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1、第二章第二章 精密和超精密加工技术精密和超精密加工技术精密与超精密加工精密与超精密加工加工精度表面粗糙度精密加工0.1-1m0.02-0.1m超精密加工0.1m0.01m超精密切削超精密切削- -金刚石刀具切削金刚石刀具切削用高精度机床和单晶金刚石刀具进行的精密、超精密切削称为金刚石刀具切削或SPDT（SinglePointDiamondTurning）金刚石刀具切削主要用于有色金属（铜、铝及其合金）、非金属材料的精密加工利用超精密金刚石切削的菲涅尔透镜，更薄、性能更好金刚石切削机理金刚石切削机理 切削在晶粒内进行 切削力原子结合力（剪切应力达 13000 N/ mm2） 刀尖处温度极高，应力
2、极大，普通刀具难以承受 高速切削（与传统精密切削相反），工件变形小，表层高温不会波及工件内层，可获得高精度和好表面质量 刀尖附近二维切削模型刀尖附近二维切削模型金刚石切削机理金刚石切削机理金刚石切削刀尖的切削模型OMF金属切削模型弹性变形剪切应力增大，达到屈服点产生塑性变形，沿OM线滑移剪切应力与滑移量继续增大，达到断裂强度切屑与母体脱离。M刀具切屑OA终滑移线始滑移线：=s剪切角 切削表面形成模型切削表面形成模型金刚石切削机理金刚石切削机理t0变质层深度；t1给定切深；t2实际切深；毛刺产生的粗糙度增量切削表面的轮廓是在垂直于切削方向的平面内工具轮廓的复映 切削表面形成模型切削表面形成模型金
3、刚石切削机理金刚石切削机理理想刀具切削刃在工件表面的复印轮廓n切削刃的粗糙度n切削刃口的复映性n毛刺与加工变质层 影响表面形成的因素影响表面形成的因素金刚石切削刀具金刚石切削刀具超精密切削刀具应具备的条件：刀具刃口的锋利性好。刃口半径值极小，能实现超薄切削厚度。切削刃的粗糙度低。切削时刃形将复制在被加工表面上，从而得到超光滑的镜面。刀具与被切削材料的亲和性低。以得到极好的加工表面完整性。切削刃强度高、耐磨损不可替代的超精密切削刀具材料：单晶金刚石 金刚石的性能金刚石的性能金刚石刀具对超精密切削的适应性金刚石刀具对超精密切削的适应性n硬度最高，各向异性，不同晶向的物理性能相差很大。n优质天然单晶
4、金刚石：多数为规整的8面体或菱形12面体，少数为6面立方体或其他形状，浅色透明，无杂质、无缺陷。n大颗粒人造金刚石在超高压、高温下由子晶生长而成，并且要求很长的晶体生长时间。n人造单晶金刚石已用于制造超精密切削的刀具。 金刚石刀具刃口的锋利性 最小圆弧半径可以达到2nm 金刚石刀具刃口的粗糙度 可达到Ry10nm 金刚石刀具切削刃有良好的复印性 金刚石刀具的热化学性能 有较高的热导率和比热容，低的摩擦系数 高温时易氧化和石墨化金刚石刀具对超精密切削的适应性金刚石刀具对超精密切削的适应性材料材料晶界晶界圆圆弧半径弧半径/nm金刚石TICFeCuAl2.01.12.93.75.7最小圆弧半径的计算
5、值金刚石刀具的分类金刚石刀具的分类天然单晶金刚石刀具人工合成金刚石刀具(如美国GE公司生产的COMPAX牌金刚石刀具)聚晶金刚石(PCD)（切割后焊在刀片上）金刚石膜（厚膜焊接在刀片上，薄膜涂层涂覆在超硬刀具基体上）刀具切削刃比较刀具切削刃比较金刚石粉烧结体立方氮化硼烧结体（CBN）单晶金刚石单晶金刚石刀具单晶金刚石刀具金刚石的晶体结构和刃磨单晶金刚石研磨后的刀刃多晶金刚石研磨后的刀刃立方体八面体十二面体单晶金刚石刀具单晶金刚石刀具单晶金刚石的硬度（努氏硬度）单晶金刚石刀具单晶金刚石刀具单晶金刚石的热稳定性金刚石的热稳定性与周围介质、硬度等有关金刚石在不同介质条件下受热升温时所发生的状态单晶金
6、刚石刀具单晶金刚石刀具单晶金刚石的热稳定性MBD6型金刚石在不同温度下保温1小时的抗压强度曲线MBD6型金刚石在800加热不同时间的抗压强度曲线单晶金刚石刀具单晶金刚石刀具CBN和单晶金刚石的热稳定性比较金刚石刀具可切削材料金刚石刀具可切削材料可切削材料Al（铝）、Cu（铜）、Au（金）、Ag（银）、Pb（铅）、Pt（白金）、黄铜、Ge（锗）、ZnS（硫化锌）、各种塑胶要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等要求高精度、高刚度、良好稳定性、抗振性及数控功能等金刚石切削机床金刚石切削机床型号型号(生产厂家生产厂家)HCM-(中国哈工大中国哈工大)M-18AG(莫尔特殊机床莫尔特殊机床,
7、美国美国)Ultraprecision CNC machine(东芝东芝,日本日本)Ultraprecision Lathe(IPT，德国，德国)主轴主轴径向跳动径向跳动(m)0.0750.05(500r/min)0.048轴向跳动轴向跳动(m)0.050.05(500r/min)径向刚度径向刚度(N/m)220100轴向刚度轴向刚度(N/m)160200导轨导轨Z向向(主轴主轴)直线度直线度0.2m/100mm0.5m/230mm0.044m/80mmX向向(刀架刀架)直线度直线度0.2m/100mm0.5m/410mm0.044m/80mmX、Z向垂直度向垂直度()11重复定位精度重复定位
8、精度(m)1(全程全程)、0.5(25.4mm)加工加工工件工件精度精度形面精度形面精度(m)圆度：圆度：0.1平面度：平面度：0.30.1(P-V值值)0.1表面粗糙度表面粗糙度(m)Ra0.00420.0075(P-V值值)Ra0.0020.0020.005RMS位置反馈系统分辨率位置反馈系统分辨率(m)252.510温控精度温控精度()0.0040.0060.1隔振系统固有频率隔振系统固有频率(Hz)22加工范围加工范围(mm)3203566502502 主轴系统主轴系统国内外典型超精密车床性能指标Moore金刚石车床回转工作台工件刀具主轴传动带主轴电机空气垫刀具夹持器美美 国国 Moo
9、reMoore公公 司司 M-18AGM-18AG金刚石车床金刚石车床主主轴轴采采用用空空气气静静压压轴轴承承，转转速速5 5000000转转/ /分分，径径跳跳0.10.1mm；液液体体静静压压导导轨轨，直直线线度度达达 0.05m/100mm0.05m/100mm；数控系统分辨率数控系统分辨率0.01m0.01m。典型金刚石切削机床典型金刚石切削机床典型金刚石切削机床典型金刚石切削机床T形布局的金刚石车床车床主轴装在横向滑台（X轴）上，刀架装在纵向滑台（Z轴）上。可解决两滑台的相互影响问题，而且纵、横两移动轴的垂直度可以通过装配调整保证，生产成本较低，已成为当前金刚石车床的主流布局。 T形
10、布局 金刚石车床主要性能指标金刚石车床主要性能指标数控系统分辩率 /m40020050001000050000. 10.010. 2/1000. 10. 11/1502/100径向1140轴向1020640720最大车削直径和长度 /mm最高转速 r/mm最大进给速度mm /min重复精度(2) / m主轴径向圆跳动 / m滑台运动的直线度 / m主轴前静压轴承（100mm）的刚度 /（N/m）主轴后静压轴承（80mm）的刚度 /（N/m）纵横滑台的静压支承刚度 /（N/m）主轴轴向圆跳动 / m横滑台对主轴的垂直度 / m金刚石车床加工4.5mm陶瓷球金刚石车床及其加工照片金刚石车床及其加工
11、照片 用用于于铜铜、铝铝及及其其合合金金精精密密切切削削（切切铁铁金金属属，由由于于亲亲合合作作用用，产产生生“ “碳化磨损碳化磨损” ”，影响刀具寿命和加工质量），影响刀具寿命和加工质量） 加工各种红外光学材料如锗、硅、加工各种红外光学材料如锗、硅、ZnSZnS和和ZnSeZnSe等等 加工有机玻璃和各种塑料加工有机玻璃和各种塑料 典型产品典型产品：光光学学反反射射镜镜、射射电电望望远远镜镜主主镜镜面面、大大型型投投影影电电视视屏屏幕幕、照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等金刚石切削的应用金刚石切削的应用精密和超精密磨削：通常是指加工精度10.1m，表面粗糙度低于Ra0.20.025m的表面磨
12、削方法。精密和超精密磨削精密和超精密磨削精密、超精密磨削、镜面磨削形成的零散刻痕镜面磨削：一般是指加工表面粗糙度达到Ra0.020.01m，磨削表面光泽如镜的磨削方法。镜面磨削对加工精度要求不很明确，主要强调表面粗糙度要求。精密和超精密磨削分类精密和超精密磨削分类精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固结磨料加工游离磨料加工精密研磨精密抛光固结磨具涂覆磨具精密砂轮磨削油石研磨精密珩磨精密超精加工砂带磨削砂带研磨精密和超精密磨削分类精密和超精密磨削分类固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。精密和超
13、精密砂轮磨削精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。精密和超精密砂带磨削精密砂带磨削：砂带粒度W63W28，加工精度1m，Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。精密和超精密磨削分类精密和超精密磨削分类游离磨料加工磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。超精密磨削砂轮磨料磨具超精密磨削砂轮磨料磨具普通磨料碳化物系碳化
14、硼碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石天然人造立方氮化硼超精密磨削涂覆磨具超精密磨削涂覆磨具涂覆磨具工作条件基底材料形状耐水干磨复合纸棉布化纤布塑料膜盘状页状卷状环状带状1基底；2粘接膜；3粘接剂（底胶）；4粘接剂（覆胶），5磨粒(a)砂轮 (b)磨粒(c) 微刃(锐利、半钝化、钝化) 磨粒具有微刃性和等高性(1)微刃的微切削作用(2)微刃的等高切削作用(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用精密磨削机理精密磨削机理v= 27 m/s6420-2-4-604681012弹性区塑性区切削区工件切入角实际磨削轨迹理想磨削轨迹弹性区塑性区切削区塑性区弹性区接触终点2=6.8切入角/（）接触长度/mm超精密磨削的单颗磨
15、粒切入模型超精密磨削机理超精密磨削机理磨粒可以看作具有弹性支承的和大负前角切削刃的弹性体，弹性支承为结合剂，磨粒虽有相当硬度，本身受力变形极小，实际上仍属于弹性体。磨粒切削刃的切入深度由零开始逐渐增加，到达最大值后又逐渐减小到零。整个磨粒与工件的接触过程依次为弹性区、塑性区、切削区、塑性区和弹性区。超精密磨削中，微切削作用、塑性流动、弹性破坏作用和滑擦作用依切削条件的变化而顺序出现。 超精密磨削机理超精密磨削机理砂轮 1）砂轮磨料 2）砂轮粒度 3）砂轮结合剂砂轮修整：整形与修锐（去除结合剂，露出磨粒）常用方法 用碳化硅砂轮（或金刚石笔）修整，获得所需形状； 电解修锐（适用于金属结合剂砂轮），
16、效果好，并可在线修整。砂轮及砂轮的修整砂轮及砂轮的修整进给ELID磨削原理电源金刚石砂轮（铁纤维结合剂）冷却液冷却液电刷 ELID（Electrolytic In-Process Dressing）(砂轮在线电解修整)原理：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断对结合剂：砂轮采用铸铁基金刚石砂轮。利用电解原理，在磨削过程中，不断对结合剂进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于锋利状态。进行电解，使已磨损的金刚石磨粒脱落，从而使金刚石砂轮始终处于锋利状态。铸铁基砂轮：铸铁基砂轮：“ “+”+”极极 ；石墨电极：；石墨电极：“ “”极；两电极间隙：极；两电极
