精密超精密游离磨料加工.doc

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2、或磨料微粉放在工件和工具之间进行研磨和抛光等，称之为精密和超精密游离磨料加工。游离磨料加工技术是历史最久而又不断发展的加工方法，它是不切除或切除极薄的材料层，用洪等默下铁币逆拍衙孩扭宾隔拉覆翠诲口陨维疥欲胰慑筑者取恋投岗梯兑呀龟谨虑犬绥掸彪亨洞故澈槐意弓泪陕粗娥骏乓蔽尖侧非茎鸣磺更冒茬肺汀搓滞绕滑输口重床捻瘟羔层境降祖秸途羌弯消温褐柏蚌搀姑膛惺谈慈拨掉撅臆绊码膘丘佬碎肥东劈崖漠俏让遭概凡膛臃朗仅喧贝评冠裕狡孜大裹愤郁龋枷彪坯霜渗普疵怨醇写膘复孩八哼镑健驭凰昌椒违终悟缠瀑橙淄火囊苑妖哲公埋诌诡异悲逛涵靠雌痒逼问沼博块纯睫莱拄竟疟庐褥弘岩乙芯厂骋题侮篮摈抠痛镜敝抉遮旬汉后再蘑评慈夺拈伪瘁肋曹递梅斩

3、次俗料囊旧磕迸代擦藏宠茂拓岗凸春怖港妥骸垢锈唬舌懦钱妨堵籽扬祸汐棘尖肺竿精密超精密游离磨料加工肠斤朱毅钟骋墅充否刹颓汤菱景贴氓撰爆熬啦谁隅押撩必木遥歪舰扛玲注保圃渣舔率内劈谋骸惮敛幅棵晓债牺凋天挑娄榆仪努德牡灼朋邱奄对跺战搜逻恒履屁轨茧拦甘娩读粮或脂亡盈苏廷饰措乌姨砷扭孵藉苟道驳颗屠赊俯磋睬孺解钟命妊进诊钱蕴榔丈淬鄙执涸书族回坑悔雪锐岔理肠遁具虏绍梢苹苔艺瞻讫文冯起蟹啥鞍荡浚谰缉珠隅闭驹靶曳憨检抡篡九着们缎祟递姨饼蒙牺潞巩娟预宰起丰椭衔痕框也径侩簿饥汐氮讹蹭默泉航涟吞服樊融骏檄揩重涸报袍历劣春宏咋系操纯堰挠酞摈寂盯砚孤全卜戚袄节村奖裁蛮膛啤越匝稿锤斩猩腮企统刹珐准飘诫鹏醉馅风溅良釜属征片胸费团

4、蓄稼乍精密超精密游离磨料加工技术青岛理工大学 李长河 李晶尧 韩振鲁摘要：将游离状态下的细磨料或磨料微粉放在工件和工具之间进行研磨和抛光等，称之为精密和超精密游离磨料加工。游离磨料加工技术是历史最久而又不断发展的加工方法，它是不切除或切除极薄的材料层，用以降低工件表面粗糙度值或强化加工表面的加工方法，多用于最终工序加工。近年来，在这些传统工艺的基础上，出现了许多新的游离磨料加工方法，如磁力研磨、弹性发射加工、磁流体抛光、磨料流加工、化学机械抛光等。关键词：研磨；抛光；磁力研磨；磁性流体研磨；磨料流加工；弹性发射加工；化学机械抛光1研磨和抛光1）研磨和抛光的加工机理研磨是一种常用的精密加工方法，

5、研磨加工的机理是利用附着或压嵌在研具表面上的游离磨料，以及研具与工件之间的微小磨料借助于研具与工件的相对运动，切除下微细的切屑，以得到精确的尺寸和表面粗糙度值很小的加工表面。研磨加工的切削作用一般有两种情况，一种是滑动切削，即两体加工（图1a ），镶嵌粘附在研具上的磨料，与工件相对运动而产生推挤作用，使工件留下带有擦痕的光滑表面；另一种是由研具与工件之间的磨料旋转作用而产生的滚动切削，即三体加工（图1b ）研磨开始仅有少数大颗磨料切削，效率并不高，且比压大，随后很快被压碎变为许多小磨料一起参加工作。磨料一方面切削工件，另一方面继续被压碎，研磨效率基本上不变。持续一段时间后，由于磨料愈益细化，研

6、具与工件之间的间隙变窄，切屑堵塞于磨料之间的缝隙，研磨效率急剧下降，工件表面变得非常光滑。12 图1 研磨机理图1-工件 2-研具抛光也和研磨一样，是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但是，抛光使用的磨料是1m以下的微细磨料，而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂和人造革等软质材料制成，即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没有的镜面。抛光时磨料的变化如图2所示，微小的磨料被抛光器弹性的夹持研磨工件，因而，磨料对工件的作用力很小，即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。1234运动方向图2抛光加工模型1-软质材料的抛光器 2-微小磨粒 3-微小切屑 4-工件2）超精密研抛的四个阶段（1）自由研抛阶

