雙面研磨機(jī)文獻(xiàn)綜述

2013屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述）精密超精密加工和研磨技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展1 前言目前，先進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品的制造正朝著高精度、高性能、高集成度和高可靠性的方向快速發(fā)展，對(duì)許機(jī)械產(chǎn)品部件表面的局部平面度及全局平面度均提出了前所未有的高要求。超精密平面研磨加工作為一種超精密加工方法，能很好地適應(yīng)這些高尺寸精度和低表面粗糙度產(chǎn)品的加工需求。無(wú)論是機(jī)械研磨、化學(xué)研磨以及全局平面化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)等，都需要使用高精度高剛度超精密研磨機(jī)實(shí)現(xiàn)高效率加工。我國(guó)高檔次超精密研磨設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平總體不高，精密的研磨機(jī)均還嚴(yán)重依賴于進(jìn)口，而且價(jià)錢非常昂貴。因此，加強(qiáng)我國(guó)的高檔次機(jī)械材料極限研磨機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化研究，以及相關(guān)使用工藝技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)尤為迫切。研磨機(jī)用涂上或嵌入磨料的研具對(duì)工件表面進(jìn)行研磨的設(shè)備。主要用于研磨工件中的高精度平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、螺紋面和其他型面等。2 精密與超精密加工技術(shù)的發(fā)展通常，按加工精度劃分，機(jī)械加工可分為一般加工、精密加工、超精密加工三個(gè)階段。精密加工所要解決的問(wèn)題，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面狀況；二是加工效率，有些加工可以取得較好的加工精度，卻難以取得高的加工效率。精密加工包括微細(xì)加工和超微細(xì)加工、光整加工等加工技術(shù)。傳統(tǒng)的精密加工方法有砂帶磨削、精密切削、珩磨、精密研磨與拋光等。 （1）砂帶磨削，是用粘有磨料的混紡布為磨具對(duì)工件進(jìn)行加工，屬于涂附磨具磨削加工的范疇，有生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好、使用范圍廣等特點(diǎn)。 （2）精密切削，也稱金剛石刀具切削(SPDT)，用高精密的機(jī)床和單晶金剛石刀具進(jìn)行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，如計(jì)算機(jī)用的磁鼓、磁盤及大功率激光用的金屬反光鏡等，比一般切削加工精度要高12個(gè)等級(jí)。（3）珩磨，用油石砂條組成的珩磨頭，在一定壓力下沿工件表面往復(fù)運(yùn)動(dòng)，加工后的表面粗糙度可達(dá)Ra0.40.1m，最好可到Ra0.025m，主要用來(lái)加工鑄鐵及鋼，不宜用來(lái)加工硬度小、韌性好的有色金屬。（4）精密研磨與拋光，通過(guò)介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機(jī)械摩擦，使工件達(dá)到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對(duì)于金屬和非金屬工件都可以達(dá)到其他加工方法所不能達(dá)到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra0.025m加工變質(zhì)層很小，表面質(zhì)量高，精密研磨的設(shè)備簡(jiǎn)單，主要用于平面、圓柱面、齒輪齒面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量規(guī)、量塊、噴油嘴、閥體與閥芯的光整加工。超精密加工就是在超精密機(jī)床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴(yán)格約束的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)材料進(jìn)行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過(guò)程。當(dāng)前的超精密加工，亦稱之為亞微米級(jí)加工技術(shù)，正在向納米級(jí)甚至次納米級(jí)1-5加工技術(shù)發(fā)展。3 研磨技術(shù)的發(fā)展 研磨加工不僅向更高的加工精度發(fā)展，而且其加工質(zhì)量也在不斷提高，且?guī)缀蹩梢约庸と魏喂虘B(tài)材料。許多人從事研磨加工技術(shù)，研究的宗旨是進(jìn)一步提高研磨加工效率、加工精度，降低加工成本6。