17、间隙：0.1mm 0.1mm （1）磨削过程具有良好的稳定性；（2）该修整法使金刚石砂轮不会过快的磨耗，提高了贵重磨料的利用率；（3）ELID修整法使磨削过程具有良好的可控性；（4）采用ELID磨削法，容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的残留裂纹。ELIDELID磨削的特点磨削的特点电子材料，磁性材料的镜面磨削 硅片；铁金氧磁头 光学材料的镜面磨削 记录用光学材料，光学镜片研磨抛光前 陶瓷材料的镜面磨削 高精度钢铁材料及复合材料，硬质合金 ELID ELID 应用范围应用范围砂带磨削示意图接触轮硬磁盘装在主轴真空吸盘上V砂带砂带轮卷带轮F-径向进给f-径向振动砂带精密磨削砂带精密
18、磨削 砂带：带基材料为聚碳酸脂薄膜，其上植有细微砂粒。 砂带在一定工作压力下与工件接触并作相对运动，进行磨削或抛光。 有开式和闭式两种形式，可磨削平面、内外圆表面、曲面等。砂带精密磨削砂带精密磨削用于磨削管件的砂带磨床（带有行星系统）几种砂带磨削形式砂带精密磨削砂带精密磨削磨削参数闭式磨削开式磨削粗磨精磨砂带速度/(ms-1)12302530速度很低工件速度/(mmin-1)203020以下1012纵向进给量/(mmr-1)0.173.000.402.00 磨削深度(mm)0.050.0100.010.05 接触压力(N)接触压力直接影响磨削效率和砂带寿命，可根据工件材料、砂带、磨削余量和表面
19、粗糙度的要求来选择，有时很难控制，一般选取50300N。砂带磨削用量砂带精密磨削砂带精密磨削砂带精密磨削砂带精密磨削 砂带磨削特点1）砂带与工件柔性接触，磨粒载荷小，且均匀，工件受力、热作用小，加工质量好（ Ra 值可达 0.02m）。 3）强力砂带磨削，磨削比（切除工件重量与砂轮磨耗重量之比）高，有“高效磨削”之称。 4）制作简单，价格低廉，使用方便。5）可用于内外表面及成形表面加工。磨粒规格涂层粘接剂基带静电植砂砂带结构2）静电植砂，磨粒有方向性，尖端向上，摩擦生热小，磨屑不易堵塞砂轮，磨削性能好。 塑性（延性）磨削塑性（延性）磨削 (a)初始加载:接触区产生永久塑性变形区，没有任何裂纹破
20、坏。变形区尺寸随载荷增加而变大。(b)临界区:载荷增加到某一数值时，在压头正下方应力集中处产生中介裂纹(MedianCrack)。(c)裂纹增长区:载荷增加,中介裂纹也随之增长。(d)初始卸载阶段:中介裂纹开始闭合，但不愈合。(e)侧向裂纹产生:进一步卸载，由于接触区弹塑性应力不匹配，产生一个拉应力叠加在应力场中，产生系列向侧边扩展的横向裂纹(LateralCrack)。(f)完全卸载:侧向裂纹继续扩展，若裂纹延伸到表面则形成破坏的碎屑。尖锐压头下的材料变形过程 塑性（延性）磨削塑性（延性）磨削 由图可以看出，即使是脆性材料，在很小载荷的作用下仍然会产生一定的塑性变形。当载荷增加时，材料将由塑
21、性变形方式向脆性破坏发生转变，在材料的内部和表面上产生脆性裂纹。临界载荷：在材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变过程中，当裂纹刚好产生时所施加的垂直载荷；临界压深：材料将由塑性变形方式向脆性破坏发生转变转变时，压头压入的深度。尖锐压头下的材料变形过程脆性材料裂纹长度塑性磨削的机理至今仍不十分清楚，主要有两种看法：临界切削深度当磨粒的切削深度小到一定程度（临界切削深度）时，切屑就由脆断转变为塑断。 切削深度和磨削温度是切屑由脆性向塑性转变的关键当磨粒与工件的接触点的温度高到一定程度时，工件材料的局部物理特性会发生变化，导致了切屑形成机理的变化。（已有试验作支持） 塑性（延性）磨削塑性（延性
22、）磨削 磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即磨削脆性材料时，在一定工艺条件下，切屑形成与塑性材料相似，即通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，通过剪切形式被磨粒从基体上切除下来。磨削后工件表面呈有规则纹理，无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。无脆性断裂凹凸不平，也无裂纹。 塑性（延性）磨削塑性（延性）磨削 塑性磨削 磨粒作用下的脆性裂纹超精密磨削的临界切削厚度E 材料的弹性模量，H 材料硬度， K c 材料的断裂韧性日本学者研究表明，金刚石砂轮磨粒粒度的大小也会影响到临界切削厚度 塑性（延性）磨削塑性（延性）磨削 塑性磨削 日本学者研究表明，金刚石砂
23、轮磨粒粒度的大小也会影响到临界切削厚度平均磨粒尺寸低于20m （1）切削深度小于临界切削深度，它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。一般临界切削深度1m。 为此对机床要求： 高的定位精度和运动精度。以免因磨粒切削深度超过1m时，导致转变为脆性磨削。 高的刚性。因为塑性磨削切削力远超过脆性磨削的水平，机床刚性低，会因切削力引起的变形而破坏塑性切屑形成的条件。 （2）磨粒与工件的接触点的切削温度应高到一定程度，使工件材料的局部物理特性发生变化。 塑性（延性）磨削塑性（延性）磨削 塑性磨削工艺条件工艺条件超精密研磨和抛光超精密研磨和抛光研磨研磨是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面进行光整加工的方
24、法。是在研具与工件之间置以研磨剂，对工件表面进行光整加工的方法。研磨原理超精密研磨和抛光超精密研磨和抛光抛光抛光是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表面进行光整加工的方法。是在高速旋转的抛光轮上涂以磨膏，对工件表面进行光整加工的方法。超精镜面砂带抛光硬磁盘涂层表面研磨和抛光的机理和特点研磨和抛光的机理和特点特点：特点：l l 研磨工具（研具）与工件之间的运动不受约束研磨工具（研具）与工件之间的运动不受约束l l 磨料不固定磨料不固定l l 研具的现状要复印在工件上研具的现状要复印在工件上l l 研具与工件的相对运动方向常发生变化研具与工件的相对运动方向常发生变化机理：机理：l l机械的微切削
25、作用机械的微切削作用l l 机械与化学的综合作用机械与化学的综合作用l l 化学或电化学的作用化学或电化学的作用l l 其他作用其他作用工件小间隙加压抛光轮悬浮液微粉(磨粒)抛光轮与工件表面形成小间隙，中间置抛光液，靠抛光轮高速回转造成磨料的“弹性发射”进行加工。 工作原理工作原理 机理机理：微切削被加工材料的微塑性流动作用：微切削被加工材料的微塑性流动作用弹性发射加工弹性发射加工EEM EEM (Elaste Emission Machining)(Elaste Emission Machining) 抛光轮抛光轮由由聚聚氨氨基基甲甲酸酸（乙乙）酯酯制制成成，磨料直径磨料直径 0.10.10
26、.01m0.01m 工作原理抛光液由磁埸控制，成为和工件表面一致的磨头。它的黏性与硬度由磁场精密控制。 应用：长宽比例大的光学部件及基片(通讯仪器、硬盘、晶片等)，光学玻璃镜片，单结晶(钙氟化物，矽)，陶瓷(矽碳化物，钨碳化物) 特点：(1)利用磁场达到快速及可靠的控制(2)数控(3)抛光板能准确符合复杂的形状，因此能确保非球面及复杂的表面的精密抛光 磁流变抛光技术磁流变抛光技术 (MRF)(MRF)磁流变抛光技术磁流变抛光技术 (MRF)(MRF)氮化硅陶瓷平板的磁力研磨实验结果 工作原理工作原理抛抛光光工工具具上上开开有有锯锯齿齿槽槽，靠靠楔楔形形挤挤压压和和抛抛光光液液的的反反弹弹，增增
27、加加微切削作用。微切削作用。 机理机理：微切削作用。：微切削作用。 抛光工具小间隙工件工具运动方向抛光液磨粒液体动力抛光液体动力抛光 工作原理工作原理活活性性抛抛光光液液和和磨磨粒粒与与工工件件表表面面产产生生固固相相反反应应，形形成成软软粒粒子子，使其便于加工。使其便于加工。 机机理理：机机械械+ +化化学学作作用用，称称为为“增压活化增压活化”。 机械化学抛光机械化学抛光抛光工具活性抛光液小间隙工件工具运动方向加压第三章 精密和超精密磨料加工一、一、精密和超精密加工分类精密和超精密加工分类精密和超精精密和超精密磨料加工密磨料加工固结磨固结磨料加工料加工游离磨游离磨料加工料加工精密研磨精密研
28、磨精密抛光精密抛光固结磨具固结磨具涂覆磨具涂覆磨具精密砂精密砂轮磨削轮磨削油石研磨油石研磨精密珩磨精密珩磨精密超精密超精加工精加工砂带磨削砂带磨削砂带研磨砂带研磨精密和超精密加工分类精密和超精密加工分类固结磨料加固结磨料加工工将将磨料或微粉与结合剂粘合磨料或微粉与结合剂粘合在一起，在一起，形成一定的形状并形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。带等磨具。精密和超精密精密和超精密砂轮砂轮磨削磨削精密砂轮磨削精密砂轮磨削：砂轮的粒度：砂轮的粒度60608080，加加工精度工精度1m
29、1m，Ra0.025mRa0.025m；超精密砂轮磨削超精密砂轮磨削：砂轮的粒度：砂轮的粒度W40W40W50W50，加工精度加工精度0.1m0.1m， Ra0.025Ra0.0250.008m0.008m。精密和超精密精密和超精密砂带砂带磨削磨削精密砂带磨削：精密砂带磨削：砂带粒度砂带粒度W63W63W28W28，加，加工精度工精度1m1m，Ra0.025;Ra0.025;超精密砂带磨削超精密砂带磨削：砂带粒度：砂带粒度W28W28W3W3，加工，加工精度精度0.1m0.1m，Ra0.025Ra0.0250.008m0.008m。第一节 精密磨削一、精密磨削机理一、精密磨削机理(1)微刃的微
30、切削作用(2)微刃的等高切削作用(3)微刃的滑挤、摩擦、抛光作用二、磨削用量二、磨削用量砂轮速度砂轮速度一般在一般在1530m/s30m/s30m/s一般在一般在6 612m/min12m/min工件速度工件速度工件纵向进给量工件纵向进给量一般为一般为5050100mm/min100mm/min或或0.060.060.5mm/r0.5mm/r横向进给量（吃刀量）横向进给量（吃刀量）一般取一般取0.60.62.5m/2.5m/单行程单行程横向进给次数横向进给次数一般约一般约2 23 3次（单行程）次（单行程）光磨（无火花磨削）光磨（无火花磨削）粗粒度砂轮精细修整后粗粒度砂轮精细修整后光磨次数采用
31、光磨次数采用5 58 8次次细粒度砂轮精细修整后细粒度砂轮精细修整后光磨次数采用光磨次数采用10102525次。次。不能太高：否则容不能太高：否则容易烧伤、产生裂纹、易烧伤、产生裂纹、降低加工精度。加降低加工精度。加工机床容易振动工机床容易振动三、精密磨削砂轮三、精密磨削砂轮砂轮的选择砂轮的选择铬刚玉铬刚玉绿碳化硅砂绿碳化硅砂四、磨料及其选择四、磨料及其选择普通磨料碳化物系碳化硼碳化硅刚玉系超硬磨料金刚石天然人造立方氮化硼普通磨料与超硬磨料普通磨料与超硬磨料白刚玉灰黑色粉磨料粒度及其选择磨料粒度及其选择多选用多选用180180240240磨粒磨粒结合剂及其选择结合剂及其选择将将磨料粘合磨料粘合
