平面拋光機工件微量去除的控制方法
作者:管理員    發布于:2018-12-02 13:43:52    文字:【】【】【
摘要:平面拋光機工件微量去除的控制方法

 
1 前言
我們研制了一種納米級超精密平面拋光機。超精密加工技術是一門新興的綜合性加工技術,它集成了現代機械、光學、電子、計算機、測量及材料等先進技術成就,已成為國家科學技術發展水平的重要標志。隨著各種新型功能陶瓷材料的不斷研制成功,以及這些材料在各種高性能電子元器件、光學、信息系統等領域的廣泛應用,要求元件和零件的加工精度越來越高,有的甚至要求達到納米級或更高的加工精度以及無損傷的表面加工質量。為了獲得較高的尺寸精度、低的表面粗糙度和較少的表面缺陷,目前基本上都采用超精密拋光作為最后的加工工序。一般認為,拋光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑為主體而進行的。
2拋光過程的運動分析
對于拋光來說,主要是在維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損傷層,以獲得鏡面光度。所以要求均勻、無方向性地拋光整個工件表面。反映在速度上,就是工件表面上每一點的相對速度大小應在任何時候都保持恒定。修正環型平面拋光機拋光過程中,保證拋光盤與拋光盤有相同的角速度,就可以保證工件上任意一點與拋光盤之間的相對速度的大小恒定,并且整個工件可以均勻而且沒有方向性地被拋光。
這里假設滿足以下條件:
(1)工件是不變形的剛體,拋光盤是能按工件加工面形狀變形的彈性體。這時可以忽略介于兩者之間的磨粒與加工液的厚度和形狀變化,認為工件與拋光盤間全面貼緊;
(2)分布載荷P均勻分布,工件材料的去除對載荷大小不發生影響(實際變化很小):
(3)拋光盤的塑性變形也包含在磨損中。
可見,材料的總去除量是與拋光路徑的長度成正比的。實驗所用平面拋光機采用光柵測量和微機控制技術,將拋光盤總轉數的精度控制在±0.5。以下,從而保證了加工路徑總誤差在±1.4cm以內。針對不同的晶體材料加載合適的完全可使工件的去除精度達到1 nm以下。平面拋光機采用了直接控制拋光路徑的長度的策略,可以消除在控制拋光速度、時間時由于速度的波動而引起的累積誤差。同時可采用“低速起動-無級提速-恒速加工-低速修整-低速停止”的拋光盤速度控制模式,減少由于速度變化過大對晶片造成的沖擊損傷。
3工件露邊時的材料去除量分析
當工件尺寸大于拋光盤半徑,或偏心距過大時,工件會露出拋光盤,即有一部分表面不能與拋光盤始終接觸。對于表面上各點都是相同的,但作用時間隨半徑r的變化而改變。隨半徑r增加而減小,工件不同區域上的點的材料去除量R(r)隨半徑r增加而減小。顯然,工件露出拋光盤區域面積越大,a就越大,工件表面材料去除量的差異程度亦越大。
4工件平行度的修正
當研磨后或拋光過程中,工件材料平行度誤差超出允許范圍時就需要對其平行度進行修正。修正拋光是使被加工面對基準平面的角度達到最小值。此型平面拋光機使工件附加偏心壓力,但由于各點壓力P不同,各點的去除率也將不一致,因此可以利用這一方法修正工件的平行度。改變一次位置,拋去最高部分并測量平行度的變化。
5加工實驗
采用本平面拋光機進行拋光實驗,實驗條件如下:石英晶體工件,26 g^m2拋光壓力,K3瀝青拋光盤,143.4 m/nin拋光線速度。在采用SiO?磨料的情況下,石英晶體的材料去除率為0.40“m/h(即1,4A/sec):在磨
料采用FezOs的情況下,石英晶體的材料去除率為2.5|±m/h(即合7A/sec):在磨料為CeO2的情況下,石英晶體的材料去除率為3.0|Jim/h(即& 4A/sec)o可見,磨料對石英晶體的單位時間去除率為數個原子。雖然材料的去除率可以隨拋光條件的變化而變化,但可斷定,這是數個原子單位級的加工。采用先進的Talystep對石英晶體表面進行檢測睡直放大倍率為200萬倍),在采用Si()2磨料拋光時可獲得的最大表面粗糙度為1~2入,采用Fe?。;,磨料拋光時可獲得的最大表面粗糙度為15只,采用Ce()2磨料拋光時可獲得25A的最大表面粗糙度。證明已獲得了水晶的超平滑表面。
6結束語
通過本文的分析,可以認為工件的去除量主要是由磨削路徑的長度決定的,因此直接控制工件表面的磨削路徑長度能夠更加精確地控制工件的去除量。根據材料去除量與研磨盤轉數即磨削路徑長度)之間的關系,提出了采用光柵測量和微機控制技術方法,將拋光盤總轉數的精度控制在±1。以內,保證了加工余量去除誤差在lnm以內,結合合理的加工工藝,獲得了晶片極高的平面度和理想的無損傷表面。
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