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長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）譯文紙
一種先進(jìn)的超精密磨床
蘭迪斯.隆德公司的生產(chǎn)精密機械的克蘭菲爾德部門，最近生產(chǎn)了一種超精密的端面磨床，該機床擁有幾個自動監(jiān)控功能。該公司免費給克蘭菲爾德大學(xué)的精密工程小組提供機床，以便他們進(jìn)行研究，特別是里外都完整的無損害的端面區(qū)部分。
本文論述了機械的設(shè)計、初加工試驗以及可能的研究項目。這些項目將因為這種先進(jìn)的機械系統(tǒng)的應(yīng)用而受益，系統(tǒng)結(jié)合了最先進(jìn)的自動檢測功能與控制加工過程功能。
關(guān)鍵詞：自動檢測 磨削 機械設(shè)計 精密機器
1 緒論
生產(chǎn)精密機械的克蘭菲爾德是UNOVA的一個子公司，它的專長是用先進(jìn)的原料生產(chǎn)和制造出價格合理的機器元件，包括陶瓷、玻璃、金屬互化物及硬質(zhì)合金鋼?？颂m菲爾德大學(xué)是以工業(yè)和制造業(yè)著稱的大學(xué)，它重視與工業(yè)界的密切聯(lián)系，而且現(xiàn)在正在開展超精密的、超高速加工的機械研究項目，包括超硬材料加工、脆性材料的韌性加工以及汽車產(chǎn)業(yè)的精密加工。這兩個團(tuán)體互補的研究興趣導(dǎo)致了生產(chǎn)精密機械的克蘭菲爾德公司設(shè)計和生產(chǎn)了一種先進(jìn)的超精密端面磨床給屬于SIMS的精密工程研究小組。這使得該小組擁有一系列的研究項目，特別是對于里外都完整的無損害的端面區(qū)部分。
原料的納米分散加工及控制被看作是一種中期至長期解決成本和時間問題的方法，這兩個問題折磨著電光學(xué)與其它精密零件的制造。例如：易碎原料的延展拋光能夠提供光滑的表面，事實上，它比一般的材料擁有較高的平滑度和外形精確度[1]。更重要的是,一個球表面很少或沒有經(jīng)歷表面下的損傷,因此消除了聯(lián)合傳統(tǒng)拋光進(jìn)行后續(xù)拋光的步驟。許多的“微小精密”產(chǎn)品(如半導(dǎo)體、光纖通信系統(tǒng)、計算機輔助系統(tǒng)等),以及較大的被航空、汽車等應(yīng)用的元件的性能越來越依賴于更高的幾何精度和微-納米表面。最近,汽車工業(yè)已經(jīng)顯示了未來對元件表面的要求，它需要具有幾個關(guān)鍵的傳輸元件，這種傳輸性能屬于光學(xué)性質(zhì),它的目標(biāo)是用10納米的Ra表面經(jīng)濟地完成對硬鋼的直接機械加工，而且無需對硬鋼進(jìn)行拋光。玻璃和陶瓷有無損害的表面，硬鋼有光學(xué)性質(zhì)表面，這種條件是非常嚴(yán)格的，它需要(a)一系列的機械工具，它們不是一般的最好的生產(chǎn)工具，例如，精度高、運動順暢、環(huán)硬度高[2]；(b)輔助設(shè)備的加入，人、特別是為了適應(yīng)特殊的應(yīng)用，例如砂輪的打磨維修和調(diào)節(jié)；以及(c) 使用正確的磨削技術(shù)（許多的變量—車輪的型號；冷凍劑；速度；供給等）。所有的條件都必須被滿足，現(xiàn)在能夠滿足這些條件的晶圓磨機器已經(jīng)生產(chǎn)出來。
2 目標(biāo)
為了滿足上面所提及的表面完整性和生產(chǎn)率的要求,這些要求適用于一系列的元件,主要的發(fā)展目標(biāo)包括:
1）．一個有高標(biāo)準(zhǔn)（上表面和下表面）完整性的較大的元件產(chǎn)品的機械加工效率
2）對易碎材料(眼鏡、陶瓷)優(yōu)先選擇柔軟的方式進(jìn)行機械加工
3）一個只有一個設(shè)置的單一過程來取代典型的三級研磨、腐蝕和拋光過程，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的生產(chǎn)率。
