微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法。核心元件包括内套圈、保持架、滚动体、外套圈。抛光装置包括元件自转模块、外套圈转向模块、元件夹持模块、抛光液池旋转模块、支架。其中，元件夹持模块针对性提供内套圈夹具、保持架夹具、滚动体夹具、外套圈夹具。抛光方法包括安装调试抛光装置、配制柔性化学机械抛光液、设置抛光工艺参数、测量表面质量并反馈。柔性化学机械抛光液包括非牛顿流体、0.01‑40wt％的研磨颗粒、0‑10wt％的氧化剂、0‑10wt％的金属络合剂、0‑5wt％的金属缓蚀剂、以及余量的水，pH值2.0‑10.0。本发明专利技术通过优化化学反应和力流变效应机械力的协同作用，能够实现核心元件表面超精密低损伤加工以及复杂曲面保形加工，且绿色环保。

Ultra precision and flexible chemical mechanical polishing device and method for micro bearing core components

【技术实现步骤摘要】
微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法
本专利技术涉及超精加工
，具体而言，涉及微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法。
技术介绍
微型轴承是指公制系列的外径小于9mm、英制系列的外径小于9.525mm的各类轴承。随着人们对机械产品轻量化、微型化、精密化等需求的日益增长，微型轴承越来越广泛地应用于各类精密的微型设备。例如，在医疗领域，微型轴承广泛应用于牙科高速手机中，用以实现精密的牙齿切割手术，如果其加工精度不高，产生噪声和振动，甚至在手术过程中损坏，将会给患者带来极大的不适和痛苦；此外，微型轴承也广泛应用于血液泵中，用以实现支撑心脏的功能，如果其加工精度不高，可能会引起血液泵故障，威胁病人的生命安全；在航空航天领域，微型轴承广泛应用于人造地球卫星、空间探测器、载人航天器等空间飞行器的活动部件中，如果其加工精度不满足要求，在空间苛刻服役工况下，将会造成轴承工作表面磨损甚至导致轴承损毁，影响空间飞行器的服役性能和寿命。综上所述，微型轴承的加工精度是限制微型设备性能、寿命和可靠性提高的关键，提高微型轴承的加工精度在很大程度上就能提高微型设备的性能、寿命和可靠性。目前，微型轴承制造过程中通常采用传统的磨削和研磨技术来加工其核心元件，如无心外圆磨削和无心外圆超精研、定心往复超精研等。然而，上述加工技术受纯机械去除原理限制，去除时接触压力需要达到材料的塑性屈服极限，最小去除厚度受限，核心元件的表面质量难以进一步提高，且在热力耦合作用下不可避免地产生各种形式的损伤。当微型轴承工作在某些极端工况条件下，极有可能会出现润滑膜厚急剧降低等苛刻润滑状态，如果此时核心元件的表面质量不高，润滑膜厚小于摩擦副表面的粗糙峰高度时，粗糙峰之间会发生直接接触，极易引发核心元件工作表面磨损，进而影响微型轴承的使役性能和寿命。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，改善微型轴承核心元件的表面质量，降低表面粗糙度，使膜厚比(油膜厚度与表面粗糙度之比)提高至4以上，避免摩擦副表面粗糙峰之间的直接接触，实现全膜流体润滑，并且减少微裂纹等损伤，从而有效提高微型轴承的使役性能和寿命，最终提高微型设备的性能、寿命和可靠性。化学机械抛光技术于1965年被首次提出，经过几十年的发展，目前已经被广泛应用于超大规模集成电路制造中。化学机械抛光技术通过化学反应和机械力的协同作用，在硅片等平面上可以实现亚纳米级的表面粗糙度和纳米级的面型精度，以及趋近于零的表面缺陷和接近于零的变质层厚度。然而，化学机械抛光技术目前仅适用于平面件的超精密加工，尚无法直接应用于微型轴承核心元件复杂曲面的超精密加工。中国专利技术专利(CN201210192915.8，一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法)，提出了一种基于剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法：在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。然而，该方法主要利用磨粒或微粉对工件产生的微切削作用来实现工件表面材料的去除，去除时接触压力需要达到材料的塑性屈服极限，最小去除厚度受限，核心元件的表面质量难以进一步提高；且由于磨粒或微粉的硬度远高于工件，极易在工件表面产生划痕缺陷；同时，该方法作为一种通用的曲面抛光方法予以提出，未根据微型轴承的特点，针对性提出适用于微型轴承核心元件抛光的专用装置及方法。综上所述，化学机械抛光技术目前仅适用于平面件的超精密加工，尚无法直接应用于微型轴承核心元件复杂曲面的超精密加工。基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其受纯机械去除原理限制，加工获得的工件表面质量有限，且易在工件表面产生划痕缺陷，同时缺乏专用装置及方法，无法直接应用于微型轴承核心元件的抛光。
