水平的角度與材料碰撞，在材料最表面處產(chǎn)生最大的剪切力，既不使基體內(nèi)的位錯(cuò)，缺陷等發(fā)生移動(dòng)（塑性變形），又能產(chǎn)生微量的彈性破壞來進(jìn)行去除加工,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,1) 彈性發(fā)射加工 利用水流加速微細(xì)磨粒，以小入射角沖擊工件表面，在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓而發(fā)生固相反應(yīng)，使工件表層原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相擴(kuò)散，形成與工件表層其它原子結(jié)合力較弱的雜質(zhì)點(diǎn)缺陷，當(dāng)磨粒再

30、次撞擊這些缺陷時(shí)，就會(huì)將雜質(zhì)點(diǎn)原子與相鄰的幾個(gè)原子一起移去，工件表層凸出的原子也因受到很大的剪切力而被切除，其加工方法是使用聚氨脂球作加工頭,EEM加工的磨粒運(yùn)動(dòng),無機(jī)非金屬材料的超精密加工,2)動(dòng)壓浮離拋光 為非接觸拋光，當(dāng)沿圓周方向制有若干個(gè)傾斜平面的圓盤在液體中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過液體楔產(chǎn)生液體動(dòng)壓（也稱為動(dòng)壓推力軸承工作原理），使保持環(huán)中的工件浮離圓盤表面，通過浮動(dòng)間隙中的粉末顆粒對(duì)工件進(jìn)行拋光。因沒有摩擦熱和工具磨損，標(biāo)準(zhǔn)平面不會(huì)變化，故可重復(fù)獲得精密的工件表面。用于拋光半導(dǎo)體基片和各種功能陶瓷材料及光學(xué)玻璃平晶，可進(jìn)行多片加工,動(dòng)壓浮離拋光盤結(jié)構(gòu)1-拋光液容器；2-驅(qū)動(dòng)齒輪；3-保持環(huán)；4

31、-工件夾具；5-工件；6-拋光盤；7-載環(huán)盤,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3) 浮動(dòng)拋光 使用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤，高回轉(zhuǎn)精度的拋光機(jī)，將拋光液覆蓋在整個(gè)拋光盤表面上，使拋光盤及工件高速回轉(zhuǎn)，在二者之間拋光液呈動(dòng)壓流體狀態(tài)，并形成階層液膜，從而使工件在浮起狀態(tài)下進(jìn)行拋光的一種平面度極高的非接觸超精密拋光方法，其關(guān)鍵技術(shù)是超精密拋光盤的制作,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3)浮動(dòng)拋光 最初用來加工高密度 VTR 磁頭的磁隙面，現(xiàn)可用來加工計(jì)算機(jī)磁頭的磁隙面，加工光學(xué)零件，大功率激光、激光陀螺及受激準(zhǔn)分子激光器用的光學(xué)零件，光學(xué)平晶、鈮酸鋰、水晶、鉭酸鋰等功能陶瓷材料基片的批

32、量加工,浮動(dòng)拋光裝置示意圖1-拋光液；2-拋光液槽；3-工件；4-工件夾具；5-拋光盤；6-金剛石刀具的切削面；7-溝槽；8-液膜,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,4)切斷、開槽及端面拋光 采用傳統(tǒng)拋光方法難以對(duì)溝槽的壁面、垂直柱狀軸斷面進(jìn)行鏡面加工，但采用非接觸端面拋光可以實(shí)現(xiàn)上述加工,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,4) 切斷、開槽及端面拋光 工具與工件不接觸，工具高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)微粒子沖擊工件形成溝槽或切斷，然后再用同一種工具，并向同一位置供給微粒子進(jìn)行數(shù)次拋光，即可實(shí)現(xiàn)斷面的鏡面拋光,溝槽側(cè)面的非接觸拋光1-空氣主軸；2-工具；3-加工液；4-工件；5 微粒子；6-拋光出的鏡面,界面反應(yīng)拋光,界面

