超精密研磨抛光机床的研究与设计

１概述

现代高科技产品的制造，很多要采用超精密研

磨技术，例如，制造集成电路的硅片（Ｓｉ）、砷化镓（ＧａＡｓ）、

磷化铟（ＩｎＰ），制造红外和激光成像、制导器件的碲镉汞、锑化铟等，制造反射镜、透镜的单晶兰宝石、石英晶体，制做磁头的铁氧体等均需要采用超精密研磨技术。国内外近年发展了许多新的超精密研磨原理和方法，并取得了多方面的应用。

超精密研磨的主要功能，是获得极高的零件表面质量，主要指极低的表面粗糙度（Ｒａ０．０１￣０．０００１μｍ），极高的面形精度（平面度、

平行度、圆度等）和无加工变质层（表面完整性）。只有采用超精密研磨技术，才能获得无加工变质层的表面；这一点对很多晶体材料、功能材料的制造是至关重要的。超精

密研磨能实现原子级的材料去除，是一种实现加工极限精度的方法。

传统的研磨一般利用铸铁研磨盘，采用手工实现无规则的运动或靠机床实现模拟手工的运动轨迹。传统的抛光一般利用沥青、聚氯乙烯和无纺布等抛光盘，采用摆动、行星运动和环行运动等运动方式。传统的研磨和抛光，设备条件只是实现高质量研抛的必要条件，工艺条件和操作者的技艺也起着十分重要的作用。

随着对超光滑表面质量要求的不断提高，近年出现了多种新原理的研磨抛光工艺方法以及相应的设备。为了探索新的研抛工艺方法及相应的设备条件，我们研制了ＣＪＹ５００超精密研磨机。该机床的主要目的，是为了对硬脆性材料进行超精密研磨和抛光进行工艺试验，摸索工艺规律。

超精密研磨抛光机床的研究与设计

房建国，刘

袆，杨志甫

（超精密加工技术国防科技重点实验室，北京１０００７６）

［摘要］利用纯金属锡制作抛光盘，结合超精密主轴和导轨，可以对抛光盘进行超精密车削修整。同时该

机床的抛光盘主轴和工件主轴均为可调速的主动驱动，既可以实现古典的平板接触式研磨，亦可实现流体浮动抛光。

［关键词］超精密；研磨；抛光；超光滑表面［中图分类号］ＴＧ５８０．６８［文献标识码］Ａ

［文章编号］１００３－５４５１（２００５）０６－０００４－０４

ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＬａｐｐｉｎｇ＆ｐｏｌｉｓｈｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ

ＦＡＮＧＪｉａｎ－ｇｕｏ，ＬＩＵＹｉ，ＹＡＮＧＺｈｉ－ｆｕ

（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６）

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｉｎｗａｓｕｓｅｄａｓｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐｌａｔｅｉｎｔｈｅｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｄｕｅｔｏｕｓｅｏｆｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｐｉｎｄｌｅａｎｄ

ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｌｉｄｅｗａｙｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｔｕｒｎｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐｌａｔｅ．Ｂｏｔｈｔｈｅｄｏｗｎｓｉｄｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐｌａｔｅｓｐｉｎｄｌｅａｎｄｔｈｅｕｐｓｉｄｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｐｉｎｄｌｅａｒｅｍｏｔｏｒ－ｄｒｉｖｅｎａｎｄｓｐｅｅｄａｄｊｕｓｔａｂｌｅ．Ｂｏｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌａｐｐｉｎｇａｎｄｆｌｏａｔｐｏｌｉｓｈｉｎｇａｒｅａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄｂｙｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｌａｐｐｉｎｇ；ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；ｕｌｔｒａｓｍｏｏｔｈｓｕｒｆａｃｅ

航空精密制造技术

ＡＶＩＡＴＩＯＮＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

２００５年１２月第４１卷第６期

Ｄｅｃ．２００５Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．６

《航空精密制造技术》２００５年第４１卷第６期

目前，ＣＪＹ５００超精密研磨机是超精密加工技术重点实验室的主要实验设备之一。该机设计时考虑了多种研磨方式和功能，例如即可进行传统的平面接触精密机械研磨，也可进行非接触式的超精密抛光（浮动抛光）。以下对该机研制中考虑的某些问题进行讨论，并介绍该机达到的一些技术性能指标。

２实现超精密研磨和抛光的设备条件

实现超精密研磨和抛光的方法很多，例如目前

应用较多的有机械研磨、机械化学研磨以及各种抛光等；各种研抛加工的方法差异较大，有些可以靠手工进行，有些则要针对不同材料采用专用设备完成。一般认为，对古典的研磨和抛光而言，工艺技术起着至关重要的作用，对操作者的技艺依赖性很大。为此，我们在设计超精密研抛机时，希望通过改变研磨抛光的运动方式，提高设备的运动精度和稳定性，形成标准的工艺规范，使研磨和抛光技术更多地依赖设备条件而非操作者的技艺，从而提高研抛的精度和质量。

传统观点认为研磨机床的运动精度对研磨加工零件的精度影响不是很大；但我们认为，对超精密研磨和抛光机床而言，这种观点不正确。

提高机床的运动精度和稳定性，是实现超精密研磨和抛光的必要条件。

ＣＪＹ－５００型超精密研磨机，要求可以进行游离

磨料的机械接触研磨，也可以进行浮动抛光。

２．１游离磨料机械接触研磨

机械接触研磨是一种广泛适用的高效研磨方法，应用已较成熟。目前实现机械接触研磨最高精度的方法还是靠手工完成的。采用机床实现超精密机械接触研磨，现有的研磨机床的运动方式和精度不能满足要求。为此，与传统的研磨机床相比，新的超精密研磨机床的设计要求需要做以下改进：

!

