曲軸制造技術及特種工藝

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1、曲軸制造技術及特種工藝 | [<<] [>>] 隨著發(fā)動機日益向輕量化、結構簡單化、性能優(yōu)質化方向發(fā)展，發(fā)動機曲軸制造技術和工藝發(fā)生了很大的變化。在當今市場產品嚴重同質化的情況下，為提高產品競爭力，近年來發(fā)動機曲軸加工采用了不少特種工藝，以增強企業(yè)的競爭優(yōu)勢。 先進的曲軸加工生產線一般都比較短，但效率高、產量大，加工出的曲軸質量好且很穩(wěn)定。如美國底特律Ford發(fā)動機廠曲軸生產線只有17道工序，占地面積6967m2，但年產V8發(fā)動機球鐵曲軸53.5萬件。其先進技術主要體現在兩個方面：一是大量采用了CNC控制技術，形成柔性生產線；二是應用了許多先進的高速、高效、柔性加工技術，簡化了

2、工藝過程，提高了加工質量，同時也縮短了單件加工時間。另外，為適應降低成本等需要，近年來發(fā)動機曲軸加工采用了很多特種工藝，相比之下，國內大多數生產線還存在較大差距。 先進加工技術及裝備 1、鉆質量中心孔技術 曲軸屬于細長類零件，加工過程中主要定位基準是兩端中心孔，按其加工位置可分為兩種:一種是利用雙V型塊或其它方式找出曲軸支承軸頸的幾何中心，在此中心上加工出的中心孔稱為幾何中心孔；另一種是利用專門的質量定心機測出曲軸的質恐行?，栽熕中屑{霞庸こ齙鬧行目壯莆柿恐行目?。由诱啱彭d募負渦巫次蟛詈橢柿糠植疾輝鵲仍潁話懔秸卟⒉恢睪稀? 國內生產線中多采用幾何中心孔，但是利用幾何中心孔作定位中心

3、進行車加工或磨加工時，工件旋轉會產生離心力，不僅影響加工質量，降低定心元件的使用壽命，而且在加工后剩余的動不平衡量較大?；谶@種原因，國外大都采用質量中心孔，利用專門設計的測試設備來測試質量中心，然后加工出中心孔，并且可將銑兩端長度和加工質量中心孔合并為一道工序，采用CNC技術控制，加工效率很高。但需要注意的是，若毛坯彎曲變形嚴重或質量嚴重分布不均勻，采用質量中心孔仍不能徹底解決上述問題。因此，筆者認為曲軸的質量中心孔和幾何中心孔應按毛坯質量的好壞合理選用：如果毛坯質量好，加工余量小且加工余量分布均勻，這時曲軸的質量中心孔與幾何中心孔會基本重合，不必花費較高的經費購置質量定心設備；如果毛坯質量

4、較差，加工余量大且加工余量分布不均勻，則優(yōu)先選用質量中心孔。 2、數控車-車拉技術 車拉技術在國外大量用于半精加工曲軸的主軸頸和連桿軸頸。其加工形式可分為3種：直線車拉、內環(huán)刀具旋轉車拉和外環(huán)刀具旋轉車拉。 3、數控高速外銑技術 對于平衡塊側面需要加工的曲軸，CNC高速外銑技術比CNC車削、CNC內銑、車-車拉的生產效率更高。以四拐曲軸為例，CNC車-車拉工藝加工連桿軸頸要二道工序，而CNC高速外銑只要一道工序即可完成（應用工件回轉和銑刀進給伺服連動控制技術，可以一次裝夾不改變曲軸回轉中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸）。 CNC高速外銑的優(yōu)點包括：切削速度高（可高達350m/min）、

5、切削和工序循環(huán)時間較短、切削力較小、工件溫升較低、刀具壽命高、換刀次數少、加工精度更高且柔性更好，因此CNC高速外銑將是曲軸主軸頸和連桿軸頸粗加工的發(fā)展方向。 4、CNC內銑技術 CNC內銑加工性能指標高于普通外銑加工，尤其對于鍛鋼曲軸，內銑更有利于斷屑，剛性特別好。數控內銑銑削工藝是目前國際上曲軸連桿頸粗加工先進的加工方法之一，尤其是大功率鍛鋼曲軸的加工，內銑工藝更是首選。 5、數控磨削技術 曲軸傳統的磨削工藝均采用磨削線速度為35m/s的普通曲軸磨床，砂輪進給和修整為手動進給，軸徑和臺肩的磨削余量大，砂輪耐用度低，需技術工人精工細作才能磨出精品。目前，曲軸磨削采用多種磨削方式來加工

6、 曲軸磨削可采用的技術有單序加工和復合加工等工藝。采用單序加工方式加工磨削效率很高，磨削后軸頸的跳動量容易控制，砂輪一次修整完畢后能保證各軸頸尺寸的一致性。缺點是柔性差，只能加工一個系列產品。加工曲軸前端和后端的有寬砂輪組合磨削等。例如，磨削四拐曲軸主軸頸采用的工藝有五，磨削四拐曲軸連桿頸采用的工藝有雙砂輪磨削。 復合加工是指一次裝夾磨削所有主軸頸和連桿軸頸，磨削連桿軸頸采用先進的擺動跟蹤磨削技術，這種磨削方式最大的優(yōu)點是柔性化好。復合加工有兩種可以采用的工藝：順序磨削主軸軸頸及連桿軸和同步磨削主軸軸頸及/或連桿。 6、曲軸深油孔加工采用槍鉆技術 曲軸深油孔加工是曲軸尤其是鍛鋼曲軸加工

7、中的一個難題。曲軸深油孔的直徑一般在5～8mm之間，從主軸頸到連桿頸傾斜貫通，屬典型細長孔，而且在曲面上加工，工藝性差。加工深油孔最好的辦法是采用槍鉆工藝。 槍鉆不但可用來加工深孔（徑長比1:250），而且也可用來加工淺孔（徑長比1:1）。槍鉆由鉆柄（用于裝夾刀具）、鉆桿（用于連接刀頭，按加工孔的長度確定，采用韌性較好的材料）、鉆頭（切削部分，刀尖是偏心的，采用硬質合金材料）三部分焊接在一起，中間有一通孔，外側面有一直V型槽。依靠中間通孔實現內冷卻，冷卻液從后刀而上的小孔處噴出，可直接對切削區(qū)冷卻。當使用高壓冷卻液時，其切屑能從被加工孔中通過直V型槽有效排出，無需在鉆削過程中定期退刀來排出切

