雙面研磨機文獻綜述.doc

精品文檔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，先進機械產(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，對許機械產(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。無論是機械研磨、化學(xué)研磨以及全局平面化學(xué)機械拋光技術(shù)等，都需要使用高精度高剛度超精密研磨機實現(xiàn)高效率加工。我國高檔次超精密研磨設(shè)備設(shè)計制造技術(shù)水平總體不高，精密的研磨機均還嚴重依賴于進口，而且價錢非常昂貴。因此，加強我國的高檔次機械材料極限研磨機設(shè)計制造技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化研究，以及相關(guān)使用工藝技術(shù)研究與開發(fā)尤為迫切。研磨機用涂上或嵌入磨料的研具對工件表面進行研磨的設(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，機械加工可分為一般加工、精密加工、超精密加工三個階段。精密加工所要解決的問題，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。精密加工包括微細加工和超微細加工、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工件進行加工，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。 （2）精密切削，也稱金剛石刀具切削(SPDT)，用高精密的機床和單晶金剛石刀具進行切削加工，主要用于銅、鋁等不宜磨削加工的軟金屬的精密加工，如計算機用的磁鼓、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個等級。（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)運動，加工后的表面粗糙度可達Ra0.40.1m，最好可到Ra0.025m，主要用來加工鑄鐵及鋼，不宜用來加工硬度小、韌性好的有色金屬。（4）精密研磨與拋光，通過介于工件和工具間的磨料及加工液，工件及研具作相互機械摩擦，使工件達到所要求的尺寸與精度的加工方法。精密研磨與拋光對于金屬和非金屬工件都可以達到其他加工方法所不能達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床設(shè)備上，利用零件與刀具之間產(chǎn)生的具有嚴格約束的相對運動，對材料進行微量切削，以獲得極高形狀精度和表面光潔度的加工過程。當(dāng)前的超精密加工，亦稱之為亞微米級加工技術(shù)，正在向納米級甚至次納米級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)，研究的宗旨是進一步提高研磨加工效率、加工精度，降低加工成本6。目前，國內(nèi)外研磨加工主要還是采用散粒磨料在慢速研磨機上研磨。 其特點是加工精度高、 加工設(shè)備簡單、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)，目前已進入納米級精度階段。超精密平面研磨可分為四個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行改革創(chuàng)新，采用磁場力量傳導(dǎo)至不銹鋼磨針使工件作高頻率旋轉(zhuǎn)運動。應(yīng)用于精密五金工件內(nèi)孔、死角、細小夾縫處拋光研磨，最終達到精密工件快速去除毛刺，污垢的效果。（2）振動研磨：采用先進的螺旋流動，三次元振動的加工原理，可實現(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，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，臺階鉆頭研磨，左鉆頭研磨。由于用新型的旋動座以軸承達成滑動，且以凸柱及弧形槽達成旋轉(zhuǎn)后定位，使該研磨技術(shù)實用新型精度高且具有定位及動作確實的功效。（5）光線研磨：光纖研磨是一款專門用來研磨光纖產(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，常用的方式是幾臺光纖研磨機和固化爐端檢儀壓接機測試儀等設(shè)備工具共同組成一條或多條生產(chǎn)線，用來生產(chǎn)光纖跳線，尾纖，預(yù)埋短插芯等無源器件。（6）陶瓷研磨：陶瓷研磨是用涂上或嵌入磨料的研具對工件表面進行研磨的技術(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單盤單面研磨或者雙面研磨實現(xiàn)。單面研磨方式：對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。因為當(dāng)工件的厚度只有幾十微米時，工件與研磨盤緊密接觸會使加工阻力增大，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，研磨盤由電機帶動以一恒定的轉(zhuǎn)速做勻速圓周運動，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。圖1 單面研磨工作示意圖雙面研磨方式：進行高質(zhì)量平行平面研磨時使用雙面研磨方式。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)力差引起的變形問題。雙面研磨的結(jié)構(gòu)簡圖如圖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)齒圈組成的差動輪系內(nèi)。研磨壓力則由氣缸加壓上研磨盤實現(xiàn)。為減少研磨時晶片所受的作用力，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)。晶片的運動由行星輪帶動，同時上、下研磨盤研磨壓力的作用下產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，因此晶片的運動是行星運動和自轉(zhuǎn)運動的合成運動。