超精密磨削（共5篇）
超精密磨削 篇1
0引言
现代新产品新工艺的出现对工件表面质量提出了越来越高的要求,磨削是一种广泛应用于精加工的技术,随着科学技术的不断发展,精密与超精密磨削的技术指标也在不断发生变化。精密磨削是指加工精度介于0.1 um～1 um、表面粗糙度为Ra0.1 um～Ra0.16 um范围的磨削;超精密磨削是指加工精度小于0.01 um、表面粗糙度小于Ra0.01 um范围的磨削技术[1]。目前超精密磨削已经达到纳米级工艺阶段。本文就精密与超精密磨削所涉及的关键技术进行探讨。
1精密与超精密磨削机理研究
精密磨削是将金刚石或立方氮化硼等具有高硬度的磨料砂轮进行精细修整,使磨粒在具有微刃的状态下进行加工而得到低的表面粗糙度参数值。微刃的数量很多且具有很好的等高性,因此被加工表面留下的磨削痕迹极细,残留高度极小。与普通磨削相比,超精密磨削具有如下特点:
(1)极小量切除。超精密磨削是一种切削量非常小的磨削,磨削深度可能比晶粒的尺寸还小,因此磨削在晶粒内进行,要使磨削顺利进行,必须使磨削力大大超过晶粒的结合力,甚至可以达到材料的剪切强度[2]。同时,磨粒在磨削时产生高温和高压,因此磨粒材料要选取高温性能好、硬度大的材料,如金刚石、立方氮化硼等。
(2)连续磨削。在磨削初始阶段,砂轮与工件相接触,慢慢切入,此时砂轮的切深少于工件的减少量,即砂轮与工件形成一个弹性变形的阶段;砂轮逐渐切入时,砂轮切深与工件减少量的差值逐渐减少,最后砂轮的切深等于工件的减少量,即砂轮达到稳定磨削阶段;接下来,随着砂轮切深的加大,最后达到加工值,加工完成。该加工的整个过程为一个连续磨削的持续过程,这种磨削要求机床刚性高、磨削量小、砂轮修锐量好。
随着磨削建模和计算机仿真技术的发展,对磨削机理的研究更加深入,人们可以对加工过程在计算机上进行仿真与数值计算,进而对磨削加工做出有效的预测与评估。目前,通过建立砂轮模型,在已知磨削运动和磨具参数、磨削振动及磨削力等初始条件下,对磨削形成过程、磨削力与磨削区温度变化、磨削精度和表面质量进行仿真,进而可以模拟再现整个磨削过程,并最终分析和预测在特定加工条件下的加工精度及效果。
针对不同工程材料,国内外也开展了有关精密及超精密磨削的磨削机理与工艺的研究,但研究面较窄,没有建立起独立完整的理论体系,所以今后的研究重心主要集中在:①各种常用材料的磨削机理研究;②磨削加工工艺参数优化研究;③磨削全过程、磨削力、磨削温度的研究;④磨削加工的计算机仿真与模拟研究。
2精密与超精密磨削磨具技术
随着航空航天、汽车及高精密模具制造所涉及的新型材料的加工需求及其应用,使CBN和人造金刚石砂轮等精密磨具有了更多的用武之地。精密磨削的加工方式根据要求及加工条件的不同,主要有超精密砂轮磨削和超精密砂带磨削、ELID磨削、超硬材料微粉砂轮磨削、超声振动磨削、电泳磨削及双断面精密磨削等[3]
实际生产中应用最为广泛的是精密砂轮磨削,其加工的主要对象包括陶瓷、玻璃、黑色金属等硬脆材料。精密磨削中砂轮的材料有立方氮化硼(CBN砂轮)、人造金刚石、蓝宝石等硬度极高的磨料[4],此外还有新型陶瓷磨料及微晶刚玉砂轮等。
在精密磨削加工中,砂轮修整技术是保证零件加工质量的关键。砂轮的修整会直接影响被磨工件的表面质量、生产成本及生产效率,是目前普遍的一个技术难题。修整主要包括修形与修锐两部分。修形是使砂轮达到特定的几何形状;修锐是将磨粒间的结合剂去除,以保证有足够的容屑空间和切削刃。目前,超硬材料砂轮的修整方法主要包括电解加工整形、电火花整形、杯形砂轮整形、气体喷砂修锐、超声振动修锐和弹性修锐。也可以将这两种技术及其以上修整复合在一起,如电火花—超声修整、电火花—化学修整等。
对新型高精密砂轮进行设计与制造,需要考虑砂轮的截面形状及其优化、粘结剂的种类和应用场合、砂轮的制造工艺及选取的基体材料等,其中需重点攻克的技术难题有:①砂轮新型粘结剂的试验研究与开发;②选择合适的基体材料进行制造工艺的开发与优化;③研究新型砂轮的制造技术,在满足砂轮充分容屑空间的同时保证其良好的凸出性;④新型磨料制备工艺研究,如可使磨料容易产生新切削刃的加工方法;⑤适合于超精密磨削的超微粉砂轮制备技术等。
3精密磨削加工设备及基础零部件技术
进行精密及超精密磨削加工的主要设备有超精密磨削机床、各种研磨机等,对于这些加工设备要求其具有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化等特点。基础零部件技术包括高精度主轴单元制造技术及精密进给单元制造技术。
3.1 主轴单元
适应于高精度、高速度磨床的主轴单元是磨床的关键部件。主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等部分,其性能的好坏对系统的加工精度、应用范围及加工稳定性有着较大的影响,尤其其动力学特性在加工过程中起着至关重要的作用。
提高效率,保证主轴能快速升降,从而可以快速定位到加工准确位置,因此要求主轴具有较高的角加速度。目前,在高速高精度主轴结构上主要采用交流伺服电机进行直接驱动的集成方式。其有两种方案:①将转子与主轴连成一体;②采用电机与主轴通过联轴器直接相联。现在,大多数高精度高速机床采用了内装式电主轴的结构形式,即将变频电机和机床主轴合为一体,而主轴的变速完全通过控制交流电的频率来完成。
国内外用于高精度高速加工的机床主轴轴系的轴承主要有陶瓷球轴承、动静压轴承、静压轴承、气浮轴承及磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时,且无法承受较重负载。磁悬浮轴承支承的电主轴寿命长,但由于对主轴的支撑刚度较低,难以用于磨削加工。静压轴承抗过载能力低,难以推广应用。液体动静压轴承则集中了动压轴承及静压轴承的优点,刚性好,精度高,在理论上具有无限寿命,应用前景很好,但目前的理论模型多是针对层流、不可压缩物体的粘度假设,范围较窄,有待于进一步研究。
对于超精密磨削加工而言,由于要求主轴单元系统具有刚性好、精度高、加工稳定性好、散热好、故障少等特点,因此在成本适中的条件下,对主轴的制造精度、主轴轴承结构方式、主轴的润滑和冷却系统、底座及主轴刚度等提出了更高的要求,主轴单元的静刚度和工作精度对磨床精密加工性能有很大的影响。磨床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