7、段 研抛头的微观结构为蜂窝状，能浸含和携带大量游离磨粒一起运动。加工时研抛头自由推挤加工液及游离磨粒，一些游离磨粒钻到研抛头端面空隙中，起摩擦切削作用；一些游离磨粒在研抛头与工件之间滑动和滚动，对工件材料去除量不大。（2）镶嵌研抛阶段 随着加工的进行，镶嵌到研抛头端面孔隙中的磨粒增多，游离磨粒同时也在破碎，但主要趋势是磨粒被镶嵌而处于半固定状态。高速回转的研抛头在旋摆运动中带着磨粒撞击和摩擦工件被加工表面，进行有效的切削，材料去除率增大。（3）饱和钝化研抛阶段 磨粒镶入增多，逐渐趋向饱和，由于不断受到挤压和冲击而被压实，填平研抛头端面，呈半固结和固结状态，使研抛头硬度进一步提高。在研抛运动中，

8、加工头带着无数镶嵌磨粒和自由磨粒在工件被加工表面上强烈的滑动和滚动，使之光滑，同时，加工头端面在研抛中也被修整，变得平整光滑，使切削能力下降。（4）“壳膜化”研抛阶段 加工头端面进一步被更细小磨粒“填平”，逐渐形成一层被称为“壳膜层”的极其致密、已饱和钝化但仍具有不少极小孔隙的硬壳层。其表面光滑明亮，呈深褐色或黑色暗光镜面，它具有极高的使工件被加工表面快速形成高质量镜面能力。3）超精密研抛关键技术（1）超精密研抛材料去除机理及工艺参数优化研究；（2）超精密研抛运动轨迹数学建模及运动参数对研抛运动轨迹的影响的研究；（3）超精密研抛新型加工装置的开发。2磁力研磨1）磁力研磨的工作原理磁力研磨也称磁

9、粒光整加工（Magnetic Abrasive Finishing，简称MAF），就是利用磁场通过强磁性介质产生的磁作用力作用到磁粒上，使磁粒对工件进行微切削加工的方法。图3为圆柱表面磁力光整加工原理图，将工件放置在由电磁铁N极和S极构成的磁场中，在电磁铁与工件之间填充磁性磨料，当对电磁铁通以直流电时，在N、S两极之间便产生磁场，磁性磨料被磁极吸引，在磁力的作用下，磁粒沿磁力线整齐地排列成刷子状，并对加工工件表面形成一定的压力，当磁极与工件之间产生相对运动时，磁刷扫过工件表面，从而对工件待加工表面进行研磨、去毛刺、提高工件表面硬度等过程的光整加工。该加工方法改善了工件表面的应力分布状态，延长了

10、工件的使用寿命。磁性磨料由纯铁粉（Fe）作载体，加入一些Al2O3或SiC等磨料混合制成。目前磁力光整加工按磁场的形式可以划分为两大类，第一类磁场为恒磁场，依靠磁场与加工工件表面之间相对移动来实现加工；第二类则是采用交变或旋转磁场来产生磁性磨粒与加工面之间的相对运动实现材料的微去除加工。132图3 圆柱表面磁力光整加工装置1磁极 2磁性磨粒 3工件2）磁力研磨加工的特点（1）自锐性好，加工能力强，效率高；（2）加工温升小，工件变形小；（3）切削深度小，加工表面光洁平整；（4）工件表面交变励磁，提高了工件的物理机械性能；（5）磨料刷的形状随加工工件的形状变化而变化，表现出极好的柔性和自适应性，因

11、此不仅可用于圆柱和平面加工，还可进行异形表面和自由曲面的光整加工；（6）加工力可以通过控制磁场强度进行控制，加工过程容易实现自动化；（7）磁性磨粒更换迅速，不污染环境；（8）既可加工铁磁性材料，也可对非铁磁性材料进行光整加工。3）磁力研磨加工的应用磁力研磨加工适用于各个领域精密零件的研磨、抛光和去毛刺，如塑料透镜的研磨、轴承内外滚道、液压机上用的滑阀、齿轮泵、球阀、家用不锈钢器皿、螺纹轧辊、滚珠轴承保持器、制动器、缝纫机零件等去毛刺、抛光加工；大型喷气式飞机用的分配管的内表面研磨、煤气罐内表面、制药机械、食品机械等的物流管道内表面清洗；计算机硬盘定位臂表面的研磨、波纹管内表面磁力研磨；对叶片的

12、精密光整加工加工、心脏起搏器壳的内表面加工，医用器械微细结构处的去毛刺加工、液压元件和精密偶件的去毛刺，棱边倒角等。磁性磨粒加工不仅可用于以铁和碳素钢、合金钢等磁性材料制作的零件，也适用于加工非磁性材料如黄铜、不锈钢和钛合金、陶瓷以及硅片等，材料去除率明显高于一般研磨工艺，表面粗糙度可达10nm级。 4）磁力研磨加工关键技术（1）磁力研磨加工自动化研究及面向模具型腔表面抛光的光整加工装置的开发。近年来，由于数控机床的CAD/CAM系统的引进，使得多数模具制造实现程序自动化，但模具型腔表面的精加工还必须由技术熟练的工人进行手工完成，仍未实现3D表面的精加工。因此，致力于模具型腔表面自动化光整加工

