2009-7-28
姜春晓
2005年 10月
Precision and ultraprecision machining
精密和超精密加工技术
2009-7-28
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第 7章 精密研磨与抛光
2009-7-28
一、研磨加工的机理第 1节 研磨抛光机理
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。
2009-7-28
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成磨屑，达到表面去除的目的。
2009-7-28
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。
2009-7-28
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。
2009-7-28
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,非晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全结晶结构,从弹塑性力学的角度评价变质层，依次为,极薄的塑性流动层、有异物混入的裂纹层、裂纹层、弹性变形层和母体材料。 金属材料研磨后的加工表面变质层与硬脆材料类似。
2009-7-28
对于抛光加工后的加工变质层，由表层向里依次为,抛光应力层、经腐蚀出现的二次裂纹应力层、二次裂纹影响层和完全结晶层,整个加工变质层深度约为 3μ m。并且加工表面越粗，
加工变质层深度越大。
2009-7-28
第 2节 精密研磨、抛光的主要工艺因素加工条件,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；
研磨方式,单面研磨和双面研磨；
研磨机,应能均匀地加工工件，研具磨损要小并要求能容易修整精度；
研具和抛光盘,必须避免因工作面磨损和弹性变形引起精度下降；
研具材料,微细的磨粒和使磨粒对工件作用很浅的材料；
加工液,提供磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。
2009-7-28
第 3节 超精密平面研磨和抛光一、精密平面的研磨机
2009-7-28
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铟；
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,研磨盘不易保持平面度
2009-7-28
三、平面研磨时工件和软质研具的磨损量工件与研具两者的任意点 A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。
2009-7-28
使用 η p小的研具效果好。使用
ξ 小的研具能有效地控制平面度的恶化,但 ξ 太小时，压力偏差较大，
反而易引起平面度的恶化。而当 ξ
较大时，只要加工量少，由于压力偏差较小，初始的平面度不会产生多大的恶化。
2009-7-28
四、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。
2009-7-28
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，可获得平面度很高的研磨表面，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，但不易获得很高的平面度。
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。
2009-7-28
5）研磨平行度要求很高的零件时，采用 （ 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，加偏心载荷修正不平行度。
6）为提高研磨抛光的效率和研磨表面质量，
可在研磨剂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。
2009-7-28
第 4节 超精密研磨抛光的主要新技术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也有缓冲效果。
2009-7-28
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 0.01μ m大小的 SiO2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 SiO2磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。
2009-7-28
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
（ <0.015μ m）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一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，臵于磁场中，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加工。
磨粒悬浮式 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。研磨装臵由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。 磨粒控制式 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。
磁流体封闭式 加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放臵进行加工。
2009-7-28
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、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。
2009-7-28
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。
加工原理实质 是磨粒原子的扩散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。
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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。
2009-7-28
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，而加工装臵又与当前使用的研磨盘或抛光机相似，只是在 水蒸气环境 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。
2009-7-28
习题 6-2
习题 6-15
课后思考题
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姜春晓
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Precision and ultraprecision machining
精密和超精密加工技术
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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第 7章 精密研磨与抛光
2009-7-28
一、研磨加工的机理第 1节 研磨抛光机理
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。
2009-7-28
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成磨屑，达到表面去除的目的。
2009-7-28
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。
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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。
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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,非晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全结晶结构,从弹塑性力学的角度评价变质层，依次为,极薄的塑性流动层、有异物混入的裂纹层、裂纹层、弹性变形层和母体材料。 金属材料研磨后的加工表面变质层与硬脆材料类似。
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对于抛光加工后的加工变质层，由表层向里依次为,抛光应力层、经腐蚀出现的二次裂纹应力层、二次裂纹影响层和完全结晶层,整个加工变质层深度约为 3μ m。并且加工表面越粗，
加工变质层深度越大。
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第 2节 精密研磨、抛光的主要工艺因素加工条件,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；
研磨方式,单面研磨和双面研磨；
研磨机,应能均匀地加工工件，研具磨损要小并要求能容易修整精度；
研具和抛光盘,必须避免因工作面磨损和弹性变形引起精度下降；
研具材料,微细的磨粒和使磨粒对工件作用很浅的材料；
加工液,提供磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。
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第 3节 超精密平面研磨和抛光一、精密平面的研磨机
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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铟；
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,研磨盘不易保持平面度
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三、平面研磨时工件和软质研具的磨损量工件与研具两者的任意点 A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。
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使用 η p小的研具效果好。使用
ξ 小的研具能有效地控制平面度的恶化,但 ξ 太小时，压力偏差较大，
反而易引起平面度的恶化。而当 ξ
较大时，只要加工量少，由于压力偏差较小，初始的平面度不会产生多大的恶化。
2009-7-28
四、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。
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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，可获得平面度很高的研磨表面，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，但不易获得很高的平面度。
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。
2009-7-28
5）研磨平行度要求很高的零件时，采用 （ 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，加偏心载荷修正不平行度。
6）为提高研磨抛光的效率和研磨表面质量，
可在研磨剂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。
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第 4节 超精密研磨抛光的主要新技术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也有缓冲效果。
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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 0.01μ m大小的 SiO2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 SiO2磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。
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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
（ <0.015μ m）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一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，臵于磁场中，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加工。
磨粒悬浮式 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。研磨装臵由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。 磨粒控制式 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。
磁流体封闭式 加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放臵进行加工。
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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、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。
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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。
加工原理实质 是磨粒原子的扩散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。
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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。
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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，而加工装臵又与当前使用的研磨盘或抛光机相似，只是在 水蒸气环境 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。
2009-7-28
习题 6-2
习题 6-15
课后思考题
2009-7-28
