金属加工机械制造业关键技术分析——超精密加工技术

１．技术概要机械制造技术在提高精度方面，从精密加工发展到超精密加工，其精度从微米级提高到亚微米级，乃至纳米级。就目前的加工技术而言，超精密加工技术是为了获得零件加工的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度均优于亚微米级的综合技术措施，并向纳米级加工发展。纳米级加工是指零件加工的尺寸精度、形状精度和表面粗糙均为纳米级（＜１０nm，即＜０．０１μm）。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨（机械研磨、机械化学研磨、研抛、非接触式浮动研磨、弹性发射加工等）以及超精密特种加工（电子束、离子…     

超精密双面抛光机结构的优化设计

针对传统双面抛光机存在的问题,从实现超精密抛光的设备条件出发,对机床传动系统、主轴支撑结构、上抛光盘加载系统、抛光盘修整、床身等进行优化改进设计.提高了超精密双面抛光机床的精度和系统性能,为晶片获得纳米级加工精度的超光滑加工表面创造了有利条件.     

微细游离磨粒借助流体动压力实现的超精密加工技术

精密加工是先进制造方法的重要组成部分，利用微细游离磨粒进行陶瓷、玻璃、半导体等光学零件的超精密加工，不仅可获得高的表面质量，微米级的形状精度和纳米级表面粗糙度值，而且还可得到无加工变质层超精密加工表面。这里主要论述了流体动压力实现的条件及动压浮起平面研磨、浮动抛光、弹性发射加工以及砂轮约束磨粒喷射加工等微细磨粒借助于流体动压力实现超精密加工技术。     

大口径光学元件超精密加工技术与应用

大口径光学元件超精密加工技术是多种学科新技术成果的综合应用,促进了民用和国防等尖端技术领域的发展,在国家大光学工程的推动下,我国的超精密加工技术取得显著的成果。围绕大口径光学元件“高精度磨削＋确定性抛光”超精密加工体系,介绍该领域研究进展及厦门大学微纳米加工与检测联合实验室取得的相关研究成果,主要针对光学元件磨削和抛光两个加工流程,详细分析磨削装备技术、磨削工艺技术、精密检测技术、可控气囊抛光技术、加工环境监控技术和中频误差评价技术等关键技术的研究应用情况。这些技术研究从超精密加工的需求出发,借鉴国内外的研究经验和成果,通过对装备、工艺、检测等各方面整合,形成具有自主知识产权的大口径光学元件磨抛超精密加工体系,从而实现大口径光学元件高精度、低缺陷加工。     

圆柱型永磁体磁流变抛光头设计及其参数优化

针对传统加工技术存在表面损伤、加工效率低的问题,将极具前景的面接触式超精密磁流变抛光技术应用到3C制造业中。对圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中的抛光垫的形貌进行了研究分析,发现圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中存在一种"环状效应",利用"环状效应"对圆柱型永磁体磁流变抛光头进行了结构设计,并对其进行了设计理念分析;对圆柱型永磁体抛光头在6061的铝合金工件上进行了单因素抛光实验,通过实验获得了最优参数。研究结果表明:该圆柱型永磁体磁流变抛光头能够实现环状加工区域的高效光滑平坦化加工,工件表面粗糙度达到52 nm,材料去除率达9.1μm/min,大大提高了磁流变抛光的效率,为面形精度在微米级的超光滑平面的制造提供了一种高效的加工方法。     

大抛光模磁流变超光滑平面抛光技术研究

正近年来,随着信息电子技术、光电技术及半导体照明技术的迅速发展,超光滑平面元器件需求越来越大,这些表面要求达到亚纳米级表面粗糙度、微米级面形精度且无表面和亚表面损伤,传统超精密抛光技术由于耗时、成本高、易产生表面损伤,难以满足大批量生产的要求。磁流变加工被认为是一种极具前景的获取低损伤镜面的技术手段,然而,传统磁流变加工方法抛光点面积小,加工效率低。为解决上述问题,本文在比较分析国内外超光滑表面加工技术的基础上,提出了一种大抛光模磁流变超光滑平面抛光技     

