硬脆非金属材料和岩石的切削加工（中）

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8.研磨的机理是什么？常用研磨和抛光的硬脆材料有哪些？
研磨和抛光是加工硬脆非金属材料的主要方法之一。研磨的过程是通过介于工件和研具之间的磨料及切削液，在工件和研具间产生机械摩擦或机械化学作用去除余量，使工件达到所需要的加工精度和表面质量。硬脆材料的研磨与金属的研磨不同，它是通过磨料在外力的作用下，使工件表面产生微小龟裂，并逐渐扩张和崩碎，从母体材料上脱离而进行加工的。但是随着加工去除单位的减小，加工机理也不同。开始粗粒度磨料研磨时，主要是脆性破坏。改用细微磨料(W5以下)时，研磨则是以塑性破坏为主。一般用硬质研具的加工方法称为研磨，用软质材料作研具的称为抛光。在精密加工中，研磨和抛光是难于区分的。常用研磨和抛光的硬脆材料见表14-5。
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  H* B' h3 d8 a  N  A9 n8 y9.研磨和抛光硬脆材料的工艺参数有哪些？
在研磨和抛光中，研磨压力、相对速度与加工精度、研磨工具的硬度、磨料的粒径与研磨表面质量有着密切的关系。研磨压力小，相对速度低，加工精度就高。磨料粒度小，研具的材料软，加工后的表面粗糙度就小。研具的压力高，相对速度高，磨料的粒径大，研具的材质硬，加工的效率就高。研磨和抛光的工艺参数见表14-6。
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1 C1 L/ |6 d+ Q7 D& r7 K10.常用的研磨抛光的磨料有哪些？
常用来研磨和抛光的磨料可分为一般磨料和特殊用途磨料。一般磨料有：二氧化硅( SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化铈(CeO2)、三氧化二铁(Fe2O3)、氧化铬(Cr2O3)、金刚石(C)。特殊用途的磨料有：氧化镁(MgO)、氧化钍(ThO2)、氧化锌(ZnO2)、氧化钛(TiO2)、氧化锰(MnO2)、碳酸钙(CaCO3)等。

