第7章精密研磨与抛光

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1、7.1研磨抛光机理7.2精密研磨.抛光的主要工艺因素7.3超精密平面研磨和抛光7.4超精密研磨抛光的主要新技术一研磨加工的机理1. 研磨时磨料的工作状态1）磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧 效果；2 ）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，实现微切削加工；3）磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。2. 硬脆材料的研磨一部分磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面, 用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工；另一部 分磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动，产生滚轧效 果。在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸 应力最大部位产生微裂纹。当纵横交错的裂纹扩展并 产生脆性崩碎形

2、成磨屑，达到表面去除的目的。3. 金属材料的研磨当金属表面用硬度计压头压入时，只在表 面产生塑性变形的压坑，不会发生脆性材料 那样的破碎和裂纹。研磨时，磨粒的研磨作用相当于极微量切 削和磨削时的状态，且表面不会产生裂纹。二、抛光加工的机理抛光的机理：1）以磨粒的微小塑性切削生成切屑， 但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用。2）借助磨 粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平。三、研磨、抛光的加工变质层不管采取什么加工方法，或多或少要在被加工表面上产生加工变质层，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，使工件表面的力学性能、物理化学性能与母体材料不同，进而影响制成元

3、件的性能,因此在超精密研磨抛光中要求变质层越薄越好。硬脆材料研磨后的表面，从表层向里依次为： 晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全结晶 从弹塑性力学的角度评价变质层，依次为： 薄的塑性流动层、有异物混入的裂纹层、裂纹层、弹 性变形层和母体材轴金属材料研磨后的加工表面变 质层与硬脆材料类似。0由直鄭喘典苓对于抛光加工后的加工变质层，由表层向里 依次另：抛光应力层、经腐蚀出现的二次裂纹 应力层、二次裂纹彩响层和完全结晶层，整个 加工变质层深度约为3卩01。并且加工表面越粗, 加工变质层深度越大。对残留有裂纹的硬脆材料和不产生裂纹的 金属材料的加工条件不同；单面研磨和双面研磨；应能均匀地加工工

4、件，研具磨损要小并要求能容易修整精度；必须避免因工作面磨损和弹性变形弓I起精度下降;研具材微细的磨粒和使磨粒对工件作用很浅的材料;提供磨粒、排屑、冷却一. 精密平面的研磨机力压 I加Ja)b)图7-3双面平面研磨机 工作原理图1 一内齿轮2-下研燐盘3上研磨盘4小齿轮5工件图7-4工件保持架作成行星轮形式a）工件保持架和内齿轮、小齿轮啮合b）不同工件保持架形式6工件保持架（行星轮）二、平面研磨使用的研具1）特种玻璃，或用在加工成平面的金属板上涂一层四氟乙烯或镀铅和锢;优点:能得到高精度的平面缺点：研具层寿命短2 ）使用半软质研磨盘或软质研磨盘优点：研磨出的表面变质层很小，表面粗糙度也很小;缺点

5、：研磨盘不易保持平面度场直胆弍典烤三. 平面研磨时工件和软质研具的磨损量图7-7工件与研具的磨损最关系 试件珈=1 60pm kmT/kPa 研具 % = 5 00/xm kmVkPa f=0. 4fxm/kPa加工速度 99X 10_3km/min 加工压力 5. 4kPa, = 5min翔95WS士H工件与研具两者的任 意点处的加工量和研具 磨损量，相对于两者的 中心各自画圆弧与横轴 相交，从交点出发每 20min间隔与纵轴平行地 上升或下降。工件形成凸面，研具 在半径上形成凹面。研具的磨损量与压力比p/ pm (km *kPa1)(】EE 090 二赳g图7-9研具鼻性变形常数 和工件平

