1、 本科毕业论文 （ 20 届） 18B 型超精密双面抛光机设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文 II 摘要 随着航空航天、高精密仪器仪表、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂 形状的加工需求日益迫切。目 前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密测量技术。 随着抛光工件的尺寸越来越大， 精度要求越来越高， 这就对抛光机提出新的要求。本文论述了抛光机的发展过程和国内外的抛光机发展状况，简略的描述了抛光机的抛光原理和结构组成，并通
2、过对以往抛光机的对比，了解以往抛光机的缺点与不足 .通过个例对 LZM-18B-5L型研磨抛光机机器辅助装置进行设计校验，并对机床各主要零部件进行了强度校核及刚度校核，对机床主轴系统的精度进行了分析。简略的对其设计的数据进行参数化设计分 析，使设计结果更加合理简洁。论文还通过试验的形式证明了 18B 系统的改进，很好的解决了国内目前对大尺寸硅晶片加工难、加工精度低等瓶颈。机构在运行过程中实现了平稳调速，加工效率大大改善。 本文研制的双面抛光机在总结了国内外双面抛光机设备的基础上，根据国内的加工技术水平，对机械结构进行优化设计和研究，实现表面粗糙度小于 1nm 的超平滑表面加工生产的目标，达到国
3、外同类产品的技术精度要求。 关键词 ：双面抛光机；超精密；大尺寸； 本科生毕业论文 III The design of the 18B-type ultra-precision polishing machine Abstract With the aviation and aerospace , high-precision instruments , optical and laser technology rapid development and wide application in many fields , all kinds of high-precision complex
4、parts , optical parts , high-precision plane , curved surface and the processing of complex shapes are increasingly urgent demanded . Currently , foreign countries has developed a variety of precision and ultra-precision turning , grinding , polishing and other machine tools and develop a new precis
5、ion measurement technology . With the increasing size of the polished workpiece , more and more high precision , people need polishing machine with new requirements . The article discuss the development process of the polishing machine and how much develop the polishing machine at home and abroad .
6、Briefly descript polishing principle and structure of the polishing machine . Comparison with previous polishing machine , we know the machines Shortcomings and deficiencies . Made of polishing machine and 18B type processing equipment design.check the main components of the intensity and rigidity.A
7、nalyses the accuracy of spindle system , assembly all the Three-dimensional parts for analysised Parameterized design . Make the design result is more reasonable . This paper also through the experiment proves that the 18B system is a very good solution to the domestic large size and lower bottlenec