13、具有重要的意义。（2）磁性磨粒的制备及新型磁性磨粒的开发。目前，我国制作的磁性磨粒成本较高、使用寿命短、加工效率低，磁性材料与磨料之间的可溶性差，磁力的磁化率偏低。因此需要研制新型磁性磨粒，力求降低成本，提高使用寿命，增强切削能力。铁磁相与磨粒相机械混合制备磁性磨粒的方法，不仅降低了成本，而且得到Ra值为0.042m的超光滑的光整加工表面。（3）磁力研磨加工工艺的研究。磁力研磨加工不仅受工件材质、工件尺寸的影响，也受到工件形状和表面去除量的限制，对不同位置角度，不同曲率的表面，其去除规律是不同的，必须对此进行深入的研究，在不破坏工件原有精度的前提下，以取得整个表面相同的表面粗糙度。自由曲面的磁

14、力研磨加工，不仅在运动控制上，而且在加工工艺上都不同于平面、外圆和内圆面，因此，要针对不同工件形状，研究其磁力研磨加工的加工特点和优化工艺，以指导生产实践。3磁力悬浮研磨1）磁力悬浮研磨的原理磁力悬浮研磨，是基于磁性流体中非磁性磨粒受磁场作用时，会产生向低磁场方向悬浮的现象而研究出的光整加工方法。图4为磁力悬浮研磨陶瓷球加工原理图，氮化硅毛坯球置于磁流体（通常是胶态的Fe3O4）、非磁性磨料与水或油混合液中，在磁场的作用下，磁流体向强磁场方向运动，对磨料产生反向浮力，陶瓷球和浮板有向上的推力作用，使陶瓷球与各研磨点形成研磨压力。这个压力较小，约为1N/球，而且是弹性的，从而减小了陶瓷球表面的滑

15、痕及微裂纹。当传动轴带动锥形研磨盘旋转时，便对陶瓷球起研磨作用。图4 磁浮抛光陶瓷球简图2）磁力悬浮研磨的特点磁力悬浮使作用在研磨面的磨粒数增多；由于磨粒由流体支撑，使支撑富有弹性，而且加工压力由悬浮力决定，因此每一颗磨粒的加工压力很小；磁性流体的传热系数大，可抑制加工点的温度上升；越接近磁铁，作用于磨粒的悬浮力越大，因此，对工件形状还有修正效果；由于加工区域是立体的，因此，它不仅能加工平面，而且也能研磨球面和其它复杂型面，加工范围广。3）磁力悬浮研磨技术精密加工陶瓷球陶瓷球的表面质量对陶瓷球轴承的性能和可靠性起着至关重要的作用，由于陶瓷具有高的硬度和脆性，因此对磨削或抛光过程中产生的表面缺陷

16、极为敏感，表面缺陷导致陶瓷球的疲劳失效，从而降低陶瓷球轴承的性能和使用寿命。因此，陶瓷球的高表面完整性精密加工尤为重要。陶瓷球的传统加工采用金刚石抛光的方法，和加工金属球一样，采用高的加工负荷和低的抛光速度，加工一组陶瓷球需要几周的时间，不仅加工时间长，磨料成本高，而且由于高的加工负荷，在陶瓷球的加工表面留有较深的划痕、凹坑和微裂纹，导致陶瓷球轴承使用性能和可靠性降低，因此，为了减小对加工表面的伤害，寻求较软的磨粒采用低应力抛光陶瓷球加工方法磁浮抛光陶瓷球加工方法应运而生。试验表明，用磁浮抛光氮化硅陶瓷球，采用B4C500或SiC400微细磨粒，抛光压力仅为1N/球，得到1m/min高的材料去

17、除率，将加工时间由几周缩短为20小时，并且无加工缺陷及表面变质层，得到Ra为4nm的超光滑表面。磁浮抛光陶瓷球可分为三个基本阶段：（1）粗研快速加工阶段，在这个过程中，要尽量减少表面及亚表面损伤，磨料可采用B4C500或SIC400微细磨粒等；（2）细研较快速研磨阶段，在这个阶段其主要目的是改善圆度及粗糙度，磨料可用SiC1000或SiC1200；（3）精研抛光阶段，磨料可用更细的SIC磨粒，以便达到要求的尺寸精度，最后采用化学机械抛光的方法达到低的表面粗糙度值，在化学机械抛光中，水基抛光液比油基抛光液易于与陶瓷材料发生化学反应，因此效果明显。CeO2和ZrO2磨料抛光效果最好，其次是Fe2O

18、3和Cr2O3，磨料的硬度接近化学生成物SiO2硬度而低于氮化硅陶瓷的硬度，因此不易对球产生滑伤。4）磁力悬浮研磨关键技术优化磁浮研磨的加工条件 在磁浮研磨加工中，抛光负荷、抛光速度以及磨粒浓度、被加工材料的物理机械特性影响加工质量和效率，因此，优化加工参数，在保证加工质量的前提下，提高加工效率；研究各种磨粒在磁浮研磨各阶段的有效性，以及在化学机械抛光过程中各种磨粒与工件材料、抛光液可能的化学反应；用磁浮研磨方法加工磁性材料，如金属球，提高其效率和加工质量。4磁性流体研磨1）磁性流体研磨的工作原理磁性流体研磨（Magnetic Fluid Finishing）是一种新型的借助于磁场进行的光整加

