光整加工技术浅析.doc

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1、研究生课程论文2 0 1 3 学年第 一 学期课程名称： 机械工程发展现状 课程教师： 论文题目： 光整加工技术浅析 学生姓名： . 专业学号： 开课学院： 机械工程学院 课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据：任课教师签字： 日期： 年 月 日光整加工技术浅析摘要：了解光整加工技术基本定义，介绍光整加工技术的产生和分类以及在制造业中的重要作用与地位，分析了光整加工技术的特点和发展趋势，介绍了目前几种光整加工新技术。随着光整加工技术的发展，其面临的挑战与机遇，其目标不仅要改善表面质量和提高生产效率，而且在实现精度稳定甚至提高精度等级的同时，还应实现加工过程的机械化、自动化、柔性化、智能化和高效

2、率。关键词：表面质量光整加工加工精度一、光整加工技术概述零件的表面质量对对零件的使用性能、寿命和可靠性都有很大的影响。在机械加工过程中，影响表面质量的因素又非常复杂。因此，如何保证零件的表面质量是大家十分关注的问题。通常，为了获得规定的表面质量要求，就必须选择合理的加工方法和工艺参数；对某些零件的重要表面进行光整加工和去毛刺。零件的表面加工方法很多，每种加工方法在获得工件一定形状和尺寸精度的同时，也将得到一定的表面质量。目前在保证零件表面质量的诸多加工方法中，有些是着重改善零件表面的几何特征，如减小表面粗糙度值和去除毛刺、划痕；有些是着重改善零件表面的物理力学性能，如提高表面硬度和改变应力状态

3、；还有些加工方法，在改善表面几何特征和改善物理力学性能两个方面，都同时获得很好的效果。当着重于减小表面粗糙度值是，常采用光整磨削，研磨，珩磨，超精研、抛光等传统加工方法。当着重改善零件表面物理力学性能时，常采用无屑加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光等作为表面的终加工工序。这些工艺加工时，金属表层产生塑性变形，表面硬度增加，且具有残余压应力，使零件的耐磨性能和疲劳强度提高。近年来，由于对零件表面质量的要求提高，表面光整加工工艺和去毛刺技术得到迅速发展，涌现出许多新的工艺技术。这些工艺方法不仅能有效降低表面粗糙度值，改善表面应力状况，而且还可以清除毛刺、棱边倒圆，使零件表面质量大大提高。1.1 光

4、整加工技术含义无论是切削加工，还是铸锻、冲压、焊接加工，都会在零件表面留下程度不同的粗糙表面及各种各样的缺陷，如表面凸凹不平、棱边残缺、飞边毛刺、磕碰划伤、微观裂纹。它们的产生和存在，不仅影响零件本身的质量，而且也影响产品整机的装配精度、性能和使用寿命。以至影响到产品在市场上的信誉和竞争力。零件表面微观的不平和缺陷的产生，涉及到了工件材料、尺寸大小、结构形状及加工方法等诸多因素，是集材料组织、切削变形、物化反应等十分复杂的问题。为了改善零件表面的外观质量，提高零件表面的耐磨性，充分发挥每个零件的功能，保证产品的整机性能，零件在获得规定的尺寸精度、几何精度之后，如尚未达到表面质量的要求，还要根据

5、需要进行去除毛刺、飞边、刀痕，细化表面粗糙度，改善表面应力状态，消除零件表面上残留的各种缺陷等工作。因此可以这样说：在机械加工中旨在提高零件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术，称谓表面光整加工技术，简称光整技术。通常对零件毛坯表面和零件机械加工表面应根据需要进行相应的表面光整加工。对于毛坯零件表面的光整加工，是指零件在经过铸锻、冲压、焊接之后，虽然获得了规定的毛坯尺寸、几何形状，但就其毛坯表面质量而言，还存在许多缺陷，如表面氧化层、皱曲、粘砂、残留焊渣等。这样的零件在进入下道工序之前，必须进行清砂处理或者镀前处理等。这类表面光整加工，是以保证毛坯零件表面质量为目的的，称为毛坯表面光整加工技