6、面度关系 试件 “=1.6Cmkm7 kPa 研具 = 5 00pm km kPaUH1)、姿MAeH图7-8研具磨损量与压力比与工件平面度的关系试件 J?w=L 60pm kmT/kPa研具 j/p= 5. 00pm kmVkPa丫=0 4/jtm/kPa使用Tp小的研具效果好。使用E小的研具能有效地控制平面度的恶化，但E太小时，压力偏差较大, 反而易引起平面度的恶化。而当E 较大时，只要加工量少，由于压力缓蠶化初鈔爲平行度和晶体方位误差的修正平行度的修正研磨是使被加工面与基准平面的角度误差达到最小值。单面研磨法采用使工件附加偏心压力。晶体方位误差的修 正加工是以晶格面作参照物进行研磨的。图

7、710附加備心気中载荷的模赵和压力分布 S附加備心農中報荷b加工压力分布图7-11附加偏心祛码和压力分布 小附加僞心祛码b）加工压力分布万向架机构/；a 7-13修正晶体方位误差的夹具结构1冊体2基座3中心轴4导管5滑管 6测头五、获得高质量平面研磨抛光的工艺规律1）研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布并且不重叠。2）硬质研磨盘在精研修形后，可获得平面度彳艮 高的研磨表面，但要求很严格的工艺条件。3 ）软质（半软质）研磨盘易获得表面粗糙度值 极小和表面变质层甚小的研磨抛光表面，但不 易获得彳艮高的平面度。4）使用金刚石微粉等超硬磨料可获得很高的研 磨抛光效率。5）研磨平行度要求很高的零件时,采

8、用（1） 上研磨盘浮动以消除上下研磨盘不平行误差；（2）小研磨零件实行定期180度方位对换研磨, 以消除因研磨零件厚度不等造成上研磨盘倾斜 而研磨表面不平行;（3）对各晶向硬质不等 的晶片研磨时，加偏心载荷彳参正不平行度。6）为提高研磨抛光的效率和研磨表面质量， 可在研磨揃中加入一定量的化学活性物质。7）高质量研磨时必须避免粗的磨粒和空气中 的灰尘混入，否则将使研磨表面划伤,达不到 高质量研磨要求液中研磨将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液 中，借助水波效果，利用游离的微细磨粒进 行研磨加工，并对磨粒作用部分所产生的热 还有极好的冷却效果，对研磨时的微小冲击

9、 也看缓冲效果。机械化学研磨机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨, 有湿式和干式两种。湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加 工，研磨剂含有0.01pm大小的Si。?磨粒的弱碱性胶 状水溶液，而与它相配合的研具是表层由微细结构的 软质发泡聚氨基申酸涂敷的人造革。干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之 间生成化学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围 的化学反应有利于加工的进行，由于0. 01 0. 02粒径 的Si。?磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。磁流体精密研磨磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸(0. 015 |Lim)的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特 性是：每一

10、个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，磁 化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁 流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转 的工件而进行研磨。磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加 工、磨料控制式加工及磁流体封闭式力口工。加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制 的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和 电磁部分组成。加工是在研磨具的孔洞内预先放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。进行加工。加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置0磁力研磨利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成 如刷子一样的研磨剂，被吸附在磁极的工作 表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现 对

11、工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进彳亍研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）最小切除可以达到原子级，直至切去一 层原子，而且被加工表面的晶格不致变形， 能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。是磨粒原子的扩鼓作用和加速 的微小粒子弹性射击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 水流来加速。化学机械抛光化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作 用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。 腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶液, Mn - Zn铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。水合抛光是一种利用在工件界面上生成水合化学反应 的研磨方法，其主要特点是不使用磨粒和加工 液，而加工装置又与当前使用的研磨盘或抛光 机相似，只是在 中进行加工。机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩 擦，在接触区产生高温高压，故工件表面上原 子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或过热的 水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反 应层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的 水蒸汽环境条件下利用外来的摩擦力，从工件 表面上将这层水合层分离、去除，从而实现镜 面加工。 场直邸栄水孕习题6-2习题615