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抛光技术综述0 引言现代制造业的发展,对表面精密加工提出了更高的要求。在工业应用中，对材料表面粗糙度的要求越来越高,已经从微米级亚微米级纳米级亚纳米级。材料表面技术的发展，使得表面抛光技术成为一个越来重要的技术。表面抛光技术不仅影响着产品的使用性能而且也影响着产品的档次。不仅增加工件的美观, 而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。随着产品结构设计的复杂化和产品组合形式的多样化，抛光工艺的应用也越来越显著。为了满足应用的需要,已经有多种抛光技术被应用在工业生产中。抛光技术有:机械抛光、化学抛光、化学机械抛光、电解抛光、超声波抛光、流体抛光、激光抛光、磁研磨抛光等。这些抛光技术各有其优点与缺点，在电子设备、精密机械、仪器仪表、光学元件、医疗器械等领域得到广泛的应用。1. 机械抛光 机械抛光是靠切削、材料表面塑性变形去掉被抛光后的凸部而得到平滑面的抛光方法。1.1 弹性抛光轮抛光 弹性抛光轮的本体由木材、皮革、毛毡、棉织品、毛织品、纸或其他材料制成，轮缘敷以15%30%结合剂和85%70%磨料的混合物。磨料常用棕刚玉、碳化硅、氧化铬等，粒度60240号和W28W5.抛光轮的圆周速度一般为1835。1.2 钢丝轮抛光用钢丝轮抛光是一种比较简单的光整加工方法。适用于零件表面粗糙度要求为0.32，尺寸及形位精度要求不高的外圆及内孔表面抛光工作，不适用于阶梯轴颈。抛光前，被抛光表面的原始表面粗糙度值一般应为1.250.63。钢丝轮的结构如图1-1所示。轮体用钢丝网叠压组成，或用钢丝呈放射状径向布置而成。钢丝直径以为宜，过粗会划伤工件。图1-1 钢丝轮钢丝轮实质上是一个具有打击及刷光作用的弹性修磨轮。它较磨削有以下优点：（1）工具结构简单、制造容易、成本低。（2）钢丝轮与零件的接触压力小，零件表面不易烧伤、退火和变形。（3）钢丝间的缝隙可储存磨料，透风冷却性能好，钢丝轮不需要修磨，使用寿命长。1.3 砂带抛光砂带抛光是将碳化硅、氧化铝等磨料，通过粘接剂粘接在带状基材上。砂带是由基材、磨料和粘结剂等组成。在带状基材上，借助于某一运动形式、作用压力对工件表面加工。加工时，砂带必须具有一定的运动速度。通过某一方式，对工件表面作用一定大小的压力，实现表面的加工。砂带加工具有以下特点：（1）砂带切削路程长，且有一定幅宽，故加工效率高。（2）砂带上磨粒分布均匀，加工表面质量好。（3）砂带便于更换，所以加工的辅助时间短。（4）由于砂带属于柔性加工，故不能清除前道工序的表面缺陷，而且要求磨料磨粒分布均匀、厚度一致、粘结牢固，因此成本比较高。1.4 滚筒抛光及振动抛光 将一定比例的工件，磨料与增光剂投放到滚筒或振动机中，迫使内部物体作三维空间运动，由于各自形状、大小和重量不同，产生相对摩擦，工件表面和周边毛刺就会被磨掉，棱角被倒圆，氧化皮被除掉,达到抛光的目的。与抛光轮相比,因有锤打效果，光泽稍差，但较均匀。抛光后的表面粗糙度可为0.83.1。用抛光剂有十二烷酸钠、十四烷酸钠、十六烷酸钠、脂酸钠、油酸钠、钾脂皂、碳酸钠、磷酸钠、亚硝酸钠、氧化钠、硅酸钠、轴承润滑油及二硫化铝等。1.5 超精研抛 超精研抛加工方法是一种具有均匀复杂轨迹的光整加工方法。采用特制的磨具，在含有磨料的研抛液中，紧压在工件被加工表面上，作高速旋转运动。工件由工作台带动作纵向往复运协、使得磨具在工件表面形成极其复杂、均匀而又细密魄运动轨迹。由于该技术同时具有研磨、抛光和超精加工的特点，因此称为超精研抛技术。利用该技术可以达到0.01的表面粗糙度,是各种抛光方法中最高的。1-磨头；2-工件；3-回转工作台；4-双偏心轮；5-移动溜板图1-2 超精研抛2. 化学抛光化学抛光是靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平的一种方法。在化学抛光过程中，钢铁零件表面不断形成钝化氧化膜和氧化膜不断溶解，且前者要强于后者。由于零件表面微观的不一致性，表面微观凸起部位优先溶解，且溶解速率大于凹下部位的溶解速率；而且膜的溶解和膜的形成始终同时进行，只是其速率有差异，结果使钢铁零件表面粗糙度得以整平，从而获得平滑光亮的表面。