超精密研磨与抛光[行业荟萃]

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源自文库19
抛光垫形状外貌
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抛光垫材料和类型
Type I
注入聚合物的毛毡
Type II
微孔材料
Type III
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 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 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 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 裂纹层、弹性变形层和主体材料。
第5章 超精密研磨与抛光
Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing
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5.1 研磨和抛光的概述
利用工件与研具相对运动， 通过研磨剂作用而获得高质 量、高精度的加工方法。
研磨和抛光的历史很长。 玉器。 中国古代的铜镜。 眼镜，最早出现于1289 年的意大利佛罗伦萨。 望远镜和显微镜是在文 艺复兴时期发明的。
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。
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行星轮式双面平面研磨机
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行星轮式双面平面研磨机
2) 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。
3) 在加工液中进行化学性溶析。 4) 工件和磨粒之间有直接的化学反应而有
助于上述现象。
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5.2.3 研磨的加工变质层
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。 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。
金属氧化物、金属碳化物、氮化物、硼化物 硬度、韧性、形状 0.01um～几十um 酸性~碱性、界面活性剂 界面活性剂
1~100m/min
0.01~30N/cm2
～10h
室温设定温度±0.1℃
利用净化槽、净化操作台
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5.4 超精密平面研磨和抛光
超精密研磨和抛光是加工误差<0.1 μm，表面粗 糙度Ra<0.02 μm的加工方法。
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5.3 研磨和抛光的主要工艺因素
项
研磨法
研具
磨粒
加工液 工件、研具相对速度
目
加工方式 加工运动 驱动方式
材料 形状 表面状态
种类 材质、形状 粒径
水质 油质
加工压力
加工时间
环境
温度
尘埃
内容
单面研磨、双面研磨 旋转、往复 手动、机械驱动、强制驱动、从动
硬质、软质、人造、天然 平面、球面、非球面、圆柱面 有槽、有孔、无槽
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5.2 研磨和抛光的机理和特点
5.2.1 研磨加工的机理和特点
研磨加工通常使用1μm到几十μm的氧化铝和 碳化硅等磨粒和铸铁等硬质材料的研具。
磨粒的工作状态
1) 磨粒在工件与研具之间 进行转动;
2) 由研具面支承磨粒研磨 加工面;
3) 由工件支承磨粒研磨加 工面。
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研磨的机理
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5.2.2 抛光加工的机理和特点
使用<1μm的微细磨粒； 软质材料抛光垫：沥
青、石蜡、合成树脂 和人造革等。
微小的磨粒微小的磨 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。
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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 屑。但是它仅利用极少磨粒强制压入产 生作用。
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5.2.4抛光的加工变质层
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。
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。
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超精密平面研磨机
可以用单 面研磨， 也可以用 双面研磨。
进行高质 量平行平 面研磨时， 需使用双 面研磨。
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单面研磨机
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平面研磨的研具
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；
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 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，金属与大气中的活性氧结合， 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。
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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 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。 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。 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 抛光技术。
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。
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抛光机
多头、单头抛光机
Substrate Carrier
Polish Overarm
Polish Table
Substrate Carrier with Polish Overarm
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。 硬脆材料的研磨
微小破碎痕迹构成的无光泽面； 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。 金属材料的研磨
表面没有裂纹； 对于铝材等软质材料，研磨时有很多磨粒被压入材料内； 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。