3.2 进给单元
进给单元是评价精密及超精密磨床性能的重要指标之一,也是使砂轮保持正常工作的必要条件。在精密和超精密磨削加工中,进给单元是影响精度的重要部件,由于其分辨率高,运转灵活,同时又具有较高的定位精度,加工时需要小进给或者微进给,而在空行程时又能够快速进给,有较大的加速度和推力,并且主轴单元系统刚性好,反应速度快,回转精度高。
由交直流伺服电机与滚珠丝杠组合的轴向进给方案是目前国内数控机床普遍采用的方式。基于高精密加工的要求,越来越多的国内外机床厂家采用直线伺服电机直接驱动技术,通过高性能的直线伺服电机结合数字控制技术,可以获得较高的尺寸精度与表面质量,从而满足加工要求。
4磨床支承技术及辅助单元技术
数控机床支承技术在精密机床的设计中占有非常重要的地位,它主要涉及磨床支承构件的研究开发与加工技术。相应的辅助单元技术则有夹具技术、加工主轴及砂轮的动平衡技术、机床冷却润滑液系统、机床安全装置、加工切屑处理及工件清洁技术等。
在磨床部件中,磨床支承构件主要包括砂轮架、头架、尾架、工作台等起支撑作用的基础件,要进行高精度加工,要求它具有良好的动刚度、静刚度及热刚度。在一些精密及超精密磨床设计中,为了提高部件的刚度,国内外多数采用聚合物混凝土制造床身和立柱;还有采用钢板焊接件,并将阻尼材料填充其内腔以提高抗震性;也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成,这些都收到了很好的效果。
在精密磨削领域,应在以下几个方面进行重点研究:①新型材料及结构的支承件优化设计及其制造技术研究;②磨削液过滤系统的研究;③砂轮动平衡技术研究;④精密自动跟刀架及支承件的研究;⑤安全防护装置设计制造技术的研究。
5精密磨削测量技术及误差补偿技术
精密检测是精密和超精密磨削的必要条件,实现加工过程的自动监控和误差补偿,以使制造系统长期保持高效率、高可靠性和低成本的运行状态。精密磨削监控检测技术多采用传感器进行信号的分析处理,对加工的整个过程实现实时监控,例如实时监控砂轮的磨损及破损情况以便及时更换砂轮,检测及监控工件的加工精度与表面质量等。目前,在超精密磨削加工领域,尺寸测量主要有两种技术:激光干涉技术和光栅技术[5]。
激光干涉仪分辨率高,最高可达0.3 nm,一般为1.25 nm;其测量范围大,可达几十米。由于激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大,因此该测量方法对环境要求很高。
光栅在近年来被越来越多地选作为测量工具。从分辨率来看,北京光电量仪研究中心的光栅系统分辨率可达0.1 nm;精度上,Heidenhain的LIP401的准确度为±0.1 μm,LG100光栅系统分辨率可达0.1 nm,测量范围100 mm,精度±0.01 μm。单从分辨率和精度上看,光栅技术可以和激光干涉技术相媲美,同时对环境要求相对较低,可以满足精密磨削加工的使用要求,是一种非常有前途的精密测量工具。
当加工精度高于一定程度后,如果仍然从采用提高机床的制造精度、保证加工环境的稳定性等误差预防措施来提高加工精度,将会使成本极大地增加,得不偿失。而取而代之的是误差补偿措施,即通过消除或抵消误差本身的影响来达到提高加工精度的目的。国内外的一些著名精密磨床,采用了误差补偿的方法,取得了很好的效果。
6结束语
实现超精密磨削,不仅需要超精密的磨床和砂轮,也需要超稳定的环境条件,还需要运用计算机技术进行实时检测,反馈补偿,只有将各领域的技术集成起来,才有可能实现。随着磨削在切削加工中的比重日益增大,精密与超精密磨削的应用将越来越广泛,这将在极大程度上提高我国机械制造业的发展水平。
参考文献
[1]冯薇.精密与超精密磨削的发展现状[J].精密制造与自动化,2009(2):8-9.
[2]杨江河,程继学.精密加工实用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]盛晓敏,邓朝晖.先进制造技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[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,2004,(12):43-45.
[5]文秀兰,林宋,谭昕,等.超精密加工技术与设备[M].北京:化学工业出版社,2006.
超精密磨削 篇2
（一）基本描述
课程名称：精密和超精密加工技术
英文译名：Precision and Ultraprecision Machining Technology 课程学时：30 讲课：28
实验：2
上机：0 适用专业：机械设计制造及其自动化 开课教研室：机械制造及其自动化系 开课时间：第七学期
先修课程：机械制造技术基础、测试技术与仪器、机械制造装备设计 主要教材及参考书：
1.袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》，机械工业出版社，1999年
2.王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社，2001年 3.刘贺云、柳世传编《精密加工技术》，华中理工大学出版社，1991年
（二）课程的性质、研究对象及任务
精密和超精密加工技术是机械制造学科的专业课。本课程研究对象是精密和超精密加工技术的基本理论、加工工艺、加工设备、测量技术及环境技术等。本课程的主要任务是培养学生：
1、建立起精密和超精密加工技术的基本概念，了解精密和超精密加工技术的应用范围。
2、掌握精密和超精密加工技术的基本理论和基本技术，具有选择和应用精密和超精密加工工艺和设备的基本能力。
3、了解精密和超精密加工技术的最新发展趋势，新理论和新技术。培养学生在相关技术领域从事精密和超精密加工工作和研究的能力。
（三）教材的选择与分析
