被削材均质性的优化方法

世界上完全均质的材料几乎是不存在的。材料一般都具有异方性和构造缺陷，由于不纯物存在、结晶粒大小不一、粒界存在等均会带来不均质和不等质。

均质性指的是在一个物体的任意处都有同样的物理和化学性质。要实现高精度加工，材料必须完全均质，即材料的均质性是高精度加工的前提条件。材料的物理、化学性质随场所而异的结果，随微小除去量或附加量场所不同，精度和加工面表面粗糙度也会变恶劣。

此时为了尽量减少物理、化学的不均质性的影响，在第2篇第16章叙述的加工单位的原理是很重要的，即在强制加工时尽量使用锋利的工具，尽量使用小加工单位。

首先，保证被削材的均质性是前提。因为部位不同物理特性（例如柔度）就不同，尽管工具、机床系统的柔度也很低，也无法控制被削材一方的柔度，被削材在被除去之后的变形恢复量根据场所而变化。加之工具不可能绝对锋利，即使可以绝对锋利，其刀尖强度甚弱，因而加工开始后刀尖同时可能崩掉。

这里，导入有关被削材均质性的系。

【系1】被削材以单结晶和无结晶合金为宜。

材料中最能期待均质性的是单结晶和无结晶合金材料。例如，切削属于多结晶金属的铝合金时，结晶粒界阶段差和滑移波纹会出现在加工面，而加工丙烯树脂（无结晶材料）时没有这样的缺陷。

在半导体产业之所以使用单晶硅作为集成电路基础，单晶结构的优点是一个理由。VTR用的铁氧体磁头过去虽曾大量使用多结晶材料，现在使用了单结晶材料而加工精度提高了。但是有特殊的情况，像硬件磁盘用磁头使用多结晶铁氧体，加工精度高的例子也有。此时，为了接近完全的均质性，希望结晶细小而均一。

即使用这样的单结晶材料和无结晶材料，不纯物的存在仍是个问题，不纯物存在越少，则高精度的加工面越容易得到。例如，经常用来制作镜子的材料无氧铜，纯度为99.9%时得不到好的加工面，而纯度提高到99.999%时，得到了满意的加工面。还有，铝含有多量不纯的硅后得不到良好的加工面，以含硅少的材料（例如A1080：Si含量在0.15%以下，Al含量在99.80%以上）为好。

要使材料的均质性高，一种方法是采用上述无结晶材料和单结晶材料，另一种方法是尽量使用固溶体材料。固溶体是指不同的物质互相均一地溶解的固相，把所使用的材料尽可能地进行固溶化处理是个重要的研究内容。

另外，镀膜和蒸着的方法也有必要考虑一下。例如，作为激光反射镜的镜面切削用材料的无电解镀镍是其中之一。无电解镀膜也叫化学镀膜，凹下去的地方也可以有一样的镀层厚度。(www.xing528.com)

无电解镀镍是将镍盐溶液作为还原剂，把材料浸渍到加有磷酸钠的溶液中，这样得到的材料有均质性，易于实现高精度加工。

实际上与这个被削材原理相反，对不同材料组合的工件经常必须做高精度平面加工。例如，VTR磁头的转动面加工，要求把不同材料组成的工件加工成阶梯差在10～100Å以内的平面。此时如前面叙述，必须考虑尽量采用使不等质的影响不出现的加工法。

亦即，尽量采用小的加工单位，在不同材质间尽量使加工量的差不出现，必须考虑这样的加工法。为此，有必要准备锋利的工具。对切削工具来说，有必要将切削刃棱锋圆角做小，磨轮则用金刚石，且粒度必须严格一致。此时，使用机械与化学的复合加工法不好。因为在第2篇第19章的异方性原理中说过的问题会在这里发生。亦即，化学加工法等方性强，由于材质不同和不均质而使加工速度发生变化，转化成出现阶梯差。

【系2】用多结晶材料实现高精度加工，要将结晶粒微细化，基体和结晶粒界的硬度和结晶粒的大小要整齐。

组织的均质性必须在0.01μm（10nm）的级别上实现才行。

作为多边形反射镜的材料，具有承受高速旋转的强度（密度小而强度高的性质），是在用单结晶钻石切削加工中得到镜面的材料。当初，曾用耐腐蚀铝合金（A5056），即使是同样材料，厂家不同、制造批量不同，有时也得不到镜面。从这个意义上来看，在高精度加工上，必须注意材料商和制造批量对其性能也有很大影响。

为了实现高精度加工，有时以前的材料精度要求不能满足高精度加工要求，在加工多边形反射镜时，如上述那样A5056则不能实现高精度加工，因而开发了适合于高精度加工的新材料。市面的材料由于含有杂质的体积和数量不能精确控制，在切削中产生侥幸性。这里开发出来的材料，是使用高纯度铝的镜面用耐蚀铝合金。这个材料的介在物、结晶粒有了改善，但如图2.21.1所示，结晶粒界的阶梯差比切削条痕要

图2.21.1 超精密切削加工时出现的晶粒间边界高低差

明显，在结晶粒界阶梯差（0.02μm前后）的点有表面粗糙度0.01～0.02μm的表面粗糙度值，这已是用这种铝合金的上限界。如此，在多结晶材料的场合，粒界大小结晶内部的物理、化学不均质性决定了加工限界。