精密与超精密磨削的发展现状.pdf

第 l 5卷第 1期 2 0 1 0年 1月 集关大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f J i m e i U n i v e r s i t y(N a t u r al S c i e n c e)V0 1 1 5 No 1 J a n 2 0 1 0 文章编号1 0 0 7 7 4 0 5(2 0 1 0)0 1 0 0 5 3 0 4 综 述 精密与超精密磨削 的发展现状 冯 薇，皮钧2 (1 华侨大学机电及 自动化学院，福建 厦门3 6 1 0 2 1；2 集美大学机械工程学院，福建 厦门3 6 1 0 2 1)摘要介绍了精密磨削与超精密磨削的机理，阐述了精密磨床以及精密磨削与超精密磨削技术的研 究现状，并分析了精密磨削与超精密磨削的发展趋势 关键词精密和超精密磨削；精密磨削机理；精密磨床 中图分类号T H 1 6 1 文献标志码A 0 引言 磨削加工是主要的精密加工和超精密加工方法，一般分为普通磨削、精密磨削、超精密磨削加 工，它们能达到的磨削精度在生产发展的不同时期有不同的精度范围 J 目前，普通磨削一般指加工表面粗糙度为精度 在 0 1 61 2 5 p m，加工精度 1 p,m的磨削方 法精密磨削当前可以达到的精度一般为表面粗糙度 R 为 0 0 41 2 5 m，加工精度为 1 0 5 m 超精密磨削是 当代 能达到最低磨 削表面粗糙 度值 和最高加工精 度的磨削方法，表面粗糙度可达到 R 0 0 1 t x m，精度 0 0 1 tx m，甚至进入纳米级 1 精密与超精密磨削的机理 精密磨削一般使用金刚石和立方氮化硼等高硬度磨料砂轮，主要靠对砂轮的精细修整，使用金刚 石修整刀具以极小而又均匀 的微进给(1 O一1 5 mm m i n)，获得众多 的等高微刃，加工表面磨削痕迹 微细，最后采用无火花光磨，由于微切削、滑移和摩擦等综合作用，达到低表面粗糙度值和高精度要 求超精密磨削采用较小修整导程和吃刀量修整砂轮，靠超微细磨粒等高微刃磨削作用进行磨削u J 精密与超精密磨削的机理与普通磨削有一些不同之处 1)超微量切除应用较小的修整导程和修整深度精细修整砂轮，使磨粒细微破碎而产生微刃 一颗磨粒变成多颗磨粒，相 当于砂轮粒度变细，微刃的微切削作用就形成了低粗糙度 2)微刃的等高切削作用微刃是砂轮精细修整而成的，分布在砂轮表层同一深度上的微刃数量 多，等高性好，从而加工表面的残 留高度极小 3)单颗粒磨削加工过程磨粒是一颗具有弹性支承和大负前角切削刃 的弹性体，单颗磨粒磨削 时在与工件接触过程中，开始是弹性区，继而是塑性区、切削 区、塑性区，最后是弹性 区，这与切屑 形成形状相符合超精密磨削时有微切削作用、塑性流动和弹性破坏作用，同时还有滑擦作用当刀 刃锋利，有一定磨削深度时，微切削作用较强；如果刀刃不够锋利，或磨削深度太浅，磨粒切削刃不 能切人工件，则产生塑性流动、弹性破坏 以及滑擦 收稿13 期2 0 0 8 0 9 2 5 修回日期2 0 0 81 1 1 2 基金项 目福建省科技重点项目(2 0 0 6 H 0 0 3 2)作者简介冯薇(1 9 8 0 一)，女，讲师，博士生，从事先进材料精密加工技术研究 5 4 集美大学学报(自然科学版)第 1 5卷 4)连续磨削加工过程工件连续转动，砂轮持续切人，开始磨削系统整个部分都产生弹性变 形，磨削切人量(磨削深度)和实际工件尺寸的减少量之间产生差值即弹性让刀量此后，磨削切 人量逐渐变得与实际工件尺寸减少量相等，磨削系统处于稳定状态最后，磨削切入量到达给定值，但磨削系统弹性变形逐渐恢复为无切深磨削状态 引 2 精密与超精密磨床的发展 精密磨床是精密磨削加工的基础当今精密磨床技术的发展方 向是高精度化、集成化、自动化 英国 C r a n fi e l d大学精密工程公司(C U P E)是较早从事超精密磨削加工机床研制的公司，该公司 研制成功的 O A G M2 5 0 0大型超精密磨床是迄今为止最大的超精密磨削加工设备，主要用于光学玻璃 等硬脆材料的超精密磨 削加工 J C U P E生产的 N a n o c e n t r e(纳米加工中心)带有磨头，可进行超 精密磨削，加工工件的形状精度可达 0 1 b m，表面粗糙度 R 1 0 n m 2 0 0 3年英国 C r a n fi e l d大学 和 C r a n fi e l d精密工程有限公司联合研制成功一种新 型的超精密磨床，可在一个工序 中以很高的加工 效率完成硅片的延性域纳米磨削，获得很好的表面和亚表面完整性据称，用该超精密磨床磨削大直 径硅片可以完全代替传统工艺的研磨和腐蚀工序，甚至有望取代抛光加工 美国 Mo o r e N a n o