目前，國(guó)內(nèi)外研磨加工主要還是采用散粒磨料在慢速研磨機(jī)上研磨。 其特點(diǎn)是加工精度高、 加工設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少，但是加工精度不穩(wěn)定、 加工成本高、 效率低。超精密平面研磨當(dāng)前是指被加工零件的尺寸和形狀精度高于0.1m，表面粗糙度Ra小于0.025m，又稱亞微米加工7，以及機(jī)床定位精度的分辨率和重復(fù)性高于0.01m的加工技術(shù)，目前已進(jìn)入納米級(jí)精度階段。超精密平面研磨可分為四個(gè)基本組成部分一研磨盤、研磨液、磨粒和工件8。研磨盤是精密研磨加工中的模具，其面型精度對(duì)被加工件的面型精度影響非常大，模具表面形貌能在一定程度上“復(fù)制到工件表面上9-10。超精密研磨是超精密加工中一種重要加工方法，其優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，加工材料范圍廣。與傳統(tǒng)研磨相比，加工效率高、加工成本低、加工精度和加工質(zhì)量穩(wěn)定，這使得超精密研磨應(yīng)用得到了廣泛的應(yīng)用。隨著研磨技術(shù)在市場(chǎng)上需求的加大和在精密及超精密加工中的廣泛應(yīng)用，研磨技術(shù)已在各大加工領(lǐng)域得到發(fā)展，各研磨技術(shù)的類型和應(yīng)用如下：（1）磁力研磨：磁力研磨是在傳統(tǒng)研磨的不足與缺陷上進(jìn)行改革創(chuàng)新，采用磁場(chǎng)力量傳導(dǎo)至不銹鋼磨針使工件作高頻率旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用于精密五金工件內(nèi)孔、死角、細(xì)小夾縫處拋光研磨，最終達(dá)到精密工件快速去除毛刺，污垢的效果。（2）振動(dòng)研磨：采用先進(jìn)的螺旋流動(dòng)，三次元振動(dòng)的加工原理，可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，省人、省力、省能源。適用于中小尺寸工件的表面拋光、倒角、去除毛邊、磨光、光澤打光處理，處理后不破壞零件的原有形狀和尺寸精度，可消除零件內(nèi)部應(yīng)力，并提高了零件表面光潔度、精度。（3）平面研磨：研磨盤平面度是研磨的基準(zhǔn)，是得到精密工件平面的保證，研磨的主要類型有圓盤式研磨、轉(zhuǎn)軸式研磨。平面研磨技術(shù)廣泛用于LED藍(lán)寶石襯底、光學(xué)玻璃晶片、石英晶片、硅片、諸片、模具、導(dǎo)光板、光扦接頭等各種材料的單面研磨、拋光。（4）鉆頭研磨：鉆頭研磨可以分為便攜式鉆頭研磨， 即傻瓜式鉆頭研磨，木工鉆頭研磨，薄壁鉆頭研磨，群鉆頭研磨，臺(tái)階鉆頭研磨，左鉆頭研磨。由于用新型的旋動(dòng)座以軸承達(dá)成滑動(dòng)，且以凸柱及弧形槽達(dá)成旋轉(zhuǎn)后定位，使該研磨技術(shù)實(shí)用新型精度高且具有定位及動(dòng)作確實(shí)的功效。（5）光線研磨：光纖研磨是一款專門用來(lái)研磨光纖產(chǎn)品的研磨技術(shù)，在光纖行業(yè)被廣泛應(yīng)用。光纖研磨技術(shù)主要應(yīng)用于加工光纖產(chǎn)品的光纖端面，如光纖跳線，尾纖，能量光纖，塑料光纖，器件的預(yù)埋短插芯等等。其在光通信行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，常用的方式是幾臺(tái)光纖研磨機(jī)和固化爐端檢儀壓接機(jī)測(cè)試儀等設(shè)備工具共同組成一條或多條生產(chǎn)線，用來(lái)生產(chǎn)光纖跳線，尾纖，預(yù)埋短插芯等無(wú)源器件。（6）陶瓷研磨：陶瓷研磨是用涂上或嵌入磨料的研具對(duì)工件表面進(jìn)行研磨的技術(shù)。陶瓷研磨是超精密加工中的一種重要加工方法，可用于去除加工、 結(jié)合加工和變形加工三大類11，其優(yōu)點(diǎn)是加工精度高，加工材料范圍廣。主要用于研磨工件中的高精度平面、內(nèi)外圓柱面、圓錐面、球面、螺紋面和其他型面。4 平面研磨方式平面研磨可以通過(guò)單盤單面研磨或者雙面研磨實(shí)現(xiàn)。單面研磨方式：對(duì)于易碎的脆性材料平行薄片工件，目前均采用單面研磨加工。因?yàn)楫?dāng)工件的厚度只有幾十微米時(shí)，工件與研磨盤緊密接觸會(huì)使加工阻力增大，從而引起薄片工件的破損。單面研磨的工作示意圖如圖1所示。被加工晶片粘貼于工件盤上，研磨盤由電機(jī)帶動(dòng)以一恒定的轉(zhuǎn)速做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，工件盤與被加工晶片在受到與研磨盤之間的摩擦力作用，由靜止到以一恒定的角速度作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1 單面研磨工作示意圖雙面研磨方式：進(jìn)行高質(zhì)量平行平面研磨時(shí)使用雙面研磨方式。雙面研磨法能避免由夾具的粘結(jié)誤差及薄片工件兩面的應(yīng)力差引起的變形問(wèn)題。