精密与超精密磨料加工.ppt

3.1 概述 3.2 精密磨削 3.3 超硬磨料砂轮磨削 3.4 超精密磨削 3.5 精密和超精密砂带磨削 3.6 精密研磨与抛光,精密与超精密磨料加工,3.1 概述,金刚石刀具主要是对铝、铜及其合金等材料进行超精密切削，而对于黑色金属、硬脆材料的精密与超精密加工，则主要是应用精密和超精密磨料加工。所谓精密和超精密磨料加工，就是利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工，以得到高加工精度和低表面粗糙度值。,3.1 概述,一、精密和超精密加工分类,3.1 概述,一、精密和超精密加工分类,将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定的形状并具有一定强度，再采用烧结、粘接、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。,精密砂轮磨削：砂轮的粒度6080，加工精度1m，Ra0.025m；超精密砂轮磨削：砂轮的粒度W40W50，得加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。,精密砂带磨削：砂带粒度W63W28，加工精度1m，Ra0.025;超精密砂带磨削：砂带粒度W28W3，加工精度0.1m，Ra0.0250.008m。,3.1 概述,一、精密和超精密加工分类,磨料或微粉不是固结在一起，而是成游离状态。传统方法：研磨和抛光新方法：磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,精密和超精密磨削的砂轮磨料,天然金刚石人造金刚石CBN普通磨料,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,粒度表示:粗磨粒粒度：每平方英寸筛网上孔的数量，60#，80#微粉磨粒粒度：磨粒最大直径尺寸m，W5,W3,W0.5粒度选择:多选用180240普通磨料、170/200325/400超硬磨料的磨粒和各种粒度的微粉。,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,将磨料粘合在一起，形成一定的形状，并有一定的强度。陶瓷结合剂V；树脂结合剂B；金属结合剂M结合剂选择影响砂轮结合强度、自锐性、化学稳定性和修整方法等。,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,普通磨具中磨料的含量用组织表示，反映了磨粒、结合剂和气孔的比例关系。,以磨粒率表示的磨具组织及其应用范围 根据国标CB 248484,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,超硬磨具中磨粒的含量用浓度表示，是指磨料层中每cm3体积中所含磨料的重量。浓度越高，含量越多。超硬磨具的浓度选择时，应综合考虑磨料、粒度、结合剂、磨削方式、磨削质量要求、效率和加工成本。成形磨削、沟槽磨削、宽接触面平面磨削选用高质量浓度；半精磨、精磨选用细粒度、中质量浓度；高精度、低表面粗糙度值的精密磨削和超精密磨削选用细粒度、低质量浓度。,超硬磨料磨具浓度与磨料含量的关系,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,普通磨具硬度表示磨粒在外力的作用下，自磨具表面脱落的难易程度。超硬磨具中超硬磨料耐磨性好、比较昂贵，硬度一般较高。在标志中，无硬度项指标。,磨具硬度等级名称及其代号,3.1 概述,二、精密和超精密砂轮磨料磨具,高速回转时，抵抗因离心力的作用而自身破碎的能力。为确保磨具工作时的安全，对各种结合剂的磨具都规定了最高工作线速度。影响磨具强度的因数很多，主要有结合剂、磨料的粒度、磨具的组织、硬度、形状、不平衡值和制作质量，以及磨具的使用条件等。,普通磨料固结磨具主要有砂轮、磨头、油石和沙瓦等，有关名称、代号、形状及基本用途等可查阅国家标准GB2484-84和GB4127-84。