t e c h n o l o g y s y s t e m公司生产的超精密磨床，采用 的超精密静压导轨保持 0 3 w m的 直线度，加工几何精度达 0 1 p,m，表面粗糙度 R =5 n m_ 8 J 美 国 L L N L实验室为满足更大口径光学 零件以及硬脆材料光学零件的超精密磨削加工的需求，2 0 0 6年开发下一代超精密光学加工设备 P O-G A L(O p t i c G r i n d e r a n d L a t h e)，其主轴的轴向、径向精度技术指标为 5 0 n m 日本对超精密加工技术研究 比美国晚，它是应电子和光学等民用工业的需求才发展起来的以超 精密车床为基础，结合 E L I D镜面磨削技术，发展 了加工 回转体非球 曲面的 E L I D精密数控镜面磨床 以后，又发展了三坐标联动的数控 E L I D精密镜面磨床，可实现精密 自由曲面的镜面加工其超精密 磨削加工装备主要有东芝(T O S H I B A)机械公司 2 0世纪 9 0年代生产的 U L G一1 0 0 A(H)型超精密 非球面加工机床，机床主轴采用高刚度空气静压轴承，两轴全闭环控制，轴位移分辨率 O 0 1 t g n 它 可加工各种光学零件和非球面透镜注射成型金属(铜、非电解镍)模具、模压成型陶瓷(WC)模 具，成型模具利用金刚石刀具或砂轮进行车削和研磨加工，能达到镜面质量 德国施奈德公司 目前最典型的精密磨削设备是非球面超精密磨 削加工中心 S C G A 1 2 1，该机床采 用高刚度的混凝土聚合物作床身，多轴数控，既可以进行大去除量普通砂轮磨削，也可进行杯形砂轮 磨削，同时与非球面抛光机床 S C G A I 2 1，非球面在线检测系统 A U集成，可以实现非球面光学元件的 超精密、高效柔性 自动化加工 德国 G&N公司开发的 M u h i 2 N a n o 全 自动系列纳米磨床，采用 自旋 转磨削原理，装备两个砂轮主轴分别进行粗、精磨，具有 3个(或 4个)操作工位，自动完成硅片 的粗磨、精磨、清洗或装卸用于3 0 0 mm硅片的超精密磨削可以获得纳米级的镜面，用于背面磨削 可将硅片减薄到 1 0 01 5 0 b m 国内中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室研制的 F S G J I，集铣磨成 形、磨边、精密抛光和检测于一体 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室正在开展 基于 自旋转磨削原理的大直径硅片超精密磨削系统与装备的开发与研究，并取得了初步成果 3 精密与超精密磨 削技术 的发展 近年来，国外对精密和超精密磨削技术的开发研究获得了不少成果，主要体现在 E L I D(E l e c t r o l y t i c I n p r o c e s s D r e s s i n g)镜面磨削新工艺的研究和加工硅片以及非球面零件的应用上。用于超精密镜 面磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒的平均粒径可小至4 m直径 3 0 0 mm硅片的集成制造系统采 用单晶金刚石砂轮使延性磨削和光整加工可以在 同一个装置上进行，使硅片平 面粗糙度达到 R I n m(R，5 6啪)，平面度达到 0 2 t z m 3 0 0 m m 第 1期 冯薇，等：精密与超精密磨削的发展现状 5 5 日本国家理化学研究所的大森整教授于 1 9 8 7年研制成功了在线修整砂轮的 E L I D镜面磨削新工 艺E L I D镜面磨削技术是利用在线 电解修整作用连续修整砂轮来获得恒定的出刃高度和 良好的容屑 空间，同时，在砂轮表面逐渐形成一层钝化膜，当砂轮表面的磨粒磨损后，钝化膜被工件表面磨屑刮 擦去除，电解过程继续进行，对砂轮表面进行修整，加工表面粗糙度 达到 0 0 2 0 0 1 I z m，表面 光泽如镜 大森整教授将 E L I D技术应用于硅片 自旋转磨削工艺，实现了硅片的延性域磨削，亚表 面损伤层深度 0 1 4 p,m，只有传统研磨硅片损伤层深度的 1 31 1 0 _】“I b a r a k i 大学的 H E d a 等 人研究 了基于 自旋转磨削原理的集成磨削系统，该系统采用超磁致伸缩微驱动装置调整砂轮主轴与工 件轴的夹角控制硅片的面型精度，应用精密气缸和磨削力检测系统进行控制压力磨削，可以在一个工 序中完成硅片的延性域磨削加工和减小损伤层 的磨抛(p o l i s h i n g l i k e g r i n d i n g)加工，加工 3 0 0 mm硅 片达到表面粗糙度 R 1 n m，平面度 0 2 m，表面损伤层减小到 0 1 0 1 2 