哈工大超精密大作業(yè)

1、Harbin Institute of Technology精密和超精密加工大作業(yè)課程名稱：精密和超精密加工 設(shè)計(jì)題目：超精密研磨技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢院系：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級： 設(shè)計(jì)者： 學(xué)號： 設(shè)計(jì)時(shí)間：哈爾濱工業(yè)大學(xué)超精密研磨技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢摘要：超精密加工是獲得高形狀精度、表而精度和表而完整性的必要手段。精密光學(xué)、機(jī)械、電子系統(tǒng)中所用的先進(jìn)陶瓷或光學(xué)玻璃元件通常需要非常高的形狀精度和表而精度(如0.1 nm級表而粗糙度)及較小的加工變質(zhì)層。掌握超精密加工過程中材料去除規(guī)律和損傷層特性對提高加工的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性一分重要。對超精密加工中的超精密切削、超精密磨削和超精密研磨拋光技

2、術(shù)進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹各種典型加方法及其材料去除機(jī)理。從加工精度和加工效率角度對上述幾類超精密加工方法進(jìn)行比較，介紹以實(shí)現(xiàn)高效精加工為目的的半固著磨粒加工技術(shù)。對超精密加工的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。關(guān)鍵詞：研磨技術(shù)；超精密加工1. 引言研磨是一種重要的精密和超精密加工方法其定義可以表述為:利用磨具通過磨料作用于工件表面，進(jìn)行微量加工的過程根據(jù)加工方法的機(jī)理和特點(diǎn)，最基本的加工方法可以分為:去除加工、結(jié)合加工和變形加工3大類。然而，在最新的多性能復(fù)雜形態(tài)的元件加工中，往往是上述幾種加工法的復(fù)合作用。2. 微量材料去除的機(jī)械作用及化學(xué)作用設(shè)想材料去除的最小單位是1層原子的話，那么，最基本的材料去除是將表面

3、的一層原子與內(nèi)部的原子切死機(jī)械加工必然殘留有加工變質(zhì)層，加工中還伴隨著化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象，材料去除的原理是從一層原子到數(shù)層原子乃至數(shù)十層原子幾種狀態(tài)的復(fù)合。圖1所示的是磨粒研磨加工的模型:單個(gè)磨粒的磨削模型，可以用磨粒對工件的機(jī)械作用的動(dòng)作來描述，即按摩擦耕犁切削的動(dòng)作順序進(jìn)布在加工中的化學(xué)反應(yīng)結(jié)果對材料的去除及減小加工變質(zhì)層可能是有利的。3. 研磨技術(shù)的發(fā)展研磨加工不僅向更高的加工精度發(fā)展，而且其加工質(zhì)量也在不斷提高，且?guī)缀蹩梢约庸と魏喂虘B(tài)材料許多人從事研磨加工技術(shù)，研究的宗旨是進(jìn)一步提高研磨加工效率、加工精度，降低加工成本。目前，國內(nèi)外研磨加工主要還是采用散粒磨料在慢速研磨機(jī)上研磨其特點(diǎn)是

4、加工精度高加工設(shè)備簡單投資少，但是加工精度不穩(wěn)定加工成本高效率低。4. 幾種超精密研磨拋光方法4.1基于機(jī)械作用的超精密研磨拋光方法基于機(jī)械作用的超精密研磨拋光方法是依靠微細(xì)磨粒的機(jī)械作用對被加工表面進(jìn)行微去除，達(dá)到高精度的加工表面。4.1.1彈性發(fā)射加工彈性發(fā)射加工是一種可以獲得較高的加工精度和較低的表面粗糙度的超精密研磨方法。其加工原理如圖1所示。加工時(shí)使用聚氨脂球作加工頭，在高速旋轉(zhuǎn)的加工頭與被加工工件表面之間加上含有微細(xì)磨粒(0.1-0.01 N,m)的研磨液，并產(chǎn)生一定的壓力。通過高速旋轉(zhuǎn)的加工頭所產(chǎn)生的高速氣流及離心力，使磨粒沖擊或擦過工件表面，產(chǎn)生彈性破壞物質(zhì)的原子結(jié)合，從而去除