技术实现思路
针对上述技术难题，本专利技术提出将化学机械抛光技术与面向复杂曲面的柔性加工技术有机结合，应用于微型轴承核心元件的超精密加工领域，以实现其高表面质量加工。具体来说，将化学机械抛光技术与力流变抛光技术有机结合，发展一种新型的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光技术，该技术的加工原理简述如下：将待抛光的微型轴承核心元件浸没在含有有效化学试剂的且具有力流变效应的抛光液中，通过氧化、络合、缓蚀、吸附等化学反应在抛光工件表面生成一层均匀一致的反应膜。抛光液和抛光工件之间的高速相对运动产生力流变效应，形成的柔性固着磨具接触抛光工件表面微凸峰处的反应膜。由于该反应膜机械强度较基体材料小、与基体结合力低，因此去除时接触压力远低于基体材料的塑性屈服极限，且可以通过调控化学反应来调节反应膜的物化性质，进而调控最小去除厚度。最终，通过优化化学反应和力流变效应机械力的协同作用，实现微型轴承核心元件高表面质量加工。采用本专利技术提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光技术，包括抛光装置及方法，可以实现微型轴承核心元件复杂曲面保形加工，在不损害尺寸和形状精度的基础上，可以有效提高微小区域的表面质量；同时，抛光液是水基溶液，比热容大，可以有效抑制加工热的影响，利用化学反应和机械研磨的协同作用，可以实现微型轴承核心元件表面超精密低损伤加工。本专利技术提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其中，核心元件基本涵盖了微型轴承所有元件，包括：内套圈、保持架、滚动体、外套圈。本专利技术提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置，包括元件自转模块、外套圈转向模块、元件夹持模块、抛光液池旋转模块、支架。当抛光核心元件内套圈、保持架和滚动体时，首先将元件自转模块竖直连接元件夹持模块，然后将元件自转模块连同与其固定连接的元件夹持模块一起固定在支架上；当抛光核心元件外套圈时，首先将元件自转模块竖直连接外套圈转向模块，然后将外套圈转向模块水平连接元件夹持模块，然后再将元件自转模块连同与其固定连接的外套圈转向模块和元件夹持模块一起固定在支架上。进一步的，所述元件自转模块包括自转电机、自转电机固定板、固定板锁紧环、自转传动轴、外套圈自转传动轴。首先将固定板锁紧环安装在自转电机固定板底部，然后将固定板锁紧环连同与其固定连接的自转电机固定板一起固定在支架上。自转电机安装在自转电机固定板上，并通过螺钉固定连接。当抛光核心元件内套圈、保持架和滚动体时，使用自转传动轴。自转传动轴两端均为中空结构，其中一端与自转电机的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，另一端与内套圈夹具上部(或者保持架夹具上部、滚动体夹具上部)一端的凸台形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。当抛光核心元件外套圈时，将自转传动轴更换成外套圈自转传动轴。外套圈自转传动轴的一端为中空结构，与自转电机的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，另一端为细轴结构，与外套圈转向模块中的中空结构的锥齿轮I形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。进一步的，所述自转电机固定板上设有细孔槽、粗孔槽。固定自转电机的螺钉穿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：包括抛光装置及采用该装置进行抛光的方法，其中，核心元件包括内套圈(343)、保持架(323)、滚动体(335)、外套圈(313)，所述抛光装置包括元件自转模块(1)、外套圈转向模块(2)、元件夹持模块(3)、抛光液池旋转模块(4)、支架(5)；当抛光核心元件内套圈(343)、保持架(323)和滚动体(335)时，首先将元件自转模块(1)竖直连接元件夹持模块(3)，然后将元件自转模块(1)连同与其固定连接的元件夹持模块(3)一起固定在支架(5)上；当抛光核心元件外套圈(313)时，首先将元件自转模块(1)竖直连接外套圈转向模块(2)，然后将外套圈转向模块(2)水平连接元件夹持模块(3)，然后再将元件自转模块(1)连同与其固定连接的外套圈转向模块(2)和元件夹持模块(3)一起固定在支架(5)上。/n

