摘 要
       隨著半導(dǎo)體制造，光學(xué)制造等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對晶圓，光學(xué)窗口等零件的需求逐漸增大，雙面研磨工藝作為平面高 效高精度加工工藝，被廣泛應(yīng)用于相關(guān)零件的制造。雙面研磨技術(shù)及裝備的研究在近二十年來得到了飛速的發(fā)展，國內(nèi)外相 關(guān)學(xué)者從理論層面對雙面研磨的工藝過程進(jìn)行分析，探索材料去除機(jī)理，分析工件加工過程中表面的壓力分布，建立工件與 研磨盤的相對運動速度模型；根據(jù)提出的理論模型對雙面研磨工藝進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)對不同材料的精密加工；根據(jù)理論模型和 工藝優(yōu)化的結(jié)果，對雙面研磨裝備進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)更高精度和穩(wěn)定性的加工。調(diào)研了目前國內(nèi)外雙面研磨裝備，從機(jī)床功能， 加工精度及穩(wěn)定性等方面分析了目前國內(nèi)與國外裝備的差距，為后續(xù)國內(nèi)雙面研磨裝備的改進(jìn)提供了參考。此外，就雙面研 磨技術(shù)及裝備的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，提出了在未來向智能化發(fā)展的思路。

       引言

       隨著光學(xué)、微電子、通訊領(lǐng)域的高速發(fā)展，對 于構(gòu)件的要求逐漸提升，針對光學(xué)窗口，晶圓，手 機(jī)屏幕等核心關(guān)鍵部件的需求也隨之增多，而對于工件的平面度、平行度、表面粗糙度及表面/亞表 面損傷等要求也越來越高，雙面研磨工藝由于其加 工后具有較好的表面質(zhì)量廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件加 工，集成電路制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

       研磨技術(shù)的歷史悠久，可以追溯至 18 世紀(jì) 30 年代，廣泛應(yīng)用于鐘表、自行車、縫紉機(jī)和槍械等 零件，隨之近代工業(yè)的發(fā)展，到 1920 年前后，出現(xiàn) 了雙面研磨機(jī)床用來加工兩平行平面，20 世紀(jì) 70年代末，采用微處理機(jī)的數(shù)字控制和適應(yīng)控制等技 術(shù)在機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用，使得雙面研磨技術(shù) 應(yīng)用成本效率以得到了很大的改善，從而其得到廣 泛推廣應(yīng)用。 

       雙面研磨工藝來源于單面研磨拋光工藝，均是 實現(xiàn)平面零件高校高精度加工的工藝。其材料去除 與方式與單面研磨工藝相近，即通過磨粒在工件表 面的劃擦實現(xiàn)材料的去除；工件與研磨盤的相對運 動軌跡極其相似。雙面研磨加工與單面研磨加工也 存在差異，加工過程中，工件無需裝夾，僅需將工 件放置在游星輪內(nèi)，由上盤提供研磨壓力，工件在 上下盤間做行星運動。

        雙面研磨工藝如圖 1 所示，上下研磨盤反向轉(zhuǎn) 動，工件在上下研磨盤之間，在游星輪的帶動下， 隨游星輪做公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運動，游星輪在與齒圈和太 陽輪齒輪的嚙合作用下，做自轉(zhuǎn)和圍繞太陽輪中心 的公轉(zhuǎn)運動。加工過程中，上盤浮動，并提供壓力， 其最大壓力為其自身重力，在壓力與相對運動的作 用下工件表面材料被去除。

        雖然單面的研磨工藝能獲得較好的平面度和表面質(zhì)量，然而其加工過程中，需要在工件上 施加壓力，目前往往采用石蠟粘接的方式，在工 件背部加壓，然而隨著對工件精度要求的提升， 單面加工的平行度以及加工后工件的變形無法滿 足加工要求。相比于單面研磨加工，雙面研磨工 藝具有以下優(yōu)勢：1) 雙面同時加工，其加工效率 提升一倍，加工過程中，常采用多個工件同時加 工，且加工后的一致性較好 ；2) 上下兩個面同 時加工，無需裝夾，能夠保證加工后兩個面較好 的平行度；3) 針對剛性較差的工件，雙面加工可 以減小應(yīng)力釋放導(dǎo)致的工件的變形，而且加工中 無需使用夾具裝夾，使得工件自由狀態(tài)下去除材 料，防止了加工過程中的裝夾變形，上下表面同 時引入加工應(yīng)力，減小加工應(yīng)力造成工件的變形 如圖 2 所示。因此，雙面研磨比單面研磨更 適合應(yīng)用于大批量加工平面零件。雙面研磨根據(jù)磨粒種類的不同可以分為固結(jié)磨料雙面研磨和游 離磨料雙面研磨，固結(jié)磨料雙面研磨中，采用 固結(jié)磨料研磨盤，將金剛石磨粒燒結(jié)在研磨盤上， 加工過程中需加入水，起到冷卻和清洗的作用。由于其磨粒分布均勻，因此具有材料去除 率穩(wěn)定，亞表面損傷少等優(yōu)點。游離磨料雙 面研磨采用鑄鐵盤配合氧化鋁，碳化硅，金剛石 等游離磨料進(jìn)行加工，由于鑄鐵盤剛性好，面形 易保持，所以加工后較容易獲得較好的面形精度， 通過采用不同粒徑不同濃度的磨料進(jìn)行加工，能 夠?qū)崿F(xiàn)較高的材料去除率。

       目前雙面研磨工藝的研究進(jìn)展如圖 3 所示，主 要是從脆塑性的材料去除機(jī)理開展研究，針對藍(lán)寶 石、光學(xué)玻璃、碳化硅、單晶硅等材料，分別 研究其在固結(jié)磨料和游離磨料雙面研磨的方式下工 件表面材料的去除機(jī)理。針對工件在雙面研磨中的 運動，建立運動學(xué)模型，計算工件與研磨盤的相對 運動速度及軌跡，實現(xiàn)對工件表面材料去除均勻性 的優(yōu)化。根據(jù)理論模型及不同的材料屬性，對雙面 研磨的工藝參數(shù)開展優(yōu)化研究。針對目前雙面研磨機(jī)床存在的問題，展開優(yōu)化設(shè)計，針對壓力加載方 式，速比選擇，控制系統(tǒng)設(shè)計等方面開展研究。此外，近年來，雙面研磨工藝也被應(yīng)用于弱剛性構(gòu) 件的加工，在加工過程中，由于雙面同時去除材料， 使得工件內(nèi)部殘余應(yīng)力對稱釋放，上下兩個面的加 工應(yīng)力引入情況一致，從而減小了工件加工過程中 應(yīng)力引起的變形。然而，弱剛性構(gòu)件的材料普遍為 塑性金屬材料，而針對此類材料的加工主要存在兩 個問題：1) 采用游離磨粒研磨時，工件表面嵌入嚴(yán) 重；2) 采用固結(jié)磨料研磨，研磨盤堵塞嚴(yán)重。因此， 相關(guān)學(xué)者針對塑性金屬材料的雙面研磨工藝進(jìn)行了探索。

       針對雙面研磨工藝研究，日本金澤大學(xué)的 HASHIMOTO 團(tuán)隊建立了雙面研磨過程中工件的 力學(xué)模型，計算了工件的材料去除及工件的運動 情況；韓國漢陽大學(xué) KIM 團(tuán)隊采用游離磨料和固 結(jié)磨料研磨墊雙面研磨加工藍(lán)寶石，石英玻璃等 硬脆晶體材料，分析其材料去除機(jī)理，并對相關(guān) 工藝進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)相關(guān)研究團(tuán)隊也針對雙面研 磨工藝開展了大量研究，華僑大學(xué)徐西鵬教授團(tuán) 隊采用固結(jié)磨料雙面研磨工藝加工藍(lán)寶石工件， 探究其材料去除機(jī)理及材料去除均勻性，并對加 工過程中研磨盤的磨損進(jìn)行研究；廣東工業(yè)大學(xué) 閆秋生教授團(tuán)隊針對鈦酸鋇等軟脆晶體的雙面研 磨工藝開展研究。中國有色金屬研究院研究團(tuán)隊 針對集成電路中使用的單晶硅晶圓的雙面研磨工 藝開展研究，實現(xiàn)表面材料均勻去除。大連理工 大學(xué)康仁科教授團(tuán)隊對藍(lán)寶石雙面研磨工藝開展 研究，并開發(fā)針對藍(lán)寶石材料的雙面研磨機(jī)床， 此外，創(chuàng)造性地提出采用固結(jié)磨料雙面研磨工藝 加工純銅弱剛性構(gòu)件，并探究了工件表面凹凸面 形的形成機(jī)理及平行度演化趨勢，實現(xiàn)了對弱剛 性構(gòu)件的高精度加工。浙江工業(yè)大學(xué)袁巨龍教授 團(tuán)隊針對硬脆材料雙面研磨加工的材料去除機(jī)理 進(jìn)行研究，并將雙面研磨工藝推廣到軸承中圓柱 滾子的加工。近年來，國內(nèi)外針對雙面研磨技術(shù) 的研究日趨完善，其加工工藝中的科學(xué)問題大部 分得到了解決，但是目前雙面研磨技術(shù)的發(fā)展仍 受到一定制約，因此，需要對雙面研磨技術(shù)的研 究工作進(jìn)行總結(jié)，對制約技術(shù)發(fā)展的問題進(jìn)行梳 理，對技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。鑒于此， 需要通過總結(jié)近 20 年來國內(nèi)外各研究團(tuán)隊在雙 面研磨領(lǐng)域的研究工作，綜述雙面研磨理論、工 藝及裝備等方面的相關(guān)研究，系統(tǒng)性地揭示了雙 面研磨技術(shù)的研究現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，并通過分 析展望雙面研磨技術(shù)的未來發(fā)展方向與趨勢。

