whitepaper-lapping-grinding-and-polishing
Whitepaper
November 2024
Lapping, Grinding and Polishing
Abstract:
This whitepaper examines the precision machining processes of lapping, grinding, and polishing, which are crucial for high-quality surface finishes and tight tolerances. It outlines the principles, equipment, and applications of each process, comparing their advantages and disadvantages. Case studies highlight the result of some of Axxicon’s projects. .
-
Introduction
Lapping, grinding, and polishing are precision machining processes to achieve high-accuracy surface finishes and dimensional tolerances on various materials, ceramics, and optical components. These processes are essential in industries such as aerospace, automotive, electronics, and semiconductor manufacturing.
As our sciences and technologies advance, demands for tighter tolerances, flatter surfaces and lower surface roughness become greater. The Lapping, grinding and polishing processes enhance the performance, longevity, and reliability of critical components, thus contributing significantly to the overall quality and efficiency of manufacturing operations.
-
What is Lapping?
Lapping is a precision machining process used for products that demand very tight tolerances in flatness, parallelism, thickness or high-quality surface finishes.
Lapping begins with placing components within conditioning rings directly onto the surface of a rotating lap plate. This plate is coated with an abrasive material, typically in the form of a slurry. As the plate rotates, the abrasive material gently removes a very small amount of material from the components’ surfaces, resulting in precise, flat, and smooth finishes. This process is crucial for achieving the high levels of accuracy required in various precision engineering applications.
<<afbeelding>>
In the lapping process, the workpieces may not come into direct contact with the surface of the lapping plate. Instead, loose and rolling abrasive particles within the slurry cut the surface of the workpieces, removing microscopic bits of material. Simultaneously, these abrasive particles act on the lap plate through the contact surfaces of both the workpieces and the conditioning rings. This interaction causes wear on the lap plate, which, when controlled by adjusting the radial position of the rings, can maintain the flatness of the lap plate by effecting spherical curvature changes.
Lapping is a versatile technique that can be applied to a variety of materials, including metals, ceramics, glass, and more. It is widely used in industries such as semiconductor manufacturing, analytical instrumentation, aerospace, automotive, and optics. The lapping process results in a matte finish on the workpiece, characterized by multi-directional micro-machining marks. When very fine micron-sized abrasives are used, the lapped materials may exhibit slight reflectivity.
Lapping Webpage
-
Lapping versus Grinding
Grinding is a machining process that uses an abrasive wheel as the cutting tool. The abrasive grains on the wheel’s surface remove material from the workpiece to achieve the desired shape and surface finish. Grinding can produce very fine finishes and precise dimensions.
Lapping and grinding are both processes used for flat finishing surfaces, but they differ in technique, precision, and applications. The most obvious difference between lapping and grinding is lapping doesn’t use multiple point cutting tool. Here are the key advantages of lapping compared to grinding:
- Higher Precision and Flatness
Lapping achieves extremely tight tolerances, flatness, and surface finishes in the sub-micrometer range
Grinding is generally less precise, producing surface finishes in the 2 to 5 micrometer range, making it less suitable for ultra-precise applications.
- Lower Material Removal Rate
A Lapping removes very small amounts of material in a controlled manner, making it ideal for finishing delicate parts or achieving ultra-smooth surfaces without risk of distortion.
Grinding removes more material, which is less suitable for achieving ultra-fine finishes.
- Better Surface Finish
Lapping creates surfaces with low roughness and no directional patterns, which can be important in optical or sealing applications.
Grinding leaves directional grinding marks that might require further polishing for high-performance finishes.
- Improved Flatness an Parallelism
Lapping can achieve extreme flatness and parallelism, which is critical in applications like optical lenses, precision gauges, and valve seats.
- Versatility in Materials
Lapping is more effective on a wider variety of materials, including brittle and hard materials such as ceramics, glass, and some metals.
Grinding is better suited for tougher metals but less versatile with brittle materials.
- Reduced Stress on the Material
Lapping applies less heat and mechanical stress compared to grinding, reducing the risk of thermal damage, micro-cracking, or distortion in sensitive parts.
- Multi part processing
Lapping can process multiple parts simultaneously on the same plate, improving efficiency in some production environments.
While grinding is faster and more cost-effective for removing larger amounts of material, lapping excels in applications requiring exceptional precision, smoothness, and flatness.
Casy Study Lapping
Lapping a machined workpiece made from hardened Elmax 56HRC.
