智能型纳米级抛光机的运动分析

　　随着材料科学的飞速发展,各种新型材料不断地出现,新材料在各种高性能电子元器件、光学、信息系统等领域的应用越来越广泛。目前,光学、机械、电子之间交叉相关的种种系统的出现,以及水晶振子、半导体集成电路等电子功能陶瓷元件及装备的高性能化,要求元件基片的加工精度达到纳米级甚至更高,并且还要求保证高的加工质量(无晶格畸变的超平滑无损伤表面)、低成本和高再现性。

　　因此,为了达到各类功能陶瓷材料元器件的高性能要求,对加工工艺和加工设备提出更高的精度要求。同时,为了保证加工质量的一致性,要求设备具有一定的自动化程度。精密化和自动化是先进制造技术重要的发展方向。国内企业由于生产设备不能满足要求,造成生产工艺不稳定,废品率极高,这种现象亟待解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(如图1所示)已经研制成功,主要用于各类信息、光学等功能陶瓷元器件平面的超精密加工。

　　1　修正环在线修整的工作原理

　　由于超精密抛光是目前超精密机械加工方法中精度最高、表面质量最好的加工方法。因此,目前超精密抛光通常作为功能陶瓷元器件基片的最终加工方法,而平面抛光成为各种元件基片最常用也是最重要的加工方式。抛光效率和质量受到磨料、抛光液、抛光速度、载荷以及抛光盘等众多因素的影响。在传统的抛光机上用软质抛光盘进行高精度平面抛光时,由于抛光盘面的变形和磨损会引起工件平面度恶化,通常需凭工人的经验频繁地将抛光盘在标准平板上进行手工对研,以修正抛光盘面的变形,实现高精度的平面加工。为了尽可能降低对工人熟练程度的要求和减小工作量,从设计原理上提出一种修正环型平面抛光加工方法。其原理如图2所示:将工件6粘贴在平行平面夹具7上,作为名义大口径厚工件加工,并通过修正环4的旋转来实时在线修整抛光盘3的平面度。当抛光盘呈凸形时,通过调节修正环保持架1的角度,使修正环向中心移动,反之向外移动。加工过程中采用标准砝码8在平行平面夹具上加载,并可通过加载一个同直径的斜砝码9来修正工件的平行度。

　　该设备可操作性好,并具有很高的再现性。抛光机采用了专家数据库智能控制系统,实现了加工过程的高度自动化,提高了加工效率、加工质量和一致性。结合合理的加工工艺,工件抛光后,表面损伤极小,表面粗糙度值可小于2 nm。

　　2　抛光过程的运动分析

　　2.1　工件的运动关系

　　对于抛光来说,主要是在维持研磨所取得良好平面度的前提下,去除工件表面微小的凸起和表面损伤层,以获得镜面精度,所以要求均匀、无方向性地抛光整个工件表面。反映在速度上,就是工件表面上每点的相对速度大小应在任何时候都保持为恒量。