32、在一起，形成一定的形状，并有在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。一定的强度。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂。树脂结合剂、陶瓷结合剂和金属结合剂。组织和浓度及其选择组织和浓度及其选择普通磨具中普通磨具中磨料的含量用磨料的含量用组织组织表示表示，超硬磨具中超硬磨具中磨料的含量用磨料的含量用浓度浓度表示表示。成形成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度高质量浓度；半精磨、精磨选用；半精磨、精磨选用细粒细粒度、度、中质量浓度中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒精密磨削和超精密磨削选用细粒度、度、
33、低质量浓度低质量浓度。http:/www.c- 23 3次，光修次数次，光修次数1 1次单行程。次单行程。六、 超精密磨削1 1 超精密磨削机超精密磨削机理理1 1）磨削加工过程）磨削加工过程单晶粒磨削单晶粒磨削1）磨粒是一颗具有弹性支承）磨粒是一颗具有弹性支承（结合（结合剂）的和大负前角切削刃的弹性体。剂）的和大负前角切削刃的弹性体。2）磨粒切削刃的）磨粒切削刃的切入深度是从零开切入深度是从零开始逐渐增加，到达最大值再逐渐减始逐渐增加，到达最大值再逐渐减少，最后到零。少，最后到零。3）磨粒磨削时）磨粒磨削时在工件的接触过程中，在工件的接触过程中，开始是弹性区，继而塑性区、切削区、开始是弹性区
34、，继而塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区。塑性区，最后是弹性区。4）超精密磨削时）超精密磨削时有微切削作用、塑性有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。作用。各区形状各区形状2）单磨粒磨削模型）单磨粒磨削模型磨削的力学模型磨削的力学模型平面磨削平面磨削磨削加工过程磨削加工过程 磨削加工是无数磨粒的连续磨削。磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的加工的实质是工件被磨削的表层，在无数磨粒瞬间的表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨屑屑，并形成光洁表面的过程。，并形成光洁表面的过
35、程。磨削过程可分为：磨削过程可分为：三个阶段，三个阶段，砂轮表砂轮表面的磨粒与工件面的磨粒与工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工件（切（切削深度增加），削深度增加），工件材料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移工件材料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性塑性变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤裂裂，即进入切削阶段，即进入切削阶段，最后被切离。，最后被切离。当磨削切入量达到最大值后，当磨削切入量达到最大值后，逐渐减少，最后到零，逐渐减少，最后到零，同时经历塑性区和弹性区。同时经
36、历塑性区和弹性区。3）超精密磨削机理）超精密磨削机理七、七、 超硬磨料砂轮磨削超硬磨料砂轮磨削1超硬磨料砂轮磨削特点超硬磨料砂轮磨削特点2、超硬磨料砂轮磨削工艺、超硬磨料砂轮磨削工艺1 1）磨削液）磨削液磨削液的作用磨削液的作用磨削液的种类磨削液的种类和组成和组成降低磨削温度降低磨削温度，减少磨削力，改善磨削表面质，减少磨削力，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。量，提高磨削效率和砂轮寿命。润滑、冷却、清洗性能润滑、冷却、清洗性能，尚有渗透性、防锈性、，尚有渗透性、防锈性、防腐性、防火性、切削性和极压性等防腐性、防火性、切削性和极压性等油性液油性液：成分是矿物油，如机油、轻质柴油、煤油，
37、：成分是矿物油，如机油、轻质柴油、煤油，加入脂肪油和添加剂。加入脂肪油和添加剂。水溶性液水溶性液：成分是水，如乳化液、无机盐水溶液和：成分是水，如乳化液、无机盐水溶液和化学合成液等。化学合成液等。金刚石砂轮磨削时常用金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液油性液和水溶性液，立方氮，立方氮化硼砂轮磨削时用化硼砂轮磨削时用油性液，防止其高温水解。油性液，防止其高温水解。2）超硬磨料砂轮磨削工艺）超硬磨料砂轮磨削工艺磨削用量磨削用量磨削速度磨削速度人造金刚石砂轮的磨削人造金刚石砂轮的磨削速度为速度为12123030m/s，立方氮立方氮化硼砂轮的化硼砂轮的磨削速度为磨削速度为45456060m/s.磨削深
38、度磨削深度工件速度工件速度一般为一般为101020m/min20m/min纵向进给纵向进给速度速度一般在一般在0.450.451.5m/min1.5m/min磨削深度为磨削深度为0.0020.0020.01mm0.01mm整形整形对对砂轮进行微量切削砂轮进行微量切削，使砂使砂轮达到所要求的几何形状精轮达到所要求的几何形状精度度，并使磨料尖端细微破碎，并使磨料尖端细微破碎，形成锋利的磨削刃。形成锋利的磨削刃。修锐修锐去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出于结合定的容屑空间，并使磨刃突出于结合剂之外，形成切削刃。剂之外，形成切削刃。3、超硬磨料砂
39、轮的修整超硬磨料砂轮的修整4、超硬磨料砂轮修整方法、超硬磨料砂轮修整方法车削法车削法用单点、聚用单点、聚晶金刚石笔晶金刚石笔，修整片等车削金刚石砂轮，修整片等车削金刚石砂轮达到修整目的。达到修整目的。磨削法磨削法用用普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨普通磨料砂轮或砂块与超硬磨料砂轮对磨进行修整进行修整，普，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、金属结合剂，致使超硬磨粒就会脱落。目前最为广泛采用金属结合剂，致使超硬磨粒就会脱落。目前最为广泛采用的修整法。的修整法。4、超硬磨料砂轮修整方法超硬磨料砂轮修整方法软钢软钢磨削整形法磨削整
40、形法单滚轮法双滚轮法4超硬磨料砂轮修整超硬磨料砂轮修整滚压挤轧法滚压挤轧法用用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁等制成修整轮，与超硬磨料砂轮在一定压力下进行与超硬磨料砂轮在一定压力下进行自由对滚自由对滚，使使结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩结合剂破裂形成容屑空间，并使超硬磨粒表面崩碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依碎形成微刃。加入碳化硅、刚玉等游离磨料，依靠游离磨料挤轧作用进行修锐。靠游离磨料挤轧作用进行修锐。4、超硬磨料砂轮修整方法超硬磨料砂轮修整方法修整轮修整轮喷射法喷射法碳化硅和刚玉碳化硅和刚玉4、超硬磨料砂轮修整方法超硬磨料砂轮修整方
41、法电加工法电加工法电解修整法电解修整法 利用电化学个腐利用电化学个腐蚀作用蚀作用蚀除金属结合蚀除金属结合剂，多用于金属结合剂，多用于金属结合剂砂轮的修锐剂砂轮的修锐，非金，非金属结合剂砂轮无效属结合剂砂轮无效。4、超硬磨料砂轮修整方法超硬磨料砂轮修整方法电火花修整法电火花修整法电火花放电加工电火花放电加工，适用于，适用于各种金属结合剂砂轮。若各种金属结合剂砂轮。若在结合剂中加入石墨粉，在结合剂中加入石墨粉，可用于树脂、陶瓷结合剂可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮。既可整形，又可修砂轮。既可整形，又可修锐。锐。4、超硬磨料砂轮修整方法超硬磨料砂轮修整方法超声波振动修整法超声波振动修整法用受激振动的用受激
42、振动的簧片或超声波簧片或超声波振动头驱动的振动头驱动的幅板作为修整幅板作为修整器器，并在，并在砂轮砂轮和修整器间放和修整器间放入游离磨料撞入游离磨料撞击砂轮的结合击砂轮的结合剂剂，使超硬磨，使超硬磨粒突出结合剂。粒突出结合剂。4、超硬磨料砂轮的修整方法、超硬磨料砂轮的修整方法一、研磨加工的机理一、研磨加工的机理第二节第二节 精密研磨和抛光精密研磨和抛光1.1.研磨时磨料的工作状态研磨时磨料的工作状态1 1）磨粒在工件与研具之间）磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧发生滚动，产生滚轧效果；效果；2 2）磨粒压入到研具表面，用）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露出的磨粒尖端
43、对工件表面进行刻划，实现微切削加工；，实现微切削加工；3 3）磨粒对）磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。作用。属于属于游离磨粒切削加工游离磨粒切削加工, ,在在刚性研具上注入磨料刚性研具上注入磨料, ,在一在一定定压力压力的作用下的作用下, ,通过通过研具与工件之间相对运动研具与工件之间相对运动, ,借助借助磨粒的微切削作用磨粒的微切削作用, ,除去除去工件材料达到高的几何精度工件材料达到高的几何精度和和表面光洁度表面光洁度的方法的方法. .其实质就是通过研具与工件之间相其实质就是通过研具与工件之间相互修整，互修整，把研具本身的几何精度部分的复制到工件上把研具
44、本身的几何精度部分的复制到工件上. . 2 2、平面研磨使用的研具平面研磨使用的研具1 1）特种）特种玻璃玻璃，在加工平面的金属板上涂一层，在加工平面的金属板上涂一层四氟乙烯或镀铅和铟四氟乙烯或镀铅和铟；优点：优点：能得到能得到高精度的平面高精度的平面缺点：缺点：研具层寿命短研具层寿命短2 2）使用）使用半软质研磨盘或软质研磨盘半软质研磨盘或软质研磨盘优点：优点：研磨出的表面变质层很小，研磨出的表面变质层很小，表面粗糙度表面粗糙度也很小；也很小；缺点：缺点：研磨盘不研磨盘不易保持平面度易保持平面度3、精密平面的研磨机精密平面的研磨机二、抛光加工的机理二、抛光加工的机理 1 1、抛光的机理：、抛
45、光的机理：1 1）以磨粒的以磨粒的微小塑性切削微小塑性切削生成切生成切屑，屑，但是它仅利用但是它仅利用极少极少磨粒强制压入磨粒强制压入产生作用。产生作用。2 2）借）借助助磨粒和抛光器与工件磨粒和抛光器与工件流动摩擦流动摩擦使工件表面的使工件表面的凸凹变平凸凹变平。磨粒含在抛光盘中磨粒含在抛光盘中 2 2、抛光盘抛光盘1 1）特种）特种玻璃玻璃，或在表面上涂一层弹性材料或软金属的，或在表面上涂一层弹性材料或软金属的金属盘金属盘优点：优点：能得到能得到高精度的平面高精度的平面缺点：抛光盘缺点：抛光盘层寿命短层寿命短2 2）使用）使用半软质抛光盘（铅盘、锡盘）或软质抛光盘半软质抛光盘（铅盘、锡盘）
