气门挺柱球面磨床设计
1 前言
目前，先进机械产品的制造正朝着高精度、高性能、高集成度和高可靠性的方向快速发展，对许机械产品部件表面的局部平面度及全局平面度均提出了前所未有的高要求。超精密平面气门挺柱球面磨床加工作为一种超精密加工方法，能很好地适应这些高尺寸精度和低表面粗糙度产品的加工需求。无论是机械气门挺柱球面磨床、化学气门挺柱球面磨床以及全局平面化学机械抛光技术等，都需要使用高精度高刚度超精密气门挺柱球面磨床机实现高效率加工。我国高档次超精密气门挺柱球面磨床设备设计制造技术水平总体不高，精密的气门挺柱球面磨床机均还严重依赖于进口，而且价钱非常昂贵。因此，加强我国的高档次机械材料极限气门挺柱球面磨床机设计制造技术及其产业化研究，以及相关使用工艺技术研究与开发尤为迫切。气门挺柱球面磨床机用涂上或嵌入磨料的研具对工件表面进行气门挺柱球面磨床的设备。主要用于气门挺柱球面磨床工件中的高精度平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹面和其他型面等。
2 精密与超精密加工技术的发展
通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密气门挺柱球面磨床与抛光等。
（1）砂带磨削，是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。
（2）精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。
（3）珩磨，用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1µm，最好可到Ra0.025µm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。
（4）
精密气门挺柱球面磨床与抛光，通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密气门挺柱球面磨床与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被气门挺柱球面磨床表面的粗糙度Ra≤0.025µm加工变质层很小，表面质量高，精密
气门挺柱球面磨床的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。
超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工，亦称之为亚微米级加工技术，正在向纳米级甚至次纳米级[1-5]加工技术发展。
3 气门挺柱球面磨床技术的发展
气门挺柱球面磨床加工不仅向更高的加工精度发展，而且其加工质量也在不断提高，且几乎可以加工任何固态材料。许多人从事气门挺柱球面磨床加工技术，研究的宗旨是进一步提高气门挺柱球面磨床加工效率、加工精度，降低加工成本[6]。目前，国内外气门挺柱球面磨床加工主要还是采用散粒磨料在慢速气门挺柱球面磨床机上气门挺柱球面磨床。 其特点是加工精度高、 加工设备简单、投资少，但是加工精度不稳定、 加工成本高、 效率低。超精密平面气门挺柱球面磨床当前是指被加工零件的尺寸和形状精度高于0.1µm，表面粗糙度Ra小于0.025µm，又称亚微米加工[7]，以及机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01µm的加工技术，目前已进入纳米级精度阶段。超精密平面气门挺柱球面磨床可分为四个基本组成部分一气门挺柱球面磨床盘、气门挺柱球面磨床液、磨粒和工件[8]。气门挺柱球面磨床盘是精密气门挺柱球面磨床加工中的模具，其面型精度对被加工件的面型精度影响非常大，模具表面形貌能在一定程度上“复制"到工件表面上[9-10]。超精密气门挺柱球面磨床是超精密加工中一种重要加工方法，其优点是加工精度高，加工材料范围广。与传统气门挺柱球面磨床相比，加工效率高、加工成本低、加工精度和加工质量稳定，这使得超精密气门挺柱球面磨床应用得到了广泛的应用。随着气门挺柱球面磨床技术在市场上需求的加大和在精密及超精密加工中的广泛应用，气门挺柱球面磨床技术已在各大加工领域得到发展，各气门挺柱球面磨床技术的类型和应用如下：
（1）磁力气门挺柱球面磨床：磁力气门挺柱球面磨床是在传统气门挺柱球面磨床的不足与缺陷上进行改革创新，采用磁场力量传导至不锈钢磨针使工件作高频率旋转运动。
应用于精密五金工件内孔、死角、细小夹缝处抛光气门挺柱球面磨床，最终达到精密工件快速去除毛刺，污垢的效果。
（2）振动气门挺柱球面磨床：采用先进的螺旋流动，三次元振动的加工原理，可实现大批量生产，省人、省力、省能源。