磨头的代号为M，油石的代号为W。对于砂轮，其系列及其代号有：平行系列（P）、筒形系列（N）、碟形系列（D）、专用系列（J）。,根据机床规格和加工情况选择磨具的形状和尺寸。,普通磨料磨具的标志,普通磨料固结磨具的标志按国标GB2484-84规定，其书写顺序为：磨具形状、尺寸、磨料、力度、组织、结合剂、最高工作线速度。,国标GB2484-84,国际标准ISO,超硬磨料磨具的标志,书写顺序为：形状、尺寸、磨料、粒度、结合剂和浓度等。平行砂轮标志示例如下：,超硬磨料磨具的结构,超硬磨料砂轮一般由磨料层、过渡层和基体组成。,基体材料与结合剂有关，金属结合剂磨具多采用铁或铜合金；树脂结合剂磨具采用铝及合金或电木；陶瓷结合剂磨具多采用陶瓷。,涂覆磨具是将磨料用粘接剂均匀地涂敷在纸、布、化纤或其他复合材料等基底上的磨具。,3.1 概述,三、精密和超精密涂覆磨具,3.1 概述,三、精密和超精密涂覆磨具,3.1 概述,三、精密和超精密涂覆磨具,3.1 概述,三、精密和超精密涂覆磨具,棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉黑色碳化硅、绿色碳化硅、氧化铁、人造金刚石等。涂覆磨料的粒度无论磨粒还是微粉，都用P字粒度号表示。,又称胶，作用是将砂粒牢固地粘接在基底上。动物胶：皮胶、明胶、骨胶等。用于轻切削的干磨和油磨。树脂：醇酸树脂、胺基树脂、尿醛树脂、酚醛树脂等。用于难磨材料或复杂形面的磨削或抛光。高分子化合物：聚醋酸乙稀酯。用于精密磨削。,3.1 概述,三、精密和超精密涂覆磨具,重力落砂法,涂覆法,静电植砂法,3.2 精密磨削,一、精密磨削机理,微刃的微切削作用微刃的等高切削作用微刃的滑挤、摩擦、抛光作用,精密磨削是指加工精度10.1 m，表面粗糙度达到Ra0.20.025 m 的磨削。又称低粗糙度磨削。多应用于机床主轴、轴承、液压滑阀、滚动导轨、量规等的精密加工。,3.2 精密磨削,二、精密磨削砂轮选择,精密磨削使所用砂轮的选择以易产生和保持微刃及其等高性为原则。磨削钢件及铸铁件时，采用刚玉磨料较好，单晶刚玉最好，白刚玉、铬刚玉应用最普遍。砂轮的粒度可选择粗粒度和细粒度两类。结合剂选择树脂较好，加入石墨填料加强摩擦抛光作用。,3.2 精密磨削,三、精密磨削时砂轮的修整,砂轮修整是精密磨削的关键，有单粒金刚石修整、金刚石粉末烧结型修整器修整和金刚石超声波修整等。砂轮的修整用量有修整导程、修整深度、修整次数和光修次数。修整导程（纵向进给量）为1015mm/min，修整深度为2.5m/单行程，精修次数23次，光修次数1次单行程。,3.2 精密磨削,四、精密磨床,磨床从类别上分为M(外圆磨床、内圆磨床、平面磨床等)、2M(超精机、珩磨机、抛光机、砂带抛光及磨削机床、研磨机等)、3M(轴承、滚子、钢球、气门等磨削机床)3个分类。从机床特性代号有：高精度(G)、精密(M)、自动(Z)、半自动(B)、数控(K)、加工中心(H)等。精密磨床的特性代号应为MM，而MG应为高精度磨床，属于超精密磨床一类。对精密磨床要求：高几何精度低速进给运动的稳定性减少振动,3.2 精密磨削,五、磨削用量,一般在1530m/s,一般在612m/min,一般为50100mm/min或0.060.5mm/r,一般取0.62.5m/单行程,一般约23次（单行程）,粗粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用58次细粒度砂轮精细修整后，光磨次数采用1025次。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,一、超硬磨料砂轮磨削特点,1）可用来加工各种高硬度、高脆性金属材料和非金属材料，如硬质合金、陶瓷、玻璃、半导体、石材等。立方氮化硼砂轮磨削时，热稳定性好，化学惰性强，不易与铁素元素产生亲和作用和化学反应，加工黑色金属时，有较高的耐磨性。2）磨削能力强，耐磨性好，耐用度高，易于控制加工尺寸及实现加工自动化。3）磨削力小，磨削温度低，加工表面质量好，无烧伤、裂纹和组织变化。