精密研磨与抛光概述

精密研磨与抛光概述

2021-12-07 16:47:18 0

       一、研磨加工机理

  精密研磨属于游离磨粒切削加工,是在刚性研具(如铸铁、锡、铝等软金属或硬木、塑料等)上注入磨料,在—定压力下,通过研具与工件的相对运动,借助磨粒的微切削作用,除去微量的工件材料,以达到高级几何精度和优良表面粗糙度的加工方法。

  1.硬脆材料的研磨

  硬脆材料研磨的加工模型如图3-8所示。

一部分磨粒在研磨压力的作用下用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工

另—部分磨粒则产生滚轧效果,使工件表面产生脆性崩碎形成切屑。

研磨磨粒为1μm的氧化铝和碳化硅等。

 

  2.金属材料的研磨

  金属材料研磨时,磨粒的研磨作用相当于普通切削和磨削的切削深度极小时的状态,没有裂纹的产生。

由于磨粒处于游离状态,难以形成连续的切削,磨粒与工件间仅是断续的研磨动作,从而形成磨屑。


  二、抛光加工机理

  抛光是指用低速旋转的软质弹性或粘弹性材料(塑料、沥青、石蜡、锡等)抛光盘,或高速旋转的低弹性材料(棉布、毛毡、人造革等)抛光盘,加抛光剂,具有一定研磨性质地获得光滑表面的加工方法。

抛光—般不能提高工件形状精度和尺寸精度。

抛光使用的磨粒是1μm以下的微细磨粒。


  抛光加工模型如图3-9所示。

微小的磨粒被抛光器弹性地夹持研磨工件,因而磨粒对工件的作用力很小,即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。

抛光加工是磨粒的微小塑性切削作用和加工液的化学性溶析作用的结合。


  三、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如表3-5所示。

  在一定的范围内,增加研磨压力可以提高研磨效率。


  此外,超精密研磨对研磨运动轨迹有以下基本要求,保征工件加工表面和研具表面上各点均有相同或相近的被切削条件和切削条件:

  ①工件相对研磨盘作平面平行运动,使工件上各点具有相同或相近的研磨行程。

  ②工件上任一点不出现运动轨迹的周期性重复。

  ③避免曲率过大的运动转角,保证研磨运动平稳。

  ④保证工件走遍整个研磨盘表面,以使研磨盘磨损均匀,进而保证工件表面的平面度。

  ⑤及时变换工件的运动方向,以减小表面粗糙度值并保证表面均匀一致。


  四、研磨盘与抛光盘

  1.研磨盘

  研磨盘是涂敷或嵌入磨料的载体,以发挥磨粒切削作用,同时又是研磨表面的成形工具。研磨对研磨盘加工面的几何精度要求很高。


  研磨盘材料硬度要低于工件材料硬度,且组织均匀致密、无杂质、无异物、无裂纹和无缺陷,并有一定的磨料嵌入性和浸含性。

常用的研磨盘材料有铸铁、黄铜、玻璃等。


  研磨盘的结构要具有良好的刚性、精度保持性、耐磨性、排屑性和散热性。为了获得良好的研磨表面,常在研磨盘面上开槽。开槽的目的为:

  ①在槽内存储多余的磨粒,以防止磨料堆积而损伤工件表面。

  ②加工过程中作为向工件供给磨粒的通道。

  ③作为及时排屑的通道,以防止研磨表面被划伤。


  固着磨料研磨盘是一种适用于陶瓷、硅片、水晶等脆性材料精密研磨的研具,具有表面精度保持性好、研磨效率高的优点。

它是将金刚石或立方氮化硼磨料与铸铁粉末混合后,烧结成小薄块,或用电铸法将磨粒固着在金属薄片上,再用环氧树脂将这些小薄块粘贴在研磨盘而制成的。


  2.抛光盘

  抛光盘平面精度及其精度保持性是实现高精度平面抛光的关键。

因此,抛光小面积的高精度平面工件时要使用弹性变形小,并始终能保持平面度的抛光盘。

较为理想的是采用特种玻璃或者在平面金属盘上涂一层弹性材料或软金属材料作为抛光盘。


  为获得无损伤的平滑表面,当工件材料较软时(如加工光学玻璃),可使用半软质抛光盘(如锡盘、铅盘)和软质抛光盘(如沥青盘、石蜡盘)。


使用软质抛光盘的优点是抛光表面加工变质层和表面粗糙度值都很小;

缺点是不易保持平面度,因而影响工件的平面度。


  五、研磨剂与抛光剂

  对研磨用磨粒的基本要求:

①形状、尺寸均匀一致;

②能适当地破碎,以使切削刃锋利;

③熔点高于工件熔点;

④在研磨液中容易分散。


对于抛光粉用磨粒,除上述要求外,还要考虑与工件材料作用的化学活性。

  研磨抛光加工液主要作用是冷却、润滑、均布研磨盘表面磨粒及排屑。


对研磨抛光液的要求:

