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Review on the progress of ultra-precision machining technologies

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Frontiers of Mechanical Engineering 2017年第2期12卷 158-180页

作者： Julong YUAN binghai lyu Wei HANG Qianfa DENG Ultra-precision Machining Center Zhejiang University of Technology Hangzhou 310014 China Key Laboratory of E&M Zhejiang University of Technology (Ministry of Education and Zhejiang Province) Hangzhou 310014 China

Ultra-precision machining technologies are the essential methods, to obtain the highest form accuracy and surface quality. As more research findings are published, such technologies now involve complicated systems engineering and been widely used in the production of components in various aerospace, national defense, optics, mechanics, electronics, and other high-tech applications. The conception, applications and history of ultra-precision machining are introduced in this article, and the develop- ments of ultra-precision machining technologies, espe- cially ultra-precision grinding, ultra-precision cutting and polishing are also reviewed. The current state and problems of this field in China are analyzed. Finally, the development trends of this field and the coping strategies employed in China to keep up with the trends are discussed.

关键词： ultra-precision grinding ultra-precision cut-ting ultra-precision polishing research status in China,development tendency

Edge preparation methods for cutting tools:a review

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Frontiers of Mechanical Engineering 2023年第4期18卷 49-77页

作者： Yu ZHOU Wei FANG Lanying SHAO Yanfei DAI Jiahuan WANG Xu WANG Julong YUAN Weigang GUO binghai lyu College of Mechanical Engineering Zhejiang University of TechnologyHangzhou 310023China Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology(Ministry of Education and Zhejiang Province) Zhejiang University of TechnologyHangzhou 310023China Special Equipment Institute Hangzhou Vocational&Technical CollegeHangzhou 310018China

Edge preparation can remove cutting edge defects,such as burrs,chippings,and grinding marks,generated in the grinding process and improve the cutting performance and service life of *** edge preparation methods have been proposed for different tool matrix materials,geometries,and application *** study presents a scientific and systematic review of the development of tool edge preparation technology and provides ideas for its future ***,typical edge characterization methods,which associate the microgeometric characteristics of the cutting edge with cutting performance,are briefly ***,edge preparation methods for cutting tools,in which materials at the cutting edge area are removed to decrease defects and obtain a suitable microgeometry of the cutting edge for machining,are *** edge preparation methods are explored on the basis of existing processing technologies,and the principles,advantages,and limitations of these methods are systematically summarized and *** preparation methods are classified into two categories:mechanical processing methods and nontraditional processing *** methods are compared from the aspects of edge consistency,surface quality,efficiency,processing difficulty,machining cost,and general *** this manner,a more intuitive understanding of the characteristics can be ***,the future development direction of tool edge preparation technology is prospected.

关键词： edge preparation method preparation principle cutting edge geometry edge characterization tool performance

Cutting edge preparation of microdrills by shear thickening polishing for improved hole quality in electronic PCBs

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Frontiers of Mechanical Engineering 2024年第2期19卷 99-107页

作者： Jiahuan WANG Mingfeng KE Jiepei LIAO Yu ZHOU Saurav GOEL Jaya VERMA Xu WANG Weigang GUO Julong YUAN binghai lyu College of Mechanical Engineering Zhejiang University of TechnologyHangzhou 310000China Ultra-precision Machining Center Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Manufacturing TechnologyZhejiang University of TechnologyHangzhou 310000China School of Engineering London South Bank UniversityLondon SE10AAUK Shenzhen Jinzhou Precision Technology Corporation Shenzhen 518116China Department of Mechanical Engineering University of Petroleum and Energy StudiesDehradun 248007India Special Equipment Institute Hangzhou Vocational&Technical CollegeHangzhou 310018China