"改变研磨运动方式和轨迹，将传统的“均化去除”改为利用高精度研磨盘的“均匀去除”。

#

"提高机床的运动精度和稳定性，将超精密机床的精度“复制”到零件上去。

$

"改进研磨盘的修整方法，采用车削等方法实现研磨盘面型精度的精密控制。

%"

能够实现不同的研磨运动轨迹。&

"可以选择不同材料的研磨盘，诸如铸铁盘、锡盘等。

２．２非接触式超精密抛光

非接触式研磨（浮动抛光）上世纪八十年代起源

于日本，是一种新原理的抛光方法。这种方法加工时，需要一定设备条件才能实现；我们研制的ＣＪＹ－

５００型超精密研磨机，能够采用这种抛光方法进行

工艺试验研究。工作原理见图１。

图１

浮动抛光原理图

浮动抛光的工作原理，是研磨时工件与研磨平板不直接接触，研磨平面浸于具有微小研磨粒子的研磨液中，通过研磨平板与工件的相对运动，使研磨粒子与工件表面在近似平行的方向产生撞击，产生机械和化学的去除作用。由于研磨粒子粒径很小，在与零件表面近似平行的方向碰撞时产生的切削作用很弱，理论上能够实现材料原子级的去除，并且不破坏材料的晶格组织，故非接触式研磨可获得极高的零件表面加工质量。由于零件表面与研磨平板间液膜的均化效应，使此种研磨能够达到比其它方法加工更高的零件面型精度。

为实现浮动抛光，研磨机设计中必需满足一些特殊要求：机床具有高精度的抛光盘和运动主轴，使零件与抛光盘在保持一定间隙下平稳运动。抛光盘主轴和工件主轴均为可调速的主动驱动轴，利用上下主轴的“定偏心、同方向、同转速”实现工件的“均匀去除”。而且，能够对研磨盘进行精密平面性修整，能够对研磨盘表面进行沟槽加工。机床要求具有恒温控制和十分洁净的工作环境等。

３超精密研磨机设计中采用的措施

为了实现以上加工要求，设计中采取了一些有特色的技术措施。

!"主轴采用超精密液体静压轴承

下研磨盘主轴采用了大端面液体静压轴承支撑。液体静压轴承与传统研磨机床普遍采用的滚动轴承相比，运动精度可以提高一个数量级，既从几个微米提高至零点几个微米，并提高机床的运动平稳性，降低振动。直径３００ｍｍ的大端面静压轴承保证了具有较高的承载能力和刚度。液压油采用精密温控油箱控温，保证机床长时间在恒温的环境中工作。

下研磨盘液体静压主轴具有高精度的运动，是实现非接触研磨的必要条件。一方面保证零件与研磨平板在一定间隙下平稳运动，同时为下研磨盘采用精密车削的方法进行平面性修整创造了条件。

#"研磨盘材料及其面型精度的修整方法

机械接触式研磨时采用的研磨盘是一种高磷合金铸铁盘；这种研磨盘材料具有很好的嵌砂性能，很适合精密研磨。

研磨盘的精度是决定研磨零件精度的重要因素之一。研磨平板的修整，可采用上下研磨平板互研的方法，也可采用修整轮与研磨盘互研的方法。通过调整中心轮与外轮的转速，改变行星轮自转与公转的转速比，达到修整研磨盘的目的。这种方法对研磨盘使用磨损后的修整较适合。

$"研磨盘的超精密车削修整

本机的特点之一是能对研磨盘采用超精密车削的方法进行修整；由于具有超精密的运动主轴，并且机床本身配备有具有很高运动直线精度的车削刀架，并且车削刀架具有微量进给功能，因此能够对研磨盘进行精密车削，使之达到很高的平面性精度。机械接触式研磨时，一般采用铸铁研磨盘，这时采用普通刀具车削；浮动抛光时，采用锡抛光盘，这时采用金刚石刀具，可对研磨盘进行超精密车削，达到很高的平面性精度。

%"上研磨盘主轴采取了可变速的主动驱动

在机械接触式研磨时，上盘主轴的作用是驱动上研磨盘，并施加研磨压力。

在非接触研磨时，上盘主轴的作用是驱动工件转动，并且实现工件相对抛光盘微量浮起的情况下平稳运动。

上主轴采用了液体静压轴承活塞主轴的结构。静压活塞主轴的上轴承和下轴承均为液体静压轴承；当活塞轴处在油缸的最下端时，下轴承的上端面是液体静压端面轴承，浮起活塞主轴。通过改变活塞油缸压力，可以改变研磨加载压力。当下边的端面静压轴承工作时，通过改变上缸的供油压力（改变载荷），或改变端面轴承的供油压力，可以实现活塞主轴的上下微动。大范围的调节时靠整体油缸的上下移动。

