精密和超精密加工技术第7章精密研磨与抛光课件

1、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 2022/10/15第7章 精密研磨与抛光7.1 研磨2022/10/11第7章 精密研磨与抛光2022/10/15研磨与抛光加工是历史最久、应用广泛而又在不断发展的表面微去除加工方法。最近的发展趋势是加工对象从加工金属、玻璃等转化为用于X射线光学元件、电子工业的各种功能陶瓷元器件材料的加工。在现代微电子、信息、光学等领域,为实现功能陶瓷和晶体材料的应有功能,精密研磨与抛光加工必不可少。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、铌酸锂等光电子材料，压电材

2、料，磁性材料，光学材料等。第7章 精密研磨与抛光2022/10/11研磨与抛光加工是历史最久、应用广泛而又在2022/10/15一、研磨加工的机理第1节 研磨研磨加工：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。2022/10/11一、研磨加工的机理第1节 研磨研磨加工：2022/10/151.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

3、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。研磨脆硬材料时，要控制产生裂纹的大小和均匀性。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。2022/10/111.硬脆材料的研磨 一部分磨粒由于研2022/10/152.金属材料的研磨研磨时，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。2022/10/112.金属材料的研磨研磨时，磨粒的研磨作用2022/10/15二

4、、研磨加工特点第1节 研磨1.微量切削由于工件与研具之间有众多磨粒分布，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1m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,并且全体磨粒的切削机会和切削刃破碎率均等,可实现自动修锐。2022/10/11二、研磨加工特点第1节 研磨1.微量切削2022/10/15二、研磨加工特点第1节 研磨3.按进化原理成形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

5、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，可以保证表面加工精度。2022/10/11二、研磨加工特点第1节 研磨3.按进化原2022/10/15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

6、法。抛光与研磨的区别：磨料。抛光使用1m以下的微细磨粒。磨粒加工的去除单位已在纳米甚至是亚纳米数量级。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。2022/10/11第2节 抛光抛光加工：利用微细磨粒的机械2022/10/151）由于抛光过程的复杂性和不可视性,往往是用通过特定的实验条件下获得的实验结果来说明抛光的机理。对于脆性材料的抛光机理,归纳起来主要有如下解释:2）抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进行的。在材料切除过程中会由于局

7、部高温、高压而使工件与磨粒、加工液及抛光盘之间存在着直接的化学作用,并在工件表面产生反应生成物。由于这些作用的重叠,以及抛光液、磨粒及抛光盘的力学作用,使工件表面的生成物不断被除去而使表面平滑化。3）采用工件、磨粒、抛光盘和加工液等的不同组合,可实现不同的抛光效果。一、抛光机理第2节 抛光2022/10/111）由于抛光过程的复杂性和不可视性,往往2022/10/15为保证加工质量,在抛光加工中,应采用使表面粗糙度值小和加工变质层小的切屑生成条件。完全除去材料一层原子的加工是极困难的。机械加工必然残留有加工变质层,并且随着工件材料性质及加工条件的不同,加工变质层的深度也不同。目前,抛光加工中材

8、料的去除单位已在纳米甚至是亚纳米级,在这种加工尺度内,加工周围气氛的化学作用就成为抛光加工不可忽视的一部分。图7-3是物理作用与化学作用复合的加工方法。表7-1是利用加工中的化学现象的化学机械抛光应用实例。二、微小机械去除与化学作用第2节 抛光2022/10/11为保证加工质量,在抛光加工中,应采用使表2022/10/15二、微小机械去除与化学作用第2节 抛光2022/10/11二、微小机械去除与化学作用第2节 抛光2022/10/15精密研磨与抛光加工的主要工艺因素包括加工设备、研具、磨粒、加工液、工艺参数和加工环境等。表7-2所示因素决定了最终加工精度和表面质量。加工环境的控制可参照本书第

9、九章。图7-4所示其余因素的选择原则。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2022/10/11精密研磨与抛光加工的主要工艺因素包括加工2022/10/15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2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素一、2022/10/15第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、研磨与抛光设备常用的研磨与抛光设备见表7-32022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、2022/10/15第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、研磨与抛光设备其中典型的单面研磨/抛光设备如图7-5所示,为带修整环型抛光机。

10、加工时将被加工面以一定的负载压于旋转的圆形研具上。工件本身跟着旋转,运动轨迹的随机性使加工表面的去除量均匀。同时,工件对研具的反作用,也使研具表面磨损。为避免加工精度恶化,在工件外侧配置旋转的修整环,使研具表面的磨损得以均匀修整。2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、2022/10/15第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、研磨与抛光设备另一种应用最普遍的双面研磨/抛光设备如图7-6所示,可利用这种设备加工高精度平行平面、圆柱面和球面。加工时工件放在齿轮状薄壁形保持架的载物孔内,上下均有研磨盘。为在工件上得到均匀不重复的加工轨迹,工件保持架齿面与设备的内齿轮和太阳轮同时

11、啮合,工件既有自转又有公转,做行星运动。上研磨盘将载荷传递给工件,且具有一定的浮动,以避免两个研磨盘不平行造成工件上下两个加工面不平行。2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、2022/10/15第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、研磨与抛光设备不论是单面还是双面研磨抛光加工,工件与研具的相对运动轨迹对工件面形精度有重要影响,对其基本要求如下: 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。工件上任一点不出现运动轨迹的周期性重复。避免曲率过大的运动转角，保证研磨运动平稳。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。及时变

12、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。2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素二、2022/10/15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。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。2022/10/

