超精密研磨與拋光.ppt

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第5章超精密研磨與拋光,Chapter5UltraPrecisionLappingandPolishing,5.1研磨和拋光的概述,利用工件與研具相對運動，通過研磨劑作用而獲得高質(zhì)量、高精度的加工方法。研磨和拋光的歷史很長。玉器。中國古代的銅鏡。眼鏡，最早出現(xiàn)于1289年的意大利佛羅倫薩。望遠鏡和顯微鏡是在文藝復興時期發(fā)明的。,,,現(xiàn)在，除已實現(xiàn)批量生產(chǎn)透鏡和棱鏡外，其加工水平已能完成光學鏡面和保證高形狀精度的光學平晶、平行平晶以及具有特定曲率的球面等標準件的加工。就實施超精密加工而言，在各種加工方法中，研磨和拋光方法最為有力。為適應零件加工的要求，不斷進行技術改造和開發(fā)新加工原理的超精密研磨和拋光技術。,5.2研磨和拋光的機理和特點5.2.1研磨加工的機理和特點,研磨加工通常使用1μm到幾十μm的氧化鋁和碳化硅等磨粒和鑄鐵等硬質(zhì)材料的研具。,磨粒的工作狀態(tài)磨粒在工件與研具之間進行轉(zhuǎn)動;由研具面支承磨粒研磨加工面;由工件支承磨粒研磨加工面。,研磨的機理,由于工件、磨粒、研具和研磨液等的不同，上述三種研磨方法的研磨表面狀態(tài)也不同。表面的形成，是在產(chǎn)生切屑、研具的磨損和磨粒破碎等綜合在一起的復雜情況下進行的。硬脆材料的研磨微小破碎痕跡構成的無光澤面；磨粒不是作用于鏡面而是作用在有凸凹和裂紋等處的表面上，并產(chǎn)生磨屑。金屬材料的研磨表面沒有裂紋；對于鋁材等軟質(zhì)材料，研磨時有很多磨粒被壓入材料內(nèi)；對刀具和塊規(guī)等淬火工具鋼等可確保有塊規(guī)那樣的光澤表面。,5.2.2拋光加工的機理和特點,使用<1μm的微細磨粒；軟質(zhì)材料拋光墊：瀝青、石蠟、合成樹脂和人造革等。微小的磨粒微小的磨粒被拋光器彈性地夾持研磨工件。因而，磨粒對工件的作用力很小，即使拋光脆性材料也不會發(fā)生裂紋。,拋光的加工機理,由磨粒進行的機械拋光可塑性地生成切屑。但是它僅利用極少磨粒強制壓入產(chǎn)生作用。借助磨粒和拋光器與工件流動摩擦使工件表面的凸因變平。在加工液中進行化學性溶析。工件和磨粒之間有直接的化學反應而有助于上述現(xiàn)象。,5.2.3研磨的加工變質(zhì)層,加工變質(zhì)層使工件材質(zhì)的結構、組織和組成遭到破壞或接近于破壞狀態(tài)。在變質(zhì)層部分存在變形和應力，還有其物理的和化學的影響等。硬度和表面強度變化等機械性質(zhì)和耐腐蝕性等化學性質(zhì)也與基體材料不同。硬脆材料經(jīng)研磨后的表面，經(jīng)研磨的單晶硅表面，使用氟、硝酸系列的溶液進行化學浸蝕，依次去掉表層，用電子衍射法進行晶體觀察時，從表層向內(nèi)部的順序為非晶體層或多晶體層、鑲嵌結構層、畸變層和完全結晶結構。另外，從使用X射線衍射法的彈塑性學的觀點來評價，則表層是由極小的塑性流動層構成，其下是有異物混人的裂紋層，再下則是裂紋層、彈性變形層和主體材料。在研磨金屬材料時，雖不發(fā)生破碎，但是磨粒轉(zhuǎn)動和刮削時，由于材料承受了塑性變形，通常形成與上述硅片相類似的加工變質(zhì)層。