MoS2/Zr复合涂层高速钢刀具的切削性能研究

综合考虑了工件表面原子的微观状态,利用纳米颗粒特殊的高比表面能和高吸附特性,提出了一种可实现工件表面原子级去除的纳米胶体射流抛光方法。利用碱性胶体中纳米颗粒与工件的表面反应,设计了可实现超精密表面加工的纳米胶体射流抛光系统,并利用该系统对K9玻璃进行抛光。试验结果表明,纳米胶体射流抛光可实现超精密光学表面的抛光,抛光后表面粗糙度Ra小于1nm。      

非球面超精密抛光技术研究现状

非球面应用范围的拓展以及应用精度要求的不断提高对非球面元件的尺寸精度与表面质量提出了更高要求;作为终加工手段,非球面超精密抛光技术也越来越受到世界各国的重视。掌握非球面超精密抛光过程中的材料去除机理以及由此导致的亚表面损伤等特性对提高非球面抛光的精度与效率十分重要。对非球面抛光技术的发展进行回顾,并根据非球面超精密抛光技术的发展脉络,阐述当前主要非球面超精密抛光技术的加工原理及加工实例,随后从亚表面损伤、边缘效应等方面对几种非球面超精密抛光技术进行比较,并以提高抛光精度与效率为目标,对非球面超精密抛光技术的发展趋势进行预测。     

我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列

<正>由国防科技大学机电工程与自动化学院自主研制的新一代超精密光学零件加工设备,日前通过相关单位组织的工艺考核。结果表明,该套设备加工精度实现亚纳米级重大突破,其典型试验件的光学零件面形精度RMS(均方根)值达到0.361纳米,标志我国超精密光学零件加工技术跨入世界领先行列。超精密加工技术是先进装备制造的关键性瓶颈技术,纳米精度被誉为超精密加工技术"皇冠上的明珠"。过去,由于我国光学零件加工技术落后,无法进行大口径、高精     

超精密纳米胶体射流抛光试验研究

综合考虑了工件表面原子的微观状态,利用纳米颗粒特殊的高比表面能和高吸附特性,提出了一种可实现工件表面原子级去除的纳米胶体射流抛光方法.利用碱性胶体中纳米颗粒与工件的表面反应,设计了可实现超精密表面加工的纳米胶体射流抛光系统,并利用该系统对K9玻璃进行抛光.试验结果表明,纳米胶体射流抛光可实现超精密光学表面的抛光,抛光后表面粗糙度Ra小于1nm.     

一种光学材料高效超精密加工方法

提出了结合磁流变光整加工(MRF)与在线电解修整(ELID)磨削对各种光学材料进行超精密加工的方法,即采用ELID磨削进行预抛光以获得高质量表面,然后采用MRF进行精密抛光以进一步减小表面粗糙度和形状误差.利用该组合工艺对BK7玻璃、硅晶玻璃、碳化硅等光学材料进行了超精密加工实验,可以在短时间内使光学材料工件表面得到亚纳米级的表面粗糙度和峰谷值为λ/20(λ为单位波长,λ=632.8nm)的形状精度.     

GCr15长方形工件的纳米级表面超精密研磨技术研究

针对材质为GCr15轴承钢的长方形工件纳米级超光滑表面的技术要求,在CJY500超精密研磨机上,采用机械研磨和化学抛光相结合的非接触式超精密研磨(浮动研抛)方法,对长方形GCr15轴承钢工件进行超精密研磨抛光.结果表明:与其它研磨方法相比,此方法在获得纳米级表面粗糙度的同时,还能获得极高的面形精度,而且无加工变质层.     