4）磨削效率高。5）综合成本低。,超硬磨料砂轮目前主要有金刚石砂轮和立方氮化硼(CBN)砂轮，并用来对难加工材料进行精密磨削。,对砂轮进行微量切削，使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨料尖端细微破碎，形成锋利的磨削刃。,去除磨粒间的结合剂，使磨粒间有一定的容屑空间，并使磨刃突出于结合剂之外，形成切削刃。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,用单点、聚晶金刚石笔，修整片等车削金刚石砂轮达到修整目的。,精度和效率都比较高，但修整后的砂轮表面平滑，切削能力低。整形后利用高强纤维清扫器修锐。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,用普通磨料砂轮或砂块（油石）与超硬磨料砂轮对磨进行修整，普通磨料磨粒被破碎，切削超硬磨料砂轮上的树脂、陶瓷、金属结合剂，致使超硬磨粒就会脱落。目前最为广泛采用的修整法。修整轮消耗较大。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,单滚轮法,双滚轮法,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,用碳化硅、刚玉、硬质合金或钢铁制成修整轮，以一定的压力与超硬磨料砂轮进行无速差自由对滚，加入碳化硅、刚玉等磨粒，依靠游离磨料的滚轧作用，使磨粒突出结合剂表面。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,利用电化学个腐蚀作用蚀除金属结合剂，多用于金属结合剂砂轮的修锐，非金属结合剂砂轮无效。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,电火花放电加工，适用于各种金属结合剂砂轮。若在结合剂中加入石墨粉，可用于树脂、陶瓷结合剂砂轮。既可整形，又可修锐。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,用受激振动的簧片或超声波振动头驱动的幅板作为修整器，并在砂轮和修整器间放入游离磨料撞击砂轮的结合剂，使超硬磨粒突出结合剂。,可修任何结合剂的砂轮；既可整形，也可修锐；无修整力和机械冲击引起的金刚石损伤；无环境污染；无需昂贵的金刚石工具；容易实现自动控制。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,二、超硬磨料砂轮修整,3.3 超硬磨料砂轮磨削,三、超硬磨料砂轮磨床,超精密磨削对磨床的要求：1）要求磨床的精度较高，砂轮主轴回转精度其径向跳动应0.01mm，端面圆跳动0.005mm。2）比普通磨床刚度提高50左右。3）进给系统精度高、进给速度均匀准确，纵向进给速度最小可达0.3m/min，横向进给最小可达0.0010.002mm/单行程。4）应考虑超硬磨料砂轮的修整问题，超硬磨料砂轮修整会涉及一些特殊装置、工作液、修整参数的需求等，应使机床有改装的可能性。5）各运动件和主轴回转部分、进给运动导轨部分有可靠的密封。6）有比较完善的磨削液处理系统。7）采取相应的防振、隔振措施。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,四、超硬磨料砂轮磨削工艺,人造金刚石砂轮的磨削速度为1230m/s，立方氮化硼砂轮的磨削速度为4560m/s.,一般为1020m/min,一般在0.451.5m/min,磨削深度为0.0020.01mm,3.3 超硬磨料砂轮磨削,四、超硬磨料砂轮磨削工艺,降低磨削温度，减少磨削力，改善磨削表面质量，提高磨削效率和砂轮寿命。润滑、冷却、清洗性能，尚有渗透性、防锈性、防腐性、防火性、切削性和极压性等,油性液：成分是矿物油，如机油、轻质柴油、煤油，加入脂肪油和添加剂。水溶性液：成分是水，如乳化液、无机盐水溶液和化学合成液等。金刚石砂轮磨削时常用油性液和水溶性液，立方氮化硼砂轮磨削时用油性液。