8、屑。在加工細長孔時，槍鉆可以將鉆孔、鏜孔、鉸孔一次完成，一次走刀便可加工出高精度（IT6～8級）、直線度（0.16～0.33mm/1000mm）、粗糙度值（Ra3.2～0.1）孔。 據一汽大眾資料介紹，當用槍鉆加工發(fā)動機曲軸的深油孔時，必須使用尺寸適合的專用鉆套。他們采用的鉆套是用硬質合金或合金工具鋼制造的精密槍鉆鉆套，其硬度為HRC 63～65，內孔表面粗糙度為Ra1.6～3.2，內外徑最大允許同軸度誤差為2um，前端面最大允許跳動誤差為5um，鉆套底面和工件表面的距離不超過0.5mm，鉆套和主軸的同軸度誤差不超過5um，鉆套與槍鉆頭部的間隙保持在3～8um之內。使用槍鉆的機床主軸必須有較

9、高的軸向和徑向剛度，使用時應正確選取切削用量。一般情況下，切削速度Vc為60～100m/min，進給量f為0.015～0.03mm/r，油壓P為2.5～6.0MPa，流量Q為0.2～0.65L/s。 此外，加工發(fā)動機曲軸的深油孔時還需選擇專用的槍鉆油。一般槍鉆用切削液應有極壓添加劑，以保證在高壓下形成油膜，防止產生干摩擦。切削液的粘度與鉆孔直徑有關，直徑越小，粘度越低。送往槍鉆切削區(qū)的切削油和一般機械加工相比具有壓力高、流量大、過濾精度高的特點。流量應隨孔深的增大而增大，以保證切削油有更大的流速，達到通暢排屑的目的。 曲軸特種加工工藝 1、圓角滾壓工藝 曲軸的圓角滾壓是利用滾輪的壓力作

10、用，在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶。這條塑性變形帶的特點包括： （1）產生的殘余壓應力可與曲軸在工作時的拉應力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強度。 （2）硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層，從而使曲軸的機械強度和疲勞強度提高。 （3）表面粗糙度降低。圓角滾壓可使圓角表面粗糙度達到Ra0.1以下，從而大大減小圓角處的應力集中，提高疲勞強度。 國外應用的圓角滾壓技術已相當先進，可一次完成對所有圓角的滾壓，且可做到主軸頸與連桿軸頸圓角的壓力不同，同一連桿軸頸圓角在不同方向上的壓力也可不同。這樣可經濟地達到最佳的滾壓效果，最大限度地提高曲軸的抗疲勞強度。經德國赫根塞

11、特（HEGENSCHEID）公司測定，球鐵曲軸經滾壓后壽命可增至100%～280%。 2、滾磨光整工藝 光整加工技術應用于發(fā)動機曲軸，可以使其表面質量大幅度提高。其主要工作原理是：由顆粒狀磨料和多功能磨液以及水組成磨具，磨具在料箱中做復雜的自由運動，將工件沉沒于磨具之中旋轉運動，工件與磨具以一定的相對速度和作用力發(fā)生摩擦、擠壓、刻劃和微量切削，以達到表面質量的提高。尤其對曲軸而言，由于結構復雜人工去除毛刺困難，光整技術就顯得尤為重要。 光整加工技術的具體效果和主要特點包括： （1）能較全面地去除毛刺、圓化尖角銳邊； （2）能去除手工無法去除的銹蝕、氧化層和改善缺陷，使表面光亮奪目柔和

12、； （3）細化表面組織，提高軸頸表面殘余壓應力的數值； （4）改善裝配性，提高可靠性和使用壽命，降低磨合期； （5）可大幅度地提高表面輪廓支撐長度率Tp值，提高表面耐磨性。 3、砂帶拋光工藝 曲軸的主軸頸、連桿軸頸及止推面都要求進行超精加工和拋光。傳統工藝是采用靠模油石超精加工機床，加工后嚴重地破壞了軸頸的幾何形狀，形成馬鞍形（凹形），而且對軸頸尺寸影響較大。國外曲軸的超精加工早已采用數控砂帶拋光工藝，而且這種砂帶是防潮靜電植砂的（保證砂粒尖鋒朝外）。為了能對圓角和軸肩拋光，砂帶兩側開槽以便與加工面貼合。 國外的曲軸砂帶拋光機可同時拋光主軸頸、連桿軸頸、圓角、軸肩及止推面。其結構均

13、采用對夾式，每個軸頸上用4片墊塊（中凹型）壓緊砂帶；墊塊和砂帶宜根據工件材質和硬度選擇；機床上的卷帶機能保證每個軸頸都有一段新砂帶（長度可調）參加工作；拋光的方式以超精加工的原理進行。其效率和效果都遠遠優(yōu)于油石。 對于球鐵曲軸的拋光與磨削，由于球鐵內的鐵素體磨削后會形成突起毛刺，所以應使軸的磨削轉向與工作轉向相反，拋光轉向與工作轉向相同。這樣才能在拋光中有效地去除毛刺，避免工作時刮傷軸瓦。 ? JTEKT發(fā)動機生產線--締造軸類加工完美解決方案（馮衛(wèi) 王晶 ） | [<<] [>>] 株式會社JTEKT是日本豐田汽車集團中的重要成員，是原豐田工機株式會社和光洋精工的合并企業(yè)

14、。該公司以滿足汽車制造行業(yè)對于生產設備高開動率、低運轉成本的要求為根本，以高穩(wěn)定性、高精度、高效率為主要特征，在世界汽車制造領域享有盛譽。 在磨床制造方面，從1955年交付第一臺磨床，并生產了日本第一臺曲軸磨床和世界第一臺數控凸輪磨床開始，JTEKT公司的交貨業(yè)績有口皆碑。憑借豐富的經驗和機床種類，JTEKT公司可以根據用戶的需要量身打造，提供各種軸類生產線和單機設備的解決方案。 隨著世界汽車行業(yè)競爭的日益加劇，對設備制造業(yè)的要求向更低的制造成本，更快的交貨期方向發(fā)展，至此，生產線的整線交鑰匙工程（TURN KEY）成為目前流行的訂貨方式。JTEKT公司順應市場要求，憑借其60年汽車發(fā)動機

15、加工工藝的豐富經驗，聯合日本的優(yōu)秀設備制造企業(yè)（如小松工機、不二越、長浜制作所、島田化成、電氣興業(yè)等）組成了強大的“整體解決方案”體系。根據不同用戶的具體要求，制造各種高效、高柔性的生產線，并且全線貫穿JTEKT公司60年來對豐田精益生產方式的深刻理解，從而幫助用戶在市場競爭中贏得主動。 另外，由于JTEKT公司具有強大的開發(fā)設計能力，因此擁有非常豐富的機場種類：高效型、高柔性型、經濟型等，可以根據用戶及加工工件的具體情況配備不同的機床，以達到最合適的效果，從而降低生產線成本，增強用戶的市場競爭力。這里主要為大家介紹一下曲軸加工生產線和凸輪軸加工生產線的生產案例，以及主要設備的特點。 1、