3過程
這個過程的一個主要要求是它應(yīng)該能夠在350毫米直徑元件上進(jìn)行極度平滑表面加工的能力。而且,表面應(yīng)該是光滑的(小于50Ra)以及有最小的表面損傷。理論上，其表面的性質(zhì)應(yīng)接近于拋光表面的性質(zhì)。為了滿足這些嚴(yán)格的要求，旋轉(zhuǎn)磨削已被應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)磨削的特性是它不像傳統(tǒng)的表面拋光，它有一個恒接觸長度和恒切削力。如圖1所示的磨削原理。砂輪、工件的旋轉(zhuǎn)以及砂輪的軸供給去除工件的表面余量，直到達(dá)到它的最后幾何厚度。
4 本機
該進(jìn)程和組件的較高要求需要質(zhì)量非常高的環(huán)剛度機。
研磨機（圖2）面的設(shè)計目標(biāo)是：
圖1關(guān)于研磨作業(yè)問題
1. 要求為達(dá)到亞微米亞表面損傷，環(huán)剛度應(yīng)該優(yōu)于200 N /m_1具有良好的動態(tài)阻尼。
2. 要實現(xiàn)總厚度 變化（TTV）的0.5 m公差，控制間距（輪部件的表面）應(yīng)該大于0.333弧秒。
3. 要實現(xiàn)亞微米亞表面損傷，切深度控制應(yīng)該優(yōu)于0.1 m。
4. 需要軸向誤差議案實現(xiàn)亞微米亞表面損傷,錠數(shù)應(yīng)該優(yōu)于0.1 m。
5. 測量與反饋元件厚度為0.5 m，以達(dá)到微米的厚度公差。
在地面幾何平面取決于相對位置的砂輪和旋轉(zhuǎn)軸工件。圖3顯示的相對運動和機軸。共有11個軸，再加上三個數(shù)字遙控加載項（未顯示），隨動控制下的所有驅(qū)動。
它們是：
S1磨削主軸
C Workhead主軸
Z進(jìn)料
X砂輪
S2修整主軸
W軸修整
A傾斜間距
B傾斜偏航
S3驅(qū)動洗刷
P探頭厚度 洗刷臂
如下所述，平面精確度可以由旋轉(zhuǎn)軸加上旋轉(zhuǎn)的疊加有適當(dāng)?shù)闹鬏S路線方法實現(xiàn)。此外，這原型研究納入機受益于以下國家的最先進(jìn)的自動功能 監(jiān)督和加工過程的控制。
4.1 調(diào)整工件和磨削 轉(zhuǎn)動平衡性
因為地面幾何表面可描述幾何方程，這兩個旋轉(zhuǎn)軸S1和C中一相對對齊（圖3）已進(jìn)行簡化。研磨進(jìn)程需要平面砂輪和工件的平面要保持作為Z軸進(jìn)給的應(yīng)用之間的特定角度。這是典型的多角度小于1度，使得工件和車輪接近于平行。這個角度是由三個測量LVDT的監(jiān)測傳感器，測量位移之間的磨主軸防護(hù)外罩，并就精密加工表面外罩。該測量傳感器放置在磨削主軸外罩周圍，大約從中心等距離輪子的主軸在車輪平面軸，處于已知的分離位置。從這些傳感器的信息是返回到控制系統(tǒng)修改控制的A - （節(jié)距），B組，（偏航）和Z -（料）軸。這是一個具有獨特的保持工件平整度功能的機器，它減少和亞表面損傷工件表面光潔度并且提高了磨削力。這扭曲影響磨削主軸workhead路線，而當(dāng)時生產(chǎn)非平坦表面。按照常規(guī)機械通過機械調(diào)整對齊和依靠力量和撓度一般可以均衡。然而，如果在這臺機器的工藝條件變化時，將會自動校準(zhǔn)補償。這可以通過優(yōu)化以適應(yīng)材料和車輪條件在控制系統(tǒng)軟件的變化。
如圖4..所示為Z軸伺服控制功能框圖 超精密磨床641工作面
圖2. 面對磨床
圖3. 軸的名稱
圖4 Z軸功能框圖
4.2 砂輪
粗加工和精加工的車輪是通過對一個軸的專利系統(tǒng)同心安裝,其中包括一前進(jìn)/收回機制的粗加工輪，如圖5.所示 。
為了最大限度地組成生產(chǎn)量， 將運用第一輪來獲得高的材料去除率。進(jìn)行細(xì)粒度砂輪整理，然后用獲得成品尺寸和表面完整性。