       本文以雙面研磨工藝為主要研究內(nèi)容，闡述、 分析并展望了目前雙面研磨裝備與工藝技術(shù)，包括材料去除機(jī)理，雙面研磨過程中的理論模型， 雙面研磨工藝優(yōu)化，以及雙面研磨機(jī)床等相關(guān)研究。

       1 雙面研磨理論及建模

       雙面研磨工藝中，采用游離磨料和固結(jié)磨料加 工時，工件表面的材料去除呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，因 此，國內(nèi)外學(xué)者針對雙面研磨過程中的材料去除機(jī) 理展開研究。在該工藝中，材料去除規(guī)律符合 Preston 方程，即材料去除率與加載壓力和相對運動 速度成正比，因此，相關(guān)學(xué)者針對接觸壓力和相對 運動速度進(jìn)行了理論研究，實現(xiàn)對雙面研磨工藝的 理論化指導(dǎo)。

       1.1 材料去除機(jī)理 

       傳統(tǒng)的雙面研磨工藝主要是針對于硬脆材料 的加工，采用鑄鐵盤加游離磨料的方式進(jìn)行加工， 通過改變磨粒粒徑，能夠?qū)崿F(xiàn)不同效率，不同表 面粗糙度工件的加工，由于其加工過程中極易發(fā) 生磨粒聚集的現(xiàn)象，無法保證磨粒的均勻分布， 因此提出了固結(jié)磨料雙面研磨加工方法，將磨粒 固結(jié)在研磨盤上，保證了加工過程中磨粒分布的均勻性。 

       雙面研磨加工主要是通過磨粒在工件表面的劃 擦實現(xiàn)材料的去除，而在加工硬脆材料時，其加工 后會出現(xiàn)裂紋，劃痕等缺陷，因此，需要研究加工 過程的塑性去除和脆性去除的現(xiàn)象，闡明不同工藝參數(shù)下的材料去除機(jī)理。采用游離磨粒加工時，工 件表面發(fā)生磨粒的二體、三體延性磨損加工， 張克華等建立二體和三體摩擦磨損和延性研磨 加工的材料綜合去除率計算模型，計算雙面研磨加 工過程中的材料去除量。在此基礎(chǔ)上，劉道標(biāo)等建立藍(lán)寶石襯底雙面研磨亞表面損傷層深度與表面 劃痕深度之間的理論模型，并通過對雙面研磨后的 襯底晶片進(jìn)行亞表面觀察，得到亞表面損傷層隨深 度變化隨著深度的增大呈遞減趨勢的規(guī)律。此外， 研磨液分布的均勻性以及磨粒的聚集現(xiàn)象均會對工 件的表面質(zhì)量和材料去除率產(chǎn)生影響， KLAMECKI[29]建立材料去除模型，得出工件表面由 于研磨液的分布以及磨粒的聚集導(dǎo)致的材料去除差異。 

       采用固結(jié)磨料加工時，由于磨粒固著在研磨墊 或研磨盤上，在加工過程中僅存在二體摩擦磨損，此時，材料表面的脆性去除和塑性去除主要 由于壓強的不同導(dǎo)致。MOON 等對玻璃和藍(lán)寶石 材料固結(jié)磨料研磨的材料去除機(jī)理進(jìn)行研究，通過 研磨墊凸起不同的形狀，對其加工玻璃和藍(lán)寶石的 性能進(jìn)行分析，研究表明不規(guī)則的凸起形狀更適合 加工玻璃和藍(lán)寶石材料。 

       針對各項異性材料的加工，由于工件各個晶面 的物理及力學(xué)性能存在較大差異，因此在加工過程 中磨粒的嵌入深度也會發(fā)生變化，從而改變材料去 除的方式。WANG 等研究了雙面研磨藍(lán)寶石四個 不同晶面的材料去除機(jī)理，并比較了加工后不同晶 面的材料去除率和表面粗糙度。針對與研磨液會發(fā)生反應(yīng)的材料加工，工件表 面會生成一層反應(yīng)層，當(dāng)磨粒的嵌入深度小于該層 厚度時，會呈現(xiàn)出塑性去除的狀態(tài)，加工表面不會 產(chǎn)生裂紋等脆性缺陷，而隨著磨粒嵌入深度的增加， 磨粒直接與基體接觸，會在基體表面發(fā)生脆性去除， 此時，在加工表面能夠發(fā)現(xiàn)較多的裂紋，如圖 4 所示。

       1.2 面形形成及演化機(jī)理 

       在雙面研磨中，加工后工件的面形主要由工 件不同位置的材料去除率決定。其中，對工件表 面的材料去除率起決定性作用的參數(shù)為加載的 壓力和工件與研磨盤的相對運動速度，因此，國 內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對壓力加載和工件與研磨盤間 的相對運動開展了大量的理論研究，建立了理論模型，計算其分布趨勢，從而闡明面形的形成及演化機(jī)理。 

       1.2.1 壓力加載模型 

        在雙面研磨中，影響材料去除的關(guān)鍵因素是工 件表面的壓力分布和工件與研磨盤的相對運動速 度。加載壓力作為影響雙面研磨材料去除的關(guān)鍵參 數(shù)，其在工件表面的分布影響工件的材料去除。在 雙面研磨機(jī)床上，上研磨盤通過萬向節(jié)連接在氣缸 上，使得加工過程中上研磨盤能夠發(fā)生小角度的偏 擺，以適應(yīng)不同厚度工件的加工。工件表面受到的 壓力由上研磨盤的重力提供，目前無法實現(xiàn)對工件 表面接觸壓力的分布情況進(jìn)行測量，因此，為準(zhǔn)確 預(yù)測工件表面的材料去除，需要建立模型計算工件 表面的壓力分布。在研磨壓力作用下，工件和研磨 盤均會發(fā)生變形，從而影響工件表面的壓強分布，              HASHIMOTO 等建立了工件表面壓力分布的理 論模型，基于如圖 5 所示的彈簧模型計算工件與研 磨盤接觸的壓強分布，采用有限元模型中的殼體特 征來計算工件的塑性變形，得到了工件上下表面的 壓強分布如圖 6 所示。

       雖然其考慮了工件與研磨盤的變形，但是，在 加工過程中工件表面的壓強分布會受到研磨拋光液 的流場壓力的影響，魏紅波等考慮雙面研磨拋光 中的流場壓力分布對工件上下表面壓力的影響，建 立了雙面拋光工藝中晶片上下表面的壓力分布模 型，獲得了晶片和拋光墊表面的速度分布關(guān)系，分 析了自由晶片在拋光過程中的運動狀態(tài)以及在壓力 荷載及轉(zhuǎn)矩平衡時晶片上下表面的平均壓力分布， 如圖 7 所示，并對各個研磨拋光工藝參數(shù)對壓力分 布的影響進(jìn)行了分析。

       針對游離磨料研磨拋光過程中，工件與拋光墊 間的接觸壓力，庫黎明等針對 300 mm 硅片雙面 研磨拋光工藝中表面壓力分布進(jìn)行研究，研究中假設(shè)工件處于“懸浮”狀態(tài)，即工件上下表面均有拋 光液薄層。通過工藝實驗驗證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅片與拋光 墊間為固-液混合接觸時，其表面粗糙度能達(dá)到最優(yōu) 水平。LI 等分析了雙面拋光工藝中工件表面的 壓力分布，并通過有限元仿真軟件對不同條件下的 表面壓力分布進(jìn)行仿真分析，并通過實驗分析工藝 參數(shù)對壓力分布穩(wěn)定性和表面質(zhì)量的影響。然而上 述研究并未將優(yōu)化的結(jié)果與工件的面形精度建立聯(lián) 系，難以通過計算結(jié)果實現(xiàn)高面形精度的加工。此 外，上述研究建立的理論模型及有限元仿真模型， 均是對工件表面的壓強分布進(jìn)行分析，然而缺乏針 對工件與研磨盤的接觸狀態(tài)的分析。針對以上問題， PAN 等考慮雙面研磨工藝中工件與研磨盤的接 觸狀態(tài)，建立了工件平行度的演化模型如圖 8 所 示，指出工件在雙面研磨過程中，平行度會逐漸改善，并最終達(dá)到一個穩(wěn)定水平，此外，其對片間的厚度均勻性開展研究，結(jié)果表明隨著同時加工工件數(shù)量的增加，片間的厚度均勻性越好。