相反，例如是多晶的金屬材料，則越接近被加工的表層，晶粒越微細，累積位錯在最表層，變成非晶質(zhì)狀態(tài)。在這部分，金屬與大氣中的活性氧結合，變得活躍。另外，有時發(fā)生因塑性變形而使磨粒等容易嵌進金屬。,5.2.4拋光的加工變質(zhì)層,關于拋光的加工變質(zhì)層，即使工件是硬脆材料，拋光時也不會出現(xiàn)裂紋，加工變質(zhì)層的結構與深度應當與研磨有相當大的不同。由氧化鈰磨粒和瀝青研具精加工的石英振子鏡面，其加工變質(zhì)層的結構可使用氟化氨的飽和水溶液腐蝕來檢測。根據(jù)檢測結果得知，由表層向組織內(nèi)部的結構順序是拋光應力層，經(jīng)腐蝕出現(xiàn)的2次裂紋應力層，2次裂紋影響層和完全結晶層，整個深度為3um。,5.3研磨和拋光的主要工藝因素,5.4超精密平面研磨和拋光,超精密研磨和拋光是加工誤差<0.1μm，表面粗糙度Ra<0.02μm的加工方法。用于制造高精度高表面質(zhì)量的零件，如大規(guī)模集成電路的硅片，不僅要求極高的平面度，極小的表面粗糙度，而且要求表面無變質(zhì)層、無劃傷。光學平晶、量塊、石英振子基片平面，除要求極高平面度、極小表面粗糙度外，還要求兩端面嚴格平行。,行星輪式雙面平面研磨機,行星輪式雙面平面研磨機,,超精密平面研磨機,可以用單面研磨，也可以用雙面研磨。進行高質(zhì)量平行平面研磨時，需使用雙面研磨。,,,單面研磨機,,平面研磨的研具,為確保幾何形狀精度，研磨端面小的高精度平面工件時要使用彈性變形小的研具；除特種玻璃外，可以用在加工成平面的金屬板上涂一層四氟乙烯，或鍍鉛和銦；為獲得高的表面質(zhì)量，在工件材料較軟時，有時使用半軟質(zhì)（如錫）和軟質(zhì)（如瀝青）的研磨盤，主要問題是不易保持平面度，優(yōu)點是表面變質(zhì)層小、表面粗糙度小。,,,拋光機,多頭、單頭拋光機,拋光墊形狀外貌,,拋光墊材料和類型,,TypeI注入聚合物的毛氈,TypeII微孔材料,TypeIII充填聚合物,TypeIV未充填聚合物,拋光墊的修整,拋光前,拋光后,修整器,三種磨粒分布方式,均勻分布型,,任意分布型,成簇分布型,拋光液類型,,絮狀拋光液,膠狀拋光液,高質(zhì)量平面的研磨拋光工藝規(guī)律,研磨運動軌跡應能達到研磨痕跡均勻分布，并且不重疊；硬質(zhì)研磨盤在精研修形后，可以獲得平面度很高的研磨表面，但要求很嚴格的工藝條件。硬質(zhì)研磨盤要求材質(zhì)均勻，并有微孔容納微粉磨料。軟質(zhì)和半軟質(zhì)研磨盤容易獲得表面變質(zhì)層小、和表面粗糙度極小的研磨拋光表面，主要問題是不易保持面型，不易獲得很高的平面度。使用金剛石微粉等超硬磨料可以達到很高的研磨拋光效率。在最后精密拋光硅片、光學玻璃、石英晶片時，使用SiO2,CeO2微粉和軟質(zhì)研磨盤容易得到表面變質(zhì)層和表面粗糙度小的優(yōu)質(zhì)表面，不易獲得很高的平面度。研磨平行度要求很高的零件時，可采用上研磨盤浮動以消除上下研磨盤不平行誤差；小研磨零件實行定期180方位對換研磨，以消除因零件厚度不等造成上研磨盤傾斜而研磨表面不平行。在研磨劑中加入一定量的化學活性物質(zhì)，可以提高研磨拋光的效率和表面質(zhì)量。