圖5單軸雙滾輪系統(tǒng)
4.3 檢測砂輪聯(lián)系
聲波放射（AE）傳感器用于建立初始 砂輪之間的接觸和組件。由于建立第一個接觸到非常精細(xì)的限制的重要性，當(dāng)完成磨削，環(huán)傳感器是用于workhead 和磨削主軸。這些都非常敏感，在主軸的正對面，靠近信號源。對機砂輪修整裝置主軸也是以使聲波放射傳感器“觸摸衣”磨輪。
4.4 磨削力自動測量
通過磨削力測量傳感器內(nèi)放置力循環(huán)以遠(yuǎn)離外部力量，例如絲杠螺母，及其相關(guān)的摩擦。測量研磨力度給出了砂輪磨損很好的體現(xiàn)。
4.5 測量砂輪磨損以及構(gòu)件厚度
砂輪磨損監(jiān)測組件一起的厚度。一個特別設(shè)計的鐵砧和LVDT探頭集會用來衡量組成部分的厚度。這是所做的最初基準(zhǔn)到鐵砧和探針的多孔陶瓷真空吸盤面臨哪些組件是固定的。
在測量元件厚度時，砧是在同一滑道為探針，接觸卡盤基準(zhǔn)與LVDT的探頭使得與面對面接觸組成部分，從而使一厚度測量。磨削車輪磨損，可讀出的位置
Z軸以及與這夾頭面對基準(zhǔn)的地位并且熱增長是衡量渦流探頭對安裝在工作砂輪和磨削主軸。任何增長都會由自動補償調(diào)整相對兩錠的位置。
4.6 輔助功能
本機還具有對機械零件和設(shè)施夾頭清洗也是從workhead主軸上自控裝卸能力來進(jìn)行自動加載和卸載部件。
5 機器調(diào)試
機器的服務(wù)包括空氣供給、研磨液供應(yīng)和電機冷卻供給以及三相電供給。空氣由一個高性能的供應(yīng)空調(diào)系統(tǒng),它提供清潔干燥的空氣在13條超過5000 l min-1。內(nèi)面磨床耗氣量約為二零零零升每分鐘，其余為各種空氣凈化和清洗系統(tǒng)。這個超精密空氣軸承運行所需要求空氣過濾和零下40攝氏度的溫度。循環(huán)冷卻水的供應(yīng)是由壓力泵提供的。
由循環(huán)水冷卻供應(yīng)。這是泵45條在流率達(dá)100磅min/1。冷卻劑是分配給各冷卻液噴嘴單個控制下,機械加工的要求。用于冷卻收集,然后送入主要冷卻水箱,通過一個未燃盡的泵。有些水性碎片(工件和砂輪的殘留)解決下,其余的是在這里拆卸過濾到不同的階段。
服務(wù)提供過程中需要一種控制流體分布,連同適當(dāng)?shù)陌踩?lián)鎖和監(jiān)控系統(tǒng)。
5.1 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)分兩部分,基于一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可編程序控制器(PLC)和精密數(shù)控系統(tǒng)。機器的I / O在一個分布式系統(tǒng)伺服器里。雙絞信號電纜控制了一個光纖環(huán)。采用的PLC程序需要小修改調(diào)試,大部分調(diào)試集中在進(jìn)一步發(fā)展的數(shù)控程序中,特別是磨感應(yīng),打磨維修及研磨作業(yè)。
5.2 機器研磨前準(zhǔn)備
在研磨作業(yè)中評估系統(tǒng)能力的重要參數(shù)：
1.機器的系列
2.平衡的主軸
3.車輪的條件
4.冷卻劑的應(yīng)用
5.控制機器的運動
這是解決對磨削表面粗糙度最主要的因素。
5.3 機器運行路線
在機床制造商已經(jīng)對大多數(shù)機器系列進(jìn)行了精確計量檢定，這些是已經(jīng)證實的。然而,臨界對齊數(shù)據(jù)(對齊軸和磨輪主軸軸心)已經(jīng)丟失,自從磨輪主軸被刪除后,這臺機器已經(jīng)被搬離精密工程實驗室。這個對齊數(shù)據(jù)必須重新利用微型車，用電渦流探測器(測量范圍廣大約6微米)安裝在磨輪主軸的面罩上。一個特殊目的是，把對齊的工作軸裝在跳面板上。測量距離變化的探針從功能上調(diào)整,這兩個軸連接的紡錘都獨立的旋轉(zhuǎn),允許角對齊的兩錠軸,采用最小二乘法利用多參數(shù)診斷法。