,3.3 超硬磨料砂轮磨削,五、超硬磨料砂轮的平衡,力矩平衡，用于窄砂轮的平衡，是在一个平面上的平衡。（1）机外静平衡架上平衡（2）机上动态平衡（3）机外动态平衡,力偶平衡，用于宽砂轮和多砂轮轴的平衡，是在一个有一定长度的体上进行力偶平衡。一般在动平衡机上进行。,3.4 超精密磨削,一、超精密磨削与镜面磨削,通常是指利用粒度为W40W5的金刚石、立方氮化硼等超硬微粉磨料砂轮，经过精细修整或在线修整在超精密磨床上进行磨削，可获得低于或等于0.1um的加工精度，表面粗糙度为Ra0.0250.008um的加工表面，实际上是超硬磨料微粉砂轮超精密磨削。镜面磨削一般是指加工表面粗糙度达到Ra0.02-0.01m，表面光泽如镜的磨削方法。,超精密磨削的特点：1）超精密磨床是超精密磨削的关键2）超精密磨削是一种超微量去除加工3）超精密磨削是一个高精度、高稳定 性的系统工程,3.4 超精密磨削,二、超精密磨削机理,单颗粒磨削1）磨粒是一颗具有弹性支承（结合剂）的和大负前角切削刃的弹性体。2）磨粒切削刃的切入深度是从零开始逐渐增加，到达最大值再逐渐减少，最后到零。3）磨粒磨削时在工件的接触过程中，开始是弹性区，继而塑性区、切削区、塑性区，最后是弹性区。4）超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用。,3.4 超精密磨削,磨削加工是无数磨粒的连续磨削。加工的实质是工件被磨削的表层，在无数磨粒瞬间的挤压，摩擦作用下产生变形，而后转为磨屑，并形成光洁表面的过程。磨削过程可分为：三个阶段，砂轮表面的磨粒与工件材料接触，发生弹性变形，磨粒继续切入工件（切削深度增加），工件材料进入塑性阶段，材料晶粒发生滑移。塑性变形不断增大，当力达到工件的强度极限时，被磨削层材料产生挤裂，即进入切削阶段，最后被切离。当磨削切入量达到最大值后，逐渐减少，最后到零，同时经历塑性区和弹性区。,二、超精密磨削机理,平面磨削时的切屑形状,3.4 超精密磨削,三、超精密磨床,（1）高精度 尺寸精度：正负0.25正负0.5 圆度：0.250.1m 圆柱度：25000：0.255000：1m 表面粗糙度：0.0060.01m（2）高刚度 刚度值一般应在200N/m以上（3）高稳定性（4）微进给装置 使砂轮获得行程为250m，位移精度为0.020.2m，分辨率达 0.010.1m。（5）计算机数控,3.4 超精密磨削,三、超精密磨床,超精密磨床在结构上的发展趋势：（1）主轴轴承由动压向动静压和 静压发展，由液体 静压向空气静 压发展。（2）多采用空气静压导轨，也有 采用精密研磨配制 的镶钢滑动导轨。（3）床身、工作台等逐渐采用稳 定性好的天然或人 造花岗岩。（4）整个机床采用对称结构、密 封结构、淋浴结构 等热稳定性措施。,超精密磨床的应用实例,德国G&N 公司NANOGRINDER/4,NANOGRINDER/4,日本DISCO公司DGP8760,工作原理图,日本Tokyo Seimitsu公司研制的抛磨机床（polish grinders）,超精密磨削和磨抛的硅片表面损伤层,超精密磨削,损伤层深度 0.4m,损伤层深度 0.1m,超精密磨抛,在一台机床上通过更换工具实现超精密磨削和超精密抛光。用于硅片的背面磨削，轻松得到厚度小于100m的超薄硅片。,美国STRASBAUGH公司,新概念正四面体磨床,这种磨床具有很高的静、动态刚性和优良的热平衡结构，可以在隔离环境振动和温度的条件下进行高速超精密磨削。用于磨削单晶硅、陶瓷和玻璃等硬脆材料，达到Ra120nm的表面粗糙度，亚表面损伤深度只有传统磨削的12%，甚至小于抛光加工产生的亚表面损伤深度。,英国Cranfield 大学J.Corbett教授领导的课题组于1997年的先进的TetraformC型磨床,3.4 超精密磨削,三、超精密磨床,砂轮线速度：1860m/min 工件线速度：410m/min 工作台纵向进给速度;50100mm/min 磨削深度：0.51m 磨削横进给次数：24次 无火花磨削次数：35次 磨削用量：25m,3.5 精密和超精密砂带磨削,采用无接头或有接头的环形砂带，通过张紧轮撑紧，由电动机通过接触轮带动砂带高速回转，工件回转，砂带头架或工作台纵向及横向进给运动，从而对工件进行磨削。