33、反應(yīng)拋光 兩物體界面間存在著摩擦磨損現(xiàn)象，可將其當(dāng)成是界面反應(yīng)，將反應(yīng)生成物限制在表層極微小的深度，并在不傷害母體，將其從表面去除，就有可能得到目前拋光加工所達(dá)不到的超精密表面。故利用磨料與工件摩擦界面的固相化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象來進(jìn)行加工的原理，已作為各種拋光新技術(shù)的基礎(chǔ)而引起人們的重視,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,1)機(jī)械化學(xué)拋光 是利用固相反應(yīng)拋光原理的加工方法之一，使用能與工件進(jìn)行固相反應(yīng)的軟質(zhì)微細(xì)磨粒及適當(dāng)?shù)膾伖庖骸Ｔ诠ぜc磨粒的接觸點(diǎn)上，由于摩擦產(chǎn)生高溫高壓，在極短的接觸時(shí)間里產(chǎn)生固相反應(yīng)，并由摩擦力除去反應(yīng)物，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微小單位的去除拋光?？捎脕砟芗庸に{(lán)寶石及其它晶體材料,無機(jī)非金屬材料的

34、超精密加工,1)機(jī)械化學(xué)拋光 要求使用的粉末： （1）必須比工件軟； （2）必須能與工件產(chǎn)生固相反應(yīng)。故對(duì)每種工件材料必須選擇相應(yīng)的粉末和加工條件,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,2) 水合拋光 溶質(zhì)或分散粒子與水分子結(jié)合及相互作用的現(xiàn)象稱為水合反應(yīng)。水和拋光利用工件界面上產(chǎn)生的水合反應(yīng)，用拋光盤的摩擦力去除所形成的水合層的高效，超精密拋光方法,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,2)水合拋光 主要特點(diǎn)：不使用磨粒和加工液，加工裝置與普通拋光機(jī)相同，在水蒸氣環(huán)境中進(jìn)行加工。工件材料是能生成水合物的親水性固體材料。選用的拋光盤材料必須不與工件產(chǎn)生固相反應(yīng)。由于水合拋光的去除量至多只有納米級(jí)，所以可獲得無劃痕

35、、平滑、晶格無畸變的潔凈表面,水合拋光裝置示意圖1-水蒸汽發(fā)生器；2-工件；3-拋光盤；4-載荷；5-保持架；6-蒸汽噴嘴；7-加熱器；8-偏心凸輪,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3)膠態(tài) SiO2 拋光 金剛石微粉純凈水和堿性溶液，拋光藍(lán)寶石，加工速率很低。即使在 210的NaOH溶液，加工速率也只有 8nm/h 。 用SiO2微粒分別對(duì)藍(lán)寶石進(jìn)行干式和濕式拋光，。前者Si+濃度是后者的5倍。說明干式拋光能強(qiáng)化SiO2 微粒的固相反應(yīng)，可促進(jìn)加工。這說明膠態(tài) SiO2 對(duì)單晶藍(lán)寶石的濕式拋光加工機(jī)理主要是機(jī)械去除作用,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,進(jìn)行式機(jī)械化學(xué)拋光 進(jìn)行式機(jī)械化學(xué)拋光（簡(jiǎn)稱P-

36、MAC拋光），能自動(dòng)地從拋光初始的機(jī)械去除作用移至最終的化學(xué)去除作用，以實(shí)現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的鏡面拋光。實(shí)現(xiàn)PMAC拋光需變化工件與拋光工具之間的接觸狀態(tài)(即間隙,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,進(jìn)行式機(jī)械化學(xué)拋光可通過如下方法實(shí)現(xiàn) 使拋光機(jī)具有隨時(shí)調(diào)整間隙的功能； 通過改變拋光液供給方式或拋光液粘度，調(diào)整間隙； 使夾具具有調(diào)整間隙的功能； 采用不同材料同時(shí)作工件，利用工件與樣件之間形成的加工量差進(jìn)行間隙調(diào)整,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,電場(chǎng)和磁場(chǎng)拋光 電場(chǎng)和磁場(chǎng)拋光加工（簡(jiǎn)稱 FFF ，或場(chǎng)致拋光）是利用和控制電、磁場(chǎng)的強(qiáng)弱使磁流體帶動(dòng)磨粒對(duì)工件施加壓力，從而獲得高形狀精度,高表面質(zhì)量和無晶格畸變