圖6 磨床主軸受橫向外力的時振幅
圖7磨床主軸受縱向外力時的振幅
5.4 車輪平衡
本機配置使這個磨輪主軸自動平衡。這包括使機器適應(yīng)自動選擇磨輪。對這個磨輪主軸進(jìn)行分割,包括兩個同心圓粗糙度和細(xì)粒度、讓粗糙的輪子有稍大點的直徑。粗輪子可以自動選擇平行滑動的主軸軸心,在空中由活塞控制,包括兩聯(lián)軸器。這兩種結(jié)構(gòu),用粗、細(xì)輪選中,在稍微不同的失衡的時刻,通過自動平衡來補償。
圖6和圖7數(shù)據(jù)顯示的是振幅和相位發(fā)生反應(yīng)平衡(位移）傳感器在水平方向,位于磨輪主軸的軸頸,沿X軸顯示,包括位移磨輪主軸轉(zhuǎn)動速率。在Y軸代表了當(dāng)時實際峰峰值位移和研磨主軸的轉(zhuǎn)速。獲得這些數(shù)據(jù)后，機床可以自動調(diào)整主軸平衡。在1200轉(zhuǎn)左右（或20赫茲）時可以看到機床有一個很強有力的共振響應(yīng)。圖8振幅的反應(yīng)平衡，在位移傳感器的垂直方向，完全沒有了共振峰。隨后的數(shù)據(jù)顯示，該共振源是在“B”傾斜砂輪軸上（垂直軸），如圖3所示，這只是一個水平方向的傳感器。這個圖說明車輪平衡也是至關(guān)重要的。
圖8 磨床主軸垂直方向的平衡力的振幅 圖9調(diào)整主軸受橫向平衡力的振幅
圖9所示的是水平的響應(yīng),主軸精細(xì)的平衡。在轉(zhuǎn)速達(dá)到4000轉(zhuǎn)（或者67赫茲）是，在水平方向同樣有一個明顯的振動。這個主軸安裝在X軸上，而振動也發(fā)生在X軸上。再一次說明這是源于運動系統(tǒng)驅(qū)動方向。雖然修正了主軸的外觀，但是對于磨削主軸平衡性能來說還是有一定得影響。平衡運動要將一個小規(guī)模的循環(huán)對應(yīng)砂輪,而這也就會反過來影響研磨質(zhì)量。
5.5 車輪條件
這臺機器上，輪子的形式是通過整形傳授操作的，條件是保持車輪的狀態(tài)，通過以后的敷料，在修整業(yè)務(wù)之間的操作相對較少。
5.6 冷卻劑的應(yīng)用
把相當(dāng)大的力集中對準(zhǔn)冷卻液噴嘴，是為了提供足夠的冷卻劑進(jìn)入磨削界面。在這里，磨削弧的接觸是那么長，大約在200毫米一個200毫米晶圓，這是個特別重要的地方。
5.7 運動控制
通過新磨例程和復(fù)雜的運動剖面，來制定磨削。一個完整的周期包括晶圓研磨粗略的初步研磨，由每個研磨階段研磨完成后，工作和磨削主軸被設(shè)置為旋轉(zhuǎn)，然后應(yīng)，冷卻液。磨削主軸在檢測工作結(jié)束后，迅速進(jìn)入到聲發(fā)射傳感器觸摸。然后迅速減速，此外主軸，在三個階段，保持較低的進(jìn)給速度。最后，經(jīng)過一?。ɑ鸹ǔ觯r，磨削主軸收回。
這種材料的加工序列很復(fù)雜，同時促使運動的A和B軸傾斜。完全平面磨削下，跌可能會導(dǎo)致的結(jié)果是非平面研磨。為了實現(xiàn)在完成平面的表面上看來，小角度之間必須是主軸的第一次接觸軸，而且這個角度在逐漸減少到零（名義上）。進(jìn)一步修改議案的進(jìn)料來實行這三個點測量結(jié)果，其中監(jiān)視器，在進(jìn)程中，高靜磨削力會撓度本機。該測量儀測量，要求整個研磨過程修改主軸之間的角度。
6 初步磨削試驗
初步磨削試驗是在單晶硅上進(jìn)行的，使用直徑為200毫米的圓片。初步磨削試驗中所用的參數(shù)是依據(jù)大范圍的硅磨削研究實驗而選定的。車輪速度是依據(jù)所產(chǎn)生的機械共振最小而選定的（如圖6和9所示），即砂輪轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)每分，修整輪轉(zhuǎn)速5100轉(zhuǎn)每分，同時仍保持足夠的磨削效率。對于粗磨而言，總磨削深度的要求是根據(jù)消除晶片上任何沖濺的需要而設(shè)定的，而對于修整而言，則是根據(jù)消除在粗磨過程中產(chǎn)生的亞表面損傷的需要而設(shè)定的。相對修整輪速也相應(yīng)設(shè)定，以便避免一個非整數(shù)比。修整，粗磨和精磨的參數(shù)如表1-3所示。