,采用成卷砂带，由电动机经减速机构通过卷带轮带动砂带作极缓慢的移动，砂带绕过接触轮并以一定的工作压力与工件被加工表面接触，工件回转，砂带头架或工作台纵向及横向进给，从而对工件进行磨削。砂带在磨削过程中的连续缓慢移动，切削区不断出现新砂粒，磨削质量高且稳定，磨削效果好,一、砂带磨削方式、特点和应用,砂带磨削分类：按砂带与工件接触形式分为接触轮式、支承板（轮）式、自由浮动接触式和自由接触式。按加工表面类型分为外圆、内圆、平面、成形表面等。,用于磨削管件的砂带磨床,砂带磨削设备,3.5 精密和超精密砂带磨削,一、砂带磨削方式、特点和应用,1）砂带与工件是柔性接触，磨粒载荷小而均匀，砂带磨削 工件表面质量高，表面粗糙度可达0.050.01m，又称“弹性”磨削。2）静电植砂法是磨粒具有方向性，力、热作用小，有较好 的切削性，有效地减小了工件变形和表面烧伤。工件的 尺寸精度可达50.5m，平面度可达1m。又有“冷态”磨削之称。3）砂带磨削效率高，无需修整，有“高效”磨削之称。4）砂带制作简单方便，无烧结、动平衡等问题，价格也便 宜，砂带磨削设备结构简单，有“廉价”磨削之称。5）砂带磨削有广阔的工艺性和应用范围、很强的适应性，有“万能”磨削之称。,3.5 精密和超精密砂带磨削,一、砂带磨削方式、特点和应用,砂带研抛加工：是在砂带磨削的基础上出现的，是一种精密和超精密加工方法，其加工为开式砂带磨削方式，用细粒度砂粒，以聚酯薄膜作为基底的砂带。1）接触轮外缘材料为橡胶、塑料时，加工时的抛光作用强；2）接触轮外缘材料为钢铁、铜、胶木时，加工时的研磨作 用强；3）接触轮外缘材料为半软半硬时，加工时研磨、抛光兼有。,缺点：砂带磨削不能加工窄退刀槽的阶梯轴、阶梯孔、盲孔、小孔、齿轮等，对形状和位置精度要求高的也不如精密砂轮磨削。,3.5 精密和超精密砂带磨削,二、砂带磨削机理,砂带磨削时，弹性变形区的面积较大，使磨粒承受的载荷大大减小，载荷值也较均匀，且有减振作用。砂带磨削时材料的塑性变形和摩擦力均较砂轮磨削时减小，力和热的作用降低，工件温度降低。砂带粒度均匀、等高性好，磨粒尖刃向上，有方向性，且切削刃间隔长，切屑不易堵塞，有较好的切削性。砂带磨削兼有磨削、研磨和抛光的综合作用，是一种复合加工。,3.5 精密和超精密砂带磨削,三、精密砂带磨床和砂带头架,组成：接触轮（或支撑板）、主动轮、张紧轮、张紧机构、调偏机构、电动机、基座等。,3.5 精密和超精密砂带磨削,组成：卷带轮、接触轮、砂带轮、电动机、基座等。,3.5 精密和超精密砂带磨削,开式砂带磨削和振动叠加的复合加工。1)在开式砂带磨削时，振动可弥补工件不能高速运动 时效率下降，使加工效率大大提高。2）振动地叠加可以形成复杂而又不重复地磨削轨迹，形成网状纹，有利于降低表面粗糙度，得到很低的 粗糙度值加工表面。3）可采用干式磨削，加工表面不易出现划痕。4）对宽砂带，沿接触轮轴向振动可使砂带不跑偏和 磨损均匀。,3.5 精密和超精密砂带磨削,三、精密砂带磨床和砂带头架,3.5 精密和超精密砂带磨削,三、精密砂带磨床和砂带头架,（1）接触轮的硬度越大，加工表面粗糙度越大；（2）除软质接触轮因超速而发生硬化外，速度高，所 获得的表面粗糙度就低；（3）锯齿形接触轮与表面平滑的接触轮相比，砂带的 使用寿命要长；（4）在加工工件的硬度一定时，硬质接触轮比软质接 触轮的切削量大。,其他元件：主动轮、张紧轮及张紧机构、调偏机构、振荡机构。,3.5 精密和超精密砂带磨削,四、精密砂带磨削工艺,对闭式磨削，粗磨时为1220m/s，精磨为2530m/s.,粗磨选2030m/min，精磨选20m/min以下,粗磨时，纵向进给量为0.173.00mm/r，磨削深度为0.050.10mm，精磨时，纵向进给量为0.42.00mm/r，磨削深度为0.010.05mm。,一般选取50300N,3.5 精密和超精密砂带磨削,四、精密砂带磨削工艺,使砂带通过一对有相应间隙的淬火钢制平滑滚轮，砂带受压将凸出磨粒压平而获得等高性。