5、工件表面的材料。它可使材料內(nèi)部不產(chǎn)生錯(cuò)位和缺陷，但又可以產(chǎn)生微量的“彈性破壞”(即無干擾的加工)，從而實(shí)現(xiàn)原子級加工。并可獲得非常優(yōu)良的表面。在加工硅片時(shí)，可獲得相當(dāng)于腐蝕加工一樣的無缺陷表面。如果對聚氨脂球和工作臺采用數(shù)控裝置，則能對工件進(jìn)行曲面加工。它既可實(shí)現(xiàn)原子級彈性去除，又可獲得最佳幾何形狀精度。圖2為數(shù)控彈性發(fā)射加工裝置。整個(gè)裝置是一個(gè)三坐標(biāo)數(shù)控系統(tǒng)，聚氛脂球裝在數(shù)控主軸上，由變速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其負(fù)載為2N。在加工硅片表面時(shí)，用直徑為0.1 m的氧化鎬微粉，以100m/s速度及水平面成200的人射角向工件表面發(fā)射，其加工精度可達(dá)0.1m，表面粗糙度Ra0.0005m以下。4.1.1

6、浮動(dòng)研磨拋光浮動(dòng)研磨拋光的加工原理圖如圖3所示。它利用流體力學(xué)原理使拋光器與工件浮離，在拋光器的工件表面工做出了若干楔槽，當(dāng)拋光器高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于油楔的動(dòng)壓作用使工件或拋光器浮起，其間的磨粒就對工件表面進(jìn)行拋光。浮動(dòng)拋光能夠加工出平面度很高的工件表面，沒有端面塌邊及變形缺陷。浮動(dòng)拋光可以用于計(jì)算機(jī)磁頭磁隙面。光學(xué)零件及功能陶瓷材料基片的超精密加工，通過選擇合適的拋光液和化學(xué)添加劑可防止出現(xiàn)晶界差，即使是多晶體材料也能獲得表面粗糙度為Ra0.002wm的表面。使用極軟的石墨和溶于水的LiF來拋光很硬的藍(lán)寶石0001 面，其表面粗糙度可達(dá)到Ra0.00008m。采用浮動(dòng)研磨拋光，不需使用夾具，端面

7、塌邊半徑可小至0.01 m。經(jīng)過浮動(dòng)研磨拋光的表面具有良好的結(jié)晶特性，同時(shí)加工表面沒有殘余壓力。4.1.3磁力研磨磁力研磨是利用磁場作用進(jìn)行研磨加工的新方法，它能高效、快速地對各種材料、尺寸和結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行超精密加工，是一種投資少、效率高、用途廣、質(zhì)量好的研磨加工方法。1性浮動(dòng)研磨。它是通過在磁場作用下形成的磁流體(由磁性顆粒、表面活性劑和液相載體如水、油組成)使懸浮其中的非磁性磨料在磁流體的流動(dòng)和浮動(dòng)作用下壓向旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行研磨及拋光，從而提高精整加工的質(zhì)量和效率。它可以獲得Ra0.01 m的無變質(zhì)層加工表面，并能研拋表面形狀復(fù)雜的工件。該加工工藝起源于20世紀(jì)40年代的美國，經(jīng)過不斷地對其

8、工藝及設(shè)備的拓展和完善，并應(yīng)用有限元法模擬磁性拋光過程，分析磁流體及磨粒在磁感應(yīng)下的運(yùn)動(dòng)特性，大大地推動(dòng)了這項(xiàng)工藝的發(fā)展的應(yīng)用。2磁性磨料的磁力研磨。其原理圖如圖4所示。磁力研磨時(shí)，工件放人由兩磁極形成的磁場中，在工件和磁極的間隙中放人磁性磨料。在磁場力的作用下，磨料沿磁力線方向整齊排列，形成一只柔軟且具有一定剛性的“磁研磨刷”。當(dāng)工件在磁場中旋轉(zhuǎn)并作軸向振動(dòng)時(shí)，工件與磨料發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，“磨料刷”就對工件表面進(jìn)行研磨加工。磁力研磨具有下面特點(diǎn):通過改變磁場的強(qiáng)度可以容易地控制研磨壓力;由于磁極與工件表面之間有加工間隙(14mm )，因此通過“磨料刷”進(jìn)行柔性研磨，不但可用于圓柱和平面研磨，還可

9、以進(jìn)行異形表面及自由曲面的研磨;在磁極結(jié)構(gòu)一定的情況下，通過磁感應(yīng)強(qiáng)度，即可調(diào)節(jié)磨削力，加工過程很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;磨料沿加工表面不斷滾動(dòng)和更換位置，使其具有良好的自銑性;磁性材料被約束在磁極之間，不會污染操作環(huán)境;加工效率高; 既可磨削鐵磁性材料，也可磨削非鐵磁性材料。磁力研磨適用于精密零件的研磨、拋光和去毛劑，如軸承的內(nèi)外滾道、滑閥、齒輪泵、印刷電路板、模具、表殼、葉片等。它不但可用于以鐵和碳素鋼、合金鋼等磁性材料制造的零件，也適用于黃銅、不銹鋼和鐵合金等非磁性金屬材料，以及陶瓷、硅片等非金屬材料。由于磁力研磨具有適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，所以它是一種極有前途的超精密加工方法。今后磁力研磨