采用此结构，只需适当改变油路，即可实现机械接触式研磨到非接触式研磨的转换。

由于上主轴采用了可变速的主动驱动轴，可以实现浮动抛光要求的上下抛光主轴定偏心、同方向、同转速的要求，实现抛光零件的均匀去除。

&"可实现多种研磨运动轨迹

该机床可以实现研磨运动的偏心轮运动轨迹，行星轮运动轨迹等，满足不同零件的研磨工艺试验要求。

’"其它

该机采用了程序控制，对研磨压力的顺序控制等均可自动完成。同时，该机的上下主轴驱动和中心轮、外轮驱动轴运动均采用无级变速调速，为工艺试验提供了有利条件。机床液压系统采用精密恒温控制，控制精度在０．２℃以内。该机工作在１０００级的洁净厂房中，机床本身工作在玻璃罩的小环境内。

４机床主要参数与实验结果

４．１机床主要参数

下研磨盘直径：Φ５００ｍｍ；

上、下主轴变速范围：２０￣２００ｒ／ｍｉｎ；

中心轮变速范围：１０￣１００ｒ／ｍｉｎ；

外轮变速范围：５￣５０ｒ／ｍｉｎ；

研磨压力：＜１００ｋｇｆ；

４．２几种典型材料的工艺试

验

在该机床上对几种典型

零件（如图２、图３、图４所示）

进行了初步的工艺试验，结果

如下：图２加工后的平板阀

超精密研磨抛光机床的研究与设计

《航空精密制造技术》２００５年第４１卷第６期

最后以修整后的圆弧成形砂轮进行磨削试验，考察圆弧砂轮的成形精度，通过试验结果的分析得出：

!

"在磨床上进行电火花修整，由于主轴转速很高，砂轮与工具电极之间放电间隙的电场维持时间很短，不利于正离子的加速，为获得较高的修整效率，减少电极损耗，提高整形精度，应采用正极性修整。

#

"当采用电压１２０Ｖ，脉冲周期８０μｓ，占空比５０％进行修整可以获得最佳的修整效率。大能量的

电参数在获得较高修整效率的同时，整形精度降低，为了得到较高的修整精度，在修整的后期，应采用小能量的电参数进行精修。

%

"以研制的电火花修整电源配合圆弧砂轮修整装置修整成形圆弧砂轮，在普通磨床上可以获得砂轮的圆度误差为２．８μｍ，成形表面圆弧的圆度误差小于５μｍ。

参考文献：

［１］康仁科，原京庭，史兴宽等．超硬磨料砂轮的激光修锐技术

研究［Ｊ］．中国机械工程，２０００（５）：４９３￣４９７

［２］樊全堂，赵波，刘传绍，高国富．超硬磨料砂轮修整技术的

新发展［Ｊ］．焦作工学院学报，２００３，２０（１）：４４￣４５

［３］ＯｋｕｙａｍａＳｈｉｇｅｋｉ，ＷａｔａｎａｂｅＫｏｔａｒｏ，ＹｏｎａｇｏＭａｓａｒｕ．ＢａｓｉｃｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＥＬＩＤ－ｇｒｉｎｄｉｎｇａｎｄＥＤＭ［Ｊ］．ＳｅｉｍｉｔｓｕＫｏｇａｋｕＫａｉｓｈｉ／ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＪａｐａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，６４（３）：４７０￣４７４

［４］ＹａｎａｓｅＴａｔｓｕｈｉｔｏ，ＵｓｕｋｉＭａｓａｏ，ＵｅｍａｔｓｕＴｅｔｓｕｔａｒｏ，ＳｕｚｕｋｉＫｉｙｏｓｈｉ．Ｏｎ－ｍａｃｈｉｎｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｒｕｉｎｇｆｏｒｔｈｉｎｇｒｉｎｄｉｎｇｗｈｅｅｌｓｂｙＥＤＭ［Ｊ］．ＳｅｉｍｉｔｓｕＫｏｇａｋｕＫａｉｓｈｉ／ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＪａｐａｎＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９５，６１（６）：８１９￣８２３［５］Ｍ．Ｓｃｈｏｐｆ，Ｉ．Ｂｅｌｔｒａｍｉ，Ｍ．Ｂｏｃｃａｄｏｒｏ，Ｄ．Ｋｒａｍｅｒ．ＥＣＤＭ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｄｉｓｃｈａｒｇｅｍａｃｈｉｎｉｎｇ），ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｕｒｎｉｎｇａｎｄｄｒｅｓｓｉｎｇｏｆｍｅｔａｌ－ｂｏｎｄｅｄｄｉａｍｏｎｄｇｒｉｎｄｉｎｇｔｏｏｌｓ［Ｊ］．ＣＩＲＰＡｎｎａｌｓ－ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，５０（１）：１２５￣１２８

［６］ＩｔｏＡｋｉｙａｓｕ，ＭａｇａｒａＴａｋｕｊｉ．Ｂｕｉｌｔ－ｉｎａｎｔｉ－ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｎＮＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｆｏｒｗｉｒｅ－ｃｕｔＥＤＭｓ［Ｊ］．ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＥｌｅｃｔｒｉｃＡｄｖａｎｃｅ，１９９２，６０：２９￣３０

［７］Ｗ．Ｌ．Ｓｃｈｅｌｌｅｒ，ＫａｎａｄｉＩｒａｗａｎ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｎｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｕｒｆａｃｅｆｉｎｉｓｈｏｆＥＤＭｅｌｅｃｔｒｏｄｅｇｒａｉｎｓｉｚｅ［Ｊ］．ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ－ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９７：８５６－８６０

（收稿日期２００５－０２－１６）

作者简介：张飞虎（１９６４－），男，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。主要从事精密超精密加工技术研究。

（上接第３页）!

