第5章 超精密研磨与抛光(康仁科) 大连理工大学

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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 Polishing:5.1 研磨和抛光的概述研磨和抛光的概述n研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具进行单纯的对研而获研磨和抛光都是利用研磨剂使工件与研具进行单纯的对研而获得高质量、高精度的加工方法。得高质量、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眼镜的应用，眼镜的应用，1360年的绘画上发现。年的绘画上发现。n望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。n现在，除已实现

2、批量生产透镜和棱镜外，其加工水平已能完成现在，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。定曲率的球面等标准件的加工。n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。最为有力。n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抛光技术。的超精密研磨和抛光技术。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

3、.2.1 研磨研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的氧化铝和碳的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。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)磨磨粒粒在在工工件件与与研研具具之之间间进行转动进行转动;2)由由研研具具面面支支承承磨磨粒粒研研磨磨加工面加工面;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，上述三种研磨方法的由于工件、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、研具的磨损和研磨表面

4、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。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的微细磨的微细磨粒；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

5、。n微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)由由磨磨粒粒进进行行的的机机械械抛抛光光可可塑塑性性地地生生成成切切屑屑。但但是是它它仅仅利利用用极极少少磨磨粒粒强强制制压压入入产产生作用。生作用。2)借借助助磨磨粒粒和和抛抛光光器器与与工工件件流流动动摩摩擦擦使使工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接的

6、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加加工工变变质质层层使使工工件件材材质质的的结结构构、组组织织和和组组成成遭遭到到破破坏坏或或接接近近于于破破坏坏状状态态。在在变变质质层层部部分分存存在在变变形形和和应应力力，还还有有其其物物理理的的和和化化学学的的影影响响等等。硬硬度度和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硬硬脆脆材材料料经经研研磨磨后后的的表表面面，经经研研磨磨的的单单晶晶硅硅表表面面，使使用用氟氟、硝

7、硝酸酸系系列列的的溶溶液液进进行行化化学学浸浸蚀蚀，依依次次去去掉掉表表层层，用用电电子子衍衍射射法法进进行行晶晶体体观观察察时时，从从表表层层向向内内部部的的顺顺序序为为非非晶晶体体层层或或多多晶晶体体层层、镶镶嵌嵌结结构构层层、畸畸变变层层和和完完全全结结晶晶结结构构。另另外外，从从使使用用X射射线线衍衍射射法法的的弹弹塑塑性性学学的的观观点点来来评评价价，则则表表层层是是由由极极小小的的塑塑性性流流动动层层构构成成，其其下下是是有有异异物物混混人人的的裂裂纹纹层层，再再下下则则是是裂裂纹层、弹性变形层和主体材料。纹层、弹性变形层和主体材料。n在在研研磨磨金金属属材材料料时时，虽虽不不发发

8、生生破破碎碎，但但是是磨磨粒粒转转动动和和刮刮削削时时，由由于于材材料料承承受受了了塑塑性性变变形形，通通常常形形成成与与上上述述硅硅片片相相类类似似的的加加工工变变质质层层。相相反反，例例如如是是多多晶晶的的金金属属材材料料，则则越越接接近近被被加加工工的的表表层层，晶晶粒粒越越微微细细，累累积积位位错错在在最最表表层层，变变成成非非晶晶质质状状态态。在在这这部部分分，金金属属与与大大气气中中的的活活性性氧氧结结合合，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进金属。5.2.45.2.4抛光的加工变质层抛光的加工变质层n关于抛

9、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、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

10、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

11、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研具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

12、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。絮状抛光液絮状抛光液胶状抛光液胶状抛光液高质量平面的研磨抛光工艺规律高质量平面的研磨抛光工艺规律n研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，并且不重叠；研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布，并且不重叠；n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

13、粉磨料。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。n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。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。n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，使用抛光硅片、光学玻璃、石英晶片时，使用SiO2，CeO2微粉和软质研磨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

14、易获得很高的平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。面度。n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，以消除因零件厚方位对换研磨，以消除因零件厚度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行。度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行。n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。面质量。5.5 新原理的超精密研磨抛光新原理的超精

15、密研磨抛光n传统的研磨抛光方法是完全靠微细磨粒的机械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，达到很高的加工作用去除被研磨表面的材质，达到很高的加工表面。表面。n最近出现新原理的研磨抛光方法其工作原理有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。高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面。固结磨料研磨圆柱面

