当今10项最难的去毛刺抛光材料部件及其前沿解决方案

发布时间: 06月28日 浏览次数:424

图源:DKSH

 

随着工业化和自动化程度的提高,在机械加工领域,尤其是汽车工业、航空航天、半导体、光学、新材料、生物医疗等应用领域中,对机械零件制造精度要求和机构设计的微型化需求越来越高,表面精密加工越来越难,这对磨削、打磨、抛光、去毛刺等表面精加工技术提出了更高的要求和挑战。

DeburringTec去毛刺&精加工技术展览会依据行业前沿分析,汇总了当今最具挑战性的10项去毛刺抛光材料部件及其背后的成功解决方案,以供相关企业人士做参考。

 

01 第三代半导体晶圆平坦化处理

 

随着以碳化硅为代表的第三代半导体在芯片制造上的起步应用,使得芯片晶圆制程越先进,对硅片质量的要求就越高,晶圆制造就需要对碳化硅硅片表面进行平坦化处理。

 

CMP抛光实景图

 

GaN、 SiC晶片的化学机械抛光过程中,通过提高晶片在抛光过程中的氧化效率来提高抛光过程中的材料去除速率。化学机械抛光(CMP)是保证电子级晶圆和最终产品成功的唯一途径,用于衬底和多层器件平坦化处理,通过纳米级粒子的物理研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机结合,以获得优异的平面度。CMP的整体优秀性表现在:

 

  • 通过去除表面材料来使晶圆的形貌平坦,这一过程是通过化学反应和应用“温和”研磨力的组合来实现的;
  • 能够使用现代晶圆制造最精密的抛光挑战:更严格的缺陷要求,多变的表面和周围化学物质,磨料纳米颗粒的尺寸、形貌和功能性,新型衬底材料,对埃级均匀性的要求;
  • 在典型的CMP过程中,晶圆通过表面张力或背压固定在载体上,然后压在贴有抛光垫的转盘上。磨料、化学助剂和氧化剂混合成抛光液分散在这两个表面之间的界面上。材料去除率由转盘的相对速度和压力、晶圆和抛光液之间的化学活性以及在抛光液中工作的磨料的物理化学性质决定。

 

因此,CMP可以保证在高效去除的条件下获得高度平坦化、无缺陷的外延级衬底。

 

图源:圣戈班

 

02 航空发动机叶片复杂曲面抛光

 

航空发动机叶片属典型的薄壁复杂自由曲面零件,所使用的材料均为难加工材料,以叶片制造使用率最大的钛合金为例,钛合金具有重量轻、强度高、高低温性能好、耐腐蚀等很多优点,但其化学性质活泼,易与刀具材料发生化学反应,导热系数和弹性模量不高,属于典型的难加工材料。

图源:AV&R 航空航天公司

 

智能机器人是对付复杂曲面的打磨抛光的完美解决方案。智能机器人的智能软件系统、硬件系统,赋予了机器人 的“智慧”,让其具有了高度人工智能性,能像人一样判断、决策、执行,不再只能干简单的事情,也能做复杂的动作,如智能机器人能够对航空发动机涡轮叶片进行准确的数学建模,五轴智能打磨抛光机器人的力控系统,为复杂不规则曲面的打磨抛光提供了充分的技术保障:

 

  • 智能控制分析、运算、实时加工过程,能够对叶片的铸造生产误差、加工误差进行自动补偿,充分确保叶片的打磨抛光精度;
  • 集成有激光测量系统,能不断检测叶片表面的尺寸、打磨轮的尺寸状态,并将数据反馈给智能控制系统,为智能控制系统实时控制、自动补偿,修正动作;
  • 根据叶片表面受到力的大小,自动调整加工参数,使其在状态下高效加工。始终保持叶片和打磨轮保持恒力接触。在力控系统支持下,充分保障了复杂曲面叶片的打磨抛光。

 

 

03 汽车发动机变速箱壳体去毛刺

 