,,,圓柱面的研磨,,球面的研磨,,,,5.5新原理的超精密研磨拋光,傳統(tǒng)的研磨拋光方法是完全靠微細磨粒的機械作用去除被研磨表面的材質(zhì)，達到很高的加工表面。最近出現(xiàn)新原理的研磨拋光方法其工作原理有些已不完全是純機械的去除，有些不用傳統(tǒng)的研具和磨料。這些新的研磨拋光方法可以達到分子級和原子級材料的去除，并達到相應的極高幾何精度和無缺陷無變質(zhì)層的加工表面。,5.5.1液中研磨,磨料：微細的Al2O3磨粒研具：聚氨酯加工液：過濾水、蒸餾水、凈化水機理：將研磨操作浸入在含有磨粒的研磨劑中進行，借助水波效果，利用浮游的微細磨粒進行研磨加工。以磨粒的機械作用為中心，由加工液進行磨粒的分散，起緩沖和冷卻作用。應用：加工硅片，可以得到完全高質(zhì)量的鏡面。,5.5.2化學機械拋光,微細磨粒＋軟質(zhì)拋光墊＋酸性（或堿性）液利用磨粒的機械作用和加工液的腐蝕作用的雙重作用的加工方法,,,5.5.3非接觸研磨技術,非接觸研磨技術是以彈性發(fā)射加工（EEM)的理論為基礎的。,EEM方法是利用微細粒子在材料表面上滑動時去除材料的加工。微細粒子以接近水平的角度與材料碰撞，在接近材料表面處產(chǎn)生最大的剪斷應力，既不使基體內(nèi)的位錯、缺陷等發(fā)生移動（塑性變形），又能產(chǎn)生微量的“彈性破壞”，以進行去除加工。,彈性發(fā)射加工－EEM（ElasticEmissionMachining）,加工時研具于工件不接觸，使微細粒子在研具與工件表面之間自由狀態(tài)流動，當使微細粒子撞擊工件表面時，則產(chǎn)生彈性破壞物質(zhì)的原子結合，從而獲得無干擾的加工表面。加工單位為0.1μm以下，原理上是采用噴射粒子的加工方式，要盡量以小角度撞擊加工表面，其加工精度接近于原子級，可獲得相當好的表面。加工方法是使用聚氨酯球作加工頭，在微細粒子混合均勻的懸浮液中，使加工頭邊回轉(zhuǎn)邊向工件表面靠近，是混合液中的微細粒子在工件表面的微小面積（Φ1~2mm）內(nèi)產(chǎn)生作用，進行加工。,,微細粒子撞擊工件表面時，在接觸點產(chǎn)生高溫高壓。高溫使工件表層原子晶格中空位增大；高壓使磨粒的原子擴散到工件表層的原子空位上，工件表層的原子也擴散到磨粒中。擴散到工件中的磨粒原子成為表層的雜質(zhì)原子，減弱了本體原子的聯(lián)系。,EEM方法的剪切作用,加了速的微小粒子彈性沖擊被加工表面的原子晶格，使表層不平的原子晶格受到極大的剪切力，從而移去這層不平的原子，這是不需經(jīng)過擴散過程的機械作用的結果。,彈性發(fā)射加工裝置,對聚氨酯球的加工頭和工作臺采用數(shù)控裝置，則能進行曲面加工。,非接觸研磨加工裝置,半導體基板、各種晶體、玻璃基板的非接觸研磨裝置。研具是使用有輻射狀傾斜平面組成的圓環(huán)裝平板。平面工件放在圓環(huán)中。,動壓效應,當圓盤在液體中回轉(zhuǎn)時，在傾斜平面部位產(chǎn)生動壓效應，使平面板上浮，工件將是懸浮狀態(tài)，由微細粒子進行研磨。,浮動拋光,浮動拋光（FloatPolishing）使用高平面度平面并帶有同心圓或螺旋溝槽的錫拋光盤，使拋光盤及工件高速回轉(zhuǎn)，在二者之間拋光液呈動壓流體狀態(tài)，形成一層液膜，從而使工件在浮起狀態(tài)下進行拋光。