"平板阀材料：１２ＣｒＮｉ３Ａ（不锈钢）最大直径Φ５０ｍｍ粗糙度：Ｒａ５～８ｎｍ（ＷＹＫＯ检测）平面度（光圈数Ｎ）：０．５λ

#

"微晶玻璃材料：微晶玻璃（Ｚｅｒｏｄｕｒ）直径Φ３０ｍｍ粗糙度：≤０．５ｎｍ（ＲＭＳ）面形精度：λ／１０－λ／１５（Φ３０ｍｍ）

%"白宝石图３

加工后的微晶玻璃

图４

加工后的白宝石

材料：白宝石（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）

粗糙度：ＲＭＳ０．２３￣０．３９ｎｍ（Ｔａｌｙｓｔｅｐ检测）５结论

!

"超精密研磨机的设计，与普通研磨机的设计要求和思想有较大不同。例如，传统观点认为，研磨机床主轴运动精度对研磨精度影响不大，这一观点对超精密研磨机的设计不适用。将超精密加工技术中常用的超精密主轴和超精密导轨等技术用到超精密研磨机床的设计中，同样具有很好的作用。

#

"浮动抛光是一种实现超精密研磨抛光的方法，通过一定的技术措施，可以实现这种加工方式的要求。

%

"非接触研磨具有广泛的适用性，并可获得极高的研磨表面质量。与其他研磨方法相比，这种方法

在获得极低的表面粗糙度的同时，还能获得更高的平面性精度和无加工变质层的表面。

（收稿日期２００５－０９－１０）

模具超精密研磨抛光与焊接

近年来，在世界范围内制造业的竞争变得越来越激烈，企业在尽可能短的时间内高效率， 低消耗的为顾 客提供个性化高品质产品的能力，已成为企业竞争能力的一个标志。模具品质的高低将直接 影响到产品的质量、产量、成本、新产品投资及老产品更新换代要求。那么，如何才能更有 效的提高模具品质呢？也就是说，如何才能让模具在高精度、低成本、高效率条件下，生产 出高品质的合格制件？这与模具表面处理有很大关系，也日益成为各企业关注的焦点。模具 表面处理并不是一个简单的话题，它包括模具抛光与模具焊接等。 模具抛光 众所周知，模具钢需要一个很好的抛光技能来体现材料本质的性能，但抛光问题一直是企 业无法根本解决的一个难题。桥本工业已达到高品质顾客企业所认同的研磨技术的要求。日 益精进的技术，创造出无法仿效的镜面精加工效果，从对使用钢材的建议到微小孔的解决等 问题，及各种形状复杂的精密零件，桥本HASHIMOTO皆可对应。 抛光中遇到的最大问题就是“抛光过度”，抛光过度是指抛光时间越长，模具表面质量越差。发生抛光过度时有两种现象，即“桔皮”和“微坑”，抛光过度多发生于机械抛光。 “桔皮” 不规则、粗糙的表面被称为“桔皮”，产生“桔皮”有许多不同的原因。最常见的原因是由于 抛光压 力过大及抛光时间过长，以及抛光方法不当等。发现表面质量不好，许多人就会增加抛光压力，并延长抛光时间，加上抛光流程的不当，往往会使表面质量变得更差。 “微坑” “微坑”或“砂孔”的形成是由于钢种的非金属夹杂物（杂质），通常是硬而脆的氧化物；在 抛光过 程中从钢材表面被拉出，形成“微坑”或“砂孔”。主要影响因素如下： 1、抛光压力和抛光时长； 2、钢材的纯净度，特别是硬性夹杂物（杂质）的含量； 3、抛光工具； 4、研磨材料。 抛光操作的流程 如何选择研磨和抛光的操作次序，完全取决于抛光操作者的经验及其使用的工具与设备。 材料的特性 对操作程序也有影响。 抛光流程1 考虑加工效率首先要确认加工品的粗糙程度，这个作业要谨慎进行不能有错误，根据粗糙 程度也有不 能作业的可能，确认加工品的粗糙程度然后根据形状选定油石进行抛光，抛光方法的次序是 根据油石的粒

超精密研磨抛光的主要新技术

超精密研磨抛光的主要新技术 液中研磨 将超精密抛光的研具工作面和工件浸泡在含磨粒的研磨剂中进行，在充足的加工液中，借助水波效果，利用游离的微细磨粒进行研磨加工，并对磨粒作用部分所产生的热还有极好的冷却效果，对研磨时的微小冲击也有缓冲效果。 机械化学研磨 机械化学研磨加工是利用化学反应进行机械研磨，有湿式和干式两种。 湿式条件下的机械化学研磨，用于硅片的最终精加工，研磨剂含有0.01μm大小的SiO2磨粒的弱碱性胶状水溶液，而与它相配合的研具是表层由微细结构的软质发泡聚氨基申酸涂敷的人造革。 干式条件下的机械化学研磨，是利用工件与磨粒之间生成化学反应的研磨方法。干式条件下的微小范围的化学反应有利于加工的进行，由于0.01～0.02粒径的SiO2磨粒有较强的化学活性，研磨量较大。 磁流体精密研磨 磁性流体为强磁粉末在液相中分散为胶态尺寸（<0.015μm）的胶态溶液，由磁感应可产生流动性，特性是：每一个粒子的磁力