变速箱的主要作用是改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小,是汽车行驶中非常重要的部件,由于需要与汽车其他配件相互配合,需要有较强的光滑度,确保能够快速磨合。

 

图源:Felsomat

 

但汽车变速器壳体是一个布满狭窄通道的复杂“迷宫”,而在这些机械加工出的通道的每一侧,通常都存在毛刺。另外,变速箱壳体零件的主要表面为精度要求较高的轴承孔、零件由内孔、外圆、凸台、等表面构成。壳体零件上存在的多种功能孔和环槽结构为变速箱整体去毛刺带来挑战。

 

图源:索鲁馨

 

智能机器人去毛刺,是现代制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础,已成为当今各大铸件去毛刺工厂的必备神器。集合先进智能技术,通过灵活的细节设计将设备的利用率达到最大,同时也得到效率、速度和质量的保证。对于变速箱及其零件去毛刺的优势如下:

 

  • 加工程序编辑——根据铸件的形状、毛刺位置、大小进行去毛刺程序编辑;
  • 打磨刀具会随着主轴同步运动,形成直线、平面、弧面打磨运动轨迹,能够对各种复杂不规则形状的汽车铸件进行打磨、去毛刺。如毛坯件进行冒口毛刺切割,轮廓、边角多余的毛刺去除;
  • 设计了智能控制系统、智能视觉系统、激光测量系统,在三大系统的控制和配合下,能够一边打磨、一边自动补偿加工误差和铸造误差,实现全自动、高精度、一次性装夹去毛刺;
  • 配合高压水喷射去毛刺,利用它的瞬间冲击力来去除加工后产生的毛刺和飞边,同时可达到清洗的目的。

 

变速箱壳体零件数控去毛刺技术的广泛使用,为机械制造业生产方式、生产结构、管理方式带来深刻的变化。

 

04 阀体阀门内腔交叉孔去毛刺

 

由于阀类元件要有较高的灵敏性和可靠性,阀体交叉孔毛刺问题一直是困扰各企业的老难题。阀体、阀门、泵体等零部件有着非常复杂的工艺结构,其曲面、内孔、夹缝等复杂工艺增加了生产和加工难度。

 

但随着抛光技术的成熟,让阀体阀门复杂内部的毛刺也无所遁形。时髦一些的去毛刺方法有:磨粒流去毛刺、磁力抛光去毛刺、高压水喷去毛刺、脉冲去毛刺、电化学去毛刺、电解去毛刺、热能去毛刺、智能机器人/智能打磨去毛刺中心等,以这些毛刺方法,可以为阀体阀门去毛刺达到不同程度的光整效果。方法的选用还得视实际情况而定。

 

微孔数控高压悬射流去毛刺 图源:普茨迈

 

05 高端轴承精密磨削

 

高端轴承,具有高运转、高载荷能力、长寿命、高可靠、低震动噪音和低摩擦力性能,是大飞机、高档汽车、高铁、重载型武器、电梯、高档数控机床、风电以及其他机械设备中的关键核心器件,主要功能是支撑机械旋转体,降低摩擦系数并保证回转精度。速轴承比通用轴承的表面更光滑,晃动外圈与内圈的的话,高速轴承间隙更小。

 

图源:TIMKEN

 

高速磨削技术和超高速磨削技术是实现高速轴承精密研磨的关键工艺, 能大幅度提高磨削效率,改善磨削质量,提高砂轮耐用度。

 

点磨削是高速磨削技术的新发展,是集 CBN 超硬磨料、超高速磨削、CNC 柔性加工三大先进技术于一体的高效加工技术。磨削深度大,法向磨削力小,冷却、排屑充分,磨削温度低,操作方便等,特别适合细长轴类零件加工,是磨削技术与数控技术的极佳结合,

 

轴承端盖去毛刺抛光机 图源:和氏

 

高效深切磨削是在缓进深切磨削的基础上,进一步融合了 CBN 超硬磨料和高速磨削技术,提高了工件进给速度,极大地提高了磨削效率,被誉为“现代磨削技术的最高峰”。

 