       1.2.2 工件與研磨盤相對運動模型 

       在加工過程中，工件在研磨盤上做行星運動如 圖 9 所示，因此，工件表面不同半徑處的相對運動 速度存在差異，從而導(dǎo)致了工件表面材料去除的不 均勻，國內(nèi)外學(xué)者針對工件與研磨盤間的相對運動 模型開展了廣泛的研究。

       目前建立的運動學(xué)模型主要分為以下兩種：1)  工件上一點相對于研磨盤的運動模型；2) 研磨盤上一點相對于工件的運動學(xué)模型。為定量衡量工件在 加工過程中相對運動軌跡分布的均勻性，WANG  等提出采用標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)來定量評價工件與 研磨盤相對運動軌跡分布的均勻性，并通過該參數(shù) 優(yōu)化工藝加工藍(lán)寶石工件，加工后，工件的總厚度變 化值為 5.29 μm。但是其在加工過程中并未針對雙面 研磨加工后工件的面形進(jìn)行分析，無法實現(xiàn)對工件面 形的控制。LAI 等研究了雙面研磨過程中由于工 件與研磨盤間的相對運動造成研磨盤非均勻磨損的 問題，建立了雙面研磨運動學(xué)模型，基于軌跡密度分 析研磨盤磨損的均勻性，通過藍(lán)寶石基片雙面研磨實 驗對其進(jìn)行驗證，最終通過調(diào)整工藝參數(shù)實現(xiàn)研磨盤 的均勻磨損。然而，研磨盤磨損對工件的面形的影響 并未說明，工件面形的形成機(jī)理仍需探索。 

       針對工件與研磨盤的相對運動軌跡均勻性的問 題，國內(nèi)外學(xué)者在改變傳動比、計算軌跡形狀合分 布密度等方面展開了大量的研究，提出通過改 變傳動比的方式實現(xiàn)游星輪上各點相對于研磨盤運 動軌跡的均勻分布，并通過計算工件與研磨盤 相對運動軌跡的長度，計算工件表面不同區(qū)域的材 料去除厚度如圖 10 所示。通過計算發(fā)現(xiàn)，雙面研磨過程中，工件與研磨盤的相對運動軌跡為擺 線，而當(dāng)工件設(shè)置在擺線中間的環(huán)帶區(qū)域時，能 夠?qū)崿F(xiàn)工件表面材料的均勻去除，并根據(jù) Preston 方程，建立材料去除特性方程，實現(xiàn)對雙 面研磨材料去除的預(yù)測。為揭示相對運動軌跡 對工件面形的影響，HIROSE 等提出工件與研 磨盤相對運動的方向?qū)ぜ拿嫘斡绊戄^大，因 此，通過引入相對運動方向使得工件的平面度得 以改善，加工后，在 200 mm 硅片上，平面度可 以達(dá)到 2.4 μm。然而，由于忽略了工件在游星輪 內(nèi)的偏心和自轉(zhuǎn)運動，使得其對工件加工后面形 的預(yù)測仍不準(zhǔn)確。 

       工件在游星輪內(nèi)的偏心和自轉(zhuǎn)運動是影響工件 面形的關(guān)鍵因素，金楊福等發(fā)現(xiàn)了雙面研磨 過程中工件會在游星輪內(nèi)進(jìn)行自轉(zhuǎn)。針對工件自 轉(zhuǎn)的原因，金楊福等通過對雙面拋光過程中晶 片受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得出晶片自轉(zhuǎn)速度和晶片 與游星輪間的摩擦狀態(tài)有關(guān)。HASHIMOTO等分析了雙面研磨過程中工件與研磨盤間的 摩擦，計算了工件在游星輪不同位置時的摩擦系 數(shù)變化，并通過如圖 11 所示單面研磨實驗，測量 工件自轉(zhuǎn)來驗證計算的摩擦系數(shù)，并基于三通道 雙面研磨機(jī)，測量上研磨盤扭矩的變化，從而得 到工件與研磨盤間的摩擦系數(shù)，并通過單面研磨 實驗對其結(jié)果進(jìn)行驗證。

       雖然其針對工件在游星輪內(nèi)的自轉(zhuǎn)運動展開研 究，但由于在雙面研磨加工過程中，工件被上下研 磨盤遮擋，無法測量和控制工件在游星輪內(nèi)的自轉(zhuǎn)， 上述研究通過單面研磨的方式對其建立的模型進(jìn)行 驗證，且未說明該運動對工件面形的影響規(guī)律。PAN 等考慮工件在游星輪內(nèi)的偏心和自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速建立 了工件相對于研磨盤的運動學(xué)模型，闡明了雙面研 磨工藝中凹凸面形的形成機(jī)理如圖 12 所示，并基于 該理論研究，提出平行度誤差收斂方法，實現(xiàn)工件 雙面平面度的收斂。

       1.3 塌邊現(xiàn)象的形成機(jī)理 

       塌邊現(xiàn)象是研磨中較為常見的問題，而雙面研 磨工藝與傳統(tǒng)的研磨工藝加工原理相似，因此，加 工后的工件同樣存在塌邊的現(xiàn)象，針對塌邊現(xiàn)象的 形成機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者展開了研究，F(xiàn)U 等提出 了接觸表面壓強分布的理論模型，并通過有限元仿 真得到邊緣區(qū)域的接觸壓強，發(fā)現(xiàn)工件邊緣處存在 壓力急劇增大的現(xiàn)象。MURTHY 等建立了一個 有限元模型對接觸壓強進(jìn)行分析，其結(jié)果表明在邊 緣處，接觸壓強急劇增大如圖 13 所 示 (1psi=6.895 kPa)，因此，在邊緣處的材料去除比工 件內(nèi)部的材料去除更快，從而造成了工件面形的明 顯塌陷。

       然而，在以上模型中，普遍采用理想面形的表 面進(jìn)行計算，且在模型中，工件是剛性的，但是這 與實際加工過程中的情況不符。此外，研磨墊的粘 彈性被認(rèn)為是另一個影響塌邊的關(guān)鍵因素。MIYAKE 等提出了基于研磨墊粘彈性的塌邊形 成機(jī)理，并闡明了對于采用硬度較高的研磨墊，塌 邊現(xiàn)象明顯減小的機(jī)理如圖 14 所示。綜上所述，塌邊現(xiàn)象是由于工件邊緣處壓力的 急劇增大導(dǎo)致的，而該現(xiàn)象與工件材料，研磨拋光 墊的屬性等因素有關(guān)。 

       2 雙面研磨工藝及應(yīng)用

       雙面研磨工藝主要是為了實現(xiàn)工件表面的平面 度、平行度、粗糙度、損傷等指標(biāo)的改善，而為了 保證工件的平面度和平行度，首先需要保證加工過 程中工件表面材料去除的均勻性，材料去除均勻才 能實現(xiàn)工件平面度的收斂。此外，通過改變工藝參 數(shù)，改變磨粒等方式，針對特定材料進(jìn)行工藝優(yōu)化， 實現(xiàn)表面質(zhì)量的提升，從而獲得高精度高表面完整 性的表面。 

       2.1 材料去除均勻性 

       由于雙面研磨工藝中，工件各點與研磨盤的相 對運動速度的差異，導(dǎo)致了工件表面材料去除的非 均勻性，從而導(dǎo)致加工后工件的平面度較差，因此， 需要針對工件表面材料去除均勻性展開研究。為保 證材料去除均勻，首先需要使得工件與研磨盤相對 運動軌跡均勻。建立了研磨墊上一磨粒相對于工件 的運動軌跡方程，通過運動學(xué)仿真，得到了襯底表 面的位移。建立了評價工件與研磨盤相對運動軌 跡均勻性的方法，即基于統(tǒng)計學(xué)規(guī)律計算單位面積 上的軌跡數(shù)量。通過改變加工工藝參數(shù)，優(yōu)化研磨 軌跡，使得工件處于擺線中間的環(huán)帶部分，從而使 得軌跡更均勻。加工后工件總厚度變化值 (TTV)，彎曲 (BOW)，翹曲 (WARP) 均小于 15 μm。 

       為進(jìn)一步優(yōu)化材料去除均勻性，需要對雙面研 磨各個參數(shù)，如研磨盤與齒圈太陽輪的轉(zhuǎn)速比，研 磨盤轉(zhuǎn)速等進(jìn)行優(yōu)化。胡曉珍等通過分析雙面研 磨運動，建立了工件與研磨盤相對運動方程，并基 于 Preston 方程，建立了材料去除模型即研磨均勻性 函數(shù)，研究了不同轉(zhuǎn)速比對研磨材料去除均勻性的 影響。李穆朗研究了研磨盤轉(zhuǎn)速和內(nèi)外齒圈轉(zhuǎn)速 對工件表面平整度的影響，得出研磨盤轉(zhuǎn)速對研磨 去除速率的影響較內(nèi)外齒圈轉(zhuǎn)速更為顯著的結(jié)論。在雙面研磨工藝中，加載壓力也是影響材料去除的 均勻性的主要因素。基于仿真軟件，對研磨盤轉(zhuǎn)速， 壓力，以及研磨液入口數(shù)量對研磨均勻性的影響規(guī)律進(jìn)行探索。通過仿真結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使得雙 面研磨工件表面材料去除均勻分布。加工過程 中，研磨盤的磨損對材料去除均勻性也會造成影響。祁小苑等分析了光學(xué)鏡片在平面行星式研磨加 工過程中的，研磨機(jī)速比對研磨盤磨損均勻性的影 響規(guī)律，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得了厚度一致性小 于 2 μm，平行度小于 2 μm 的高質(zhì)量光學(xué)鏡片。