一個輪廓形式跟蹤表明，在粗磨操作中獲得的的表面粗糙度約200納米。其他測量表明亞表面損傷深度約5微米，正是這種亞表面損傷深度支配著精磨操作的加工磨削量的總額。
在這些初步加工試驗中，表面加工完成后晶片表面的外觀十分好（圖10）。非常微弱的“殘影”弧形線條是可辨別的，盡管它們在輪廓追蹤中不明顯，在照片中也不可見。 然而，他們所做的顯示了一種循環(huán)模式，這是砂輪旋轉(zhuǎn)速度和工件的旋轉(zhuǎn)率的一種結(jié)果，即它們的結(jié)果是任何一次失衡都會擴大磨輪主軸的影響。在磨削的過程中，外觀的保養(yǎng)是通過最大限度的增大晶圓旋轉(zhuǎn)速率來優(yōu)化的，即使這會稍微加重所測量的表面的粗糙度。以上所表了一種妥協(xié)；使用現(xiàn)在的配置和工具，最好的表面粗糙度大約是10納米Ra，它能夠在非常低的工件旋轉(zhuǎn)率( 1 rpm)條件下獲得，即使這樣做會使外觀的保養(yǎng)更糟糕，這都是因為要突出外觀的循環(huán)模式。
圖10 200毫米晶圓的表面 - 15納米RA。
超精密磨床645工作面
表1.修整參數(shù)
修整輪型鍍輪 ZD107N200g
修整輪直徑 180 mm
修整輪轉(zhuǎn)速 5100 RPM (48.05 m s_1)
供給速度為 40 微米每秒
首先磨削進(jìn)給速度 5 微米每秒
第二磨削進(jìn)給速度 0.3微米每秒
共有加工深度 20微米
砂輪轉(zhuǎn)速 2000 rpm
表2 粗磨參數(shù)
輪式46米樹脂 VD46-C75-B117
車輪直徑 370 mm
輪速 2000 rpm (38.75微米每秒)
進(jìn)給速度 150微米每秒
首先磨削進(jìn)給速度 2微米每秒
第二磨削進(jìn)給速度 1微米每秒
第三磨削進(jìn)給速度 0.5微米每秒
共有加工深度 15微米
工作速度 10 rpm
表3 精細(xì)研磨參數(shù)
輪式6 / 12，樹脂結(jié)合劑 AD6/12-C75-B118
車輪直徑 305 mm
輪速 1800 rpm (28.75微米每秒
進(jìn)給速度 80微米每秒
第一磨削進(jìn)給速度 1微米每秒_1
第二磨削進(jìn)給速度 0.2微米每秒_1
第三磨削進(jìn)給速度 0.05微米每秒1
共有加工深度 8微米每秒
工作速度 200 rpm
7 機器的評估
晶圓端面磨床產(chǎn)生了一些令人印象深刻的結(jié)果，由于該方案的時間短，進(jìn)程的發(fā)展很有限。
8 方案的研究
這臺機器目前正在克蘭菲爾德大學(xué)精密工程實驗室進(jìn)行最后的調(diào)試，包括下面列出的一些方案的研究，已確定這將有利于從研磨機直接加工的可行性。
8.1 微加工與壓電陶瓷
例如鉛壓電陶瓷的鋯基鈦酸系統(tǒng)提所供的能力，和高精度高剛度能力所產(chǎn)生的耦合運動高力。
8.2 監(jiān)測過程中磨削表面的完整性
這項計劃的目的是優(yōu)化磨削參數(shù)材料而使切除率最大化，同時為了確保韌性材料去除機制占主導(dǎo)地位。
8.3 高效精密磨削的硬質(zhì)合金
這些材料中加工最困難的是硬質(zhì)合金，它是需要一種特殊的耐磨性和韌性的結(jié)合工具來加工。
9 結(jié)論
先進(jìn)材料和元器件廣泛的應(yīng)用提高了一個先進(jìn)的機械工具的廣泛可用性，機器的過程監(jiān)控和自動監(jiān)控功能將優(yōu)化工藝開發(fā)模型。
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