因此各部件的切削、磨削、表面精密抛光处理对于保障轴承的旋转精度、降低振动噪声、减损疲劳寿命是相当重要。

高精密双端面研磨机抛光机 图源:斯凯夫机械

 

06 医疗植入器械(假骨)抛光

 

骨科医疗零部件一般采用钛和不锈钢或仿生复材等材质制造,形状曲面复杂,零件及材料价格昂贵;由于对人体健康安全的绝对苛刻性,因而对零件的表面质量、尺寸精度及表面瑕疵有着极高的要求。

 

深磨、铣削与振动光饰是骨科內植治疗中必不可少的核心工序,植入件表面的清洁度、光整度攸关骨科手术的成功率。医生只有正确掌握了这项工序,才能使植入假骨更有利于骨骼的生长,同时具有更佳的生物兼容性和力学性能。

 

目前,等离子、磨粒流、精密机械抛光是解决植入医疗器械材料新兴的解决方案。

 

 

07 碳纤维复合材料铣削

 

碳纤维复合材料,是由金属、陶瓷、树脂等基体材料和碳纤维混合制成的,具有强度高、重量轻、耐高温、抗震等优点,但是硬度高、脆性大,属于典型的难加工材料。

 

由于碳纤维复合材料有着一般高速钢的硬度,在制孔加工过程中对钻削的刀具磨损较严重,制出的孔容易出现分层、毛刺、撕裂、缩孔等问题,导致零件报废的比例高,据统计,飞机在后组装的时候,碳纤维复合材料钻孔不合格率占全部报废零件的60%以上。

 

新型立铣刀铣削CFPR示意图 图源:哈尔滨理工大学

 

菱齿立铣刀的刃型模拟图 图源:哈尔滨理工大学

 

针对碳纤维复合材料铣削时易产生毛刺等加工缺陷的问题,国内研究人员给出了新的解决方案:

 

  • 如利用交错刃立铣刀和菱齿型立铣刀能有效抑制工件表面毛刺的产生;
  • 由于菱齿型立铣刀参与切削的刃数比交错刃立铣刀多,抑制铣削毛刺产生的能力最好;
  • 金刚石涂层菱齿型立铣刀的使用寿命最长,其后刀面磨损缓慢,适合碳纤维复合材料的铣削加工。

 

金刚石涂层立铣刀 图源:友启机械

 

08 高纯度溅射靶材表面光洁度处理

 

 

靶材是制备薄膜的主要材料之一,主要应用于集成电路、平板显示、太阳能电池、记录媒体、智能玻璃等,对材料纯度和稳定性要求高:一般要求如尺寸、平整度、纯度、各项杂质含量、密度、N/O/C/S、晶粒尺寸与缺陷控制;较高要求或特殊要求包含:表面粗糙度、电阻值、晶粒尺寸均匀性、成份与组织均匀性、异物(氧化物)含量与尺寸、导磁率、超高密度与超细晶粒等等。

 

图源:立承德科技(深圳)有限公司

 

靶材表面的粗糙度会直接影响靶材溅射速率的稳定性,而溅射速率的不稳定性将导致在基板上形成的薄膜厚度不均匀;因此为了确保薄膜质量的稳定性,必须提高溅射靶材表面的光洁度——尤其是对于高纯度的溅射靶材,如何选择一种有效的表面处理方法,使得溅射靶材表面的光洁度符合工艺要求,就显得十分迫切。


图源:江丰电子

 

由于国际上靶材制造的头部企业在掌握溅射靶材生产的核心技术以后,实施极其严格的保密措施,限制技术扩散,造成了针对现有溅射靶靶材去除杂质技术的缺失。因此国内市场上很难找到一种更高端的表面抛光方案。

 

国内现有技术中常用普通车屑的方法,对溅射靶材的表面有严重的损伤,影响其表面光洁度。但不乏个别创新发明专利:

 

  • 利用CMP+特殊研磨剂的方法;
  • 高硬度高脆性陶瓷旋转靶材加工方法;
  • 使用ITO薄膜溅射靶材的清洁方法;
  • 真空条件下进行表面快速热处理法等等。