       2.2 表面質(zhì)量 

       目前，針對雙面研磨工藝優(yōu)化的研究取得了一 定的進(jìn)展，針對硬脆難加工材料，采用表面粗糙度， 亞表面損傷層深度，平面度 PV 值，TTV，翹曲， 彎曲等參數(shù)對其表面質(zhì)量進(jìn)行評價，通過提出新的 加工策略并優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)了工件表面的改善。針 對玻璃材料，王朝欽針對微晶玻璃基板，提出雙 面研磨加工工藝，并通過試驗研究，得到各工藝參 數(shù)對平面度，平行度，表面粗糙度的影響規(guī)律，最 終在直徑 95 mm 的微晶玻璃基板上，實現(xiàn)平面度優(yōu) 于 3 μm 的加工。

       在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者針對 SiC、單晶硅、 藍(lán)寶石等硬脆難加工材料進(jìn)行雙面研磨加工工藝進(jìn) 行優(yōu)化。賈軍朋等探討工藝參數(shù)對 SiC 襯底 TTV 和材料去除率的影響，通過參數(shù)優(yōu)化，獲了材料去 除率平均值為 4.86 μm/h、TTV 平均值為 2.35 μm、 彎曲度平均值為 6.03 μm、翹曲度平均值為 7.6 μm、 粗糙度平均值為 0.8 nm 的 SiC 襯底。ZHANG 等建立了雙面機(jī)械研磨的模型，并對工件與研磨盤間 的相對運動進(jìn)行分析，為獲得分布均勻的研磨軌跡， 改變磨粒分布范圍，太陽輪、齒圈、研磨盤轉(zhuǎn)速比。采用優(yōu)化參數(shù)加工單晶 SiC 晶片，其 TTV 為 10 μm， 彎曲為 15 μm，翹曲為 15 μm，如圖 15 所示。 

       低模態(tài)法是獲得較低 TTV 值的最佳方法，即通 過提高上盤、齒圈和中心齒的轉(zhuǎn)速，減小研磨載荷， 可使晶圓的 TTV 值較低。通過短時間加工，實現(xiàn) 了 TTV 優(yōu)于 10 μm 的工藝指標(biāo)。不同的研磨液對加 工過程中的材料去除率和表面粗糙度也會產(chǎn)生影 響。其中，研磨液的 pH 值，溫度和磨粒濃度會對 表面粗糙度造成影響。 

       由于雙面研磨與單面研磨的加工方式相近，加 工機(jī)理一直，因此，有學(xué)者針對單面研磨與雙面研 磨加工工藝的對比展開研究，LI 等比較了單面研 磨和雙面研磨藍(lán)寶石基片的材料去除率和表面質(zhì) 量，雙面研磨藍(lán)寶石基片材料去除率可達(dá) 14.02 nm/min，單面研磨后的平行度約為雙面研磨 工件的 3 倍，如圖 16 所示。  

       2.3 塌邊現(xiàn)象的抑制方法 

       而在雙面研磨工藝中，塌邊現(xiàn)象成為制約工件 平面度提升的瓶頸，與單面研磨工藝不同，雙面研 磨中塌邊的控制存在以下幾方面的問題：(1) 雙面 同時加工，無法通過在保持環(huán)上施加更大的壓力保 證工件邊緣處壓力的降低；(2) 雙面研磨工藝為全 口徑加工工藝，無法通過控制工件軌跡等方式實現(xiàn) 塌邊現(xiàn)象的抑制；(3) 由于工件表面的壓力加載方 式采用上研磨盤直接加壓，無法實現(xiàn)分區(qū)加壓以實 現(xiàn)對塌邊現(xiàn)象的有效抑制。 

       針對單面研磨中存在的塌邊的現(xiàn)象，XIE 等提出外加保持環(huán)的方式來防止塌邊現(xiàn)象，并分別在 保持環(huán)和晶圓表面施加不同的壓力，從而緩解工件 邊緣處壓力急劇增大的現(xiàn)象。 

       該方法雖然在單面研磨中有一定的抑制效果， 但由于其加載壓力的不同，難以用于雙面研磨工藝 中，PAN 等在此基礎(chǔ)上，針對固結(jié)磨料雙面研磨 中存在的塌邊現(xiàn)象，建立了塌邊演化的有限元仿真 模型，并提出了外加犧牲環(huán)的塌邊抑制方法如圖 17  所示，通過參數(shù)優(yōu)化，使得塌邊在深度和寬度方向 分別減少 80%和 55%。此外，胡永亮等對雙面研 磨過程中的塌邊現(xiàn)象開展研究，分析了雙面研磨過 程中塌邊現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，并通過對加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，實現(xiàn)對塌邊的控制，從而提升工件的平面度。

       2.4 雙面研磨工藝參數(shù)優(yōu)化 

       雙面研磨機(jī)床中，上下研磨盤，太陽輪及齒圈 以不同的速度轉(zhuǎn)動，而不同的轉(zhuǎn)速比會導(dǎo)致工件與 研磨盤間的相對運動軌跡發(fā)生變化，為使工件與研 磨盤的相對運動軌跡均勻，需要對速比進(jìn)行研究。董瑞通過 Matlab 軟件研究了不同齒圈轉(zhuǎn)速比下 工件的相對運動軌跡，其選取內(nèi)外齒圈速比 m，不 同研磨盤與中心齒輪轉(zhuǎn)速比 n，作為參考對象，給 定運動參數(shù)，在時間 t∈ [0, 5]s 內(nèi)進(jìn)行，觀察在不 斷變化的齒圈速比情況下，待加工工件運動軌跡的 分布曲線，從而選取軌跡均勻性、軌跡曲線曲率變 化小和曲線比較平滑運行復(fù)雜情況下的齒圈速比參 數(shù)，結(jié)果如表 1 所示。隨著大齒圈與小齒圈 (中心 齒輪) 的轉(zhuǎn)速之比不斷增大接近 3~5 倍時，運行軌 跡趨于平穩(wěn)的同時整體突變率變小、致密性增強；在二者之比，m=3 時，n=5 時，模擬軌跡曲線分布 均勻，整體運動效果趨于最佳。

       通過分析了內(nèi)外齒輪轉(zhuǎn)速、研磨布轉(zhuǎn)速對運動 軌跡分布的影響，優(yōu)化其轉(zhuǎn)速比，能夠使得運動軌 跡分布均勻。黃軍輝等通過建立 300 mm 硅片雙 面化學(xué)機(jī)械研磨中硅片上定點相對于上下研磨墊的 運動軌跡方程，實驗證明運動軌跡路徑長度與研磨 去除厚度成正比關(guān)系，計算運動軌跡路徑長度確定 研磨墊的轉(zhuǎn)速以達(dá)到上下表面具有相同的研磨速 率。研究結(jié)果為 300 mm 硅片雙面化學(xué)機(jī)械研磨找 出優(yōu)化工藝參數(shù)、提高硅片研磨后表面質(zhì)量提供了 理論依據(jù)。胡曉珍等通過行星輪式雙面研磨的運 動分析, 得到工件相對于研磨盤的速度表達(dá)式；在 Preston 方程基礎(chǔ)上，建立了材料去除函數(shù)和研磨均 勻性函數(shù); 進(jìn)行計算機(jī)仿真, 討論了不同轉(zhuǎn)速比對 研磨均勻性的影響；并通過加工實驗驗證了仿真與 實驗結(jié)果的一致性，為研磨加工工藝參數(shù)的確定提 供理論依據(jù)。白立剛等通過數(shù)學(xué)理論建模與 UG  建模，建立了藍(lán)寶石襯底基片雙面研磨的運動模型 并獲得了在三種傳動比情況下行星齒輪上不同點的 軌跡。通過分析研磨軌跡和研磨速度可知在傳動比 為 1 時行星齒輪各點的軌跡為均勻分布的圓形且 速度相等，所有點的運動周期相等而且比其它情況 下的周期短，有利于提高研磨效率和形狀精度，結(jié) 果成功地解決了由于行星齒輪內(nèi)的襯底基片各點處 速度不一樣而導(dǎo)致的平面度差的問題和行星齒輪中 心不能放置藍(lán)寶石襯底基片的問題。

       2.5 雙面研磨工藝應(yīng)用 

       針對硬脆材料，通過工藝參數(shù)的優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn) 高平面度，粗糙度及低的亞表面損傷層厚度，而隨 著光學(xué)制造，IC 制造等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對軟脆，甚至 是塑性金屬材料同樣提出了較高的表面質(zhì)量的要 求。針對紅外鍺窗片，喬海紅等[76]采用雙面研磨工 藝加工，加工后，在直徑 38.5 mm 得晶片上，平面 度為 0.43 光圈，平行度 2”。 