16、全自動曲軸生產線 這條生產線主要用于加工汽油發(fā)動機曲軸，其生產綱領為236000件/年（C/T：1.1分/件）。其整線原則是：實現全自動化，有效提高生產效率，避免人為誤操作；以提高市場競爭力為核心，實現高開工率，并且運轉成本低。此外，該生產線全線使用水溶性切削液。 2、全自動曲軸精加工生產線 這條生產線主要的加工對象工件是4缸汽油發(fā)動機曲軸，生產綱領為150000件/年（C/T：1.2分/件）。該整線原則在秉承了全自動曲軸生產線整線原則的基礎上，還能夠自動實現工件品種更換的對應。此外，為保證曲軸成品跳動精度的優(yōu)異，使其在發(fā)動機中的運轉平穩(wěn)、安靜，該生產線采用了先加工連桿頸，后加工主軸頸的

17、工藝。 這條生產線中的主要設備是數控CBN雙砂輪臺隨動磨床GF50M-70T，其主要特點包括： （1）同步控制工件回轉（C軸）與砂輪臺進給（X軸）的隨動磨削曲軸的連桿頸。適合于不同種類曲軸（拐部行程和相位角度不同）的共線生產，節(jié)省了換型步驟。 （2）數控雙砂輪臺各自獨立控制，可以獨立進行各軸頸磨削，以提高生產效率。 （3）使用TOYODA磨床一貫的[TOYODA STAT]靜壓砂輪主軸軸承和靜壓導軌技術；砂輪臺驅動使用先進的直線電機技術。 （4）磨削使用可回收的水溶性冷卻液，與使用冷卻油方式相比，大大節(jié)約了加工成本。 凸輪軸加工生產線 全自動凸輪軸精加工生產線的加工對象工件是汽油

18、發(fā)動機凸輪軸，生產綱領為30萬件/年（C/T：1分/件）。其整線原則是：實現全自動化、高開工率、全柔性及CBN高速磨削，全線使用水溶性切削液。其生產線使用的主要設備是數控直線電機CBN砂輪凸輪軸磨床GC32M-63和雙頂尖驅動CBN砂輪主軸頸磨床 GL5P-63III。其中，數控直線電機CBN砂輪凸輪軸磨床GC32M-63的特點是： （1）擁有世界領先的加工效率。砂輪表面線速度可達200m/s，快速進給速度為φ60m/min。加工余量為6mm的冷激鑄鐵8凸輪工件加工只需要52s，是目前世界上加工速度最快的凸輪磨床。 （2）工件回轉為無級變速控制，保證凸輪在一周轉動中完成最大的磨削量，磨削阻

19、力更加均衡，輪廓型線的加工精度提高，并因此有效縮短了加工節(jié)拍，從而實現高速、高精度磨削。 （3）靜壓導軌進給、直線電機驅動的高靈敏度移動的輕質砂輪臺進給構造，能實現無空轉、無間隙進給。最新技術的快速響應伺服系統與砂輪臺進給系統在減少凸輪磨削時間的同時，提高了凸輪加工面的質量。 （4）TOYODA GC50開放式控制系統將各種自動修正功能等作為標準配置，并增加換型支持功能，運轉操作簡便可靠，輕松實現了高精度加工。 （5）可通過安裝雙片砂輪，進行同相角凸輪的同時磨削，進一步提高加工效率；也可使用單砂輪磨削方式增強機床的柔性。 雙頂尖驅動CBN砂輪主軸頸磨床GL5P-63III最主要的特點是

20、高柔性和高精度。它使用了獨特的雙頂尖同步驅動方式，依靠機床的雙頂尖通過摩擦力驅動凸輪軸轉動，進行磨削加工。頂尖通過伺服系統同步驅動，頂尖套筒可以數控移動，實現了不同長度的工件混線加工。此外，機床配有主動量儀，對磨削的每一個軸頸可進行主動測量，實現精確加工。 JTEKT公司憑借其60年豐富的發(fā)動機生產線制造經驗，已經擁有30000臺以上的設備交貨業(yè)績，并因此成為世界頂級發(fā)動機裝備制造企業(yè)。在中國市場，JTEKT公司憑借著強大的技術實力，專業(yè)、敬業(yè)的售后服務隊伍，為中國汽車產業(yè)的發(fā)展起著積極的推動作用。相信JTEKT公司憑借其“追求技術的夢想，帶給您具有價值的技術”這一理念，會與國內廣大用戶創(chuàng)造

21、出更美好的未來。 ? 復合加工技術引領潮流（蒲長新） 在全球機床制造和金屬加工領域，復合加工技術正以其強大的加工能力被不斷發(fā)展與應用。所謂復合加工技術，即是在一臺設備上完成車、銑、鉆、鏜、攻絲、鉸孔、擴孔等多種加工要求，復合加工機床的最突出優(yōu)點是可以大大縮短工件的生產周期、提高工件加工精度。 為了實現復雜形狀工件的加工，使在一臺機床上能完成復數工序和復數工種的加工，這樣的機床稱為復合加工機床。就是說，在復合化機床上可以實現完全不同性質加工過程的加工。 復合加工機床功能范圍隨著時代變化而變化。有一時期，曾經把加工中心稱春霞庸?a href= target=_blank class

22、=heiw>機床?？墒牵话愕募庸ぶ行牟荒艹瞿撤N切削加工范圍?，F在的復合加工機床已不是那時的復合加工機床，具有本質上差異?，F代的復合加工機床是更進一步復合化的開發(fā)，如在車削中心上裝載有回轉刀具的銑削功能，在加工中心上有車削功能，最近又出現了不同原理加工方法的集約如激光加工和切削加工的復合等，進一步提高機床復合化程度。 復合加工機床的發(fā)展歷史 1845年美國丁?菲奇發(fā)明轉塔車床，1911年美國格林里公司為汽車零件加工開發(fā)了第一臺組合機床。1952年三軸數控銑床研制成功。1958年美國KT公司研制出帶有刀具自動交換裝置的加工中心，有力地推動了工序集中的加工方法的發(fā)展。 復合加工及其制造裝備