Printed circuit boards(PCBs)are representative composite materials,and their high-quality drilling machining remains a persistent challenge in the *** finishing of the cutting edge of a microdrill is crucial to drill performance in machining fine-quality holes with a prolonged tool *** miniature size involving submicron scale geometric dimensions,a complex flute shape,and low fracture toughness makes the cutting edge of microdrills susceptible to breakage and has been the primary limiting factor in edge preparation for *** this study,a newly developed cutting edge preparation method for microdrills was tested experimentally on electronic printed circuit *** proposed method,namely,shear thickening polishing,limited the cutting edge burrs and chipping on the cutting edge,and this in turn transformed the cutting edge’s radius from being sharp to ***,the edge–edge radius could be regulated by adjusting the processing *** drilling experiments were conducted to investigate the influence of different cutting edge radii on wear,hole position accuracy,nail head value,and hole wall *** proposed approach showed 20%enhancement in hole position accuracy,33%reduction in the nail head value,and 19%reduction in hole wall roughness compared with the original ***,a threshold is needed;without it,excessive shear thickening polishing will result in a blunt edge,which may accelerate the wear of the *** was identified as the primary factor that reduced hole *** study indicates that in printed circuit board machining,microdrills should effectively eliminate grinding defects and maintain the sharpness of the cutting edge as much as possible to obtain excellent drilling ***,shear thickening polishing is a promising method for cutting edge preparation of *** research and optimization can lead to additional improvements in microdrill performance and contribute to the conti

关键词： microdrill shear thickening polishing cutting edge preparation electronic printed circuit boards hole quality

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滚动轴承工作表面超精密加工技术研究现状

中国机械工程 2019年第11期30卷 1301-1309页

作者：王旭赵萍吕冰海袁巨龙浙江工业大学超精密加工研究中心杭州310023

滚动轴承的工作表面包括套圈滚道表面和滚动体表面,其表面质量直接影响轴承的精度和性能。对滚动轴承工作表面超精密加工技术的发展概况和最新研究进展进行了介绍和分析,为进一步探索在线电解磨削、电化学磨削、双电解磨削和力流变抛光... 详细信息

滚动轴承的工作表面包括套圈滚道表面和滚动体表面,其表面质量直接影响轴承的精度和性能。对滚动轴承工作表面超精密加工技术的发展概况和最新研究进展进行了介绍和分析,为进一步探索在线电解磨削、电化学磨削、双电解磨削和力流变抛光等技术在轴承加工中的重点应用提供参考。

关键词：轴承套圈滚动体超精密加工

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化学机械干式研磨的转化率建模及优化试验

中国机械工程 2019年第18期30卷 2185-2190,2197页

作者：袁巨龙王洁吕冰海黄晟张韬杰杭伟浙江工业大学超精密加工研究中心杭州310014 杭州职业技术学院友嘉机电学院杭州310018

化学机械干式研磨的最大去除率产生于化学固相反应与机械作用达到平衡时。建立了固相反应转化率的数学模型,以全面分析其影响因素。从影响因素中选择4个主要参数,展开固结SiO2磨料磨具研磨蓝宝石的试验研究。试验结果表明,按影响显著程... 详细信息

化学机械干式研磨的最大去除率产生于化学固相反应与机械作用达到平衡时。建立了固相反应转化率的数学模型,以全面分析其影响因素。从影响因素中选择4个主要参数,展开固结SiO2磨料磨具研磨蓝宝石的试验研究。试验结果表明,按影响显著程度由高到低排列的4个参数分别为磨具转速、载荷、磨料粒径、磨料与结合剂的质量百分比,所研究范围内的化学机械作用最优参数组合是:粒径45μm,百分比30%,载荷0.6MPa,转速150r/min。

关键词：研磨固相反应转化率磨具

SiC晶片金刚石磨料凝胶抛光盘的制备与性能分析

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材料导报 2022年第12期36卷 215-223页

作者：冯凯萍吕冰海王帅赵天晨周兆忠衢州学院机械工程学院浙江衢州324000 浙江工业大学机械工程学院杭州310014 浙江大学机械工程学院杭州310012

针对热压成型超细金刚石微粉抛光盘抛光碳化硅晶片时易产生较深表面划痕而导致废片的问题,提出了一种基于聚乙烯醇冷冻⁃解冻凝胶成形金刚石固着磨料抛光盘的制备方法。采用力学性能测试、红外光谱、摩擦磨损、热重分析等方法对凝胶抛光... 详细信息