16、和球面的研磨5.5.1 液中研磨液中研磨n磨料：磨料：微细的微细的Al2O3磨粒磨粒n研具：研具：聚氨酯聚氨酯n加工液：加工液：过滤水、蒸馏水、净化水过滤水、蒸馏水、净化水n机理：机理：将研磨操作浸入在含有磨粒的研磨剂中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，利用浮游的微细磨粒进进行，借助水波效果，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。工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用。n应用：应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。5.5.2 界面化学抛光

17、界面化学抛光化学机械抛光化学机械抛光CMP(Chemical Mechanical Polishing or Chemical Mechanical Planarization)n微细磨粒软质抛光垫酸性（或碱性）液微细磨粒软质抛光垫酸性（或碱性）液n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抛光轨迹抛光垫形状外貌抛光垫材料和类型Type I注入聚合物的毛毡注入聚合物的毛毡Type II微孔材料微孔材料Type III充填聚合物充填聚合物Type IV未充填聚合物未充填聚合物抛光垫的修整抛光前 抛光后抛光垫修整器抛光垫修整器的

18、三种磨粒分布方式抛光垫修整器的三种磨粒分布方式均匀分布型 任意分布型 成簇分布型抛光机n多头、单头抛光机多头、单头抛光机Substrate CarrierPolishOverarmPolish TableSubstrate Carrier with Polish Overarm抛光液类型抛光液类型絮状抛光液絮状抛光液胶状抛光液胶状抛光液机械化学机械化学抛光抛光MCP(Mechanical Chemical Polishing)机械化学抛光是使用较加工物软且与加工物会产生机械化学抛光是使用较加工物软且与加工物会产生固相化学反应固相化学反应的磨粒，在加工物与磨料之间，由于的磨粒，在加工物与磨料之间

19、，由于力学作用产生机化反应，在表面形成的反应物以力学作用产生机化反应，在表面形成的反应物以机机械方式械方式去除。去除。在接触点形成反应层，依据温度、压力条件在10-3 10-4 秒之间产生反应。MCP ProcessStage I:The abrasive grit and the substrate are drawn together due to chemical reaction.Stage II:The mechanical forces generated from polishing pressure and friction from relative motion.Stage

20、 III:The solid phase chemical passivation layer is generated.Stage IV:The mechanical effect is applied to remove the passivation layer on the surface of substrate.MCP與傳統研拋光比較MCP與CMP之比較加工應用化學作用磨料的力作用效果機械化學拋光(MCP)磨料和基材之間由於力作用產生化學反應，在表面形成反應生成物，以力作用方式去除。利用作用力促進化學反應。化學機械拋光(CMP)研磨液會與基材產生化學反應，反應生成物以力作用方式去除

21、。作用力促進化學反應產生性小，研磨液和基材間的化學反應性大。MCP&CMP常用磨粒比較 磨粒種類莫氏硬度值(Mohs Hardness)SiO27Al2O39.2SiC9.5BaCO333.7材料種類莫氏硬度值 (Mohs Hardness)Si7sapphire95.5.3 非接触研磨抛光技术非接触研磨抛光技术n非接触研磨技术是以弹性发射加工（非接触研磨技术是以弹性发射加工（EEM)的理的理论为基础的。论为基础的。EEM方法是利用微方法是利用微细粒子在材料表面上滑细粒子在材料表面上滑动时去除材料的加工。动时去除材料的加工。微细粒子以接近水平的微细粒子以接近水平的角度与材料碰撞，在接角度与材料

22、碰撞，在接近材料表面处产生最大近材料表面处产生最大的剪断应力，既不使基的剪断应力，既不使基体内的位错、缺陷等发体内的位错、缺陷等发生移动（塑性变形），生移动（塑性变形），又能产生微量的又能产生微量的“弹性弹性破坏破坏”，以进行去除加，以进行去除加工。工。n微细粒子撞击工件表面时，在接触点产生高温高压。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；高压使磨粒的高温使工件表层原子晶格中空位增大；高压使磨粒的原子扩散到工件表层的原子空位上，工件表层的原子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也扩散到磨粒中。扩散到

23、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。的杂质原子，减弱了本体原子的联系。弹性发射加工弹性发射加工EEM（Elastic Emission Machining）n加工时研具于工件不接触，使微细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。结合，从而获得无干扰的加工表面。n加工单位为加工单位为0.1 m以下，原理上是以下，原理上是采用喷射粒子的加工方式，要尽量采用喷射粒子的加工方式，要

