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长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 1 页装订线一种先进的超精密磨床兰迪斯.隆德公司的生产精密机械的克兰菲尔德部门，最近生产了一种超精密的端面磨床，该机床拥有几个自动监控功能。该公司免费给克兰菲尔德大学的精密工程小组提供机床，以便他们进行研究，特别是里外都完整的无损害的端面区部分。本文论述了机械的设计、初加工试验以及可能的研究项目。这些项目将因为这种先进的机械系统的应用而受益，系统结合了最先进的自动检测功能与控制加工过程功能。关键词：自动检测 磨削 机械设计 精密机器1 绪论生产精密机械的克兰菲尔德是 UNOVA 的一个子公司，它的专长是用先进的原料生产和制造出价格合理的机器元件，包括陶瓷、玻璃、金属互化物及硬质合金钢。克兰菲尔德大学是以工业和制造业著称的大学，它重视与工业界的密切联系，而且现在正在开展超精密的、超高速加工的机械研究项目，包括超硬材料加工、脆性材料的韧性加工以及汽车产业的精密加工。这两个团体互补的研究兴趣导致了生产精密机械的克兰菲尔德公司设计和生产了一种先进的超精密端面磨床给属于 SIMS 的精密工程研究小组。这使得该小组拥有一系列的研究项目，特别是对于里外都完整的无损害的端面区部分。原料的纳米分散加工及控制被看作是一种中期至长期解决成本和时间问题的方法，这两个问题折磨着电光学与其它精密零件的制造。例如：易碎原料的延展抛光能够提供光滑的表面，事实上，它比一般的材料拥有较高的平滑度和外形精确度1 。更重要的是 ,一个球表面很少或没有经历表面下的损伤,因此消除了联合传统抛光进行后续抛光的步骤。许多的“微小精密”产品(如半导体、光纤通信系统、计算机辅助系统等),以及较大的被航空、汽车等应用的元件的性能越来越依赖于更高的几何精度和微-纳米表面。最近,汽车工业已经显示了未来对元件表面的要求，它需要具有几个关键的传输元件，这种传输性能属于光学性质,它的目标是用 10 纳米的 Ra 表面经济地完成对硬钢的直接机械加工，而且无需对硬钢进行抛光。玻璃和陶瓷有无损害的表面，硬钢有光学性质表面，这种条件是非常严格的，它需要(a)一系列的机械工具，它们不是一般的最好的长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 2 页装订线生产工具，例如，精度高、运动顺畅、环硬度高2；(b)辅助设备的加入，人、特别是为了适应特殊的应用，例如砂轮的打磨维修和调节；以及(c) 使用正确的磨削技术（许多的变量车轮的型号；冷冻剂；速度；供给等） 。所有的条件都必须被满足，现在能够满足这些条件的晶圆磨机器已经生产出来。2 目标为了满足上面所提及的表面完整性和生产率的要求,这些要求适用于一系列的元件,主要的发展目标包括:1） 一个有高标准（上表面和下表面）完整性的较大的元件产品的机械加工效率2）对易碎材料(眼镜、陶瓷)优先选择柔软的方式进行机械加工3）一个只有一个设置的单一过程来取代典型的三级研磨、腐蚀和抛光过程，能够实现更高的生产率。3 过程这个过程的一个主要要求是它应该能够在 350 毫米直径元件上进行极度平滑表面加工的能力。而且,表面应该是光滑的(小于 50Ra)以及有最小的表面损伤。理论上，其表面的性质应接近于抛光表面的性质。为了满足这些严格的要求，旋转磨削已被应用。旋转磨削的特性是它不像传统的表面抛光，它有一个恒接触长度和恒切削力。如图 1 所示的磨削原理。砂轮、工件的旋转以及砂轮的轴供给去除工件的表面余量，直到达到它的最后几何厚度。4 本机 该进程和组件的较高要求需要质量非常高的环刚度机。 研磨机（图 2）面的设计目标是： 长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 3 页装订线图 1 关于研磨作业问题 1. 要求为达到亚微米亚表面损伤，环刚度应该优于 200 N /m_1 具有良好的动态阻尼。 2. 要实现总厚度 变化（TTV）的 0.5 m 公差，控制间距（轮部件的表面）应该大于 0.333 弧秒。 3. 要实现亚微米亚表面损伤，切深度控制应该优于 0.1 m。 4. 需要轴向误差议案实现亚微米亚表面损伤,锭数应该优于 0.1 m。