第7章精密研磨與拋光

1、7.1 7.1 研磨拋光機(jī)理研磨拋光機(jī)理 7.2 7.2 精密研磨、拋光的主要工藝因素精密研磨、拋光的主要工藝因素 7.3 7.3 超精密平面研磨和拋光超精密平面研磨和拋光 7.4 7.4 超精密研磨拋光的主要新技術(shù)超精密研磨拋光的主要新技術(shù) 一、研磨加工的機(jī)理一、研磨加工的機(jī)理1.1.研磨時磨料的工作狀態(tài)研磨時磨料的工作狀態(tài)1 1）磨粒在工件與研具之間發(fā)生滾動，產(chǎn)生滾軋）磨粒在工件與研具之間發(fā)生滾動，產(chǎn)生滾軋效果；效果；2 2）磨粒壓入到研具表面，用露出的磨粒尖端對）磨粒壓入到研具表面，用露出的磨粒尖端對工件表面進(jìn)行刻劃，實(shí)現(xiàn)微切削加工；工件表面進(jìn)行刻劃，實(shí)現(xiàn)微切削加工；3 3）磨粒對工件表

2、面的滾軋與微量刻劃同時作用。）磨粒對工件表面的滾軋與微量刻劃同時作用。2.2.硬脆材料的研磨硬脆材料的研磨 一部分磨粒由于研磨壓力的作用，嵌入研磨盤表面，一部分磨粒由于研磨壓力的作用，嵌入研磨盤表面，用露出的尖端刻劃工件表面進(jìn)行微切削加工；另一部用露出的尖端刻劃工件表面進(jìn)行微切削加工；另一部分磨粒則在工件與研磨盤之間發(fā)生滾動，產(chǎn)生滾軋效分磨粒則在工件與研磨盤之間發(fā)生滾動，產(chǎn)生滾軋效果。在給磨粒加壓時，就在硬脆材料加工表面的拉伸果。在給磨粒加壓時，就在硬脆材料加工表面的拉伸應(yīng)力最大部位產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯的裂紋擴(kuò)展并應(yīng)力最大部位產(chǎn)生微裂紋。當(dāng)縱橫交錯的裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生脆性崩碎形成磨屑，達(dá)到表面去

3、除的目的。產(chǎn)生脆性崩碎形成磨屑，達(dá)到表面去除的目的。3.3.金屬材料的研磨金屬材料的研磨 當(dāng)金屬表面用硬度計(jì)壓頭壓入時，只在表當(dāng)金屬表面用硬度計(jì)壓頭壓入時，只在表面產(chǎn)生塑性變形的壓坑，不會發(fā)生脆性材料面產(chǎn)生塑性變形的壓坑，不會發(fā)生脆性材料那樣的破碎和裂紋。那樣的破碎和裂紋。 研磨時，磨粒的研磨作用相當(dāng)于極微量切研磨時，磨粒的研磨作用相當(dāng)于極微量切削和磨削時的狀態(tài)削和磨削時的狀態(tài), ,且表面不會產(chǎn)生裂紋。且表面不會產(chǎn)生裂紋。二、拋光加工的機(jī)理二、拋光加工的機(jī)理 拋光的機(jī)理：拋光的機(jī)理：1 1）以磨粒的微小塑性切削生成切屑，）以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但是它僅利用極少磨粒強(qiáng)制壓入產(chǎn)生作用。但是

4、它僅利用極少磨粒強(qiáng)制壓入產(chǎn)生作用。2 2）借助磨）借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸凹變平。粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸凹變平。三、研磨、拋光的加工變質(zhì)層三、研磨、拋光的加工變質(zhì)層 不管采取什么加工方法，或多或少要在被加工表不管采取什么加工方法，或多或少要在被加工表面上產(chǎn)生加工變質(zhì)層，加工變質(zhì)層使工件材質(zhì)的結(jié)構(gòu)、面上產(chǎn)生加工變質(zhì)層，加工變質(zhì)層使工件材質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組織和組成遭到破壞或接近于破壞狀態(tài)，使工件表面組織和組成遭到破壞或接近于破壞狀態(tài)，使工件表面的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能與母體材料不同，進(jìn)而影的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能與母體材料不同，進(jìn)而影響制成元件的性能，因此在超精密研磨

