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1、第5章 超精密研磨与抛光,Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing,5.1 研磨和抛光的概述,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。 研磨和抛光的历史很长。 玉器。 中国古代的铜镜。 眼镜，最早出现于1289年的意大利佛罗伦萨。 望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。,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。 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。 为适应零件加工的要求，不断进行技术改造和
2、开发新加工原理的超精密研磨和抛光技术。,5.2 研磨和抛光的机理和特点 5.2.1 研磨加工的机理和特点,研磨加工通常使用1m到几十m的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。,磨粒的工作状态 磨粒在工件与研具之间进行转动; 由研具面支承磨粒研磨加工面; 由工件支承磨粒研磨加工面。,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。 硬脆材料的研磨 微小破碎痕迹构成的无光泽面； 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。 金属材料的研磨 表面没有裂纹；
3、 对于铝材等软质材料，研磨时有很多磨粒被压入材料内； 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,使用1m的微细磨粒； 软质材料抛光垫：沥青、石蜡、合成树脂和人造革等。 微小的磨粒微小的磨粒被抛光器弹性地夹持研磨工件。因而，磨粒对工件的作用力很小，即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。,抛光的加工机理,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。 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。 在加工液中进行化学性溶析。 工件和磨粒之间有直接的化学反应而有助于上述现象。,5.2.3 研磨的加工变质层,加工变质层使工件
4、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。 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X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，再下则是裂纹层、弹性变形层和主体材料。 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
5、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，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。,5.2.4抛光的加工变质层,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。 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
6、.3 研磨和抛光的主要工艺因素,5.4 超精密平面研磨和抛光,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。 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,可以用单面研磨，也可以用双面研磨。 进行高质量平行平面研磨时，需使用双面研磨。,单面研磨机,平面研磨的研具,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
7、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； 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。,抛光机,多头、单头抛光机,抛光垫形状外貌,抛光垫材料和类型,Type I 注入聚合物的毛毡,Type II 微孔材料,Type III 充填聚合物,Type IV 未充填聚合物,抛光垫的修整,抛光前,抛光后,修整器,三种磨粒分布方式,均匀分布型,任意分布型,成簇分布型,抛光液类型,絮状抛光液,胶状抛光液,高质量平面的研磨抛光工艺规律,研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，
8、并且不重叠； 硬质研磨盘在精研修形后，可以获得平面度很高的研磨表面，但要求很严格的工艺条件。硬质研磨盘要求材质均匀，并有微孔容纳微粉磨料。 软质和半软质研磨盘容易获得表面变质层小、和表面粗糙度极小的研磨抛光表面，主要问题是不易保持面型，不易获得很高的平面度。 使用金刚石微粉等超硬磨料可以达到很高的研磨抛光效率。在最后精密抛光硅片、光学玻璃、石英晶片时，使用SiO2,CeO2微粉和软质研磨盘容易得到表面变质层和表面粗糙度小的优质表面，不易获得很高的平面度。 研磨平行度要求很高的零件时，可采用上研磨盘浮动以消除上下研磨盘不平行误差；小研磨零件实行定期180方位对换研磨，以消除因零件厚度不等造成上研