10、將會向以下兩個(gè)方向發(fā)展: 制開發(fā)導(dǎo)磁性更好、強(qiáng)硬度更高的新的磁性磨料;利用旋轉(zhuǎn)磁場對形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行研磨加工。4.1.4電解磁力研磨拋光電解磁力研磨拋光是由電化學(xué)加工和磁力研磨兩種工藝復(fù)合而成。其加工原理圖如圖5所示。電流電壓的陽極接工件，陰極接工具，陰極接欲去除毛刺的工件部位。電解液由泵驅(qū)動(dòng)后經(jīng)陰極流過陽極工件的毛刺部位到達(dá)回流槽。工件以一定的速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)作軸向振動(dòng)。在垂直于工件軸線及電力線的平面方向上加直流強(qiáng)磁場，在磁場中填人游離狀的磁性磨料，由磁磨料組成的“磨料刷”快速?zèng)_擊工件表面，去除突起的毛刺和實(shí)現(xiàn)光整加工。這種復(fù)合研磨加工方法適用于高強(qiáng)度、高硬度和高韌性材料的精密去毛刺和光整加

11、工。其效率為磁場力研磨法的2倍。并可提高2個(gè)等級的工件表面粗糙度，加工后不會產(chǎn)生二次毛刺。4.2基于機(jī)械化學(xué)作用的超精密研磨方法機(jī)械化學(xué)研磨是在微粉粒子的撞擊和研磨液的化學(xué)作用下產(chǎn)生研磨作用，去除工件表面的微t材料。該方法經(jīng)濟(jì)性好、生產(chǎn)率高。不僅可達(dá)到很高的表面粗糙度等級，而且加工的幾何精度也很高，并在被加工表面幾乎不產(chǎn)生變質(zhì)層，這對微電子功能材料的加工有很重要的應(yīng)用價(jià)值。其工作原理圖如圖6所示。研磨盤上澆鑄有錫層，圓周方向切槽，用金剛石刀具來削研磨盤端面，使其具有較高的平面并呈鏡面。研磨盤與工件軸以(20200)r/min的轉(zhuǎn)速作高精度旋轉(zhuǎn)，工件固定在工件軸上，工件軸與研磨盤主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相

12、同。在液體動(dòng)壓效應(yīng)的作用下，使工件以幾微米的上浮間隙懸浮在研磨盤上，工件在研磨液的化學(xué)作用及微粉粒子的撞擊下產(chǎn)生研磨作用。由日本名古屋工業(yè)技術(shù)研究所生產(chǎn)的SP46超精密研磨機(jī)就是典型的一臺基于機(jī)械化學(xué)作用的超精密研磨機(jī)。該機(jī)使用0.02m的Si0，微粉粒子加工硅片，表面粗糙度可達(dá)到2mm，殘余應(yīng)力幾乎為零。在該機(jī)上研磨直徑為100mm，厚度為30mm的BK7光學(xué)玻璃，平面度可達(dá)到0.031 m，表面粗糙度RMS均方根偏差)可達(dá)到3.8nm。由于本研磨法對材料的去除率較低，所以要求被加工件的毛坯本身有一定的精度與表面質(zhì)童。在研磨前，被加工件的精度應(yīng)控制在:平面度(2-3 ),m、表面粗糙度RMS

13、(0.10.2)m的范圍內(nèi)。否則有可能會造成無法實(shí)現(xiàn)研磨的惡果，釀成工件的損壞。4.3液面研磨拋光液面研磨拋光又稱水面滑行拋光(HydroplanePolishing )。液面研磨拋光裝置如圖7所示。該研磨方法的顯著特點(diǎn)是不使用磨料，研拋時(shí)工件與拋光盤(水晶平板)之間由流體壓力形成間隙，利用具有腐蝕作用液體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研拋，因此，它是一種化學(xué)腐蝕加工方法。加工中使用的腐蝕液為甲醇、乙二醉與澳的混合液。主要用來加工CaAs .InP基片表面。4.4水合研磨拋光水合研磨拋光是一種積極利用在工件臨界面上生成水合化反應(yīng)的研磨拋光方法。其主要特點(diǎn)是不使用磨粒和加工液，而加工裝置又與目前使用的拋光機(jī)相似，只

