超精密研磨与抛光[行业荟萃]
超精密研磨与抛光[行业荟萃]
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行业借鉴
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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。
行业借鉴
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5.5.2 化学机械抛光
微细磨粒＋ 软质抛光垫 ＋酸性（或 碱性）液
利用磨粒的 机械作用和 加工液的腐 蚀作用的双 重作用的加 工方法
行业借鉴
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行业借鉴
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5.5.3 非接触研磨技术
非接触研磨技术是以弹性发射加工（EEM)的理
论为基础的。
EEM方法是利用微 细粒子在材料表面上滑 动时去除材料的加工。 微细粒子以接近水平的 角度与材料碰撞，在接 近材料表面处产生最大 的剪断应力，既不使基 体内的位错、缺陷等发 生移动（塑性变形）， 又能产生微量的“弹性 破坏”，以进行去除加 工。
行业借鉴
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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。
行业借鉴
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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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浮动抛光
浮动抛光（Float Polishing）使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡 抛光盘，使抛光盘及工件高速回转，在二者之间抛光液呈动压流体状态，形成一层液 膜，从而使工件在浮起状态下进行抛光。
精密研磨与抛光(精密加工)
表面平滑
在抛光过程中，工件表面逐渐被 磨平，最终达到镜面或高度平滑
的效果。
表面改性
在抛光过程中，工件表面可能会 发生物理或化学变化，如表面层 晶格结构的变化或表面化学成分
的改变。
抛光工艺参数
压力
抛光压力是影响抛光效果的重要参数，压力过大会导致工件表面 损伤，过小则抛光效率低下。
02
精密研磨技术
研磨材料
01
02
03
04
刚玉
常用作研磨材料，具有高硬度 和耐磨性，适用于硬材料的研
磨。
碳化硅
具有高硬度和高韧性，适用于 研磨硬而脆的材料。
氧化铝
具有较好的韧性和耐磨性，适 用于研磨软材料和中等硬度的
材料。
天然磨料
如河砂、海砂等，可用于粗研 磨和抛光。
研磨机理
切削作用
研磨材料表面上的磨粒在压力作 用下切入工件表面，切削出微小
智能化的发展
智能检测与监控系统
通过引入传感器和智能化检测技术，实现对 研磨与抛光过程的实时监测和数据采集，提 高加工过程的稳定性和可靠性。同时，通过 数据分析与处理，优化加工参数，提高加工 效率和表面质量。
自动化生产线
通过集成机器人、自动化设备和智能化管理 系统，构建自动化生产线，实现研磨与抛光 过程的自动化和连续化生产。这将大幅提高 生产效率，降低人工成本，提升企业竞争力
总结词
高分子材料的研磨与抛光是实现高分子材料表面高精度和高光洁度的重要手段。
详细描述
高分子材料的研磨与抛光主要采用金刚石、刚玉等硬质材料作为磨料，通过研磨、抛光等工艺去除高 分子材料表面的凸起和划痕，以提高其表面质量和性能。高分子材料的研磨与抛光广泛应用于塑料、 橡胶、涂料等领域。
2024年精密研磨抛光系统市场发展现状
2024年精密研磨抛光系统市场发展现状简介精密研磨抛光系统是一种用于处理高精度零部件表面的设备，广泛应用于电子、光电、航空航天、汽车等领域。
本文将探讨精密研磨抛光系统市场的发展现状，包括市场规模、主要应用领域、技术发展趋势等。
市场规模随着工业自动化的发展和高精度零部件需求的增长，精密研磨抛光系统市场规模不断扩大。
根据市场调研数据显示，预计全球精密研磨抛光系统市场在未来几年内将保持较高的增长率。
其中，亚太地区是最大的市场，北美和欧洲紧随其后。
主要应用领域精密研磨抛光系统主要用于以下领域：1.电子行业：用于半导体芯片、集成电路、平面显示器等高精度电子元件的加工。
2.光电行业：用于光学元件、光纤通信设备、光学镜片等的制造和加工。
3.航空航天行业：用于航空航天零部件的加工、修复和维护。
4.汽车行业：用于汽车发动机、变速器、刹车系统等重要零部件的加工和调整。
技术发展趋势精密研磨抛光系统的技术发展正在朝着以下几个方向前进：1.自动化程度提高：随着工业4.0概念的提出和工业自动化水平的提高，精密研磨抛光系统将更加自动化，减少人工干预，提高加工效率和一致性。
2.智能化控制：引入人工智能和机器学习技术，使精密研磨抛光系统能够自主学习和优化加工参数，提高加工精度和品质。
3.研磨抛光液的创新：对研磨抛光液的研发和改良，不仅可以提高加工效率，还可以减少对环境的影响。
4.精密测量技术的应用：结合精密测量技术，实现对加工过程的实时监测和控制，提高加工精度和稳定性。
市场竞争格局精密研磨抛光系统市场竞争激烈，主要的竞争者包括国际知名企业和本土企业。
国际知名企业在技术实力、品牌认可度和国际市场渠道方面占据优势，但本土企业在价格和售后服务上具有竞争优势。
为了获取更多市场份额，市场竞争者致力于提升产品质量、降低成本并加强技术创新。
总结精密研磨抛光系统市场规模不断扩大，主要应用领域包括电子、光电、航空航天和汽车等行业。
未来，精密研磨抛光系统将更加自动化、智能化，并通过创新技术和精密测量手段提高加工质量和效率。
第5章 超精密研磨与抛光(康仁科) 大连理工大学
固结磨料研磨
圆柱面和球面的研磨
5.5.1 液中研磨