化学抛光得到的表面粗糙度一般为数10m。化学抛光的核心问题是抛光液的配制。工艺上对抛光液的基本要求：(1) 被抛光材料在溶液中能均匀溶解；(2) 溶解过程可以控制，使表面产生光泽；(3) 溶解产物溶于溶液，或能方便地被清除；(4) 溶液具有一定的粘度，化学稳定性和温度稳定性。化学抛光液的成分随抛光材料的不同而不同。化学抛光溶液的基本组成包括腐蚀剂、缓蚀剂和水。腐蚀剂起溶解作用；缓蚀剂抑制腐蚀过程使产生光泽，水起稀释作用，便于反应产物的扩散，并控制抛光过程。化学抛光的主要优点是（1）设备简单，成本低，无需电源和挂具，免除机械抛光带来强度大的劳动；（2）效率高，容易获得光亮如镜的表面；（3）可以抛光形状复杂的制品。缺点是（1）质量不如电解抛光；（2）化学抛光所用溶液的调整和再生比较困难；（3）化学抛光操作过程中，硝酸散发出大量黄棕色有害气体，对环境污染非常严重。3. 电解抛光电解抛光又称电化学抛光，是近几十年发展起来的表面处理技术，目的是为了改善金属表面的微观几何形状，降低金属表面的显微粗糙程度。目前，电解抛光技术已在金属精加工、金相样品制备及那些需要控制表面质量与光洁度的领域获得了极其广泛的应用，并应用于化工、轻工、机械制造、强激光系统、食品加工设备、装饰行业、生物医学等领域。尤其在航空、航天领域，它是保证产品质量的一个重要环节。涉及电解抛光的材料有铁锰合金、纯金属、碳钢、合金钢、有色金属及其合金、贵金属等几乎所有的金属材料。电解抛光是在一定电解液中以金属工件作阳极，同时进行两个相互矛盾的过程（即金属表面氧化膜的生成和溶解），使其表面粗糙度下降、光亮度提高，并产生一定金属光泽的技术。理论上遵循法拉第定律。电解抛光简单的装置如图3-1 所示。 图3-1 电解抛光装置图阳极表面抛光的概念应细分为宏观整平和微观整平两个过程。其中，前者是指表面粗糙度Ra1m的表面整平；后者是指表面粗糙度Ra1m的表面整平。与机械抛光相比，电解抛光可大大减小工件内部和表面的应力，适用于任何硬度的金属和合金，它依靠选择性溶解材料表面微小的凸出部分使表面光滑，其抛光后的光洁度与表面平整度比机械抛光保持得更长久。它具有其它表面精加工技术无法比拟的高效率、高精度、速度快、劳动强度小的优势，并且具有表面无加工硬化层耐蚀耐磨反射率高等一系列优点。电解抛光的缺点是对于铸铁及夹杂物等试样，较难获得良好的结果；电解液组成复杂，使用时需要注意安全操作；另外，电解抛光的质量与电解液以及电流与电压的规范有关。要摸索不同的抛光参数，而影响电解抛光的参数较多，不易找到正确的电解抛光参数。电解抛光是一种不可替代的表面光整加工技术。目前，国内外对电解抛光工艺研究比较多，而电解抛光机理方面的研究较少。因此，抛光理论还不完善。电解抛光机理有粘膜理论及钝化膜理论。从理论上还不能直接推出任意一种工件应该用怎样的工艺参数，只能通过实验来确定。尽管如此，电解抛光技术仍以其无可比拟的优势在未来的金属表面光整加工技术中发挥更大的作用。4. 化学机械抛光 化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）技术的概念是1965年由Monsanto首次提出。该技术最初是用于获取高质量的玻璃表面，如军用望远镜等。近几年已广泛用于集成电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统(MEMS)、光学玻璃等表面的平整化。国际上普遍认为，器件特征尺寸在0.35 m 以下时，必须进行全局平面化以保证光刻影像传递的精确度和分辨率，而CMP是目前几乎唯一的可以提供全局平面化的技术。 区别于传统的纯机械或纯化学的抛光方法，CMP通过化学的和机械的综合作用，从而避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度和抛光一致性差等缺点。CMP工艺的基本原理是将待抛光工件在一定的下压力及抛光液(由超细颗粒、化学氧化剂和液体介质组成的混合液)的存在下相对于一个抛光垫作旋转运动，借助磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除，并获得光洁表面。