37、的表面拋光方法可用于高性能功能陶瓷元件及材料的加工，也用于加工自由曲面,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,1) 磁流體拋光 磁流體是一種帶有磁性的流體材料。借助活性劑的作用，使磁性微粒表面被表面活性劑有機(jī)分子所包圍，穩(wěn)定地懸浮于油基或水基的液相載體中構(gòu)成膠態(tài)流體，在磁場(chǎng)作用下具有流動(dòng)性。其特性是：粒子的磁性極大、能穩(wěn)定分散和懸浮、無矯頑力、磁力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加而增加,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,1)磁流體拋光 拋光加工使用的磨粒通常是非磁性的，當(dāng)將非磁性磨?；烊氪帕黧w并置于磁場(chǎng)中時(shí)，由于磁流體中強(qiáng)磁性微粒的作用，磁流體被吸向高磁場(chǎng)一側(cè)，如果在磁流體中有非磁性磨粒，在磁場(chǎng)作用下，非磁性磨粒則與磁流體相反

38、，趨于低磁場(chǎng)一側(cè)磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件而進(jìn)行拋光,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,1)磁流體拋光 磁流體拋光有懸浮式和分離式兩種應(yīng)用磁力懸浮現(xiàn)象進(jìn)行拋光的就是磁力懸浮拋光法。分離式磁流體拋光時(shí)，磨料不混入磁流體中，而是利用磁流體向強(qiáng)磁場(chǎng)方向移動(dòng)的特性，通過橡膠或其它彈性材料擠壓磨料，對(duì)工件進(jìn)行拋光加工。磁流體拋光是一種高精度的加工方法，可以獲得 Ra 為10nm的無變質(zhì)層的表面,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,2)磁懸浮拋光：應(yīng)用磁力懸浮現(xiàn)象進(jìn)行加工的。 使用微細(xì)磨粒進(jìn)行傳統(tǒng)拋光時(shí)，由于同時(shí)參與加工的磨粒數(shù)量增多而使每一顆磨粒的加工壓力變小，造成加工效率下降磁懸浮拋光則能使每一顆磨粒在保

39、持相同加工壓力的同時(shí)盡量增加參與加工磨粒的數(shù)量（即高加工壓力和高磨料作用率），可以實(shí)現(xiàn)高效率加工,懸浮式磁流體拋光原理1-夾具；2-工件；3-非磁性磨料；4-磁流體；5-容器；6-磁鐵；7-工作臺(tái),磁懸浮拋光裝置示意圖1-工件；2-容器；3-永久磁鐵；4-磁流體；5-水槽；6-工件保持器；7-攪拌棒；8-溫度調(diào)節(jié)器；9-熱電偶；10-主軸；11-冷水罐；12-電磁閥,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,磁懸浮拋光特點(diǎn)： 磁懸浮力使作用于拋光面的磨粒數(shù)量增多。 磨粒的支承液體富有彈性另外，磁懸浮加工力使作用于每顆磨粒的加工壓力與磨粒的數(shù)量無關(guān)。 利用磁性流體的熱傳導(dǎo)率很大的特點(diǎn)，可以控制加工點(diǎn)的溫升。

40、越接近磁鐵，作用于磨粒的磁懸浮力會(huì)越大因此，可以修正工件形狀,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3) 磁磨料拋光 在磁場(chǎng)中(N極和S極的磁極之間)充填磁性微細(xì)磨料，磁場(chǎng)作用使之形成磁力拋光刷，工件在其中邊回轉(zhuǎn)、邊振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)表面拋光,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3) 磁磨料拋光 該法不僅可以加工磁性材料，也適用于加工非磁性金屬材料，及陶瓷、硅片等非金屬材料。 磁磨料是一種復(fù)合磨料。通常是將具有強(qiáng)磁性的鐵磁性物質(zhì)和磨料按一定比例混合后，經(jīng)燒結(jié)、粉碎、球磨、篩選等工序制成。也可采用電鑄或等離子粉末熔融法制作,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3) 磁磨料拋光必須要具備的條件： 磁極結(jié)構(gòu)要與被加工表面形狀相適