23、的出現已有百余年的歷史，但是真正得到較廣泛的應用還是在20世紀80年代，數控技術和數控機床成為制造技術的主流后出現的。 20世紀80年代中后期，隨著加工中心功能和結構的完善，顯示了這種工序集中數控機床的優(yōu)越性，開始出現車削中心、磨削中心等，使復合加工得到擴展而不再局限于鏜、銑等工序。90年代后期又進一步發(fā)展了車銑中心、銑車中心、車磨中心等，近年來又出現由激光、電火花和超聲波等特種加工方法與切削、磨削加工方法組合的復合機床，使復合加工技術成為推動機床結構和制造工藝發(fā)展的一個新熱點。 一、車削為主型 以車削加工為主的復合加工機是車削復合中心。車削復合中心是以車床為基礎的加工機，除車削用工具外

24、，在刀架上還裝有能銑削加工的回轉刀具，可以在圓形工件和棒狀工件上加工溝槽和平面。這類復合加工機常把夾持工件的主軸做成2個，既可同時對2個工件進行相同的加工，也可通過在2主軸上交替夾持，完成對夾持部位的加工。 現在，加工2個工序以上的工件占車削加工的大多數。對這些工件進行高效、高精度加工，有以下3種技術： 1、內外加工集中化：在機內裝有1次加工（外表面）以及2次加工（內表面）的各種功能的1次/2次加工機。 2、加工的復合化：除車削加工，機內還裝有銑削加工、磨削加工等各種功能的工序集中的加工機。 3、智能化：機內具有儲存、運輸、加工一體化、工件識別、工件夾持控制、適應控制、信息網絡等最新監(jiān)

25、控技術的單元加工機。 該類復合機床有德國INDEX公司的TRAUB TNX65多功能數控車削中心，具有雙主軸、4個刀塔，第二主軸可作Y軸移動；德國DMG公司的TWIN65雙主軸車削中心，上下各有一個轉塔刀架，可實現6面加工，第二主軸可作橫向移動等。 二、銑削為主型 1、加工中心的多軸化 A、五軸控制，除X、Y、Z三軸控制外，為適應使刀具姿勢變化，可以使各進給軸回轉到特定的角度位置并進行定位的五軸加工機。五軸加工機的使用方法有兩種：1用回轉軸分度，使工件相對于刀具傾斜，在這個狀態(tài)進行三軸控制加工。2同時使所有的控制軸作連續(xù)運動，即五軸聯動，可以對葉輪等具有外延伸曲面形狀的工件進行加工。五

26、軸聯動加工機的特點是可以避開切削速度變?yōu)榱愕募庸l件；可以用伸出長度很短的刀具；可以在一次裝夾下加工外延伸曲面形狀的工件等。 B、六軸控制，用多軸控制銑削類加工機不能模擬復雜形狀工件加工，而復合加工可以。例如對有錐度形狀和四角形狀槽類等工件的加工，以前不變換加工工種是無法完成加工的，必須把工件轉到電加工機床上加工?？墒侨绮捎没剞D刀具，使刀具一邊作6軸控制運動，一邊作擺動切削加工，就可在一臺機床上完成加工。而且精度、效率也可以提高。如使用非回轉刀具，必須控制回轉主軸的回轉位置，此時六軸控制是必要的。用六軸控制加工時，采用非回轉刀具時，切削速度等同于進給速度，不能進行高速加工；而用回轉刀具則能適

27、應原不能加工部位和形狀的加工，無需轉換工種，僅用切削加工就能一次完成全部加工，效率較高。 2、加工中心的復合化 除銑削加工外，還裝載有一個能進行車削的動力回轉工作臺。 以銑削為主的復合機床有日本MAZAK公司的INTEGREX e800V/5五軸臥式銑車中心，是在五軸臥式加工中心的基礎上，使回轉工作臺增加車削功能，可以在一次裝卡下對圓形零件實現車、銑完全加工；意大利Milanese公司的NTXI銑車復合中心，是在立式加工中心的右端增添一個車削主軸。 三、磨削為主型 磨床的多軸化，原來只在無心磨床上可見，多數是以裝卸作業(yè)自動化為目的?，F在，開發(fā)了在一臺機床上能完成內圓、外圓、端面磨削的

28、復合加工機。例如在歐洲，開發(fā)了綜合螺紋和花鍵磨削功能的復合加工機。 該類復合機床的代表為瑞士MAGERLE公司的MGR立式車磨復合加工機，機床上方配有多個磨頭和一個車刀架，可以對零件進行磨削和精車；日本森精機制作所的IGV-3NT磨頭可回轉式立式磨床，可在一次裝卡下對零件內外圓和端面進行加工；瑞士STUDER公司的S33萬能數控磨床，可以在一次裝卡下實現多線螺紋加工和內外圓、端面加工。 四、不同工種加工的復合化 把多種不同原理的加工類型集約，如切削與磨削、研磨的復合；用激光功能把加工后熱處理、焊接、切割合并；加工和組裝同時實施等。還有，集中車削和銑削功能，特別是齒輪加工功能等的獨特的生產

29、型復合加工機；與激光加工復合，開發(fā)了裝有磨削功能和激光淬火功能的復合機床等。在歐洲還開發(fā)了機械銑削功能、激光三維加工功能等集約的復合加工機。 復合加工技術的發(fā)展趨勢 復合加工技術是未來機械加工的發(fā)展方向。隨著社會各個領域的不斷發(fā)展，對機械加工領域的要求也不斷提高，高速度、高精度和高效率的“三高”加工是對未來機械加工的基本要求，而僅僅靠傳統的加工理念是很難滿足這一要求的。因此，機械加工領域要求不斷突破傳統的觀念，不斷改善和提高加工的技術，以適應未來的要求，而復合加工技術正好滿足了這一要求。 今天的復合加工技術，是針對以普通的數控車削中心和加工中心為基礎，發(fā)展到復合車銑加工中心。這要求機床制

30、造業(yè)應以現有的技術水平為基礎，研發(fā)、制造、穩(wěn)定和推廣具有高效、復合、穩(wěn)定、成本低廉的，適合于現代加工技術的高水平機床。 ? 復合加工技術提高制造設備潛能 復合加工技術的優(yōu)勢不僅體現在復合刀具上，采用具有復合結構的機床，可以簡化加工工序、提高加工效率，大大提高設備的生產潛能。 變速器作為汽車傳動系統中的關鍵部件，其加工質量將直接影響到汽車的動力性能和穩(wěn)定性能。南京依維柯汽車有限公司變速箱分公司在生產制造過程中，恰當地應用復合加工技術，發(fā)揮制造設備的潛能，達到了很好的效果。 軸類零件的車加工 在變速箱Ⅰ軸的車削加工過程中，工件部分外圓和孔具有較高的同軸度要求和一定的尺寸精度要求