精密和超精密加工技术是一门正在不断发展的新技术，国内外有关的教材和书籍不是很多，一些专著也不完全适合作教材。目前国内可供选择的教材有：袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》，机械工业出版社；王先逵编《精密加工技术实用手册》，机械工业出版社；刘贺云、柳世传编《精密加工技术》，华中理工大学出版社。
1.袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》一书，是目前国内现有精密和超精密加工技术教材中比较权威和使用广泛的教材，该书比较系统地总结了国内外精密和超精密加工技术，涉及的面较广，其内容有相当的深度和权威性，被许多其它学校使用，并多次再版。在目前情况下是一本比较合适的教材，但不足之处是编写的时间较早，未能反映精密和超精密加工技术最新的发展情况，有些内容不够系统，需要在讲课时补充部分内容。根据现在的情况和我校的特点，我们选择该书作为教材。
2．王先逵编《精密加工技术实用手册》涉及内容较多，适合作为参考工具书使用，由于我们讲课学时所限，不适合作为教材，可以作为学生的课外参考书。
3．刘贺云、柳世传编《精密加工技术》教材于1991年由华中理工大学出版社出版，出版时间较早，不能反映精密和超精密加工技术的新发展，内容基本上被袁哲俊、王先逵主编《精密和超精密加工技术》一书所包括，可以作为学生的课外参考书使用。
（四）本课程各章的主要内容与基本要求、重点与难点、学时分配
第1章 精密和超精密加工技术及其发展展望（2学时）
精密和超精密加工技术的重要性、现状及技术发展展望。基本要求：
搞清楚本课程学习的目的、主要内容和方法；了解精密和超精密加工技术的基本概念、应用范围和重要意义、精密和超精密加工技术的现状及发展趋势。
重点与难点: 精密和超精密加工技术的基本概念及研究、应用范围。第2章 超精密切削与金刚石刀具（4学时）
切削参数选择，金刚石刀具的性能、设计与制造，切削变形和加工质量的影响因素。
基本要求：
了解使用金刚石刀具进行超精密切削的基本规律、超精密切削对刀具的要求及金刚石刀具的性能、设计与制造，单晶金刚石刀具的磨损破损机理。
重点: 1）使用金刚石刀具进行超精密切削的特点和基本规律。2）超精密切削的机理和对金刚石刀具性能的要求。3）金刚石刀具的设计制造。4）金刚石刀具的磨损破损机理。难点: 1）切削参数对加工表面质量的影响规律。2）金刚石的晶体结构及刀具晶向的选择。第3章 精密和超精密磨削（4学时）
精密和超精密磨削概述，精密磨削，超硬砂轮磨削，超精密磨削，精密和超精密砂带磨削简介。
基本要求：
1）了解和掌握精密和超精密磨削的基本原理。
2）掌握超硬磨料砂轮磨削的特点、砂轮修整方法和磨削工艺。
3）掌握超精密磨削的机理及对工艺系统的要求。4）了解砂带磨削的特点和基本原理。重点: 1）精密和超精密磨削的机理及工艺特点。2）超硬磨料砂轮磨削的特点及砂轮修整方法。3）超精密磨削对工艺系统的要求。难点: 1）精密和超精密磨削的机理。2）超硬磨料砂轮修整方法。第4章 精密研磨和抛光（4学时）
研磨抛光机理、工艺因素，采用新原理的研抛工艺方法。基本要求：
1）了解和掌握研磨和抛光加工的机理及工艺特点。2）了解影响研磨和抛光加工的主要工艺因素。
3）了解各种新原理的研磨抛光加工方法的机理、工艺特点及应用范围等。
重点:
1）研磨和抛光加工的机理及工艺特点。2）各种新原理的研磨抛光加工方法 难点: 1）研磨和抛光加工的机理。
2）新原理的研磨抛光加工方法的机理。第5章 精密和超精密加工的机床设备（4学时）
精密和超精密加工机床发展概述，典型超精密机床简介，超精密机床的主要部件及关键技术。
基本要求：
1）超精密加工对机床的技术要求、超精密机床的基本概念。2）了解超精密机床的技术特点。
3）掌握超精密机床主轴、床身和导轨、进給驱动系统等的工作原理和性能特点。
重点:
1）超精密机床的技术要求和结构特点。
2）超精密机床主轴、床身和导轨、进給驱动系统等的工作原理和性能特点。
难点:
不同工作原理的机床主要部件的性能特点及选用。第6章 精密加工中的测量技术（2学时）
精密加工中长度、直线度、圆度的测量方法，激光测量技术。基本要求：
1）了解长度、直线度、圆度的测量方法。2）了解和掌握激光测量原理和特点。重点:
1）长度、直线度、圆度的测量原理。2）激光干涉测量原理。难点:
激光干涉测量原理。
第7章 在线检测与误差补偿技术（2学时）在线检测与误差补偿方法，微位移技术。基本要求：
1）了解和掌握在线检测与误差补偿方法的原理和特点。2）了解和掌握微位移技术的原理和应用特点。重点:
1）在线检测与误差补偿方法的原理。2）各种微位移装置的工作原理 难点:
在线检测与误差补偿方法的原理。
第8章 精密和超精密加工的环境技术（2学时）
空气环境和热环境，振动环境，噪声和其它环境，精密和超精密加工的环境要求及技术设施。
基本要求：
1）了解和掌握精密和超精密加工对环境的要求。2）了解和掌握振动、温度等环境对超精密加工的影响。重点:
1）精密和超精密加工对环境的要求及措施。2）振动、温度等环境对超精密加工的影响。难点:
振动、温度等环境对超精密加工的影响。
第9章 典型零件的精密和超精密加工技术（2学时）
典型精密件的加工工艺，半导体基片、光学非球面等器件加工技术。基本要求：
了解和掌握半导体基片、光学非球面等典型器件加工技术。重点:
精密和超精密加工技术在半导体基片、光学非球面等重要器件加工中的应用。
难点:
超精密加工新工艺的综合应用。
第10章 微细加工和纳米加工技术简介（2学时）
微细加工技术的概念、加工机理及方法简介，纳米和纳米加工技术 5 概述，微机械及微机电系统简介。
基本要求：
1）了解和掌握微细加工技术的概念、加工机理及方法 2）了解纳米加工技术和微机械及微机电系统的基本概念。重点:
1）微细加工技术的概念及加工机理。
2）纳米加工技术和微机械及微机电系统的基本概念。难点:
微细加工的机理。
（五）教学环节
1．课堂讲授（28学时）任课教师必须做到下面几点：
1）认真备课，做好教案，熟练掌握课程的基本内容。
2）采用启发式、讨论式的教学方法，以学生为中心，活跃课堂气氛，调动学生学习的主动性、积极性，培养学生逻辑思维能力、分析问题能力和解决问题能力。
3）讲课思路要清晰，包括：问题的提出、解决问题的条件、建立模型、分析解决问题的思路、解题和总结等；
