一种化学机械-机械化学协同微细磨削加工方法与复合磨粒型微小磨具

摘要

本发明公开了一种针对硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅及硅基硬脆材料复杂结构微小零件的化学机械‑机械化学协同微细磨削加工方法及所使用的复合磨粒型微小磨具。所述加工方法的步骤是：1)磨削液腐蚀改性加工层；2)磨具粗磨粒磨削去除改性层；3)重复步骤1)～2)；4)停止供给磨削液；5)磨具细磨粒磨削去除余量层；6)清洗去除表面杂物。所述磨具由不同粒度、不同种类磨粒构成的二级复合磨粒型微小磨具，加工过程无需更滑磨具。本发明结合化学机械、机械化学和微细磨削加工优势，能够实现硅及硅基材料复杂结构微小零件的高几何精度、高表面质量及高效率加工，且加工方法简单方便，成本低廉，完全满足工业化生产要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅及硅基硬脆材料复杂结构微小零件的高精高效加工 方法与该加工方法所使用的复合磨粒型微小磨具，属于超精密加工领域。

背景技术

近年来随着航空航天、国防工业、微电子工业、现代医学和生物工程等尖端产业的快速发展，对超精 密复杂结构微小零件的需求日益迫切，如传感器、流体设备、光学元件等。这些复杂结构零件材料种类多、 结构复杂且精度要求高，对相应的制造技术提出了很高的要求。尤其是随着硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅 及硅基硬脆材料在超精密复杂结构微小零件中的日益广泛应用，其加工精度、加工效率与实际需求之间的 矛盾日益凸显。硅基材料微小零件的主要加工方法是基于微电子机械加工技术(MEMT)的刻蚀、光刻、LIGA (光刻电铸成型)等技术，但是这些技术加工结构单一(二维结构)、加工效率低，且加工条件苛刻，加 工设备成本高。此外，微细电火花、电化学等加工方式也用于超精密复杂微小零件加工，但是加工精度及 加工效率等难以满足要求，且无法加工复杂三维结构。目前，提出了采用微磨棒(也称微磨针)的微细磨 削方法来加工硬脆材料复杂结构微小零件，但是受制于材料硬脆特性，还无法解决边角裂纹、崩边及表面 微凹坑等加工损伤缺陷，且微磨棒的磨损非常快，加工效率低。

因此，针对应用日益广泛的硅及硅基硬脆材料复杂结构微小零件，需要开发一种加工精度高、加工表 面质量好且加工效率能够满足工业化生产要求的低成本加工新方法。

发明内容

本发明的目的在于针对硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅及硅基硬脆材料复杂结构微小零件的高几何精度、 高表面质量及高效率加工需求，提出一种化学机械-机械化学协同微细磨削加工方法与复合磨粒型微小磨 具。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：

一种化学机械-机械化学协同微细磨削加工方法与复合磨粒型微小磨具，其特征在于，所述的复合磨 粒型微小磨具表面固结有粗细两种不同粒度、不同种类的磨粒，粗磨粒粒径大，其平均出刃高度大于细磨 粒的平均出刃高度，用于所述的化学机械-机械化学协同微细磨削加工方法包括如下步骤：

1)通过磨削液将硅及硅基硬脆材料微小零件加工表面层腐蚀改性，生成1～1000μm厚的硅酸盐层， 硅酸盐层硬度远小于零件材料；

2)通过微小磨具表面固结的粗磨粒进行粗加工，磨削去除硅酸盐层，磨削加工深度或厚度小于或等 于硅酸盐层厚度；

3)腐蚀改性步骤1)与磨削去除步骤2)反复进行，直至加工成型但留有0.1～10μm的加工余量层， 即借助化学机械作用实现零件的粗加工；

4)停止供给磨削液；

5)继续采用该磨具进行精加工，磨削去除加工余量层。磨具中的粗磨粒由于磨损或脱落，露出另一 种不同种类的细磨粒，该细磨粒与少数残留磨钝的粗磨粒磨削去除加工余量层。该加工余量层含有硅酸盐 及零件本身材料。对于硅酸盐，可直接去除；对于零件材料，细磨粒在摩擦力及摩擦热的作用下可与其发 生固相反应生成硅酸盐(即发生机械化学反应)，随后在磨粒的机械作用下去除，从而借助机械化学作用 实现零件的精加工；