31、。在傳統的加工方式中，通常先以兩端中心孔定位，車B處外圓；夾持B處外圓，加工右端內孔和外臺階；以兩端中心孔定位，加工所有外圓端面和溝槽。這種加工方式中工件需要重復裝夾，必定會產生加工定位誤差，因此，很難保證被加工工件的精度。 經過對工藝流程的仔細分析和判斷，我廠采用了高性能的數控車床。在該機床上，工件只需裝夾一次，便可完成Ⅰ軸所有內、外表面的加工，不僅提高了加工效率，同時也提高了加工精度。 該機床具有上、下兩個刀塔和刀具驅動裝置，可配置動力刀具。其下刀塔備有中心架和零件托架，主軸配有雙活塞拉式夾緊液壓缸和帶端面驅動的液壓夾盤。 變速箱Ⅰ軸經過鑄造和鍛造后，首先進行兩端面的銑削，并鉆中心。

32、車削加工時，將工件毛坯放在機床下刀塔的零件托架上，由機床自動選擇工件的夾持方式，進行加工。 整個加工循環(huán)過程和夾持方式是： 1、用頂針以Ⅰ軸兩端中心孔定位，主軸夾盤的端面驅動爪夾持工件左端面，車削外圓面。 2、左端夾持外圓面，頂針頂緊右端中心孔，車削外圓面。 3、夾持外圓面，并用中心架夾持外圓面，右端尾架退出，車削Ⅰ軸內表面、切內槽、鉆中心孔等。 4、由于外圓面和因夾具夾緊而造成表面質量下降，因此，此工序重車該兩處表面，依然采用頂針頂緊兩端面中心孔的夾持方式，但不同的是，此時右端面的中心孔已變?yōu)閮榷嗣嬷行目住? 盤類零件的車削加工 齒坯的內孔及兩側端面是后道工序齒加工用的工藝基準面

33、，要求有較好的尺寸精度和垂直度、平行度。在齒坯的車削加工中，我廠通過采用一臺具有副主軸結構的數控車床，實現了人工一次裝夾，完成全部車削加工內容。該機床與其他形式的雙主軸機床相比，工件在主軸之間的轉換交接不需要機械手來完成，只需在主軸上安裝好工件毛坯，即可在副主軸上取下加工好的工件。 1、把工件毛坯放入左端主軸夾盤。 2、主軸夾盤夾緊工件左端外圓，機床完成工件右側臺階外圓、端面和孔的車削加工。 3、右端的副主軸自動前移，從右端夾持工件內孔，主軸夾盤松開，副主軸退后。 4、副主軸夾持工件內孔，車削工件左側端面和外圓。 磨削加工 齒輪在經過熱處理后，需要進行外錐面、兩側內端面和內孔的磨削

34、加工。傳統的加工方式是：先以外齒定位，磨削內孔、右側端面；以孔定位磨削外錐面，磨削左側端面。經過工藝分析，我廠最終選用的高性能數控磨床，僅需一次裝夾，即可完成所有的加工內容。該機床有一個外圓磨頭和一個內圓磨頭，而且內圓磨頭可以進行端面磨削加工。加工時，用節(jié)圓夾具夾持工件外齒，采用端面定位；磨削內圓的砂輪具有特殊的形狀，既可磨削內孔又可磨削兩側端面，如圖7所示。由于在一次進給中完成了內、外圓和端面的加工，避免了因定位基準不同而引起的尺寸和形位誤差 變速箱殼體加工 變速箱殼體，采用鋁合金壓鑄方式制造，除底面外，四周及頂部都包含有加工面，且關聯尺寸和形位誤差要求都較高，如：前、后兩面的平行度；后

35、面上孔相對于前面上孔的位置度；頂面孔及左右面相對于前、后面上孔的位置度等。經過對加工內容的仔細分析和工藝安排，我廠選用了主軸具有立、臥轉換功能的加，該設備可實現刀具的自動更換。工件裝夾后，主軸處于臥式狀態(tài)，依靠旋轉工作臺加工前、后、左、右四個面上的所有內容，隨后主軸轉換為立式，加工頂面內容，從而實現了在一次裝夾中，完成所有銑、鉆、擴、锪、攻螺紋等加工內容。在該加工設備上完成箱體的加工，避免了分工序加工產生的重復定位誤差，可靠地保證了產品的加工精度。 在加工過程中，為了準確實現工藝目的，除要求機床主軸具有立、臥轉換功能外，還要求變速箱殼體毛坯必須設計有合理的供工藝定位和夾持的工藝孔以及工藝凸臺

36、，同時采用的夾具必須在夾持工件后，不干涉刀具系統的正常運行。 結語 復合加工是在一次裝夾工件中完成大部分或是全部加工工序的加工技術。在零部件結構逐漸復雜化的條件下，其應用實現了減少機床和夾具，免去工序間的搬運和儲存，提高工件加工精度，縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。 平面磨床評述 復合加工技術的優(yōu)勢不僅體現在復合刀具上，采用具有復合結構的機床，可以簡化加工工序、提高加工效率，大大提高設備的生產潛能。 變速器作為汽車傳動系統中的關鍵部件，其加工質量將直接影響到汽車的動力性能和穩(wěn)定性能。南京依維柯汽車有限公司變速箱分公司在生產制造過程中，恰當地應用復合加工技術，發(fā)揮制造設

37、備的潛能，達到了很好的效果。 軸類零件的車加工 在變速箱Ⅰ軸的車削加工過程中，工件部分外圓和孔具有較高的同軸度要求和一定的尺寸精度要求。在傳統的加工方式中，通常先以兩端中心孔定位，車B處外圓；夾持B處外圓，加工右端內孔和外臺階；以兩端中心孔定位，加工所有外圓端面和溝槽。這種加工方式中工件需要重復裝夾，必定會產生加工定位誤差，因此，很難保證被加工工件的精度。 經過對工藝流程的仔細分析和判斷，我廠采用了高性能的數控車床。在該機床上，工件只需裝夾一次，便可完成Ⅰ軸所有內、外表面的加工，不僅提高了加工效率，同時也提高了加工精度。 該機床具有上、下兩個刀塔和刀具驅動裝置，可配置動力刀具。其下刀塔

38、備有中心架和零件托架，主軸配有雙活塞拉式夾緊液壓缸和帶端面驅動的液壓夾盤。 變速箱Ⅰ軸經過鑄造和鍛造后，首先進行兩端面的銑削，并鉆中心。車削加工時，將工件毛坯放在機床下刀塔的零件托架上，由機床自動選擇工件的夾持方式，進行加工。 整個加工循環(huán)過程和夾持方式是： 1、用頂針以Ⅰ軸兩端中心孔定位，主軸夾盤的端面驅動爪夾持工件左端面，車削外圓面。 2、左端夾持外圓面，頂針頂緊右端中心孔，車削外圓面。 3、夾持外圓面，并用中心架夾持外圓面，右端尾架退出，車削Ⅰ軸內表面、切內槽、鉆中心孔等。 4、由于外圓面和因夾具夾緊而造成表面質量下降，因此，此工序重車該兩處表面，依然采用頂針頂緊兩端面中心孔