雙面研磨的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。研磨的工件放在工件行星輪內(nèi)，上下均有研磨盤。研磨墊固定在上研磨盤和下研磨盤的表面，被加工晶片放在由中心齒輪和內(nèi)齒圈組成的差動(dòng)輪系內(nèi)。研磨壓力則由氣缸加壓上研磨盤實(shí)現(xiàn)。為減少研磨時(shí)晶片所受的作用力，一般使上研磨盤和下研磨盤分別以大小相等、方向相反的角速度旋轉(zhuǎn)。晶片的運(yùn)動(dòng)由行星輪帶動(dòng)，同時(shí)上、下研磨盤研磨壓力的作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，因此晶片的運(yùn)動(dòng)是行星運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。圖2 雙面研磨機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在充分查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，研究和開(kāi)發(fā)具有國(guó)際先進(jìn)水平和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)平面研磨設(shè)備，旨在開(kāi)發(fā)出性價(jià)比比較高的超精密平面研磨機(jī)，用于陶瓷、磁盤基片、磁頭、半導(dǎo)體晶片、光學(xué)器件等光電子材料的超精密平面研磨加工。主要對(duì)研磨設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，包括研磨盤加載變形及受熱變形、主軸組件設(shè)計(jì)、加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)和修盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，具有非常重要的意義。5 國(guó)內(nèi)外研究情況5.1 國(guó)外精密研磨機(jī)開(kāi)發(fā)狀況國(guó)外精密單面游離磨料研磨機(jī)生產(chǎn)商主要有Engis公司、Logiteeh公司、英國(guó)Lapmaster International公司、日本Hitechnoth公司和德國(guó)愛(ài)孚機(jī)械制造公司等。Engis公司是世界上平面研磨、拋光加工的技術(shù)領(lǐng)先者，總部設(shè)于美國(guó)，在日本、加拿大、英國(guó)、韓國(guó)、新加坡、香港均設(shè)有分公司。其中Engis Hyprez flat lapping machines適合于金剛石磨料研磨，預(yù)設(shè)工廠常用速度：可實(shí)現(xiàn)0-440RPM無(wú)級(jí)變速；2級(jí)壓力控制，慢停慢啟動(dòng)功能，可以加工各種晶體、半導(dǎo)體基片等。例如：加工GaN 6小時(shí)后表面粗糙度可達(dá)Ra 0.39 nm；加工YAG90分鐘后表面粗糙度可運(yùn)Ra 0.40 nm，Rt 4.40 nm，平面度為1 50nm/1 5ram。英國(guó)Logitech公司有40多年的研磨拋光經(jīng)驗(yàn)，它生產(chǎn)的系列桌面CMP拋光設(shè)備具有很高的精度，拋光GaAr的平面度為5級(jí)條紋，表面粗糙度Ra 達(dá)到3-4nm，厚度可以控制在2m到100m，平行度為2m。DH系列拋光設(shè)備還帶有自動(dòng)化的研磨頭(45KG)、自動(dòng)加載系統(tǒng)和上下工件系統(tǒng)。PM5自動(dòng)研磨拋光機(jī)，裝有研磨盤平面度自動(dòng)監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)，可將研磨盤的平面度自動(dòng)修正到操作者所期望的范圍內(nèi)，誤差為1m，極大的降低了人工修正的時(shí)間，提高了工作效率12。英國(guó)Lapmaster International公司(萊瑪特公司)也是世界知名的先進(jìn)研磨拋光設(shè)備的制造商，主要生產(chǎn)單面、雙面研磨拋光機(jī)。它生產(chǎn)的單面研磨/拋光機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電晶體、半導(dǎo)體材料、光學(xué)玻璃、光電子晶體、電子陶瓷等金屬或非金屬的單面研磨或拋光加工，能使加工表面獲得較好的平面度和表面粗糙度。日本Hitechnoth公司能生產(chǎn)非常小型的桌式研磨機(jī)，用于晶片的精密研磨加工。HIT-12B型單面研磨機(jī)可配置的研磨盤直徑范圍為300mm380mm，可同時(shí)加工三塊晶片，主軸轉(zhuǎn)速060rpm，加載力為靜載荷，系統(tǒng)自動(dòng)控制研拋時(shí)間，最大的的特點(diǎn)是該型機(jī)器非常的輕便，機(jī)器總重量只有60kg，非常便于搬運(yùn)。HIT-24P-H4單面拋光機(jī)拋光盤的直徑為610mm，具有4個(gè)工件軸，可同時(shí)拋光四個(gè)工件，工件的最大直徑可達(dá)23 0ram，工作區(qū)以透明玻璃密封，控制面板采用LED觸摸屏，操作非常方便。