13、11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素三、2022/10/15分类对象材料部分使用例硬质材料金属铸铁、碳钢、工具钢一般材料研磨金刚石抛光非金属玻璃、陶瓷化合物半导体材料研磨软质材料软质金属Sn、Pb、In、Cu焊料陶瓷抛光天然树脂松脂、焦油、蜜蜡、树脂光学玻璃抛光一般材料抛光合成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、聚氨酯橡胶光学玻璃抛光一般材料抛光天然皮革麂（ji）皮金属抛光人工皮革软质发泡聚氨酯氟碳树脂发泡体硅晶片抛光化合物半导体材料抛光纤维非织布（毛毡）金属材料抛光一般材料抛光木材桐、杉、柳金属模抛光表7-4 研磨盘及抛光盘材料及部分使用实例2022/10

14、/11分类对象材料部分使用例硬质金属铸铁、碳钢2022/10/15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；3)作为及时排屑的通道，防止研磨表面被划伤。2022/10/11研具表面开槽槽的形状有：放射状、网络状、2022/10/15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

15、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 玻璃；SiO2胶体 石英玻璃,硅片；金刚石 陶瓷；Al2O3,SiC,Cr2O3 钢系列金属.抛光抛光抛光抛光 2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素四、2022/10/15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，不会因放置

16、或温升而分解变质；能较好分散磨粒；对环境污染影响小；添加剂作用是防止或延缓磨料沉淀，并对工件发挥化学作用，以提高研磨抛光的加工效率和质量。2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素五、2022/10/15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。研磨液和抛光液的浓度增加，材料去除率增加

17、，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。2022/10/11第3节 精密研磨与抛光的主要工艺因素六、2022/10/15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。2022/10/11第4节 精密研磨抛光的新技术一、无损伤抛2022/10/15第4节 精密研磨抛光的新技术一、无损伤抛

18、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。2022/10/11第4节 精密研磨抛光的新技术一、无损伤抛2022/10/15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

19、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。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( 1-2mm)，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。2022/10/11第4节 精密研磨抛光的新技术二、非接触抛2022/10/15图为数控弹性发射加工装置。整个装置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0.1m 的氧化锆微粉，以100m/s速

20、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0.1m，表面粗糙度Ra0.0005m 以下。数控弹性发射加工装置2022/10/11图为数控弹性发射加工装置。整个装置是一个2022/10/15第4节 精密研磨抛光的新技术三、界面反应抛光当工件与摩擦界面处于高温高压状态时，工件表面容易形成一层化合物，在表层深度极浅的反应物很容易通过研抛去除，最终可高效地获得表面粗糙度为数纳米以下的完美表面，主要有化学机械抛光和水合抛光两种方法。是目前加工功能陶瓷元器件基片精密加工的主要方法。化学机械抛光(CMP, Chemical Mechanical Polishing),是目前应用最广泛, 抛光质量

21、和效率较高, 技术比较成熟的一种抛光方法, 从原理讲可以加工任何材料。水合抛光(Hydration Polishing) ,是在抛光过程中, 利用过热水蒸气分子和水作用工件表面, 在界面上形成水合化层(如Al2O3), 借助过热水蒸气,不是用游离磨粒，或在一个大气压的水蒸气环境条件下，利用外来的摩擦力从工件表面上将这水合化层分离、去除, 去除量是数 , 所以可获得无划痕、平滑光泽、无畸变的洁净表面, 且抛光速度显著提高。2022/10/11第4节 精密研磨抛光的新技术三、界面反应2022/10/15第4节 精密研磨抛光的新技术四、电、磁场辅助抛光电场和磁场辅助抛光加工(FFF, Field-a

22、ssisted Fine Finishing, 或称场致抛光)：通过控制电、磁场的强弱控制磨粒对工件的作用力，进行抛光。电场辅助抛光：是指电泳抛光，它利用胶体粒子在电场作用下产生的电泳现象进行抛光。磁场辅助抛光：主要包括磁性磨粒加工(下节介绍)、磁流体抛光和磁流变加工(下节介绍)三种。2022/10/11第4节 精密研磨抛光的新技术四、电、磁场2022/10/15磁流体抛光有悬浮式和分离式两种。悬浮式磁流体抛光：是将磨粒混入磁流体中，通过磁流体在磁场作用下的“浮置”作用进行抛光。分离式磁流体抛光：磨料不混入磁流体中，利用磁流体向强磁场方向移动的特性，通过橡胶板等弹性体挤压磨料，对工件进行抛光。

23、第4节 精密研磨抛光的新技术四、电、磁场辅助抛光2022/10/11磁流体抛光有悬浮式和分离式两种。第4节 2022/10/15第5节 曲面研磨抛光技术一、磁性磨粒加工磁性磨粒加工(Magnetic Abrasive Finishing, MAF)：利用磁性磨粒(由磨粒与铁粉经混合、烧结再粉碎至一定粒度制成)对工件表面进行研磨抛光。磁性磨粒加工时, 工件放人由两磁极形成的磁场中, 在工件和磁极的间隙中放人磁性磨料。在磁场力的作用下, 磨料沿磁力线方向整齐排列, 形成一只柔软且具有一定刚性的“ 磁研磨刷” 。当工件在磁场中旋转并作轴向振动时, 工件与磨料发生相对运动, “ 磨料刷”就对工件表面进行研磨加工。2022/10/11第5节 曲面研磨抛光技术一、磁性磨粒加工2022/10/15第5节 曲面研磨抛光技术一、磁性磨粒加工磁性磨粒加工特点： 可加工表面几乎不受工件几何外形限制；对设备精度和刚度要求不高,没有传统精密设备的振动或颤动等问题;磨粒与工件表面之间并非刚性接触,所以即使有少数大磨粒存在或工件表面偶然出现不均匀硬点,也不会因为切削阻力突然改变而划伤工件表面；加工中磁性磨粒的切削刃不断更换,具有自锐功能;加工压力可由励磁电流控制磁场强度决定,整个加工过程可做到全自动化；可使工