39、的夾持方式，但不同的是，此時右端面的中心孔已變?yōu)閮榷嗣嬷行目住? 盤類零件的車削加工 齒坯的內孔及兩側端面是后道工序齒加工用的工藝基準面，要求有較好的尺寸精度和垂直度、平行度。在齒坯的車削加工中，我廠通過采用一臺具有副主軸結構的數控車床，實現了人工一次裝夾，完成全部車削加工內容。該機床與其他形式的雙主軸機床相比，工件在主軸之間的轉換交接不需要機械手來完成，只需在主軸上安裝好工件毛坯，即可在副主軸上取下加工好的工件。 1、把工件毛坯放入左端主軸夾盤。 2、主軸夾盤夾緊工件左端外圓，機床完成工件右側臺階外圓、端面和孔的車削加工。 3、右端的副主軸自動前移，從右端夾持工件內孔，主軸夾盤松開，

40、副主軸退后。 4、副主軸夾持工件內孔，車削工件左側端面和外圓。 磨削加工 齒輪在經過熱處理后，需要進行外錐面、兩側內端面和內孔的磨削加工。傳統的加工方式是：先以外齒定位，磨削內孔、右側端面；以孔定位磨削外錐面，磨削左側端面。經過工藝分析，我廠最終選用的高性能數控磨床，僅需一次裝夾，即可完成所有的加工內容。該機床有一個外圓磨頭和一個內圓磨頭，而且內圓磨頭可以進行端面磨削加工。加工時，用節(jié)圓夾具夾持工件外齒，采用端面定位；磨削內圓的砂輪具有特殊的形狀，既可磨削內孔又可磨削兩側端面，如圖7所示。由于在一次進給中完成了內、外圓和端面的加工，避免了因定位基準不同而引起的尺寸和形位誤差 變速箱殼體

41、加工 變速箱殼體，采用鋁合金壓鑄方式制造，除底面外，四周及頂部都包含有加工面，且關聯尺寸和形位誤差要求都較高，如：前、后兩面的平行度；后面上孔相對于前面上孔的位置度；頂面孔及左右面相對于前、后面上孔的位置度等。經過對加工內容的仔細分析和工藝安排，我廠選用了主軸具有立、臥轉換功能的加，該設備可實現刀具的自動更換。工件裝夾后，主軸處于臥式狀態(tài)，依靠旋轉工作臺加工前、后、左、右四個面上的所有內容，隨后主軸轉換為立式，加工頂面內容，從而實現了在一次裝夾中，完成所有銑、鉆、擴、锪、攻螺紋等加工內容。在該加工設備上完成箱體的加工，避免了分工序加工產生的重復定位誤差，可靠地保證了產品的加工精度。 在加工

42、過程中，為了準確實現工藝目的，除要求機床主軸具有立、臥轉換功能外，還要求變速箱殼體毛坯必須設計有合理的供工藝定位和夾持的工藝孔以及工藝凸臺，同時采用的夾具必須在夾持工件后，不干涉刀具系統的正常運行。 結語 復合加工是在一次裝夾工件中完成大部分或是全部加工工序的加工技術。在零部件結構逐漸復雜化的條件下，其應用實現了減少機床和夾具，免去工序間的搬運和儲存，提高工件加工精度，縮短加工周期和節(jié)約作業(yè)面積的目的。 絲錐方頭的磨削加工 絲錐方頭在絲錐工作時用于傳遞扭矩，同時也可作為加工絲錐的基準。加工絲錐時，對絲錐方頭有一定的尺寸、表面粗糙度及形位誤差要求(如國家標準規(guī)定普通絲錐的方頭對柄部軸

43、線對稱度不超過尺寸公差的1/2)。加工絲錐方頭可采用銑削或磨削工藝。采用磨削工藝加工絲錐方頭精度及效率較高，特別適合磨削量較小的小規(guī)格絲錐加工。筆者通過總結工廠多年磨削加工絲錐方頭的生產經驗，分析了絲錐方頭磨削工藝和加工中常見的質量間題及解決措施。? 一、絲錐方頭磨削工藝 1. 加工原理 為滿足對絲錐方頭加工的技術要求，我廠自行設計制造了絲錐磨方機。磨方機主要由砂輪架、傳動部分、夾持和冷卻裝置等組成，其結構如圖1所示。磨削絲錐方頭時，由減速機構帶動凸輪旋轉，凸輪運動通過緊壓其上的軸承再通過支臂傳遞到工件上。凸輪轉動時，軸承沿凸輪外圓軌跡作上下往復運動，工件則隨支臂的上下運動而擺動，按展成

44、法原理磨出絲錐方頭的一個面，然后ü侄饒コ銎溆噯雒?。方头的磨削硣\繽ü髡痘褂枰員Ｖ?，加工M3～M12的小規(guī)格機用絲錐時，一般通過一個加工循環(huán)即可達到尺寸要求。 2. 夾緊方式 磨方機采用液壓夾緊方式夾持絲錐。夾緊機構在絲錐刃部端采用反花頂尖，在絲錐柄部端采用導套加頂尖結構。加工循環(huán)啟動后，主軸前進，將工件夾緊。液壓馬達起動后，帶動凸輪及工件轉動凸輪每轉動一周，工件轉動1/4周，完成絲錐方頭一個面的磨削加工;凸輪轉動四周，工件則轉完一周，完成絲錐方頭四個面的加工。此時液壓馬達停止.主軸退回，松開工件，完成一個加工循環(huán)。這種卡緊方式方便、迅捷，可大大提高生產效率。 3. 冷卻方式

45、 絲錐方頭磨削采用強力磨削方式，在加工過程中產生大量磨削熱。為此需要采用圖2所示雙向強力冷卻方式，以有效降低磨削溫度，消除因磨削熱量引起的工件材料變形，同時便于工件裝夾。 二、常見質量問題與解決措施 1. 磨糊燒傷 由于磨削過程中產生大量磨削熱，易造成絲錐方頭磨糊燒傷。解決措施為加大冷卻液的壓力，選用冷卻效果較好的冷卻劑;此外，在熱處理工序前磨削方頭則可忽略磨糊燒傷的影響。 2. 方頭形狀不規(guī)則 造成絲錐方頭加工后方形不規(guī)則的主要原因有凸輪設計不合理、頂尖磨損、工件未夾緊、砂輪外圓與工件外圓平行度不好等。解決措施為合理設計凸輪，經常更換頂尖，正確修整砂輪。 3. 磨削表面粗糙度達不

