超精密研磨技术的现状及发展趋势

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；Nanopoli-100智能型研磨抛光机；发展动向；超精密研磨IntroductiontoUltra-precisionLappingTechnologyandDevelopmentFANGHai-sheng，HUDi-xin，DENGQian-fa，YUANJu-long12Abstract：Thearticleintroducesthecurrentresearchstatesofultra-precisionlappingtechnology。Theprinciple，ap-plicationandpredominanceoflappingtechnologyaswellasthenanointelligentpolishingmachinebasedonin-linedressingtechnologybycorrectionringandintelligentcontrolling。Combiningwithuptodatereachachieve2ments，theauthorsputforwardthehighaccuracyandefficiencydevelopmentdirection。Keywords：lappingtechnology；ultra-precision；development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4。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56，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7。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2耕犁2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89。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10。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

弹性发射加工装置(ElasticEmissionMachining，EEM)见图2。发明者Mori和Tsuwa1描述，它是一种新的“原子级尺寸加工方法”。EEM使用软(在微小压力下很容易发生变形)的聚亚胺酯球作为抛光工具(研磨工具)，同时控制旋转轴与加工工件的接触线保持在45°角。抛光时，垂直工件方向施加载荷，并且保持载荷是1个常量。EEM采用亚Lm尺寸微粉，微粉与水混合。通过强迫微粉在旋转的聚亚胺酯球表面下方与工件间距(近似1Lm，也就是大于研磨微粉尺寸)加工工件2。通过采用多种方法如光干涉测量、扫描隧道显微测量和加工面电压测量等，观测被加工表面，证实EEM可使加工件具有“包括几何形状和表面形状完美的表面”34。他们得出结论：EEM加工中的化学作用是研磨微粉表面的化学作用(不同于化学蚀刻加工时的蚀刻剂)5。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2EEM装置示意图3.2磁流变加工

Kordonski6二十世纪八十年代中期发明的磁流变抛光(Magneto2RheologicalFinishing，MRF)是利用磁性流体的特性来改变其在磁场中的粘性进行抛光的技术，其工作机理见图3。含有去离子水、铁质微粉、磨粒和经处理过的其他物质的磁流体由泵驱动，稳定循环，在有磁力作用地方表现为固体形式，而在其他地方表现为液体形式。磁流体的这2种形态在循环中会交替出现。

图3磁力研磨图采用这种方法加工，能够保持非常稳定的去除能力。材料的去除量与磁流体粘度有关，可对其粘度进行不断地监控，使之保持在±1%范围内，因而它是1个可控的加工方法7。3.3在线修整固着磨料研磨方法

固着磨料高速研磨是先将散粒的磨粒固结起来制成丸片，再由丸片制成不同形状的磨具，其构造如图4(a)，图4(b)所示。

图4固着磨料丸片段及磨具

固着磨料加工可以显著提高研磨加工效率。但是当磨具在研磨中出现磨损时，需要及时修整磨具，否则会因其精度下降，导致被加工件精度相应下降。通常在固着磨料研磨的磨具表面上固结极耐磨的磨料，这使得磨具的修整十分困难。

最近Kim.D.J8等针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂轮(Acastironbondeddiamond(CIB2D)wheel)采用电解加工过程修整法(ElectroilticIn2pro2cessDressing，ELID)实现磨具修整。其结构原理如图5所示。这种过程修整法可以在研磨加工过程中控制磨粒锐度，使磨具保持高速研磨能力。采用ELID方法超精密研磨硬质合金和光学玻璃，表面粗糙度Ra分别达到10.7μm，16.7μm。

图5过程修整研磨装置图4

纳米级研磨装置

纳米级平面研磨已成为各种信息、光学等元件基片最常用，也是最重要的加工方法。在传统的研磨或抛光机上，用硬质研磨盘或软质抛光盘进行纳米级平面研磨或抛光时，由于盘面的变形和磨损会引起工件平面度恶化，因此，通常需凭工人的经验频繁地将研磨盘或抛光盘在标准平面上进行手工对研，以修正抛光盘面的变形，实现纳米级的平面加工。为了尽可能降低对工人熟练程度的要求、减小工作量和避免人为因素对加工过程的影响，从设计原理上提出了一种修正环型平面抛光加工方法(中国专利，CN93108137.8)，其原理如图6所示。1-修正环(可调)；2-滚动件；3-抛光面；4-修正环；5-压载物；6-工件；7-平面夹；8-标准砝码；9-斜砝码图6修正环型抛光原理

基于这一方法，一种采用修正环在线修整抛光盘技术及专家数据库系统控制的智能型纳米级抛光机被研制出123，如图7所示。修正环在线修整技术可长期保证抛光盘平面精度，专家数据库智能控制系统可实现抛光机纳米级及亚纳米级的加工精度45678。

图7智能型纳米研磨装置(nanopoli-100)5总结和展望

今后超精密研磨技术将朝着高精度、高效率的方向发展，这一趋势体现在2个方面：其一是超精密复合加工方法的出现，如化学机械抛光、电解磁力研磨、超声珩磨等，通过多种材料去除机理的协调作用提高加工精度和加工效率；其二是半固着磨粒加工技术的出现，如日本秋田县里大学吴勇波教授提出的磁性抛光体(Magnet