针对热压成型超细金刚石微粉抛光盘抛光碳化硅晶片时易产生较深表面划痕而导致废片的问题,提出了一种基于聚乙烯醇冷冻⁃解冻凝胶成形金刚石固着磨料抛光盘的制备方法。采用力学性能测试、红外光谱、摩擦磨损、热重分析等方法对凝胶抛光盘的性能进行表征。研究表明:聚乙烯醇含量大于3%(质量分数,下同)时,聚乙烯醇⁃酚醛树脂混合胶水可以形成完整凝胶体。当聚乙烯醇含量为5%~6%时,凝胶抛光盘内部形成了大量毛细微孔,孔隙之间相互交错和联通,其抗折强度和抗拉强度最高,平均摩擦系数最大,摩擦系数稳定性最好,其磨料均匀性优于热压抛光盘。随着聚乙烯醇含量的提高,抛光盘表面被树脂结合剂覆盖,抛光盘的塑性越来越大,聚乙烯醇热解对凝胶抛光盘摩擦系数的影响增大,摩擦系数随着摩擦时间的延长开始出现热衰退现象。使用聚乙烯醇含量为5%的凝胶抛光盘抛光SiC晶片,表面平均粗糙度R_(a)小于2.5 nm,再通过化学机械抛光(CMP)后获得了表面粗糙度R_(a)小于0.5 nm的超光滑无损表面,抛光效果优于热压抛光盘。

关键词：聚乙烯醇(PVA) 酚醛树脂(PF) 凝胶抛光盘超细金刚石碳化硅晶片

基于多源数据融合的半导体晶片CMP抛光材料去除率预测

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表面技术 2024年第2期53卷 150-157,167页

作者：方维王宇宇宋志龙吕冰海赵文宏浙江工业大学机械工程学院杭州310023

目的对半导体晶片抛光过程中的工艺参数、耗材使用量、抛光垫状态参数等多源数据预处理后进行数据融合,建立材料去除率(MRR)预测模型,为实现半导体晶片抛光加工工艺的决策和处理奠定基础。方法研究晶片抛光加工中的数据特点及数据融... 详细信息

目的对半导体晶片抛光过程中的工艺参数、耗材使用量、抛光垫状态参数等多源数据预处理后进行数据融合,建立材料去除率(MRR)预测模型,为实现半导体晶片抛光加工工艺的决策和处理奠定基础。方法研究晶片抛光加工中的数据特点及数据融合需求,提取数据集中每个晶片加工过程中的统计特征并生成新数据集,同时引入邻域特征以应对晶片加工过程中动态因素对材料去除率的影响。提出基于深度自动编码器的多源数据融合及材料去除率预测方法。设计深度自动编码器参数,优化深度自动编码器的损失函数从而增强深度自动编码器对强相关性特征变量的重建。基于深度自动编码器进行多源传感器信号融合,降低数据维度。使用超参数搜索算法优化BP神经网络超参数,利用BP神经网络方法将融合后的数据进行半导体晶片抛光过程中的材料去除率预测。结果采用PHM2016数据集对模型进行验证,均方误差MSE达到7.862,相关性R^(2)达到91.2%。结论基于多源数据的融合模型能有效预测MRR,可以对半导体晶片CMP工艺过程的智能决策与控制起到良好的辅助作用。

关键词：化学机械抛光材料去除率数据融合深度自动编码器 BP神经网络预测

用于功能陶瓷材料超精密平面加工的固结磨具的研究进展

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材料导报 2019年第17期33卷 2873-2881页

作者：王洁赵萍吕冰海张韬杰黄晟杭伟袁巨龙浙江工业大学超精密加工研究中心杭州310014 杭州职业技术学院友嘉机电学院杭州310018

功能陶瓷是可实现某种功能的无机非金属材料。以平面为重要工作面的功能陶瓷零部件及产品因具有优良的综合性能而被广泛应用于医疗民生和国防军工等领域。为更好地满足产品的功能要求,平面的加工质量需达到形状精度亚微米级、表面粗糙... 详细信息