8、k wafer processing . It tend to be more perfect . In the process of operation , the smooth realization speed machining efficiency greatly improved . In this paper , double-sided polishing machine was developed by summing up the double-sided polishing machine equipment at home and abroad , based on t
9、he technical level of domestic processing on the mechanical structure and control system design and research. In order to achieve surface roughness of less than 1nm super smooth surface of the target production to similar foreign products of technical precision. Key words: double sided polishing mac
10、hine; ultra-precision; Large size wafer 本科生毕业论文 IV 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 超精密加工技术发展状况 . 1 1.2 超精密加工技术 的现状 . 1 1.3 双面抛光机开发可行性 . 2 1.3.1 课题的背景和意义 . 2 1.3.2 国内外研究现状 . 2 第二章 精密双面抛光技术 . 4 2.1 双面抛光机的原理 . 4 2.2 超精密抛光过程 . 4 2.2.2 抛光表面形成过程 . 5 2.3 抛光主要工艺因素 . 6 2.3.1 抛光盘 . 6 2.3.2 抛光液 . 6 2.3.3 抛光垫 . 6 2.3.4 运动轨迹
11、. 6 第三章 18B 超精密抛光机总体方案设计 . 8 3.1 双面抛光机工作要求 . 8 3.1.1 超精密双面抛光机床的要求 . 8 3.1.2 传统双面抛光机系统及存在的缺陷 . 8 3.2 18B 双面抛光机改进 . 11 3.2.1 机械结构改进部分 . 11 3.2.2 控制系统改进部分 . 12 3.3 双面抛光机的总体方案设计 . 13 3.3.1 主机总体设计方案 . 14 3.3.2 18B 双面抛光机传动系统设计方案 . 15 3.3.3 控制系统总体设计方案 . 15 第四章 18B 双面抛光机传动系统结构方案设计 . 17 4.1 18B 双面抛光机传动系统 . 1
12、7 4.2 上抛光盘组件结构 . 18 本科生毕业论文 V 4.3 下抛光盘主轴组件结构 . 18 4.4 传动比计算 . 20 第五章 18B 抛光机主要零部 件设计 . 22 5.1 电机选择 . 22 5.1.1 主变频电机选择 . 22 5.1.2 太阳轮变频电机的选择 . 24 5.1.3 提升齿轮电机选择 . 25 5.1.4 电动机的功率转矩分布情况 . 26 5.1.5 齿轮、带轮参数一览表 . 27 5.2 带传动设计 . 28 5.3 长轴的设计与校核 . 29 5.3.1 长轴的设计 . 29 5.3.2 长轴的强度校核 . 30 5.4 传动系小轴的设计与校核 . 32
13、 5.4.1 传动系小轴的设计 . 32 5.4.2 小轴的强度校核 . 33 5.5 传动系中轴的设计与校核 . 35 5.5.1 传动系中轴的设计 . 35 5.5.2 中轴的强度校核 . 36 5.6 副轴的设计与强度校核 . 38 5.6.1 副轴的设计 . 38 5.6.2 副轴的强度校核 . 39 5.7 机架的设计 . 43 5.8 上下抛光盘 . 43 5.9 顶部汽缸的选择 . 43 5.10 滚动轴承设 计与校核 . 44 5.10.1 各轴上轴承的受力 . 44 5.10.2 传动系长轴上的轴承校核 . 45 5.10.3 传动系小轴轴承校核 . 46 5.10.4 传动
14、系中轴轴承校核 . 47 5.10.5 副轴轴承校核 . 48 本科生毕业论文 VI 5.11 机床主轴系统的精度分析 . 49 5.11.1 滚动轴承中的弹性位移 . 49 5.11.2 轴承配合表面的接触变形 . 49 5.11.3 滚动轴承支承的径向弹性位移和支承刚度 . 51 5.11.4 机床主轴轴承的精度计算 . 52 结论与展望 . 55 结论 . 55 展望 . 55 参考文献 . 56 致谢 . 错误 !未定义书签。 附图 . 57 本科生毕业论文 1 第 一章 绪论 1.1 超精密加工技术发展状况 超精密加工技术，是现代化机械制造业最主要的发展方向之一，直接影响到一个国家尖