 

虽然在不同程度上溅射靶材表面纯度和光洁度,但没有一项能够实现商业化应用。

 

图源:HBM

 

09 光学镜片超精密抛光(上)

CMP/等离子抛光

 

研磨抛光工艺决定镜头品质。镜头主要决定画面清晰度(画面清透度、光线、远近景)、图像显示范围,同时影响硬件支持的最高像素。

 

光学镜片(如手机摄像头、扫描电镜 、专业摄像机/照相机、CT/磁共振医学成像镜头、光刻机镜片、透射式电镜 )的传统抛光方法难以适应超精密抛光需求。为了能达到全局平面化,化学机械抛光技术逐步兴起。

 

图源:蔡司

 

CMP是光学镜片的超精密抛光解决方案,对光学镜片的精度、公差、光洁度、透过率以及后期的成像品质有完美把控。CMP研磨液利用了磨损中的“软磨硬”原理,即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的光学镜面抛光表面,是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,借助于纳米粒子的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合,在被研磨的光学玻璃表面形成光洁表面。

 

图源:中电科电子装备集团

 

手机镜头平坦化是对镜头模具的工作面进行表面平坦化处理,而不是直接对镜头处理。前镜头模具平坦化工序采用精密车床切削的方式,在达到模具工作面表面粗糙度0.6纳米以后就很难再优化。离子束平坦化加工工序为模具加工的最后一道工序,是前面所有工序的提升,而不是替代。经过离子束高精密抛光之后,它的模具可以达到0.2至0.3纳米。

 

图源:天使翼

 

离子束抛光也被应用到对加工精度具有更高要求的光刻机物镜系统的精密抛光过程中,德国Zeiss 公司通过调整离子束抛光去除函数的尺寸与离子能量等参数,准确控制去除精度,实现了极紫外光刻物镜的抛光,并取得理想效果。

 

10 光学镜片超精密抛光(下)

微纳抛光

 

微纳制造技术作为当今国际高技术竞争的一个热点,是21世纪战略必争的前沿技术,对社会发展与国家安全具有重要意义,在我国也持续得到了“十五”、“十一五”、 “十二五”规划的重视。 

 

离子束抛光原理示意图

 

其中微纳超精密抛光技术及其设备成为近年来前沿微纳研究的热门。近期国防科大精密工程创新团队自主研制的磁流变和离子束两种超精抛光装备, 创造了光学零件加工的亚纳米精度,这一成果使我国成为继美国、 德国之后第 3 个掌握高精度光学零件制造加工技术的国家,并成为世界上唯一同时具有磁流变和离子束抛光装备研发能力的国家。

 

而在超精密光学元件加工等方面,国内经过近20年的努力, 通过引进和自主研发,初步建立了包括CCP、MRF、IBF、SPDT等技术在内的超精密光学制造技术体系。为了提高精密成型的效率,北方材料科学与工程研究院有限公司研制了强力磨削成型设备,可以快速获得球面或者非球面的成型元件,有效缩短工艺周期。西安工业大学围绕真空等离子体抛光开展研究,获得了0.8nm 粗糙度的熔石英表面,系统掌握了等离子体发生、抛光工艺及系统控制等关键技术。国内还在多个领域开展积极的创新探索,在大口径光学元件应力盘抛光等技术领域取得了国际瞩目的成果。

 

微米或纳米级的研磨微粉/研磨片 图源:GRISH

 

精密部件表面处理成为制造企业提升产品质量、增强企业核心竞争力的有力保障。为了彻底解决长期以来一直困扰零件制造商的难题,许多零件制造商正在寻找能解决更复杂的表面修整、更快的加工速度的表面精密加工工艺,来提升产品附加值。

 

除了以上介绍的10种顶尖级的案例,你还知道哪些具有挑战性的零部件表面精加工材料及其解决方案呢?

上海国际去毛刺&表面精加工技术展览会

2021.12.22-24

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