适用于中小尺寸工件的表面抛光、倒角、去除毛边、磨光、光泽打光处理，处理后不破坏零件的原有形状和尺寸精度，可消除零件内部应力，并提高了零件表面光洁度、精度。
（3）平面气门挺柱球面磨床：气门挺柱球面磨床盘平面度是气门挺柱球面磨床的基准，是得到精密工件平面的保证，气门挺柱球面磨床的主要类型有圆盘式气门挺柱球面磨床、转轴式气门挺柱球面磨床。
平面气门挺柱球面磨床技术广泛用于LED
蓝宝石衬底、光学玻璃晶片、石英晶片、硅片、诸片、模具、导光板、光扦接头等各种材料的单面气门挺柱球面磨床、抛光。
（4）钻头气门挺柱球面磨床：钻头气门挺柱球面磨床可以分为便携式钻头气门挺柱球面磨床， 即傻瓜式钻头气门挺柱球面磨床，木工钻头气门挺柱球面磨床，薄壁钻头气门挺柱球面磨床，群钻头气门挺柱球面磨床，台阶钻头气门挺柱球面磨床，左钻头气门挺柱球面磨床。
由于用新型的旋动座以轴承达成滑动，且以凸柱及弧形槽达成旋转后定位，使该气门挺柱球面磨床技术实用新型精度高且具有定位及动作确实的功效。
（5）光线气门挺柱球面磨床：光纤气门挺柱球面磨床是一款专门用来气门挺柱球面磨床光纤产品的气门挺柱球面磨床技术，在光纤行业被广泛应用。
光纤气门挺柱球面磨床技术主要应用于加工光纤产品的光纤端面，如光纤跳线，尾纤，能量光纤，塑料光纤，器件的预埋短插芯等等。其在光通信行业应用非常广泛，常用的方式是几台光纤气门挺柱球面磨床机和固化炉端检仪压接机测试仪等设备工具共同组成一条或多条生产线，用来生产光纤跳线，尾纤，预埋短插芯等无源器件。
（6）陶瓷气门挺柱球面磨床：陶瓷气门挺柱球面磨床是用涂上或嵌入磨料的研具对工件表面进行气门挺柱球面磨床的技术。
陶瓷气门挺柱球面磨床是超精密加工中的一种重要加工方法，可用于去除加工、 结合加工和变形加工三大类[11]，其优点是加工精度高，加工材料范围广。主要用于气门挺柱球面磨床工件中的高精度平面、内外圆柱面、圆锥面、球面、螺纹面和其他型面。
4 平面气门挺柱球面磨床方式
平面气门挺柱球面磨床可以通过单盘单面气门挺柱球面磨床或者双面气门挺柱球面磨床实现。
单面气门挺柱球面磨床方式：对于易碎的脆性材料平行薄片工件，目前均采用单面气门挺柱球面磨床加工。因为当工件的厚度只有几十微米时，工件与气门挺柱球面磨床盘紧密接触会使加工阻力增大，从而引起薄片工件的破损。单面气门挺柱球面磨床的工作示意图如图1所示。被加工晶片粘贴于工件盘上，气门挺柱球面磨床盘由电机带动以一恒定的转速做匀速圆周运动，工件盘与被加工晶片在受到与气门挺柱球面磨床盘之间的摩擦力作用，由静止到以一恒定的角速度作匀速转动。
图1 单面气门挺柱球面磨床工作示意图
双面气门挺柱球面磨床方式：进行高质量平行平面气门挺柱球面磨床时使用双面气门挺柱球面磨床方式。双面气门挺柱球面磨床法能避免由夹具的粘结误差及薄片工件两面的应力差引起的变形问题。双面气门挺柱球面磨床的结构简图如图2所示。气门挺柱球面磨床的工件放在工件行星轮内，上下均有气门挺柱球面磨床盘。气门挺柱球面磨床垫固定在上气门挺柱球面磨床盘和下气门挺柱球面磨床盘的表面，被加工晶片放在由中心齿轮和内齿圈组成的差动轮系内。气门挺柱球面磨床压力则由气缸加压上气门挺柱球面磨床盘实现。为减少气门挺柱球面磨床时晶片所受的作用力，一般使上气门挺柱球面磨床盘和下气门挺柱球面磨床盘分别以大小相等、方向相反的角速度旋转。晶片的运动由行星轮带动，同时上、下气门挺柱球面磨床盘气门挺柱球面磨床压力的作用下产生自转，因此晶片的运动是行星运动和自转运动的合成运动。
图2 双面气门挺柱球面磨床机结构简图
在充分查阅国内外相关资料的基础上，研究和开发具有国际先进水平和自主知识产权平面气门挺柱球面磨床设备，旨在开发出性价比比较高的超精密平面气门挺柱球面磨床机，用于陶瓷、磁盘基片、磁头、半导体晶片、光学器件等光电子材料的超精密平面气门挺柱球面磨床加工。主要对气门挺柱球面磨床设备设计中的关键问题，包括气门挺柱球面磨床盘加载变形及受热变形、主轴组件设计、加载系统设计和修盘系统设计等问题进行相关研究，具有非常重要的意义。
5 国内外研究情况
5.1 国外精密气门挺柱球面磨床机开发状况
国外精密单面游离磨料气门挺柱球面磨床机生产商主要有Engis公司、Logiteeh公司、英国Lapmaster International公司、日本Hitechnoth公司和德国爱孚机械制造公司等。Engis公司是世界上平面气门挺柱球面磨床、抛光加工的技术领先者，总部设于美国，在日本、加拿大、英国、韩国、新加坡、香港均设有分公司。其中Engis Hyprez flat lapping machines适合于金刚石磨料气门挺柱球面磨床，预设工厂常用速度：可实现0-440RPM无级变速；2级压力控制，慢停慢启动功能，可以加工各种晶体、半导体基片等。例如：加工GaN 6小时后表面粗糙度可达Ra 0.39 nm；加工YAG90分钟后表面粗糙度可运Ra 0.40 nm，Rt 4.40 nm，平面度为1 50nm/1 5ram。