p,m，能源消耗 比传统 工艺降低 7 0 ，引 美国在应用 E L I D磨削技术加工 电子计算机半导体微处理器方面已取得突破性进展，在国防、航 空航天及核工业等领域 的应用研究也在进行P e i Z J 等人对 自旋转磨削法精密磨削硅片的加工过程 以及加工参数、砂轮粒度、冷却液供给等加工条件对磨削力、硅片面型精度、表面磨削纹路、表面粗 糙度的影响进行了系统的试验研究 卜M 德国是最早研究 E L I D磨削技术 的几个 国家之一在 1 9 9 1年就有德 国的机床厂家进行 了系列 E L I D专用机床的设计此外，英、法等国对 E L I D磨削技术也进行了深人的研究 超精密复合加工发展很快，如流体抛光加工、超声振动磨削、电化学抛光、超声电化学抛光、放 电磨削、电化学放电修整磨削、动力悬浮研磨、磁流体研磨、磁性磨料抛光、动磁性磨料抛光、软粒 子研磨、机械化学抛光、摆动磨料流抛光和电泳磨削技术等采用超声振动磨削加工微型硬质合金刀 具 比不采用超声振动 时磨 削直径 可减 小 1 0 2 O，长径 比可增加 5 0，能够 获得直径 1 1 2 3 m，长度 5 0 3 2 0 m的圆柱刀具电化学抛光可获得表面粗糙度 5 0 n m，自由磨料抛光达 8 n n l，而将两者结合后可达 6 n i n，若将磨料粒度由 2 1 m换为 0 5 1 m，则可获得 2 n m的表面粗糙度采 用振动磁性磨料抛光，磨料粒度 9 0 m，可获得表面粗糙度 R 为 8 n m经流体抛光加工零热膨胀的 玻璃陶瓷试件其表面粗糙度 低于 0 1 n m，断裂强度为 5 4 6 MP a 流体抛光加工不锈钢毛细管 内壁 表面粗糙度优于 R =0 5 p,m 我国对精密磨削的研究尚处于初级阶段，主要集中在高校哈尔滨工业大学以袁哲俊教授为首的 E L I D课题组研制成功了 E L I D磨削专用 的脉冲电源、磨削液和砂轮，在国产机床上开发出平面、外圆 和内圆 E L I D磨削装置，实现了多种难加工材料的精密镜面磨削 目前正积极推广普及该技术，实现 其产品化 J 东华大学机械学院的研究者利用固结磨粒低频振动(频率厂为 0 52 0 H z、振 幅为 0 53 m m)压力进给的精整加工，研究 了适宜的经济加工条件及有关参数，并验证 了经过磨削加工 后的陶瓷工件，再经过超精加工可以进一步降低其表面粗糙度，可降低 2 4个等级 ”J 清华大学 在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削等方面 进行了深入研究，并有相应产品问世 4 今后研 究应关注 的问题 精密和超精密磨削技术在各方面均取得迅速发展，已成为先进制造技术的关键技术之一在今后 的研究中应着重关注 以下几个问题：1)超精密磨削的基本理论和工艺研究，着重研究多颗粒磨 削机 理、磨削表面生成及影响因素等；2)开发高精度、高性能、高 自动化的加工机械及测试装置的移动 导向机构及轴承；3)目前 E L I D镜面磨削技术存在的问题是 向高速回转的砂轮供 电非常困难，通常 采用接触式 电刷供电设备，该设备复杂昂贵，影响了 E L I D镜面磨削技术的推广应用，所以解决 E L I D 镜面磨削中向高速 回转的砂轮供 电也是应关注的问题；4)开发适于超精密加工并能获得超高精度，5 6 集美大学学报(自然科学版)第 1 5卷 超高表面质量的新型材料，如超微粉烧结金属、超微粉陶瓷、非结晶半导体 陶瓷、新高分子材料等 参 考 文 献 1 李伯民，赵波现代磨削技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 3 2 袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 2 【3 吴云锋，陈洁精密超精密加工技术综述 J 新技术新工艺，2 0 0 7(6)：3 8-4 0 4 高兴军，赵恒华精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择的研究 J 机械制造，2 0 0 4(1 2)：4 3-4 5 5 邓朝晖，刘建，曹德芳，等纳米结构陶瓷涂层精密磨削的材料去除机理及磨削加工技术 J 金刚石与磨料 磨具工程，2 0 0 3，6(1 3 8)：5-1 1 6 李立军，张飞虎，董申非球面磨削加工设备现状与发展趋势 J 机床与液压，2 0 0 7(7)：2 2 9-2 3 0，2 3 6 7 康仁科，田业冰，郭东明，等大直径硅片超精密磨削技术的研究与应用现状 J 金刚石与磨料磨具工程，2 0 0 3(4)：1 3 1 8，2 5 8 蔡光起，冯宝富，赵恒华磨削技术的最新进展 J 世界制造技术与装备市场，2 0 0 3(1)：1 6-1 9 9 