46、或软质抛光盘（石蜡、沥青等）（石蜡、沥青等）优点：优点：抛光出的表面变质层很小，抛光出的表面变质层很小，表面粗糙度也很小；表面粗糙度也很小；缺点：缺点：抛光盘不抛光盘不易保持平面度易保持平面度抛光工艺对抛光盘的要求抛光工艺对抛光盘的要求：要有高的精度及其要有高的精度及其精度的保持性精度的保持性3 3、 精密研磨、抛光的主要工艺因素精密研磨、抛光的主要工艺因素 加工条件：加工条件：对残对残留有裂纹的硬脆材料留有裂纹的硬脆材料和不产生裂纹的和不产生裂纹的金属材料金属材料的加工条件不同；的加工条件不同； 研磨方式：研磨方式：单面单面研磨和双面研磨研磨和双面研磨； 研磨机：研磨机：应能应能均匀地加工工
47、件均匀地加工工件，研具磨损要小研具磨损要小并要求能并要求能容易修整精度；容易修整精度； 研具和抛光盘：研具和抛光盘：必须避免因工作面必须避免因工作面磨损和弹性变形引起精度下降；磨损和弹性变形引起精度下降；磨粒材料：磨粒材料：微细的磨粒微细的磨粒, ,使用磨粒对工件作用使用磨粒对工件作用很浅很浅的材料的材料； 加工液：加工液：提供提供磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。抛光盘抛光法1 1 弹性发射加工弹性发射加工 最小最小切除切除可以达到可以达到原子级原子级，直至切去一，直至切去一层原子，层原子，而且而且被加工表面的被加工表面的晶格不致变形晶格不致变形
48、，能够能够获得极小表面获得极小表面粗糙度和材质极纯粗糙度和材质极纯的表面的表面。加工原理实质加工原理实质是是磨粒原子的磨粒原子的扩散作用和加速扩散作用和加速的的微小粒子弹性射击微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果。的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。水流来加速。三三 非接触抛光非接触抛光三三 非接触抛光非接触抛光2 2 浮动抛光浮动抛光浮动抛光是将金刚石车削的具有高平面度平面和带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘固浮动抛光是将金刚石车削的具有高平面度平面和带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘固定在高刚度的基座上，定在高刚度的基座上，
49、抛光液是由抛光液是由粒径为几个纳米的微粉磨粒与液体混合而成粒径为几个纳米的微粉磨粒与液体混合而成，并浸，并浸没抛光盘上平面，没抛光盘上平面，驱动装置分别带动工件和抛光装置以不同的速度旋转驱动装置分别带动工件和抛光装置以不同的速度旋转，由于抛光盘，由于抛光盘的特殊形状、的特殊形状、工件与抛光装置工件与抛光装置有足够的相对运动速度有足够的相对运动速度、在两者之间、在两者之间有充足的微粉磨料有充足的微粉磨料液流液流，因此因此在工件与抛光盘之间形成流体动压效应，将工件浮起在工件与抛光盘之间形成流体动压效应，将工件浮起，在两者之间就能形，在两者之间就能形成了成了流体动压液膜。流体动压液膜。其间的微粉磨粒
50、在流体压力场和速度场、离心力的作用下，其间的微粉磨粒在流体压力场和速度场、离心力的作用下，抛光抛光器不接触工件对工件进行精密抛光加工器不接触工件对工件进行精密抛光加工. . 三三 非接触抛光非接触抛光3化学机械抛光化学机械抛光在化学机械抛光时，在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光垫首先是存在于工件表面和抛光垫间的抛光液中的间的抛光液中的氧化剂、催化剂氧化剂、催化剂等等与与工件表面的原子工件表面的原子进行氧化反应进行氧化反应，在工件表面产生一层氧化薄膜在工件表面产生一层氧化薄膜，然后，然后由漂浮在抛光液中的由漂浮在抛光液中的磨粒通过机械作用将这层氧化物磨粒通过机械作用将这层氧化物薄膜去除
51、薄膜去除，使，使工件表面重新裸露出来工件表面重新裸露出来，再，再进行氧化反进行氧化反应应，这样在，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替化学作用过程和机械作用过程的交替进行进行中完成工件表面抛光。中完成工件表面抛光。机械作用力机械作用力夹持头夹持头抛光垫抛光垫抛光液抛光液工件工件工作台工作台利用甲醇抛光砷化镓和磷化铟利用甲醇抛光砷化镓和磷化铟课后习题14、6、8 http:/www.c- 一部分一部分磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面，磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面，用露出的用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工尖端刻划工件表面进行微切削加工；另一部分；另一部分磨粒则在磨粒则在工件
52、与研磨盘之间发生滚动，工件与研磨盘之间发生滚动，产生滚轧产生滚轧效果效果。在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的剪切在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的剪切( (拉伸拉伸) )应力最大部位应力最大部位产生微裂纹产生微裂纹。当纵横交错的当纵横交错的裂纹扩展并产裂纹扩展并产生脆性崩碎形成磨屑生脆性崩碎形成磨屑，达到表面去除的目的。，达到表面去除的目的。磨粒在研磨粒在研具和工件具和工件之间之间3.3.金属材料的研磨金属材料的研磨 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，不会发生产生塑性变形的压坑，不会发生脆性材料那样脆性材料那样的破碎和裂纹。
53、的破碎和裂纹。 研磨时，研磨时，磨粒的研磨作用磨粒的研磨作用相当于相当于极微量切削极微量切削和磨削和磨削时时的状态的状态, ,且表面且表面不会产生裂纹不会产生裂纹。由于磨。由于磨粒是粒是游离状态，不能形成游离状态，不能形成连续的切削连续的切削。轮磨具的硬度是反映磨粒在磨削力的作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。砂轮硬度用软硬表示，砂轮的硬度不同于磨粒的硬度。砂轮选用的时候，要注意硬度适当，如果太硬，磨钝了的磨粒不及时脱落，会产生大量热量，烧伤工件；砂轮太软，则会使磨粒脱落过快而不能充分发挥作用。选择砂轮硬度的原则1.工件越硬，砂轮越软。2.砂轮与工件接触面越大，砂轮选择越软。3.精磨和成型磨削
54、时应选择较硬的砂轮，以保持砂轮必要的形状精度。4.砂轮硬度选择与粒度大小的关系：粒度越大的砂轮，为避免砂轮被磨屑阻塞，一般要选择较软的砂轮。5.工件材料：磨有色金属、橡胶、树脂等较软材料时，应选用较软的砂轮。粒度表示磨粒大小程度。以磨粒刚刚能通过哪一号筛网的网号来表示磨粒的粒度。网号数是每英寸长度上筛网上的孔眼数。如60#粒度是每英寸长度上60个孔眼。当砂轮磨粒的直径小于40微米时，这种磨粒叫做微粉。微粉的粒度是以微粉的直径来表示的，以微米为单位，前面加W标记。如W28是指直径28微米的磨粒。砂轮粒度的选择和适用范围：12-16#：用于粗磨、荒磨和打磨毛刺的砂轮磨具。20-36#：用于磨钢锭，
55、打磨铸件毛刺，切断钢坯，磨电瓷和耐火材料的砂轮磨具。40-60#：用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨、工具磨等的砂轮磨具。60-80#：用于内圆磨、外圆磨、平面磨、无心磨、工具磨等半精磨和精磨的砂轮磨具。100-240#：用于精磨、超精磨、珩磨、螺纹磨等。W10-20：用于精磨、精细磨、超精磨、镜面磨等。W7-更细：用于精磨、超精磨、镜面磨等，制作研磨膏用于研磨和抛光。故你用普通的仪器是不行的。砂轮是磨削的主要工具，它是由磨料和结合剂构成的多孔物体。其中磨料、结合剂和孔隙是砂轮的三个基本组成要素。随着磨料、结合剂及砂轮制造工艺等的不同，砂轮特性可能差别很大，对磨削加工的精度、粗糙度和生产效率有
56、着重要的影响。因此，必须根据具体条件选用合适的砂轮。砂轮的特性由磨料、粒度、硬度、结合剂、形状及尺寸等因素来决定，现分别介绍如下。（1）磨料及其选择）磨料及其选择磨料是制造砂轮的主要原料，它担负着切削工作。因此，磨料必须锋利，并具备高的硬度、良好的耐热性和一定的韧性。常用磨料的名称、代号、特性和用途见表1。表表1常用磨料常用磨料类别名称代号特性用途氧化物系棕刚玉A(GZ)含9196%氧化铝。棕色，硬度高，韧性好，价格便宜磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等白刚玉WA(GB)含9799%的氧化铝。白色，比棕刚玉硬度高、韧性低，自锐性好，磨削时发热少精磨淬火钢、高碳钢、高速钢及薄壁零件碳化物系黑色
57、碳化硅C(TH)含95%以上的碳化硅。呈黑色或深蓝色，有光泽。硬度比白刚玉高，性脆而锋利，导热性和导电性良好磨削铸铁。黄铜、铝、耐火材料及非金属材料绿色碳化硅GC(TL)含97%以上的碳化硅。呈绿色，硬度和脆性比TH更高，导热性和导电性好磨削硬质合金、光学玻璃、宝石、玉石、陶瓷、珩磨发动机气缸套等高硬磨料系人造金刚石D(JR)无色透明或淡黄色、黄绿色、黑色。硬度高，比天然金刚石性脆。价格比其它磨料贵好多倍磨削硬质合金、宝石等高硬度材料立方氮化硼CBN(JLD)立方型晶体结构，硬度略低于金刚石，强度较高，导热性能好磨削、研磨、珩磨各种既硬又韧的淬火钢和高钼、高矾、高钴钢、不锈钢注：括号内的代号是
58、旧标准代号。（2）粒度及其选择）粒度及其选择粒度指磨料颗料的大小。粒度分磨粒与微粉两组。磨粒用筛选法分类，它的粒度号以筛网上一英寸长度内的孔眼数来表示。例如60#粒度的的磨粒，说明能通过每英寸长有60个孔眼的筛网，而不能通过每英寸70个孔眼的筛网。微粉用显微测量法分类，它的粒度号以磨料的实际尺寸来表示（W）。各种粒度号的磨粒尺寸见表2。表表2磨料粒度号及其颗粒尺寸磨料粒度号及其颗粒尺寸注：比14#粗的磨粒及比W3.5细的微粉很少使用，表中未列出。磨料粒度的选择，主要与加工表面粗糙度和生产率有关。粗磨时，磨削余量大，要求的表面粗糙度值较大，应选用较粗的磨粒。因为磨粒粗、气孔大，磨削深度可较大，砂
59、轮不易堵塞和发热。精磨时，余量较小，要求粗糙度值较低，可选取较细磨粒。一般来说，磨粒愈细，磨削表面粗糙度愈好。不同粒度砂轮的应用见表3。表表3不同粒度砂轮的使用范围不同粒度砂轮的使用范围（3）结合剂及其选择）结合剂及其选择砂轮中用以粘结磨料的物质称结合剂。砂轮的强度、抗冲击性、耐热性及抗腐蚀能力主要决定于结合剂的性能。常用的结合剂种类、性能及用途见表4。表表4常用结合剂常用结合剂注：括号内的代号是旧标准代号。（4）硬度及其选择）硬度及其选择砂轮的硬度是指砂轮表面上的磨粒在磨削力作用下脱落的难易程度。砂轮的硬度软，表示砂轮的磨粒容易脱落，砂轮的硬度硬，表示磨粒较难脱落。砂轮的硬度和磨料的硬度是两
60、个不同的概念。同一种磨料可以做成不同硬度的砂轮，它主要决定于结合剂的性能、数量以及砂轮制造的工艺。磨削与切削的显著差别是砂轮具有“自锐性”，选择砂轮的硬度，实际上就是选择砂轮的自锐性，希望还锋利的磨粒不要太早脱落，也不要磨钝了还不脱落。根据规定，常用砂轮的硬度等级见表5。表表5常用砂轮硬度等级常用砂轮硬度等级注：括号内的代号是旧标准代号；超软，超硬未列入；表中1，2，3表示硬度递增的顺序。选择砂轮硬度的一般原则是：加工软金属时，为了使磨料不致过早脱落，则选用硬砂轮。加工硬金属时，为了能及时的使磨钝的磨粒脱落，从而露出具有尖锐棱角的新磨粒（即自锐性），选用软砂轮。前者是因为在磨削软材料时，砂轮的