概念要准确，重点要突出，理论联系实际，要适时反映本学科发展的前沿理论和技术，特别是将本单位的科研成果引入课堂。
4）教学手段要完备，根据教学内容的要求，恰当运用图片、挂图、CAI课件和多媒体等。
5）教书育人，为人师表，上课精神饱满，以人格的魅力和精神气质激发学生的求知欲和思维活动。
教学组要开展以下教学活动：
1）集体备课。2）制作CAI课件。3）试讲。4）相互听课。
5）组织课堂教学检查，教学讲评。6）教学研讨，撰写教研论文。2．实验（2学时）
实验教学是培养学生的动手能力和创新精神的重要教学环节，由于条件和学时限制，安排了2学时的超精密车削和磨削实验。
实验时每组人数10人，任课教师要指导实验，并且批改实验报告，写出评语，评出成绩。
（六）考核办法
1.采用累加式考试方法
单晶硅片超精密磨削技术与设备 篇3
微电子行业是全球最大的产业,2009年全球半导体行业的年产值已达到2284亿美元。单晶硅片是集成电路(integrated circuit, IC)制造中最重要的衬底材料。IC芯片的制作过程包括四个阶段:硅片制备(wafer manufacturing)、前道制程(front-end)、晶圆测试(wafer test)和后道制程(back-end)。在硅片制备阶段,硅晶棒需要经过切片(内圆锯或线锯)、平整化、腐蚀和抛光加工以形成具有光滑无损伤表面的单晶硅片。受成品芯片制造成本因素的驱动,硅片尺寸不断增大,已由半世纪前的ϕ12.5mm增加到目前的ϕ300mm[1]。随着硅片尺寸的增大,对硅片面型精度的要求也不断提高。例如,对于ϕ200mm和ϕ300mm的硅片,要求其总厚度变化(total thickness variation,TTV)分别小于10μm和3μm。由于切片存在较大的厚度偏差、表面波纹、平面度较大和较深的损伤层[2],而后续化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)过程的去除量非常小,仅约15～25μm,因此在CMP前要应用平坦化工艺来改善硅片表面粗糙度、减小亚表面损伤层深度、消除波纹度、减小平整度与平行度。对于直径小于200mm的硅片,研磨加工是最主要的平整化方案,研磨加工一次能够同时研磨批量硅片,加工效率很高。当硅片尺寸增加到ϕ300mm时,传统的研磨加工已经很难达到TTV小于3μm的加工要求。同时,研磨大尺寸硅片时同时装片的数量大大减少,加工效率随之降低。为了应对大尺寸硅片精密加工的要求,精密磨削技术应运而生。与研磨加工相比,磨削加工具有如下优势:①采用固结磨料的砂轮代替游离磨料的研磨液加工硅片,减少了磨粒的消耗,降低了磨削液处理的难度,节约了成本;②磨削速度快,加工效率高;③自动化程度高,工艺稳定性好,控制容易;④单次磨削一片硅片,使得硅片质量的追踪控制变得更加容易和精确[3]。
在后道制程阶段,晶圆(正面已布好电路的硅片)在后续划片、压焊和封装之前需要进行背面减薄(back thinning)加工以降低封装贴装高度,减小芯片封装体积,改善芯片的热扩散效率、电气性能、机械性能及减小划片的加工量[4]。背面磨削加工具有高效率、低成本的优点,目前已经取代传统的湿法刻蚀和离子刻蚀工艺成为最主要的背面减薄技术[1]。
目前已经成功应用于硅片制备的磨削工艺有转台式磨削、硅片旋转磨削、双面磨削等。随着单晶硅片表面质量需求的进一步提高,新的磨削技术也不断提出,如TAIKO磨削、化学机械磨削、抛光磨削和行星盘磨削等。
国内外关于硅片磨削技术的综述性文章很多[2,3,5,6],但其中大部分都只针对一种或几种技术进行评述,很少有结合磨削设备对硅片磨削技术进行分析的文献。本文介绍了单晶硅片表面磨削工艺及其设备的发展历程,分析了目前广泛应用的转台式磨削、硅片旋转磨削、双面磨削等硅片磨削技术的原理、适用场合及代表性设备的特点,对单晶硅片磨削技术的最新进展以及未来的发展趋势进行了探讨。
1 单晶硅片的超精密磨削技术
1.1 转台式磨削
转台式磨削(rotary table grinding)是较早应用于硅片制备和背面减薄的磨削工艺,其原理如图1所示。硅片分别固定于旋转台的吸盘上,在转台的带动下同步旋转,硅片本身并不绕其轴心转动;砂轮高速旋转的同时沿轴向进给,砂轮直径大于硅片直径[7]。转台式磨削有整面切入式(face plunge grinding)和平面切向式(face tangential grinding)两种。整面切入式加工时,砂轮宽度大于硅片直径,砂轮主轴沿其轴向连续进给直至余量加工完毕,然后硅片在旋转台的带动下转位;平面切向式磨削加工时,砂轮沿其轴向进给,硅片在旋转盘带动下连续转位,通过往复进给方式(reciprocation)或缓进给方式(creep feed)完成磨削。
与研磨方法相比,转台式磨削具有去除率高、表面损伤小、容易实现自动化等优点。但如图2所示,磨削加工中实际磨削区(active grinding zone)面积B和切入角θ(砂轮外圆与硅片外圆之间夹角)均随着砂轮切入位置的变化而变化,导致磨削力不恒定,难以获得理想的面型精度(TTV值较高),并容易产生塌边、崩边等缺陷。转台式磨削技术主要应用于ϕ200mm以下单晶硅片的加工。单晶硅片尺寸增大,对设备工作台的面型精度和运动精度提出了更高的要求,因而转台式磨削不适合ϕ300mm以上单晶硅片的磨削加工。
为提高磨削效率,商用平面切向式磨削设备通常采用多砂轮结构。例如在设备上装备一套粗磨砂轮和一套精磨砂轮,旋转台旋转一周依次完成粗磨和精磨加工,该形式设备有美国GTI公司的G-500DS(图3)[8]。
1.2 硅片旋转磨削
为了满足大尺寸硅片制备和背面减薄加工的需要,获得具有较好TTV值的面型精度,1988年日本学者Matsui[9]提出了硅片旋转磨削(in-feed grinding)方法,其原理如图4所示。吸附在工作台上的单晶硅片和杯型金刚石砂轮绕各自轴线旋转,砂轮同时沿轴向连续进给。其中,砂轮直径大于被加工硅片直径,其圆周经过硅片中心[10]。为了减小磨削力和减少磨削热,通常把真空吸盘修整成中凸或中凹形状或调整砂轮主轴与吸盘主轴轴线的夹角,保证砂轮和硅片之间实现半接触磨削。
