精密与超精密磨削镜面加工技术发展概述
近年来金属镜面加工技术取得了长足的进展,出现了很多新技术。比如国外的ELID镜面磨削技术,国内的豪克能加工工艺。国外对精密和超精密磨削技术的研究开发了不少新的成果,主要体现在ELID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 μm。直径φ300 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,使硅片达到表面粗糙度Ra<1×10-3 μm(Ry<5~6×10-3 μm) 和平面度<0.2 μm/300 mm。本文主要介绍ELID技术的发展概况。
日本国家理化学研究所的大森整教授于1987年研制成功了在线修整砂轮的ELID镜面磨削新工艺。ELID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Ra0.02~0.01 μm,表面光泽如镜[2]。大森整教授将ELID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<0.14 μm ,只有传统研磨硅片损伤层深度的1/3~1/10 [10,11]。Ibaraki大学的H.Eda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(polishing-like grinding)加工,加工300 mm硅片达到表面粗糙度Ra<0.00l μm,平面度<0.2 μm,表面损伤层减小到0.1~0.12 μm,能源消耗比传统工艺降低70%。
美国在应用ELID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。
Kansas State University 的Z.J.Pei等人对精密磨削硅片自旋转磨削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。
德国是最早研究ELID磨削技术的几个国家之一。在1991年就有德国的机床厂家进行系列ELID专用机床的设计。此外,英、法等国对ELID磨削技术也进行了深入的研究。
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、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l0%~20%,长径比可增加50%,能够获得直径φ11~φ23 μm,长度50~320 μm的圆柱刀具。电化学抛光可获得表面粗糙度0.050 μm,自由磨料抛光达0.008 μm,而将两者结合后可达0.006 μm,若将磨料粒度由21 μm换为0.51 μm,则可获得0.002 μm的表面粗糙度。采用振动磁性磨料抛光,磨料粒度90 μm,可获得表面粗糙度Ra0.008 μm。经流体抛光加工零热膨胀的玻璃陶瓷试件其表面粗糙度Ra低于0.000 1 μm,断裂强度546 MPa。流体抛光加工不锈钢毛细管内壁表面粗糙度优于Ra0.5μm。
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ELID课题组研制成功了ELID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ELID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,实现产品化。 济南威尔的豪克能镜面加工工艺也已经应用在很多装置和机床产品上,能获得非常好的金属镜面加工效果。
上海的东华大学机械学院研究者用固结磨粒低频振动(频率为0.5~20 Hz,振幅为0.5~3 mm)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。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。
今后研究应关注的问题
(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制、磨削表面生成、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ELID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。通常用的接触式电刷供电设备复杂昂贵,影响了该方法的推广应用。所以解决ELID镜面磨削中向高速回转的砂轮供电问题也是应关注的问题;
(4)开发适于超精密加工并能获得超高精度,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。