6、术。零件经切削加工后，进行棱边倒圆、去除毛刺、消除微观裂纹、细化表面粗糙度、改善物理力学性能，称为零件最终表面光整加工技术，也称为精密表面光整加工技术。随着科学技术的进步，对零件表面质量的要求越来越高。因此，零件表面加工技术发展很快，学术体系逐渐形成，其中常被作为终加工工序的表面光整加工和去毛刺技术得到迅速发展。它集机械加工、材料学、物理学、化学、电磁学等多学科为一体的新型边缘学科，日益受到人们的重视。1.2 光整加工技术分类为了保证和提高零件的表面质量，采用光整加工方法作为零件的终加工工序是十分有效的措施。目前光整加工技术的工艺方法很多，有不同的分类方法。若按光整加工的主要功能来分，可分为下

7、面三大类： 光整磨削 超精研 珩磨 非自由磨具 砂带抛光 弹性轮抛光 动力刷加工 滚压 无削光整加工 金刚石压光 挤孔 机械法 研磨 滚磨 自由磨具 磁性研磨 挤压珩磨液、汽体喷射喷丸强化表面光整加工 电化学抛光化学和电 化学心轴抛光化学法 电化学振动光饰电解研磨超声波加工激光加工热能作用 热电阻丝加工高温去毛刺图 1 表面光整加工方法(1) 以降低零件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和抛光等；(2) 以改善零件表面物理力学性能为主要目的的光整加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等；(3) 以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工，如喷砂、高温爆炸、滚磨、动力

8、刷加工等。若按加工时能量提供方法来分，有机械法、化学和电化学法、热能作用等几大类，约 20 多种如图 1。光整加工还可分为采用固结磨料或游离磨料的手工研磨和抛光，传统机械光整加工 ( 磨削、研磨、抛光和超精加工)，非传统现代光整加工 ( 离子束抛光，激光束抛光，化学抛光，电化学抛光，磁粒光整加工，磁流体研磨，磨料流抛光，超声波研磨、抛光，电泳研磨)；复合非传统光整加工 ( 化学机械抛光、电化学超声波研磨、电火花超声波研磨、电化学机械光整加工、电火花电化学抛光、磁场电化学光整加工，其他复合光整加工) 等。1.3 光整加工技术的应用光整加工工艺不同，零件的表面质量也不同，致使零件的使用性能和寿命也

9、不同，如表1 所示。从表中可知。机械光整加工的微观表面形貌为尖峰状, 此时的摩擦系数大，在摩擦时容易磨损，初磨损量大，精度保持性差。同时由于磨具的强力挤压，尖点金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内，掩盖了真实的表面形貌。使用一段时间以后, 由于疲劳磨损而剥离, 使表面质量更差；而非传统及复合光整加工的微观表面形貌为波浪或圆弧凹坑，摩擦系数小，初磨损量小，轮廓支承长度率高，精度保持性好，耐磨、耐腐蚀、耐疲劳性能得到显著提高。 表 1 不同光整加工方法微观表面形貌与使用性能关系以大量使用的齿轮和轴承为例，六级精度齿轮经过电化学光整加工以后, 能降低齿面粗糙度值，纠正齿形误差，磨损量由48 mg 减少

10、到7 mg，接触疲劳强度提高一倍以上，比机械磨齿效率提高2 倍以上，寿命提高1. 5 倍以上，减小了齿轮的冲击振动和噪声；轴承采用机械磨削后抛光，粗糙度只能到达Ra 0. 2 0. 1。而采用先进的非传统光整加工工艺，可实现粗、精加工一道工序完成，粗糙度可达Ra0. 04以下，寿命提高4 倍以上，加工效率和精度也大大提高, 并能减少波纹度，降低轴承的振动和噪声。另一方面,在解决细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的零件的表面质量问题时，非传统光整加工工艺也具有明显的优势。因此研究和开发先进的非传统光整加工工艺，对促进制造技术的发展具有重大的意义。但是目前许