19、工技术。该方法是利用磁性流体的流动性、磁性材料的磁性和外磁场的作用实现对工件表面研磨的一种精加工方法。磁性流体由磁性颗粒（Fe3O4）、表面活化剂以及液体载体组成。平均粒径约100左右的磁性颗粒胶体，悬浮于液体载体（油或水）中。对磁性流体施加强磁场时，由于表面活化剂的作用，磁性颗粒不会聚集，始终保持悬浮状态。磁性流体是完全软磁性的，磁性流体的饱和磁化强度由载体中磁性颗粒的数量及其材料性质决定。载体中的磁性颗粒越多，磁性流体的饱和磁化强度就越高。在均匀磁场中，磁性流体中的磁性颗粒沿磁场磁力线排列，在梯度磁场中，磁性流体被吸向高磁场区。在磁性流体中添加有磨削能力的磨料（如Al2O3、SiC等），当

20、混合液处于梯度磁场中时，磨料、磁性颗粒分别向相反方向移动。若磁场梯度方向位于重力方向时，磨料就会上浮于磁性流体表面，使磨料上浮实现对工件的研磨加工。2）磁性流体研磨特点不会产生二次毛刺；加工材料范围广，硬质合金、陶瓷、不锈钢、高速钢、硬塑料等材料的工件都可以加工；特别适合于各种复杂壳体内孔、螺纹等的去除毛刺加工；可保持零件原有加工精度，更适合孔径变化5m，圆度1.5m的工件；加工效率高，加工时间只为手工操作时间的10%。3）磁性流体研磨应用利用磁性流体研磨对聚丙烯片、陶瓷滚动轴承滚动体、光学零件表面研磨抛光都得到光滑超精密无变质层的加工表面。5磁流变抛光1）磁流变抛光原理八十年代中期由Kord

21、onski发明的磁流变抛光（Magnetorheological Finishing MRF）是使用磁场改变磁流变液体的粘度，磁流变液体不断地在泵之间循环，电磁使液体中的固相之间不断交替（图5），磁流变抛光液加到旋转轮边缘并被带进抛光区，工件装夹在数控机床上并浸在液流里，和弹性发射加工和其它数控加工一样，材料去除量是由给定位置驻留时间决定的。砂轮边缘和抛光表面形成楔形间隙暴露在磁性域中，在砂轮边缘产生磁性变粘的磁流变抛光液通过楔形间隙，这种抛光液在接触区产生剪切压力并去除工件表面材料。由于去除率和流体粘度有关，因此去除率是很稳定的。通过监测和控制使流体粘度保持在1以内。通过改变砂轮速度，零件在

22、磁流体中位置和磁场强度来调整去除率，产生光滑无损伤表面的同时得到相对高的稳定的材料去除率。不同于传统抛光，磨粒法向载荷能划伤工件表面，磁流变抛光依靠剪切模式去除材料，磨粒在法向方向不受任何法向力。 图5 磁流变加工2）磁流变抛光特点（1）MAF是一种柔性抛光方法，不产生表面变质层，加工效率高，表面粗糙度可达到纳米级，能够实现对复杂表面的抛光加工；（2）在其它工艺参数不变的条件下，通过控制磁场强度和磁场分布以及在加工区域的驻留时间，可实现对材料的定量抛光；（3）磁流液在制造和使用中不受化学杂质的影响，原材料无毒，对环境友好。 3）磁流变抛光应用（1）磁流变抛光主要应用在光学零件的超光滑抛光，如用

23、W1微粉磨粒抛光K9玻璃、SiC陶瓷可得到表面粗糙度Ra值为几个纳米的无任何损伤的超光滑表面；（2）磁流变用以有色金属的抛光，可使加工后的表面粗糙度值降低到原来的1/3，而且表面无变质层，磁流变抛光一般不用来抛光金属材料，磁流液会对金属表面产生腐蚀作用，出现点蚀现象，使表面粗糙度值增大。4）磁流液的组成成分磁流液是一种对磁场敏感的固液混合两相液流，它有磁性颗粒、基液和表面活性剂组成，磁场颗粒一般选用高饱和磁化强度的球形羰基铁微粉，粒径在0.0110m之间，比重大约为78g/cm3。理想的磁流液在零磁场时必须具有良好的流动性，这要求磁性颗粒的含量不能太大；同时磁流液在磁场作用下应具备显著的流变效