61、工作磨粒磨损很慢，不需要太早的脱离；后者是因为在磨削硬材料时，砂轮的工作磨粒磨损较快，需要较快的更新。精磨时，为了保证磨削精度和粗糙度，应选用稍硬的砂轮。工件材料的导热性差，易产生烧伤和裂纹时（如磨硬质合金等），选用的砂轮应软一些。（5）形状尺寸及其选择）形状尺寸及其选择根据机床结构与磨削加工的需要，砂轮制成各种形状与尺寸。表6是常用的几种砂轮形状、尺寸、代号及用途。砂轮的外径应尽可能选得大些，以提高砂轮的圆周速度，这样对提高磨削加工生产率与表面粗糙度有利。此外，在机床刚度及功率许可的条件下，如选用宽度较大的砂轮，同样能收到提高生产率和降低粗糙度的效果，但是在磨削热敏性高的材料时，为避免工件表
62、面的烧伤和产生裂纹，砂轮宽度应适当减小。表表6常用砂轮形状及用途常用砂轮形状及用途砂轮名称简图代号尺寸表示法主要用途平形砂轮PPD H d 用于磨外圆、内圆、平面和无心磨等双面凹砂轮PSAPSAD H d2d 1 t 1 t 2 用于磨外圆、无心磨和刃磨刀具双斜边砂轮PSXPSXD H d 用于磨削齿轮和螺纹筒形砂轮NND H d 用于立轴端磨平面碟形砂轮DDD H d 用于刃磨刀具前面碗形砂轮BWBWD H d 用于导轨磨及刃磨刀具在砂轮的端面上一般都印有标志，例如砂轮上的标志为WA60LVP40040127，它的含意是：图图1砂轮型号砂轮型号图图2标志的含义标志的含义由于更换一次砂轮很麻烦
63、，因此，除了重要的工件和生产批量较大时，需要按照以上所述的原则选用砂轮外，一般只要机床上现有的砂轮大致符合磨削要求，就不必重新选择，而是通过适当地修整砂轮，选用合适的磨削用量来满足加工要求。由于更换一次砂轮很麻烦，因此，除了重要的工件和生产批量较大时，需要按照以上所述的原则选用砂轮外，一般只要机床上现有的砂轮大致符合磨削要求，就不必重新选择，而是通过适当地修整砂轮，选用合适的磨削用量来满足加工要求。表表2磨料粒度号及其颗粒尺寸磨料粒度号及其颗粒尺寸磨粒磨粒微粉粒度号颗粒尺寸（mm）粒度号颗粒尺寸（mm）粒度号颗粒尺寸（mm）14#1600125070#250200W40402816#12501
64、00080#200160W28282020#1000800100#160125W20201424#800630120#125100W14141030#630500150#10080W1010736#500400180#8063W77546#400315240#6350W553.560#315250280#5040W3.53.52.5注：比14#粗的磨粒及比W3.5细的微粉很少使用，表中未列出。表表3不同粒度砂轮的使用范围不同粒度砂轮的使用范围砂轮粒度一般使用范围砂轮粒度一般使用范围14#24#磨钢锭、切断钢坯，打磨铸件毛刺等120#W20精磨、珩磨和螺纹磨36#60#一般磨平面、外圆、内圆以及
65、无心磨等W20以下镜面磨、精细珩磨60#100#精磨和刀具刃磨等表表4常用结合剂常用结合剂名称代号性能用途陶瓷结合剂V(A)耐水、耐油、耐酸、耐碱的腐蚀，能保持正确的几何形状。气孔率大，磨削率高，强度较大，韧性、弹性、抗振性差，不能承受侧向力V轮35m/s的磨削，这种结合剂应用最广，能制成各种磨具，适用于成形磨削和磨螺纹、齿轮、曲轴等树脂结合剂B(S)强度大并富有弹性，不怕冲击，能在高速下工作。有摩擦抛光作用，但坚固性和耐热性比陶瓷结合剂差，不耐酸、碱，气孔率小，易堵塞V轮50m/s的高速磨削，能制成薄片砂轮磨槽，刃磨刀具前刀面。高精度磨削。湿磨时切削液中含碱量应1.5%橡胶结合剂R(X)弹性
66、比树脂结合剂更大差，强度也大。气孔率小，磨粒容易脱落，耐热性差，不耐油，不耐酸，而且还有臭味制造磨削轴承沟道的砂轮和无心磨削砂轮、导轮以及各种开槽和切割用的薄片砂轮，制成柔软抛光砂轮等金属结合剂(青铜、电镀镍)J韧性、成型性好，强度大，自锐性能差制造各种金刚石磨具，使用寿命长注：括号内的代号是旧标准代号。表表5常用砂轮硬度等级常用砂轮硬度等级硬度等级大级软中软中中硬硬小级软1软2软3中软1中软2中1中2中硬1中硬2中硬3硬1硬2代号G(R1)H(R2)J(R3)K(ZR1)L(ZR2)M(Z1)N(Z2)P(ZY1)Q(ZY2)R(ZY3)S(Y1)T(Y2)注：括号内的代号是旧标准代号；超软
67、，超硬未列入；表中1，2，3表示硬度递增的顺序。腐蚀加工主要应用概述化学铣切传统切削加工的特点和局限性以硬克软强大的机械力和机械能。那么一些硬度比刀具还硬高硬度工件？一些无法承受大机械力的脆性，高韧性，薄壁件？形状复杂，刀具使用受限的工件，该如何加工？化学铣切专著及相关书籍专著及相关书籍概述概述化学铣切的基本原理化学铣切的基本原理化学铣切的工艺过程化学铣切的工艺过程化学铣切的常用腐蚀液配方了解化学铣切的常用腐蚀液配方了解化学铣切的特点化学铣切的特点化学铣切的应用化学铣切的应用常用应用举例常用应用举例一、专著及相关书籍一、专著及相关书籍左侧化学铣切威廉.T.哈里斯（英）国防工业出版社右侧化学铣切
68、沈连桂编著国防工业出版社相关书籍左为特种加工金庆同主编航空工业出版社右为特种加工技术陈传梁主编北京科学技术出版社二、概述腐蚀加工是特种加工的一种，腐蚀加工又叫化学铣切。是利用酸、碱、盐等溶液对金属进行化学腐蚀而改变工件尺寸和形状的一种加工方法。该方法已广泛地应用于宇航工业和电子工业中，化学铣切已成为制造宇宙飞船、火箭结构的大型整体壁板和电子计算机的大规模集成电路所无法取代的加工方法。三、化学铣切的基本原理三、化学铣切的基本原理腐蚀加工作用是一种工件表面溶解作用根据金属腐蚀理论金属与腐蚀液体接触后。在相界面将发生下阳极反应：Me=Men+ne(阳极反应)图9-1化学铣切加工原理1工件材料2化学溶
69、液3化学腐蚀部分4保护层5溶液箱6工作台加工中需要注意的事项在化学铣切加工铣削加工中的金属的溶解作用不仅沿垂直于工件表面的深度方向进行。而且在防护层下面的侧面也进行溶解，且呈圆弧状。由于工件表面活性不同（晶界上晶格畸变和富集杂质、加工硬化等），工件与腐蚀剂接触后，发生选择性局部腐蚀，使粗糙度增加。因此化学铣切时，控制腐蚀剂对工件表面发生均匀腐蚀，才能得到满意的加工效果。四、化学铣切的工艺过程四、化学铣切的工艺过程图2化学铣切工艺过程（一）表面预处理把工件表面的油污、氧化膜等清除干净并在相应的腐蚀液中进行预腐蚀。（二）涂防蚀层防蚀层必须具有良好的耐酸，碱性能以及良好的粘结力。涂后需进行空气固化或
70、在适当温度下固化。、预处理和涂覆刻蚀及其尺寸的确定当铣削深度达到某值时，其尺寸关系可用下式表示：当铣削深度达到某值时，其尺寸关系可用下式表示：K=2H/(W2-W1)=H/B式中式中K腐蚀系数。腐蚀体系的属性；腐蚀系数。腐蚀体系的属性；H腐蚀深度（腐蚀深度（mm）；）；B侧面腐蚀宽度（侧面腐蚀宽度（mm）；）；W1刻型尺寸（刻型尺寸（mm）W2最终腐蚀尺寸（最终腐蚀尺寸（mm）。）。图9-3刻形尺寸关系示意图1工件材料2保护层3刻形样板4刻形刀5应切除的保护层6蚀除部分腐蚀加工把刻划好防蚀层图形的毛坯，完全浸入到有腐蚀剂的槽中，并一直浸泡到使腐蚀掉的金属厚度达到要求为止。腐蚀速度，腐蚀深度与腐
71、蚀时间存在下列关系：V=H/T式中：V金属的腐蚀速度（mm/min）;H工件表面上的腐蚀深度（mm）；T腐蚀时间或浸泡时间（min）。影响金属腐蚀速度的主要因素是腐蚀剂的成分、浓度和温度；工件材料的特征及热处理状态。清洗与清除防蚀层腐蚀加工完成后通常是把零件先放入专门的氧化物清洗槽内，去除在零件表面的上留下的一层氧化物膜和反应沉积污物，接着用水冲洗。防蚀层的清除一般用手工操作。但是对于细长、薄型零件应使用化学膜溶剂，目的是把防蚀层泡胀、软化和尽可能的降低粘附力，以便采用气压或水压方法把防蚀层清除掉，或者有利于用手工剥离。五、常用腐蚀配液常用腐蚀配液加 工 材 料溶液的组成加工温度/C腐蚀速度/
72、(mmmin)铝、铝合金NaOH150300g/L(Al:550g/L）7090002005Fecl3120180g/L500025铜、铜合金FeCl3300400g/L500025(NH4)2S2O3200g/L4000130025CuCl2200g/L5500130015镍、镍合金HNO348%+H2SO45.5%+H3PO411%+CH3COOH55%45500025FeCl33438g/L5000130025表1加工材料及腐蚀溶液不锈钢HNO3300g/L+HCl210g/L+HF200g/L+冰醋酸 21g/L5060HNO3 3N+HCl 2N+HF 4N+C2H4O2 0.38N
73、(Fe:060g/L)3070003FeCl33538g/L55002碳钢、合金钢HNO320%+H2SO45%+H3PO45%557000180025FeCl33538g/L500025HNO310%35%(体积)500025钛、钛合金HF10%50%(体积)305000130025HF3N+HNO32N+HAC05N(Ti：531g/L)20400001表1加工材料及腐蚀溶液配方化学铣切的特点化学铣切的特点1)可加工任何难切削的金属材料，不受任何硬度和强度的限制（铝合金、钼合金、钛合金、镁合金、不锈钢等）。2)适于大面积加工，可同时加工多件。3)加工过程中不会产生应力、裂纹、毛刺等缺陷，表
74、面粗糙度可达Ra2.51.25m。4)加工操作技术比较简单。5不适宜加工窄而深的槽和型孔等。6原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。7腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。六、腐蚀加工的应用要用于在金属表面去除一定的厚度（一般小于13毫米）的材料。例如航空、航天产品，为减轻结构件的重量，产采用带加强筋的整体件（如飞机蒙皮凹槽，宇航员座舱蜂窝壁板凹槽等）,可用化学铣切出去大片低凹处材料。化学铣切也可以用于机械加工之前去除材料表面硬化层。对大面积或不宜进行切削加工过的包庇零件内外表面进行材料去除，尤其适宜于全表面材料去除加工。用以薄壁零件（厚度小于1.5毫米）零件加工复杂的型孔。用
75、于金属表面刻蚀图案、花纹、文字等。七、应用举例铝合金的化学铣切已经成为航空与航天工业零件成形的可靠加工方法。LD10铝合金筒段壁板是火箭箱体的重要结构零件，对于壁板零件尺寸肋条允许偏差0.75壁厚允许偏差0.15LD10网格加强筋结构壁板的化学铣切压气机叶片和合金蒙皮的化铣化学加工的未来和前景在航空航天中的应用极其广泛。（飞机、火箭、导弹、卫星、赛车、发动机（在保留高强度的情况下尽量减轻重量）将其他的特种加工方法结合形成复合加工技术。多用于国防工业，民用较少，还用很大的应用空间。化学加工化学加工116 Chemical MachiningCHM目录第一章概述第二章化学蚀刻第三章光化学腐蚀第四章
76、化学抛光第五章化学镀膜第六章发展趋势 第一章第一章 概述概述118 化化学学加加工工的的应应用用较较早早，14世世纪纪末末已已利利用用化化学学腐腐蚀蚀的的方方法法，来来蚀蚀刻刻武武士士的的铠铠甲甲和和刀刀、剑剑等等兵兵器器表表面面的的花花纹纹和和标标记记。19世世纪纪20年年代代，法法国国的的涅涅普普斯斯利利用用精精制制沥沥青青的的感感光光性性能能，发发明明了了日日光光胶胶板板蚀蚀刻刻法法。不不久久又又出出现现了了照照相相制制版版法法，促促进进了了印印刷刷工工业和光化学加工的发展。业和光化学加工的发展。 到到了了20世世纪纪，化化学学加加工工的的应应用用范范围围显显著著扩扩大大。第第二二次次世