15、端技术笔国防工业的发展，并且已成为在国际竞争中取得成功的关键技术。 发展尖端技术，发展国防工业，发展微电子工业等都需要精密和超精密加工制造出来的仪器设备。当代的超精密工程是现代制造技术的前沿，也是明天技术的基础。 因此世界各国对此极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。 目前最先进的一些超精密加工机床也是在 那 些国家出现 ，如美国，日本，英国 等 1。我国超精密机床的研制进行了数十年。长春光机所、北京机床研究所、航空 303 所、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学等单位都研制了自己的超精密机床，但还没有形成产业化，单项技术指标尽管很高，但总体技术水平落
16、后，不足以满足我国超精密加工行业的需要，大部分还只是停留在研究型机床的状态 2。目前主要成果有哈尔滨工业大学精密工程研究所的超精密KDP 晶体加工机床，工件最大尺寸 410 410mm mm ，铣刀直径 600mm 。哈尔滨工业大学精密工程研究所研制开发的亚微米超精密加工机床标志着我国超精密机床技术已达到了国际水平。长春光机所的二元光学元件激光直接写入设备可实现极坐标和直角坐标写入 ， 写入最大口径 400mm ，位移灵敏度 0.03 m ，回转速度 60 600 / minr ， 回转轴系径向跳动0.023 m 。国防科技大学研制的非球面加工机床可加工最大口径 650mm 的光学玻璃，其加工
17、零件表面粗糙度为 25nm 。 中国航空工业第一集团公司 303 所研制的 Nanosys300 机床有很多创新设计 3。 其加工零件精度可达 0.05 0.1 m 。北京机床所最近几年研制成功了CKG300 亚微米数控车床，其主轴精度、重复定位精度、加工件尺寸精度、形状精度及表面粗糙度均优于 1m ， NAM800 超精密数控车床等一系列精密机床已经实现商业化生产 4。 1.2 超精密加工技术的现状 近年来超精密加工精度正从 0.1 m 提高到 0.01 m，超精密加工机床中使用的精度最高的主轴是空气静压轴承主轴，实用的空气静压轴承主轴的回转精度已可达到 0.03 m，日本的高广工业研制出
18、了具有 8nm 回转精度的空气静压轴承。从精度角度来看，空气导轨是纳米级精度加工机床的最佳选择，目前空气导轨的直线度可达 0.1 0.2 m/250mm 的水平，日本东京工业大学用压电陶瓷微进给机构补偿气浮导轨运动直线度，可将直线度提高到 0.14 m/600mm。超精密加工机床一般采用 C0级滚珠丝杠，利用闭环控制可达到 0.01 m 的定位精度，利用滚珠丝杠的微小弹性变形原理，可以实现纳米分辨率的进给。静压丝杠在较长行程上也可以达到纳米的定位分辨率，目前静压丝杠分辨率可达到 0.01 m，进给精度比 C0级滚珠丝杠高 2个数 量级，但刚度比较小。摩擦驱动也是一种非常适合超精密加工的传动系统
19、，如英国 Rank Tailor Hobson 公司开发的 Nanoform 600超精密镜面加工机床的进给机械采用此种装置，在 30mm 的行程上可获得 1.25nm 分辨率， 0.1 m 的定位精度。微进给机构在超精密加工领域获得广泛应用，一般被用来微进给或作补偿工具，目前使用最多的是以压电陶瓷为驱动器的基于弹性铰链支撑的微位移机构。美国的光学金刚石车床 (LODTM)上用的快速刀具伺服机构 (FTS)在1.27 m 范围内分辨率达 2.5nm，频响可达 100Hz，可进行主轴回转误差的补偿 (转速在 150r/min本科生毕业论文 2 以下 )5。随着超大规模集成电路的发展及微机械的要求
20、，超精密加工技术正从亚微米级向纳米级发展 ，超精密测量 技术、减振和隔微振技术、洁净技术、环境温度控制技术等也在快速同步发展。 国内外用计算机数控单点金刚石车削技术 (SPDT)均已能实现纳米级表面粗糙度的镜面加工。加工对象已由铜、铝等软质有色金属扩大到脆硬非金属材料，可加工平面、圆柱面、球面和非球曲面等光学零件。随着精密模压技术的出现，被用来加工光学零件的成型模具。 超精密铣磨、研磨和抛光的加工 对象主要是玻璃、陶瓷等硬脆材料，一般采用此工艺方法可达到纳米级表面粗糙度和高精度的面形要求。高效率、确定性去除、重复性好、无亚表面损伤、低成本、数控化是硬脆材料磨 2 研 (抛 )加工追求的目标。许
21、多先进加工方法已得到推广应用，如：计算机控制光学表面成形 (CCOS)技术、在线电解修整砂轮 ( EL ID)磨削技术、磁流变抛光 (MRF)技术等，不仅效率高，而且均可达到纳米级甚至埃级表面粗糙度。目前，硬脆材料延性域磨削、非球面超精密加工及检测技术等成为研究前沿 6。 1.3 双面抛光机开发可行性 1.3.1 课题的背景和 意义 随着光电子信息产业的飞速发展，电子器件的应用越来越广泛，同时，对电子器件的性能要求也越来越高。目前，在各种系统中出现了机械、光学、电子之间交叉，半导体集成电路等功能陶瓷元件及装备的高性能化，这就要求元件的精度达到纳米级甚至更高，同时还要确保加工质量高、成本低。双面