图4-1是典型的化学机械抛光原理示意图。要获得品质好的抛光片，必须使抛光过程中的化学腐蚀作用与机械磨削作用达到一种平衡。如果化学腐蚀作用大于机械抛光作用，则会在抛光片表面产生腐蚀坑、桔皮状波纹；反之，机械抛光作用大于化学腐蚀作用则表面产生高损伤层。图4-1 典型化学机械抛光原理图CMP技术所采用的设备及消耗品包括：抛光机、抛光液、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、废物处理和检测设备等，其中抛光液和抛光垫为消耗品。一个完整的CMP工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等部分组成，抛光机、抛光液和抛光垫是CMP工艺的3大关键要素，目前均依赖进口，其性能和相互匹配决定CMP能达到的表面平整水平。随着计算机、通信及网络技术的高速发展，对作为其基础的集成电路的性能要求愈来愈高，使得作为几乎惟一的可以达到全局平面化的表面精加工技术，CMP在集成电路行业的重要性越来越显著，其增长势头和发展前景非常可观，但这也对CMP技术提出了更高的要求。但目前对CMP技术的了解还处于定性的阶段，需要解决的理论及技术问题还很多。尽管人们对CMP加工中的机械作用、流体力学、化学作用等诸多方面进行了广泛的研究，但鉴于化学机械抛光的复杂性，已有的CMP机理研究，都只是从某个方面或侧面对CMP进行了简化分析或建模，还缺乏一个能够综合考虑各方面因素的CMP模型。5. 超声波抛光频率20千赫至100兆赫范围内的振动称为超声振动，与普通声波相比，超声波具有频率高、波长短、能量大和较强的束射性。超声波抛光技术的独特功能，使它能广泛适用于各种电器、仪表仪器、轻工、机械等多种行业的模具及零部件的表面抛光加工，成为发展社会生产力颇具潜能的新技术、新工艺之一。超声波抛光的原理是利用换能器将输入的超声频电振荡转换成机械振动，然后将超声机械振动传送给变幅杆加以放大，再传至固装在变幅杆端部的工具头上，使工具头发生超声频的振动，当工具头与工件之间存在有适量的磨料悬浮液，并使工具头以一定压力接触工件时，工具头高频率、高速度打击工件表面，同时悬浮液产生环流和“空化”作用，从而使工件表面引起微量的“碎裂”和剥蚀，这样就实现了超声波抛光过程。常用超声波频率范围为1630kHz。使用的磨料有氧化铝，碳化硼，碳化硅，金刚砂等，尺寸为2002000目。尺寸越小，表面光亮度越高，如200目，0.5；800目，0.2。超声波抛光工艺具有以下特点：抛光效率高，适用于不同材料，能抛光狭缝、深槽以及异形型腔，抛光阻力小，精度较高，抛光工序和磨具材料与通常手工抛光相比没有更高要求，特别是能高速度地抛除电火花加工形成的硬化层。但工装例作和安装较困难。超声波加工可以与化学或电化学方法结合。在溶液腐蚀、电解的基础上，再施加超声波振动搅拌溶液，使工件表面溶解产物脱离，表面附近的腐蚀或电解质均匀，超声波在液体中的空化作用还能够抑制腐蚀过程，利于表面光亮化。6. 流体抛光6.1 磨粒流抛光技术由于科学技术的飞跃发展，在航空、电子、计算机、模具制造等领域，对精密机械零件的工艺性能要求不断完善，零件的不断小型化，表面质量及功能性边缘、边角要求的不断提高，致使目前用手工、机械、化学等传统的加工工艺方法对零件表面进行抛光、倒角及去毛刺均有其局限性，特别零件内小孔径相互交叉的孔径及边棱进行抛光、倒角去毛刺。磨粒流加工技术既有对零件隐蔽部位的孔及型腔研磨抛光、倒圆角的作用，又有对外表面各种复杂型面研磨抛光的能力，尤其在零件的加工一致性上，具有传统工艺无法比拟的优势及其他方法不能胜任的功能，故称“奇特工艺”。磨粒流(简称AFM)加工是利用磨粒流中的磨砂充作无数的切削刀具(自锐性)，以其坚硬的锋利的棱角对工件表面进行反复切削，从而达到一定的加工目的在工艺实施中，通常采用两个相对的磨粒缸使磨粒在零件和夹具所形成的通道中来回挤动(见图6-1)。磨削作用就产生在流体受到限制的部位，即挤压部位。当磨粒均匀而渐进地对通道表面或边角进行工作时，产生去毛刺、抛光、倒角的作用。图6-1 磨粒流抛光技术磨粒流抛光技术可用于模具抛光，模具需要光洁的表面，以便于成形、脱模，确保产品的表面质量。