1977年，Namba和Tsuwa首次使用了浮動拋光加工藍寶石單晶體時表面粗糙度低于1nm。此技術發(fā)展應用到拋光不銹鋼、鑄鐵、鎳等金屬（1980），以及硼硅酸鹽玻璃，熔融硅和低膨脹系數(shù)等光學材料（1980-1987），工件表面粗糙度達到了1-2。Touge和Matsuo（1996）研究了鐵酸鹽多晶體的浮動拋光，采用金剛石磨料，其拋光速度要比傳統(tǒng)拋光方法高2.7倍。目前，采用浮動拋光方法拋光計算機磁頭的磁隙面，可防止出現(xiàn)晶界差，獲得Rz2nm的表面粗糙度。于浮動拋光容易獲得很高精度的平面形狀，可用于光學平晶，鈮酸鋰、水晶等功能陶瓷材料基片批量加工。,,水面滑行拋光,水面滑行拋光（HydroplanPolishing），是借助流體壓力使工件基片從拋光盤面上浮起，利用具有浸蝕作用的液體作加工液的拋光方法，不使用磨料，是一種化學拋光方法。Gormley（1981）等人以及Ives（1988）等人為獲得GaAs,InP和HgCdTe等半導體晶體的光滑、無損傷表面采用了此拋光方法。工件受到甲醇、甘醇和溴的混合物的侵蝕，在H2氣中、600℃高溫下熱腐蝕15分鐘，以10μm／min的去除率進行GaAs，InP基板表面無損傷拋光。直徑2.5cm基板，其平面度在0.3μm以內(nèi)。,,1.工件2.水晶平板3.調(diào)節(jié)螺母4.腐蝕液5.拋光盤,5.5.4無磨料拋光,水合拋光（Hydrationpolishing）水合拋光是一種利用在工件界面上產(chǎn)生水合反應的新型高效、超精密拋光方法。主要特點是不使用磨粒和加工液，加工表面無污染。使用杉木拋光盤拋光藍寶石，最終表面粗糙度Rz小于1nm。,,1.水蒸氣發(fā)生器2.工件3.拋光盤4.載荷5.保持架6.蒸汽噴嘴7.加熱器8.偏心凸輪,5.5.5電場和磁場拋光加工,電場和磁場拋光加工是利用和控制電、磁場的強弱使磁流體帶動磨粒對工件施加壓力從而對高形狀精度、高表面質(zhì)量和晶體無畸變的表面進行加工的拋光方法。主要用于信息設備和精密機械高性能元件的加工。通過對電、磁場的控制也可以加工自由曲面。主要：,磁力拋光磁懸浮拋光磁流流變拋光電泳拋光,磁力拋光的加工原理,磁性磨料在磁場作用下形成柔性磨料刷柔性磨料刷與工件相對運動產(chǎn)生切削、刻劃、滑擦、擠壓和滾動等現(xiàn)象形成研磨、拋光、去毛刺等,加工機理,微量切削與擠壓多次塑變磨損摩擦腐蝕磨損電化學腐蝕磨損,磁力研磨加工的應用,非磁性直管內(nèi)壁的磁力研磨利用永久磁鐵產(chǎn)生磁場利用電磁場非磁性彎管內(nèi)壁的磁力研磨復雜曲面的磁力研磨異型件的拋光、去毛刺球面零件的磁力研磨加工磁力滾拋,非磁性管內(nèi)壁的磁力拋光（磁場由永久鐵產(chǎn)生）,非磁性彎管內(nèi)壁的磁力拋光,球面和復雜曲面的磁力研磨,異型件的拋光、去毛刺,磁力滾拋加工,磁力懸浮研磨,,磁流體研磨加工(MagneticFluidGrinding),10nm以下的強磁性微粒Fe3O4（<10nm）、鐵粉(<3nm)表面活性劑基液(媒體),60年代，美國首先用于宇航工業(yè),陶瓷球的磁流體研磨,,氮化硅Si3N4,磁流體拋光,,,,,,,,,,,,,,,,,,