精密和超精密加工技术第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2020/11/22第7章精密研磨与抛光2020/11/22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、铌酸锂等光电子材料，压电材料，磁性材料，光学材料等。第7章精密研磨与抛光2020/11/221.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。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。2020/11/222.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。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。2020/11/223.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。2020/11/22二、研磨加工特点第1节研磨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1µm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。2020/11/22二、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，可以保证加工质量。2020/11/22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。2020/11/221）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。一、抛光加工的机理第2节抛光2020/11/22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。二、研磨、抛光的加工变质层第2节抛光2020/11/22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。二、研磨、抛光的加工变质层（接上页）第2节抛光2020/11/22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效果。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2020/11/22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，使工件得到均匀不重复的加工轨迹。2020/11/22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。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。2020/11/22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。2020/11/22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2020/11/22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。2020/11/22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2020/11/22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，并对工件发挥化学作用，以提高研磨抛光的加工效率和质量。2020/11/22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，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。2020/11/22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。2020/11/22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。2020/11/22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。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。2020/11/22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0.1μm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。数控弹性发射加工装置2020/11/22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,ChemicalMechanicalPolishing),是目前应用最广泛,抛光质量和效率较高,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(HydrationPolishing),是在抛光过程中,利用过热水蒸气分子和水