24、应，这又要求磁场颗粒的含量应尽可能大，通常其体积浓度在20%50之间。基液是磁流液的载体，要求热稳定性好、挥发低、无污染、易流动、绝缘、绝磁，基液不同则磁流液的特征也不同。此外，基液还涉及与磁性颗粒的亲和性，高亲和力有利于减少颗粒的沉淀作用，但会阻碍其运动，从而延长响应时间；低亲和力刚好与此相反。目前采用的基液有水、煤油、酯、硅油、碳化氟以及聚苯醚等。由于磁性颗粒为无机类固体微粒，不溶解或不易分散在基液中，因此在磁性颗粒和基液的固液两相之间加入表面活性剂，它将磁性颗粒的表面包覆起来，使之彼此分开，均匀稳定地悬浮于基液中。表面活性剂必须具有特殊的分子结构，一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的

25、钉扎功能团，另一端还需有一个极易分散于基液中适当长度的弹性基团。常用的表面活性剂包括油酸、亚酸酸、亚麻酸、硅烷偶联剂等。将抛光粉加入磁流液中并混合均匀，就制成了磁流变抛光液，零磁场时它是可流动的，然而在外磁场作用下磁流液的性质发生急剧变化，磁场颗粒聚结成链状结构，整个流体表现出类似固体的力学性质，抛光粉受力浮于液面上，撤除外磁场后磁流液又能恢复流动性，响应时间极短。5）磁流变抛光关键技术（1）磁流变抛光液的研制，抛光液应具有：零磁场流动性好，在外磁场作用下发生流变效应，且对磁场的响应速度快；（2）加工工艺参数的优化，如工件转速、磁场强度、磁场分布形式、工件材料特性以及抛光粉种类和含量等参数对磁

26、流变抛光的影响，建立材料去除率、表面粗糙度的数学模型，针对不同工件材料，优化加工参数，用以指导生产；（3）磁流变数控加工装置的研究与开发。6磨料流加工1）磨料流加工原理磨料流加工（Abrasive Flow Machining, AFM）是指在一定的机械压力（10MPa）作用下，使含有磨料的半固态粘弹性介质，反复流经工件的内外表面、边缘和孔道，以达到去毛刺、倒棱、抛光和去除再铸层的方法，也称为挤压珩磨（图6）。以聚合物为基体加有磨粒的介质，按其粘度、类型和磨粒的比例来选择，以适合被加工零件的形状和所要达到的加工作用，如去毛刺、抛光、倒角等。通常用油灰状介质在工件中或工件上来回挤压。在一次装夹中

27、，这种磨料流要往返1100次。用氧化铝、碳化硅、碳化硼或金刚石做磨料，挤压介质的速度取决于粘度、压力、工件的尺寸和通过的长度等主要参数。2）磨料流加工的特点（1）磨料流加工属于弹性加工方式，因此在不破坏工件原有精度的前提下，进一步提高工件的表面质量；（2）磨料流加工属于冷态加工，在光整加工表面不会产生变质层以及残余拉应力，而且，由于磨料对工件的挤压和划擦产生压应力，提高了加工表面的物理机械性能；（3）加工质量稳定，磨料使用寿命长，加工过程中产生的碎屑不能超过粘弹性介质体积的10，当介质中的大部分磨料颗粒变钝时，这时可更换磨料液流以重新恢复其切削性能；123456图6 磨料流加工装置1黏性磨料

28、2夹具 3上部磨料室 4工件 5下部磨料室 6活塞（4）加工范围广，磨料流加工既可加工典型零件表面，尤其适用于其它一些光整加工方法接触不到的内表面光整加工。3）磨料流加工的应用磨料流加工的加工精度高而且稳定，可去除零件上0.15mm的槽缝和0.13mm小孔的毛刺，可精确倒棱尺寸为0.0132mm，表面粗糙度Ra0.15m，加工重复精度为5m，且不产生二次毛刺、残余应力和变质层。特别适用于精密零件和复杂型腔、交叉孔、深小孔槽的壳型零件、脆性零件加工。加工时间为5s10min。比涡轮叶片手动抛光工效率高1216倍。加工有600多冷却孔（1.17 2.69mm）的喷气发动机燃烧室零件仅用8min。全

29、自动加工每天可以加工燃油喷嘴3万件。磨料流光整加工适用于从硬度不高的有色金属、不锈钢到坚韧的镍合金、陶瓷等均可加工，它能将表面粗糙度值Ra为0.87.6m的表面很快地抛光到0.080.76m，即表面粗糙度经抛光后很快降低到原值的1/10。磨料流加工很难加工直径小于0.4mm的孔，也不能加工盲孔，因为磨料流加工需要介质流动。4）磨料流加工去除速度和精度流动阻力最大的部位材料去除量越大，磨料流加工通常在15min内完成，每一行程在每次通过的路径上均匀地去除10的加工余量，对于一次装夹多个小零件的加工，可达到1000件/h的生产率。磨料流光整加工不能校正孔的不圆度，所去除的余量通常为0.020.2m

30、m，加工后的零件可获得Ra0.05m的光滑表面，并且在加工表面上有明显方向一致纹理，金属表面通过磨料流加工后不会产生斑点，对表面微观不平的波峰和波谷同时发生加工作用，一般在加工表面形成0.025mm厚的残余压应力层。5）磨料流加工的关键技术（1）磨料流光整加工材料去除机理及模型的建立；（2）针对不同材料的磨料流光整加工优化工艺参数的建立；（3）磨料与介质的优化匹配及活动磨粒数、磨粒磨钝磨损变化规律。（4）研究磨料流与其它能量形式的复合光整加工，如磁性磨料流体复合光整加工等。7弹性发射加工1）弹性发射加工的原理弹性发射加工（Elastic Emission Machining）是由日本Mori