11、多企业对光整加工工艺的重要性还缺乏足够的认识和理解，没能真正掌握光整加工工艺的本质，致使采用同样工艺，而质量却赶不上国外。轻工、化工行业的大量零件如化学反应釜、热交换器的细长管等，大多由不锈钢制成。国产的粗糙度太大，常引起物料挂壁、堵塞，导致间断生产甚至停产，维修周期频繁，经济损失巨大。因此常采用砂轮打磨，砂带、叶轮修整至Ra0.80.4 ，再用布轮抛光, 工序多、工作量大、效率低、成本高。而且不锈钢粘性大，粗糙凹坑常常被堵死、填平, 造成假象。而进口板材售价昂贵，很多企业难以承受，因此亟待开发新的光整加工工艺来解决这些难题。在模具制造中, 有30%40%的工作量是光整加工，传统上采用了风动或

12、电动机械抛光甚至依靠经验丰富、技术熟练的老工人进行人工抛光。磨料由粗到细, 多道工序实现抛光，劳动强度大，生产效率低。因此国际上相继研究出多轴数控机床、机器人，在苛刻的条件下使用固结砂轮来实现, 但是每道工序间必须清洗干净，给自动化光整加工过程增加难度；对于一些特殊模具如细小槽、窄槽、细小孔、异型管及带有复杂型腔的内表面等固结砂轮难以触及的，其加工更是难以实现。如何解决这些问题已成为模具行业发展的关键。纺织行业的阻纬片、综丝等零件存在的表面质量、加工效率和制造成本等问题更加严峻, 同样不容乐观。因此由表面质量所引起的产品质量问题，已严重地阻碍了这些企业正常的生产和经济效益的提高，甚至有的零件不

13、得不以高价进口来解决质量问题，给企业、国家带来了沉重的负担。总之光整加工技术在制造业中具有重要的地位和作用。因此必须从我国国情出发，深入研究和开发适合我国国情和具有我国特色的光整加工新工艺，否则我国的产品质量将与国外差距越来越大。二、光整加工技术发展趋势先进制造技术的一个重要发展方向是精密和超精密加工技术、微细和超微细加工技术，而磁流体研磨、电解磨削、磁粒光整加工、( 脉冲) 电化学机械光整加工、电化学磁粒光整加工等技术是实现这些加工的重要途径之一。新型材料及复合材料的蓬勃发展也给光整加工技术提出了新的课题和挑战，研究和开发新的复合光整加工技术是解决新型材料和复合材料超精密加工的重要手段。当前

14、对于细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的工件，也迫切需要研究开发新的光整加工工艺以便更好地解决这个难题。同时它也是解决当前产品存在的表面质量和生产率等问题，实现光整加工过程自动化、柔性化、集成化和智能化的必然要求。从表1 可知，非传统光整加工的微观表面形貌不同于机械光整加工，但机械光整加工精度容易控制。充分发挥两种工艺方法的优势，扬长避短, 实现传统光整加工与非传统光整加工的复合，是一条可行之道。从手工研磨和抛光、机械光整加工、非传统光整加工到复合光整加工的发展过程也可知，光整加工技术的发展趋势应该是朝着大幅度改善表面质量和提高生产效率，在实现精度稳定甚

15、至提高精度等级的同时还应实现机械化、自动化、柔性化、智能化和高效率。因此复合光整加工技术应该是今后的发展方向和研究重点。三、光整加工新技术3.1 磁力研磨技术研磨是精加工中最常用的光整加工方法之一，是修配和制造精密零件不可缺少的工序。随着科学技术的不断发展，国内外专家都在探索新的精密、高效、节能的加工机理和方法。磁力研磨就是国外70年代把磁场理论应用到机械加工方面，使普通的机械研磨变为物理、化学、机械综合的加工方法。 磁力研磨加工技术具有很好的柔性、自适应性、自锐性、温升小和无需进行刀具磨损的补偿、无需修形、效率高等特点，能够去除参与应力在工件表面的刀痕、磨削痕、放电痕和放电加工变质层等。改善