6)加工完成后采用丙酮溶液、FH溶液、去离子水等清洗所加工零件，去除表面的有机物、尘埃及残 留氧化物等。

所述的磨削液为碱性化学溶液，能够与硅及硅基材料发生化学反应生成硅酸盐。

所述的零件材料为硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅及硅基硬脆材料。

所述的复合磨粒型微小磨具中粗磨粒硬度大于硅酸盐且不被碱性磨削液腐蚀，如金刚石磨粒；细磨粒 在摩擦力及摩擦热的作用下与硅及硅基硬脆材料发生固相反应生成硅酸盐(即发生机械化学反应)，如氧 化铈、氧化镁、氧化铁等氧化物磨粒。

所述的复合磨粒型微小磨具中粗细磨粒的平均粒径相差1.5～3倍。

所述的复合磨粒型微小磨具中粗细磨粒通过冷喷涂、化学气相沉淀等方式以完全混合、轴向间隔、周 向间隔、螺旋间隔等方式固结在磨具上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和显著效果：

(1)可实现硅及硅基材料复杂结构微小零件的高效率加工。刻蚀、光刻、微细电火花等加工技术无 法实现三维复杂结构微小零件的加工，且加工效率低。采用超精密数控机床、微小磨具(也称微小磨头、 微小磨棒、微小磨针等)的微细磨削技术，可加工超精密三维复杂结构微小零件。但是采用该技术直接加 工硅及硅基材料时受制于材料的硬脆特性，其加工深度及进给率需采用很小量值，且微磨具的磨损非常快， 需要不断更换微磨具，加工效率低下。本技术方案通过引入化学磨削液腐蚀改性工件材料，使其生成硬度 较低的硅酸盐，因此可采用较大的加工深度和进给率，且磨粒所受冲击作用力减小，磨具的使用寿命得以 延长，避免了微磨具较快的更换，有效提高了加工效率。

(2)可实现硅及硅基硬脆材料少无损伤加工，加工几何精度与加工表面质量高。采用现有微细磨削 技术受制于材料的硬脆特性，无法解决边角裂纹、崩边及表面微凹坑等损伤缺陷。而本技术方案在粗加工 阶段通过碱性磨削液腐蚀改性工件材料，即借助化学机械作用，使其生成硬度远小于工件材料的硅酸盐层， 且加工深度小于或等于硅酸盐层，实际加工中一般都采用小于硅酸盐层的加工深度，以此将硬脆材料的脆 性断裂去除转化为延性域去除，有效减少甚至避免了边角裂纹、崩边及表面微凹坑等加工损伤缺陷。在精 加工阶段(即停止供给磨削液后)，一方面利用氧化铈、氧化镁及氧化铁等氧化物磨粒以及少量残留的粗 磨粒去除粗加工(即采用磨削液腐蚀改性)后残留的硅酸盐层；另一方面对于加工的工件材料，通过氧化 铈、氧化镁与氧化铁等氧化物磨粒可在摩擦力和摩擦热作用下与硅及氧化硅发生固相反应生成硅酸盐，即 借助机械化学作用，将材料的脆性断裂去除转化为延性域去除，加工精度和加工表面质量高。此外，磨具 上的粗磨粒在粗加工阶段由于磨损或脱落，在精加工阶段只留下少量的一部分，而且留下的粗磨粒由于磨 损其刃角已钝化，不会对工件材料造成划伤。而精加工阶段细磨粒与工件材料发生机械化学反应生成极其 微量的一薄层硅酸盐，磨削去除后不会留下残留硅酸盐层。

(3)延长了磨具的使用寿命，降低了加工工具成本。微细磨削加工中由于材料的硬脆特性导致微磨 具的磨损非常快，需要不断更换微磨具，这就降低了加工效率。此外，微小型磨具，尤其是直径在毫米/ 亚毫米级别的电镀、喷涂式等微磨头，受制于结构尺寸及单层磨粒特性，磨损后一般都是直接丢弃，难以 再修整使用。而本技术方案一方面通过减小加工对象硬度，以此延长微小磨具的使用寿命，另一方面采用 二级复合式微小磨粒，当粗磨粒磨损磨钝后，还能与细磨粒一起参与磨削，且不划伤工件，进一步延长了 微小磨具的使用寿命，降低了加工工具成本。

