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1、超精密研磨和抛光加工 机制2班 唐才彬、邱仁俊 一、研磨和抛光的概述 n研磨和抛光：利用工件与研具 相对运动，通过研磨剂作用而 获得高质量、高精度的加工方 法。 n研磨和抛光都属于超精加工， 能够很好的保证加工零件有很 高的粗糙度、尺寸精度和几何 精度，而且适用于各项高精加 工领域，甚至包括汽车、飞机 制造业。 n这是研磨加工的零件图 n这是抛光加工的零件图 n研磨加工：通常使用1m到几十m的氧化铝和碳化硅等 磨粒对物体表面进行平整，以减少物体表面粗糙度的加工 过程。 磨粒的工作状态 1)磨粒在工件与研具之间 进行转动; 2)由研具面支承磨粒研磨 加工面; 3)由工件支承磨粒研磨加 工面。 二
2、、研磨和抛光的原理 由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，三者的研磨表面状态 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 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 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。 n抛光加工：在研磨的基础上对物体表面进行 光量化处理的加工过程。 1)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生作 用。 2)借
3、助磨粒和抛光器与工件流 动摩擦使工件表面的凸因变 平。 3)在加工液中进行化学性溶 析。 4)工件和磨粒之间有直接的化 学反应而有助于上述现象。 n研磨抛光加工机器 直口型振动研磨机高速离心研磨抛光机FD-36LP平面抛光机 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超精密研磨和抛光加工有很多，如平面研磨抛光、浮动研磨 抛光、磁力研磨抛光、电解磁力研磨抛光、液面研磨抛光、 离子束研磨抛光、超声研磨抛光、水合研磨抛光等 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
4、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。 三、超精密研磨和抛光 （1）双平面研磨抛光机 n平面双面研磨抛光就是对大量平面零件上 下两个表面同时加工进行高速研磨和抛 光。 n双平面研磨加工用于加工要求高质量平行 平面的工件。其能避免夹具的粘结误差及 薄片工件两面的应力差引起的变形问题。 （2）单平面研磨抛光机 n单面研磨方式：用于加工易碎的脆性材料平行薄片工件。因为当 工件的厚度只有几十微米时，工件与研磨盘紧密接触会使加工阻 力增大，从而引起薄片工件的破碎。其中被加工晶片粘贴于工件 盘上，研磨盘由电机带动以一恒定的转速做匀速圆周运动，工件 盘与被
5、加工晶片在受到与研磨盘之间的摩擦力作用，由静止到以 一恒定的角速度作匀速转动。 n为确保几何形状精度，研磨端面小的高 精度平面工件时要使用弹性变形小的研 具；除特种玻璃外，可以用在加工成平 面的金属板上涂一层四氟乙烯，或镀铅 和铟； n为获得高的表面质量，在工件材料较软 时，有时使用半软质（如锡）和软质（ 如沥青）的研磨盘，主要问题是不易保 持平面度，优点是表面变质层小、表面 粗糙度小。 平面研磨的研具 n传统的研磨抛光方法是完全 靠微细磨粒的机械作用去除 被研磨表面的材质，达到很 高的加工表面。 n最近出现新原理的研磨抛光 方法其工作原理有些已不完 全是纯机械的去除，有些不 用传统的研具和磨
6、料。这些 新的研磨抛光方法可以达到 分子级和原子级材料的去除 ，并达到相应的极高几何精 度和无缺陷无变质层的加工 表面。 （3）非传统的超精密研磨抛光加工 德国burk超声波研磨抛光机 n利用流体力学原理使抛光器与工 件浮离，在抛光器的工件表面工 作出了若干楔槽，当抛光器高速 旋转时，由于油楔的动压作用使 工件或抛光器浮起，其间的磨粒 就对工件表面进行抛光。浮动抛 光能够加工出平面度很高的工件 表面，没有端面塌边及变形缺陷 。 （3.1）浮动研磨抛光 n采用浮动研磨抛光，不需使 用夹具，端面塌边半径可小 至0.01m。经过浮动研磨抛 光的表面具有良好的结晶特 性，同时加工表面没有残余 压力。
7、n磁力研磨是利用磁场作用进 行研磨加工的新方法，它能 高效、快速地对各种材料、 尺寸和结构的零件进行超精 密加工，是一种投资少、效 率高、用途广、质量好的研 磨加工方法。 （3.2）磁力研磨抛光 n在加工中磁性磨粒（A）的受力状态如图1所示，磨粒受到工 件表面法向力Fn和切向力Fm的作用，作用力Fm使磨粒有向切 线方向飞散的趋势，但由于磁场效应,磨粒同时还受到沿磁力 线方向的一个压向工件的力Fx和沿磁等位线方向的作用力Fy ，Fy可以防止磨粒向加工区域以外流动，从而保证研磨工作 的正常进行 n磁性磨料的磁力研磨。 磁力研磨时，工件放入由两磁极形成的磁场中，在工件 和磁极的间隙中放入磁性磨料。在
