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 Polishing1行业借鉴5.1 研磨和抛光的概述研磨和抛光的概述n利用工件与研具相对运动，利用工件与研具相对运动，通过研磨剂作用而获得高质通过研磨剂作用而获得高质量、高精度的加工方法。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，最早出现于眼镜，最早出现于1289年的意大利佛罗伦萨。年的意大利佛罗伦萨。n望远镜和显微镜是在文艺望远镜和显微镜是在文艺复兴时期发明的。复兴时期发明的。2行业借鉴现在，
2、除已实现批量生产透镜和棱镜外，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。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。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改造和开发新加工原理的超精密研磨和抛光技术。抛光技术。3行业借鉴5.2 研磨和抛光的机理和特点研磨和抛光
3、的机理和特点5.2.1 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的氧化铝和的氧化铝和碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。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的工作状态1)磨粒在工件与研具之间磨粒在工件与研具之间进行转动进行转动;2)由研具面支承磨粒研磨由研具面支承磨粒研磨加工面加工面;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。 4行业借鉴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
4、切屑、研具的磨损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。和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行业借鉴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的微细磨粒；的微细磨粒；n软质材料抛光垫：沥软质材料抛光垫：沥青、石蜡、合成
5、树脂青、石蜡、合成树脂和人造革等。和人造革等。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。6行业借鉴抛光的加工机理抛光的加工机理1) 由磨粒进行的机械抛光可塑性地生成切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屑。但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用。生作用。2) 借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工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。件表面的凸因变平。3) 在加工液中进行化学性
6、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。 7行业借鉴5.2.3 5.2.3 研磨的加工变质层研磨的加工变质层 n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。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。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。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硬脆材料经研磨
7、后的表面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
8、则是裂纹层、弹性变形层和主体材料。裂纹层、弹性变形层和主体材料。n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，通常形成与上述硅片相类似的加工变质层。相反，例承受了塑性变形，通常形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，性氧结合，变得活跃。另外，有时发生因塑性变形而使
9、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。 8行业借鉴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。 9行业借鉴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
10、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
11、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 埃埃利用净化槽、净化操作台利用净化槽、净化操作台10行业借鉴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。11行业借鉴行星轮式双面平面研磨机12行业借鉴行星轮式双面
12、平面研磨机13行业借鉴超精密平面研磨机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。14行业借鉴15行业借鉴单面研磨机16行业借鉴平面研磨的研具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。17行业借鉴18行业借鉴抛光机n多头、单头抛光机Substrate CarrierPolishOverarmPolish Tabl
13、eSubstrate Carrier with Polish Overarm19行业借鉴抛光垫形状外貌20行业借鉴抛光垫材料和类型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21行业借鉴抛光垫的修整抛光前 抛光后22行业借鉴修整器23行业借鉴三种磨粒分布方式均匀分布型 任意分布型 成簇分布型24行业借鉴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25行业借鉴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
14、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
15、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微粉和软质研磨盘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。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。厚度不等
16、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。26行业借鉴27行业借鉴圆柱面的研磨28行业借鉴球面的研磨29行业借鉴30行业借鉴5.5 新原理的超精密研磨抛光新原理的超精密研磨抛光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
17、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。31行业借鉴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。
18、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。32行业借鉴5.5.2 化学机械抛光化学机械抛光n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33行业借鉴34行业借鉴5.5.3 非接触研磨技术非接触研磨技术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
19、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。35行业借鉴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
20、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
21、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。36行业借鉴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
22、体原子的联系。37行业借鉴EEM方法的剪切作用n加了速的微小加了速的微小粒子弹性冲击粒子弹性冲击被加工表面的被加工表面的原子晶格，使原子晶格，使表层不平的原表层不平的原子晶格受到极子晶格受到极大的剪切力，大的剪切力，从而移去这层从而移去这层不平的原子，不平的原子，这是不需经过这是不需经过扩散过程的机扩散过程的机械作用的结果。械作用的结果。38行业借鉴弹性发射弹性发射加工装置加工装置n对聚氨酯对聚氨酯球的加工球的加工头和工作头和工作台采用数台采用数控装置，控装置，则能进行则能进行曲面加工曲面加工。39行业借鉴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
23、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。40行业借鉴动压效应动压效应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。41行业借鉴浮动抛光浮动抛光 浮动抛光（浮动抛光（Float PolishingFloat Polishing）使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡）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
24、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。膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。 19771977年，年，NambaNamba和和TsuwaTsuwa首次使用了浮动抛光加工蓝宝石单晶体时表面粗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糙度低于1nm1nm。此技术发展应用到抛光不锈钢、铸铁、镍等金属（。此技术发展应用到抛光不锈钢、铸铁、镍等金属（19801980），以及硼硅），以及硼硅酸盐玻璃，熔融硅和低膨胀系数等光学材料（酸盐玻璃，熔融硅和低膨胀系数等光学材
25、料（1980-19871980-1987），工件表面粗糙度达到了），工件表面粗糙度达到了1-2 1-2 。 TougeTouge和和MatsuoMatsuo（19961996）研究了铁酸盐多晶体的浮动抛光，采用金刚石磨料，）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其抛光速度要比传统抛光方法高2.72.7倍。目前，采用浮动抛光方法抛光计算机磁头的倍。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，获得磁隙面，可防止出现晶界差，获得Rz2nmRz2nm的表面粗糙度。于浮动抛光容易获得很高精的表面粗糙度。于浮动抛光容易获得很高精度的平面形状，可用于光
26、学平晶，铌酸锂、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工。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。42行业借鉴水面滑行抛光水面滑行抛光 43行业借鉴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。主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。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，使用杉木抛光盘抛光蓝宝石，最终表面粗糙度最终表面粗糙度Rz小于小于1nm。 1.水
27、蒸气发生器水蒸气发生器 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44行业借鉴5.5.5电场和磁场抛光加工 45行业借鉴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、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46行业借鉴加工机理n微量切削与挤压n多次塑变磨损n摩擦腐蚀磨损n电化学腐蚀磨损47行业借鉴磁力研磨加工的应用n非磁性直管内壁的磁力
28、研磨n利用永久磁铁产生磁场n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48行业借鉴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49行业借鉴非磁性弯管内壁的磁力抛光50行业借鉴球面和复杂曲面的磁力研磨51行业借鉴异型件的抛光、去毛刺磁性磨粒工 件磁极磁极52行业借鉴磁力滚抛加工53行业借鉴磁力悬浮研磨54行业借鉴磁流体研磨加工(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55行业借鉴陶瓷球的磁流体研磨氮化硅氮化硅 Si3N456行业借鉴磁流体抛光57行业借鉴58行业借鉴59行业借鉴60行业借鉴61行业借鉴62行业借鉴63行业借鉴64行业借鉴65行业借鉴