(4)加工方法简单，成本低廉。针对硅及硅基这类硬脆材料复杂结构微小零件，本技术方案并未提 出苛刻的加工环境要求，也无需采用昂贵的加工技术设备，就只需要在已有的精密数控加工机床上采用碱 性磨削液和所提出的二级复合磨粒微小磨具就可实现，加工方法简单。而所采用的碱性磨削液如同硅片平 坦化技术中化学机械抛光(CMP)所采用的抛光液，所提出的二级复合微小型磨具只要在现有的微小型磨 具上混合两种磨粒，如在电镀金刚石微小磨棒上混合粒径小于金刚石磨粒的氧化铈磨粒就可实现，因此加 工成本低廉。

综上所述，本发明所提出的一种化学机械-机械化学协同微细磨削加工方法与复合磨粒型微小磨具， 能够实现硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅及硅基硬脆材料超精密复杂结构微小零件的高几何精度、高表面质 量及高效率加工，且加工方法简单方便，成本低，完全满足工业化生产要求。

附图说明

附图1是本发明化学机械-机械化学协同微细磨削加工方法步骤流程图；

附图2是本发明复合磨粒型微小磨具结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

将硅、碳化硅、K9光学玻璃等硬脆材料零件固定在机床工作台上，将复合磨粒型微小磨具装夹到主轴 内，准备好所需要的磨削液。需要注意的是根据所加工零件的特征尺寸选取磨削液喷嘴，也就是说磨削液 喷嘴要小，同时磨削液为微小量供给，以免过多磨削液流入而腐蚀改性非加工部位。

磨削液喷嘴正对磨具将要加工工件部位前方，且与磨具同时进给运动，如图1(a)所示。加工工程中， 磨削液将所要加工工件部位的材料腐蚀改性，生成1～1000μm厚的硅酸盐层，而硅酸盐的硬度远小于工件 材料。随后磨具对零件材料进行粗加工，即粗磨粒对硅酸盐层进行磨削去除，磨削深度或者厚度小于或等 于硅酸盐层厚度。这就将硬脆材料磨削加工中材料的脆性断裂去除模式转变为延性域去除模式，不仅可提 高零件的加工精度和加工表面质量，而且加工材料硬度的降低也减小了磨粒所受到的冲击作用，有利于磨 具使用寿命的延长。此外，实际加工中磨削深度一般小于硅酸盐层厚度，避免由于磨具跳动而加工到工件 材料(即未腐蚀改性部位)。为了提高加工效率，可适当提高磨削液中*OH的含量及供给量，进而增加腐蚀 改性层即硅酸盐层的厚度，从而可增大磨削深度或磨削厚度。

根据工件所要加工复杂结构大小，不断进行腐蚀改性与磨削去除(即借助化学机械加工原理粗加工)， 实际上两者是同步进行，如图2(a)所示。待加工基本成型，但保留0.1～10μm厚的加工余量层，停止供 给磨削液。

虽然停止供给磨削液，但所加工结构表面仍然留有残留硅酸盐层。此 时，仍然采用该磨具继续进行精加工，如图1(c)所示。微小型磨具中， 受结构尺寸限制，表面固结的磨粒极易磨损或脱落。而本技术方案微小磨 具表面的粗磨粒受细磨粒的影响，其数量及固结深度都要小于同类型磨具 的，因此更易磨损或脱落。粗磨粒磨损或脱落后，露出细磨粒层。该细磨 粒和残留的少量粗磨粒都能够磨削去除残留的硅酸盐层。当加工表面个别 部位由于腐蚀改性不均匀过早露出工件材料时，微磨具表面的氧化铈、氧 化镁或者氧化铁等细磨粒能够在摩擦力和磨擦热作用下与工件材料发生 固相反应生成硅酸盐(即发生机械化学反应)，然后再通过磨粒磨削去除， 也就是说精加工中借助机械化学反应将材料的脆性断裂去除再次转变为 延性域去除，不仅可有效提高零件的加工精度和加工表面质量，而且也有 利于延长微磨具使用寿命。此外，由于氧化铈、氧化镁或者氧化铁等细磨 粒在摩擦力和磨擦热作用下与工件材料发生固相反应生成的硅酸盐层范 围很小，磨削去除后几乎没有残留。