14、是在水蒸汽環(huán)境中進(jìn)行加工。為此，要盡量避免使用能與工件產(chǎn)生固相反應(yīng)的材料拋光盤。圖8為水合拋光裝置。隨著拋光盤的旋轉(zhuǎn)，工件保持架在它上邊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在水合拋光過程中，兩個(gè)物體產(chǎn)生相對摩擦，在接觸區(qū)產(chǎn)生高溫高壓，工件表面上的原子或分子呈活性化。利用過熱水蒸汽分子和水作用其表面，使之在基面上形成水合化層。借助過熱水蒸汽(不是游離磨粒)從工件表面上將該水合化層分離、去除，去除厚度為零點(diǎn)幾個(gè)納米，所以可獲得無劃痕、平滑光澤無畸變的潔凈面。水合研磨拋光非常適合于要求表面平滑性好、平面度要求高、結(jié)晶無畸變和潔凈度高的藍(lán)寶石和硒化鋅晶體(用于CO:激光器的光學(xué)元件)的超精密加工。另外，作為親水材料的玻璃、水

15、晶、MgO,三氧二鋁,;等，也宜用水合拋光。4.5超聲研磨拋光超聲研磨拋光是一種非接觸超精密研磨方法。其加工原理如圖9所示。超聲振動(dòng)工具頭的端面與工件表面保持一固定的間隙a，并在其間充以微細(xì)磨粒工作液，當(dāng)超聲振動(dòng)工具以一定的頻率振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)徽細(xì)磨粒沖擊工件表面，從而對工件表面進(jìn)行研磨。 超聲研磨時(shí)，大量的磨粒以與超聲振動(dòng)相同的頻率、脈沖式的沖擊被加工表面，除去或改造工件表面原有的變質(zhì)層，并在其下面構(gòu)成新的變質(zhì)層(即表面加工層)。如果振幅值、研磨壓力、工具轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)選擇合理，則可使新生成的變質(zhì)層更薄、更均勻，從而獲得幾乎無損傷的表面。超聲研磨應(yīng)用范圍廣，可加工各種硬脆材料，可以加工平面，也可

16、加工復(fù)雜曲面。目前用超聲研磨可在3厚的玻璃上鉆出直徑為(0.11.0)mm的小孔。同時(shí)其單位時(shí)間內(nèi)的切除率較高，勻濡復(fù)雜的技術(shù)，所需設(shè)備也較簡單，故可獲得較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在許多場合，如在玻璃上鉆小孔或加工超薄工件時(shí)，超聲研磨是一種值得選擇的工藝或是唯一能夠選擇的工藝。4.6離子束拋光與傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法不同，離子束拋光采用被充電的高能原子或離子(離子的質(zhì)量較原子質(zhì)量更大，因而可獲得更大的動(dòng)能)，在真空狀態(tài)下由離子槍射向工件，當(dāng)帶有很高能量的離子撞擊工件表面時(shí)，在撞擊點(diǎn)上材料以原子量級實(shí)現(xiàn)去除。材料的去除取決于離子束在該點(diǎn)的濺射時(shí)間。由于離子束拋光是在原子量級上實(shí)現(xiàn)材料的去除，因而材料的去除

17、率較低，為此在采用該方法前，工件要經(jīng)過傳統(tǒng)方法的預(yù)拋光，在基本達(dá)到精度要求后再采用離子束拋光對工件表面面形(如球面、非球面、非對稱的自由曲面等)實(shí)現(xiàn)很高精度的修正。雖然離子束拋光制造所需要的設(shè)備投資較大，運(yùn)行成本較高，但對于某些具有特殊高精度要求的光學(xué)大型鏡面還是必須采用離子束拋光方法。 與傳統(tǒng)的光學(xué)加工方法相比.離子束拋光方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): 可在原子t級上實(shí)現(xiàn)材料確定性的超精密加工; 通過一次加工過程即可實(shí)現(xiàn)對面形誤差的完全修正; 對外界環(huán)境的振動(dòng)、溫度變化以及裝卡穩(wěn)定性不敏感; 由于離子束拋光需在真空中進(jìn)行，故可將拋光與鍍膜過程在同一真空旅中進(jìn)行;工件不會出現(xiàn)塌、翹邊的邊緣效應(yīng)。5. 總結(jié)和展望今后超精密研磨技術(shù)將朝著高精度、高效率的方向發(fā)展，這一趨勢體現(xiàn)在2個(gè)方面:其一是超精密復(fù)合加工方法的出現(xiàn)，如化學(xué)機(jī)械拋光電解磁力研磨、超聲研磨等，通過多種材料去除機(jī)理的協(xié)調(diào)作用提高加工精度和加工效率;其二是半固著磨粒加工技術(shù)的出現(xiàn)，如日本秋田縣里大學(xué)吳勇波教授提出的磁性拋光體(Magnetic C