24、尽量以小角度撞击加工表面，其加工精以小角度撞击加工表面，其加工精度接近于原子级，可获得相当好的度接近于原子级，可获得相当好的表面。表面。n加工方法是使用聚氨酯球作加工头，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，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，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是混合液中的微细粒子在工件表面的微小面积（的微小面积（12mm）内产生作）内产生作用，进行加工。用，进行加工。弹性发射弹性发射加工装置加工装置n对聚氨酯球对聚氨酯球的加工头的加工头和工作台和工作台采用数控采用数控装置，则装置，则能进行曲能进行曲

25、面加工面加工。动压效应动压效应n当圆盘在液当圆盘在液体中回转时，体中回转时，在倾斜平面在倾斜平面部位产生动部位产生动压效应，使压效应，使平面板上浮，平面板上浮，工件将是悬工件将是悬浮状态，由浮状态，由微细粒子进微细粒子进行研磨。行研磨。非接触研磨加工装置n半导体基板、半导体基板、各种晶体、玻各种晶体、玻璃基板的非接璃基板的非接触研磨装置。触研磨装置。n研具是使用有研具是使用有辐射状倾斜平辐射状倾斜平面组成的圆环面组成的圆环装平板。平面装平板。平面工件放在圆环工件放在圆环中。中。浮动抛光浮动抛光 浮浮动动抛抛光光（Float Polishing）使使用用高高平平面面度度平平面面并并带带有有同同心

26、心圆圆或或螺螺旋旋沟沟槽槽的的锡锡抛抛光光盘盘，使使抛抛光光盘盘及及工工件件高高速速回回转转，在在二二者者之之间间抛抛光光液液呈呈动动压压流流体体状状态态，形形成成一一层层液液膜膜，从从而而使使工工件件在在浮浮起起状态下进行抛光。状态下进行抛光。1977年年，Namba和和Tsuwa首首次次使使用用了了浮浮动动抛抛光光加加工工蓝蓝宝宝石石单单晶晶体体时时表表面面粗粗糙糙度度低低于于1nm。此此技技术术发发展展应应用用到到抛抛光光不不锈锈钢钢、铸铸铁铁、镍镍等等金金属属（1980），以以及及硼硼硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃，熔熔融融硅硅和和低低膨膨胀胀系系数数等等光光学学材材料料（1980-1987），

27、工工件件表表面面粗粗糙糙度度达达到到了了1-2。Touge和和Matsuo（1996）研研究究了了铁铁酸酸盐盐多多晶晶体体的的浮浮动动抛抛光光，采采用用金金刚刚石石磨磨料料，其其抛抛光光速速度度要要比比传传统统抛抛光光方方法法高高2.7倍倍。目目前前，采采用用浮浮动动抛抛光光方方法法抛抛光光计计算算机机磁磁头头的的磁磁隙隙面面，可可以以防防止止出出现现晶晶界界差差，获获得得Rz2nm的的表表面面粗粗糙糙度度。由由于于浮浮动动抛抛光光容容易易获获得得很很高高精精度度的的平平面面形形状状，可可用用于于光光学学平平晶晶，铌铌酸酸锂锂、水水晶晶等等功功能能陶陶瓷瓷材材料料基片的批量加工。基片的批量加工

28、。1.抛光液抛光液 2.抛光液槽抛光液槽 3.工件工件4.工件夹工件夹具具 5.抛光盘抛光盘 6.金刚石刀具的切断面金刚石刀具的切断面 7.沟槽沟槽 8.液膜液膜 5.5.4 无磨料抛光无磨料抛光水合抛光水合抛光（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。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。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使用杉木抛光盘抛光蓝宝石，最终表面粗糙度宝石，最终表面粗糙度Rz小于小于1nm。1.水蒸气发生

29、器水蒸气发生器 2.工件工件 3.抛光盘抛光盘 4.载荷载荷 5.保持架保持架 6.蒸汽喷嘴蒸汽喷嘴 7.加热器加热器 8.偏心凸轮偏心凸轮水面滑行抛光水面滑行抛光 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，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，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。不使用磨料，是一种化学抛光方法。Gormley（1981）等人以及）等人以及Ives（1988）等人为获得等人为获得GaAs,InP 和和HgCdTe等半导体晶