宋淑梅，陈亚，吕学峰，等大口径轻质非球面反射镜制造技术研究 J 光学技术，2 0 0 5，3 1(2)：2 4 6-2 4 8 1 0 杨福兴非球面光学零件的超精密磨削技术 J 机械工程师，1 9 9 8(6)：1 3 1 4 1 1 H M O R 1 0 H，A K A G A WA N T M i r r o r s u r f a c e g r i n d i n g o f s i l i c o n w a f e r s w i t h e l e c t r o l y t i c i n p r o c e s s d r e s s i n g J A J 卜 n a l s o f C I R P，1 9 9 0，3 9(1)：3 2 9-3 3 2 1 2 董志刚，田业冰，康仁科，等硅片超精密磨床的发展现状 J 电子工业专用设备，2 0 0 4(6)：5 4-5 9，6 6 1 3 P E I z J，A L S T R A S B A U G H F i n e g r i n d i n g o f s i l i c o n w a f e r s J I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f Ma c h i n e T o o l s a n d Manu-f a c t u r e，2 0 0 1，4 1：6 5 9-6 7 2 1 4 P E I z J，A L A N S T R A S B A U G H F i n e g r i n d i n g o f s i l i c o n w a f e rs：d e s i g n e d e x p e ri m e n t s J I n t e rna t i o n al J o u rna l o f Ma e hin e T o o ls a n d Ma n u f a c t u r e，2 0 0 2，4 2：3 9 4 4 0 4 1 5 袁哲俊精密和超精密加工技术的新进展 J 工具技术，2 0 0 6(3)：3-9 1 6 毛志敏，李蓓智工程陶瓷材料的精加工试验研究 J 金刚石与磨料磨具工程，2 0 0 0，4：4 5-4 5 1 7 铁瑛，赵波，张波，等工程陶瓷材料精密磨削加工技术的新发展 J 焦作工学院学报：自然科学版，2 0 0 3(3)：2 1 7-2 2 0 De v e l o p me nt s o f Pr e c i s i o n a n d Ul t r a-Pr e c i s i o n Gr i n di ng Te c h no l o g y F E NG We i 一 P I J u n (1 C o i l e g e o f M e c h a n i c al E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n，：l u a q i a o U n i v e r s i ty，X i a me n 3 6 1 0 2 1，C h i n a；2 S c h o o l o f Me c h ani c a l E n g i n c c ri n g，J i m e i U n i v e rs i t y，X i a m c n 3 6 1 0 2 1，C hin a)Abs t r a c t：T h e me c h a n i s m o f p r e c i s i o n a n d u l t r a-p r e c i s i o n g r i n d i n g t e c h n o l o g y i s i nt r o d u c e d Th e d e v e l-o p me n t o f p r e c i s i o n g r i nd e r a n d t h e r e s e a r c h o f t he p r e c i s i o n a n d u l t r a p r e c i s i o n t e c h n o l o g y a y e e x p a t i a t e d，a nd t h e p r o g r e s s t r e n d i s a na l y z e d Ke y wor d s：p r e c i s i o n an d u l t r a p r e c i s i o n g r i n d i n g；me c h a n i s m o f p r e c i s i o n g r i n d i n g；p r e c i s i o n g r i n d e r (责任编辑陈敏)