[發明專利]微型軸承核心元件超精密柔性化學機械拋光裝置及方法

有效

• 申請號: 202010118552.8
• 申請日: 2020-02-26
• 公開（公告）號: CN111216031B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 江亮;呂冰海;仲夏;黃朝蓬;劉進偉;錢林茂
• 申請（專利權）人: 西南交通大學;浙江工業大學
• 主分類號: B24B31/00
• 分類號: B24B31/00;B24B31/02;B24B41/06;B24B57/02;C09G1/02
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 鐘玉巧

本發明公開了微型軸承核心元件超精密柔性化學機械拋光裝置及方法。核心元件包括內套圈、保持架、滾動體、外套圈。拋光裝置包括元件自轉模塊、外套圈轉向模塊、元件夾持模塊、拋光液池旋轉模塊、支架。其中，元件夾持模塊針對性提供內套圈夾具、保持架夾具、滾動體夾具、外套圈夾具。拋光方法包括安裝調試拋光裝置、配制柔性化學機械拋光液、設置拋光工藝參數、測量表面質量并反饋。柔性化學機械拋光液包括非牛頓流體、0.01?40wt％的研磨顆粒、0?10wt％的氧化劑、0?10wt％的金屬絡合劑、0?5wt％的金屬緩蝕劑、以及余量的水，pH值2.0?10.0。本發明通過優化化學反應和力流變效應機械力的協同作用，能夠實現核心元件表面超精密低損傷加工以及復雜曲面保形加工，且綠色環保。

技術領域

本發明涉及超精加工技術領域，具體而言，涉及微型軸承核心元件超精密柔性化學機械拋光裝置及方法。

背景技術

微型軸承是指公制系列的外徑小于9mm、英制系列的外徑小于9.525mm的各類軸承。隨著人們對機械產品輕量化、微型化、精密化等需求的日益增長，微型軸承越來越廣泛地應用于各類精密的微型設備。例如，在醫療領域，微型軸承廣泛應用于牙科高速手機中，用以實現精密的牙齒切割手術，如果其加工精度不高，產生噪聲和振動，甚至在手術過程中損壞，將會給患者帶來極大的不適和痛苦；此外，微型軸承也廣泛應用于血液泵中，用以實現支撐心臟的功能，如果其加工精度不高，可能會引起血液泵故障，威脅病人的生命安全；在航空航天領域，微型軸承廣泛應用于人造地球衛星、空間探測器、載人航天器等空間飛行器的活動部件中，如果其加工精度不滿足要求，在空間苛刻服役工況下，將會造成軸承工作表面磨損甚至導致軸承損毀，影響空間飛行器的服役性能和壽命。綜上所述，微型軸承的加工精度是限制微型設備性能、壽命和可靠性提高的關鍵，提高微型軸承的加工精度在很大程度上就能提高微型設備的性能、壽命和可靠性。

目前，微型軸承制造過程中通常采用傳統的磨削和研磨技術來加工其核心元件，如無心外圓磨削和無心外圓超精研、定心往復超精研等。然而，上述加工技術受純機械去除原理限制，去除時接觸壓力需要達到材料的塑性屈服極限，最小去除厚度受限，核心元件的表面質量難以進一步提高，且在熱力耦合作用下不可避免地產生各種形式的損傷。當微型軸承工作在某些極端工況條件下，極有可能會出現潤滑膜厚急劇降低等苛刻潤滑狀態，如果此時核心元件的表面質量不高，潤滑膜厚小于摩擦副表面的粗糙峰高度時，粗糙峰之間會發生直接接觸，極易引發核心元件工作表面磨損，進而影響微型軸承的使役性能和壽命。因此，亟需發展新的控形控性超精密加工技術，改善微型軸承核心元件的表面質量，降低表面粗糙度，使膜厚比(油膜厚度與表面粗糙度之比)提高至4以上，避免摩擦副表面粗糙峰之間的直接接觸，實現全膜流體潤滑，并且減少微裂紋等損傷，從而有效提高微型軸承的使役性能和壽命，最終提高微型設備的性能、壽命和可靠性。

化學機械拋光技術于1965年被首次提出，經過幾十年的發展，目前已經被廣泛應用于超大規模集成電路制造中。化學機械拋光技術通過化學反應和機械力的協同作用，在硅片等平面上可以實現亞納米級的表面粗糙度和納米級的面型精度，以及趨近于零的表面缺陷和接近于零的變質層厚度。然而，化學機械拋光技術目前僅適用于平面件的超精密加工，尚無法直接應用于微型軸承核心元件復雜曲面的超精密加工。