16、工件表面质量，具有其他加工方法补课替代的优势。所谓磁力研磨，就是指磁性磨料（必须兼有可磁化及能进行研磨两种性能的颗粒状物）在磁场中形成的磁性刷子，对工件表面进行精加工的一种方法。下面以圆柱形工件的磁力研磨为例，对这种加工方法的原理加以说明。如图所示：将磁性磨料放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线方向有序地排列成磁力刷。把圆柱形工件放入N-S磁极中间，并使工件相对N极和S极保持一定的距离。放在间隙内的磁性磨料在磁场力的作用下，颗粒就会沿着磁力线方向产生一个压在工件的力Px，其压力的大小为：Px=式中 B加工界面的磁通密度 u0真空磁导系数 um磁性磨料相对磁导系数 当工件对磁极作相对运动时，

17、磁性磨料将对工件表面进行研磨。附在工件表面的磨料受工件旋转方向的切向力Py作用，将会出现磨料向切线方向飞散的趋势。但磁极和工件之间生成的磁场是不均匀的。在切线方向由于磁场强度产生了一个与Py相反的磁力Fm。这个力的作用可以防止磨料向加工区域以外流动，这样及保证了研磨工作的正常进行。 磁力研磨原理图磁力研磨的特点 1：磨粒自锐性好，磨削能力强，加工效率高，可以自动调整研磨切削力，实现对机械零件表面的精密研磨加工。2：温升小，工件变形小，切削深度小，加工表面平整光洁，加工精度可达0.01mm。3：工件表面的交变励磁，强化了表面电化学过程，改变了表面应力分布状态，提高了工件表面的物理机械性能。4：加

18、工对象适应性强，可以研磨平面、曲面以及复杂形状零件的内外表面，例如弯管，U形管，异型内表面，小瓶颈零件内表面。5：具有交变磁场的磁力研磨装置由于没有运动部件，因为运行可靠，设备的寿命大大提高。6：即可磨削铁磁性材料，也可磨削非铁磁性材料。7：由于使用磁性磨料，粉尘被磁极吸引，磨粒无飞散，因此工作环境良好。8：通过改变磁场强度可以很方便的控制研磨压力，调节磁性磨料的保持力，磁性磨料的自动进给、排出及回收也可控制。9：磁性研磨工具可快速更换，可像机床的配附件一样，在普通机床上改造磁性研磨加工装置。3.2 磁流变抛光技术磁流变液是将微米尺寸的磁性颗粒分散于绝缘载液中形成的具有可控流变行为的悬浮液体，

19、其流变特性随外加磁场变化而变化。磁流变液在未加磁场时流变特性与普通牛顿流体相似, 当受到一定强度磁场作用时，在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，其表观粘度系数增加2 个数量级以上，会变成类似“固体”的状态，一旦去掉磁场后, 又变成可以流动的液体。在磁场作用下的磁流变效应，使磁流变液体在液态和固态之间发生转换，具有可逆、可控、反应迅速的优点。磁流变液的剪切屈服应力比电流变液大一个数量级，而且磁流变液具有良好的动力学和温度稳定性，因此，与电流变液相比，应用范围更广泛。图2 磁流变抛光原理示意图磁流变抛光原理如图2 所示，将含有一定浓度微细磨料的磁流变液注入抛光区域，同时在该区域施加一可控的高梯度

20、磁场，在磁场的作用下，此区域的磁流变液产生流变效应，其表观粘度在毫秒级时间内迅速增大，在抛光轮表面形成半固体状的抛光工具，由抛光轮带动，在流体动压的作用下实现抛光去除加工。磁流变抛光主要的特点：1) 能够获得质量很高的光学表面。2) 易于实现计算机控制，能够得到比较复杂的面形。3) 去除效率高。4) 不会存在刀具磨损、堵塞现象。5) 磁流变抛光以其独特的剪切去除机理在保证较高去除效率的同时不引入亚表面损伤，可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层，实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光。因此, 磁流变抛光是一种非常好的光学加工方法。3.3电化学机械抛光电化学抛光是利用金属电化学阳极溶解原理进行修磨抛光。