,用一细粒度砂带与欲用的新砂带对磨，将其凸出磨粒修整掉。,将新砂带使用一段时间后，待砂带处于正常磨损的最佳阶段时备用。,3.5 精密和超精密砂带磨削,四、精密砂带磨削工艺,3.5 精密和超精密砂带磨削,四、精密砂带磨削工艺,无论是湿磨还是干磨，无论是在砂带磨床还是在普通磨床上利用砂带磨削头架磨削，都应设有吸尘和集尘装置。,一、研磨加工的机理,3.6.1 精密研磨与抛光的机理,1.研磨时磨料的工作状态,1）磨粒在工件与研具之间发生滚动，产生滚轧效果；2）磨粒压入到研具表面，用露出的磨粒尖端对工件表面进行刻划，实现微切削加工；3）磨粒对工件表面的滚轧与微量刻划同时作用。,2.硬脆材料的研磨,一部分磨粒由于研磨压力的作用，嵌入研磨盘表面，用露出的尖端刻划工件表面进行微切削加工；另一部分磨粒则在工件与研磨盘之间发生滚动，产生滚轧效果。在给磨粒加压时，就在硬脆材料加工表面的拉伸应力最大部位产生微裂纹。当纵横交错的裂纹扩展并产生脆性崩碎形成磨屑，达到表面去除的目的。,3.金属材料的研磨,当金属表面用硬度计压头压入时，只在表面产生塑性变形的压坑，不会发生脆性材料那样的破碎和裂纹。研磨时，磨粒的研磨作用相当于极微量切削和磨削时的状态,且表面不会产生裂纹。,二、抛光加工的机理,抛光的机理：1）以磨粒的微小塑性切削生成切屑，但是它仅利用极少磨粒强制压入产生作用。2）借助磨粒和抛光器与工件流动摩擦使工件表面的凸凹变平。,三、研磨、抛光的加工变质层,不管采取什么加工方法，或多或少要在被加工表面上产生加工变质层，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，使工件表面的力学性能、物理化学性能与母体材料不同，进而影响制成元件的性能，因此在超精密研磨抛光中要求变质层越薄越好。硬脆材料研磨后的表面，从表层向里依次为：非晶体层或多晶体层、镶嵌结构层、畸变层和完全结晶结构，从弹塑性力学的角度评价变质层，依次为：极薄的塑性流动层、有异物混入的裂纹层、裂纹层、弹性变形层和母体材料。金属材料研磨后的加工表面变质层与硬脆材料类似。,对于抛光加工后的加工变质层，由表层向里依次为：抛光应力层、经腐蚀出现的二次裂纹应力层、二次裂纹影响层和完全结晶层，整个加工变质层深度约为3m。并且加工表面越粗，加工变质层深度越大。,3.6.2 精密研磨、抛光的主要工艺因素,加工条件：对残留有裂纹的硬脆材料和不产生裂纹的金属材料的加工条件不同；研磨方式：单面研磨和双面研磨；研磨机：应能均匀地加工工件，研具磨损要小并要求能容易修整精度；研具和抛光盘：必须避免因工作面磨损和弹性变形引起精度下降；磨料：微细的磨粒和使磨粒对工件作用很浅的材料；加工液：提供磨粒、排屑、冷却和减轻不必要摩擦的效果。,3.6.3 超精密平面研磨和抛光,一、精密平面的研磨机,二、平面研磨使用的研具,1）特种玻璃，或用在加工成平面的金属板上涂一层四氟乙烯或镀铅和铟；优点：能得到高精度的平面缺点：研具层寿命短2）使用半软质研磨盘或软质研磨盘优点：研磨出的表面变质层很小，表面粗糙度也很小；缺点：研磨盘不易保持平面度,三、平面研磨时工件和软质研具的磨损量,工件与研具两者的任意点A处的加工量和研具磨损量，相对于两者的中心各自画圆弧与横轴相交，从交点出发每20min间隔与纵轴平行地上升或下降。工件形成凸面，研具在半径上形成凹面。,使用p小的研具效果好。使用小的研具能有效地控制平面度的恶化，但太小时，压力偏差较大，反而易引起平面度的恶化。而当较大时，只要加工量少，由于压力偏差较小，初始的平面度不会产生多大的恶化。,四、平行度和晶体方位误差的修正,平行度的修正研磨是使被加工面与基准平面的角度误差达到最小值。单面研磨法采用使工件附加偏心压力。晶体方位误差的修正加工是以晶格面作参照物进行研磨的。,五、获得高质量平面研磨抛光的工艺规律,1）研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布并且不重叠。2）硬质研磨盘在精研修形后，可获得平面度很高的研磨表面，但要求很严格的工艺条件。