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1.精密研磨原理
精密研磨（Precision Lapping）属于游离磨粒切削加工，是指在刚性研具（如铸铁、锡、铝等软金属或硬木、塑料等）上注入磨料并添加润滑剂，在一定压力下，通过研具与工件的相对运动，借助磨粒的微切削作用，除去微量的工件材料，以达到高几何精度和优良表面质量的加工方法。研磨加工模型如图3-7所示。
图3-7 研磨加工模型
硬脆材料研磨时切屑生成和表面形成的基本过程如下：在对磨粒加压时，拉伸应力最大部位产生呈圆锥状和八字形等形状的微裂纹；当压力解除时，最初产生的裂纹中的残余应变复原，新产生的拉伸应力大的部分将破裂而成碎片，即形成磨屑。这一过程的形成原因在于硬脆材料的抗拉强度比抗压强度小。
金属材料的研磨在加工原理上和脆性材料的研磨有很大区别。研磨金属材料时，磨粒的研磨作用产生的切削深度极小，被加工的金属材料不会产生裂纹。但是，由于磨粒处于游离状态，因此难以实现连续切削。通过转动和加压，使磨粒与工件之间存在断续的研磨动作，从而产生磨屑。
2.抛光加工原理
抛光（Polishing）是指用低速旋转的软质弹性或黏弹性材料（塑料、沥青、石蜡、锡等）抛光盘，或者用高速旋转的低弹性材料（棉布、毛毡、人造革等）抛光盘，借助抛光介质（抛光液）获得光滑表面的加工方法。抛光加工一般不能提高工件形状精度和尺寸精度。
抛光加工模型如图3-8所示。抛光加工使用的磨粒一般是1μm以下的微小磨粒，微小磨粒被抛光器弹性地夹持，以便研磨工件，因而磨粒对工件的作用力很小。即使抛光脆性材料，也不会使脆性材料发生裂纹。
图3-8 抛光加工模型
影响精密研磨和抛光加工质量的工艺因素见表3-1。这些因素对实施精密研磨与抛光加工至关重要。
表3-1 影响精密研磨与抛光加工质量的工艺因素
由于研磨作为最终加工或超精密抛光的前加工的要求是不同的，其加工条件当然也是不同的，因此对有残留裂纹的硬脆材料进行镜面研磨时，必须确保超精密、高精度、高效率的加工条件。对于研磨不产生裂纹的金属材料，有时也需要进行抛光，如果只用研磨就能达到超精密加工要求时，也需要选择与抛光同样的加工条件。
研磨方式有单面研磨和双面研磨两种，特别是双面研磨能同时高效率地研磨工件的平行平面、圆柱和圆球等。作为超精密研磨、抛光用的研磨机，要求其能均匀地加工工件，研具的损耗小，还要求能容易地修整研具精度。作为工具的研具和抛光器，其工作面的形状精度会反映到工件表面上，因此，必须减少由工作面磨损和弹性变形引起的精度下降。
表面粗糙度和加工表面变质层的深度受磨粒与研具的作用，为了实现超精密研磨和抛光，需要使用微细的磨粒和使磨粒对工件作用很浅的研具材料。另外，两者研磨时的速度和压力等均与加工效率有关；但是，要特别注意，速度和压力过大会造成质量下降。若能适宜地供给磨粒和加工液并顺利地排屑，则研具磨耗量与它们的相对速度、压力和时间成正比，因此，可以保证研磨具有良好的重复性。
研磨和抛光时伴随发热，因此，除了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也会产生相当高的温度，这对加工表面变质层的产生有很大的影响。加工液起到提供磨粒、排除切屑、冷却发热部位和减少不必要摩擦的效果。对金属材料，要考虑到防锈效果。可以采用油质加工液，有时也使用添加肥皂等活性剂的水质加工液。但是，超精密加工要求加工膜不能存在，需要使用研具表面上被均匀地涂上一层磨粒的干式手工研磨方法。当前块规的制造就是采用这种方法。