5. 测量与反馈元件厚度为 0.5 m，以达到微米的厚度公差。在地面几何平面取决于相对位置的砂轮和旋转轴工件。图 3 显示的相对运动和机轴。共有 11 个轴，再加上三个数字遥控加载项（未显示） ，随动控制下的所有驱动。它们是： S1 磨削主轴 C Workhead 主轴 Z 进料 X 砂轮 S2 修整主轴 W 轴修整 A 倾斜间距 B 倾斜偏航 S3 驱动洗刷 P 探头厚度 洗刷臂如下所述，平面精确度可以由旋转轴加上旋转的叠加有适当的主轴路线方法实现。此外，这原型研究纳入机受益于以下国家的最先进的自动功能 监督和加工过程的控制。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 4 页装订线4.1 调整工件和磨削 转动平衡性 因为地面几何表面可描述几何方程，这两个旋转轴 S1 和 C 中一相对对齐（图 3）已进行简化。研磨进程需要平面砂轮和工件的平面要保持作为 Z 轴进给的应用之间的特定角度。这是典型的多角度小于 1 度，使得工件和车轮接近于平行。这个角度是由三个测量 LVDT 的监测传感器，测量位移之间的磨主轴防护外罩，并就精密加工表面外罩。该测量传感器放置在磨削主轴外罩周围，大约从中心等距离轮子的主轴在车轮平面轴，处于已知的分离位置。从这些传感器的信息是返回到控制系统修改控制的 A - （节距） ，B 组， （偏航）和 Z -（料）轴。这是一个具有独特的保持工件平整度功能的机器，它减少和亚表面损伤工件表面光洁度并且提高了磨削力。这扭曲影响磨削主轴 workhead 路线，而当时生产非平坦表面。按照常规机械通过机械调整对齐和依靠力量和挠度一般可以均衡。然而，如果在这台机器的工艺条件变化时，将会自动校准补偿。这可以通过优化以适应材料和车轮条件在控制系统软件的变化。 如图 4.所示为 Z 轴伺服控制功能框图 超精密磨床 641 工作面 图 2. 面对磨床长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 5 页装订线图 3. 轴的名称图 4 Z 轴功能框图4.2 砂轮 粗加工和精加工的车轮是通过对一个轴的专利系统同心安装,其中包括一前进/收回机制的粗加工轮，如图 5.所示 。为了最大限度地组成生产量， 将运用第一轮来获得高的材料去除率。进行细粒度砂轮整理，然后用获得成品尺寸和表面完整性。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 6 页装订线图 5 单轴双滚轮系统4.3 检测砂轮联系 声波放射（AE）传感器用于建立初始 砂轮之间的接触和组件。由于建立第一个接触到非常精细的限制的重要性，当完成磨削，环传感器是用于workhead 和磨削主轴。这些都非常敏感，在主轴的正对面，靠近信号源。对机砂轮修整装置主轴也是以使声波放射传感器“触摸衣”磨轮。 4.4 磨削力自动测量 通过磨削力测量传感器内放置力循环以远离外部力量，例如丝杠螺母，及其相关的摩擦。测量研磨力度给出了砂轮磨损很好的体现。4.5 测量砂轮磨损以及构件厚度 砂轮磨损监测组件一起的厚度。一个特别设计的铁砧和 LVDT 探头集会用来衡量组成部分的厚度。这是所做的最初基准到铁砧和探针的多孔陶瓷真空吸盘面临哪些组件是固定的。 在测量元件厚度时，砧是在同一滑道为探针，接触卡盘基准与 LVDT 的探头使得与面对面接触组成部分，从而使一厚度测量。磨削车轮磨损，可读出的位置 Z 轴以及与这夹头面对基准的地位并且热增长是衡量涡流探头对安装在工作砂轮和磨削主轴。任何增长都会由自动补偿调整相对两锭的位置。 4.6 辅助功能 本机还具有对机械零件和设施夹头清洗也是从 workhead 主轴上自控装卸长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 7 页装订线能力来进行自动加载和卸载部件。 5 机器调试机器的服务包括空气供给、研磨液供应和电机冷却供给以及三相电供给。空气由一个高性能的供应空调系统,它提供清洁干燥的空气在 13 条超过 5000 l min-1。内面磨床耗气量约为二零零零升每分钟，其余为各种空气净化和清洗系统。这个超精密空气轴承运行所需要求空气过滤和零下 40 摄氏度的温度。