①有效地散热,以防止研磨盘和工件热变形;

②粘附低,以保证磨料的流动性;

③不污染工件;

④物理、化学性能稳定,不分解变质;

⑤能较好地分散磨粒。


  六、非接触抛光

  非接触抛光是指在抛光中工件与抛光盘互不接触,依靠抛光剂冲击工件表面,以获得加工表面完美结晶性和精确形状的抛光方法,其去除量仅为几个到十几个原子级。

非接触抛光主要用于功能晶体材料抛光(注重结晶完整性和物理性能)和光学零件的抛光(注重表面粗糙度及形状精度)。

  1.弹性发射加工

  弹性发射加工(EEM,Elastic Emission Machining)是指加工时研具与工件互不接触,通过微粒子冲击工件表面,对物质的原子结合产生弹性破坏,以原子级的加工单位去除工件材料,从而获得无损伤的加工表面。


  弹性发射加工原理是利用水流加速微细磨粒,以尽可能小的入射角(近似水平)冲击工件表面,在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应,造成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相扩散,形成与工件表层其他原子结合力较弱的杂质点缺陷,当这些缺陷再次受到磨粒撞击时,杂质点原子与相邻的几个原子被一并移去,同时工件表层凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。


弹性发射加工方法如图3-10所示。


加工头为—聚氨脂球,在微粒子悬浮液中,加工球头在回转中向工件表面接近,使悬浮液中的微粒子在工件表面的微小面积(Фl~2mm)内产生作用。

 

  对加工头和工作台实施数控,可实现曲面加工。EEM的数控加工装置如图3-11所示。

 

  2.浮动抛光

  浮动抛光(Float Polishing)是一种平面度极高的非接触超精密抛光方法。

浮动抛光装置如图3-12所示。

高回转精度的抛光机采用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘,抛光液覆盖在整个抛光盘表面上,抛光盘及工件高速回转时,在二者之间的抛光液呈动压流体状态,并形成一层液膜,从而使工件在浮起状态下进行抛光。超精密抛光盘的制作是实现浮动抛光加工的关键。


  3.动压浮离抛光

  动压浮离抛光(Hydrodynami-type Polishing)是另一种非接触抛光。

平面非接触抛光装置如图3-13所示。

工作原理是:当沿圆周方向制有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时,通过液体楔产生液体动压(动压推力轴承工作原理),使保持环中的工件浮离圆盘表面,由浮动间隙中的粉末颗粒对工件进行抛光。

加工过程中无摩擦热和工具磨损,标准平面不会变化,因此,可重复获得精密的工件表面。

该方法主要用于半导体基片和各种功能陶瓷材料及光学玻璃平晶的抛光,可同时进行多片加工。

用这种方法加工3”直径硅片可获得0.3μm的平面度和Ra1nm的表面粗糙度。

 

  4.非接触化学抛光

  普通的盘式化学抛光方法,是通过向抛光盘面供给化学抛光液,使其与被加工面作相对滑动,用抛光盘面来去除被加工件面上产生的化学反应生成物。

这种以化学腐蚀作用为主,机械作用为辅的加工,又称为化学机械抛光。


水面滑行抛光(Hvdroplan Polishing)是一种工件与抛光盘互不接触,不使用磨料的新型化学抛光方法。

它借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起,利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光。

水面滑行抛光法是为抛光GaAs和lnP等化合物半导体基片而开发的,抛光装置如图3-14所示。


将被加工的半导体基片吸附在作为工件夹具的直径为100mm的水晶光学平板的底面。

水晶平板的边缘呈锥状,并通过带轮与抛光装置相连。

基片高度可利用调节螺母进行调节(调节范围在125μm以内)。

将腐蚀液注到抛光盘中心附近,当抛光盘以1200r/min的转速回转时,通过液体摩擦力,使水晶平板以1800r/min转速回转,同时动压力使水晶平板上浮,完成抛光盘对工件表面的非接触化学抛光。


水面滑行抛光的加工液为甲醇、甘醇和溴的混合液。甲醇和溴对GaAs和InP是有效的腐蚀液,甘醇具有调整液体粘度的作用。

 

  5.切断、开槽及端面抛光

  采用非接触端面抛光可实现对沟槽的壁面、垂直柱状轴断面进行镜面加工。

这是传统抛光方法难以做到的。

端面非接触镜面抛光装置示意图如图3-15所示。

工具与工件互不接触,高速旋转的工具驱动微粒冲击工件形成沟槽或切断,然后再用同一种工具,对同一位置进行数次抛光,即可实现断面的镜面抛光。

其加工表面粗糙度低于Ra3nm,而且没有热氧的层叠缺陷。

该方法可用于直径0.1mm左右的光导纤维线路零件的端面镜面抛光以及精密元件的切断。

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