       針對軟脆晶體鈦酸鋇、碲鋅鉻等材料，李國明等開展雙面研磨實驗，分析不同工藝參數(shù)對鈦酸 鋇晶片表面粗糙度和材料去除率的影響規(guī)律，并分 析了不同磨料加工該材料的去除機(jī)理，最終獲得了 粗糙度 Ra 6 nm 的超光滑表面。張文斌等研究了 雙面研磨工藝中磨拋液粒度、研磨壓力、研磨液流 量和工作臺轉(zhuǎn)速對晶片表面損傷層深度的影響，通 過參數(shù)優(yōu)化，控制碲鋅鉻晶片損傷深度降低到 0.2  μm 以內(nèi)。目前雙面研磨工藝的應(yīng)用仍然有限，主要 是針對不易在空氣中變質(zhì)的晶體材料加工。難以實 現(xiàn)對光學(xué)領(lǐng)域有大量需求的磷酸二氫鉀 (KDP) 晶 體等潮解類材料的加工。

       針對金屬材料的雙面研磨 加工，主要集中在對不同牌號的鋼材進(jìn)行加工。DEJA 等分析了雙面研磨中接觸區(qū)域的溫度對工 件表面粗糙度以及研磨盤磨損的影響，以 45 鋼為 例，探索了各個加工工藝參數(shù)對接觸區(qū)域溫度的影 響，并對工藝進(jìn)行了優(yōu)化。FENG 等采用雙面研 磨工藝加工軸承滾子，通過對磨粒尺寸，研磨盤轉(zhuǎn)速，游星輪開孔角度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了 滾子圓度，直線度及圓柱度均優(yōu)于 2 μm 的加工。針 對純銅等高塑性材料，PAN 等采用雙面研磨和雙 面化學(xué)機(jī)械研磨的方法加工純銅工件，解決了塑性 金屬固結(jié)磨料研磨的研磨盤堵塞問題，加工后其平 面度優(yōu)于 4 μm，其表面粗糙度優(yōu)于 2 nm，表面殘余 應(yīng)力分布均勻如圖 18 所示。

        3 研磨設(shè)備

       基于以上對雙面研磨理論及工藝的研究，雙 面研磨機(jī)床也亟需改進(jìn)，本章通過分析雙面研磨 機(jī)床的各個組成部分，分析各部分對工藝的影 響。通過總結(jié)目前裝備在壓力加載裝置、轉(zhuǎn)速比 選擇、以及控制系統(tǒng)方面的研究，分析雙面研磨 機(jī)床目前的優(yōu)勢和缺陷，并對國內(nèi)外相關(guān)機(jī)床廠 家的產(chǎn)品進(jìn)行分析，比較國內(nèi)外雙面研磨機(jī)床的 差距。 

       3.1 雙面研磨機(jī)床組成 

       雙面研磨機(jī)的組成主要有機(jī)床主體、動力及 傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和其他部件，如圖 19 所示。機(jī)床主體包括床身、龍門架、氣缸、研磨盤、太 陽輪、內(nèi)齒圈、行星輪、研磨液供給及收集裝置 等。研磨盤、太陽輪、內(nèi)齒圈同軸，太陽輪、行 星輪、內(nèi)齒圈三者相互嚙合。床身通常為鑄件， 可有效吸收機(jī)床工作時所產(chǎn)生的振動，且具有較 好的剛性，極大地保證機(jī)床的研磨精度。龍門架 安裝于床身之上，龍門架結(jié)構(gòu)剛性較高，穩(wěn)定性 好。此外還可采用懸臂架，懸臂架的優(yōu)點是結(jié)構(gòu) 緊湊。氣缸安裝于龍門架上方，負(fù)責(zé)上研磨盤的 升降，也可對上研磨盤施加額外壓力。研磨盤分 為上研磨盤和下研磨盤，上研磨盤安裝于龍門架 下方，裝卸工件時升起、工作時落下。中心輪與 內(nèi)齒圈同軸，行星輪均勻放置在二者之間，在二 者帶動下圍繞中心輪運動。研磨液供給裝置將研 磨液由上研磨盤小孔注入研磨區(qū)域，研磨液收集裝置安裝于下研磨盤下方。操作系統(tǒng)外設(shè)安裝于床身 上，用于人機(jī)交互。

       動力及傳動系統(tǒng)包括主電機(jī)、減速箱、傳動 部件、氣泵、砂泵等。主電機(jī)一般為單個，通過 減速箱內(nèi)各級齒輪副減速后，輸出太陽輪、內(nèi)齒圈、上研磨盤和下研磨盤的獨立運動。傳動部件 有 V 型帶、同步帶等，適合長距離運輸，用于連 接主電機(jī)、齒輪箱和各級主軸，并能起到防過載， 簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用。氣泵主要負(fù)責(zé)氣缸的供氣。砂泵用于研磨液的供給，通過管道將研磨液輸送到研磨區(qū)域。 

       控制系統(tǒng)包括主控制器、電機(jī)驅(qū)動器、操作系 統(tǒng)外設(shè)和各類傳感器。主控制器、電機(jī)驅(qū)動器負(fù)責(zé) 調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和加工狀態(tài)。時間繼電器、研磨計 數(shù)器、壓力傳感器等用于采集加工信息，傳送到主 控制器調(diào)節(jié)加工狀態(tài)。 

       其他部件包括修面裝置、厚度檢測裝置等。市 面上部分雙面研磨機(jī)會配備相關(guān)部件，可進(jìn)一步優(yōu) 化雙面研磨機(jī)的性能。機(jī)床修面裝置用于研磨盤盤 面的修整，可改善研磨盤的平面度等參數(shù)。厚度檢 測裝置多采用光柵結(jié)構(gòu)，可測量加工時工件厚度， 達(dá)到預(yù)設(shè)厚度后反饋到控制系統(tǒng)，從而停止加工。

        3.2 固結(jié)磨料研磨墊開發(fā) 

       為保證磨粒分布的均勻性，實現(xiàn)更高的材料去 除率和更好的表面質(zhì)量，固結(jié)磨料經(jīng)常用于雙面研 磨工藝中。YU 等設(shè)計了一種新研磨盤同時保證 SiC 晶片加工后的表面質(zhì)量和面形精度。研磨盤 為環(huán)氧樹脂與含有金剛石磨料的軟凝膠體結(jié)合而 成的蜂窩結(jié)構(gòu)如圖 20 所示，對 50 mm 直徑的碳 化硅晶片進(jìn)行加工，加工后翹曲度，彎曲度，TTV， 表面粗糙度及亞表面缺陷均有減小。結(jié)果表明， 4H-SiC 和 6H-SiC 的表面粗糙度 Ra 隨研磨壓力的 增加呈線性增加，但隨轉(zhuǎn)速的增加呈不明顯的線 性增加，但在轉(zhuǎn)速為 80 r/min 和 100 r/min 時表面 粗糙度較大。

       固結(jié)磨料與游離磨料不同，其加工過程中，磨 粒始終固結(jié)在研磨盤表面，從而導(dǎo)致在加工一段時 間后，磨粒發(fā)生鈍化，從而使得研磨盤的材料去除 效率大大降低，需要通過研磨盤修銳，使新鮮磨粒 露出，因此，固結(jié)磨料研磨的效率有所降低。南京 航空航天大學(xué)朱永偉教授團(tuán)隊采用紫外光固化和熱 固化的方式，研制了一系列的樹脂基固結(jié)磨料研磨 墊如圖 21 所示。

       分析了在加工過程中固結(jié)磨料研磨墊的磨損特 性，包括摩擦磨損及沖蝕磨損，分析了加工后研磨 墊表面出現(xiàn)釉化的現(xiàn)象，通過優(yōu)化研磨墊的配方， 孔隙率，開發(fā)了具有自修整性能的親水性固結(jié)磨料 研磨墊如圖 22 所示，保證了長時間的穩(wěn)定加工。

       加工硬脆材料時，由于工件材料的硬度較高，固結(jié)磨料加工時，磨粒易發(fā)生磨損，從而影響材料 去除，即使采用雙面研磨加工方法，仍然難以保證 較高的材料去除率，為提高材料去除效率，KIM 等提出在固結(jié)磨料加工的同時添加游離磨料來 加工藍(lán)寶石晶片，如圖 23 所示，實現(xiàn) 1 μm/min 的材料去除率。

       3.3 雙面研磨機(jī)壓力加載裝置 

       雙面研磨機(jī)的壓力加載裝置是影響雙面研磨及 加工精度的重要組成部分，因此，需要保證壓力加 載的精確和穩(wěn)定。帖俊平等提出一種利用稱重器 和電磁比例閥來控制雙面研磨機(jī)上盤正壓力的加載 裝置。其在雙面研磨機(jī)的氣缸和太陽輪之間安裝了 一個稱重傳感器，雙向電磁閥控制氣缸的雙向壓力， 且正向壓力控制電磁閥為電磁比例控制閥，反向壓 力調(diào)節(jié)閥為普通電磁閥，電磁比例閥的特點就是通 過調(diào)節(jié)電流的大小，可以自動改變電磁比例閥的輸 出壓力值。通過調(diào)節(jié)電磁比例閥可改變氣缸的正壓力，但上研磨盤施加給工件的正壓力實際值是通過 稱重傳感器來實時測量的。加載裝置的結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。