5、拋光中要求變響制成元件的性能，因此在超精密研磨拋光中要求變質(zhì)層越薄越好。質(zhì)層越薄越好。 硬脆材料研磨后的表面，從表層向里依次為：硬脆材料研磨后的表面，從表層向里依次為：非非晶體層或多晶體層、鑲嵌結(jié)構(gòu)層、畸變層和完全結(jié)晶晶體層或多晶體層、鑲嵌結(jié)構(gòu)層、畸變層和完全結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，從彈塑性力學(xué)的角度評價(jià)變質(zhì)層，依次為：從彈塑性力學(xué)的角度評價(jià)變質(zhì)層，依次為：極極薄的塑性流動層、有異物混入的裂紋層、裂紋層、彈薄的塑性流動層、有異物混入的裂紋層、裂紋層、彈性變形層和母體材料。性變形層和母體材料。金屬材料研磨后的加工表面變金屬材料研磨后的加工表面變質(zhì)層與硬脆材料類似。質(zhì)層與硬脆材料類似。 對于拋光加工后的加

6、工變質(zhì)層，由表層向里對于拋光加工后的加工變質(zhì)層，由表層向里依次為：依次為：拋光應(yīng)力層、經(jīng)腐蝕出現(xiàn)的二次裂紋拋光應(yīng)力層、經(jīng)腐蝕出現(xiàn)的二次裂紋應(yīng)力層、二次裂紋影響層和完全結(jié)晶層應(yīng)力層、二次裂紋影響層和完全結(jié)晶層，整個，整個加工變質(zhì)層深度約為加工變質(zhì)層深度約為3m3m。并且加工表面越粗，。并且加工表面越粗，加工變質(zhì)層深度越大。加工變質(zhì)層深度越大。 加工條件：加工條件：對殘留有裂紋的硬脆材料和不產(chǎn)生裂紋的對殘留有裂紋的硬脆材料和不產(chǎn)生裂紋的金屬材料的加工條件不同；金屬材料的加工條件不同； 研磨方式：研磨方式：單面研磨和雙面研磨；單面研磨和雙面研磨； 研磨機(jī)：研磨機(jī)：應(yīng)能均勻地加工工件，研具磨損要小并要

7、求應(yīng)能均勻地加工工件，研具磨損要小并要求能容易修整精度；能容易修整精度； 研具和拋光盤：研具和拋光盤：必須避免因工作面磨損和彈性變形引必須避免因工作面磨損和彈性變形引起精度下降；起精度下降； 研具材料：研具材料：微細(xì)的磨粒和使磨粒對工件作用很淺的材微細(xì)的磨粒和使磨粒對工件作用很淺的材料；料； 加工液：加工液：提供磨粒、排屑、冷卻和減輕不必要摩擦的提供磨粒、排屑、冷卻和減輕不必要摩擦的效果。效果。一、精密平面的研磨機(jī)一、精密平面的研磨機(jī)二、平面研磨使用的研具二、平面研磨使用的研具1 1）特種玻璃，或用在加工成平面的金屬板）特種玻璃，或用在加工成平面的金屬板上涂一層四氟乙烯或鍍鉛和銦；上涂一層四氟

8、乙烯或鍍鉛和銦；優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：能得到高精度的平面缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：研具層壽命短2 2）使用半軟質(zhì)研磨盤或軟質(zhì)研磨盤）使用半軟質(zhì)研磨盤或軟質(zhì)研磨盤優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：研磨出的表面變質(zhì)層很小，表面粗糙度也很??；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：研磨盤不易保持平面度三、平面研磨時工件和軟質(zhì)研具的磨損量三、平面研磨時工件和軟質(zhì)研具的磨損量 工件與研具兩者的任工件與研具兩者的任意點(diǎn)意點(diǎn)A A處的加工量和研具處的加工量和研具磨損量，相對于兩者的磨損量，相對于兩者的中心各自畫圓弧與橫軸中心各自畫圓弧與橫軸相交，從交點(diǎn)出發(fā)每相交，從交點(diǎn)出發(fā)每20min20min間隔與縱軸平行地間隔與縱軸平行地上升或下降。上升或下降。 工件形成凸面，研具工件形成凸

9、面，研具在半徑上形成凹面。在半徑上形成凹面。 使用使用p p小的研具效果好。使用小的研具效果好。使用小的研具能有效地控制平面度的小的研具能有效地控制平面度的惡化，惡化，但但太小時，壓力偏差較大，太小時，壓力偏差較大，反而易引起平面度的惡化。而當(dāng)反而易引起平面度的惡化。而當(dāng)較大時，只要加工量少，由于壓力較大時，只要加工量少，由于壓力偏差較小，初始的平面度不會產(chǎn)生偏差較小，初始的平面度不會產(chǎn)生多大的惡化。多大的惡化。四、平行度和晶體方位誤差的修正四、平行度和晶體方位誤差的修正 平行度的修正研磨是使被加工面與基準(zhǔn)平行度的修正研磨是使被加工面與基準(zhǔn)平面的角度誤差達(dá)到最小值。單面研磨法采平面的角度誤差達(dá)