3）软质（半软质）研磨盘易获得表面粗糙度值极小和表面变质层甚小的研磨抛光表面，但不易获得很高的平面度。4）使用金刚石微粉等超硬磨料可获得很高的研磨抛光效率。,5）研磨平行度要求很高的零件时，采用（1）上研磨盘浮动以消除上下研磨盘不平行误差；（2）小研磨零件实行定期180度方位对换研磨，以消除因研磨零件厚度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行；（3）对各晶向硬质不等的晶片研磨时，加偏心载荷修正不平行度。6）为提高研磨抛光的效率和研磨表面质量，可在研磨剂中加入一定量的化学活性物质。7）高质量研磨时必须避免粗的磨粒和空气中的灰尘混入，否则将使研磨表面划伤，达不到高质量研磨要求。,3.6.4 超精密研磨抛光的主要新技术,液中研磨,将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研磨时的微小冲击也有缓冲效果。,机械化学研磨,机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和干式两种。湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨剂含有0.01m大小的SiO2磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的人造革。干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围的化学反应有利于加工的进行，由于0.010.02粒径的SiO2磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。,磁流体精密研磨,磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（0.015m）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力矩较大，不会因重力而沉降，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加工及磁流体封闭式加工。磨粒悬浮式加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。磨粒控制式加工是在研磨具的孔洞内预先放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。磁流体封闭式加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置进行加工。,磁力研磨,利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。,软质磨粒机械抛光（弹性发射加工）,最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。加工原理实质是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合效果。真空中带静电的粉末粒子加速法、空气流或水流来加速。,化学机械抛光,化学机械抛光是一种利用研磨液的腐蚀作用和磨粒的机械作用双重作用的研磨方法。腐蚀研磨液如氧化铁和硫酸或盐酸的水溶液，MnZn铁氧体磨粒和盐酸水溶液等。,水合抛光,是一种利用在工件界面上生成水合化学反应的研磨方法，其主要特点是不使用磨粒和加工液，而加工装置又与当前使用的研磨盘或抛光机相似，只是在水蒸气环境中进行加工。机制：在抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生高温高压，故工件表面上原子或分子呈活性化。利用水蒸汽分子或过热的水作用其界面，使之在界面上形成水合化学反应层，然后借助过热水蒸汽或在一个大气压的水蒸汽环境条件下利用外来的摩擦力，从工件表面上将这层水合层分离、去除，从而实现镜面加工。,本章结束,