[发明专利]微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及超精加工技术领域，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。

背景技术

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。