       許君等根據(jù)傳統(tǒng)產(chǎn)品存在精度差和效率低 的缺陷，采用先進(jìn)的壓力傳感器、PLC 和氣缸的控 制技術(shù)，同時采用數(shù)字 PID 控制方法，實現(xiàn)不同模 式的加壓方式。針對傳統(tǒng)機(jī)床無法控制氣壓平穩(wěn)、 無法實時監(jiān)控的缺點，采用了先進(jìn)的氣動比例閥對 氣壓進(jìn)行精密的控制和采用壓力傳感器對氣壓進(jìn)行 實時的監(jiān)控，形成一個閉環(huán)控制，解決了氣壓的不 平穩(wěn)現(xiàn)象和無法監(jiān)控實時氣壓的缺陷。賈云剛等采用氣動控制與 PLC 組成的電、氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn) 雙面研磨機(jī)研磨壓力的精確控制。采用氣動控制系 統(tǒng)與 PLC 組成的電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合，PLC 發(fā)出指 令控制氣動系統(tǒng)動作，實現(xiàn)了工作過程的自動控制， 該系統(tǒng)采用了氣動控制系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)聯(lián)合控制， 實現(xiàn)了研磨壓力的精確控制。采用電磁換向閥，換向性能好，控制方便。該設(shè)備最大的特點是氣動控 制系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)聯(lián)合組成壓力閉環(huán)控制。其 壓力控制精確、研磨精度高、平穩(wěn)可靠，目前已得 到廣泛應(yīng)用。ZHANG 等為了準(zhǔn)確控制 PID 控制 的參數(shù)，在 PID 控制前面加入模糊控制塊，使誤差 和誤差變化率作為模糊控制的輸入，PID 控制參數(shù) 作為輸出，根據(jù)選定的隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則實時修 正 PID 控制參數(shù)，構(gòu)成自適應(yīng)模糊 PID 控制。XING 等對雙面研磨機(jī)氣動系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真。其 通過氣動伺服系統(tǒng)對雙面研磨機(jī)上研磨盤壓力進(jìn)行 精確控制。氣動伺服加載系統(tǒng)包含低摩擦氣缸、壓 力傳感器、氣動伺服閥、儲氣罐、空氣單元和節(jié)流 閥。低摩擦氣缸連桿具有高穩(wěn)定性壓力傳感器，可 準(zhǔn)確檢測力反饋負(fù)載信號，從而可以精確控制加載 力。HU 等對精密雙面研磨機(jī)的壓力控制系統(tǒng)配 備了一種新型電動氣動數(shù)字伺服閥。壓力控制系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)為閘門式，頂部和底部板之間的承載由精密 氣缸驅(qū)動，以實現(xiàn)穩(wěn)定的壓力控制。氣缸和伺服電 機(jī)由計算機(jī)控制系統(tǒng)控制。采用氣動控制系統(tǒng)精密 控制研磨過程中的研磨壓力。氣缸由數(shù)字伺服閥控 制。連接氣缸與頂板的壓力傳感器，通過 A/D 轉(zhuǎn)換 將氣缸的壓力反饋給計算機(jī)。從而可以準(zhǔn)確地控制 氣缸的壓力。數(shù)字伺服閥是氣動控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵 部件。QIAN 等開發(fā)了一種氣動伺服加載系統(tǒng)實 現(xiàn)工件表面壓力的精確控制，加載系統(tǒng)采用了專門 設(shè)計的氣動數(shù)字伺服閥，通過測量工件上的實際載 荷和表面光潔度的質(zhì)量來進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，載 荷的誤差率小于 5%，可以獲得粗糙度 Ra 為 0.4 nm 的超光滑硅片表面。

       3.4 雙面研磨機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā) 

       雙面研磨機(jī)床的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床控 制系統(tǒng)不同，需要根據(jù)雙面研磨工藝的需求進(jìn)行控 制系統(tǒng)的研制。HU 等開發(fā)了一種新型的精密雙 面研磨機(jī)，采用精密壓力控制系統(tǒng)，并通過設(shè)置多 段工藝，實現(xiàn)對工件的高表面完整性加工。裴忠開DPL160 雙面研磨機(jī)控制系統(tǒng)軟件，使用工控機(jī) 作為主控制器，通過 VB.NET 軟件平臺和 MS-SQL 數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)圖形化界面功能指標(biāo)，還使用了高精 度的位移傳感器，高精度氣壓壓力傳感器，高精度 數(shù)字比例閥組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)該機(jī)的自動加 工及控制。茅小海開發(fā)了超精密研磨雙面研磨機(jī) 電氣控制系統(tǒng)。對原有雙面研磨機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，利 用控制器代替工控機(jī)，通過對主要部件選型、系統(tǒng) 硬件設(shè)計、軟件程序開發(fā)，研制了一套實現(xiàn)了人機(jī) 交互式操作式的雙面研磨機(jī)智能控制的系統(tǒng)。并開 發(fā)了一套的研磨液的恒溫控制裝置，根據(jù)不同的研 磨階段調(diào)整不同的研磨液溫度，達(dá)到恒溫加工的目 的，而且在恒溫控制裝置中加入研磨液的雜質(zhì)過濾 裝置，確保研磨液內(nèi)的雜質(zhì)不對硅晶片的加工造成 不良影響。胡曉珍等提出并建立了基于微機(jī)統(tǒng)一 控制系統(tǒng)的解決方案。采用 Windows 軟件平臺,圖形 化界面功能指示、高精度光柵傳感器、壓力傳感器、 數(shù)字閥組成電氣聯(lián)合控制系統(tǒng),應(yīng)用新型電氣直接 數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)該機(jī)的自動加工。該方法可實現(xiàn) 研磨盤壓力精確控制；研磨盤穩(wěn)態(tài)運行的高平穩(wěn)度；研磨液溫度的實時檢測和流量的模糊控制以及微機(jī) 自動控制模式的實現(xiàn)。高峰等以 NUMPOWER1060 數(shù)控系統(tǒng)為主控單元，結(jié)合力－ 位控制和模糊推理的特點，提出一種固著磨料雙面 研磨壓力模糊自整定 PID 控制方法研究。利用高精 度扭矩傳感器和力傳感器對 z 軸電機(jī)輸出扭矩與研 磨壓力之間的關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定，通過檢測 z 軸輸出 扭矩間接獲得了研磨壓力的大小。根據(jù) z 軸進(jìn)給速 度調(diào)節(jié)因子 uv 對研磨壓力的影響規(guī)律，建立了模糊 控制規(guī)則集，設(shè)計了模糊控制 PID 算法，保證了研 磨壓力的恒定。該系統(tǒng)能控制研磨力在加工過程中 處于適當(dāng)范圍并維持穩(wěn)定，解決了研磨力波動較大 而導(dǎo)致工件表面質(zhì)量差以及研磨壓力過大引起表面 灼傷的問題。XING 等通過 AMESim 建立氣動負(fù) 載系統(tǒng)的建模與仿真，并給出優(yōu)化參數(shù)以提高系統(tǒng) 性能，并給出負(fù)載能力的解決方法。YANG 等設(shè) 計了一種雙面研磨機(jī)，解決了效率和表面質(zhì)量難以 兼顧的問題，研發(fā)的機(jī)床具有工藝穩(wěn)定、研磨壓力 大、研磨速度快等特點，經(jīng)氧化鋯基板研磨驗證， 材料去除率達(dá) 5 μm/h，表面粗糙度 Ra 達(dá) 1 nm。

       3.5 雙面研磨機(jī)生產(chǎn)廠家 

       針對目前形成的雙面研磨工藝，國內(nèi)外多家廠 商研制了不同的雙面研磨機(jī)床，本文選取典型的機(jī) 床生產(chǎn)廠家進(jìn)行對比分析，其機(jī)床的功能、加工精 度等指標(biāo)均處于國際/國內(nèi)領(lǐng)先水平。國外的 PR  HOFFMAN、HAMAI、Melchiorre、LAPMASTER  WOLTERS 等公司研制的機(jī)床精度較高，技術(shù)更為 成熟，且各具特色，分別在研磨盤形狀，跳動，壓 力控制等方面具有獨特的優(yōu)勢。而國內(nèi)的宇環(huán)數(shù)控、 宇晶、方達(dá)，海德等雙面研磨機(jī)床占據(jù)國內(nèi)的市場 份額較大，它們根據(jù)目前加工的工藝要求進(jìn)行了改 善。PR HOFFMAN 公司創(chuàng)立于 1938 年，其機(jī)床主 要針對 SiC、石英、光學(xué)、半導(dǎo)體、LED、電子、 陶瓷和金屬加工等應(yīng)用的各種制造加工需求。以該 公司設(shè)計的 SERVO RS-7600 型雙面研磨機(jī)為例，該 設(shè)備可提供上盤、下盤、太陽輪和齒圈 4 項獨立運 動，并為上盤和下盤提供獨立的溫度管理。盤面外 徑 1915 mm ，內(nèi)徑 577 mm ，上盤最大轉(zhuǎn)速 +/?32.5 r/min，下盤最大轉(zhuǎn)速±27 r/min。在加工終止 時，將行星輪返回到與裝載時相同的位置和方向。通過這種方式，可以在整個加工過程中實現(xiàn)單個工 件的監(jiān)控。此外，可在加工過程中監(jiān)測上下盤的距 離，在零件厚度達(dá)到目標(biāo)厚度時停止加工。HAMAI 公司 1954 年開始研制雙面研磨機(jī)，經(jīng)過多年的發(fā) 展，目前，其所有雙面研磨機(jī)均采用流體動壓驅(qū)動 軸承，通過油壓浮起下盤，保證其在旋轉(zhuǎn)時不發(fā)生 振動如圖 25 所示，以提高工件的加工精度。其設(shè) 計的設(shè)備上盤不旋轉(zhuǎn)，并可以通過調(diào)整行星輪順時 針或逆時針旋轉(zhuǎn)來保持下盤面的平面度。