这种要求很高的工序，传统上是由熟练的技术工人进行手工研磨，其不稳定性是不可避免的。磨粒流的出现使通道、型腔的高精度成为现实，使模具表面粗糙度值降低而更为可靠并降低劳动成本。6.2 磁流变抛光技术 随着现代科学技术的发展，对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。通常情况下，要求最终生产的光学元件具有高的面形精度、好的表面质量及尽量减少亚表面破坏层。已经研究出多种加工方法可以获得高精度的加工表面，其中典型的加工方法有塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、粒子束抛光、射流抛光等等。这些加工方法或者抛光效率太低，或者产生较大的亚表面破坏层，或者抛光不易控制，各自存在一定的缺陷。磁流变抛光具有使最后精密研磨表面达到传统光学抛光法所具有的光洁度、面形和形状精度的能力，能加工各种光学表面，无论其对称性、几何形状和表面斜率变化如何。磁流变抛光技术重新定义了精密光学工业的加工能力和竞争范围。 磁流变抛光就是在磁流变液中加入抛光粉，利用磁流变液固化现象来对工件进行抛光。在强磁场的作用下，使磁流变液在加工区域形成一个有一定硬度和弹性、能承受较大剪切应力的可控的点状区域的抛光工具。如图6-2所示为磁流变加工凸球面。图6-2磁流变抛光原理 与和传统光学精密抛光方法相比较，磁流变抛光主要具有以下特点：（2）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。6.3 磨料水射流抛光技术磨料水射流抛光技术是在磨料水射流加工技术的基础上发展起来的集流体力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。自19世纪80年代迅速发展起来。目前已被广泛应用到多种加工行业，用于加工陶瓷、石英、复合材料等多种材料。和传统加工技术相比，它具有加工时无工具磨损、无热影响、反作用力小、加工柔性高等优点。国内外对于它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性实验研究,尚未形成系统的广泛研究成果。磨料水射流抛光是利用由喷嘴小孔高速喷出的混有细小磨料粒子的抛光液作用于工件表面，通过磨料粒子的高速碰撞剪切作用达到磨削去除材料，通过控制抛光液喷射时的压力、角度及喷射时间等工艺参数来定量修正工件表面粗糙度的抛光加工工艺。图6-3是磨料水射流抛光设备简图。图6-3 磨料水射图抛光设备简图 由于磨料水射流抛光加工所使用的设备简单，在进行抛光加工时可根据工件的形状特点、加工部位的加工要求，选择合适的喷嘴；针对不同的加工材料，选择相应的磨料，因此使用十分方便，特别适合加工一些用其它加工方法不能加工的工件。但是大量研究表明，在磨料水射流抛光加工中，有超过25个加工参数对加工结果有直接的影响。而在磨料水射流抛光加工中，只研究磨料种类、磨料粒度、喷射压力、喷射距离、喷射角度等几个参数对加工结果的影响是远远不够的，此外，磨料流中磨料的分布规律及速度分布规律都有待于理论研究和实验验证；针对不同材料和加工条件的优化加工模型有待于完善。总之，磨料水射流抛光加工还处于发展和完善阶段，随着对加工机理认识和试验研究的深入，磨料水射流抛光在工业生产中，特别是在工件异形型面的光整加工中将会发挥更大的作用。6.4 磁射流抛光技术 现代光学系统中光学零件的形状变得越来越复杂，其形状精度和表面质量要求也越来越严格。高陡度非球面、复杂曲面(如鼻锥体、头锥体、圆柱体、自由曲面)体、高陡度的凹形曲面、微光学零件及模具等由于机械干涉和陡峭的局部倾斜, 传统的刚性研磨技术和抛光技术已经没有办法进行加工, 随后国内外相应的出现了用磨料和液体混合物的射流束来抛光这里曲面, 但是普通液体的射流束以一定的速度进入大气中的时候会因为阶梯压力、空气阻力和表面张力的作用下, 运行很短的距离就会发生紊乱, 流体界面的不稳定性问题, 也导致了冲击区流动的不稳定性, 并会引起抛光区不稳定的问题, 使得对高陡性非球面光学零件的确定性加工变得困难。