21、电化学机械抛光是将电化学预抛光和机械精抛光有机的结合在一起，发挥了电化学和机构两类抛光特长。它不受材料硬度和韧性的限制，可抛光各种复杂形状的工件。其方法与电解磨削类似。导电抛光工具使用金钢石导电锉或石墨油石，接到电源的阴极，被抛光的工件（如模具）接到电源的阳极。3、用途。 电修磨抛光机可用来修磨抛光各种复杂开头的零件和模具，不受材料的硬度所限制。 （1）经电火花加工后的型腔模具，基表层产生由溶化层和热影响层组成的硬化层硬度高达6070HRC。钳工手工打磨非常困难。电修磨抛光能有效地去除这层“硬化层”，并将原表现为Ra47um的粗糙度改善为Ra0.350.6um，生产率为每平方厘米3分钟左右。

22、（2）用它来修磨抛光复杂形状，特别是模具的窄缝、沟糟、角部、根部以及内孔等能明显地提高劳动生产率。 （3）用机械方法加工的各种注塑模具，其型面经锉刀、砂纸等打磨后残剩的很多划痕，用电修磨方法可迅速抛光划痕，获得无任何条纹的光滑表面，可提高注塑制品的外观质量。 （4）用它来修磨抛光各种复杂形状的金属零件并不受材料硬度所限制。它可修磨G类T类硬质合金和钢基硬质合金的各种粉末冶金制品。将原表面在4提高到7左右。修磨抛光磁钢可以从原表面4提高8左右。修磨抛光各类淬火钢和各种模具钢可从45提高到79。 （5）电修磨也可用来去除不锈钢和耐热合金复杂形状或薄壁零件机械加工后残剩的毛刺，并将其锐边倒平，提高表

23、面光洁度。 （6）电解抛光在其表面产生一种极薄的一小层黑膜，再用80002000转、min的多功能软轴机械抛光器夹上适当的毡轮，略涂一点绿油膏进行表面抛光，即可产生光亮的表面。其光洁度还可提高二级以上。另外这种机械软轴手柄可夹上相应的工具进行钻、铣、磨、雕、切、抛光等作业，使用十分灵活方便。3.4 化学机械抛光CMP20世纪60年代中期以前, 半导体基片抛光大都沿用机械抛光, 例如采用氧化镁、氧化锆、纯氧化铬等方法, 得到的镜面表面损伤极其严重。1965 年Walsh和Herzog提出SiO2 溶胶和凝胶抛光即化学机械抛光( CMP) 技术, 以SiO2 CMP 浆料为代表的CMP工艺就逐渐代

24、替了上述旧方法, 之后逐渐被应用起来。20世纪80年代中期, 美国IBM公司利用Strasbaugh公司的抛光机在East Fish Kill工厂进行工艺开发, 才使得CMP技术在IC制造用基材硅的粗抛与精抛方面有了用武之地。1988 年, IBM公司开始将CMP工艺用于4MDRAM器件的制造。几乎所有的半导体制造技术都是从大学或国防研究实验室开发出来, 而后顺利而迅速地在各种会议和研究报告中传播, 并逐步进入工业化生产的。然而, CMP技术却不同, 该技术一直是由一些主要器件和设备制造厂家们通力合作而开发出来的。1990 年, IBM公司便向Micron2Technology 公司出售了采用

25、CMP 技术的4MDRAM工艺。此后不久, 又与Motorola公司合作,共同进入为苹果计算机公司生产PC机器件的行列。1991年, 该项技术成功应用于64Mb的DRAM生产中。之后, CMP技术得到了快速发展。从此各种逻辑电路和存储器便以不同的发展规模走向CMP。1994年, 随着015m器件的批量生产和0135 m工艺的开发, 由于半导体器件的高密度化、微细化和多层化, 平坦化工艺成为必不可少的工艺步骤, CMP技术开始逐渐发挥其所特有的技术优势。CMP技术的推广应用工作, 主要集中在美国以SEMATECH为主的联合体, 并率先进入了生产线, 设备市场初步形成规模, 工业化生产局面逐步打开