矩较大，不会因重力而沉降，磁化强度随磁场增加而增加。当将非磁性材料的磨料混入磁流体，置于磁场中，则磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行研磨。磁流体精研的方法又有磨粒悬浮式加工、磨料控制式加工及磁流体封闭式加工。 磨粒悬浮式加工是利用悬浮在液体中的磨粒进行可控制的精密研磨加工。研磨装置由研磨加工部分、驱动部分和电磁部分组成。磨粒控制式加工是在研磨具的孔洞内预先放磨粒，通过磁流体的作用，将磨料逐渐输送到研磨盘上。磁流体封闭式加工是通过橡胶板将磨粒与磁流体分隔放置进行加工。 磁力研磨 利用磁场作用，使磁极间的磁性磨料形成如刷子一样的研磨剂，被吸附在磁极的工作表面上，在磨料与工件的相对运动下，实现对工件表面的研磨作用。这种加工方法不仅能对圆周表面、平面和棱边等进行研磨，而且还可以对凸凹不平的复杂曲面进行研磨。 软质磨粒机械抛光（弹性发射加工） 最小切除可以达到原子级，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。加工原理实质是磨粒原子的扩散作用和加速的微小粒子弹性射

超精密加工的主要方法

研究生课程考核试卷 科目：先进制造技术教师：周忆 姓名：张林刚学号：20110713312 专业：机械设计及理论 上课时间：2011年12 月至2012 年 1 月 阅卷评语： 阅卷教师(签名)

超精密加工的主要方法 -机设一班张林刚20110713312 超精密加工技术是20世纪60年代发展和完善起来的，现已成为当代高技术产品的关键制造技术。近20年来，超精密加工不仅进入到国民经济的各个领域，而且正从单件小批生产方式走向规模生产，可以预见，随着新产品的不断涌现，超精密加工的应用范围将进一步扩大。而我国超精密加工技术起步较晚，技术水平与发达国家相比也有一定差距，因此，寻求超精密加工新的方法并探讨其影响因素就成为目前迫在眉睫的问题。 一、超精密加工技术简介 目前，超精密加工是指精度在0.1～0.01μm，表面粗糙度Ra 值在0.03～0.05μm 的加工技术，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨料加工、超精密特种加工和复合加工等。它适用于精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。而且，超精密加工的精度正处在亚纳米级工艺，日趋向纳米级工艺发展。 二、超精密加工方法 根据加工方法的机理和特点，超精密加工方法可以分为去除加工、结合加工和变形加工三大类，如表1 所示。 下面对三类超精密加工方法分别加以分析。 （一）去除加工 去除加工又称为分离加工，是从工件上去除一部分材料，传统的机械加工方法，如车削、铣削、磨削、研磨和抛光，以及特种加工中的电火花加工、电解加工等，均属这种加工方法。 （二）结合加工 结合加工利用物化方法，将不同材料结合在一起。按结合的机理不同，它又分为附着、注入和连接加工三种。1.附着加工又称为沉积加工，是在工件表面上覆盖一层物质，是一种弱结合，其中典型的加工方法是镀；2.注入加工又称为渗入加工，是在工件表面上注入某些元素，使之与基体材料产生物理化学反应，是具有共价键、离子键、金属键的强结合，用以改变工件表层材料的力学机械性质，如渗碳、渗氮等；3.连接加工将两种相同或不同材料通过物化方法连接在一起。

超精密研磨与抛光技术

超精密研磨与抛光技术 超精密研磨与抛光技术是超精密加工技术的一种。超精密加工技术指的是超过或达到本时代精度界限的高精度加工。超精密加工其实是个相对概念，而且随着工艺技术水平的普遍提高，不同年代有着不同的划分界限，但并严格统一的标准。从现在机械加工的工艺水平来看，通常把加工误差小于0.01μm、表面粗糙度Ra小于0.025μm的加工称为超精密加工。超精密加工技术起源于20世纪60年代初期——美国于1962年首先研制成功了超精密加工车床。这一技术是为了适应现代高科技发展需要而兴起的，它综合运用了新发展的机械研究成果及现代电子、计算机和测量等新技术，是一种现代化的机械加工工艺。超精密加工拥有广阔的市场需求。例如，在国防工业中，陀螺仪的加工涉及多项超精密加工技术，因为导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率——据有关数据，Ikg的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm就会引起100m的射程误差和50m的轨道误差；在信息产业中，计算机上的芯片、磁盘和磁头，录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、光盘和激光头，激光打印机的多面体，喷墨打印机的喷墨头等都要靠超精密加工才能达到产品性能要求：在民用产品中，现代小型、超小型的成像设备，如微型摄像机、针孔照相机等同样依赖于超精密加工技术。 我们所说的超精密加工技术，除了超精密研磨和抛光技术外，还包括超精密磨削、超微细加工、光整加工和精整加工等。这几种超精密加工方法能加工岀普通精密加工所无法达到的尺寸精度、形状精度及表面粗糙度。 但是，超精密切削、超精密磨削等的实现在很大程度上依赖于加工设备、加工工具，同时还受加工原理及环境因素的影响和限制，所以，现在如果想从这些方面提高加工精度，那是十分困难的。而超精密研磨和抛光技术由于具有独特加工原理，可以实现纳米级甚至原子级的加工，已成为超精密加工技术中的一个重要部分。所以，超精密研磨与抛光技术如今备受关注。 研磨、抛光是历史最悠久的传统工艺。古代石器、玉器及古铜镜等就是通过研磨、抛光制造出来的。自古至今，研磨抛光一直是精密的加工手段，但很多年来其发展是很缓慢的。直到上世纪五十年代，飞速发展的电子工业才为古老的研磨抛光技术带来新的曙光。 超精密研磨和抛光技术，一般特指选用粒径只有几纳米的研磨微粉作为研磨磨料，将其注入研具，用以去除微量的工件材料，以达到一定的几何精度（一般误差在0.1μm以下)及表面粗糙度(一般Ra≤0.01μm)的方法。