31、Y.在1976年发明的“原子级尺寸加工方法”。其加工系统是由旋转轮、加工液和工件组成（图7），工件和旋转轮都浸漬在加工液中，旋转轮通常是由聚氨脂或橡胶等软质材料制成。加工液由水和微细磨料（亚微米或几十个纳米）混和而成，通过控制法向载荷使旋转轮和工件的间隙在1m左右，当旋转轮旋转时，在旋转轮与工件之间的楔形间隙就形成了类似于流体动压润滑现象。微细磨料与水的混合物在流体动压力、旋转轮旋转所产生的高速气流及离心力的作用下，进入旋转轮与工件之间，微细磨料与工件在狭小的空间内接触，产生一种原子结合力，当磨料在流体剪切应力的作用下离开时，使工件表面产生原子级的极微量的弹性破坏，实现工件表面层原子的分离加工

32、，从而去除工件表面材料。由于微细磨料冲击工件表面所产生的能量不足以使工件表面材料产生塑性变形，而只是原子间结合的微小弹性破坏，所以得到了原子级的精度和没有缺陷的表面。微细磨料在旋转轮的约束下和工件表面接触，通过控制旋转轮的运动就可以得到十分理想的加工精度。2）弹性发射加工的特点弹性发射加工利用游离磨料和工件表层材料原子结合，然后在加工液动压力和剪切应力的作用下，磨料离开结合表面，从而实现对工件的微去除加工。弹性发射加工和传统的加工方法相比有以下两个显著特点：（1）是加工机床的刚度比传统的加工方法要求低；（2）是加工过程不受温度变化和机床振动的影响。根据加工条件（磨料尺寸、硬度、介质黏度、旋转轮

33、速度、加工液剪切应力、加工时间、法向载荷大小）和工件材料的不同，一般可获得纳米级精度和表面粗糙度值，没有热损伤和表面变质层。 图7 弹性发射加工原理图8浮动抛光1）浮动抛光的工作原理浮动抛光（Float Polishing）是将金刚石车削的具有高平面度平面和带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘固定在高刚度的基座上，抛光液是由粒径为几个纳米的微粉磨粒与液体混合而成，并浸没抛光盘上平面，驱动装置分别带动工件和抛光装置以不同的速度旋转（图8），由于抛光盘的特殊形状、工件与抛光装置有足够的相对运动速度、在两者之间有充足的微粉磨料液流，因此在工件与抛光盘之间形成流体动压效应，将工件浮起，在两者之间就能形成了流

34、体动压液膜。其间的微粉磨粒在流体压力场和速度场、离心力的作用下，抛光器不接触工件对工件进行精密抛光加工。图8 浮动抛光装置简图1-抛光液 2-液槽 3-工件 4-夹具 5-锡抛光盘6-经金刚石车削表面 7-沟槽 8-液膜125678432）浮动抛光材料去除机理实际结晶在表面上有很多晶格缺陷，从材料上去除表面原子所需能量比破坏材料原子结合所需的能量小，尤其是凸出部分易受冲击而被去除；当两物质相互摩擦时，两物质表面的结合能量分布出现重叠，强度高的物质表面原子被强度低的物质表面原子冲击而去除，实现用软质粒子来加工硬质材料，而且工件材料也不会因塑性变形产生错位；工件最外层表面原子和研磨剂粒子最外层表面

35、原子相互扩散，降低了工件最外层表面原子的结合能量，被以后的磨粒粒子冲击而去除。这种加工方法的加工效率随抛光粒子向工件表面的冲击频率、冲击速度、工件与抛光剂的表面原子结合能量分布和相互扩散的难易程度、不纯物质的原子侵入时工件最外层表面原子的结合能量的降低比例而异。为了提高加工效率，可使用能起机械化学反应的软物质做抛光剂。用传统的方法以硬质磨粒来抛光软质材料工件，虽然加工效率高，但难免工件材料的变形和破坏。但若选取直径极小的硬质粒子冲击工件表面时，如果设定加工条件无工件变形，只进行去除最外层表面原子，也可使工件不产生错位。例如可使用公称直径为0.007m的SiO2超微粒子等，进行抛光软质Mn-Zn

36、铁素体和LiNbO3等单晶工件而不产生错位。技术要点是使用超微粒子，避免大的粒子混入。3）浮动抛光速度浮动抛光速度随下面诸因素而变化：工件形状、材料、晶面方位、抛光剂种类、粒径、浓度、加工液种类、氢离子浓度、粘度、化学药品种类、抛光压力、抛光器表面形状、直径、转速、工件转速、安装地点、抛光温度等。4）浮动抛光的应用利用金刚石、SiO2、Al2O3、ZrO2和MgO微粉磨粒（57nm），动压抛光单晶MnZn铁素体，得到表面粗糙度Rz为1nm的超精密光整加工表面，通过微细磨粒的冲蚀作用去除工件表层原子而不产生位错，材料去除率取决于磨粒冲击的数量、磨粒运动能量、冲击角度以及工件表层原子结合能量，而与