10、到最小值。單面研磨法采用使工件附加偏心壓力。晶體方位誤差的修用使工件附加偏心壓力。晶體方位誤差的修正加工是以晶格面作參照物進(jìn)行研磨的。正加工是以晶格面作參照物進(jìn)行研磨的。五、獲得高質(zhì)量平面研磨拋光的工藝規(guī)律五、獲得高質(zhì)量平面研磨拋光的工藝規(guī)律1 1）研磨運(yùn)動軌跡應(yīng)能達(dá)到研磨痕跡均勻分布并）研磨運(yùn)動軌跡應(yīng)能達(dá)到研磨痕跡均勻分布并且不重疊。且不重疊。2 2）硬質(zhì)研磨盤在精研修形后，可獲得平面度很）硬質(zhì)研磨盤在精研修形后，可獲得平面度很高的研磨表面，但要求很嚴(yán)格的工藝條件。高的研磨表面，但要求很嚴(yán)格的工藝條件。3 3）軟質(zhì)（半軟質(zhì)）研磨盤易獲得表面粗糙度值）軟質(zhì)（半軟質(zhì)）研磨盤易獲得表面粗糙度值極小

11、和表面變質(zhì)層甚小的研磨拋光表面，但不極小和表面變質(zhì)層甚小的研磨拋光表面，但不易獲得很高的平面度。易獲得很高的平面度。4 4）使用金剛石微粉等超硬磨料可獲得很高的研）使用金剛石微粉等超硬磨料可獲得很高的研磨拋光效率。磨拋光效率。液中研磨液中研磨 將超精密拋光的研具工作面和工件浸泡將超精密拋光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨劑中進(jìn)行，在充足的加工液在含磨粒的研磨劑中進(jìn)行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游離的微細(xì)磨粒進(jìn)中，借助水波效果，利用游離的微細(xì)磨粒進(jìn)行研磨加工，并對磨粒作用部分所產(chǎn)生的熱行研磨加工，并對磨粒作用部分所產(chǎn)生的熱還有極好的冷卻效果，對研磨時的微小沖擊還有極好的冷卻效果，對

12、研磨時的微小沖擊也有緩沖效果。也有緩沖效果。機(jī)械化學(xué)研磨機(jī)械化學(xué)研磨 機(jī)械化學(xué)研磨加工是利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行機(jī)械研磨，機(jī)械化學(xué)研磨加工是利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行機(jī)械研磨，有濕式和干式兩種。有濕式和干式兩種。 濕式條件下的機(jī)械化學(xué)研磨，用于硅片的最終精加濕式條件下的機(jī)械化學(xué)研磨，用于硅片的最終精加工，研磨劑含有工，研磨劑含有0.01m0.01m大小的大小的SiOSiO2 2磨粒的弱堿性膠磨粒的弱堿性膠狀水溶液，而與它相配合的研具是表層由微細(xì)結(jié)構(gòu)的狀水溶液，而與它相配合的研具是表層由微細(xì)結(jié)構(gòu)的軟質(zhì)發(fā)泡聚氨基申酸涂敷的人造革。軟質(zhì)發(fā)泡聚氨基申酸涂敷的人造革。 干式條件下的機(jī)械化學(xué)研磨，是利用工件與磨粒之干式條件

13、下的機(jī)械化學(xué)研磨，是利用工件與磨粒之間生成化學(xué)反應(yīng)的研磨方法。干式條件下的微小范圍間生成化學(xué)反應(yīng)的研磨方法。干式條件下的微小范圍的化學(xué)反應(yīng)有利于加工的進(jìn)行，由于的化學(xué)反應(yīng)有利于加工的進(jìn)行，由于0.010.010.020.02粒徑粒徑的的SiOSiO2 2磨粒有較強(qiáng)的化學(xué)活性，研磨量較大。磨粒有較強(qiáng)的化學(xué)活性，研磨量較大。磁流體精密研磨磁流體精密研磨 磁性流體為強(qiáng)磁粉末在液相中分散為膠態(tài)尺寸磁性流體為強(qiáng)磁粉末在液相中分散為膠態(tài)尺寸（0.015m0.015m）的膠態(tài)溶液，由磁感應(yīng)可產(chǎn)生流動性，特）的膠態(tài)溶液，由磁感應(yīng)可產(chǎn)生流動性，特性是：每一個粒子的磁力矩較大，不會因重力而沉降，磁性是：每一個粒子