8、磁场力的作用下，磨料 沿磁力线方向整洁排列，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 。 n磁性浮动研磨。 它是通过在磁场作用下形成的磁流体（由磁性颗粒、表 面活性剂和液相载体如水、油组成）使悬浮其中的非磁性磨 料在磁流体的活动和浮动作用下压向旋转的工件进行研磨及 抛光，从而进步精整加工的质量和效率。它可以获得 Ra0.01m的无变质层加工表面，并能研抛表面外形复杂的 工件。 n磁力研磨具有下面特点： 通过改变磁场的强度可以轻易地控制研磨压力； 由于磁极与工件表面之间有加工间隙（14mm)，因此通
9、过 “磨料刷”进行柔性研磨，不但可用于圆柱和平面研磨，还可以进 行异形表面及自由曲面的研磨； 在磁极结构一定的情况下，通过磁感应强度，即可调节磨削 力，加工过程很轻易实现自动化； 磨料沿加工表面不断转动和更换位置，使其具有良好的自铣 性； 磁性材料被约束在磁极之间，不会污染操纵环境； 加工效率高； 既可磨削铁磁性材料，也可磨削非铁磁性材料。 n电解磁力研磨抛光是由电化学 加工和磁力研磨两种工艺复合 而成。其加工原理图如图5所示 。电流电压的阳极接工件，阴 极接工具，阴极接除毛刺的工 件部位。电解液由泵驱动后经 阴极流过阳极工件的毛刺部位 到达回流槽。工件以一定的速 度旋转，同时作轴向振动。在
10、垂直于工件轴线及电力线的平 面方向上加直流强磁场，在磁 场中填入游离状的磁性磨料， 由磁磨料组成的“磨料刷”快速 冲击工件表面，往除突起的毛 刺和实现光整加工。 （3.3）电解磁力研磨抛光 n这种复合研磨加工方法适用于高强 度、高硬度和高韧性材料的精密去 毛刺和光整加工。其效率为磁场力 研磨法的2倍。并可提高2个等级的 工件表面粗糙度，加工后不会产生 二次毛刺。 n液面研磨抛光又称水面滑行抛光 （HydroPlane Polishing）。液 面研磨抛光装置如图7所示。该研 磨方法的明显特点是不使用磨料 ，研抛时工件与抛光盘（水晶平 板）之间由流体压力形成间隙， 利用具有腐蚀作用液体的运动进
11、行研抛，因此，它是一种化学腐 蚀加工方法。加工中使用的腐蚀 液为甲醇、乙二醇与溴的混合液 。主要用来加工CaAs、InP基片 表面。 （3.4）液面研磨抛光 n水合研磨抛光是一种积极利用在工件临界面上发生水合化反应的研磨 抛光方法。其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与目前 使用的抛光机相似，只是在水蒸汽环境中进行加工。为此，要尽量避 免使用能与工件产生固相反应的材料抛光盘。 （3.5）水合研磨抛光 n随着抛光盘的旋转，工件保持架在它上边 作往复运动。在水合抛光过程中，两个物 体产生相对摩擦，在接触区产生高温高压 ，工件表面上的原子或分子呈活性化。利 用过热水蒸汽分子和水作用其表面，使
12、之 在基面上形成水合化层。借助过热水蒸汽 （不是游离磨粒）从工件表面上将该水合 化层分离、去除，去除厚度为零点几个纳 米，所以可获得无划痕、平滑光泽无畸变 的洁净面。 n超声研磨抛光是一种非接触超精密 研磨方法。超声振动工具头的端面 与工件表面保持一固定的间隙， 并在其间充以微细磨粒工作液，当 超声振动工具以一定的频率振动时 ，带动微细磨粒冲击工件表面，从 而对工件表面进行研磨。 （3.6）超声研磨抛光 n超声研磨时，大量的磨粒以与超声振动相同的频率、脉冲式的冲击 被加工表面，除往或改造工件表面原有的变质层，并在其下面构成 新的变质层（即表面加工层）。 n超声研磨应用范围广，可加工各种硬脆材料
13、，可以加工平面，也可 加工复杂曲面。目前用超声研磨可在3mm厚的玻璃上钻出直径为（ 0.1-1.0)mm的小孔。同时其单位时间内的切除率较高，无需复杂的 技术，所需设备也较简单，故可获得较高的技术经济效果。 n与传统的机械抛光方法不同，离子束抛光采用被充电的高能原子或 离子（离子的质量较原子质量更大，因而可获得更大的动能），在 真空状态下由离子枪射向工件，当带有很高能量的离子撞击工件表 面时，在撞击点上材料以原子量级实现往除。材料的往除量取决于 离子束在该点的溅射时间。 （3.7）离子束研磨抛光 n由于离子束抛光是在原子量级上实现材料的往除，因而材料的往 除率较低，为此在采用该方法前，工件要经
14、过传统方法的预抛光 ，在基本达到精度要求后再采用离子束抛光对工件表面面形（如 球面、非球面、非对称的自由曲面等）实现很高精度的修正。固 然离子束抛光制造所需要的设备投资较大，运行本钱较高，但对 于某些具有特殊高精度要求的光学大型镜面还是必须采用离子束 抛光方法。 n离子束研磨抛光加工与传统的加工方法相比离子束抛光方法具有 以下几个优点： 可在原子量级上实现材料确定性的超精密加工； 通过一次加工过程即可实现对面形误差的完全修正； 对外界环境的振动、温度变化以及装卡稳定性不敏感； 由于离子束抛光需在真空中进行，故可将抛光与镀膜过程在同 一真空罐中进行； 工件不会出现塌、翘边的边沿效应。 n今后超精密研磨技术将朝着高精度、高效率的方向发展，这一趋 势体现在2个方面：其一是超精密复合加工方法的出现，如化学 机械抛光、电解磁力研磨、超声研磨等，通过多种材料去除机理 的协调作用提高加工精度和加工效率；其二是半固着磨砺加工技 术的出现。这些都将改变我们传统的研磨和抛光加工技术。 四、超精密研磨和抛光发展趋势 完
