第1章超精密研磨与抛光

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1、第第5章章 超精密研磨与抛光超精密研磨与抛光Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing5.1 研磨和抛光的概述研磨和抛光的概述n利用工件与研具相对运动，利用工件与研具相对运动，通过研磨剂作用而获得高质通过研磨剂作用而获得高质量、高精度的加工方法。量、高精度的加工方法。n研磨和抛光的历史很长。研磨和抛光的历史很长。n玉器。玉器。n中国古代的铜镜。中国古代的铜镜。n眼镜，最早出现于眼镜，最早出现于1289年的意大利佛罗伦萨。年的意大利佛罗伦萨。n望远镜和显微镜是在文艺望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。复兴时期发明的。现在，除已实现批量生产透镜

2、和棱镜外，现在，除已实现批量生产透镜和棱镜外，其加工水平已能完成光学镜面和保证高其加工水平已能完成光学镜面和保证高形状精度的光学平晶、平行平晶以及具形状精度的光学平晶、平行平晶以及具有特定曲率的球面等标准件的加工。有特定曲率的球面等标准件的加工。就实施超精密加工而言，在各种加工方就实施超精密加工而言，在各种加工方法中，研磨和抛光方法最为有力。法中，研磨和抛光方法最为有力。为适应零件加工的要求，不断进行技术为适应零件加工的要求，不断进行技术改造和开发新加工原理的超精密研磨和改造和开发新加工原理的超精密研磨和抛光技术。抛光技术。5.2 研磨和抛光的机理和特点研磨和抛光的机理和特点5.2.1 研磨研

3、磨加工的机理和特点加工的机理和特点n研磨加工通常使用研磨加工通常使用1m到几十到几十m的氧化铝和的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。磨粒的工作状态磨粒的工作状态1)磨粒在工件与研具之间磨粒在工件与研具之间进行转动进行转动;2)由研具面支承磨粒研磨由研具面支承磨粒研磨加工面加工面;3)3) 由工件支承磨粒研磨加由工件支承磨粒研磨加工面。工面。 研磨的机理研磨的机理由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三种研磨方法的研磨表面状态也不同。表面的形成，是在产生切屑、研具的磨损的研磨表面状态也不同。表

4、面的形成，是在产生切屑、研具的磨损和磨粒破碎等综合在一起的复杂情况下进行的。和磨粒破碎等综合在一起的复杂情况下进行的。 n硬脆材料的研磨硬脆材料的研磨n微小破碎痕迹构成的无光泽面；n磨粒不是作用于镜面而是作用在有凸凹和裂纹等处的表面上，并产生磨屑。 n金属材料的研磨金属材料的研磨 n表面没有裂纹；n对于铝材等软质材料，研磨时有很多磨粒被压入材料内；n对刀具和块规等淬火工具钢等可确保有块规那样的光泽表面。 5.2.2 抛光加工的机理和特点抛光加工的机理和特点n使用使用1m的微细磨粒；的微细磨粒；n软质材料抛光垫：沥软质材料抛光垫：沥青、石蜡、合成树脂青、石蜡、合成树脂和人造革等。和人造革等。n微

5、小的磨粒微小的磨微小的磨粒微小的磨粒被抛光器弹性地夹粒被抛光器弹性地夹持研磨工件。因而，持研磨工件。因而，磨粒对磨粒对工件的作用力工件的作用力很小，即使抛光脆性很小，即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。材料也不会发生裂纹。抛光的加工机理抛光的加工机理1) 由磨粒进行的机械抛光可塑性地生成切由磨粒进行的机械抛光可塑性地生成切屑。但是它仅利用极少磨粒强制压入产屑。但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用。生作用。2) 借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸因变平。件表面的凸因变平。3) 在加工液中进行化学性溶析。在加工液中进行化学性溶析。4)4) 工件和磨粒之间有直

6、接的化学反应而有工件和磨粒之间有直接的化学反应而有助于上述现象。助于上述现象。 5.2.3 5.2.3 研磨的加工变质层研磨的加工变质层 n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。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。在变质层部分存在变形和应力，还有其物理的和化学的影响等。硬度和在变质层部分存在变形和应力，还有其物理的和化学的影响等。硬度和表面强度变化等机械性质和耐腐蚀性等化学性质也与基体材料不同。表面强度变化等机械性质和耐腐蚀性等化学性质也与基体材料不同。 n硬脆材料经研磨后的表面硬脆材料经研磨后的表面 ，经研磨的单晶硅表面，使用氟、硝酸系列