循环冷却水的供应是由压力泵提供的。由循环水冷却供应。这是泵 45 条在流率达 100 磅 min/1。冷却剂是分配给各冷却液喷嘴单个控制下,机械加工的要求。用于冷却收集,然后送入主要冷却水箱,通过一个未燃尽的泵。有些水性碎片(工件和砂轮的残留)解决下,其余的是在这里拆卸过滤到不同的阶段。服务提供过程中需要一种控制流体分布,连同适当的安全联锁和监控系统。5.1 控制系统控制系统分两部分,基于一个行业标准可编程序控制器(PLC)和精密数控系统。机器的 I / O 在一个分布式系统伺服器里。双绞信号电缆控制了一个光纤环。采用的 PLC 程序需要小修改调试,大部分调试集中在进一步发展的数控程序中,特别是磨感应,打磨维修及研磨作业。5.2 机器研磨前准备在研磨作业中评估系统能力的重要参数：1.机器的系列2.平衡的主轴3.车轮的条件4.冷却剂的应用5.控制机器的运动这是解决对磨削表面粗糙度最主要的因素。5.3 机器运行路线在机床制造商已经对大多数机器系列进行了精确计量检定，这些是已经证实的。然而,临界对齐数据(对齐轴和磨轮主轴轴心)已经丢失,自从磨轮主轴被删除后,这台机器已经被搬离精密工程实验室。这个对齐数据必须重新利用微长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 8 页装订线型车，用电涡流探测器(测量范围广大约 6 微米)安装在磨轮主轴的面罩上。一个特殊目的是，把对齐的工作轴装在跳面板上。测量距离变化的探针从功能上调整,这两个轴连接的纺锤都独立的旋转,允许角对齐的两锭轴,采用最小二乘法利用多参数诊断法。图6 磨床主轴受横向外力的时振幅图 7 磨床主轴受纵向外力时的振幅5.4 车轮平衡本机配置使这个磨轮主轴自动平衡。这包括使机器适应自动选择磨轮。对这个磨轮主轴进行分割,包括两个同心圆粗糙度和细粒度、让粗糙的轮子有稍大点的直径。粗轮子可以自动选择平行滑动的主轴轴心,在空中由活塞控制,包括两联轴器。这两种结构,用粗、细轮选中,在稍微不同的失衡的时刻,通过自动平衡来补偿。图 6 和图 7 数据显示的是振幅和相位发生反应平衡(位移）传感器在水平方向,位于磨轮主轴的轴颈,沿 X 轴显示,包括位移磨轮主轴转动速率。在 Y 轴长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 9 页装订线代表了当时实际峰峰值位移和研磨主轴的转速。获得这些数据后，机床可以自动调整主轴平衡。在 1200 转左右（或 20 赫兹）时可以看到机床有一个很强有力的共振响应。图 8 振幅的反应平衡，在位移传感器的垂直方向，完全没有了共振峰。随后的数据显示，该共振源是在“B”倾斜砂轮轴上（垂直轴） ，如图3 所示，这只是一个水平方向的传感器。这个图说明车轮平衡也是至关重要的。图8 磨床主轴垂直方向的平衡力的振幅 图9调整主轴受横向平衡力的振幅图 9 所示的是水平的响应,主轴精细的平衡。在转速达到 4000 转（或者 67赫兹）是，在水平方向同样有一个明显的振动。这个主轴安装在 X 轴上，而振动也发生在 X 轴上。再一次说明这是源于运动系统驱动方向。虽然修正了主轴的外观，但是对于磨削主轴平衡性能来说还是有一定得影响。平衡运动要将一个小规模的循环对应砂轮,而这也就会反过来影响研磨质量。5.5 车轮条件这台机器上，轮子的形式是通过整形传授操作的，条件是保持车轮的状态，通过以后的敷料，在修整业务之间的操作相对较少。5.6 冷却剂的应用把相当大的力集中对准冷却液喷嘴，是为了提供足够的冷却剂进入磨削界面。在这里，磨削弧的接触是那么长，大约在 200 毫米一个 200 毫米晶圆，这是个特别重要的地方。5.7 运动控制通过新磨例程和复杂的运动剖面，来制定磨削。一个完整的周期包括晶圆研磨粗略的初步研磨，由每个研磨阶段研磨完成后，工作和磨削主轴被设置为长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 10 页装订线旋转，然后应，冷却液。磨削主轴在检测工作结束后，迅速进入到声发射传感器触摸。然后迅速减速，此外主轴，在三个阶段，保持较低的进给速度。最后，经过一住（火花出）时，磨削主轴收回。这种材料的加工序列很复杂，同时促使运动的 A 和 B 轴倾斜。完全平面磨削下，跌可能会导致的结果是非平面研磨。