超精密平面研磨和抛光

超精密平面研磨和抛光 一、精密平面的研磨机 二、平面研磨使用的研具 1）特种玻璃，或用在加工成平面的金属板上涂一层四氟乙烯或镀铅和铟； 优点：能得到高精度的平面 缺点：研具层寿命短 2）使用半软质研磨盘或软质研磨盘 优点：研磨出的表面变质层很小，表面粗糙度也很小； 缺点：研磨盘不易保持平面度 三、平面研磨时工件和软质研具的磨损量

工件与研具两者的任意点A处的加 工量和研具磨损量，相对于两者的 中心各自画圆弧与横轴相交，从交 点出发每20min间隔与纵轴平行地 上升或下降。 工件形成凸面，研具在半径上形成 凹面 使用ηp小的研具效果好。使用ξ 小的研具能有效地控制平面度的恶 化，但ξ太小时，压力偏差较大，反而易引起平面度的恶化。而当ξ较大时，只要加工量少，由于压力偏差较小，初始的平面度不会产生多大的恶化。 四、平行度和晶体方位误差的修正

平行度的修正研磨是使被加工面与基准平面的角度误差达到最小值。单面研磨法采用使工件附加偏心压力。晶体方位误差的修正加工是以晶格面作参照物进行研磨的。 五、获得高质量平面研磨抛光的工艺规律 1）研磨运动轨迹应能达到研磨痕迹均匀分布并且不重叠。

2）硬质研磨盘在精研修形后，可获得平面度很高的研磨表面，但要求很严格的工艺条件。 3）软质（半软质）研磨盘易获得表面粗糙度值极小和表面变质层甚小的研磨抛光表面，但不易获得很高的平面度。 4）使用金刚石微粉等超硬磨料可获得很高的研磨抛光效率。5）研磨平行度要求很高的零件时，采用 （1）上研磨盘浮动以消除上下研磨盘不平行误差； （2）小研磨零件实行定期180度方位对换研磨，以消除因研磨零件厚度不等造成上研磨盘倾斜而研磨表面不平行； （3）对各晶向硬质不等的晶片研磨时，加偏心载荷修正不平行度。 6）为提高研磨抛光的效率和研磨表面质量，可在研磨剂中加入一定量的化学活性物质。 7）高质量研磨时必须避免粗的磨粒和空气中的灰尘混入，否则将使研磨表面划伤，达不到高质量研磨要求。 参考资料：https://www.wendangku.net/doc/774541760.html,/

超精密研磨与抛光技术

少年易学老难成，一寸光阴不可轻- 百度文库 1 超精密研磨与抛光技术 超精密研磨与抛光技术是超精密加工技术的一种。 超精密加工技术指的是超过或达到本时代精度界限的高精度加工。超精密加工其实是一 个相对概念，而且随着工艺技术水平的普遍提高，不同年代有着不同的划分界限，但并无严格统一的标准。从现在机械加工的工艺水平来看，通常把加工误差小于0.01μm、表面粗糙度Ra 小于0.025μm 的加工称为超精密加工。 超精密加工技术起源于20 世纪60 年代初期——美国于1962 年首先研制成功了超精密加工车床。这一技术是为了适应现代高科技发展需要而兴起的，它综合运用了新发展的机械研究成果及现代电子、计算机和测量等新技术，是一种现代化的机械加工工艺。 超精密加工拥有广阔的市场需求。例如，在国防工业中，陀螺仪的加工涉及多项超精密加工技术，因为导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率——据有关数据，1kg 的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴0.0005μm 就会引起100m 的射程误差和50m 的轨道误差；在信息产业中，计算机上的芯片、磁盘和磁头，录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、光盘和激光头，激光打印机的多面体，喷墨打印机的喷墨头等都要靠超精密加工才能达到产品性能要求；在民用产品中，现代小型、超小型的成像设备，如微型摄像机、针孔照相机等同样依赖于超精密加工技术。 我们所说的超精密加工技术，除了超精密研磨和抛光技术外，还包括超精密切削、超精密磨削、超微细加工、光整加工和精整加工等。这几种超精密加工方法能加工出普通精密加工所无法达到的尺寸精度、形状精度及表面粗糙度。 但是，超精密切削、超精密磨削等的实现在很大程度上依赖于加工设备、加工工具，同时还受加工原理及环境因素的影响和限制，所以，现在如果想从这些方面提高加工精度，那是十分困难的。而超精密研磨和抛光技术由于具有独特加工原理，可以实现纳米级甚至原子级的加工，已成为超精密加工技术中的一个重要部分。所以，超精密研磨与抛光技术如今备受关注。 研磨、抛光是历史最悠久的传统工艺。古代石器、玉器及古铜镜等就是通过研磨、抛光制造出来的。自古至今，研磨抛光一直是精密的加工手段，但很多年来其发展是很缓慢的。直到上世纪五十年代，飞速发展的电子工业才为古老的研磨抛光技术带来新的曙光。 超精密研磨和抛光技术，一般特指选用粒径只有几纳米的研磨微粉作为研磨磨料，将其