46、到要求 影響磨削表面質量的主要原因是砂輪選擇不合理、砂輪修整質量不好等。解決措施為選擇磨料粒度、硬度合適的砂輪，定時修整砂輪等。 4. 方頭對稱度超差 頂尖不合格是造成方頭對稱度超差的主要原因，解決措施為選用質量合格的頂尖。 加工實踐表明，采用磨方機磨削加工機用絲錐方頭可提高機用絲錐的加工質量和生產效率，適合在絲錐生產中推廣應用。 ? 精密磨削 1 前言 磨削(Grinding)是一種利用磨輪(Grinding Wheel)作高速旋轉及微小深度（微小量），磨削工件表面或內孔，以獲得精密形狀及表面粗度的加工技術。 磨削加工的特色： (1)每一顆微細磨粒，其作用相當于一把細

47、微刀刃，磨削加工，如同無數細微刀刃同時切削。 (2)可磨削硬脆材料，如硬化鋼、玻璃、碳化物及陶瓷等。 (3)磨削去除率小(Low Material Removal Rate) (4)磨削速率(Cutting Speed)大，進給率(Feed Rate)及磨削深度(Depth of cut)均小，因此比馬力(Specific Horse Power)相當大 HPs (Specific Horse Power)=HP(Horse Power)/MRR(Material Removal Rate) 2 深進緩給磨削(Creep Feed Grinding) 所謂深進緩給磨削(Cree

48、p Feed Grinding)簡稱(C.F.G)，與一般的平面磨削不一樣，磨削深度(Depth of cut)增加數倍至數十倍，而進給率(Feed Rate)以相同的倍數減慢，可以增加磨削速率及增進工作表面粗度的磨削技術。 CFG磨床之特色： (1)磨削深度（即磨削量）大，具備減震裝置(Damping Device)，以維持靜，動平衡。 (2)軟質磨輪增進工件表面粗度。 (3)為保持磨輪表面，不被磨屑阻塞，經常保持在銳利狀態(tài)，因此在其上方按裝表面含有鉆石磨粒之整修砂輪(Dressing Wheel)，在制程中，不斷整修磨輪，使其保持真圓度及銳利狀態(tài)，以維持工件品質之穩(wěn)定性。 (4)

49、為維持一定的切削速率(Cutting Speed)及磨削深度，磨輪轉速不但可以無段變速，并且能夠自動下降以獲得理想且一致的工件品質。 3 電解磨削(Electrolytic Grinding) 電解研削(ECG)是由電解加工，亦可稱為電化學加工(Electro Chemical Machining簡稱ECM)，亦就是反電鍍(Deplating)加工與機械磨削(Mechanical Grinding)所組合之復合加工。電解磨削是1952年美國G.F Keeleric 研發(fā)成功。 電解加工原理 電解加工在原理上是將電鑄的陽極金屬溶解現象應用于金屬加工，將預先成形為所定形狀的電極隔著微小間隙

50、(0.2~0.3mm)與被加工物表面相向，并壓送電解液(electrolyte)，流速5~20m/s，以電極(electrode)為陰極，被加工物為陽極，施加一定的直流電壓(5~20V)，則經電解液而通電流，被加工物從接近電極的部份開始電解，同時使電極以一定速度(0.5~3.0mm/min)向被加工物送入，達預先設定的加工深度時，即得所希望的加工形狀。 電解加工的特色 (1)可同時加工廣大面積之工件。 (2)不拘被加工物的機械性質，都可加工。 (3)不發(fā)生熱變形、加工應變、加工變質層。 (4)單一工程即可雕出復雜形狀工件。 (5)電極不消耗。 (6)加工面粗糙度良好。 (7)加

51、工速度比放電加工(EDM)快5~10倍。 電解加工的應用 (1)鍛造模、玻璃模、橡膠模等的雕形加工。 (2)溝加工、斜面、輪廓加工、深孔加工等傳統加工法的效率差者。 (3)難切削材料的加工。 (4)去除毛邊，傷痕等不可能用機械加工的加工。 電解磨削系利用金屬結合劑及微細鉆石磨料所組成的導電性砂輪同時進行電解加工與機械研削的方式，砂輪的導電部份為陰極，被加工物為陽極，接直流電源，在兩者的間隙通電解液，在被加工物與砂輪的導電性結合材料之間進行電解加工，不易電解的物質或被加工而生成的不動態(tài)皮膜（即金屬氧化膜），用磨料以機械研削除去，加工量的比率是電解加工量90﹪、機械研削量10﹪。磨料突

52、出量為0.05mm以下，這可防止兩極的短電路，并保持電解液通路必要的間隙。 當進行粗、中等加工后，停供電解電流，只以機械研削細加工而提高加工精度的方式—此方式是利用電解研削的高效率，除去加工量后，停止電解加工，不更換砂輪，以同一砂輪繼續(xù)細磨。而得到期望的表面精度。電解液可提高電解研削速率，磨料微粒為不導電的材料，如：鉆石、三氧化二鋁（Al2O3）及晶方氮化硼（CBN）。 4 電解拋光（Electrolytic Polishing） 所謂電解拋光，即是將工件放置陽極，于電解液中通電，在適當操作參數下，使工件發(fā)生電解反應（亦稱反電鍍），工件表面而因電場集中效應而產生溶解作用，因而可達成工件表

53、面平坦與光澤化之加工技術。 電解拋光技術于1931年，由D.A.Jacquet發(fā)明采行。「電解拋光」技術可廣泛運用在半導體制程設備、化工、航天以及其它高精密等表面處理加工。 電解拋光應用范圍： (1) 可處理銅、黃銅、鉛、鎳、鈷、鋅、钖、鋁、不銹鋼、鐵、鎢等材料。 (2) 電解拋光技術廣泛應用于半導體/LCD等級閥件、管配件、接頭、IGS之表面處理。 (3) 電解拋光可達鏡面級光澤，拋光后產品表面可達Ra=0.2~0.5μm。 (4) 不銹鋼電解拋光表面可生成鈍化層，有效提升抗腐蝕能力。 工研院機研所，兩年來，在沒有技術引進情況下，自行設計、開發(fā)夾治具、電解液和設立實驗室，摸索出