为了实现在完成平面的表面上看来，小角度之间必须是主轴的第一次接触轴，而且这个角度在逐渐减少到零（名义上） 。进一步修改议案的进料来实行这三个点测量结果，其中监视器，在进程中，高静磨削力会挠度本机。该测量仪测量，要求整个研磨过程修改主轴之间的角度。6 初步磨削试验初步磨削试验是在单晶硅上进行的，使用直径为 200 毫米的圆片。初步磨削试验中所用的参数是依据大范围的硅磨削研究实验而选定的。车轮速度是依据所产生的机械共振最小而选定的（如图 6 和 9 所示） ，即砂轮转速 2000 转每分，修整轮转速 5100 转每分，同时仍保持足够的磨削效率。对于粗磨而言，总磨削深度的要求是根据消除晶片上任何冲溅的需要而设定的，而对于修整而言，则是根据消除在粗磨过程中产生的亚表面损伤的需要而设定的。相对修整轮速也相应设定，以便避免一个非整数比。修整，粗磨和精磨的参数如表 1-3所示。一个轮廓形式跟踪表明，在粗磨操作中获得的的表面粗糙度约 200 纳米。其他测量表明亚表面损伤深度约 5 微米，正是这种亚表面损伤深度支配着精磨操作的加工磨削量的总额。 在这些初步加工试验中，表面加工完成后晶片表面的外观十分好（图 10） 。非常微弱的“残影”弧形线条是可辨别的，尽管它们在轮廓追踪中不明显，在照片中也不可见。 然而，他们所做的显示了一种循环模式，这是砂轮旋转速度和工件的旋转率的一种结果，即它们的结果是任何一次失衡都会扩大磨轮主轴的影响。在磨削的过程中，外观的保养是通过最大限度的增大晶圆旋转速率来优化的，即使这会稍微加重所测量的表面的粗糙度。以上所表了一种妥协；使用现在的配置和工具，最好的表面粗糙度大约是 10 纳米 Ra，它能够在非常低的工件旋转率( 1 rpm)条件下获得，即使这样做会使外观的保养更糟糕，这都是因为要突出外观的循环模式。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 11 页装订线图 10 200 毫米晶圆的表面 - 15 纳米 RA。超精密磨床 645 工作面表 1.修整参数修整轮型镀轮 ZD107N200g修整轮直径 180 mm修整轮转速 5100 RPM (48.05 m s_1)供给速度为 40 微米每秒首先磨削进给速度 5 微米每秒第二磨削进给速度 0.3 微米每秒共有加工深度 20 微米砂轮转速 2000 rpm表 2 粗磨参数轮式 46 米树脂 VD46-C75-B117车轮直径 370 mm轮速 2000 rpm (38.75 微米每秒)进给速度 150 微米每秒首先磨削进给速度 2 微米每秒第二磨削进给速度 1 微米每秒第三磨削进给速度 0.5 微米每秒共有加工深度 15 微米工作速度 10 rpm长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 12 页装订线表 3 精细研磨参数轮式 6 / 12，树脂结合剂 AD6/12-C75-B118车轮直径 305 mm轮速 1800 rpm (28.75 微米每秒进给速度 80 微米每秒第一磨削进给速度 1 微米每秒_1第二磨削进给速度 0.2 微米每秒_1第三磨削进给速度 0.05 微米每秒 1共有加工深度 8 微米每秒工作速度 200 rpm7 机器的评估 晶圆端面磨床产生了一些令人印象深刻的结果，由于该方案的时间短，进程的发展很有限。8 方案的研究这台机器目前正在克兰菲尔德大学精密工程实验室进行最后的调试，包括下面列出的一些方案的研究，已确定这将有利于从研磨机直接加工的可行性。8.1 微加工与压电陶瓷例如铅压电陶瓷的锆基钛酸系统提所供的能力，和高精度高刚度能力所产生的耦合运动高力。8.2 监测过程中磨削表面的完整性这项计划的目的是优化磨削参数材料而使切除率最大化，同时为了确保韧性材料去除机制占主导地位。8.3 高效精密磨削的硬质合金这些材料中加工最困难的是硬质合金，它是需要一种特殊的耐磨性和韧性的结合工具来加工。9 结论先进材料和元器件广泛的应用提高了一个先进的机械工具的广泛可用性，机器的过程监控和自动监控功能将优化工艺开发模型。长 春 大 学 毕业设计（论文）译文纸共 14 页 第 13 页装订线参考资料1. 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