14、的磁力矩較大，不會因重力而沉降，磁化強(qiáng)度隨磁場增加而增加。當(dāng)將非磁性材料的磨料混入磁化強(qiáng)度隨磁場增加而增加。當(dāng)將非磁性材料的磨料混入磁流體，置于磁場中，則磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)流體，置于磁場中，則磨粒在磁流體浮力作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件而進(jìn)行研磨。磁流體精研的方法又有磨粒懸浮式加的工件而進(jìn)行研磨。磁流體精研的方法又有磨粒懸浮式加工、磨料控制式加工及磁流體封閉式加工。工、磨料控制式加工及磁流體封閉式加工。 磨粒懸浮式磨粒懸浮式加工是利用懸浮在液體中的磨粒進(jìn)行可控制加工是利用懸浮在液體中的磨粒進(jìn)行可控制的精密研磨加工。研磨裝置由研磨加工部分、驅(qū)動部分和的精密研磨加工。研磨裝置由研磨加工部分、驅(qū)

15、動部分和電磁部分組成。電磁部分組成。磨?？刂剖侥チ？刂剖郊庸な窃谘心ゾ叩目锥磧?nèi)預(yù)先加工是在研磨具的孔洞內(nèi)預(yù)先放磨粒，通過磁流體的作用，將磨料逐漸輸送到研磨盤上。放磨粒，通過磁流體的作用，將磨料逐漸輸送到研磨盤上。磁流體封閉式磁流體封閉式加工是通過橡膠板將磨粒與磁流體分隔放置加工是通過橡膠板將磨粒與磁流體分隔放置進(jìn)行加工。進(jìn)行加工。磁力研磨磁力研磨 利用磁場作用，使磁極間的磁性磨料形成利用磁場作用，使磁極間的磁性磨料形成如刷子一樣的研磨劑，被吸附在磁極的工作如刷子一樣的研磨劑，被吸附在磁極的工作表面上，在磨料與工件的相對運(yùn)動下，實(shí)現(xiàn)表面上，在磨料與工件的相對運(yùn)動下，實(shí)現(xiàn)對工件表面的研磨作用。這種

16、加工方法不僅對工件表面的研磨作用。這種加工方法不僅能對圓周表面、平面和棱邊等進(jìn)行研磨，而能對圓周表面、平面和棱邊等進(jìn)行研磨，而且還可以對凸凹不平的復(fù)雜曲面進(jìn)行研磨。且還可以對凸凹不平的復(fù)雜曲面進(jìn)行研磨。軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光（彈性發(fā)射加工）軟質(zhì)磨粒機(jī)械拋光（彈性發(fā)射加工） 最小切除可以達(dá)到原子級，直至切去一最小切除可以達(dá)到原子級，直至切去一層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，層原子，而且被加工表面的晶格不致變形，能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面。能夠獲得極小表面粗糙度和材質(zhì)極純的表面。加工原理實(shí)質(zhì)加工原理實(shí)質(zhì)是磨粒原子的擴(kuò)散作用和加速是磨粒原子的擴(kuò)散作用和加速的微小粒子彈性射擊的機(jī)械作用的綜

17、合效果。的微小粒子彈性射擊的機(jī)械作用的綜合效果。真空中帶靜電的粉末粒子加速法、空氣流或真空中帶靜電的粉末粒子加速法、空氣流或水流來加速。水流來加速。化學(xué)機(jī)械拋光化學(xué)機(jī)械拋光 化學(xué)機(jī)械拋光是一種利用研磨液的腐蝕作化學(xué)機(jī)械拋光是一種利用研磨液的腐蝕作用和磨粒的機(jī)械作用雙重作用的研磨方法。用和磨粒的機(jī)械作用雙重作用的研磨方法。腐蝕研磨液如氧化鐵和硫酸或鹽酸的水溶液，腐蝕研磨液如氧化鐵和硫酸或鹽酸的水溶液，MnMnZnZn鐵氧體磨粒和鹽酸水溶液等。鐵氧體磨粒和鹽酸水溶液等。 水合拋光水合拋光 是一種利用在工件界面上生成水合化學(xué)反應(yīng)是一種利用在工件界面上生成水合化學(xué)反應(yīng)的研磨方法，其主要特點(diǎn)是不使用磨粒和加工的研磨方法，其主要特點(diǎn)是不使用磨粒和加工液，而加工裝置又與當(dāng)前使用的研磨盤或拋光液，而加工裝置又與當(dāng)前使用的研磨盤或拋光機(jī)相似，只是在機(jī)相似，只是在水蒸氣環(huán)境水蒸氣環(huán)境中進(jìn)行加工。中進(jìn)行加工。 機(jī)制：在拋光過程中，兩個物體產(chǎn)生相對摩機(jī)制：在拋光過程