功能陶瓷是可实现某种功能的无机非金属材料。以平面为重要工作面的功能陶瓷零部件及产品因具有优良的综合性能而被广泛应用于医疗民生和国防军工等领域。为更好地满足产品的功能要求,平面的加工质量需达到形状精度亚微米级、表面粗糙度纳米级,甚至更高水平。因此,功能陶瓷平面迫切需要超精密加工。磨料加工是超精密加工的重要方式,包含固结磨料和游离磨料加工这两种互为补充的方式。固结磨料加工是否能够满足被加工工件的超精密要求,磨具至关重要。磨削时所采用的砂轮,固结磨料研磨、抛光时所采用的研磨垫和抛光垫,均为固结磨具。功能陶瓷具有稳定的物理化学综合特性,使得其被加工后可长期保持加工精度;同时,这也决定了功能陶瓷的加工有别于金属材料、有机材料以及工程陶瓷。用于功能陶瓷材料超精密平面加工的固结磨具有别于普通加工的固结磨具,亟需针对性的研究。决定固结磨具能否满足加工要求的因素主要包括:磨具制备时,作为固结磨具的主要原料、磨料和结合剂的合理选择或改性;磨具使用中,可能出现的磨料钝化以及磨具表面被磨屑堵塞的现象;磨具表面宏观形貌的优化与否。近年来,国内外研究人员从功能陶瓷材料的不同去除机理出发选择磨料,针对固结磨料超精密平面加工的不同方式选择或改性结合剂,通过在线修整、表面结构化的方法使磨具长时间保持高效高精度的加工性能。由此所制备或选用的磨具被成功应用于硅、锗、蓝宝石、碳化硅、微晶玻璃、三硼酸锂等功能陶瓷材料的平面加工,达到超精密加工水平,可以满足不同领域相关产品的功能要求。本文综述了功能陶瓷材料的固结磨料超精密平面加工用磨具的研究进展,分别从磨具原料的选择、磨具的应用、磨具的在线修整和表面的结构化进行介绍,分析了以上四方面研究所面临的问题并展望了发展前景,以期为业界和相关研究人员以固结磨具超精密加工功能陶瓷平面提供参考。

关键词：固结磨具超精密平面加工功能陶瓷选材结构化表面自修整

介电泳效应平面抛光的电极同层布置方式数值仿真与实验

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中国机械工程 2022年第15期33卷 1772-1779,1793页

作者：邓乾发程军吕冰海袁巨龙王旭岑凯迪浙江工业大学超精密加工研究中心杭州310023 浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室杭州310023

针对化学机械平面抛光(CMPP)过程中,抛光液受抛光盘旋转离心力作用,抛光液有效利用率低、在抛光盘表面分布不均,从而影响平面抛光效率和质量的问题,提出了一种电极同层布置方式的介电泳平面抛光方法(SLAE-DEPP)。采用COMSOL Multiphysic... 详细信息

针对化学机械平面抛光(CMPP)过程中,抛光液受抛光盘旋转离心力作用,抛光液有效利用率低、在抛光盘表面分布不均,从而影响平面抛光效率和质量的问题,提出了一种电极同层布置方式的介电泳平面抛光方法(SLAE-DEPP)。采用COMSOL Multiphysics对电极同层布置方式下封闭式圆环电极和非封闭式圆环电极的电势变化和电场强度平方梯度变化进行仿真,仿真结果表明,非封闭式圆环电极方式的电场强度平方梯度在半径ρ方向和角度θ方向都存在变化,在开口处最大电场强度平方梯度变化约为封闭式电极方式电场强度平方梯度变化的1.5倍。采用非封闭圆环电极同层布置方式制作抛光盘,搭建实验平台进行抛光实验,实验结果表明,与传统CMPP抛光相比,SLAE-DEPP方式抛光直径为76.2 mm硅片,抛光6 h后,工件中心处表面粗糙度Ra从初始690 nm下降到1 nm以下,工件平面度(RMS值)为0.268μm,工件材料去除率(MRR)提高了近27.3%,工件表面去除均匀达到镜面,抛光效率和抛光质量均优于传统CMPP方式。

关键词：介电泳效应平面抛光电极同层布置均匀性