Workpiece dimensions 110x15x9mm
Flatness = 0.0015mm
-
What is Polishing?
Polishing is the process of creating a smooth and reflective surface by using fine abrasive particles. Polishing removes minor imperfections and enhances the appearance of the workpiece. It often follows lapping or grinding to achieve the final surface finish.
The lapping and polishing systems are quite similar in most aspects, however, polishing normally takes place using a polishing foil in which the polishing grains embed.
<<afbeelding>>
Polishing is a process to generate a mirrored and scratch free surface. Very little material is removed during the polishing process, normally measured in microns.
The surface finish of the work-piece to be polished must be of a high quality prior to the polishing process taking place, so the pre-polishing process is often a “lapped” surface.
Polishing Webpage
-
Comparative Analysis
Lapping vs. Grinding vs. Polishing
- Lapping: Best for achieving high flatness and fine finishes. Suitable for delicate or brittle materials.
Advantages: High precision, fine finishes, minimal thermal damage.
Disadvantages: Slower process, higher cost of abrasives.
- Grinding: Efficient for bulk material removal and achieving precise dimensions. Suitable for harder materials.
Advantages: High material removal rate, versatile applications.
Disadvantages: Potential for thermal damage, requires skilled operators.
- Polishing: Ideal for final finishing to achieve a reflective surface. Enhances aesthetic and functional properties.
Advantages: Superior surface finish, improves appearance and corrosion resistance.
Disadvantages: Labor-intensive, potential for surface contamination.
-
Controlled environment
One of the critical factors influencing the effectiveness and consistency of the lapping and polishing processes is the environment in which they are conducted. A controlled environment is essential for the success of lapping and polishing processes, as factors like humidity, temperature, and cleanliness significantly impact the quality of the finished products. Humidity affects the viscosity of abrasive slurries and the risk of corrosion, while temperature variations can cause thermal expansion, affecting dimensional accuracy. Cleanliness is crucial to prevent contamination that can cause surface defects and degrade abrasive performance. Maintaining stable environmental conditions through humidity and temperature control systems, cleanroom facilities, and regular monitoring ensures consistent abrasive behavior, equipment precision, and high-quality finishes, ultimately enhancing product reliability and reducing defects.
Casy Study I Polishing
Polished workpiece made from hardened 1.2767 – 56HRC
Workpiece dimensions Ø 50 mm
Case Study II Polishing
Polished workpiece made from hardened
Stavax – 54 HRC Dimensions: 210 x 160 x 30mm
Flatness Inscribed Circle = 0.8µm
Roughness Ra = 0,007µm Rz = 0,06µm
Contact Axxicon
Downlowad Whitepaper
Whitepaper
November 2024
Leppen, Vlakslijpen en Polijsten
Abstract:
Dit whitepaper worden de precisiebewerkingsprocessen van vlakken, slijpen en polijsten, die essentieel zijn voor hoogwaardige oppervlakteafwerkingen en strakke toleranties, grondig geanalyseerd. Het beschrijft de principes, apparatuur en toepassingen van ieder proces, waarbij de voordelen en nadelen worden vergeleken. Daarnaast worden enkele projecten van Axxicon uitgelicht en die de mogelijkheden van de processen demonstreren.
-
Introductie
Leppen, slijpen en polijsten zijn hoogwaardige bewerkingsprocessen die worden ingezet om uitzonderlijk nauwkeurige oppervlakteafwerkingen en toleranties te realiseren op uiteenlopende materialen, waaronder metalen, keramiek en optische componenten. Deze technieken spelen een cruciale rol in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, elektronica en de productie van halfgeleiders.
Naarmate de technologie zich blijft ontwikkelen groeit de behoefte aan strakkere toleranties, vlakkere oppervlakken en een minimale oppervlakteruwheid. De processen van Leppen, slijpen en polijsten dragen bij aan de optimalisatie van prestaties, levensduur en betrouwbaarheid van essentiële componenten. Dit heeft niet alleen een directe impact op de kwaliteit van de eindproducten, maar verhoogt ook de efficiëntie en duurzaamheid van productieprocessen.”
-
Wat is leppen?
Leppen is een precisiebewerkingsproces dat wordt toegepast op producten die strikte toleranties vereisen op het gebied van vlakheid, parallelisme, dikte of hoogwaardige oppervlakteafwerkingen.