26、。1995 年初,日本也开始将CMP工艺引入其150 200 mm 晶圆、015m工艺线的氧化膜平坦化工艺中。1996年日本将此技术开始用于钨的平坦化工艺。 如今, CMP技术已发展到全球, 如欧洲的联合体, 法国研究公司LETI和CNET, 德国的FRAUD2HOFER研究所等; 亚洲的韩国、日本的JESSI和我国台湾地区也在加速CMP技术研究与开发, 并呈现出高竞争势头。目前, 国外正处于向0118m (或更小) 和300 mm (或更大) 圆片技术过渡时期, 相应的大部分CMP 技术业已成熟。它的发展成为0118m以下尺寸器件制造的关键技术, 其设备市场规模正在迅速扩大。CMP技术所采用

27、的设备及消耗品包括: CMP设备、研浆(抛光液) 、抛光垫、抛光终点检测及工艺控制设备、后CMP清洗设备、浆料分布系统、废物处理和测量设备等。其中研浆和抛光垫为消耗品, 其余为抛光及辅助设备(见图3) 。图3CMP技术加工系统构成图3 CMP技术加工系统构成其基本组成部分是一个转动的圆盘和一个圆晶硅片固定装置, 两者均可施力于圆晶硅片并使其旋转, 在含有浆料粒子悬浮颗粒的碱性溶液(或酸性溶液) 研浆的帮助下完成抛光,用一个自动研浆添加系统就可保证抛光垫润湿程度均匀并保持其成分不变。CMP的重点是选择一种高质、高效的抛光液。抛光不同的材料所需的抛光浆液组成是各不相同的。研究表明, 浆液的配制在C

28、MP中的作用举足轻重,因为浆液的性能直接关系到圆硅晶片表面的平坦化。但目前国际市场上的CMP 浆液配方仍处于保密状态抛光液的成分主要由3部分组成: 磨料粒子, 成膜剂和助剂, 腐蚀介质。磨料粒子通常是采用SiO2、CeO2、ZrO2、Al2O3、TiO2 等, 不宜用硬度太高的材料。SiO2 是目前最具代表性的CMP用抛光磨料, 已在IC行业的介电薄膜、单晶硅抛光方面得到广泛的应用。CeO2 最早是抛光玻璃的磨料, 与SnO2、TiO2、Cr2O3、Al2O3、Y2O3、La2O3 等磨料相比, 它有着最高的抛光速率。由于CeO2 (莫氏硬度为6 ) 比SiO2 软, 对SiO2 膜层表面的损

29、害(如划伤) 较其它磨料更轻。因此, CeO2 浆料可以保障内层介电质的平坦化, 其优越的抛光性能已被证实, 且业已应用到半导体CMP领域。四、光整加工面临的挑战与机遇市场经济给制造业带来了机遇，也带来了严峻的挑战。据报道，工业化国家的真实财富中有60% 80%是制造业创造的，因此制造技术已成为我国目前赶超世界发达国家经济水平并获得成功的关键技术。为了改变我国制造业落后的现状，专家们极力倡导制造过程的自动化、柔性化、智能化、敏捷化、集成化。最终目标就是要解决好产品质量、加工精度、生产效率和制造成本，提高产品的市场占有率，增强出口创汇能力。光整加工技术是先进制造技术的重要组成部分，对进一步提高产

30、品表面质量、加工精度、生产效率、国际竞争力具有重要的作用。 光整加工特别是复合光整加工技术不仅仅是一个制造技术问题，而是一门涉及电磁学、电化学、粉末冶金学、传热学、流体力学、机电一体化、计算机控制等多学科交叉的综合技术。很多研究成果将丰富非传统加工学科的内容，以便促进我国模具、轴承、齿轮等基础件质量的大幅提高，从而大幅度提高产品的使用性能和竞争力，进而带动整个制造业水平的提升，获得巨大的经济效益和社会效益，同时使我国从制造业大国转变为制造业强国。参考文献1 杨世春表面质量与光整技术北京：机械工业出版社， 20002 左敦稳现代加工技术北京：北京航天航空大学出版社， 20053 周锦进，方建成，

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