7、的经研磨的单晶硅表面，使用氟、硝酸系列的溶液进行化学浸蚀，依次去掉表层，用电子衍射法进行晶体观察时，从溶液进行化学浸蚀，依次去掉表层，用电子衍射法进行晶体观察时，从表层向内部的顺序为非晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全表层向内部的顺序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。另外，从使用结晶结构。另外，从使用X射线衍射法的弹塑性学的观点来评价，则表射线衍射法的弹塑性学的观点来评价，则表层是由极小的塑性流动层构成，其下是有异物混人的裂纹层，再下则是层是由极小的塑性流动层构成，其下是有异物混人的裂纹层，再下则是裂纹层、弹性变形层和主体材料。裂纹层、弹性变形层和主体材料。n在研

8、磨金属材料时，虽不发生破碎，但是磨粒转动和刮削时，由于材料在研磨金属材料时，虽不发生破碎，但是磨粒转动和刮削时，由于材料承受了塑性变形，通常形成与上述硅片相类似的加工变质层。相反，例承受了塑性变形，通常形成与上述硅片相类似的加工变质层。相反，例如是多晶的金属材料，则越接近被加工的表层，晶粒越微细，累积位错如是多晶的金属材料，则越接近被加工的表层，晶粒越微细，累积位错在最表层，变成非晶质状态。在这部分，金属与大气中的活在最表层，变成非晶质状态。在这部分，金属与大气中的活性氧结合，性氧结合，变得活跃。另外，有时发生因塑性变形而使磨粒等容易嵌进金属。变得活跃。另外，有时发生因塑性变形而使磨粒等容易嵌

9、进金属。 5.2.45.2.4抛光的加工变质抛光的加工变质层层n关于抛光的加工变质层，即使工件是硬脆材料，抛光时也不会出现裂纹，加工变质层的结构与深度应当与研磨有相当大的不同。 n由氧化铈磨粒和沥青研具精加工的石英振子镜面，其加工变质层的结构可使用氟化氨的饱和水溶液腐蚀来检测。根据检测结果得知，由表层向组织内部的结构顺序是抛光应力层，经腐蚀出现的2次裂纹应力层，2次裂纹影响层和完全结晶层，整个深度为3um。 5.3 研磨和抛光的主要工艺因素研磨和抛光的主要工艺因素项项 目目内内 容容研磨法研磨法加工方式加工方式加工运动加工运动驱动方式驱动方式单面研磨、双面研磨单面研磨、双面研磨旋转、往复旋转、

10、往复手动、机械驱动、强制驱动、从动手动、机械驱动、强制驱动、从动研具研具材料材料形状形状表面状态表面状态硬质、软质、人造、天然硬质、软质、人造、天然平面、球面、非球面、圆柱面平面、球面、非球面、圆柱面有槽、有孔、无槽有槽、有孔、无槽磨粒磨粒种类种类材质、形状材质、形状粒径粒径金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物硬度、韧性、形状硬度、韧性、形状0.01um几十几十um加工液加工液水质水质油质油质酸性酸性碱性、界面活性剂碱性、界面活性剂界面活性剂界面活性剂工件、研具相对速度工件、研具相对速度1100m/min加工压力加工压力0.0130N/cm2加工时间加工

11、时间10h环境环境温温 度度室温设定温度室温设定温度0.1 尘尘 埃埃利用净化槽、净化操作台利用净化槽、净化操作台5.4 超精密平面研磨和抛光n超精密研磨和抛光是加工误差0.1 m，表面粗糙度Ra0.02 m的加工方法。n用于制造高精度高表面质量的零件，如大规模集成电路的硅片，不仅要求极高的平面度，极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。光学平晶、量块、石英振子基片平面，除要求极高平面度、极小表面粗糙度外，还要求两端面严格平行。行星轮式双面平面研磨机行星轮式双面平面研磨机超精密平面研磨机n可以用单面研磨，也可以用双面研磨。n进行高质量平行平面研磨时，需使用双面研磨。单面研磨机平面研磨的