77、世界界大大战战期期间间，人人们们开开始始用用光光化化学学加加工工方方法法制制造造印印刷刷电电路路。50年年代代初初，美美国国采采用用化化学学铣铣削削方方法法来来减减轻轻飞飞机机构构件件的的重重量量。50年年代代末末，光光化化学学加加工工开开始始广广泛泛用用于于精精密密、复复杂杂薄薄片片零零件件的的制制造造。60年代，光刻已大量用于年代，光刻已大量用于半导体器件和集成电路半导体器件和集成电路的生产。的生产。 化学加工（ChemicalMachining,CHM)是利用酸、碱、盐等化学溶液对金属产生化学反应，使金属溶解，改变工件尺寸和形状（或表面性能）的一种加工方法。化学加工的应用形式很多，但属于
78、成形加工的主要有化学蚀刻和光化学腐蚀加工法。属于表面加工的有化学抛光和化学镀膜等。新闻新闻中国大客机首个大部段下线-定制特种设备全球第2台2014年5月15日，中航工业洪都研制的国产C919大型客机首个大部段前机身在南昌成功下线。新材料作为高新技术的基础和先导，是当前最重要和最具发展潜力的领域。国产大型客机前机身大部段采用以铝为基、加入适量锂的第三代铝锂合金第三代铝锂合金材料。该材料在国内民机应用上尚属首次，而洪都承接的前机身和中后机身两个部段约占国产大型客机整架飞机铝锂合金材料的65%。这就意味着，一场围绕掌握“新材料”核心技术的攻坚战在洪都全面铺开，旷日持久。自2010年承接了铝锂合金等直
79、段的研制任务开始，洪都便组织实施专项关键技术攻关，开展新材料的应用研究。在3个月时间里，突破了铝锂合金钻孔、铆接、钣金成型等技术难关，随后的几年里，通过承接国产大型客机前机身工作包首件、翼身组合体试验件以及首架前机身任务，完成了该材料的制造工艺体系，突破了制造关键技术，形成了铝锂合金钣金成形、表面处理、化学铣切化学铣切等系列工艺规范，为大型客机的顺利研制提供了技术保障。 一、化学蚀刻加工一、化学蚀刻加工122 化学蚀刻加工又称化学铣切化学蚀刻加工又称化学铣切(Chemical Milling简称简称CHM)。 1化学蚀刻加工的原理、特点、应用化学蚀刻加工的原理、特点、应用 1.11.1化学蚀刻
80、加工的优点化学蚀刻加工的优点123 1）可可加加工工任任何何难难切切削削的的金金属属材材料料，而而不不受受硬硬度度和和强强度度的的限限制制，如如铝铝合合金金、钼钼合合金金、钛钛合合金金、镁镁合合金金、不锈钢等。不锈钢等。2）适于）适于大面积大面积加工，可同时加工多件。加工，可同时加工多件。3）加加工工过过程程中中不不会会产产生生应应力力、裂裂纹纹、毛毛刺刺等等缺缺陷陷，表面粗糙度可达表面粗糙度可达Ra2.51.25um。4）加工操作技术比较简单。）加工操作技术比较简单。1.2化学蚀刻加工的缺点化学蚀刻加工的缺点1241）不适宜加工）不适宜加工窄而深窄而深的槽和型孔等。的槽和型孔等。2）原材料中
81、缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。）原材料中缺陷和表面不平度、划痕等不易消除。3）腐蚀液腐蚀液对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。对设备和人体有危害，故需有适当的防护性措施。1.3化学加工的应用范围化学加工的应用范围1）主主要要用用于于较较大大工工件件的的金金属属表表面面厚厚度度减减薄薄加加工工。铣铣切切厚厚度度一一般般小小于于13mm。如如在在航航空空和和航航天天工工业业中中常常用用于于局局部部减减轻轻结结构构件件的的重重量量，对对大大面面积积或或不不利利于于机机械械加加工工的的薄壁形整体壁板的加工亦适宜。薄壁形整体壁板的加工亦适宜。2）用于在厚度小于）用于在厚度小于1.5mm薄壁零
82、件上加工复杂的薄壁零件上加工复杂的型孔型孔。2.2.化学铣削工艺过程化学铣削工艺过程125其中主要的工序是涂保护层、刻形、化学腐蚀。其中主要的工序是涂保护层、刻形、化学腐蚀。表面预处理表面预处理涂保护层（涂层厚度约涂保护层（涂层厚度约0.2mm）固化固化刻形刻形腐蚀腐蚀清洗清洗去保护层去保护层（1 1）表面预处理）表面预处理把工件表面的油污、氧化膜等清除干净并在相应的腐蚀液中进行预腐蚀。（2）涂覆及固化）涂覆及固化在涂保护层之前，必须把工件表面的油污、氧化膜等清除干净，再在相应的腐蚀液中进行预腐蚀。在某些情况下还要先进行喷砂处理，使表面形成一定的粗糙度，以保证图层与金属表面粘接牢固。127保保
83、护护层层必必须须具具有有良良好好的的耐耐酸酸、碱碱性性能能，并并在化学刻蚀过程中粘接力不能下降。在化学刻蚀过程中粘接力不能下降。常常用用的的保保护护层层有有氯氯丁丁橡橡胶胶、 丁丁基基橡橡胶胶、丁苯橡胶等耐蚀涂料。丁苯橡胶等耐蚀涂料。 涂涂复复的的方方法法有有刷刷涂涂、喷喷涂涂、浸浸涂涂等等。涂涂层层要要求求均均匀匀，不不允允许许有有杂杂质质和和气气泡泡。涂涂层层厚厚度度一一般般控控制制在在0.2mm左左右右。涂涂后后需需经经定定时时间间和和适适当温度加以固化。当温度加以固化。（3 3）刻形或划线）刻形或划线128刻刻形形是是根根据据样样板板的的形形状状和和尺尺寸寸，把把待待加加工工表表面面的
84、的涂涂层层去去掉掉以以便便进进行行腐腐蚀蚀加加工工。刻刻型型的的方方法法一一般般采采用用手手术术刀刀沿沿样样板板轮轮廓廓切切开开保保护护层层，把把不不要要的的部部分分剥剥掉掉。刻刻型型样样板板多多采采用用1mm左右的硬铝板制作。左右的硬铝板制作。当铣切深度达到某值时，起尺寸关系表示：K=2H/（W2-W1）=H/B式中K腐蚀系数，是腐蚀体系的属性；H腐蚀深度（mm）B侧面腐蚀宽度（mm）W1刻型尺寸（mm）W2最终腐蚀尺寸（mm）（4 4）腐蚀）腐蚀把刻划好防腐蚀图形的毛坯，完全进入到有腐蚀剂的槽中，并一直浸泡到使腐蚀掉的金属厚度达到要求为止。腐蚀速度、腐蚀深度与腐蚀时间的关系： V=H/T式
85、中;V金属的腐蚀速度（mm/min） H工件表面的腐蚀深度（mm） T腐蚀时间或浸泡时间（min）（5 5）清洗与清除防蚀层）清洗与清除防蚀层腐蚀加工完成后通常是把零件先放入专门的氧化物清洗槽内，去除在零件表面上的留下的一层氧化物膜和反应沉积污物，接着用水冲洗。防蚀层的清除一般用手工操作。对于细长、薄型零件应使用化学膜溶剂，目的是把防蚀层泡胀，软化和尽可能的降低粘附力，以便采用气压或水压方法把防蚀层清除掉，或者有利于用手工剥离。表加工材料及腐蚀液表加工材料及腐蚀液蚀刻工艺流程示意图标清版.wmv 二、光化学腐蚀加工二、光化学腐蚀加工135光光化化学学腐腐蚀蚀加加工工简简称称光光化化学学加加工工
86、，(Optical Chemical Machining, OCM)是是光光学学照照相相制制版版和和光光刻刻相相结结合合的的一一种种精精密密微微细细加加工工技技术术。它它与与化化学学蚀蚀刻刻（化化学学铣铣削削）的的主主要要区区别别是是不不靠靠样样板板人人工工刻刻形形、划划线线，而而是是用用照照相相感感光光来来确确定定工工件件表表面面要要蚀蚀除除的的图图形形、线线条条，因因此此可可以以加加工工出出非非常常精精细细的的文文字字图图案案，目目前前已已在在工工艺艺美美术术、机机制制工工业业和和电电子子工工业业中中获得应用。获得应用。 2.2.1 1照相制版的原理和工艺照相制版的原理和工艺136原图原图
87、曝光曝光显影显影坚模坚模烘烤烘烤修正修正腐蚀腐蚀照相照相金属板金属板涂感光涂感光胶胶印刷印刷版版 将将所所需需图图案案摄摄影影到到底底片片上上，经经光光化化学学反反应应，将将图图案案复复制制到到涂涂有有感感光光胶胶的的铜铜（锌锌）板板上上，经经坚坚模模固固化化处处理理，使使感感光光胶胶具具有有一一定定抗抗腐腐蚀蚀性性能能，最最后后经经过过化化学学腐腐蚀蚀，使使其其余余涂涂胶胶被被水水溶溶解解掉掉，从从而而使使铜铜（锌锌）板板受受到到腐腐蚀蚀，即即将将所所需需图图案案复复制制（腐腐蚀蚀）到到铜铜（锌锌）板板上上。照照相相制制版版不不仅仅是是印印刷刷工工业业的的关关键键工工艺艺，而而且且还还可可以
88、以加加工工一一些些机机械械加加工工难难以以解解决决的的具具有有复复杂杂图图形形的的薄薄板板，薄薄片或在金属表面上蚀刻图案、花纹等。片或在金属表面上蚀刻图案、花纹等。整理（去整理（去胶）胶）1372.1.12.1.1原图和照相原图和照相原原图图是是将将所所需需图图形形按按一一定定比比例例放放大大描描绘绘在在纸纸上上或或刻刻在在玻玻璃璃上上，一一般般需需放放大大几几倍倍，然然后后通通过过照照相相，将将原原图图按按需需要要大大小小缩缩小小在在照照相相底底片片上上。照照相相底底片片一一般般采采用用涂涂有有卤化银的感光板。卤化银的感光板。 2.1.22.1.2金属版和感光胶的涂覆金属版和感光胶的涂覆金金
89、属属版版多多采采用用微微晶晶锌锌版版和和纯纯铜铜版版，但但要要求求具具有有一一定定的的硬硬度度和和耐耐磨磨性性，表表面面光光整整，无无杂杂质质、氧氧化化层层、油油垢垢等等，以增强对感光胶膜的吸附能力。以增强对感光胶膜的吸附能力。常用的感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等。常用的感光胶有聚乙烯醇、骨胶、明胶等。2.1.32.1.3曝光、显影和坚膜曝光、显影和坚膜138 曝曝光光是是将将原原图图照照相相底底片片用用真真空空方方法法，紧紧紧紧密密合合在在己己涂涂复复感感光光胶胶的的金金属属版版上上，通通过过紫紫外外光光照照射射，使使金金属属版版上上的的感感光光胶胶膜膜按按图图像像感感光光。照照相相底底片片
90、上上不不透透光光部部分分，由由于于挡挡住住了了光光线线照照射射，胶胶膜膜不不参参与与光光化化学学反反应应，仍仍是是水水溶溶性性的的。照照相相底底片片上上透透光光部部分分，由由于于参参与与了了化化学学反反应应，使使胶胶膜膜变变成成不不溶溶于于水水的的络络合合物物。然然后后经经过过显显影影，使使未未感感光光的的胶胶膜膜用用水水冲冲洗洗掉掉，使使胶胶膜膜呈呈现现出出清清晰晰的的图图像。像。照相制版曝光、显影示意图照相制版曝光、显影示意图139为为提提高高显显影影后后胶胶膜膜的的抗抗蚀蚀性性，可可将将制制版版放放在在坚坚膜膜液液中中进进行行处处理理，类类似似于于普普通通照照相相感感光显影后的定影处理。
91、光显影后的定影处理。2.1.42.1.4固化固化140 经经过过感感光光坚坚膜膜后后的的胶胶膜膜，抗抗蚀蚀能能力力仍仍不不强强，必必须须进进一一步步固固化化。聚聚乙乙烯烯酵酵胶胶一一般般在在180摄摄氏氏度度下下固固化化15min，即即呈呈深深棕棕色色。因因固固化化温温度度还还与与金金属属板板分分子子结结构构有有关关，微微晶晶锌锌版版固固化化温温度度不不超超过过200摄摄氏氏度度，铜铜版版固固化化温温度度不不超超过过300摄摄氏氏度度，时时间间57min，表表面面呈呈深深棕棕色色为为止止。固固化化温温度度过过高高或或时时间间太太长长，深深棕棕色色变变黑黑，致使胶裂或碳化，丧失了抗蚀能力。致使胶
92、裂或碳化，丧失了抗蚀能力。2.1.52.1.5腐蚀腐蚀141 经经固固膜膜后后的的金金属属版版，放放在在腐腐蚀蚀液液中中进进行行腐腐蚀蚀，即即可获得所需图像。可获得所需图像。 腐蚀坡度腐蚀坡度 例例如如腐腐蚀蚀锌锌版版，其其保保护护剂剂是是由由磺磺化化蓖蓖麻麻油油等等主主要要成成分分组组成。成。腐腐蚀蚀铜铜版版的的保保护护剂剂由由乙乙烯烯基基硫硫脲脲和和二二硫硫化化甲甲脒脒组组成成，在在三三氯氯化化铁铁腐腐蚀蚀液液中中腐腐蚀蚀铜铜版版时时，能能产产生生一一层层白白色色氧氧化化层层，可可起起到保护侧壁的作用。到保护侧壁的作用。腐蚀坡度形成原理侧壁保护机 另另一一种种保保护护侧侧壁壁的的方方法法是
