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(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)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(zhǎng)。玉器。中國(guó)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(yuǎn)鏡和顯微鏡是在文藝復(fù)興時(shí)期發(fā)明的。,,,現(xiàn)在，除已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)透鏡和棱鏡外，其加工水平已能完成光學(xué)鏡面和保證高形狀精度的光學(xué)平晶、平行平晶以及具有特定曲率的球面等標(biāo)準(zhǔn)件的加工。就實(shí)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(yīng)零件加工的要求，不斷進(jìn)行技術(shù)改造和開(kāi)發(fā)新加工原理的超精密研磨和拋光技術(shù)。,5.2研磨和拋光的機(jī)理和特點(diǎn)5.2.1研磨加工的機(jī)理和特點(diǎn),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(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng);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(jī)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(fù)雜情況下進(jìn)行的。硬脆材料的研磨微小破碎痕跡構(gòu)成的無(wú)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(méi)有裂紋；對(duì)于鋁材等軟質(zhì)材料，研磨時(shí)有很多磨粒被壓入材料內(nèi)；對(duì)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(jī)理和特點(diǎn),使用<1μm的微細(xì)磨粒；軟質(zhì)材料拋光墊：瀝青、石蠟、合成樹(shù)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(duì)工件的作用力很小，即使拋光脆性材料也不會(huì)發(fā)生裂紋。,拋光的加工機(jī)理,由磨粒進(jìn)行的機(jī)械拋光可塑性地生成切屑。但是它僅利用極少磨粒強(qiáng)制壓入產(chǎn)生作用。借助磨粒和拋光器與工件流動(dòng)摩擦使工件表面的凸因變平。在加工液中進(jìn)行化學(xué)性溶析。工件和磨粒之間有直接的化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(yīng)力，還有其物理的和化學(xué)的影響等。硬度和表面強(qiáng)度變化等機(jī)械性質(zhì)和耐腐蝕性等化學(xué)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(jìn)行化學(xué)浸蝕，依次去掉表層，用電子衍射法進(jìn)行晶體觀察時(shí)，從表層向內(nèi)部的順序?yàn)榉蔷w層或多晶體層、鑲嵌結(jié)構(gòu)層、畸變層和完全結(jié)晶結(jié)構(gòu)。另外，從使用X射線衍射法的彈塑性學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)，則表層是由極小的塑性流動(dòng)層構(gòu)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(shí)，雖不發(fā)生破碎，但是磨粒轉(zhuǎn)動(dòng)和刮削時(shí)，由于材料承受了塑性變形，通常形成與上述硅片相類(lèi)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(xì)，累積位錯(cuò)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(jié)合，變得活躍。另外，有時(shí)發(fā)生因塑性變形而使磨粒等容易嵌進(jìn)金屬。,5.2.4拋光的加工變質(zhì)層,關(guān)于拋光的加工變質(zhì)層，即使工件是硬脆材料，拋光時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)裂紋，加工變質(zhì)層的結(jié)構(gòu)與深度應(yīng)當(dāng)與研磨有相當(dāng)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(jié)構(gòu)可使用氟化氨的飽和水溶液腐蝕來(lái)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果得知，由表層向組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)順序是拋光應(yīng)力層，經(jīng)腐蝕出現(xiàn)的2次裂紋應(yīng)力層，2次裂紋影響層和完全結(jié)晶層，整個(gè)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(wú)變質(zhì)層、無(wú)劃傷。光學(xué)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(yán)格平行。,行星輪式雙面平面研磨機(jī),行星輪式雙面平面研磨機(jī),,超精密平面研磨機(jī),可以用單面研磨，也可以用雙面研磨。進(jìn)行高質(zhì)量平行平面研磨時(shí)，需使用雙面研磨。,,,單面研磨機(jī),,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(shí)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(shí)，有時(shí)使用半軟質(zhì)（如錫）和軟質(zhì)（如瀝青）的研磨盤(pán)，主要問(wèn)題是不易保持平面度，優(yōu)點(diǎn)是表面變質(zhì)層小、表面粗糙度小。,,,拋光機(jī),多頭、單頭拋光機(jī),拋光墊形狀外貌,,拋光墊材料和類(lèi)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(lèi)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(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)能達(dá)到研磨痕跡均勻分布，并且不重疊；硬質(zhì)研磨盤(pán)在精研修形后，可以獲得平面度很高的研磨表面，但要求很?chē)?yán)格的工藝條件。硬質(zhì)研磨盤(pán)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(pán)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(wèn)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(dá)到很高的研磨拋光效率。在最后精密拋光硅片、光學(xué)玻璃、石英晶片時(shí)，使用SiO2,CeO2微粉和軟質(zhì)研磨盤(pán)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(shí)，可采用上研磨盤(pán)浮動(dòng)以消除上下研磨盤(pán)不平行誤差；小研磨零件實(shí)行定期180方位對(duì)換研磨，以消除因零件厚度不等造成上研磨盤(pán)傾斜而研磨表面不平行。