       Melchiorre 公司成立于 20 世紀(jì) 60 年代中期， 其生產(chǎn)的雙面研磨機(jī)上盤可浮動，在加工過程中可 監(jiān)測零件厚度，在達(dá)到預(yù)設(shè)厚度后停止加工，分辨 率可達(dá)到 0.1 μm。加工后零件可達(dá)到平面度小于 0.5 μm，平行度小于 1 μm，表面粗糙度 Ra 小于 0.01 μm 的水平。LAPMASTER WOLTERS 公司于 1948 年創(chuàng)立，其所生產(chǎn)的雙面精磨機(jī) AC2000 搭載 高精密氣動壓力系統(tǒng)、非接觸式微測量控制器、強 力驅(qū)動技術(shù)等。高精密氣動壓力系統(tǒng)可通過氣缸對 盤面施加外力，用以改善研磨盤的面形精度如圖 26所示。其對工件的施壓方式是通過杠桿對上盤施加 拉力或壓力，實現(xiàn)研磨壓力的大范圍調(diào)節(jié)。上下精 磨盤均采用伺服電機(jī)直驅(qū)的方式保證加工過程中轉(zhuǎn) 動的穩(wěn)定性，精磨盤的溫度控制和潤滑油冷卻由 PID 控制器精準(zhǔn)控制。PID 控制器對潤滑油冷卻控 制精確高達(dá)±0.5 ℃。對精磨盤冷卻水控制精度可達(dá) ±0.2 ℃。為優(yōu)化冷卻液作用，在潤滑油流入設(shè)備時 測量其實際溫度并將測量值反饋給冷卻系統(tǒng)，以確 保精磨盤幾何形狀的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。精磨盤也 可在線測量工件厚度。

       國內(nèi)自主研制的雙面研磨機(jī)品牌普遍創(chuàng)立于本 世紀(jì)初，通過學(xué)習(xí)國外的雙面研磨技術(shù)，研制的機(jī) 床與國外機(jī)床能實現(xiàn)的功能相近，但由于發(fā)展時間 較短，機(jī)床得結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，穩(wěn)定性以及加工精度 與國外機(jī)床尚存在一定差距。宇環(huán)數(shù)控機(jī)床股份有 限公司成立于 2004 年，其所生產(chǎn)的 YHM77110 型 雙面研磨機(jī)配備四臺電機(jī)，分別控制上盤、下盤、 太陽輪和內(nèi)齒圈的運動，上下表面材料去除率及比 值可調(diào)。采用龍門式結(jié)構(gòu)，可承載較大壓力，上盤 可通過液壓系統(tǒng)加壓，最大可提供 15 000 N 的研磨 壓力，加工過程中可實時監(jiān)測壓力并進(jìn)行調(diào)節(jié)。雙 絲桿導(dǎo)軌壓力加載系統(tǒng)和光柵尺的精確閉環(huán)控制系 統(tǒng)，能較好地保證研磨過程及質(zhì)量的穩(wěn)定性。配備 恒溫冷卻系統(tǒng)，傳感器自動檢測研磨液溫度并反饋 至控制系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)研磨液溫度。采用彈簧加 萬向節(jié)軸承組成的上盤浮動結(jié)構(gòu)，提高了大壓力研 磨加載的穩(wěn)定性與均勻性。

       宇晶機(jī)器股份有限公司成立于 1997 年，其生產(chǎn) 的 YJ-16BY/PE 型雙面研磨機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備采 用單電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)帶動上盤、下盤、太陽輪和內(nèi) 齒圈同時運動。以點動控制方式控制內(nèi)齒圈升降， 使操作者能自由控制齒圈升降高度。電機(jī)采用變頻 調(diào)速器控制，能在有效設(shè)置范圍內(nèi)以任意速度工作、 停止、加減速，過程平穩(wěn)，無抖動、無沖擊。并且 太陽輪有兩檔速度調(diào)整，可實現(xiàn)游星輪的正、反轉(zhuǎn)， 實現(xiàn)盤面的修整。深圳方達(dá)研磨技術(shù)有限公司成立 于 2007 年，受到單面車刀修整盤面面形的啟發(fā)，在雙面研磨機(jī)上實現(xiàn)了上下盤的車刀修面功能。所生 產(chǎn)的 FD13-6B 型雙面研磨機(jī)如圖 27 所示，修面機(jī) 采用伺服馬達(dá)驅(qū)動，能確保油壓懸浮導(dǎo)軌滑動平穩(wěn)， 平面修整效果較好。采用四個電機(jī)同步拖動，變速 范圍更廣，運動精度更高，響應(yīng)速度更快，能適應(yīng) 不同研磨材料及研磨工藝的要求，可實現(xiàn)軟啟動、 軟停止，調(diào)速穩(wěn)定，沖擊小。具有遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程 維護(hù)功能。可選配光柵厚度控制系統(tǒng)，加工后的產(chǎn) 品厚度誤差為±0.002 mm。下盤端面跳動 0.05 mm， 上下盤平面度 0.02 mm，太陽輪徑向跳動 0.06 mm， 齒圈徑向跳動 0.12 mm。修正輪修研后平行度、平 面度可達(dá) 0.0035 mm，加工件平面度、平行度可達(dá) 0.003 mm/Φ100 mm。

       深圳市海德精密機(jī)械有限公司成立于 2012 年， 所生產(chǎn)的 HD-16B 型雙面研磨機(jī)采用一次成型主 體，可保證整機(jī)具有較好的剛度。上盤系統(tǒng)采用獨 創(chuàng)的三點平衡系統(tǒng)，保證了上盤落下時與下盤的平 行度。內(nèi)齒圈、太陽輪、液盆同步齒輪抬升，可在 任意位置自鎖。供液系統(tǒng)采用雙通道冷卻，可有效 降低研磨過程中盤面的溫度。傳動系統(tǒng)采用三電機(jī) 聯(lián)合拖動，變頻調(diào)速，可實現(xiàn)軟啟動、軟停止。下 研磨盤跳動 0.05 mm ，修正輪修正平行度 <0.005 mm，太陽輪徑向跳動 0.12 mm，內(nèi)齒圈徑向 跳動 0.2 mm。

       3.6 國內(nèi)外雙面研磨機(jī)床對比 

       綜上所述，國外的機(jī)床廠商將研磨盤恒溫，壓 力控制，盤面磨損，厚度測量等功能集成到雙面研 磨機(jī)上，保證加工過程中工件的面形精度，加工后， 能夠?qū)崿F(xiàn)的加工精度較高，其加工精度可以達(dá)到亞 微米級，而國內(nèi)的雙面研磨機(jī)床雖然也集成了恒溫 研磨盤，盤面修整裝置等功能，在機(jī)床各個模塊的 功能上與國外機(jī)床接近，但是加工精度略有不足， 僅能在尺寸較小工件上達(dá)到微米級面形精度。目前 國內(nèi)的雙面研磨機(jī)床定價普遍在幾萬到幾十萬元， 隨著盤面直徑的增大和功能的增加，機(jī)床的售價也 隨之提升，但是，與國外機(jī)床相比，其價格尚存在 較大差距，國外機(jī)床的價格普遍在幾百萬元。以 LAPMASTER WOLTERS 公司的機(jī)床為例，其研磨 盤直徑1 m左右的雙面研磨機(jī)床報價超過300萬元， 而國內(nèi)某品牌的相同盤面直徑的機(jī)型售價不足 30 萬元。價格的巨大差距是由于機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 設(shè)計，加工的穩(wěn)定性，加工精度等因素導(dǎo)致的，而 目前國內(nèi)的雙面研磨機(jī)在相關(guān)方面尚存在較大差 距。不同機(jī)床廠商生產(chǎn)的雙面研磨機(jī)床具體參數(shù)比 較如表 2 所示，從表 2 中分析，國內(nèi)與國外裝備的 差距主要如下所述。