硅片旋转磨削与转台式磨削相比具有以下优点[1]:①单次单片磨削,可加工ϕ300mm以上的大尺寸硅片;②实际磨削区面积B和切入角θ恒定(图5),磨削力相对稳定;③通过调整砂轮转轴和硅片转轴之间的倾角可实现单晶硅片面型的主动控制,获得较好的面型精度,如图6所示。另外还具有可实现大余量磨削、易于实现在线厚度与表面质量的检测与控制、设备结构紧凑、容易实现多工位集成磨削、磨削效率高等优点。
根据砂轮的布置方向不同,硅片旋转磨削有立式和卧式两种磨削方式,其中立式设备有日本Okamoto公司的VG401 MKII(图7)[11],卧式设备有日本Komatsu等公司的UPG-300H(图8)[12]。卧式设备的砂轮进给易控制,磨屑易清洗;立式设备占地小,操作方便,在背面减薄和硅片制备单面加工中获得了广泛应用。
为了提高生产效率,满足半导体生产线需求,基于硅片旋转磨削原理的商用磨削设备采用多主轴多工位结构,一次装卸即可完成粗磨和精磨加工,结合其他辅助设施,可实现单晶硅片“干进干出(dry-in/dry-out)”和“片盒到片盒 (cassette to cassette)”的全自动磨削。具有可移动的双主轴和两工位的硅片旋转磨削设备如美国Strasbaugh公司的7AF(图9)[13];具有双主轴和可转动三工位的硅片旋转磨削设备有日本Okamoto公司的DNX300(图10)[14];具有双主轴和可转动的四工位的硅片旋转磨削设备有德国G&N公司的NanoGrinder/4(图11)[15]。
1.3 双面磨削
硅片旋转磨削加工硅片上下表面时需要将工件翻转分步进行,限制了效率。同时硅片旋转磨削存在面型误差复印(copied)和磨痕(grinding mark),无法有效去除线切割(multi-saw)后单晶硅片表面的波纹度(waviness)和锥度等缺陷[16],如图12所示。
为克服以上缺陷,在20世纪90年代出现了双面磨削技术(double side grinding),其原理如图13所示。两侧面对称分布的夹持器将单晶硅片夹持在保持环中,在辊子的带动下缓慢旋转,一对杯型金刚石砂轮相对位于单晶硅片的两侧,在空气轴承电主轴驱动下沿相反的方向旋转并沿轴向进给实现单晶硅片的双面同时磨削[18,19,20]。从图14中可看出,双面磨削可有效去除去除线切割后单晶硅片表面的波纹度和锥度。
按照砂轮轴线布置方向,双面磨削有卧式和立式两种,其中卧式双面磨削能有效降低硅片自重导致的硅片变形对磨削质量的影响,容易保证单晶硅片两面的磨削工艺条件相同,且磨粒和磨屑不易停留在单晶硅片的表面,是比较理想的磨削方式。卧式设备有日本Koyo公司的DXSG320(图15)[21]。
1.4 单晶硅片磨削和研磨加工对比
表1所示为上述三种单晶硅片的磨削与双面研磨的对比。双面研磨主要应用于ϕ200mm以下硅片加工,具有较高的出片率。由于采用固结磨料砂轮,单晶硅片的磨削加工能够获得远高于双面研磨后的硅片表面质量,因此硅片旋转磨削和双面磨削都能够满足主流ϕ300mm硅片的加工质量要求,是目前最主要的平整化加工方法。选择硅片平整化加工方法时,需要综合考虑单晶硅片直径大小、表面质量以及抛光片加工工艺等要求。晶圆的背面减薄加工只能选择单面加工方法,如硅片旋转磨削方法。
硅片磨削加工中除了选择磨削方法,还要确定选择合理的工艺参数如正向压力、砂轮粒度、砂轮结合剂、砂轮转速、硅片转速、磨削液黏度及流量等,确定合理的工艺路线。通常采用包括粗磨削、半精磨削、精磨削、无火花磨削和缓退刀等磨削阶段的分段磨削工艺获得高加工效率、高表面平整度、低表面损伤的单晶硅片。
2 单晶硅片超精密磨削技术与设备的最新进展
2.1 TAIKO磨削
高性能电子产品的立体封装甚至需要厚度小于50μm的超薄的芯片[22],而背面减薄后硅片强度降低、容易产生翘曲变形,导致输送和夹持困难,在划片时产生碎裂。针对上述问题,Disco公司提出一种TAIKO磨削方法[23],其原理与硅片旋转磨削类似,不同之处在于砂轮直径比硅片半径稍小,仅磨削单晶硅片内部而保留外圆周约2～3mm宽区域,如图16所示。在Disco公司,采用DAG810设备(图17)应用TAIKO磨削技术磨削的硅片的强度明显高于传统磨削加工硅片的强度,如图18所示。
TAIKO磨削技术利用硅片旋转磨削方式通过改变硅片的磨削区域,在增强超薄硅片强度方面做出了改进,便于夹持定位以及工序间输送,降低了晶圆破裂的机率。
2.2 化学机械磨削
为了改善硅片在经过旋转磨削后表面存在放射状磨痕和中心“微凹”(dimple)的缺陷,减小残余应力、非晶层等损伤(图19),Zhou等[24] 和Kang等[25]提出了一种化学机械磨削技术(chemo-mechanical grinding),又称软磨料砂轮磨削技术,该技术采用硬度低于硅片或与硅片硬度相当、但在一定条件下能和硅片发生固态化学反应的软磨料制作砂轮,通过化学反应和机械作用相结合去除表面材料,实现硅片低损伤或无损伤磨削加工。
Zhou等研制的一种干磨砂轮及其磨削的硅片如图20所示,硅片表面粗糙度Ra<0.8nm。Kang等研制了软磨料砂轮并用于磨削单晶硅片,获得了具有表面粗糙度Ra=0.54nm、亚表面非晶层深度为16nm的磨削表面。通过和金刚石砂轮超精密磨削以及CMP加工效果的对比显示,软磨料砂轮磨削单晶硅片的表面质量远高于同粒度金刚石砂轮磨削硅片的表面,基本达到CMP加工水平,材料去除率高于CMP加工,如图21所示。
化学机械磨削又称软磨料磨削,采用了MgO软磨料砂轮用于磨削单晶硅片。从图21可看出,软磨料砂轮磨削单晶硅片的表面粗糙度Ra(0.54nm)及亚表面非晶层深度(16nm)远低于3000号金刚石砂轮磨后的表面粗糙度和亚表面非晶层深度,且表面层质量已基本达到CMP水平,而材料去除率则高于CMP加工。
化学机械磨削技术属于在磨削单晶硅片工艺上(砂轮的材质)的改进,从加工质量、加工效率和环境友好性等方面考虑,该技术可作为单晶硅片金刚石砂轮磨削的后一道工序,是一种非常有潜力的代替传统CMP加工的技术。
2.3 抛光磨削