英国Logitech公司有40多年的气门挺柱球面磨床抛光经验，它生产的系列桌面CMP抛光设备具有很高的精度，抛光GaAr的平面度为5级条纹，表面粗糙度Ra 达到3-4nm，厚度可以控制在±2µm到100µm，平行度为±2µm。DH系列抛光设备还带有自动化的气门挺柱球面磨床头(45KG)、自动加载系统和上下工件系统。PM5自动气门挺柱球面磨床抛光机，装有气门挺柱球面磨床盘平面度自动监控和调整系统，可将气门挺柱球面磨床盘的平面度自动修正到操作者所期望的范围内，误差为1µm，极大的降低了人工修正的时间，提高了工作效率[12]。
英国Lapmaster International公司(莱玛特公司)也是世界知名的先进气门挺柱球面磨床抛光设备的制造商，主要生产单面、双面气门挺柱球面磨床抛光机。它生产的单面气门挺柱球面磨床/抛光机能实现对压电晶体、半导体材料、光学玻璃、光电子晶体、电子陶瓷等金属或非金属的单面气门挺柱球面磨床或抛光加工，能使加工表面获得较好的平面度和表面粗糙度。
日本Hitechnoth公司能生产非常小型的桌式气门挺柱球面磨床机，用于晶片的精密气门挺柱球面磨床加工。HIT-12B型单面气门挺柱球面磨床机可配置的气门挺柱球面磨床盘直径范围为300mm~380mm，可同时加工三块晶片，主轴转速0~60rpm，加载力为静载荷，系统自动控制研抛时间，最大的的特点是该型机器非常的轻便，机器总重量只有60kg，非常便于搬运。HIT-24P-H4单面抛光机抛光盘的直径为610mm，具有4个工件轴，可同时抛光四个工件，工件的最大直径可达23 0ram，工作区以透明玻璃密封，控制面板采用LED触摸屏，操作非常方便。整机重1 500kg，搬运有些不便。
5.2 国内精密气门挺柱球面磨床机开发状况
国内研究与开发超精密平面气门挺柱球面磨床抛光设备的研究机构主要有中国航 空精密机械研究所、浙江工业大学、长春理工大学、中科院人工晶体研发中心、南京航空航天大学等。生产超精密平面气门挺柱球面磨床抛光设备的公司主要有上海日进机床有限公司、上海菜特门机械有限公司、北京奥美创新机电科技有限公司、深圳宏达高精度平面气门挺柱球面磨床抛光设备有限公司、深圳市纳诺斯精密机械技术有限公司等。
目前代表国内最高水平的北京中国航空精密机械研究所(超精密加工技术国防科技重点实验室)80年代研制的龙门结构式CJY-500超精密平面气门挺柱球面磨床机床，上下气门挺柱球面磨床盘用静压油缸推动上磨盘运动，轴向重复定位精度优于0.2µm。在气门挺柱球面磨床机床上配有金刚石切削机构，可以对气门挺柱球面磨床盘进行加工。磨盘用金属锡制成时加工平面度可达0.03µm．工件表面粗糙度达0.3nm[13]。浙江工业大学研究的台式智能型纳米级抛光机除采用了常规的修正环在线修整装置、偏心载荷修整工件的平行度外，附加了最佳加工工艺参数专家数据库控制系统和超精密光栅测控技术控制抛光盘转数等技术。通过修正环的旋转可以实时连续的对气门挺柱球面磨床盘、抛光盘的平面度进行修整，可用于硅片、铌葭锂基片、钽酸锂基片、石英晶体等平面晶体工件的加工[14]。长春理工大学则生产了高速(固结磨料)平面气门挺柱球面磨床机．主要用于透镜的精磨加工。中科院人工晶体研发中心高宏剐等人研制了FP500型超精密锡磨盘平面研抛机，机床的主体结构例似于小型立 车与立式端面磨床的合成，具有超精密车削与超精密研抛两大功能，可以方便地进行基于多种基本原理的超光滑研抛研究[15]。
6 总结
今后超精密气门挺柱球面磨床技术将朝着高精度、 高效率的方向发展，这一趋势体现在2个方面： 其一是超精密复合加工方法的出现，如化学机械抛光、 电解磁力气门挺柱球面磨床、 超声珩磨等，通过多种材料去除机理的协调作用提高加工精度和加工效率； 其二是半固着磨粒加工技术的出现，如日本秋田县里大学吴勇波教授提出的磁性抛光体(Magnet ic Compound Fluid Polishing Tool)抛光技术和本课题组提出的半固着磨粒加工技术。前者的加工工具是将磁性复合流体(MCF)和磨粒粒子、 植物纤维素均匀混合后在磁场条件下压缩后制得，在磁场下呈半固态。后者的加工工具是采用特殊的结合剂和制作方法制得，加工过程中磨具对磨粒的约束介于固着磨粒加工和游离磨粒加工之间。
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