       (1) 加工過程中上下盤間隙沒有得到有效控 制，從而導(dǎo)致無法實時得知研磨盤的磨損情況，從 而影響工件的面形精度。

        (2) 國內(nèi)機(jī)床目前只是仿造國外機(jī)床進(jìn)行盤面 冷卻功能的設(shè)計，而未能真正的實現(xiàn)對加工過程中 盤面溫度的準(zhǔn)確控制，難以保證研磨盤溫度在理想 水平，從而影響加工精度。

        (3) 目前國內(nèi)的機(jī)床普遍采用機(jī)械主軸來驅(qū)動 研磨盤，使得研磨盤的跳動無法得到避免，在加工 過程中，研磨盤的跳動會直接影響到工件的面形精 度，雖然提出了車刀修面的方法提升研磨盤的面形 精度，但是無法保證加工過程中研磨盤的端面跳動， 而國外機(jī)床采用液體靜壓主軸，保證了加工過程中 研磨盤的平穩(wěn)，從而減小由于跳動造成的誤差。

        (4) 目前國內(nèi)機(jī)床的壓力加載普遍存在精度不 高的問題，雖然加入壓力傳感器，但是尚未實現(xiàn)閉 環(huán)的壓力控制，使得在加工過程中，隨著去離子水 等冷卻液的加入，而導(dǎo)致壓力發(fā)生變化，從而影響 工件表面材料去除的均勻性而國外機(jī)床采用高精度 壓力傳感器閉環(huán)控制的滾珠絲杠的運動以施加壓力，實現(xiàn)±1 kg 的壓力控制。

       國內(nèi)雙面研磨機(jī)的設(shè)計制造逐漸走向成熟，機(jī) 床集成的功能與國外機(jī)床的差距逐漸減小，而加工 工件的面形精度，機(jī)床的穩(wěn)定性等指標(biāo)仍與國外機(jī) 床存在較大差距，主要是因為雖然國內(nèi)機(jī)床廠家借 鑒國外機(jī)床的設(shè)計，實現(xiàn)了對研磨壓力、研磨盤溫 度等參數(shù)的控制，但是并未實現(xiàn)對研磨機(jī)性能的提 升，更多停留在對各種功能的模仿，而缺少面向性 能的設(shè)計與制造。

       4 結(jié)論與展望
       4.1 結(jié)論 

       雙面研磨工藝的研究的發(fā)展如圖 28 所示，初 期主要集中于加工硬脆材料，分析了雙面研磨工藝 中的材料去除機(jī)理，并建立了壓力分布和工件運動 的理論模型，實現(xiàn)對工件表面材料的均勻去除；針 對晶圓、襯底等平面件開展工藝優(yōu)化實驗，實現(xiàn)高平面度，低表面粗糙度，近無損傷的表面。通過對 雙面研磨機(jī)床的加載裝置展開探索，實現(xiàn)了加工過 程中壓力加載的穩(wěn)定性，并實現(xiàn)對壓力的精確控制；通過調(diào)整機(jī)床中太陽輪、齒圈、上下研磨盤的速比， 優(yōu)化工件表面材料去除均勻性；通過開發(fā)雙面研磨 機(jī)床控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)床的自動化加工。而目前國 外的雙面研磨裝備從加工精度和穩(wěn)定性上，要明顯 比國內(nèi)的雙面研磨裝備更先進(jìn)。

       4.2 雙面研磨技術(shù)發(fā)展趨勢 

       雙面研磨工藝與裝備經(jīng)歷幾十年的發(fā)展日趨成 熟，但是在國防、光學(xué)精密制造等領(lǐng)域仍然具有巨 大發(fā)展?jié)摿Α４送猓壳暗碾p面研磨系統(tǒng)對操作人 員的依賴性強，亟需開發(fā)智能雙面研磨系統(tǒng)，如圖 29 所示。其中，在雙面研磨工藝方面，亟需開展以 下幾個方面的研究。

        (1) 弱剛性構(gòu)件的亞微米級面形精度的加工。

       針對硬脆材料的加工，雙面研磨工藝已日趨成 熟，而針對于塑性金屬材料，尤其是弱剛性構(gòu)件的 加工，目前仍存在挑戰(zhàn)。弱剛性構(gòu)件的面形精度還 無法達(dá)到亞微米級。這是因為在加工過程中，弱剛 性構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放，會發(fā)生嚴(yán)重的變形，從 而影響工件的平面度和平行度，相比于硬脆材料， 其對于工藝的要求更高。 

       (2) 軟脆晶體材料的雙面研磨加工。 

       針對常見的軟脆晶體材料，雙面研磨加工的應(yīng) 用較少，主要是因為其在加工過程中容易發(fā)生碎裂 等現(xiàn)象，而且在研磨過程中易出現(xiàn)表面缺陷，距光 學(xué)應(yīng)用要求尚存在較大差距。且部分軟脆晶體為易 潮解晶體，其加工對環(huán)境的溫度及濕度要求極高， 而目前的雙面研磨工藝無法實現(xiàn)對于溫度及濕度的 控制，因此對于易潮解晶體的雙面研磨的研究有待開展。 

       (3) 光學(xué)曲面元件的雙面研磨加工。 

       近年來，浙江工業(yè)大學(xué)袁巨龍教授團(tuán)隊[100-101] 針對圓柱或球體軸承滾子的雙面加工開展相關(guān)研 究，但除此之外，雙面研磨加工對象僅限平面工件， 光學(xué)透鏡等需求量較大的曲面光學(xué)元件，也亟需進(jìn) 行雙面研磨工藝的研究。

       (4) 智能雙面研磨工藝的開發(fā)。 

       近 20 年來，對于雙面研磨工藝的研究較為廣 泛，加工的材料也從單晶硅、藍(lán)寶石、SiC 等硬脆 晶體材料向 45#鋼、純銅等金屬材料發(fā)展。然而， 在對不同材料進(jìn)行雙面研磨加工時，需要對加工工藝進(jìn)行重新優(yōu)化。如果能夠?qū)η叭说难芯繑?shù)據(jù)進(jìn)行 總結(jié)，并形成工藝數(shù)據(jù)庫，建立智能雙面研磨工藝 算法，實現(xiàn)對工藝參數(shù)的智能優(yōu)化，將會極大地降 低試錯成本，提高效率，擺脫雙面研磨工藝對操作 人員的技術(shù)要求。因此，亟需開發(fā)智能雙面研磨 工藝。

       此外，在裝備方面，雙面研磨裝備已經(jīng)很難滿 足光學(xué)、半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)對加工精度的極端要求，目 前裝備對操作人員的依賴性較強，機(jī)床的智能化水 平較低，因此，雙面研磨裝備的未來發(fā)展趨勢包括 以下幾點。 

       (1) 加工過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)的實時獲取與控制。 

       目前的雙面研磨機(jī)床，在加工過程中，工件在 游星輪內(nèi)的運動難以實時觀測，無法獲得具體的運動數(shù)據(jù)。研磨過程中工件表面局部受力情況難以測量，所施加載荷的準(zhǔn)確度有待提高。缺乏更高效、 更精確的研磨盤溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，研磨盤受熱形變程 度難以量化及控制。缺乏研磨盤面型的定量檢測和修整方案。難以實現(xiàn)研磨過程中工件厚度的測量。 

       因此，亟需研制新型的智能雙面研磨機(jī)床如圖 29 智能雙面研磨裝備所示，通過多傳感器的引入， 實現(xiàn)對各個參數(shù)的在線監(jiān)測與實時調(diào)節(jié)，實現(xiàn)智能 化加工。首先需要通過合適的方法將加工過程可視 化，獲取工件在游星輪內(nèi)具體的運動數(shù)據(jù)，從而實 現(xiàn)對工件局部材料去除率的控制。加裝合適的壓力 傳感器，采集加工過程中各部分的局部壓力，從而 分析研磨盤面型對加工的影響。設(shè)計精準(zhǔn)的加工區(qū) 域溫度采集裝置，及時收集溫度信息，反饋至系統(tǒng)， 并通過冷卻系統(tǒng)合理控制研磨盤溫度，以減少研磨 盤受熱變形。設(shè)計準(zhǔn)確的面型測量裝置及修整裝置， 減小研磨盤自身幾何精度不足而造成的影響。設(shè)計 合理的厚度測量裝置，對加工過程中工件的厚度進(jìn) 行實時測量。

        (2) 智能雙面研磨機(jī)床的研制。 

       在實現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)上，提取加工過程中的 工藝數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生技術(shù)，在數(shù)字空間搭建孿 生體，施加各種預(yù)設(shè)的工況條件進(jìn)行測試，在孿生 體內(nèi)以近乎為零的實際成本完成虛擬測試，不斷調(diào) 試參數(shù)直至滿足實際加工要求，再將測試結(jié)果方案 轉(zhuǎn)移至實際環(huán)境進(jìn)行實驗。尤其是針對弱剛性構(gòu)件 和軟脆晶體材料，通過數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)在加工 前預(yù)測工件的變形和碎裂的情況，大幅減少實際測 試環(huán)境的損耗，有效降低人工試錯的成本，提升成 品率，真正實現(xiàn)智能制造。

來源：機(jī)械工程學(xué)報

作者：郭江 潘博 連佳樂 楊哲 劉歡 高菲 康仁科

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室 大連 116024)