Het lappen begint met het plaatsen van componenten in conditioneringsringen direct op het oppervlak van een draaiende lapplaat. Deze plaat is bedekt met een schurend materiaal, meestal in de vorm van een slurry. Terwijl de plaat draait, verwijdert het schurende materiaal voorzichtig een uiterst kleine hoeveelheid materiaal van de oppervlakken van de componenten, wat resulteert in precieze, vlakke en gladde afwerkingen. Dit proces is van essentieel belang voor het bereiken van de hoge nauwkeurigheid die vereist is in diverse toepassingen binnen de precisietechniek.
<<afbeelding>>
In het lepproces komen de werkstukken niet direct in contact met het oppervlak van de lepplaat. In plaats daarvan snijden losse en ronddraaiende schurende deeltjes in de slurry het oppervlak van de werkstukken, waarbij microscopische hoeveelheden materiaal worden verwijderd. Tegelijkertijd beïnvloeden deze schurende deeltjes de lapplaat via de contactvlakken van zowel de werkstukken als de conditioneringsringen. Deze interactie veroorzaakt slijtage aan de lapplaat, welke, door de radiale positie van de ringen aan te passen, gereguleerd kan worden om de vlakheid van de lapplaat te behouden door veranderingen in de sferische kromming.
Lappen is een veelzijdige techniek die kan worden toegepast op verschillende materialen, waaronder metalen, keramiek, glas en meer. Het wordt op grote schaal gebruikt in sectoren zoals de halfgeleiderproductie, analytische instrumentatie, lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie en optica. Het lappen resulteert in een matte afwerking van het werkstuk, gekarakteriseerd door multidirectionele micro-bewerkingsmarkeringen. Wanneer zeer fijne (micron-grootte) schuurmiddelen worden gebruikt, kan het gelapte materiaal een lichte reflectie vertonen.
Leppen Webpagina Axxicon
-
Leppen versus vlakslijpen
Slijpen is een bewerkingsproces waarbij een schurend wiel als snijgereedschap wordt gebruikt. De schuurkorrels op het oppervlak van het wiel verwijderen materiaal van het werkstuk om de gewenste vorm en oppervlakteafwerking te bereiken. Slijpen kan zeer fijne afwerkingen en nauwkeurige afmetingen produceren.
Leppen en slijpen zijn beide processen die worden gebruikt voor het vlak afwerken van oppervlakken, maar ze verschillen in techniek, precisie en toepassingen. Het meest opvallende verschil tussen leppen en slijpen is dat leppen geen meerdere snijpuntechnieken gebruikt. Hier zijn de belangrijkste voordelen van leppen ten opzichte van slijpen:
- Hogere Precisie en Vlakheid
Leppen bereikt extreem strakke toleranties, vlakheid en oppervlakteafwerkingen in het sub-micrometer bereik.
Slijpen is over het algemeen minder precies en produceert oppervlakteafwerkingen in het bereik van 2 tot 5 micrometer, waardoor het minder geschikt is voor ultra-precisie toepassingen.
- Lagere Materiaalafname
Leppen verwijdert zeer kleine hoeveelheden materiaal op een gecontroleerde manier, wat het ideaal maakt voor het afwerken van delicate onderdelen of het verkrijgen van ultra-gladde oppervlakken zonder risico op vervorming.
Slijpen verwijdert meer materiaal, wat minder geschikt is voor het bereiken van ultra-fijne afwerkingen.
- Betere Oppervlakteafwerking
Leppen creëert oppervlakken met lage ruwheid en geen richtinggevende patronen, wat belangrijk kan zijn in optische of afdichttoepassingen.
Slijpen laat directionele slijpsporen achter die mogelijk verdere polijststappen vereisen voor hoge prestaties.
- Verbeterde Vlakheid en Parallelisme
Lappen kan extreme vlakheid en parallelisme bereiken, wat cruciaal is in toepassingen zoals optische lenzen en precisie-instrumenten.
- Veelzijdigheid in Materialen
Leppen is effectiever op een breder scala aan materialen, waaronder breekbare en harde materialen zoals keramiek, glas en sommige metalen.
Slijpen is breed geschikt voor hardere metalen, maar minder veelzijdig met breekbare materialen.
- Verminderde Spanning op het Materiaal
Leppen brengt minder warmte en mechanische spanning aan in vergelijking met slijpen, waardoor het risico op thermische schade, microscheurtjes of vervorming in gevoelige onderdelen wordt verminderd.