通过对传统研磨和抛光技术的改造并采用新的加工原理，很多超精密研磨和抛光的新技术被开发出来。表3-2中汇总了部分超精密研磨与抛光加工的新方法。
表3-2 部分超精密研磨与抛光加工的新方法
续表
1.研磨盘与抛光盘
研磨盘是涂敷或嵌入磨料的载体，以发挥磨粒切削作用，同时又是研磨表面的成型工具。研磨盘的主要作用一方面是把研磨盘的几何形状传递给被研磨工件，另一方面的作用是涂敷或嵌入磨料。为了保证研磨的质量，提高研磨工作的效率，所采用的研磨工具应满足如下要求：研磨盘的结构要合理，应有较高的尺寸精度和形状精度、足够的刚度、良好的耐磨性和精度保持性；硬度要均匀，且低于工件的硬度；组织均匀致密，无夹杂物，有适当的被嵌入性；表面应光整，无裂纹、斑点等缺陷。此外，应考虑排屑、储存多余磨粒及散热等问题。
研磨盘的常用材料有铸铁、软钢、青铜、黄铜、铝、玻璃和沥青等。研磨淬硬钢、硬质合金和铸铁时，可以使用铸铁研磨盘；研磨余量大的工件、小孔、窄缝/窄口、软材料时，可以使用黄铜、纯铜研磨盘；研磨M5以下的螺纹及小尺寸复杂形状的工件时，可以使用软钢研磨盘。此外，还有用非金属作研磨盘的，如沥青可研磨玻璃、水晶及单晶硅等脆性材料和精抛光淬硬工件。在淬硬工件的最后精研磨阶段，为了得到良好的表面粗糙度而选用氧化铬作为磨料时采用玻璃研磨盘，如量针的最后精研磨。
抛光盘平面精度及其精度保持性是实现高精度平面抛光的关键。因此，抛光小面积的高精度平面工件时要使用弹性变形量小，并且始终能保持平面度的抛光盘。较为理想的方法是采用特种玻璃，或者在平面金属盘上涂一层弹性材料或软金属材料，以此作为抛光盘。
抛光盘材料通常都要采取不同的处理方法，如漂白、上浆、上蜡、浸脂或浸泡药物等，以提高抛光剂特性的保持性，增强刚性，延长使用寿命，改善润滑性或防止因过热而燃烧等。但处理时务必注意，不要使处理用的材料黏附在工件表面上，否则，难以去掉。
2.研磨剂与抛光剂
研磨剂是很细（粒度等级小于W28）的磨料、研磨液（或称润滑剂）和辅助材料的混合剂。磨料一般是按照硬度分类的，首先是硬度最高的金刚石，有天然金刚石和人造金刚石两种，主要用于研磨硬质合金等高硬材料；其次是碳化物类，如碳化硼、黑碳化硅、绿碳化硅等，主要用于研磨铸铁、有色金属等；再次是硬度较高的刚玉类（A1 2 O 3 ），如棕刚玉、白刚玉、单晶刚玉、铬刚玉等，主要用于研磨碳钢、合金钢和不锈钢等；最后是硬度最低的氧化物类（又称为软质化学磨料），有氧化铬、氧化铁和氧化镁等，主要用于精研和抛光。
研磨液在研磨加工中，不仅能起调和磨料的均匀载荷、黏附磨料、稀释磨料和冷却润滑作用，而且还可以起到防止工件表面产生划痕及促进氧化等化学作用。常用的研磨液有全损耗系统用油（机油）、煤油、动植物油、航空油、酒精、氨水和水等。
辅助材料是一种混合脂，在研磨中起吸附、润滑和化学作用。最常用的有硬脂酸、油酸、蜂蜡、硫化油和工业甘油等。
抛光剂由粉粒状的软磨料、油脂及其他适当成分介质均匀混合而成。抛光剂在常温下可分为固体和液体两种，固体抛光剂用得较多。固体抛光剂中使用最普遍的是熔融氧化铝，它和抛光盘黏结牢靠，而碳化硅与抛光盘的黏结效果较差，使用受到一定限制。液体抛光剂（也称抛光液）一般由氧化铝和乳化液混合而成，对其中的氧化铬，要严格地使用5～10层细纱布过滤，过滤后的磨粒粒度等级相当于W5～W0.5。液体抛光剂应保持清洁，若含有杂质或氧化铬和乳化液混合不均匀，会使脆光表面产生“橘皮”“小白点”“划团”等缺陷。此外，还必须注意工作环境的清洁。从粗抛过渡到精抛，要逐渐减小氧化铬在液体抛光剂中的比例，精抛时氧化铬所占比例极小。