9、磨盘倾斜而研磨表面不平行。 在研磨剂中加入一定量的化学活性物质，可以提高研磨抛光的效率和表面质量。,圆柱面的研磨,球面的研磨,5.5 新原理的超精密研磨抛光,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。 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。,5.5.1 液中研磨,磨料：微细的Al2O3磨粒 研具：聚氨酯 加工液：过滤水、蒸馏水、净化水 机理：将研磨操作浸入在含有磨粒的研磨剂中进行，借助水波效果
10、，利用浮游的微细磨粒进行研磨加工。以磨粒的机械作用为中心，由加工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用。 应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。,5.5.2 化学机械抛光,微细磨粒软质抛光垫酸性（或碱性）液 利用磨粒的机械作用和加工液的腐蚀作用的双重作用的加工方法,5.5.3 非接触研磨技术,非接触研磨技术是以弹性发射加工（EEM)的理论为基础的。,EEM方法是利用微细粒子在材料表面上滑动时去除材料的加工。微细粒子以接近水平的角度与材料碰撞，在接近材料表面处产生最大的剪断应力，既不使基体内的位错、缺陷等发生移动（塑性变形），又能产生微量的“弹性破坏”，以进行去除加工。,弹性发射加工EEM （E
11、lastic Emission Machining）,加工时研具于工件不接触，使微细粒子在研具与工件表面之间自由状态流动，当使微细粒子撞击工件表面时，则产生弹性破坏物质的原子结合，从而获得无干扰的加工表面。 加工单位为0.1 m以下，原理上是采用喷射粒子的加工方式，要尽量以小角度撞击加工表面，其加工精度接近于原子级，可获得相当好的表面。 加工方法是使用聚氨酯球作加工头，在微细粒子混合均匀的悬浮液中，使加工头边回转边向工件表面靠近，是混合液中的微细粒子在工件表面的微小面积（12mm）内产生作用，进行加工。,微细粒子撞击工件表面时，在接触点产生高温高压。高温使工件表层原子晶格中空位增大；高压使磨粒
12、的原子扩散到工件表层的原子空位上，工件表层的原子也扩散到磨粒中。扩散到工件中的磨粒原子成为表层的杂质原子，减弱了本体原子的联系。,EEM方法的剪切作用,加了速的微小粒子弹性冲击被加工表面的原子晶格，使表层不平的原子晶格受到极大的剪切力，从而移去这层不平的原子，这是不需经过扩散过程的机械作用的结果。,弹性发射加工装置,对聚氨酯球的加工头和工作台采用数控装置，则能进行曲面加工。,非接触研磨加工装置,半导体基板、各种晶体、玻璃基板的非接触研磨装置。 研具是使用有辐射状倾斜平面组成的圆环装平板。平面工件放在圆环中。,动压效应,当圆盘在液体中回转时，在倾斜平面部位产生动压效应，使平面板上浮，工件将是悬浮
13、状态，由微细粒子进行研磨。,浮动抛光,浮动抛光（Float Polishing）使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，使抛光盘及工件高速回转，在二者之间抛光液呈动压流体状态，形成一层液膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。 1977年，Namba和Tsuwa首次使用了浮动抛光加工蓝宝石单晶体时表面粗糙度低于1nm。此技术发展应用到抛光不锈钢、铸铁、镍等金属（1980），以及硼硅酸盐玻璃，熔融硅和低膨胀系数等光学材料（1980-1987），工件表面粗糙度达到了1-2 。 Touge和Matsuo（1996）研究了铁酸盐多晶体的浮动抛光，采用金刚石磨料，其抛光速度要比传统抛光方法高2.7
14、倍。目前，采用浮动抛光方法抛光计算机磁头的磁隙面，可防止出现晶界差，获得Rz2nm的表面粗糙度。于浮动抛光容易获得很高精度的平面形状，可用于光学平晶，铌酸锂、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工。,水面滑行抛光,水面滑行抛光（Hydroplan Polishing），是借助流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有浸蚀作用的液体作加工液的抛光方法，不使用磨料，是一种化学抛光方法。 Gormley（1981）等人以及Ives（1988）等人为获得GaAs, InP 和HgCdTe等半导体晶体的光滑、无损伤表面采用了此抛光方法。工件受到甲醇、甘醇和溴的混合物的侵蚀，在H2气中、600高温下热腐蚀15分
15、钟，以10mmin 的去除率进行GaAs，InP基板表面无损伤抛光。直径 2.5cm 基板，其平面度在 0.3m以内。,1.工件 2.水晶平板 3.调节螺母 4.腐蚀液 5. 抛光盘,5.5.4 无磨料抛光,水合抛光（Hydration polishing） 水合抛光是一种利用在工件界面上产生水合反应的新型高效、超精密抛光方法。主要特点是不使用磨粒和加工液，加工表面无污染。 使用杉木抛光盘抛光蓝宝石，最终表面粗糙度Rz小于1nm。,1.水蒸气发生器 2.工件 3.抛光盘 4.载荷 5.保持架 6.蒸汽喷嘴 7.加热器 8.偏心凸轮,5.5.5电场和磁场抛光加工,电场和磁场抛光加工是利用和控制电
16、、磁场的强弱使 磁流体带动磨粒对工件施加压力从而对高形状精度、高 表面质量和晶体无畸变的表面进行加工的抛光方法。主 要用于信息设备和精密机械高性能元件的加工。通过对 电、磁场的控制也可以加工自由曲面。主要：,磁力抛光 磁悬浮抛光 磁流流变抛光 电泳抛光,磁力抛光的加工原理,磁性磨料在磁场作用下形成柔性磨料刷 柔性磨料刷与工件相对运动 产生切削、刻划、滑擦、挤压和滚动等现象 形成研磨、抛光、去毛刺等,加工机理,微量切削与挤压 多次塑变磨损 摩擦腐蚀磨损 电化学腐蚀磨损,磁力研磨加工的应用,非磁性直管内壁的磁力研磨 利用永久磁铁产生磁场 利用电磁场 非磁性弯管内壁的磁力研磨 复杂曲面的磁力研磨 异型件的抛光、去毛刺 球面零件的磁力研磨加工 磁力滚抛,非磁性管内壁的磁力抛光 （磁场由永久铁产生）,非磁性弯管内壁的磁力抛光,球面和复杂曲面的磁力研磨,异型件的抛光、去毛刺,磁力滚抛加工,磁力悬浮研磨,磁流体研磨加工 (Magnetic Fluid Grinding),10nm以下的强磁性微粒 Fe3O4（1