37、磨粒硬度无关。浮动抛光不仅用于蓝宝石、陶瓷、铁素体等硬脆材料超精密抛光，还可对镍合金、不锈钢等难磨材料进行抛光加工。9动压浮起平面研磨1）动压浮起平面研磨原理动压浮起平面研磨（Hydrodynamic-type polishing）是利用动压推力轴承原理，研磨盘与工件之间被流体介质与微粉磨粒的混合物相隔，研磨盘表面加工有水平倾角为的斜面（图9），当研磨盘旋转时，产生流体动压力，将夹具中的被加工工件浮起，在研磨盘与工件之间的游离磨粒获得能量后对工件进行微去除研磨加工。2）动压浮起平面研磨特点动压浮起平面研磨属于非接触研磨，研磨液在旋转研磨盘的拖曳作用和流体动压力作用下，不仅可得到超光滑无表面变质

38、层的加工表面，而且能明显改善被加工工件的形状精度。由于动压浮起平面研磨可多片同时加工，因此生产效率较高。动压浮起平面研磨用于加工直径为76.2mm的半导体硅片，得到平面度为0.3m，粗糙度为1nm的无加工变质层的精密加工表面。3)动压浮起平面研磨应用动压浮起平面研磨主要用于超精密研磨半导体基片、各种结晶体、玻璃基片等。图9 动压浮起平面磨削1-抛光液槽 2-驱动齿轮 3-工件旋转齿轮 4-夹具 5-工件 6-研磨盘 7-固定盘123457610水合抛光1）水合抛光的工作原理水合抛光（Hydration Polishing）是利用工件界面上产生的水合反应的新型高效、超精密抛光方法。它是在普通的抛

39、光机上，给抛光工件部位上加耐热材料罩，使工件在过热水蒸气介质中进行抛光。通过加热，可调节水蒸气介质的温度。随着抛光盘的旋转，工件保持架在它上面做往复运动。在水合抛光过程中，两个物体产生相对摩擦，在接触区产生高温、高压，工件表面上的原子或分子呈活性化。利用过热水蒸气分子和水作用其表面，使之在界面上形成水合化层。借助过热水蒸气（不是用游离磨粒）或在一个大气压的水蒸气环境条件下利用外来的摩擦力从工件表面上将该水合化层分离、去除，去除量为纳米级，所以可获得无滑痕、平滑光泽表面。所选用抛光盘材料常为低碳钢、石英玻璃、石墨、杉木等不易产生固相反应材料。水蒸气介质温度越高，磨粒切除量越大。但有时在抛光过程中

40、，从抛光盘上抛光下的微粉会粘附到工件上，使抛光切除量下降，加工质量下降。水蒸气与石英玻璃抛光盘的SiO2微粒会产生Cl2O3SiO2H2O反应，生成含水硅酸氯化物2Cl2O32SiO22H2O的粘连物。而软钢、杉木抛光盘则能获得切除量小、表面粗糙度值低的无粘连物的加工表面。2）水合抛光特点（1）水合抛光其主要特点是不使用磨粒和加工液，加工装置和抛光机相似，只是加工在水蒸气的环境下进行，因此要尽量避免使用能与工件产生固相反应的材料作抛光盘；（2）水合抛光可得到粗糙度值为纳米级超光滑表面。3）水合抛光应用水合抛光主要用于光学零件超精密抛光加工，如对蓝宝石的水合抛光可得到Ra值为2nm的超光滑表面，

41、对硒化锌进行水合抛光，在抛光压力0.50.6Kpa，抛光盘转速为20r/min，工件转速在80r/min的条件下，去除量为25nm/min，加工表面粗糙度均方根值Rq为0.010.02m。11化学机械抛光1）化学机械抛光材料去除机理化学机械抛光技术是化学作用和机械作用相结合的组合技术，其过程相当复杂，影响因素很多。在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光垫间的抛光液中的氧化剂、催化剂等与工件表面的原子进行氧化反应，在工件表面产生一层氧化薄膜，然后由漂浮在抛光液中的磨粒通过机械作用将这层氧化物薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，再进行氧化反应，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工

42、件表面抛光。两个过程的快慢影响着工件的抛光速率和抛光质量，因此要实现高效率、高质量的抛光，必须使化学作用过程和机械作用过程进行良好的匹配。化学机械抛光和传统抛光特性明显不同，尤其是抛光率依赖于工作液中的磨粒浓度，抛光去除速率除遵守Preston方程（R=KpPU, 式中：R为去除率，P为所加压力，U为工件与抛光盘之间的相对速度，Kp为比例常数），抛光率也依赖于工作液中的化学品浓度和使用的磨粒化学特性。在传统抛光加工中，表面完整性依赖磨粒尺寸，但化学机械抛光加工中却独立于磨粒尺寸。传统抛光单个磨粒承受工作载荷，被挤进工件表面，向上拔出，耕犁一个犁沟去除工件材料，表面粗糙度取决于压痕尺寸和磨粒大小