22、抛光加工是晶片超平滑表面加工最有效的技术手段之一，由于双面抛光的有高效性的，近年来越来越受到光电子生产加工企业的关注与重视。 国内不能生产高性能双面抛光加工设备，因而我们只能去进口设备，而现在我们进行研制的目的是在于用国产设备替代进口设备。 首先，我们要确保抛光机制加工精度保持在一定范围内，使用进口设备成本很高，使用国产设备会使机器本身价格下降几倍甚至更多。其次，设计研制抛光机具有重大的现实意义，可以为重要机器提供高精度的零部件，打破国外的技术垄断，可以向世界推出具有国际竞争力的高档产品，也可以卓有成效地解决若干关键材料、器件和模块的规模化生产技术。 1.3.2 国内外研究现状 超光滑表面加工
23、技术涉及敏感领域，因此西方国家对相应的超精密机床向中国出口加以限制。 我国超光滑表面制造技术的研究进展缓慢。 西北工业大学对使用常规抛光机的古典抛光进行过 一系列的研究，哈尔滨工业大学曾在石英和硅片的抛光方面做过不少工作，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所曾用浸液抛光法为同步辐射工作抛光过超光滑元件，并采用浮法抛光的方法获得了粗糙度小于 0.13 nm RMS 的超光滑表面 10。此外，国防科技大学、中国科学院上海光学精密机械研究所和大连化学物理研究所等都曾经或正在进行古典抛光法的超光滑抛光实验与研究 7。 我们国家目前已经成功研制出回转精度达 01025m 的超精密轴系。并已装备到超精密
24、车床和超精密铣床，解决了长期以来由于国外技术封锁给超精密机床的研制带来 的巨大阻力。目前超精密轴系已基本形成系列化，并已达到实用化和商品化程度。北京机床研究所是国内本科生毕业论文 3 进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，例如，精度达 0.025m 的精密轴承、 JCS-027 超精密车床、 JCS-031超精密铣床、 JCS-035 超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动 -位移测微 仪等，达到了国内领先、国际先进水平 。 国外 精密抛光机的 发展的 2个典型方向： 1)随着纳米技
25、术的发展，纳米加工机床功能向复合型方向发展。一些超精密机床本身具备了测量机的基础条件，机床可以实现加工、测量一体化。 2)应用纳米加工技术的加工工件规格范围逐渐加大，机床向大型化发展。由于航天技术的不断发展，要求超精密机床的加工工件尺寸越来越大，超精密机床加工大型工件的记录不断被刷新。 总的看来，我国在超光滑表面制造技术方面较国际水平差距很大。 虽然目前也可以加工出亚纳米级的光滑表面，但对操作者的经验依赖很强，并且加工质量不稳定，难以满足现代科技发展的需求。 （ 1） 研究双面抛光的加工机理。 （ 2） 18B 超精密双面抛光机总体方案设计。 （ 3） 18B 超精密双面抛光机的传动系统 （
26、4） 18B 超精密双面抛光机上、下抛光盘等组件结构的设计。 （ 5） 对 18B 超精密双面抛光机主要零部件的设计，对主轴系统进行精度分析。 本科生毕业论文 4 第二章 精密双面抛光技术 2.1 双面抛光机的原理 双面抛光加工原理如图 2-1。在开始抛光前，抛光盘和被加工工件都处于静止状态。当开始加工时，上下抛光盘以相反方向的角速度 2 旋转，中心轮和外齿圈分别以角速度 1和 3旋转， 因此抛光加工过程中，行星 运动和自转运动合成了工件的运动，角速度为 4。 待抛光的工件放在由中心轮和外齿圈驱动的行星保持架内，抛光液通过上抛光盘流入抛光区域。行星轮保持架内的工件在行星运动和自转运动的合运动下
27、作复杂的曲线运动，其目的是使工件表面抛光均匀。 双面抛光时，气缸施加压力使得上下抛光盘紧贴从而产生摩擦进行加工。但压力不能太大，否则不利于加工 ,因而我们通过压力传感器来实时监测压力数值来控制压力大小。另一方面，为保证精密，我们通过厚度传感器来控制工件厚度。 工件行星轮内齿圈下抛光盘外齿圈w 2w 1w 3w 4图 2-1 双面抛光运动简图 2.2 超精密抛光过程 2.2.1 抛光机理 由于抛光过程的不可视性和复杂性，我们通过在特定的实验条件下所获得的实验结果来说明抛光的机理，但到目前为止对抛光机理还很难形成一个完整的学说。对于脆性材料 的抛光机理，归纳起来主要解释如下： 抛光是利用磨粒的微小塑性切削来切削工件，生成切屑来进行的。在材料的去除过程中会产生局部的高温和高压，这会使磨粒与工件、抛光盘及加工液之间直接进行化学作用，并在加工的工件表面产生反应生成物。由于有这些作用，以及抛光液、磨粒及抛光盘的力学作用，使得加工工件表面的生成物不断被去除从而使表面变得平滑。