在硅片制备过程中,采用CMP加工去除磨削后较深的表面损伤层,为缩短CMP加工时间,同时减少工序间的硅片传输次数,Disco公司新近提出一种磨抛技术(poligrind technology)[26],即在粗磨和精磨工序后,直接采用固结磨料抛光轮抛光,可以实现硅片的纳米和亚纳米级镜面加工,该技术不用抛光液、水和化学试剂,加工成本低。如Disco 公司开发了一种超细磨料砂轮,安装于图22所示的具有粗磨轴和精磨轴设备的精磨轴上,磨后表面粗糙度Ra达9nm,抗折强度达900～1500MPa[27]。所加工的硅片机械性能可与 CMP 加工相比。但是,该设备加工效率低(小于1μm/min),只适合磨削损伤较浅的硅片,且加工表面温度较高。
抛光磨削技术将单晶硅片的磨削加工与抛光加工工艺集成,并在磨削单晶硅片所用的砂轮磨粒粒径和结合剂上进行了改进,在对单晶硅片质量要求不高的场合中,可以替代传统CMP加工技术。
2.4 行星盘磨削
上述各种磨削方式中,由于单晶硅片与砂轮之间均存在有序的相对运动,致使磨后单晶硅片的表面留下磨痕,以及残留应力和表面损伤,尤其在硅片旋转式磨削后的单晶硅片中心出现图23所示的“微凹”缺陷[28],最终将影响单晶硅片表面的纳米形貌特征。
为消除磨痕,并获得更高的单晶硅片平整度,最近出现一种基于双面研磨的行星盘磨削(planetary pad grinding,PPG)技术。该技术用于单晶硅片双面磨削的磨削原理如图24所示,单晶硅片被保持架分置于上下磨盘之间做行星运动,固结磨料的上磨盘和下磨盘同时磨削单晶硅片的上下表面,所用磨削液为纯水和表面活性剂。如德国Peter Wolters公司采用该技术生产的行星盘磨削设备AC 2000-P2(图25),可有效去除双面磨削工艺中的微波纹度[29],磨削后单晶硅片的全局平整度(GBIR)小于500nm、局部平整度(SFQR)小于100nm[30]。同类设备还有韩国Am Technology公司的ADG-1500双面研磨削设备[31]。
行星盘磨削技术将磨削和研磨加工工艺进行集成,在磨削原理上进行改进,是比较有潜力的大尺寸单晶硅片的表面磨削方法。
2.5 磨抛一体化
在硅片制备阶段,磨削单晶硅片后仍存在较深的表面损伤层,为缩短后续CMP加工时间,同时减少工序间的硅片传输次数,新近提出一种磨抛一体化技术,即在粗磨和精磨完单晶硅片后,直接采用干式抛光轮进行抛光,如图26所示。如日本Disco 公司的DFG8760和Tokyo Seimitsu公司的PG300RM均采用该技术。
从图27中单晶硅片在粗磨、精磨和抛磨后的损伤层深度对比可看出,磨抛一体化加工可进一步提高单晶硅片表面的加工质量。从图28中可看出,相比于砂轮磨削后单晶硅片翘曲度,干式抛光的翘曲度要小得多,表面残余应力较小。
磨抛一体化技术是将单晶硅片加工工艺的集成,并在磨削设备和单晶硅片传输上取得了改进。
除以上介绍的新技术外,还有从其他角度进行改进的新技术,例如:为了解决在单晶硅片磨削过程中出现的面型“误差复印”问题而提出的软质吸盘夹持技术[32];为监测磨削状态、降低磨削大而薄晶圆的碎裂机率而提出的恒力磨削技术[33]等。
3 结束语
硅片磨削技术是涉及精密加工、精密测量与控制、材料和力学等多学科知识的一项高新的系统技术。采用新组织结构的砂轮和改进的砂轮运动形式,以及利用物理化学作用与机械摩擦作用相结合形成新原理的加工方法,实现去除表面损伤层和释放应力的超精密磨削加工技术是低损伤超精密磨削加工技术的发展方向。
国外先进的商用硅片超精密磨削设备沿着全自动化、功能齐全化的方向发展,如采用多主轴多工位结构,集成磨削、定位、清洗和干燥等功能于一体,或集成其他工艺设备而形成生产线,采用传输机械手装卸硅片、自动检测硅片厚度、自适应控制磨削力以及分段磨削,完成从“片盒到片盒”和“干进干出”式的全自动加工。
ZC1蜗杆精密磨削加工 篇4
ZC1蜗杆具有齿面接触应力小、制造工艺简单、传动效率高、承载能力高等特点, 在冶金、矿山、起重等行业获得日益广泛的应用。其螺旋面既可用圆弧刀刃的车刀切制成形, 也可用圆弧回转面的盘形砂轮磨削成形[1]。与车削相比, 成形磨削作为一种新的螺纹加工方法, 具有加工精度高、生产效率高、齿形加工精度稳定性好等优点[2], 可在配备有CNC砂轮修整器的数控螺纹磨床上实现[3,4]。
CNC砂轮修整器是数控螺纹磨床的关键部件, 采用CNC砂轮修型技术可以实现复杂空间曲面的精密磨削加工[5,6], 由于该技术对砂轮截形进行过精确计算和数控修型并且对工件齿面进行磨削加工, 具有车削、铣削无法比拟的优点, 在高精度ZC1蜗杆的齿面加工中将得到广泛的应用。
2 ZC1蜗杆磨削加工数学模型的建立[5,6]
ZC1蜗杆是一种非直纹面圆柱蜗杆, 其螺旋齿面由圆环面包络成形, 安装时蜗杆轴线与砂轮轴线的夹角等于蜗杆分度圆柱导程角。
如图1所示, 砂轮轴向剖面是一段半径为ρ的圆弧α-α, 圆弧中心在Oα点, 坐标系σ (u) =[Ou;iu, ju, ku]与砂轮固联, 坐标系σ (1) =[O1;i1, j1, k1]与蜗杆固联, 动坐标系σu′=[Ou′;iu′, ju′, ku′]与圆弧α-α固联, 设砂轮轴线与蜗杆轴线的公垂线通过蜗杆法面圆弧齿廓的中点P, r1为蜗杆分度圆柱面的半径, αn为蜗杆分度圆柱面上的法向齿形角并与螺旋升角γu相等, a1为中心点Oα到两轴线公垂线的距离, b1、c1分别为Oα点到蜗杆轴线与砂轮轴线的距离, au为两轴间的公垂线长度。
在σu′中, 砂轮轴面圆弧廓线α-α的向量方程为
式中, θ-砂轮轴面圆弧上任一点M的位置参数。
M点由σu′变换到σu的变换矩阵为
式中, δ-M点在Ouiuju平面内转过的角度。
经坐标变换式Muu′, 将M点的径矢ru′变换到σ (u) 中, 得到砂轮工作母面方程:
经推算, 砂轮工作母面上的单位法线矢量n (u) 为
砂轮与蜗杆的相对运动速度V (u1) 在σ (u) 中为
砂轮工作母面上的单位法线矢量n (u) 、砂轮与蜗杆的相对运动速度V (u1) 应该满足下面啮合条件:
将式 (3) 和式 (4) 代入式 (5) , 并与式 (2) 联立, 得到砂轮工作表面上的接触线方程:
砂轮与蜗杆的接触线是一条固定的空间曲线, 接触线绕砂轮轴线作回转运动得到砂轮回转曲面, 则砂轮轴向截型方程为:
3 应用实例