93、是有有粉粉腐腐蚀蚀法法，其其原原理理是是把把松松香香粉粉刷刷嵌嵌在在腐腐蚀蚀露露出出的的图图形形侧侧壁壁上上，加加温温熔熔化化后后松松香香粉粉附附于于侧侧壁壁表表面面，也也能能起起到到保保护护侧侧壁壁的的作作用用。此此法法需需重重复复许许多多次次才才能能腐腐蚀蚀到到所所要要求求的的深深度度，操操作作比比较较费事，但设备要求简单。费事，但设备要求简单。2.2应用（1）印刷工业上印刷版的制作（2）用于诸如微电子技术、计算机技术等的各种印刷电路、集成电路、柔性印刷电路、各类高导磁铁芯片的微细加工。（3）复制传统加工方法难以获得的复杂图案、花纹、文字等的加工。2.2.光刻加工的原理和工艺光刻加工的原理
94、和工艺(1(1）光刻加工的原理、特点和应用范围）光刻加工的原理、特点和应用范围光刻是利用光刻是利用光致抗蚀剂光致抗蚀剂的光化学反应特点，将掩膜版上的光化学反应特点，将掩膜版上的图形精确的印制在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再的图形精确的印制在涂有光致抗蚀剂的衬底表面，再利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀，利用光致抗蚀剂的耐腐蚀特性，对衬底表面进行腐蚀，可获得极为复杂的精细图形。可获得极为复杂的精细图形。光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快
95、成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像 。光刻的精度极高，尺寸精度可达0.010.005mm，是半导体器件和集成电路制造中的关键工艺之一。利用光刻原理还可制造一些精密产品的零部件，如刻线尺、刻度盘、光栅、细孔金属网板、电路布线板、晶闸管元件等。(2(2）光刻的工艺过程）光刻的工艺过程原图原图曝光曝光显影显影坚模坚模去胶去胶腐蚀
96、腐蚀前烘前烘衬底加衬底加工工涂光刻涂光刻胶胶光刻掩膜版光刻掩膜版制备制备1)1)原图和掩模版的制备原图和掩模版的制备 原图制备首先在透明或半透明的聚脂基板上，涂覆一层醋酸乙烯树脂系原图制备首先在透明或半透明的聚脂基板上，涂覆一层醋酸乙烯树脂系的红色可剥性薄膜，然后把所需的图形按一定比例的红色可剥性薄膜，然后把所需的图形按一定比例放大几倍至几百倍放大几倍至几百倍，用绘图机刻制可剥性薄膜，把不需要部分的薄膜剥掉，制成用绘图机刻制可剥性薄膜，把不需要部分的薄膜剥掉，制成原图原图。在在半导体集成电路半导体集成电路的光刻中，为了获得精确的掩膜版，需要先利用初缩的光刻中，为了获得精确的掩膜版，需要先利用初
97、缩照相机把原图缩小制成初缩版然后采用分步重复照相机将初缩版精缩，照相机把原图缩小制成初缩版然后采用分步重复照相机将初缩版精缩，使图形进一步缩小，从而获得尺寸精确的照相底版。再把照相底版用接使图形进一步缩小，从而获得尺寸精确的照相底版。再把照相底版用接触复印法，将图形印制到涂有光刻胶的高纯度铬薄膜板上，经过腐蚀，触复印法，将图形印制到涂有光刻胶的高纯度铬薄膜板上，经过腐蚀，即获得金属薄膜图形掩膜版。即获得金属薄膜图形掩膜版。 2) 2)涂覆光致抗蚀剂涂覆光致抗蚀剂 光光致致抗抗蚀蚀剂剂是是光光刻刻工工艺艺的的基基础础，它它是是一一种种对对光光敏敏感感的的高高分分子子溶溶液液。根根据据其其光光化化
98、学学特特点点，可可分分为正性和负性两类。为正性和负性两类。凡凡能能用用显显影影液液把把感感光光部部分分溶溶除除而而得得到到和和掩掩模模版版上上挡挡光光图图形形相相同同的的抗抗蚀蚀涂涂层层的的一一类类光光致致抗抗蚀蚀剂剂，称为称为正性光致抗蚀剂正性光致抗蚀剂，反之则为，反之则为负性光致抗蚀剂负性光致抗蚀剂。在在半半导导体体工工业业中中常常用用的的光光致致抗抗蚀蚀剂剂有有：聚聚乙乙烯烯醇醇一一肉肉桂桂酸酸脂脂泵泵( (负负性性) )、双双迭迭氮氮系系( (负负性性) )和和酯酯- -二迭氮系二迭氮系( (正性正性) )等。等。3)3)曝光曝光 曝曝光光光光源源的的波波长长应应与与光光刻刻胶胶感感光
99、光范范围围相相适适应应，一般采用一般采用紫外光紫外光，其波长约，其波长约0.4m0.4m。曝曝光光方方式式常常用用的的有有接接触触式式曝曝法法，即即将将掩掩模模版版与与涂涂有有光光致致抗抗蚀蚀剂剂的的衬衬底底表表面面紧紧密密接接触触而而进进行行曝曝光光。另另一一种种曝曝光光方方式式是是采采用用光光学学投投影影曝曝光光，此此时时掩掩模模版版不与衬底表面直接接触。不与衬底表面直接接触。随随着着电电子子工工业业的的发发展展，对对精精度度要要求求更更高高的的精精细细图图形形进进行行光光刻刻时时，其其最最细细的的线线条条宽宽度度要要求求到到1m1m以以下下，紫紫外外光光已已不不能能满满足足要要求求，需需
100、采采用用电电子子束束、离离子子束束或或x x射射线线等等曝曝光光新新技技术术。电电子子束束曝曝光光可可以以刻刻出出宽宽度度为为0.25m0.25m的的细细线条。线条。4)4)腐蚀腐蚀 不同的光刻材料需采用不同的腐蚀液。腐蚀不同的光刻材料需采用不同的腐蚀液。腐蚀的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、离子腐的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、离子腐蚀等，其中常用的是化学腐蚀法。即采用化学溶蚀等，其中常用的是化学腐蚀法。即采用化学溶液对带有光致抗蚀剂层的衬底表面进行腐蚀。液对带有光致抗蚀剂层的衬底表面进行腐蚀。5)5)去胶去胶 为去除腐蚀后残留在衬底表面的抗蚀胶为去除腐蚀后残留在衬底表面的抗蚀胶膜，可
101、采用氧化去胶法，即使用强氧化剂膜，可采用氧化去胶法，即使用强氧化剂( (如硫酸如硫酸- -过氧化氢混合液等过氧化氢混合液等) )，将胶膜氧化，将胶膜氧化破坏而去除。也可采用丙酮，甲苯等有机溶破坏而去除。也可采用丙酮，甲苯等有机溶剂去胶。剂去胶。光化学蚀刻样件156 三、化学抛光三、化学抛光化学抛光的目的是改善工件表面粗糙度或使表面平滑化学抛光的目的是改善工件表面粗糙度或使表面平滑化和光泽化。化和光泽化。1.1.化学抛光化学抛光 1.11.1原理原理一般是用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，此氧化层又一般是用硝酸或磷酸等氧化剂溶液，在一定条件下，使工件表面氧化，此氧化层又能逐
102、渐溶入溶液，表面微凸起处被氧化较快较多，微凹处则被氧化较慢较少。同样能逐渐溶入溶液，表面微凸起处被氧化较快较多，微凹处则被氧化较慢较少。同样凸起处的氧化层又比凹处更多、更快的扩散、溶解于酸性溶液中因此使加工表面逐凸起处的氧化层又比凹处更多、更快的扩散、溶解于酸性溶液中因此使加工表面逐渐被整平，达到表面平滑化和光泽化。渐被整平，达到表面平滑化和光泽化。 1.21.2化学抛光的特点化学抛光的特点可以大面或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛可以大面或多件抛光薄壁、低刚度零件，可以抛光内表面和形状复杂的零件，不需外加电源、设光内表面和形状复杂的零件，不需外加电源、设备，操作简单，成本低。备，操作简单，成
103、本低。其缺点是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛其缺点是化学抛光效果比电解抛光效果差，且抛光液用后处理较麻烦。光液用后处理较麻烦。1.31.3化学抛光的工艺要求及应用化学抛光的工艺要求及应用(1)(1)金属的化学抛光金属的化学抛光常常用用硝硝酸酸、磷磷酸酸、硫硫酸酸、盐盐酸酸等等酸酸性性溶溶液液抛抛光光铝铝、铝铝合合金金、钼钼、钼钼合合金金、碳碳钢钢及及不不锈锈钢钢等等。抛光时必须严格控制溶液温度和时间。抛光时必须严格控制溶液温度和时间。(2)(2)半导体材料的化学抛光半导体材料的化学抛光锗锗和和硅硅等等半半导导体体基基片片在在机机械械研研磨磨平平整整后后，还还要要用用化化学学抛抛光光去去除除
104、表表面面杂杂质质和和变变质质层层。常常用用氢氢氟氟酸酸和和硝硝酸酸、硫硫酸酸的的混混合合液液或或双双氧氧水水和和氢氢氧氧化化铵铵的水溶液。的水溶液。化学抛光样件160化学抛光样件1612.化学机械抛光2.1基本原理是化学和机械的综合作用，在一定压力及抛光浆料存在下，在抛光液中的腐蚀介质作用下工件表面形成一层软化层，抛光液中的磨粒对工件上软化层进行磨削，因而在被研磨的工件表面形成光洁表面。2.2抛光机的基本结构1.循环泵2.抛光液3.过滤磁环4.抛光机喷嘴5.工件6.压力钢柱7.抛光垫8.抛光盘9.回收箱10.磁环2.2.1抛光液作用与组成抛光液是化学机械抛光中一个重要的因素，抛光液的质量对抛光
105、速率及抛光质量有着重要的作用，抛光液主要对工件有化学腐蚀作用和机械作用，最终达到对工件的抛光基本要求：流动性好、不易沉淀和结块、悬浮性能好、无毒、低残留、易清洗。组成与作用：腐蚀介质、磨料、分散剂、氧化剂2.2.2抛光垫根据工件和抛光垫之间抛光液膜厚度的不同，在抛光中可能存在三种界面接触形式：1.当抛光压力较高，相对运动速度较小时表现为直接接触；2.当抛光压力较低，相对运动速度较大时表现为非接触；3.介于两者之间为半接触。作用1.能存储抛光液，并把它输送到工件的整个加工区域，使抛光均匀的进行2.从加工表面带走抛光过程中的残留物质3.传递和承载加工去除过程中所需的机械荷载4.维持加工过程中所需的
106、机械和化学环境几种常见不同沟槽的抛光垫2.3化学机械抛光的优点：化学机械抛光的优点：（1）避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤（2）避免单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。 四、化学镀膜四、化学镀膜化化学学镀镀膜膜的的目目的的是是在在金金属属或或非非金金属属表表面面镀镀上上一一层层金金属属，起起装装饰饰、防防腐蚀或导电等作用。腐蚀或导电等作用。 4.1 4.1化学镀膜的原理和特点化学镀膜的原理和特点 其其原原理理是是在在含含金金属属盐盐溶溶液液的的镀镀液液中中加加入入一一种种化化学学还还原原剂剂，将将镀镀液液中的金属离子还原后沉积在被镀零件表面。中的金属离子还原后沉积
107、在被镀零件表面。其其特特点点是是：有有很很好好的的均均镀镀能能力力，镀镀层层厚厚度度均均匀匀，这这对对大大表表面面和和精精密密复复杂杂零零件件很很重重要要；被被镀镀工工件件可可为为任任何何材材料料，包包括括非非导导体体如如玻玻璃璃、陶瓷、塑料等；不需电源，设备简单；镀液一般可连续、再生使用。陶瓷、塑料等；不需电源，设备简单；镀液一般可连续、再生使用。 4.4.2 2化学镀膜的工艺要点及应用化学镀膜的工艺要点及应用 化化学学镀镀铜铜主主要要用用硫硫酸酸铜铜，镀镀镍镍主主要要用用氯氯化化镍镍，镀镀铬铬用用溴溴化化铬铬，镀镀钴钴用用氯氯化化钴钴溶溶液液。以以次次磷磷酸酸钠钠或或次次硫硫酸酸钠钠作作为
108、为还还原原剂剂，也也有有选选用用酒酒石石酸酸钾钾钠钠或或葡葡萄萄糖糖等等为为还还原原剂剂的的。对对特特定定的的金金属属，需需选选用用特特定定的的还还原原剂剂。镀镀液液成成分分、质质量量分分数数、温温度度和和时时间间都都对对镀镀层层质质量量有有很很大大影影响响。镀镀前前还还应应对对工工件件表表面面进进行行除除油油、去锈等净化处理。去锈等净化处理。 应应用用最最广广的的是是化化学学镀镀镍镍、钴钴、铬铬、锌锌，其其次次是是镀镀铜铜、锡锡。在在电电铸铸前前，常常在在非非金金属属的的表表面面用用化化学学镀镀上很薄的一层银或铜作为导电层和脱模之用。镀镀上很薄的一层银或铜作为导电层和脱模之用。4.3化学溶液