30、体等半导体晶体的光滑、无损伤表面采用了此抛光方法。工件的光滑、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，在受到甲醇、甘醇和溴的混合物的侵蚀，在H2气气中、中、600高温下热腐蚀高温下热腐蚀15分钟，以分钟，以10mmin 的去除率进行的去除率进行GaAs，InP基板表面无损伤基板表面无损伤抛光。直径抛光。直径 2.5cm 基板，其平面度在基板，其平面度在 0.3m以以内。内。1.工件 2.水晶平板 3.调节螺母 4.腐蚀液 5.抛光盘 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、磁场的强弱使电场和磁场抛光加工是利用和控制电、磁场的强弱使磁流体带动磨粒

31、对工件施加压力从而对高形状精度、高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。主要有：电、磁场的控制也可以加工自由曲面。主要有：q磁力抛光磁力抛光q磁悬浮抛光磁悬浮抛光 q磁流流变抛光磁流流变抛光 q电泳抛光电泳抛光磁力抛光的加工原理n磁性磨料在磁场作用下形成磁性磨料在磁场作用下形成柔性磨料刷柔性磨料刷n柔性磨料刷柔性磨料刷与工件相对运动与工件相对运动n产生切削、刻划

32、、滑擦、挤压和滚动等现象产生切削、刻划、滑擦、挤压和滚动等现象n形成研磨、抛光、去毛刺等形成研磨、抛光、去毛刺等磁力抛光的加工机理n微量切削与挤压微量切削与挤压n多次塑变磨损多次塑变磨损n摩擦腐蚀磨损摩擦腐蚀磨损n电化学腐蚀磨损电化学腐蚀磨损磁力研磨加工的应用n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n非磁性弯管内壁的磁力研磨n复杂曲面的磁力研磨n异型件的抛光、去毛刺n球面零件的磁力研磨加工n磁力滚抛非磁性管内壁的磁力抛光非磁性管内壁的磁力抛光（磁场由永久铁产生）进给 磁力环 循环泵循环泵工件磁 性磨粒线圈磁极非磁性弯管内壁的磁力抛光非磁性弯管内壁的磁力抛光球面和复杂曲面的磁力研

33、磨异型件的抛光、去毛刺磁性磨粒工 件磁极磁极磁力滚抛加工磁力悬浮研磨磁流体研磨加工(Magnetic Fluid Grinding)n10nm以下的强磁性微粒nFe3O4（10nm）、铁粉(3nm)n表面活性剂n基液(媒体)6060年代，美国首先用于宇航工业年代，美国首先用于宇航工业磁流体的性质n表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁n在磁场作用下，受重力和磁场力，表现为表观密度随外磁场强度的增加而增大n被磁化的磁流体，相对于磁场方向具有光的各向异性n超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性磁流变抛光技术磁流变抛光技术90年代初，年代初，W.I.Kordonski提出并

34、且验证了磁流变抛光技术提出并且验证了磁流变抛光技术磁流变抛光技术磁流变抛光技术Polish apertures up 750 x 1000 mm磁流变抛光原理磁流变抛光原理(微观微观)磁流变抛光原理磁流变抛光原理(宏观宏观)磁流变抛光与传统抛光比较磁流变抛光与传统抛光比较n传统抛光磨料和工件是硬接触，传统抛光磨料和工件是硬接触，磨粒对工件的平均正压力磨粒对工件的平均正压力0.01N，对工件材料破碎去除，对工件材料破碎去除，引起工件表面损伤。引起工件表面损伤。n磁流变抛光属于柔性接触，磨粒磁流变抛光属于柔性接触，磨粒对工件的平均正压力对工件的平均正压力10-7N，对工件材料剪切去除，工件表面对工

35、件材料剪切去除，工件表面损伤较小。损伤较小。磁流变抛光技术优点磁流变抛光技术优点能够获得质量很高的光学表面；能够获得质量很高的光学表面；易于实现计算机控制，得到复杂面形的光学零件易于实现计算机控制，得到复杂面形的光学零件高加工效率；高加工效率；磁流变抛光液在抛光区内循环使用，可以带走抛磁流变抛光液在抛光区内循环使用，可以带走抛光区内切屑和热量；同时，在抛光区外对磁流变光区内切屑和热量；同时，在抛光区外对磁流变抛光液进行稳定性控制；抛光液进行稳定性控制；振动、磨损以及抛光模边沿误差在传统小磨头抛振动、磨损以及抛光模边沿误差在传统小磨头抛光技术中是比较难以解决的问题，在磁流变抛光光技术中是比较难以解决的问题，在磁流变抛光技术中，这些因素不会对工件加工产生影响。技术中，这些因素不会对工件加工产生影响。磁流体抛光磁流体抛光陶瓷球的磁流体研磨氮化硅氮化硅 Si3N4