精密研磨与抛光的主要工艺因素

图 4 双面研磨/抛光设备及其保持架简图
a--设备结构示意图 b--工件保持架和内齿轮、太阳轮轮啮合 c--不同形状工件的保持架
1--内齿轮 2--下研磨盘 3--上研磨盘 4--太阳齿轮 5--工件 6--保持架
不论是单面还是双面研磨抛光加工，工件与研具的相对运动轨迹对工件面形精度有重要
影响，对其基本要求如下：
料
软 软质金属
Sn、Pb、In、Cu 焊接
陶瓷抛光
质 天然树脂
松脂、焦油、蜜蜡、树脂
光学玻璃抛光
材
光学结晶抛光
料 合成树脂
硬质发泡聚氨酯
PMMA、聚四氟乙烯
光学玻璃抛光
聚碳酸酯、聚碳酯橡胶
一般材料抛光
天然皮革
麂皮
金属抛光
人工皮革
软质发泡聚氨酯
硅晶片抛光
氟碳树脂发泡体
化合物半导体材料抛光
纤维
非织布（毛毡）
1）工件相对研具做平面运动，能使工件顺那个各点具有相同或相近的研磨行程。
2）工件上任一点，尽量不出现运动轨迹的周期型重复。
3）研磨运动平稳，避免曲率过大的运动转角。
4）保证工件走遍整个研具表面，使研磨盘得到均匀磨损，进而保证工件表面的平面度
精度。
5）及时变换工件的运动方向，使研磨纹路复杂多变，有利于减少表面粗糙度并保证表
尘埃
利用洁净室、净化工作台
图1 二、研磨与抛光设备
常用的研磨与抛光设备如图 2 所示，
单 面 / 运动方式
电 动 驱 动 轴 特征
双面
机数 数
主要用途
单 面 加 修整环型
1
1
工机
工件在保持架内自转，研磨盘 晶体、金属、
旋转抛光单一平面
陶瓷
单 面 加 行星运动型 1
2
工机
2
2
将工件放入太阳齿轮与内齿轮 同上 之间的环状保持架内，保持架 带动工件作行星运动
同上
双 面 加 摇摆动型
3
3/4/5 上、下平板任一为摇摆型，则 同上
工机
载体就有摆动型，就可以做出
4
4/5
与行星运动不同的轨迹
球 面 加 摆动型
1--4 1--4
多用于球面、非球面镜片研磨， 镜片，玻璃
工机
玻璃眼膜
图2
其中典型的单面研磨/抛光设备如图 3 所示的修整环型加工设备。加工时将被加工面，
金属材料抛光
织布（尼龙、棉）纸
一般材料抛光
木材
桐、杉、柳
金属模抛光
图5
为获得良好的研磨表面，优势需在研具表面上开槽。槽的形状有放射状、网格状、同心 圆柱和螺旋状等。槽的形状、宽度、深度的间距等要根据工件材料、形状及研磨面的加工精 度而选择。在研具表面开槽如下的效果：
1）可在槽内存储多余的磨粒，防止磨料堆积而损伤工件表面。 2）在加工中作为向工件供给磨粒的通道。 3）作为及时排屑的通道，防止研磨表面被划伤。 四、磨粒 磨粒按硬度可分为硬磨粒和软磨粒两类。研磨用磨粒需具有下列性能： 1）磨粒形状、尺寸均匀一致； 2）磨粒能适应当地破碎，使切刃锋利； 3）磨粒熔点要比工件熔点高； 4）磨粒在加工液中容易分散。对抛光用磨粒，还要考虑工件材料作用的化学活性。加 工对象不同需用的磨粒也不同。如果磨粒硬度过大，会在加工表面产生较深的划痕或裂纹。 相反地，如果磨粒硬度过小，则磨粒较容易崩溃，加工状态不稳定。 五、加工液 通常研磨抛光加工液由基液（水性或油性）、磨粒、添加剂三部分组成，作用是供给磨 粒、排屑、冷却和润滑。对加工液有以下要求: 1)能有效地散热，以避免研具和共建表卖弄热变形； 2)粘性低，以提高磨料的流动性； 3)不会污染工件； 4)化学物理性能稳定，不因放置或温升而分解变质； 5)能较好的分散磨粒。 研磨和抛光时，伴随有发热，工件和研具因温度上升而发生变形，难以进行高精度研磨， 在局部的磨粒作用点上还会产生相当高的温度，使加工变质层深度增加。适当的供给加工液， 可以保证研具有良好的耐磨性和工件的形状精度及较小的工件加工变质层。添加剂的作用是 防止或延缓磨料沉淀，并对工件发挥化学作用以提高研磨抛光的加工效率和质量。 六、工艺参数 加工速度、加工压力、加工时间以及研磨液和抛光液的浓度是研磨与抛光加工的主要工 艺参数。在研磨抛光设备、研具和磨料先选定的条件下，这些工艺参数的合理选择是保证加 工质量和加工效率关键。 加工速度是指工件与研具的相对速度。加工速度增大使加工效率提高。但当速度过高时， 由于离心力作用，使加工液甩出工作区，加工平稳性降低，研具磨损加快，从而影响研磨抛 光的加工精度。一般粗加工多用于较低速、较高压力、精加工多用于低速、较低压力。 将研具单位面积上的研磨痕数量与留存的磨料粒子数量之比称为磨料作用率。磨料作用 率与加工压力之间的关系如图 6 所示。由图可见，随着加工压力之间的关系如增加。亦即， 单颗磨粒作用在宫会见表面上的力增加，使得在工件表面上产生的裂纹长度增加，进而引起 工件的表面去除率增加。但当压力大到一定值时，由于磨粒破碎及工件与研具的接触面积增 加，实际接触点的接触压力不成正比增加，研磨抛光效率提高并不明显。