而磁流变液在外磁场的作用下, 能在ms时间内快速地由低粘度的牛顿流体转化成类固体的Bingham流体, 其粘度成数量级的增加, 这种液体和固体之间的转化快速且可逆, 可以实现确定性加工的可控性。磁射流技术应运而生。 磁射流抛光技术(Magnetorheological Jet Polishing,MJP)是将射流技术和磁流变技术相结合, 利用低粘度磁流变液在外磁场的作用下发生磁流变效应, 表观粘度增大来增加射流束表面的稳定性, 混合有磨粒的磁流变液在喷嘴处轴向磁场的作用下形成准直硬化的射流束喷射到一定距离处的工件表面, 借助于磨粒的高速碰撞剪切作用实现材料的去除, 以可控的方式实现抛光表面修整。下图6-4为磁射流抛光原理图。图6-4 磁射流抛光原理图 磁射流抛光的优点有：（1）磨具可循环使用。磨损小，只需要定期的更换喷嘴即可；（2）可以加工任意曲面的零件。尤其是高陡度非球面、大长径比内腔等一系列因为自身参数而不能使用磁流变加工的工件，加工范围大大扩展。（3）因为磁屏蔽体的加入，可以使加工对象的材料扩展到导磁性材料，为精密加工提供了一个好工具；（4）对机床的参数要求不高。加工精度不依赖于机床精度；（5）表面加工精度在磁流变的基础上又得到了一定的提高等。这些都是磁射流抛光技术的优点，但是磁射流加工装置中的喷嘴直径一般是15mm，射流束的加工路径的实现有一定的困难，尤其是超精密加工，加工精度的均匀性实现起来也有一定的难度。7. 激光抛光 激光抛光作为一种非接触性抛光技术, 可以用于传统抛光方法很难，或根本不可能抛光的、具有非常复杂形状的表面，它具有其他抛光工艺所不具有的特点，是一种新型的材料表面加工技术，拥有广阔的发展前景。激光抛光是用高强度激光束稍稍熔化工件表面大约20100微米的深度，让它在表面张力的作用下变得光滑然后重新冷却固化。该方法不需要任何机械研磨剂和抛光工具，可以抛光用传统抛光方法很难或根本不可能抛光的、具有非常复杂形貌的表面，还提供自动化加工的可能性。激光抛光的特点有：（1）非接触式抛光。接触式抛光在样品施加了外力,样品在外力下容易破裂;而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。（2）去除了传统抛光技术(如研磨抛光中)的磨痕。（3）灵活性高。不仅能对平面进行抛光,还由于激光抛光是非接触式加工,故运用计算机三维控制能够对各种曲面进行抛光。（4）可以实现精密的抛光。材料表面经激光抛光后可以达到纳米级,甚至亚纳米级。（5）可实现微细抛光，对选定的微小区域进行局部抛光。8. 磁力研磨抛光技术 磁力研磨也叫做Ferro Magnetic Abrasive Machining，即铁磁性磨料加工。它是仿效日常生活中的刷子,在研磨中使用了一把奇异的刷子,它是由磁性磨料所形成的研磨刷。近年来发展迅速，已在实际生产中得到应用。磁性研磨抛光的方法是采用磁性研磨剂，通过磁场中磁力的作用，磁性研磨剂工作在表面，同时保持在模具表面和磁极之间间断工作。因此在制造过程中磁粒被有序的安排在沿着磁力线周围。同时形成了磁性刷，在磁力作用下围绕在模具表面。由于磁场和被加工件的旋转会使磁性刷和被加工件的表面产生一个相关的运动，这样可以用磁性研磨剂来抛光被加工件表面。应用磁力研磨抛光可以恒定磁场,运动工件;也可以工件不动,改变磁场。这种方法加工效率高,质量好,加工条件容易控制，能抛光复杂表面的工件。采用合适的磨料,表面粗糙度可以达到0.1。9. 结束语抛光方法有很多，各有其特点，应根据工件的材质、形状、尺寸及表面质量要求选择使用。实际应用时,可以采用一种方法，也可以采用两种或以上的方法组合,如超声波+化学方法，超声波+电解方法等。还要结合产品的批量，现有条件。另外，在满足要求的情况下,尽可能地降低成本,以获得最大的经济效益。参考文献1 江超, 王又青, 胡少六. 激光抛光技术的发展与展望J. 激光技术. 2002(06)2 马胜利, 葛利玲. 电化学抛光机制研究与进展J. 表面技术, 1998, 27 (4): 1-3.3 王建武, 杨红忠. 电解抛光制备钼制品金相试样的应用J. 中国钼业, 2005, 29(2): 47-49. 4 连军. 超大规模集成电路二氧化硅介质层的化学机械抛光技术的研究D. 天 津：河北工业大学微电子所，2002.5 张楷亮, 宋志棠.