超精密表面抛光材料去除机理研究进展

第49卷第17期 2004年9月评述 超精密表面抛光材料去除机理研究进展 徐进雒建斌路新春张朝辉潘国顺 (清华大学摩擦学国家重点实验室, 北京100084. E-mail: jinxu618@https://www.wendangku.net/doc/774541760.html,) 摘要化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing, 简称CMP)是目前提供全局平面化最理想的技术, 在超精密表面加工领域得到了大量研究和应用. 概述了超大规模集成电路(Ultra-large Scale Integration, 简称ULSI)多层布线中硅片、介电层和金属材料以及磁头/硬盘片化学机械抛光材料去除机理的研究现 状和发展趋势, 重点评述了化学机械抛光过程中抛光液研磨颗粒与抛光片表面间相互作用机制, 并提 出了材料去除机理的研究方法. 关键词CMP材料去除机理 磨损ULSI计算机硬盘 在电子产业中, 起先导作用的两个行业是微电子产品和计算机制造. 它们相辅相成, 相互促进, 使得其高速发展, 呈现出高集成度和高性能化的发展趋势, 从而对许多部件表面提出了前所未有的特殊要求. 如计算机硬盘要实现77.5~155 Gb/cm2的存储密度, 要求盘片的表面波纹度W a<0.1 nm, 粗糙度R a<0.05 nm. 另外, 大规模集成电路的线宽不断下降, 并向结构立体化、布线多层化发展. 根据美国微电子技术发展构图[1], 特征线宽到2011年将减小到0.05 μm, 同时将开始使用450 mm晶片. 并要求如此大尺寸晶片表面具有纳米级面型精度和亚纳米级表面粗糙度, 同时要保证表面和亚表面无损伤, 已接近表面加工的极限. 要实现如此尖端的技术突破, 必须深入探讨超精密抛光表面加工材料去除机理[2]. 作为新一代超精密表面制造方法之一——化学机械抛光(CMP)技术是目前最好的实现全局平面化的工艺技术, 在集成电路[3~5]、计算机磁头/硬磁盘[6,7]等超精密表面加工领域得到了大量研究和广泛应用. 但由于传统的加工理论已不适用于解释抛光加工中的诸多现象, 人们对加工过程中的材料去除的科学规律仍缺乏深入的了解, 严格来说, CMP材料去除机理目前仍不完全被认识1). 开展这方面科学问题的研究, 不仅有助于揭示在电子产品极限制造条件下出现的新规律和新机制, 而且对探索制造新原理和新方法有重要理论意义. 本文概述了ULSI多层布线中硅片、介电层和金属材料以及磁头/硬盘片化学机械抛光材料去除机理的研究现状, 并重点阐述了化学机械抛光过程中抛光液研磨颗粒与抛光片表面间的相互作用机制, 以期在揭示超精密表面材料去除机理及抛光工艺研究中具有借鉴意义. 1集成电路(IC)制造中的CMP 1.1硅片 硅衬底片CMP是获到高平整度、无缺陷和高反射表面的一个基本工艺过程, 抛光质量直接影响击穿特性、界面态和少子寿命, 对后续制造工艺质量起决定作用. 早在1990年, Cook[8]就提出材料的去除是由于随抛光液流动的研磨颗粒压入Si片表面的机械犁削作用, 并表明Si片CMP中化学作用材料去除过程取决于Si表面形成的SiO2层和颗粒与抛光液中的水和化学剂之间的相互作用. 借助于TEM分析Si(100)片抛光表面和剖面, 可以证实硅表面塑性切削/剪切及表面氧化产物的机械去除, 同时还观察到在抛光过程中抛光表面的非晶态转变[9]. 在影响去除机理的因素中抛光液颗粒粒径最为关键[10], 当采用粒径大于2 μm的颗粒对Si(100)进行抛光时, 材料通过脆性断裂去除. 当粒径小于0.3 μm时, 发现沿着{111}方向形成的位错网和滑移面导致材料发生塑性变形, 呈现从脆性断裂到塑性屈服过渡. 伴随粒径继续减小到50 nm时, 在HRTEM下没有观察到任何物理损伤(见图1), 从而间接地说明了发生在原子尺度上的抛光可能占主导作用. Graf等人[11]结合XPS、高分辨能量损失谱研究了Si片表面抛光过程在原子尺度上的去除机理, 提出材料去除过程表现为: 抛光液中的SiO2颗粒表面局部带有高浓度O H?离子,随抛光液流动的O H?离子 1) Moon Y. Mechanical Aspect of the Material Removal Mechanism in Chemical Mechanical Polishing. PhD Thesis, University of California, Berkeley, 2002. 129~133