形状
平面、球面、非球面、圆柱面
表面状态
有槽、有金属碳化物、氮化物、硼化物
材质、形状
硬度、韧性、形状
加工液
粒径 水性 油性
几十微米---几十分之一微米 酸性--碱性、表面活性剂 表面活性剂
加工参数 加工环境
工件、研具相对速度 加工压力 加工时间 温度
1--100m/min 0.01-30N/cm² ---10h 室温变化±0.1℃
加工压力 p₀（MPa）的计算公式如下： F
p₀= NA
F----工件被加工表面所承受的总压力/N;
N----每次研磨抛光的工件总数； A----单个工件实际接触面积/mm²。 即使采用同样的磨粒，加工压力减小对减小表面粗糙度有利，在功能陶瓷材料最终抛光 阶段，如采用仅靠工件自重进行悬浮抛光，可获得极好的表面质量。 研磨抛光液的浓度也对加工质量和加工效率有重要影响。当浓度增加时，参与研磨抛光 加工的有效磨粒数增加，材料去除率增加。但当浓度过高时，磨粒的堆积和阻塞会引起加工 效率的降低，同时也会引起加工质量的恶化。
面均匀一直。常用的运动轨迹有：次摆线、外摆线和内摆线轨迹等。
虽然复杂运动轨迹的重复性较小，但运动轨迹的重复仍是不可完全避免的。这样，研具
表面形状就会在一定程度上“复印”到工件表面上。为消除抛光运动轨迹重复对试件平面精
度的影响，除要求所采用的工件-研具相对运动方式具有较少的轨迹重复次数外，还应保证
研具具有较高的面形精度。为此，研磨/抛光机上通常专门配备有研具的高精度平面修整装
以一定的负载压于旋转的圆形研具上。工件本身跟着旋转，运动轨迹的随机性，使工件表面
的去除量均匀。同时，工件对研具的反作用，也使研具表面磨损，为避免加工精度恶化，在
工件外侧配置旋转的修整环，使研具表面的磨损得以均匀修整。另一种应用最普遍的一种双
研磨/抛光设备如图 4，可利用这种设备加工高精度平行平面、圆柱面和球面。加工时工件 放在齿轮状薄形保持架的载物孔内，上下均有工具座。为工件上得到的均匀不重复的加工轨
一、工艺因素及其选择原则
精密研磨与抛光加工的主要工艺因素包括加工设备、研具、磨粒、加工液、工艺参数和
加工环境等，如表所示，这些因素决定了最终加工精度和表面质量。
工艺因素
实例
加工设备
加工方式
单面研磨、双面研磨
运动方式
旋转、往复摆动
驱动方式
手动、机械驱动、强制驱动、从动
研具
材料
硬质、软质（弹性、粘弹性）
双 2 方定向
1
2
面
2
2
加
3 固定型 2
3
工方
机向
3
型
上下研磨盘不动，太阳齿轮与 同上
内齿轮转动
内齿轮固定，上下研磨盘与太 晶体、金属、
阳齿轮转动
陶瓷、铝、玻
璃、贵、化合
物
上平板 2
3
固定性 3
3
固定上研磨盘，下研磨盘与太 同上 阳齿轮、内齿轮转动
4 方向型
2
4
3
4
4
4
传动上，下研磨盘，太阳轮， 内轮等 4 个轴，4 个电动机独立 传动，工件上下面的研磨长度 可以完全一致
置。
三、研磨盘与抛光盘
常用的研磨盘及抛光盘材料及部分使用如图 5.常用的研磨盘材料有铸铁、玻璃、陶瓷等。
研磨盘是用于土敷或嵌入魔力奥德载体，时磨粒发挥切削作用；同时又是研磨表面的成型工
具。研磨盘本身是在研磨过程中与工件是相互修整的，研磨盘本身的几何精度按一定程度“复
印”到工件上，故要求研磨盘的加工面有高的几何精度。对抛光盘的要求主要有：
1）材料硬度一般比工件材料低，组织均匀致密、无杂质、异物、裂纹和缺陷，并有一定的
磨料嵌入性和浸含性。
2）结构合理，有良好的刚性、精度保持性和耐磨性。其工件表面应具有较高的几何精度。
3）排屑性和散热性好。
分类
对象材料
部分使用例
硬 金属
铸铁、碳钢、工具钢
一般材料研磨
质
金刚石抛光
材 非金属
玻璃、陶瓷
化合物半导体材料研磨
迹，工件保持架齿面与设备的内齿圈和太阳轮同时啮合，工件既有自转又有公转，做行星运
动。上盘将载荷传递给工件，具有一定的浮动以避免两工具盘不平行造成工件上下两加工不
平行。
图 3 修整环型抛光机原理示意图 1---载物孔 2--研具 3--滚动轴承 4--修整环保持架（可调） 5--修整环 6--基盘 7--工件 8--粘结剂 9--发麻载荷
4
磨3 料 作 用 率 （2 ）
1
W7 白玉刚
%
0
20
40
加工压力/kPa
图 6 磨料作用率与加工压力间的关系