【技术特征摘要】
1.微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：包括抛光装置及采用该装置进行抛光的方法，其中，核心元件包括内套圈(343)、保持架(323)、滚动体(335)、外套圈(313)，所述抛光装置包括元件自转模块(1)、外套圈转向模块(2)、元件夹持模块(3)、抛光液池旋转模块(4)、支架(5)；当抛光核心元件内套圈(343)、保持架(323)和滚动体(335)时，首先将元件自转模块(1)竖直连接元件夹持模块(3)，然后将元件自转模块(1)连同与其固定连接的元件夹持模块(3)一起固定在支架(5)上；当抛光核心元件外套圈(313)时，首先将元件自转模块(1)竖直连接外套圈转向模块(2)，然后将外套圈转向模块(2)水平连接元件夹持模块(3)，然后再将元件自转模块(1)连同与其固定连接的外套圈转向模块(2)和元件夹持模块(3)一起固定在支架(5)上。


2.根据权利要求1所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述元件自转模块(1)包括自转电机(11)、自转电机固定板(12)、固定板锁紧环(13)、自转传动轴(14)、外套圈自转传动轴(15)，首先将固定板锁紧环(13)安装在自转电机固定板(12)底部，然后将固定板锁紧环(13)连同与其固定连接的自转电机固定板(12)一起固定在支架(5)上，自转电机(11)安装在自转电机固定板(12)上，并通过螺钉固定连接，当抛光核心元件内套圈(343)、保持架(323)和滚动体(335)时，使用自转传动轴(14)，自转传动轴(14)两端均为中空结构，自转传动轴(14)一端与自转电机(11)的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，自转传动轴(14)另一端与内套圈夹具上部(341)、保持架夹具上部(321)或滚动体夹具上部(331)的一端的凸台形成过渡配合，并通过螺钉固定连接；当抛光核心元件外套圈(313)时，将自转传动轴(14)更换成外套圈自转传动轴(15)，外套圈自转传动轴(15)的一端为中空结构，与自转电机(11)的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，外套圈自转传动轴(15)的另一端为细轴结构。


3.根据权利要求2所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述自转电机固定板(12)上设有细孔槽、粗孔槽，固定自转电机(11)的螺钉穿过细孔槽，可在细孔槽内沿水平方向一维移动，自转电机(11)的轴穿过粗孔槽，可在粗孔槽内沿水平方向一维移动，通过来回移动自转电机(11)，调节自转电机(11)的轴与抛光液池旋转模块(4)边缘的水平距离，达到所需的水平距离后，通过螺钉固定住自转电机(11)。


4.根据权利要求1所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述外套圈转向模块(2)包括外套圈转向轴(21)、锥齿轮I(221)、锥齿轮II(222)、转向轴轴承(23)、外套圈转向支架(24)、转向轴轴承端盖(25)、锥齿轮挡板(26)，锥齿轮I(221)为中空结构，锥齿轮I(221)与锥齿轮II(222)配合，改变外套圈(313)转动方向，以便柔性化学机械抛光液可以顺利进入外套圈(313)内部，抛光外套圈(313)的内滚道，锥齿轮II(222)为中空结构，与外套圈转向轴(21)的一端的细轴结构形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，外套圈转向轴(21)的另一端中间安装转向轴轴承(23)，并通过转向轴轴承(23)整体固定安装在外套圈转向支架(24)上，外套圈转向支架(24)上安装转向轴轴承端盖(25)和锥齿轮挡板(26)。


5.根据权利要求2所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述元件夹持模块(3)包括内...

【专利技术属性】
技术研发人员：江亮，吕冰海，仲夏，黄朝蓬，刘进伟，钱林茂，
申请(专利权)人：西南交通大学，浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：四川;51