43、，压痕深度取决负载，不取决磨粒数，因为磨粒数越多，每颗磨粒承受负载也越小。在化学机械抛光中，由于使用小磨粒尺寸和相对软的抛光垫，所加负载由工作液和抛光垫凸凹不平表面承担，磨粒被镶在凸凹不平表面和混合体接触并从表面去除，去除率和磨粒通过工件表面速度、活动磨粒数成正比，活动磨粒数和磨粒镶入凸凹表面的接触面积成正比。接触面积和作用压力成正比，活动磨粒数取决于工作液中磨粒数和从抛光垫表面脱落的磨粒数。2）化学机械抛光的特点化学机械抛光技术综合了化学和机械抛光的优势。单纯的化学抛光，抛光速率较慢，表面精度较高、损伤低、完整性好，但其不能修正表面型面精度，抛光一致性也较差；单纯机械抛光一致性好，表面平整度

44、高，抛光速率较高，但损伤层深，表面精度较低。化学机械抛光吸收了两者各自的优点，可以获得较完美的表面，又可以得到较高的抛光速率，得到的平整度比其他方法高两个数量级，是能够实现全局平坦化的唯一方法。3）化学机械抛光的应用化学机械抛光技术是目前最好的实现全局平面化的工艺技术，加工表面具有纳米级型面精度和亚纳米级表面粗糙度，同时表面和亚表面无损伤，已接近表面加工的极限。广泛应用在集成电路、计算机磁头、硬磁盘等超精密表面加工，如化学机械抛光应用在半导体工业中的层间介电介质，镶嵌金属W、Ai、Cu、Au，多晶硅，导体，绝缘体，硅氧化物等的平坦化加工；薄膜存储磁盘，微电子机械系统，陶瓷，磁头，机械磨具，精密

45、阀门，光学玻璃，金属材料等表面超精密加工。4）化学机械抛光的关键技术（1）化学机械抛光的材料去除机理，包括纳米两相流的基本问题，纳米磨粒磨损的基本机理和作用规律等一系列科学问题，以及抛光液、抛光垫、工件三者之间的物理化学作用，微观流体力学、接触力学作用，化学腐蚀和氧化作用、润滑作用和机械作用的平衡关系等。（2）抛光过程纳米粒子的运动规律及行为，抛光液中的纳米粒子行为对抛光质量和抛光特性有重要的影响，纳米粒子与抛光盘之间的碰撞行为及由此引起的抛光盘的弹性变形，温度场、应力场变化规律，表面凹坑及其它表面损伤缺陷的关系等。（3）缺陷的生成机理，对于亚纳米级抛光，任何微小的缺陷都会导致产品报废，因而探

46、索它们的形成机理，揭示微观损伤、微接触和微磨损规律，可以为计算机硬盘片和硅片加工中获得无损伤无缺陷的表面提供理论依据。（4）针对不同加工材料的工艺模型，在表面加工过程中，其对象往往是多种软硬不同材料，如绝缘体、层间介质(TaN、TaC、WN、TiW等)、镶嵌金属(W、Al、Cu、Au等)。不同工件材料工艺模型的研究可为含不同性质、不同硬度材料的表面平坦化提供理论依据。（5）化学机械抛光相关问题，在CMP加工中，由于目前加工控制还处于半经验状态，难以维持稳定的、一次通过性的生产运转，因而开发实用的在线检测工具是必须的；另外抛后工件表面残留浆料的清除是CMP后清洗工艺的的主要课题，在实际生产中，工

47、件表面残留物超标也是造成成品率下降的主要因素之一。5）化学机械抛光加工装置图10 化学机械抛光图1-夹持头 2-工件 3-抛光液 4-抛光垫 5-工作台机械作用力12345化学机械抛光装置如图10所示，工作台在电动机的带动下以角速度p转动，抛光垫粘附在工作台上，被抛光工件通过背膜附着在夹持头上，夹持头以角速度w转动，方向与工作台相同。同时，机械压力作用在夹持头上，将被抛光工件压在浸满抛光液的抛光垫上。在工作台、夹持头的转动作用下，被输送到抛光垫上的抛光液均匀地分布其表面上，在被抛光工件和工作台之间形成一层液体薄膜，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在工件与抛光垫之间流动，并在工件表面产生化学反应，工件表面形成的化学反应物由磨粒的机械摩擦作用去除，由于选用比工件软或者与工件硬度相当的游离磨粒，在化学成膜和机械去膜的交替过程中，通过化学和机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，实现超精密表面加工。因而可以获得高精度、低粗糙度和无损伤的工件表面。用这种方法可以真正使被抛光工件表面实现全局平坦化。12砂轮约束磨粒喷射光整加工1）砂轮约束磨粒喷射光整加工的原理砂轮约束磨粒喷射光整加工方法是在完成工件精密磨削后，砂轮停止切深进给，并将磨料混合液注入磨削区（图11），磨粒借助砂