在研磨劑中加入一定量的化學(xué)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(xì)磨粒的機(jī)械作用去除被研磨表面的材質(zhì)，達(dá)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(jī)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(dá)到分子級(jí)和原子級(jí)材料的去除，并達(dá)到相應(yīng)的極高幾何精度和無(wú)缺陷無(wú)變質(zhì)層的加工表面。,5.5.1液中研磨,磨料：微細(xì)的Al2O3磨粒研具：聚氨酯加工液：過(guò)濾水、蒸餾水、凈化水機(jī)理：將研磨操作浸入在含有磨粒的研磨劑中進(jìn)行，借助水波效果，利用浮游的微細(xì)磨粒進(jìn)行研磨加工。以磨粒的機(jī)械作用為中心，由加工液進(jìn)行磨粒的分散，起緩沖和冷卻作用。應(yīng)用：加工硅片，可以得到完全高質(zhì)量的鏡面。,5.5.2化學(xué)機(jī)械拋光,微細(xì)磨粒＋軟質(zhì)拋光墊＋酸性（或堿性）液利用磨粒的機(jī)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(shù),非接觸研磨技術(shù)是以彈性發(fā)射加工（EEM)的理論為基礎(chǔ)的。,EEM方法是利用微細(xì)粒子在材料表面上滑動(dòng)時(shí)去除材料的加工。微細(xì)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(yīng)力，既不使基體內(nèi)的位錯(cuò)、缺陷等發(fā)生移動(dòng)（塑性變形），又能產(chǎn)生微量的“彈性破壞”，以進(jìn)行去除加工。,彈性發(fā)射加工－EEM（ElasticEmissionMachining）,加工時(shí)研具于工件不接觸，使微細(xì)粒子在研具與工件表面之間自由狀態(tài)流動(dòng)，當(dāng)使微細(xì)粒子撞擊工件表面時(shí)，則產(chǎn)生彈性破壞物質(zhì)的原子結(jié)合，從而獲得無(wú)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(jí)，可獲得相當(dāng)好的表面。加工方法是使用聚氨酯球作加工頭，在微細(xì)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(xì)粒子在工件表面的微小面積（Φ1~2mm）內(nèi)產(chǎn)生作用，進(jìn)行加工。,,微細(xì)粒子撞擊工件表面時(shí)，在接觸點(diǎn)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(kuò)散到工件表層的原子空位上，工件表層的原子也擴(kuò)散到磨粒中。擴(kuò)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(guò)擴(kuò)散過(guò)程的機(jī)械作用的結(jié)果。,彈性發(fā)射加工裝置,對(duì)聚氨酯球的加工頭和工作臺(tái)采用數(shù)控裝置，則能進(jìn)行曲面加工。,非接觸研磨加工裝置,半導(dǎo)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(dòng)壓效應(yīng),當(dāng)圓盤(pán)在液體中回轉(zhuǎn)時(shí)，在傾斜平面部位產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，使平面板上浮，工件將是懸浮狀態(tài)，由微細(xì)粒子進(jìn)行研磨。,浮動(dòng)拋光,浮動(dòng)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(pán)，使拋光盤(pán)及工件高速回轉(zhuǎn)，在二者之間拋光液呈動(dòng)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(jìn)行拋光。1977年，Namba和Tsuwa首次使用了浮動(dòng)拋光加工藍(lán)寶石單晶體時(shí)表面粗糙度低于1nm。此技術(shù)發(fā)展應(yīng)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(xué)材料（1980-1987），工件表面粗糙度達(dá)到了1-2。Touge和Matsuo（1996）研究了鐵酸鹽多晶體的浮動(dòng)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(dòng)拋光方法拋光計(jì)算機(jī)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(dòng)拋光容易獲得很高精度的平面形狀，可用于光學(xué)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(pán)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(xué)拋光方法。Gormley（1981）等人以及Ives（1988）等人為獲得GaAs,InP和HgCdTe等半導(dǎo)體晶體的光滑、無(wú)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(jìn)行GaAs，InP基板表面無(wú)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(pán),5.5.4無(wú)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(yīng)的新型高效、超精密拋光方法。主要特點(diǎn)是不使用磨粒和加工液，加工表面無(wú)污染。使用杉木拋光盤(pán)拋光藍(lán)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(pán)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(chǎng)和磁場(chǎng)拋光加工,電場(chǎng)和磁場(chǎng)拋光加工是利用和控制電、磁場(chǎng)的強(qiáng)弱使磁流體帶動(dòng)磨粒對(duì)工件施加壓力從而對(duì)高形狀精度、高表面質(zhì)量和晶體無(wú)畸變的表面進(jìn)行加工的拋光方法。主要用于信息設(shè)備和精密機(jī)械高性能元件的加工。通過(guò)對(duì)電、磁場(chǎng)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(chǎng)作用下形成柔性磨料刷柔性磨料刷與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切削、刻劃、滑擦、擠壓和滾動(dòng)等現(xiàn)象形成研磨、拋光、去毛刺等,加工機(jī)理,微量切削與擠壓多次塑變磨損摩擦腐蝕磨損電化學(xué)腐蝕磨損,磁力研磨加工的應(yīng)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(chǎng)利用電磁場(chǎng)非磁性彎管內(nèi)壁的磁力研磨復(fù)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(chǎng)由永久鐵產(chǎn)生）,非磁性彎管內(nèi)壁的磁力拋光,球面和復(fù)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(qiáng)磁性微粒Fe3O4（<10nm）、鐵粉(<3nm)表面活性劑基液(媒體),60年代，美國(guó)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,,,,,,,,,,,,,,,,,,