超精密研磨机
" i* F8 T* h2 m1 W' _11.超精密研磨与抛光的方法和特点有哪些？
; V4 `! R5 _+ s一般情况下，加工去除的单位越小或机械的作用越小，被加工表面质量就越高。如果研磨能以原子或分子为单位去除材料，表面的粗糙度就能达到纳米(nm)级，加工的变质层很微小或没有。各种超精密研磨与抛光的磨料粒径一般在数微米以下，对半导体材料的超精密加工，多用粒径为0.02μm的磨料。为了防止工件氧化和研磨液中的杂质，引起加工表面的划伤，一般使用蒸馏水或离子水。各种超精密研磨方法和特点如下：
(1)超精密研磨与抛光：它的机理是以磨料的机械作用为主去除材料。研磨时采用各种细微磨料和软质磨料。研磨工具采用铸铁、玻璃、陶瓷、软金属，抛光时采用软质研具或沥青。研磨液采用机油、煤油、水溶液，抛光时采用过滤水或蒸馏水。研磨方式有手工研磨和机械研磨。主要加工对象为各种硬脆材料。
- c/ T0 Y% C% i(2)液中研磨与抛光：它是浸在含有磨料的工作液中进行的，以磨料的机械作用为主，加上液体的冷却与分散磨料的作用，被加工工件是浮动的，在液中运动进行。研磨液是过滤水或蒸馏水。研磨工具采用合成树脂或锡等软质材料。主要加工对象是硅片等电子材料。
. b$ [5 D8 }" D& J: l& c6 s0 B(3)化学研磨与抛光：它是在工件被加工的过程中，伴随着化学反应或水合反应，将化学反应或水合反应的生成物去掉，其目的是为了提高加工的效率。它的原理是以机械作用去除化学反应的生成物。采用细微磨料和水溶液或纯水及无纺布或玻璃板等研具。主要用来加工硅和蓝宝石基板。
/ E$ E9 j, @% _, Q' s" `4 E(4)EEM加工：它的加工原理是高速旋转的树脂球对工件产生一定的压力和气流，并在它们之间加上含有磨料的工作液，使树脂球冲击或擦过工件表面进行加工。这种加工方法可以加工任何形状的表面，而且质量很高，但是效率很低。
9 U; m$ Q8 ^0 ?6 m0 P3 K8 u(5)浮动研磨：它是利用滑动轴承的动压效应原理，将研具做成容易产生动压效应的形状，在工件与转盘作相对运动时，由于动压效应工件浮起而脱离接触，再通过间隙进入磨料和切削液而进行加工的。这种方法可以获得很高的表面质量。
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# z& N' L' W5 W; ?6 [6 G/ r6 S珩磨机
12.加工硬脆材料的其他方法有哪些？
(1)珩磨：珩磨不仅适用于金属，也适用于硬脆非金属材料的精密加工。珩磨条材质为Al2O3或金刚石磨料，粒度一般选用W28，采用煤油作珩磨液。珩磨条和工件被加工表面在一定压力下作相对运动，其压力越大，加工效率越高，但被加工表面粗糙度就越大。
(2)砂带加工：精密加工用的砂带，多采用25～75μm厚的聚酯薄膜，粘涂粒径为0.3～30μm的氧化铬或氧化铁、氧化铝、碳化硅和金刚石微粉制成。有带状、盘状、板状、圆筒状及特殊形状等品种。它主要对电子器件中的陶瓷材料加工。在磨削中，随着速度增加，磨削量也增加，最高速度可达40m/s。磨削液一般采用水，供给量为3L/min左右。磨削玻璃时，采用黑色碳化硅比采用绿色碳化硅的效果好。用砂带磨削硬材料时，金刚石磨料最好。
4 S/ h, _3 R: y. h(3)复合加工：它是将加工原理不同的两种或两种以上的加工方法应用于同一表面的加工过程中，这种方法称为复合加工。
①化学—机械加工。它是利用机械作用，使加工表面活性化，从而促进化学反应进行，同时化学的作用又促使被加工表面变质或弱化，促使机械作用容易进行，达到加工的目的。各种硬脆材料在进行化学—机械加工时，关键在于选择被加工材料产生固相反应的磨料和化学反应的液体。例如利用软质磨料通过固相反应，加工硅、蓝宝石等。
②电解—机械加工。硬脆非金属材料一般是不导电的，但在被加工材料中，适当加入导电而容易电解的成分，就可以进行电解—机械加工。如在陶瓷中加入TiN，就使材料具有电解的性能，而进行电解磨削加工。
③电火花—机械加工。有些硬脆非金属材料，如ZrBi、Si3N4—TiN具有导电性，SiC为半导体，它们都可以进行电火花加工。这些材料可以使用电火花放电与机械加工结合起来，进行电火花磨削。对不导电的硬脆材料，要利用电解液中的电火花放电进行加工。如对金刚石、红宝石的孔加工就是利用了这一原理。
④电解—电火花加工。对于不导电的硬脆材料，将其浸泡在电解液中，使金属电极与电解液之间进行电火花放电，这时放在电极附近的材料被加工。
" u' y- L( R5 M# t! n4 {7 L3 V( W! f⑤超声波—磨削加工。它是将超声波与磨削结合起来，使砂轮产生超声波振动，防止砂轮堵塞，减小磨削力，从而提高加工效率和表面质量。
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岩石
5 L$ c( g: I0 p9 b1 U13.岩石的种类有哪些？
) l3 a! E5 z, N0 s岩石具有许多其他材料不能相比的优良特性。如耐磨性好、耐腐蚀、精度保持性好，其制品有美丽的光泽等。石材经过加工可以制成精密平板、高精度机器零件，如三坐标测量机的工作台和立柱等。石材还可以做高级建筑的装饰材料，提高建筑的美学价值。
  P, ~  @) V- o; z岩石按形成原因可分为三大类，即岩浆岩(也称为火成岩)、沉积岩和变质岩。
/ g) Y( s/ s6 C& h- c$ B8 t% X7 X(1)岩浆岩：在高温条件下，由岩浆或熔岩流冷凝结晶而成的岩石称为岩浆岩。岩浆喷出地表面凝固的岩石称为火成岩或喷出岩。岩浆在地壳深处凝固的岩石称为侵入岩或深成岩。如花岗岩、闪长岩、辉长岩等。组成岩浆岩的主要矿物有：石英、钾长石、辉石、角闪石、黑云母、磁铁矿、黄铁矿等。岩浆岩具有全晶体结构和半晶体结构，并有较高的硬度及强度。
0 E5 _# |* H# d0 [4 e  k5 o# `9 q(2)沉积岩：在地表条件下，由风化作用、生物作用和某种火山作用形成的物质经过改造(如搬运、沉积、化石作用)而形成的岩石称为沉积岩。它的特征是具有层理构造，它的硬度低于岩浆岩。用于加工的沉积岩主要是化学岩和碎屑岩。化学岩的岩种有石灰岩、白云岩和硬石膏岩等。碎屑岩主要有砂岩、灿角砾岩。
2 N0 u% G. q! I(3)变质岩：它是由已存的岩石，因物理化学条件的改变，使原来的岩石矿物成分和结构构造发生变化而形成的岩石。变质岩主要有原岩是花岗岩、流纹岩变质形成的片岩、片麻岩，原岩是石灰岩和白云岩变质形成的大理石岩等。
石材的加工业，根据岩石的基本特点，将石材分为大理石和花岗石两大类。所谓大理石是指变质的或沉积的碳酸盐岩及某些含有少量碳酸盐的硅酸盐类岩石，如大理石、石灰石、白云石、蛇纹岩、砂岩、石英岩和石膏岩等。凡属于岩浆岩和变质岩浆岩的石材统称为花岗石。它包括有花岗岩、正长岩、闪长岩、辉长岩、辉绿岩、玄武岩和片麻岩等。

岩石
0 _5 |: k$ H3 h5 a  C" ~14.岩石有哪些基本的物理性质？
! d! Y1 V6 R# `- O(1)相对密度d：它是岩石实际体积的质量与同样体积水的质量之比。所谓岩石的实际体积是不包括孔隙的体积。
8 B# a. p% a8 u8 g(2)容重γ：岩石的容重是单位体积岩石的质量。所谓单位体积，就是包括孔隙在内的岩石总体积。岩石的容重分为干容重和湿容重。
(3)密度ρ：岩石的密度是单位体积岩石的质量。
(4)孔隙度n：岩石的孔隙度是指岩石的各种裂隙、孔隙体积总和与岩石总体积之比。
(5)吸水率w：岩石的吸水率是指岩石在大气压力条件下，吸水质量与岩石干质量之比。
. B% e: F5 a5 {  C# Z岩石的物理性能见表14-7。
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