磨料：微细的 磨料：微细的Al2O3磨粒 磨粒 研具： 研具：聚氨酯 加工液：过滤水、蒸馏水、 加工液：过滤水、蒸馏水、净化水 机理：将研磨操作浸入在含有磨粒的研磨剂中 机理： 进行，借助水波效果， 进行，借助水波效果，利用浮游的微细磨粒进 行研磨加工。以磨粒的机械作用为中心， 行研磨加工。以磨粒的机械作用为中心，由加 工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用。 工液进行磨粒的分散，起缓冲和冷却作用。 应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。 应用：加工硅片，可以得到完全高质量的镜面。
研具
磨粒
加工液 工件、 工件、研具相对速度 加工压力 加工时间 环境
温 度 尘 埃
室温设定温度± 室温设定温度±0.1℃ ℃ 利用净化槽、 利用净化槽、净化操作台
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。 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。
5.5 新原理的超精密研磨抛光
传统的研磨抛光方法是完全靠微细磨粒的机械 作用去除被研磨表面的材质， 作用去除被研磨表面的材质，达到很高的加工 表面。 表面。 最近出现新原理的研磨抛光方法其工作原理有 些已不完全是纯机械的去除， 些已不完全是纯机械的去除，有些不用传统的 研具和磨料。 研具和磨料。这些新的研磨抛光方法可以达到 分子级和原子级材料的去除， 分子级和原子级材料的去除，并达到相应的极 高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面。 高几何精度和无缺陷无变质层的加工表面。
超精密研磨抛光方法
超精密研磨抛光方法摘要：介绍了几种近代超精密研磨抛光方法的加工原理、特点、加工对象和应用。
关键词：超精密研磨；弹性发射加工；机械化学研磨；磁力研磨；超声研磨Abstract：Introduces several methods of modern ultra-precision polishing processing principle, characteristics, objects and application.Key words：Ultra-precision grinding, Elastic emission machining, Chemical mechanical polishing, Magnetic abrasive, Ultrasonic grinding.一、概述超精密加工技术标志着一个国家机械制造业的水平，在提高光机电产品的性能、质量、寿命和研发高科技产品等方面具有十分重要的作用。
当前，超精密加工是指加工误差小于 0.01μm、表面粗糙度小于 Ra0.025μm 的加工，又称之为亚微米级加工。
现在，超精密加工已进入纳米级，称之为纳米加工。
在超精密加工中，超精密切削、超精密磨削的实现在很大程度上依赖于加工设备、加工工具以及其它相关技术的支持。
并受其加工原理及环境因素的影响和限制，要实现更高精度的加工十分困难。
而超精密研磨抛光由于具有独特的加工原理和对加工设备、环境因素要求不高等特点，故它可以实现纳米级甚至原子级的加工，已成为超精密加工技术中的一个重要部分。
二、几种超精密研磨抛光方法2.1、基于机械作用的超精密研磨抛光方法基于机械作用的超精密研磨抛光方法是依靠微细磨粒的机械作用对被加工表面进行微量去除，达到高精度的加工表面。
2.1.1、弹性发射加工弹性发射加工是一种可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度的超精密研磨方法。
其加工原理如图1所示（图1略）。
加工时使用聚氨脂球作加工头，在高速旋转的加工头与被加工工件表面之间加上含有微细磨粒（0.1～0.01µm）的研磨液，并产生一定的压力。
超精密研磨抛光的主要新技术
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0.01μm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0.01～0.02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（<0.015μm）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。
超精密加工
这是研磨加工的零件图
这是抛光加工的零件图
二、研磨和抛光的原理
研磨加工：通常使用1μ m到几十μ m的氧化铝和碳化硅等 磨粒对物体表面进行平整，以减少物体表面粗糙度的加 工过程。 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。
（3.3）电解磁力研磨抛光
电解磁力研磨抛光是由电化学 加工和磁力研磨两种工艺复合 而成。其加工原理图如图5所示 。电流电压的阳极接工件，阴 极接工具，阴极接除毛刺的工 件部位。电解液由泵驱动后经 阴极流过阳极工件的毛刺部位 到达回流槽。工件以一定的速 度旋转，同时作轴向振动。在 垂直于工件轴线及电力线的平 面方向上加直流强磁场，在磁 场中填入游离状的磁性磨料， 由磁磨料组成的“磨料刷”快 速冲击工件表面，往除突起的 毛刺和实现光整加工。
超声研磨应用范围广，可加工各种硬脆材料，可以加工平面，也可 加工复杂曲面。目前用超声研磨可在3mm厚的玻璃上钻出直径为（ 0.1-1.0)mm的小孔。同时其单位时间内的切除率较高，无需复杂 的技术，所需设备也较简单，故可获得较高的技术经济效果。
（3.7）离子束研磨抛光
与传统的机械抛光方法不同，离子束抛光采用被充电的高能原子或 离子（离子的质量较原子质量更大，因而可获得更大的动能），在 真空状态下由离子枪射向工件，当带有很高能量的离子撞击工件表 面时，在撞击点上材料以原子量级实现往除。材料的往除量取决于 离子束在该点的溅射时间。
由于离子束抛光是在原子量级上实现材料的往除，因而材料的往 除率较低，为此在采用该方法前，工件要经过传统方法的预抛光 ，在基本达到精度要求后再采用离子束抛光对工件表面面形（如 球面、非球面、非对称的自由曲面等）实现很高精度的修正。固 然离子束抛光制造所需要的设备投资较大，运行本钱较高，但对 于某些具有特殊高精度要求的光学大型镜面还是必须采用离子束 抛光方法。