模具超精密研磨、抛光、焊接

模具超精密研磨、抛光、焊接 近年来，在世界范围内制造业的竞争变得越来越激烈，企业在尽可能短的时间内高效率，低消耗的为顾客提供个性化高品质产品的能力，已成为企业竞争能力的一个标志。品质的高低将直接影响到产品的质量、产量、成本、新产品投资及老产品更新换代要求。那么，如何才能更有效的提高模具品质呢？也就是说，如何才能让模具在高精度、低成本、高效率条件下，生产出高品质的合格制件？这与模具表面处理有很大关系，也日益成为各企业关注的焦点。模具表面处理并不是一个简单的话题，它包括模具抛光与模具焊接等。 模具抛光 众所周知，模具钢需要一个很好的抛光技能来体现材料本质的性能，但抛光问题一直是企业无法根本解决的一个难题。桥本工业已达到高品质顾客企业所认同的研磨技术的要求。日益精进的技术，创造出无法仿效的镜面精加工效果，从对使用钢材的建议到微小孔的解决等问题，及各种形状复杂的精密零件，桥本HASHIMOTO皆可对应。 抛光中遇到的最大问题就是“抛光过度”，抛光过度是指抛光时间越长，模具表面质量越差。发生抛光过度时有两种现象，即“桔皮”和“微坑”，抛光过度多发生于机械抛光。 图1 桥本独创产品――抛光耗材、油石和钻石膏等 ◆“桔皮” 不规则、粗糙的表面被称为“桔皮”，产生“桔皮”有许多不同的原因。最常见的原因是由于抛光压力过大及抛光时间过长，以及抛光方法不当等。 发现表面质量不好，许多人就会增加抛光压力，并延长抛光时间，加上抛光流程的不当，往往会使表面质量变得更差。 ◆“微坑” “微坑”或“砂孔”的形成是由于钢种的非金属夹杂物（杂质），通常是硬而脆的氧化物；在抛光过程中从钢材表面被拉出，形成“微坑”或“砂孔”。主要影响因素如下： 1、抛光压力和抛光时长； 2、钢材的纯净度，特别是硬性夹杂物（杂质）的含量； 3、抛光工具； 4、研磨材料。

超精密研磨技术的现状及发展趋势_方海生

[综述?专论] 收稿日期:2006-10-18 基金项目:国家自然科学基金重点项目(50535040) 作者简介:方海生(1970-),男,浙江舟山人,浙江工业大学工程硕士,浙江机电职业技术学院实验师,研究方向为超精密加工。 超精密研磨技术的现状及发展趋势 方海生1,2,胡涤新1,邓乾发1,袁巨龙1 (1.浙江工业大学超精密加工研究中心,浙江杭州　310014; 2.浙江机电职业技术学院,浙江杭州　310053) 摘　要:概述了最近超精密研磨技术的研究动态,介绍了研磨技术的原理、应用和优势,同时介绍了课题组研制的基于修正环在线修整抛光盘技术及专家数据库系统控制的Nanopoli -100智能型纳米级抛光机,结合该领域的最新研究成果,提出了其向高精度、高效率发展的方向。 关　键　词:研磨技术;超精密;Nano po li-100智能型研磨抛光机;发展动向 中图分类号:T G 580 文献标志码:A 文章编号:1005-2895(2007)04-0009-04 0　引　言 研磨是一种重要的精密和超精密加工方法。其定义可以表述为:利用磨具通过磨料作用于工件表面,进行微量加工的过程。根据加工方法的机理和特点,最基本的加工方法可以分为:去除加工、结合加工和变形加工3大类[1]。然而,在最新的多性能复杂形态的元件加工中,往往是上述几种加工法的复合作用。 1　微量材料去除的机械作用及化学作用 设想材料去除的最小单位是1层原子的话,那么,最基本的材料去除是将表面的一层原子与内部的原子切开。机械加工必然残留有加工变质层,加工中还伴随着化学反应等复杂现象[2,3],材料去除的原理是从一层原子到数层原子乃至数十层原子几种状态的复合。 图1　研磨加工的模型 图1所示的是磨粒研磨加工的模型[4]。单个磨粒的磨削模型,可以用磨粒对工件的机械作用的动作来描述,即按摩擦-耕犁-切削的动作顺序进行。在加工中的化学反应结果对材料的去除及减小加工变质层可能是有利的 [5,6] 。 2　研磨技术的发展 研磨加工不仅向更高的加工精度发展,而且其加工质量也在不断提高,且几乎可以加工任何固态材料。许多人从事研磨加工技术,研究的宗旨是进一步提高研磨加工效率、加工精度,降低加工成本[7]。 目前,国内外研磨加工主要还是采用散粒磨料在慢速研磨机上研磨。其特点是加工精度高、加工设备简单、投资少,但是加工精度不稳定、加工成本高、效率低。3　几种纳米级研磨加工方法3.1　弹性发射加工 1-十字;2-数控主轴;3-载荷支撑;4-聚亚酯球;5-工件;6-橡胶垫;7-底座;8-工作台;9-悬浮液;10-容器;11-重心;12-无级变速机 图2　EEM 装置示意图 弹性发射加工装置(Elastic Em ission Machining , 　 第25卷第4期2007年8月 　 轻工机械 Light I ndustry Machinery 　 Vol.25No.4 Aug.2007