以加工模数m=7.3mm, 齿数z1=4, 螺旋升角λu=25.29°, 圆弧半径ρ=41mm, 法向齿形角αn=23°, 齿底圆直径df1=46.448的ZC1蜗杆为例, 选用直径dm=260mm的砂轮, 利用MATLAB编程计算, 得到如图2 (a) 所示单面磨削时砂轮的轴向截形数据。如果采用双面砂轮磨削, 砂轮轴线与蜗杆轴线的公垂线通过砂轮对称中心面, 其相应的砂轮截形如图2 (b) 所示。
4 修型方案[7,8,9,10]
金刚石滚轮CNC砂轮修整器是一种新型的砂轮修型工具, 安装在数控螺纹磨床砂轮架的前部, 主要由一对工作表面镶嵌有许多小颗粒金刚石的滚轮组成。金刚石滚轮和砂轮各自高速旋转, 它们以单线接触的方式通过数控插补进给运动、包络形成原理来实现复杂型面的生成。
针对ZC1蜗杆齿面加工, 若采用双面砂轮磨削, 不仅可以提高生产效率, 而且可以减少工件调头磨削另一齿面时的安装误差, 故宜以双面磨削为例设计砂轮修型方案, 其相对安装位置如图3所示。
L1-金刚滚轮左右轮间距, L2-金刚滚轮右侧距砂轮左端面的水平距离, L3-金刚滚轮左侧距砂轮右端面的水平距离, L4-砂轮宽度, L5-金刚滚轮直径, L6-金刚滚轮下边缘距砂轮上边缘垂直距离, L7-砂轮直径, 其中
根据计算结果, 需要将砂轮廓形修成曲线EDICGK形状, 如图4所示, 以砂轮宽度对称中心线OuM将砂轮廓形分为左侧曲线EDC与右侧曲线IJK。处于零位时, 左右金刚石滚轮分别位于A点、G点, 开始修型时, 左侧滚轮先按照路线ABCDEFA修整砂轮左侧曲线, 回到零位后右侧滚轮按照路线GHIJKLG修整砂轮右侧曲线, 当右侧滚轮回到零位时即完成一次修型。随着砂轮直径的减小, 当需要对砂轮重新修型时, 金刚石滚轮沿砂轮径向移动一个进给量, 重新计算砂轮截形, 按照计算后的路线完成砂轮的再次修整。
砂轮修型完毕后即可对工件磨削加工, 安装时, 刀具轴线与工件轴线间的夹角为γu, 两轴线间的最短距离为au。
5 结语
介绍了一种高精度ZC1蜗杆加工方法, 与车削、铣削相比, 成形磨削不仅提高了蜗杆齿面的表面光洁度和制造精度, 而且提高了蜗杆副的效率和承载能力, 将砂轮修整器应用到螺纹磨床上, 既拓宽了磨床的应用范围, 又提高了磨床的加工精度和效率, 该方法同样适用于其它类型蜗杆的精密加工。
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超精密磨削 篇5
关键词：转轴,高速电主轴,在线测量系统,数控程序,精密磨削
0前言
高速电主轴是现代数控机床和加工中心的重要部件, 它是将电机转子直接热装于高精度的转轴零件上, 定子热装于壳体冷却套上, 组装相关零件形成一个完整的主轴单元, 通过驱动电源直接驱动主轴进行工作, 实现了电机、主轴的一体化功能[1]。高速电主轴性能的高低直接影响着高速高精度加工机床的整体发展, 因此对其精密零件的尺寸及几何精度等方面的要求也相应提高了很多[2,3]。
磨加工在线测量系统的产生促进了半自动、自动磨床的发展, 它由振动仪、定位仪和主动测量仪组成, 可以通过定位仪、振动仪与主动测量仪测量所得的信号向数控系统反馈, 实现闭环控制, 保证机床各加工动作的完成, 最终保证零件加工尺寸, 在线测量系统是磨床精密磨削的关键[4,5]。本文运用在线测量系统, 编写转轴的具体磨加工程序, 与传统加工方式对比获得了更高的产品精度和工效。
1 电主轴结构及在线测量系统介绍
1.1 电主轴结构
电主轴结构见图1所示, 其中转轴作为电主轴的重要零件, 其在运行中需要承受由轴承热膨胀和离心力等因素所造成的负荷变化, 因此对其轴颈的尺寸公差、锥度和粗糙度, 轴肩的粗糙度、垂直度要求很高。因此研究转轴的精密加工方法至关重要。
1.2 应用环境
本公司所使用的M1432B普通万能磨床采用往复磨削方式, 需磨削停止后才能测量工件尺寸, 再反复进行尺寸补偿直至加工完成。这种工作方式磨削出的零件精度一致性差, 每个零件往往需要多次加工, 操作人员劳动强度高, 工效难以提升。
现公司引进了G32A斜进式数控磨床, 该轴颈磨床采用X、Z双数控进给轴, 其中X轴为斜轴, 与Z轴成60°夹角, 用于实现数控磨床的斜进式数控加工, 其特点是同时磨削轴颈轴肩处, 能保证两者之间的尺寸精度和垂直度, 且轴肩处磨削效果好、粗糙度低, 有良好的清根效果, 而该机床所具有的在线测量系统, 更是加工精度、安全和效率的保证。
1.3 在线测量系统组成
G32A数控磨床在线测量系统包括定位仪、振动仪和主动测量仪。
(1) 定位仪采用意大利马波斯弯头定位仪 (简称端测) , 用于对工件水平方向进行定位, 以保证工件水平方面的尺寸, 是机床实现批量生产的根本。
(2) 振动仪采用马波斯E20N振动仪, 用于实时测量加工过程中的振动水平, 再通过仪表显示出来, 供操作人员时时监控, 并可在振动超过设定值的时候实现自动退刀, 提高加工过程的安全性。
(3) 主动测量仪则采用马波斯E9, 它主要由测量装置、驱动装置和主动测量控制系统三部分组成。其中主动测量控制系统是核心;测量装置采用双臂式结构, 利用差动式电感位移传感器进行测量;驱动装置采用油缸驱动, 其结构原理如图2所示。
主动测量仪是整个在线测量系统的核心, 用于测量轴颈尺寸, 并根据测量尺寸时刻向主动测量仪传递电信号, 数控系统接收到信号后根据监测项目进行运算获得磨削当前状况, 并以此来判断工件尺寸状态, 通过控制磨削进给速度最终保证轴颈的圆度、锥度和尺寸等, 主动测量控制器则将加工尺寸测量结果或判断结果以合适方式显示, 用于人机交互[6]。
2 加工程序编写及加工过程介绍
G32A数控磨床采用的数控系统为FANUC series Oi Mate-TD系统, 它主要通过宏程序编写用户加工程序[7]。宏程序是通过数学计算或逻辑运算, 以变量的不断变化进行编程, 程序简洁且逻辑性强。但是宏程序的编写需要掌握较多数控知识, 对编程人员和操作人员的要求较高。而将主程序和宏程序结合起来使用, 把宏程序作为子程序, 在主程序中以各种方式调用宏程序, 使编程和加工调试方便快捷, 能降低编程人员和操作人员的工作难度。
2.1 主程序和宏程序编写