精密与超精密磨削技术 国内外都采用超精密磨削
精密与超精密磨削技术国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究以精密与超精密磨削技术国内外都采用超精密磨削、精密修整、微细磨料磨具进行亚微米级以下切深磨削的研究以获得亚微米级的尺寸精度。
微细磨料磨削用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均直径可小至4 μm。
日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃对硬脆材料进行精密磨削加工效果很好。
超硬材料微粉砂轮超精密磨削主要用于磨削难加工材料精度可达0.025 μm。
日本开发了电解在线修整ELID超精密镜面磨削技术使得用超细微或超微粉超硬磨料制造砂轮成为可能可实现硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。
作平面研磨运动的双端面精密磨削技术其加工精度、切除率都比研磨高得多且可获得很高的平面度在工具和模具制造中磨削是保证产品的精度和质量的最后一道工序。
技术关键除磨床本身外、磨削工艺也起决定性的作用。
在磨削脆性材料时由于材料本身的物理特性切屑形成多为脆性断裂磨剂后的表面比较粗糙。
在某些应用场合如光学元件这样的粗糙表面必须进行抛光它虽能改善工件的表面粗糙度但由于很难控制形状精度抛光后经常会降低。
为了解决这一矛盾在80年代末日本和欧美的众多公司和研究机构相继推回了两种新的磨削工艺塑性磨削Ductile Grinding和镜面磨削Mirror Grinding。
1塑性磨削它主要是针对脆性材料而言其命名来源出自该种工艺的切屑形成机理即磨削脆性材料时切屑形成与塑性材料相似切屑通过剪切的形式被磨粒从基体上切除下来。
所以这种磨削方式有时也被称为剪切磨削Shere Mode Grindins。
由此磨削后的表面没有微裂级形成也没有脆必剥落时的元规则的凹凸不平表面呈有规则的纹理。
塑性磨削的机理至今不十分清楚在切屑形成由脆断向逆性剪切转变为塑断这一切削深度被称为临界切削深度它与工件材料特性和磨粒的几何形状有关。
一般来说临界切削深度在100μm以下因而这种磨削方法也被称为纳米磨削Nanogrinding。
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行业借鉴
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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
行业借鉴
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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；
第5章 超精密研磨与抛光
Chapter 5 Ultra Precision Lapping and Polishing
行业借鉴
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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。
行业借鉴
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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。
行业借鉴
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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。
行业借鉴
4
研磨的机理
行业借鉴
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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
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。
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。
行业借鉴
17
行业借鉴
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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
行业借鉴
8
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。
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。
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。
行业借鉴
11
行星轮式双面平面研磨机
行业借鉴
12
行星轮式双面平面研磨机
行业借鉴
19
抛光垫形状外貌
行业借鉴
20
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
行业借鉴
2
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。
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。
行业借鉴
7
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
行业借鉴
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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。
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。