最后，采用丙酮溶液、FH溶液、去离子水等清洗工件，去除表面的有机物、尘埃及残留氧化物等。至 此，全部加工完成，得到所要求的零件，如图1(d)所示。

所采用的磨削液为碱性化学溶液，能够在常温下就与硅及硅基材料发生化学反应生成硅酸盐。如果要 增大腐蚀深度或厚度，即硅酸盐层厚度，可以通过Fenton法、氧化絮凝法、臭氧法、超声降解法和光催 化法等提高磨削液中*OH的含量，但是具体要根据工件及工况确定。

本技术方案中的磨具表面固结有两种不同种类、不同粒度磨粒，以此构成二级复合磨粒型微小磨具， 如图2所示。为了保证加工效率并延长磨具的使用寿命，粗磨粒硬度大于硅酸盐且不能被碱性磨削液腐蚀， 为此可以采用金刚石等磨粒。而细磨粒要求在摩擦力及摩擦热的作用下能与硅、碳化硅、K9光学玻璃等硅 及硅基硬脆材料发生固相反应生成硅酸盐，为此需要采用氧化铈、氧化镁、氧化铁等氧化物磨粒。为了保 证两种磨粒能够错时参与磨削，两种磨粒的粒径要不相同，其中粗磨粒粒径要大于细磨粒粒径。当两种磨 粒固结在磨具表面上时，粗磨粒的平均出刃高度必然大于细磨粒的出刃高度。但是要求细磨粒在停止供给 磨削液后能够及时与工件材料接触并发生固相反应，那么两种磨粒又不能差异太大，因此粗细磨粒粒径相 差1.5～3倍。但是如果工件粗加工量特别大，粗细磨粒粒径可相差更大。图1示例中磨具的粗细磨粒以 混合方式固结在磨具表面，如图2(a)所示。实际上，本技术方案的粗细磨粒还可通过冷喷涂、化学气相 沉淀等方式以轴向间隔(图2(b))、周向间隔(图2(c))、螺旋间隔(图2(d))等方式固结在磨具表面 上。

本发明主要是结合微细磨削可以加工复杂结构微小零件和化学机械加工、机械化学加工可以实现零件 高加工精度、高加工表面质量的优势，同时提出二级复合磨粒型微小磨具在现有的精密数控机床上就可一 次完成零件的粗精加工。在粗加工阶段，借助磨削液腐蚀改性零件材料，具体反映原理如下(该反应如同 CMP中的原理):

(Si、SiC)+*OH+O2→SiO2+H2O+CO2

SiO2+OH-→SiO2-3+H2O

生成的硅酸盐硬度远低于零件材料，因此可高效去除，且不牺牲加工精度。在精加工阶段，对于残留 的硅酸盐层，可通过磨粒直接磨削去除，而对于遇到的工件材料，可利用微磨具磨损后露出的氧化铈、氧 化镁、氧化铁等氧化物磨粒在摩擦力和摩擦热作用下与其发生固相反应(即机械化学反应)，生成极微量 的硅酸盐后(该原理已有公开文献总结报道，如《化学机械磨削技术发展历程及现状》，张逸飞)磨削去 除，不仅达到高精高效加工要求，而且无残留改性层。由此可见，本发明完全能够实现硅及硅基材料复杂 结构微小零件的高几何精度、高表面质量及高效率加工，且加工方法简单方便，成本低廉，完全满足工业化生产要求。

需要说明的是，以上所述有关腐蚀深度、粗细磨粒粒径相差大小、磨具尺寸等并非是对本发明的限定， 在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的加工量、粒径大小、磨具尺寸等替换均在本发明的 保护范围之内。