G32A斜进式数控磨床在使用在线测量系统时常用来精磨直径为8~80 mm的转轴零件, 这里以磨削直径50 mm转轴为例, 编写主程序O0001和加工宏程序O9100如下所示, 其中砂轮在程序中的刀具号为T01。
2.2 子程序调用指令
G65、M96、M98均为调用子程序, 三者有区别:G65可指定参数且修改方便, 在O0001中分别调用了O9020、O9030和O9100三个宏程序, 其中O9020通过更改参数K即可设定加工多少件修砂轮, O9030中参数#601和#602表示端测坐标位置, 而加工程序O9100只需更改工件外径尺寸参数X和总磨量U等参数即可加工不同零件;M98不能指定参数, 但可以指定顺序号, 在这里调用程序O9010目的是调整砂轮转速保证线速度恒定;M96为子程序待机插入, 在程序运行中当有相应信号输入时, 当前程序中止运行, 转为运行M96调用的子程序, 此处调用紧急回退程序O9000。
2.3 G31跳转指令
G31是与外部设备一起应用的, 当无外部信号时, G31同G01直线插补功能相同, 当有外部信号时输入时, 当前程序段停止, 开始执行下一程序段。在O9100中N10段程序表示砂轮以3 mm/min的速度消除间隙, 当CNC系统检测到主轴负载有轻微变化时, 间隙消除关闭, 程序跳转至N12开始以粗磨进给速度开始磨削, 该段程序目的是以较快速度消除间隙, 节省加工时间。程序段N30、N40、N50则表示测量仪在测量尺寸到达设定值时, 进给速度分别跳转至P1、P2、P3进给速度。
2.4 宏变量的使用
宏程序中使用的宏变量包括局部变量和公共变量。公共变量可在宏程序中的任意位置使用, 其变量号为#100~#199与#500~#999, 其中#500~#999为保持型公共变量其特点是关机不清零。而#100~#199的公共变量以及局部变量在关机后会清零, 每次调用程序都需要重新赋值。局部变量为#1~#33, 它常用于主程序以G65调用宏程序时以参数的形式进行设定, 常用的局部变量见表1所示。
O9100程序中#500表示砂轮设定安全位置, X表示外径终磨尺寸, U表示外径总磨量, W表示端面起始位置, H表示端面粗磨量, D表示端面精磨量, I表示外径粗磨量, J表示外径精磨量, A表示粗磨进刀速度, B表示精磨进刀速度, C表示P1进给速度, E表示P2进给速度, F表示P3进给速度, S表示外径光磨时间。
2.5 加工过程介绍
整个加工过程包括砂轮修整、端测定位、主动测量仪设定以及工件磨削循环。
(1) 砂轮修整是加工精度的保证, 在首次加工之前, 由于砂轮表面状况不明, 应先修整砂轮。当砂轮磨削一定数量的转轴后, 砂轮表面需要重新修整, 每次加工程序都会自动判断是否到达修整砂轮的加工次数, 若达到则修整砂轮。修整结束后系统会根据程序把修整量补偿到工件坐标系和砂轮坐标系所表示的位置变量里。
(2) 端测定位:在机械坐标系下通过工件位置预先设定端测位置, 其X轴、Z轴位置信息分别存储在共变量#601和#602之中, 每次加工时系统读取该位置信息即可对工件进行定位。
(3) 主动测量仪设定:采用标准件对主动测量仪进行设定, 调整量仪上下两测臂使其综合读数为零, 调整完毕后放置上待加工件, 此时用主动测量仪测量的读数即为该工件的磨削余量。根据磨削余量设定P1、P2跳转点, P3为零点。一般将P2设为0.01 mm, P1设为0.03 mm。
(4) 工件磨削循环:当定位完成后, 砂轮向转轴待磨位置进给, 期间速度依次减慢直到设定位置, 之后砂轮以3 mm/min的速度消除间隙, 接着主动测量仪前进至轴颈处开始测量, 之后X轴、Z轴以粗磨削进给速度和精磨削进给速度通过直线插补同时磨削转轴轴肩和轴颈处。当轴肩处磨量磨削完毕后, 磨削进给速度由精磨进给速度降为P1进给速度, 开始单独磨削轴颈处。随着磨量逐渐减小, 当测量仪感应到设定的P1点后 (P1灯亮) , 磨削进给速度降为P2进给速度, 并以此速度继续进给, 直到测量仪感应到设定的P2点 (P2灯亮) , 磨削进给速度降为P3进给速度, 并以此速度继续进给, 直到测量仪感应到设定的P3点 (P3灯亮) , 之后光磨一定时间后达到最终尺寸, 之后量仪退出, X轴以快速退刀速度返回初始位置, 加工完成。
3 加工结果对比
本公司转轴精磨加工采用先试磨出合格的首件, 将其作为标准件为接下来的加工提供尺寸参考。这里以磨削直径为50 mm转轴轴颈和轴肩处为例, 磨削余量为0.1 mm左右, 其中轴颈最终尺寸要求为49.995 mm~50 mm之间, 锥度≤2μm, 圆度≤2μm, 粗糙度≤0.4μm;轴肩处要求粗糙度≤0.4μm, 与轴颈的垂直度≤5μm。
该批转轴零件共100根, 采用的标准件直径为49.998 mm。用G32A数控磨床运行程序O0001结合在线测量系统磨削其中40根, 使用M1432B万能磨床磨削40根, 在不使用测量仪时使用G32A数控磨床加工10根, 半自动磨床因为进给时有轻微的冲击, 一般不用来进行精磨加工, 这里也加工10根来做对比, 实际加工结果见表2所示。
加工结果表明M1432B万能磨床和半自动磨床加工次数最多, 一个零件需反复加工4~6次, 操作人员还需停机测量, 加工时间长, 精度统一性差, 都有较多不合格品产生。而G32A数控磨床在不使用测量仪的情况下, 每件零件也需反复加工2~3次, 精度分散范围也比使用测量仪加工时大。
当使用在线测量系统时, 仅需运行一次程序即可完成零件加工, 加工效率高;40件已加工零件精度分散范围在2μm以内, 各项要求均在公差范围内, 精度一致性很好;特别是对轴肩处的磨削效果好, 比手动磨床“靠磨”所得表面粗糙度很大的提升;操作人员只需更改个别参数即可加工不同零件, 操作简单、易学, 工作强度低。
4 结论
将主程序和宏程序结合起来编制加工程序, 运用在线测量系统进行转轴精密加工, 相比其他加工方式优势明显, 能够节省大量时间和劳动力, 降低了加工成本, 提高了产品合格率、工件精度和尺寸一致性, 特别适用于大规模生产。现公司对成批次的转轴零件全部采用在线测量系统进行数控加工, 产品质量和加工效率都有了明显提高, 收到了良好的经济效益。
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