欢迎赐稿Frontiers of Mechanical Engineering(机械工程前沿)“超精密加工”专栏

<正>20世纪60年代为了适应核能、大规模集成电路、激光和航天等尖端技术的需要而发展起来的精度极高的一种加工技术。到80年代初,其最高加工尺寸精度已可达10纳米级,表面粗糙度达1纳米,加工的最小尺寸达1微米,正在向纳米级加工尺寸精度的目标前进。超精密加工是处于发展中的跨学科综合技术。出于航天、国防等尖端技术发展的需要,超精密加工技术主要用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人     

化学机械抛光技术

化学机械抛光应用 化学机械抛光技术是目前最好的实现全局平面化的工艺技术，加工表面具有纳米级型面精度和亚纳米级表面粗糙度，同时表面和亚表面无损伤，已接近表面加工的极限。广泛应用在集成电路、计算机磁头，硬磁盘等超精密表面加工，如化学机械抛光应用在半导体工业中的层间介电介质，镶嵌金属W、Al、Cu、Au，多晶硅，导体，绝缘体，硅氧化物等的平坦化工。     

大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术研究现状与展望

近些年来,化学气相沉积（Chemical vapor deposition,CVD）单晶金刚石在电子学领域的应用令人瞩目,这得益于CVD单晶金刚石在生长技术和半导体掺杂技术上的进展。一直以来,成熟的衬底加工技术是半导体材料得以应用的基础,其中超精密抛光作为晶圆衬底加工的最后一道工序,直接决定了晶圆表面粗糙度和亚表面损伤程度。可以预见,超精密抛光技术将会在制备大尺寸高质量金刚石衬底中发挥重要作用。对目前国内外现有的单晶金刚石抛光方法进行综述,以制备大尺寸高质量单晶金刚石衬底为目标,从加工设备、工艺参数、加工精度、加工效率和材料去除机理等方面进行分析,总结各种抛光方法的优势和缺点,展望未来大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术的发展趋势。目前鲜有针对大尺寸单晶金刚石抛光技术的综述,本文为国内学者展开单晶金刚石抛光相关工作的研究提供综述资料。     

修正环型纳米级超精密抛光机智能控制系统的实现

针对现阶段抛光加工存在精度低、产品质量一致性差、成品率及生产效率低等问题，提出了一种适于高精度、高效率抛光加工的智能控制系统，并在修正环型纳米级超精密抛光机中得到实现。     

在线电解修整磨削与化学机械抛光相结合的蓝宝石基片组合加工技术

通过分析ELID磨削和CMP抛光两种加工技术的原理和特点,充分结合两种技术的优点,对蓝宝石基片进行超光滑纳米级精度的组合加工。从理论上分析和计算了蓝宝石的临界切削深度,以及在不同粒度砂轮下的脆性和延性磨削方式;采用不同粒度的砂轮对蓝宝石基片进行超精密ELID磨削实验,快速地获得高质量的加工表面,同时采用磁流变斑点法对加工面的亚表面损伤进行测量;利用CMP抛光技术对磨削加工后的表面进行光整,以减少磨削时产生的加工缺陷,使工件的表面质量得到进一步改善与提高,最终获得亚纳米级的表面粗糙度。     

流体二维超光滑精密抛光加工装备研制探讨

本文介绍了当前超光滑表面的加工工艺,结合“流体二维振动的物理-化学复合原子级表面加工”理论,研发了一种流体二维超光滑精密抛光加工装备。试验表明该装备是切实可行的。     

浙江工业大学超精密加工研究中心

正浙江工业大学超精密加工研究中心(以下简称UPMC)创建于1998年,2005年发展成为浙江省重点实验室和教育部重点实验室,2013年由国家科技部批准为国家超精密加工装备国际联合研究中心,近五年投入建设经费2亿元。浙江工业大学袁巨龙教授担任中心主任。UPMC围绕基础几何形状表面(如平面、球面、圆柱面等)的精密与超精密磨削、研磨抛光加工技术与装备,开展一系列原创性的超精密加工方法、关键技术、加工与光学非接触检测     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。