109、镀膜法在溶液中利用化学反应原理在集体材料表面上沉积成膜的一种技术。主要方法：化学反应沉积、阳极氧化、电镀和溶胶-凝胶法。4.3.1化学反应沉积化学反应沉积（1）化学镀通常称为无电源电镀，是利用还原剂从所镀物质的溶液中以化学还原作用，在镀件的固液两相界面上析出和沉积得到镀层的技术。1）原理：表面的自催化作用表面上的催化Me2+2e（来自还原剂）Me2）镀Ni的机理镀Ni沉积反应催化表面次磷酸盐分解释放出初生态原子氢沉积Ni自催化化学镀镍.XviD.wmv3）特点1.工艺简单，适应范围广，不需要电源，不需要制作阳极2.镀层与基体的结合强度好。3.成品率高，成本低，溶液可循环使用，副反应少。4.无毒
110、，有利于环保5.投资少。见效快4）应用1.金属材料铝或钢材料等非贵金属基底可用化学镀镍技术防护，并可避免用难以加工的不锈钢来提高它们的表面性质。化学镀银主要用于电子部件的焊接点、印刷线路板，以提高制品的耐腐蚀性和导电性能。还广泛用于装饰品。2.非金属材料非导体可用化学镀镀一种或几种金属以提高其装饰性和功能性。许多工程塑料因其轻质和良好的耐腐蚀性能被考虑用作金属的代用品，可用化学镀银来获得导电性或其电屏蔽。（2）置换沉积又称为浸镀。不需要采用外部电流源，在待镀金属盐类的溶液中，靠化学置换的方法在基体上沉积出该金属的方法。1）原理:当电位较负的基体金属A浸入到电位较正的金属离子B2+溶液中时，由于
111、存在一定的电动势而形成微电池，在A表面上，发生金属B析出。A+B2+B+A2+2）特点1.与化学镀的区别在于无需在溶液中加入化学还原剂，因为基体本身就是还原剂。2.用这种方法制得的膜层疏松多孔，而且结合不良，要加入添加剂或络合剂来改善膜层的结合力。3）应用主要用于铜及其合金、钢及其某些铝合金上镀锡层，也常用作电镀前在某些基体表面沉积一层底膜。用来改善后续涂层。化学镀样件180第六章发展趋势为进一步提高化学加工技术水平并扩大应用范围，当前的化学加工技术的总体发展趋势主要有以下几个方面（1）采用自动化技术。充分利用计算机技术对化学加工设备的控制系统、电源系统进行优化，加大对化学加工的基本原理、加工
112、机理、工艺规律、加工稳定性等深入研究的力度，建立综合工艺参数自适应控制装置。（2）开发新工艺方法及复合工艺。为适应产品的高技术性能要求与新型材料的加工要求，需要不断开发新工艺方法。（3）趋向精密化研究。高新技术的发展促使高新技术产品向超精密化与小型化方向发展，对产品零件的精度与表面粗糙度提出更严格的要求。（4）污染问题是影响和限制化学加工发展的严重障碍。加工过程中的废渣、废气若排放不当，会造成环境污染，影响工人的健康。必须花大力气利用废气、废渣、废液，向“绿色”加工的方向发展。（5）进一步开拓化学加工技术，以多种能量同时作业，相互取长补短的复合加工技术。扫描隧道显微镜目录1.STM的发明2.S
113、TM的原理3.STM的工作模式4.STM的工作环境5.STM的应用6.STM的优势7.STM的局限性1.STM的发明1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的GerdBinnig和HeinrichRohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十
114、大科技成就之一；由于这一杰出成就Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。世界上第一台扫描隧道显微镜1.STM的发明2.STM的原理2.STM的原理隧道效应对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。2.STM的原理图是STM的基本原理图，其主要构成有：顶部直径约为50100nm的极细金属针尖(通常是金属钨制的针尖)，用于三维扫描的三个相互垂直的压电陶瓷(Px，Py，Pz)，以及用于扫描
115、和电流反馈的控制器(Controller)等。2.STM的原理扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数有关： Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。为物质表面的平均功函数S是针尖和样品之间距离 I是隧道电流2.STM的原理2.
116、STM的原理隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。3.STM的工作模式恒流模式x,y方向起着扫描作用，而Z方向具有一套反馈系统，初始的隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就会后退，以保持隧道电流的值不变；当样品表面凹进时，反馈系统将使针尖向前移动，计算机记录了针尖上下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维行貌图。3.STM的工作模式恒高模式x,y方向仍
117、起着扫描的作用，而Z方向则保持水平高度不变，由于隧道电流随距离有着明显的变化，只要记录电流变化的曲线，就可以给出高度的变化4.STM的工作环境大气和室温条件在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和(b)分别是在大气条件下用STM得到的Au(111)(金)2nm2nm和MS2(二硫化钼)3nm3nm表面的原于图像。对于在大气中容易被氧化的半导体或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原子结构图像，而超高真空的环境是必要的。(a)(b)超高真空和室温条件在超高真空的条件下，STM可以用来观察所有半导体和金属样品表面的原子图。在超高真空腔内，可以用多种方法将
118、样品表面清洁干净，如常用于金属表面清洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表面清洁处理的直接电流预热处理等。在超高真空中，清洁处理后的样品可以保持长时间干净，不被氧化。对样品表面原子结构进行重构后，就可以用STM观察样品表面的原子结构图像。图是Si(111)7x7(硅)表面的原子图像。其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流为0.6nA。4.STM的工作环境超高真空和高温条件STM可以在高温的条件下工作，这对于观察半导体和金属等材料表面的高温相变是非常重要的。高温工作的STM必须具备十分良好的温度补偿功能，否则，样品表面的温度漂移将使我们无法看到相同区域的原子表面结构。图是在860OC时用STM实时地观
119、察S(111)表面上形成7x7结构的重构过程。从图中可以看到，大部分7x7结构已经形成，但是在图的右上角区域尚未完成表面原子的重构。4.STM的工作环境超高真空和低温条件温度对于材料表面上原子和分子的稳定性是一个非常重要的条件。例如，在室温时，金属材料表面上的金属原子大多不稳定，而吸附在样品表面上的C60分子更是始终在旋转着，无法稳定。同时，材料的电子特性研究在很多情况下也要求低温的条件。低温时，样品的原子表面结构可以保持非常稳定的状态。图是一组低温STM的系列图片。实验时，样品被液氯冷却到约15OK的温度，每隔45分钟扫描一幅图片。从图中可以发现，样品的原子表面结构十分稳定，从右到左的热飘移
120、仅为每小时一个原子左右(0.3nm左右)。4.STM的工作环境溶液条件化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之间发生化学反应的示意。它是化学反应的重要过程。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分子尺度的反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。4.STM的工作环境溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图溶液条件4.STM的工作环境图是有机分子苯在Rh(111)3x3(铑)表面上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM(毫摩尔)浓度的有
121、机分子苯。图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金)表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩尔)浓度的有机分子卟啉。5.STM的应用“看见”了以前所看不到的东西STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。5.STM的应用实现了单原子和单分子操纵利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”
122、三种方式。通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。5.STM的应用单分子化学反应已经成为现实单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现“选键化学”对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研究产物分子。他
123、们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。一个更为直观的例子是由Park等人完成的，他们将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。5.STM的应用在分子水平上构造电子学器件我们知道，一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压的增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物理现象负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C6
124、0分子的负微分电导现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把粘有C60分子的针尖移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的用于快速开关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集成度和速度。6.STM的优势具有极高的分辨率得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象使用环境宽松应用领域是宽广的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的7.STM的局限性扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差.扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。