- Meerdere Onderdelen Tegelijk Bewerken
Leppen kan meerdere onderdelen gelijktijdig op dezelfde plaat bewerken, wat de efficiëntie in bepaalde productieomgevingen verhoogt.
Hoewel slijpen sneller en kosteneffectiever is voor het verwijderen van grotere hoeveelheden materiaal, blinkt lappen uit in toepassingen die uitzonderlijke precisie, gladheid en vlakheid vereisen.
Casy Study Leppen
Het leppen van een gefreesd werkstuk uit gehard Elmax 56HRC.
Afmetingen werkstuk: 110 x 15 x 9mm
Vlakheid= 0.0015mm
-
Wat is Polijsten?
Polijsten is het proces waarbij een glad en reflecterend oppervlak wordt gecreëerd met behulp van fijne schuurdeeltjes. Polijsten verwijdert kleine onvolkomenheden en verbetert het uiterlijk van het werkstuk. Het wordt vaak toegepast na vlakken of slijpen om de uiteindelijke oppervlakteafwerking te bereiken.
Hoewel leppen en polijsten in veel opzichten op elkaar lijken, wordt bij polijsten doorgaans gebruikgemaakt van een polijstfolie waarin de polijstkorrels worden vastgezet in plaats van losse korrels zoals bij leppen.
<<afbeelding>>
Polijsten is een proces om een spiegelend en krasvrij oppervlak te creëren. Tijdens het polijsten wordt zeer weinig materiaal verwijderd, meestal maar een paar microns.
Het oppervlak van het werkstuk dat gepolijst moet worden, moet vooraf van hoge kwaliteit zijn. Daarom is het voorbewerkingsproces vaak al een “gelept” oppervlak.
Polijsen Webpagina Axxicon
-
Vergelijking van de processen
Leppen vs. Vlakslijpen vs. Polijsten
- Leppen: Beste keuze voor het bereiken van hoge vlakheid en fijne afwerkingen. Geschikt voor delicate of breekbare materialen.
Voordelen: Hoge precisie, fijne afwerkingen, minimale thermische schade.
Nadelen: Langzaam proces, hogere kosten voor schuurmiddelen.
- Slijpen: Efficiënt voor het verwijderen van grote hoeveelheden materiaal en het bereiken van nauwkeurige afmetingen. Geschikt voor hardere materialen.
Voordelen: Hoge materiaalverwijderingssnelheid, veelzijdige toepassingen.
Nadelen: Risico op thermische schade, vereist ervaren operators.
- Polijsten: Ideaal voor de eindafwerking om een reflecterend oppervlak te verkrijgen. Verbetert esthetische en functionele eigenschappen.
Voordelen: Superieure oppervlakteafwerking, verbetert het uiterlijk en de corrosiebestendigheid.
Nadelen: Arbeidsintensief, risico op oppervlakteverontreiniging.
-
Geconditioneerde werkomgeving
Een van de cruciale factoren die de effectiviteit en consistentie van lappen en polijsten beïnvloeden, is de omgeving waarin deze processen worden uitgevoerd. Een gecontroleerde omgeving is essentieel voor het succes van lappen- en polijstprocessen, aangezien factoren zoals luchtvochtigheid, temperatuur en reinheid een grote invloed hebben op de kwaliteit en snelheid van het bewerkingsproces.
Luchtvochtigheid beïnvloedt de viscositeit van schurende slurry’s en verhoogt het risico op corrosie, terwijl temperatuurschommelingen thermische uitzetting kunnen veroorzaken, wat de dimensionale nauwkeurigheid beïnvloedt. Reinheid is van groot belang om besmetting te voorkomen die oppervlakdefecten kan veroorzaken en de prestaties van de schuurmiddelen kan verminderen.
Het handhaven van stabiele omgevingscondities door middel van luchtvochtigheid- en temperatuurcontrolesystemen, cleanroomfaciliteiten en regelmatige monitoring zorgt voor consistente prestaties van schuurmiddelen, precisie van apparatuur en hoogwaardige afwerkingen. Dit verhoogt uiteindelijk de betrouwbaarheid van het product en vermindert defecten.
Casy Study I Polijsten
Polished workpiece made from hardened 1.2767 – 56HRC
Workpiece dimensions Ø 50 mm
Case Study II Polijsten
Polished workpiece made from hardened
Stavax – 54 HRC Dimensions: 210 x 160 x 30mm
Flatness Inscribed Circle = 0.8µm
Roughness Ra = 0,007µm Rz = 0,06µm