圖2 雙面研磨機結(jié)構(gòu)簡圖在充分查閱國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，研究和開發(fā)具有國際先進水平和自主知識產(chǎn)權(quán)平面研磨設(shè)備，旨在開發(fā)出性價比比較高的超精密平面研磨機，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。主要對研磨設(shè)備設(shè)計中的關(guān)鍵問題，包括研磨盤加載變形及受熱變形、主軸組件設(shè)計、加載系統(tǒng)設(shè)計和修盤系統(tǒng)設(shè)計等問題進行相關(guān)研究，具有非常重要的意義。5 國內(nèi)外研究情況5.1 國外精密研磨機開發(fā)狀況國外精密單面游離磨料研磨機生產(chǎn)商主要有Engis公司、Logiteeh公司、英國Lapmaster International公司、日本Hitechnoth公司和德國愛孚機械制造公司等。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，在日本、加拿大、英國、韓國、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：可實現(xiàn)0-440RPM無級變速；2級壓力控制，慢停慢啟動功能，可以加工各種晶體、半導(dǎo)體基片等。例如：加工GaN 6小時后表面粗糙度可達Ra 0.39 nm；加工YAG90分鐘后表面粗糙度可運Ra 0.40 nm，Rt 4.40 nm，平面度為1 50nm/1 5ram。英國Logitech公司有40多年的研磨拋光經(jīng)驗，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級條紋，表面粗糙度Ra 達到3-4nm，厚度可以控制在2m到100m，平行度為2m。DH系列拋光設(shè)備還帶有自動化的研磨頭(45KG)、自動加載系統(tǒng)和上下工件系統(tǒng)。PM5自動研磨拋光機，裝有研磨盤平面度自動監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)，可將研磨盤的平面度自動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間，提高了工作效率12。英國Lapmaster International公司(萊瑪特公司)也是世界知名的先進研磨拋光設(shè)備的制造商，主要生產(chǎn)單面、雙面研磨拋光機。它生產(chǎn)的單面研磨/拋光機能實現(xiàn)對壓電晶體、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，用于晶片的精密研磨加工。HIT-12B型單面研磨機可配置的研磨盤直徑范圍為300mm380mm，可同時加工三塊晶片，主軸轉(zhuǎn)速060rpm，加載力為靜載荷，系統(tǒng)自動控制研拋時間，最大的的特點是該型機器非常的輕便，機器總重量只有60kg，非常便于搬運。HIT-24P-H4單面拋光機拋光盤的直徑為610mm，具有4個工件軸，可同時拋光四個工件，工件的最大直徑可達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。整機重1 500kg，搬運有些不便。5.2 國內(nèi)精密研磨機開發(fā)狀況 國內(nèi)研究與開發(fā)超精密平面研磨拋光設(shè)備的研究機構(gòu)主要有中國航 空精密機械研究所、浙江工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(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機床有限公司、上海菜特門機械有限公司、北京奧美創(chuàng)新機電科技有限公司、深圳宏達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械技術(shù)有限公司等。目前代表國內(nèi)最高水平的北京中國航空精密機械研究所(超精密加工技術(shù)國防科技重點實驗室)80年代研制的龍門結(jié)構(gòu)式CJY-500超精密平面研磨機床，上下研磨盤用靜壓油缸推動上磨盤運動，軸向重復(fù)定位精度優(yōu)于0.2m。在研磨機床上配有金剛石切削機構(gòu)，可以對研磨盤進行加工。磨盤用金屬錫制成時加工平面度可達0.03m工件表面粗糙度達0.3nm13。浙江工業(yè)大學(xué)研究的臺式智能型納米級拋光機除采用了常規(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)庫控制系統(tǒng)和超精密光柵測控技術(shù)控制拋光盤轉(zhuǎn)數(shù)等技術(shù)。通過修正環(huán)的旋轉(zhuǎn)可以實時連續(xù)的對研磨盤、拋光盤的平面度進行修整，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。長春理工大學(xué)則生產(chǎn)了高速(固結(jié)磨料)平面研磨機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，機床的主體結(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，這一趨勢體現(xiàn)在2個方面： 其一是超精密復(fù)合加工方法的出現(xiàn)，如化學(xué)機械拋光、 電解磁力研磨、 超聲珩磨等，通過多種材料去除機理的協(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條件下壓縮后制得，在磁場下呈半固態(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，加工過程中磨具對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)機械拋光技術(shù)的研究進展上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，9(6)：494-502。 4李長河.化學(xué)機械拋光技術(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)機械拋光（CMP）技術(shù)研究.潤滑與密封，2006（9）：203-212。6楊建