整機(jī)重1 500kg，搬運(yùn)有些不便。5.2 國(guó)內(nèi)精密研磨機(jī)開(kāi)發(fā)狀況 國(guó)內(nèi)研究與開(kāi)發(fā)超精密平面研磨拋光設(shè)備的研究機(jī)構(gòu)主要有中國(guó)航 空精密機(jī)械研究所、浙江工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)、中科院人工晶體研發(fā)中心、南京航空航天大學(xué)等。生產(chǎn)超精密平面研磨拋光設(shè)備的公司主要有上海日進(jìn)機(jī)床有限公司、上海菜特門機(jī)械有限公司、北京奧美創(chuàng)新機(jī)電科技有限公司、深圳宏達(dá)高精度平面研磨拋光設(shè)備有限公司、深圳市納諾斯精密機(jī)械技術(shù)有限公司等。目前代表國(guó)內(nèi)最高水平的北京中國(guó)航空精密機(jī)械研究所(超精密加工技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)80年代研制的龍門結(jié)構(gòu)式CJY-500超精密平面研磨機(jī)床，上下研磨盤用靜壓油缸推動(dòng)上磨盤運(yùn)動(dòng)，軸向重復(fù)定位精度優(yōu)于0.2m。在研磨機(jī)床上配有金剛石切削機(jī)構(gòu)，可以對(duì)研磨盤進(jìn)行加工。磨盤用金屬錫制成時(shí)加工平面度可達(dá)0.03m工件表面粗糙度達(dá)0.3nm13。浙江工業(yè)大學(xué)研究的臺(tái)式智能型納米級(jí)拋光機(jī)除采用了常規(guī)的修正環(huán)在線修整裝置、偏心載荷修整工件的平行度外，附加了最佳加工工藝參數(shù)專家數(shù)據(jù)庫(kù)控制系統(tǒng)和超精密光柵測(cè)控技術(shù)控制拋光盤轉(zhuǎn)數(shù)等技術(shù)。通過(guò)修正環(huán)的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)時(shí)連續(xù)的對(duì)研磨盤、拋光盤的平面度進(jìn)行修整，可用于硅片、鈮葭鋰基片、鉭酸鋰基片、石英晶體等平面晶體工件的加工14。長(zhǎng)春理工大學(xué)則生產(chǎn)了高速(固結(jié)磨料)平面研磨機(jī)主要用于透鏡的精磨加工。中科院人工晶體研發(fā)中心高宏剮等人研制了FP500型超精密錫磨盤平面研拋機(jī)，機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)例似于小型立 車與立式端面磨床的合成，具有超精密車削與超精密研拋兩大功能，可以方便地進(jìn)行基于多種基本原理的超光滑研拋研究15。6 總結(jié) 今后超精密研磨技術(shù)將朝著高精度、 高效率的方向發(fā)展，這一趨勢(shì)體現(xiàn)在2個(gè)方面： 其一是超精密復(fù)合加工方法的出現(xiàn)，如化學(xué)機(jī)械拋光、 電解磁力研磨、 超聲珩磨等，通過(guò)多種材料去除機(jī)理的協(xié)調(diào)作用提高加工精度和加工效率； 其二是半固著磨粒加工技術(shù)的出現(xiàn)，如日本秋田縣里大學(xué)吳勇波教授提出的磁性拋光體(Magnet ic Compound Fluid Polishing Tool)拋光技術(shù)和本課題組提出的半固著磨粒加工技術(shù)。前者的加工工具是將磁性復(fù)合流體(MCF)和磨粒粒子、 植物纖維素均勻混合后在磁場(chǎng)條件下壓縮后制得，在磁場(chǎng)下呈半固態(tài)。后者的加工工具是采用特殊的結(jié)合劑和制作方法制得，加工過(guò)程中磨具對(duì)磨粒的約束介于固著磨粒加工和游離磨粒加工之間。參考文獻(xiàn)1Michael,A.Fury.Emerging developments in CMP for semiconductor planarizat-ion-Part2.Solid state technology,1995,vol.38(7):81-88。2Kathleen,A.Perry.Chemical mechanoical polishing.The impact of a new technology on an industry.Digest of technical papers-symposium Oil VLSI technology.1998:2-5。3雷紅，雒建斌，張朝輝化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的研究進(jìn)展上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，9(6)：494-502。 4李長(zhǎng)河.化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù).現(xiàn)代零部件，2006（2）：102-103。5梅燕，韓業(yè)斌，聶祚仁.用于超精密硅晶片表面的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）技術(shù)研究.潤(rùn)滑與密封，2006（9）：203-2