非接触式抛光是一种研磨抛光新工艺，是指在抛光中工件与抛光盘互不接触，依靠抛光剂冲击工件表面，以获得加工表面完美结晶性和精确形状的抛光方法，只能去除几个到几十个原子。非接触式抛光主要用于功能晶体材料抛光（注重结晶完整性和物理性能）和光学零件的抛光（注重表面粗糙度及形状精度）。下面，介绍几种非接触式研磨抛光新工艺。
1.弹性发射加工
弹性发射加工（Elastic Emission Machining，EEM）是非接触式抛光工艺的理论基础。弹性发射加工，是指加工时研具与工件互不接触，通过微粒子冲击工件表面，对物质的原子结合产生弹性破坏，以原子级的加工单位去除工件材料，从而获得无损伤的加工表面。
弹性发射加工原理是利用水流加速微细磨粒，以尽可能小的入射角（近似水平）冲击工件表面，在接触点处产生瞬时高温高压而发生固相反应，造成工件表层原子晶格的空位及工件原子和磨粒原子互相扩散，形成与工件表层其他原子结合力较弱的杂质点缺陷，当这些缺陷再次受到磨粒撞击时，杂质点原子与相邻的几个原子被一并移去，同时工件表层凸出的原子也因受到很大的剪切力作用而被切除。
2.浮动抛光
浮动抛光（Float Polishing）是一种平面度极高的非接触式超精密抛光工艺。浮动抛光装置如图3-9所示。高回转精度的抛光机采用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，抛光盘及工件高速回转时，在两者之间的抛光液呈动压流体状态，并形成一层液膜，从而使工件在浮起状态下被抛光。
1—抛光液；2—抛光液槽；3—工件；4—工件夹具；5—抛光盘；6—金刚石刀具的切削面；7—沟槽；8—液膜
图3-9 浮动抛光装置
3.动压浮离抛光
动压浮离抛光（Hydrodynamic-Type Polishing）是另一种非接触式抛光。动压浮离抛光的工作原理如下：当沿圆周方向置有若干个倾斜平面的圆盘在液体中转动时，通过液体楔产生液体动压（动压推力轴承工作原理），使保持环中的工件浮离圆盘表面，由浮动间隙中的粉末颗粒对工件进行抛光。在加工过程中无摩擦热和工具磨损，标准平面不会变化，因此，可重复获得精密的工件表面。
4.非接触式化学抛光
普通的盘式化学抛光方法通过向抛光盘面供给化学抛光液，使其与被加工表面作相对滑动，用抛光盘面去除被加工表面上产生的化学反应生成物。这种以化学腐蚀作用为主，机械作用为辅的加工，又称为化学-机械抛光。水面滑行抛光（Hydroplane Polishing）是一种工件与抛光盘互不接触，不使用磨料的化学抛光方法。它借助于流体压力使工件基片从抛光盘面上浮起，利用具有腐蚀作用的液体作加工液完成抛光。水面滑行抛光法是为抛光GaAs和InP等化合物半导体基片而开发的。
5.磁流变抛光
磁流变抛光（Magnetorheological Finishing，MRF）的原理是将电磁学与流体动力学理论相结合，这种工艺主要应用于非球面光学透镜超精密加工。磁流变抛光利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对工件进行抛光，其原理是磁流变液由抛光轮带入抛光区域，在高强度梯度磁场作用下，成为具有黏塑性的Bingham介质，变硬且黏度变大，形成具有一定形状的“柔性抛光模”。当“柔性抛光模”流经工件与运动盘时形成小间隙，工件表面会产生很大的剪切力，对工件表面材料实现去除。当加工非球面零件时，通过对被加工表面的误差结构分析，可以计算出工件各局部区域的驻留时间，进而控制“柔性抛光模”在工件上的位置，达到定量修整表面误差的目的，提高加工表面的形状精度。MRF具有加工力学性能良好、易于通过计算机进行控制的特点，近年来广泛应用于对手持设备等集成电路的单晶SiC的加工。