41、應(yīng)，并產(chǎn)生強(qiáng)的磁場(chǎng)力。 磨料既有大的磁導(dǎo)率，又有良好的磨削性能。 要使磁性拋光刷相對(duì)工件運(yùn)動(dòng),無機(jī)非金屬材料的超精密加工,3) 磁磨料拋光特點(diǎn)： 通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度可以控制拋光壓力； 不僅可用于平面拋光，而且也能用于各種曲面的拋光； 既可拋光鐵磁性材料，也可拋光非鐵磁性材料,磁磨料外圓拋光原理圖1-磁極；2-工件；3-磁極N；4-磁磨料,磁磨料在加工中的受力情況1-磁極；2-磨料；3-工件,無機(jī)非金屬材料的超精密加工,4) 電泳拋光 在兩個(gè)不同相物體接觸界面上會(huì)引起正負(fù)電荷的分離，并產(chǎn)生電位差。在液體中的粒子周圍也會(huì)存在這種正負(fù)電相對(duì)存在的系統(tǒng)（稱之為界面二重層）。在此界面上施加平行電場(chǎng)時(shí)，由于

42、在界面兩側(cè)的電荷相反，就產(chǎn)生了相的相對(duì)流動(dòng)，稱為界面電動(dòng)現(xiàn)象，電泳為其中的一種。對(duì)膠態(tài)粒子系統(tǒng)施加電場(chǎng)時(shí)，粒子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為電泳。利用磨粒所存在的電泳現(xiàn)象進(jìn)行的拋光加工，稱為電泳拋光（Migration Poishing,陶瓷的金屬化與封接,陶瓷的金屬化 為了實(shí)現(xiàn)陶瓷與金屬的焊接，需要在陶瓷的表面牢固地粘附一層金屬薄膜，這種過程稱為陶瓷的“金屬化”。 工藝種類：被銀法、鋁錳法和電鍍浸錫法,被銀法,被銀法又稱燒滲銀法，是指在陶瓷表面燒滲一層銀，作為電容器、濾波器的電極或集成電路基片的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),被銀法,主要原料有三大類，一是銀及其化合物，如銀粉、碳酸銀、氧化銀等，二是熔劑類化合物，如氧化鉍、偏

43、硼酸鉛、氟硼酸鉛、特種玻璃等，三是粘結(jié)劑化合物，如乙基纖維素、硝化纖維、松節(jié)油、松香油、松油醇、蓖麻油、亞麻仁油、大茴香油、環(huán)已酮、無水乙醇、鄰苯二甲酸二丁酯等,被銀法,工藝流程：瓷件預(yù)處理銀漿的配制涂敷燒銀,鋁錳法,鋁錳法：其原料主要是鉬、錳，有時(shí)還有 Al2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO、Fe2O3等，工藝流程與被銀法基本相似，其金屬化燒結(jié)多在立式或臥式氫氣爐中進(jìn)行采用還原氣氛，但需要含微量的氧化氣體，如空氣和水汽等，也可采用H2、N2及H2O三元?dú)怏w。金屬燒結(jié)的溫度，一般比瓷件的燒成溫度低 30100,電鍍、浸錫工藝,電鍍是一種電化學(xué)過程，在電子陶瓷工業(yè)中應(yīng)用的電鍍工藝主要有鍍銅、鍍銀及鍍鎳。 浸錫工藝：適宜于被銀瓷件鍍銅后熱浸錫。將預(yù)熱好的產(chǎn)品裝入不銹鋼籃內(nèi)一起放入錫鍋浸錫。取出后在離心機(jī)中甩去多余錫，再將產(chǎn)品放入振動(dòng)臺(tái)上輕微振動(dòng)，避免相互粘蝕。大型瓷件可用夾具逐個(gè)浸錫，冷卻后的產(chǎn)品應(yīng)用清水和熱水清洗，再烘干,陶瓷的封接,