54、世界最新穎的表面處理「電解拋光」關鍵技術。機械所目前已建立電解拋光實驗室，擁有內外孔電解拋光設備，除開發(fā)閥件內孔電解拋光技術外，更將觸角延伸至管件內孔電解拋光高級技術發(fā)展，期能建立我國扎實的電解拋光加工能力。 近年，國內半導體制造業(yè)蓬勃發(fā)展，但半導體制程設備工業(yè)卻遠遠落后，詳究其原因，主要在于國內缺半導體制程設備所需的精密表面加工技術。電解拋光應用于半導體制程設備中的控制閥內流道、廠務配管流道、反應腔壁表面之處，凡與制程氣體接觸之處理都需要電解拋光加工處理，應用范圍多且廣。將電解拋光應用于半導體制程設備的目的有三，一為可生成抗蝕鈍化層，二為可產生高度潔凈表面，三為可鏡面拋光降低粗糙度。為建立

55、電解拋光操作參數，機械所是從電流密度、電壓、通電時間、溫度、流速、電解液配方、比例、添加劑等，來了解其對鈍化抗蝕性的影響，并委托清華大學進行電解拋光試片抗蝕性研究，已實驗完成且有不錯的成果。機械所在電解拋光高度潔凈表面研究方面，則從制程和步驟著手，包括前處理溶液清洗、堿洗除油、酸洗除銹、電解液潔凈和控制、后處理化學清洗，以及在無塵室進行超化學液配方、溫度、操作時間、角度等研究。 電解拋光效益（創(chuàng)造產值）： (1) 為一具備機械、電控、熱流、材料化工高度整合性技術。 (2) 1999年時國內半導體業(yè)者需求與EP有關之閥件、管配件等零組件消耗品總金額為67.5億，其中EP技術產生價值約占22

56、%，總值約為15億。 5 化學機械拋光（Chemical Mechamical Polishing，簡稱CMP） CMP是將工件壓在旋轉之彈性襯墊（研磨墊）上，利用相對運動加工之拋光技術。將具有腐蝕性之加工液供給到工件上，當工件進行腐蝕加工（化學性）時，同時供給超微磨粒（直徑100奈米以下）拋光（機械性）材料，對工件之凸部進行選擇性的拋光操作，故稱機（械）化學拋光或化學機械拋光。 在LSI往微細、高積體化發(fā)展之同時，形成于硅表面之裝置構造也有多層化，其表面凹凸變大之傾向。為了實現多層化裝置之配線的高信賴性、高成功率，在裝置制造之過程中，每一層表面之凹凸必須很平坦化（Planarizati

57、on）。 在硅芯片上所形成內部配線之突出氧化膜部分，利用包含超磨粒拋光材之拋光襯墊進行拋光加工后，便會逐漸平坦。 化學機械研磨（CMP）技術因其擁有全面平坦化（Global Planarization）的優(yōu)勢，因此在近年來成為各大IC相關產業(yè)競相研發(fā)之技術。 傳統的平坦化技術以Spin On Glass（SOG）和Resist Etchback（REB）技術為主但在0.25μm以下IC制程SOG及REB技術并無法達到全面平坦化（Global Planarization）的目標，因此極需尋找新平坦化技術，化學機械研磨技術經由IBM及Intel等公司積極研發(fā)，在近年來已成為全面平坦化的新興技

58、術。它不僅可以達成全面平坦化的目標，同時可增加組件設計的多樣性，如可將銅及鎢納入新組件設計中且可減少乃各IC平坦化技術之比較，由可看出CMP在全面平坦化技術的優(yōu)勢。 說明集成電路不同制程的平坦化能力。以集成電路產品16M（百萬）DRAM的晶方邊長在拾厘米以上，因此理想的平坦化距離也需要拾厘米以上長度，在制程上最早應用的硼磷玻璃回填（BPSG Reflow）平坦化技術，除了高溫限制在金屬化前的使用外，平坦化距離僅能適合數微米長。旋涂玻璃(Spin on Glass)是二層金屬聯機制程最常使用的平坦化技術，其平坦化距離僅及10微米長。以沉積／蝕刻交替及電子回旋電漿（ECR）沈積薄膜非常適合深次微

59、米制程中的填隙，如搭配化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing）則可完全應用在多層聯機的制造，以阻劑填平后蝕刻（Resist Etch Back）的平坦化技術，因沒有涂布玻璃材質的吸水性及有機物揮發(fā)等問題，故為美、日的主要集成電路制造商在高可靠度產品應用的平坦化技術。由于阻劑填平的平坦化間距僅及百微米范圍，及綜合圖(八)的比較，化學機械研磨就成為全面平坦化的最佳選擇。 0.25μm以下制程不可或缺之平坦化設備，化學機械研磨機在中科院主導及相關業(yè)者之協又合作F商品化研磨機已進入市場。以二氧化硅為主要成分的絕緣介質在CMP所使用的研磨劑目前Cabot公司所制造之研

60、磨液系列產品為多數廠商所接受。Cabot公司能占有研磨液，大部份市場乃因其能自行制造之高純度且穩(wěn)定性佳Sio2粉末。同時Cabot公司擁有研磨液所需發(fā)展之技術即研磨粉末制造技術，研磨粉末分散技術及研磨液配方投術。 研磨液乃是用來研磨二氧化硅介電層，BPSG介電層、淺溝隔絕層（Shallow Trench Isolation）及Polysillicon薄膜層之研磨液。研磨液一般包含下列組成SiO2研磨粉末（平均粒徑根據不同配方約在100nm左右），固含量約10~30%，PH值約在9.0~11.0（由KOH或NH4OH調整），以及去離子水約70%。 以介電薄膜研磨所使用之SiO2研磨液為例，在

61、PH值固定時，當研磨液的SiO2研磨粉末之含量或粒徑大小增加時，其研磨速率亦相對增加，然而若其增加比例過高，亦會刮傷薄膜表面。當PH值增加時，研磨速率亦會隨之增加，然而額外之化學反應亦會提高，因而降低研磨薄膜之平坦度。 而CMP技術所使用之研磨墊－PU Pad，大體來說有兩種功能，一是研磨墊之孔隙度可協助研磨液于研磨過程輸送到不同區(qū)域，另一種功能乃是協助將芯片表面之研磨產物移去。研磨墊之機械性質會影響到薄膜表面之平坦度及均勻度，因此控制其結構及機械性質是十分重要的。 研磨墊則是研磨劑外的另一個重要消耗材，由于集成電路制程的目的是平坦化，異于傳統光學玻璃與硅晶圓的拋光作用。平坦化的作用即要將

62、晶圓表面輪廓凸出部份削平，達到全面平坦化。理想的研磨墊是觸及凸出面而不觸及凹面，達到迅速平坦化的效果。就研磨墊的應用言，其材料的化性需求較為單純，一般僅具備耐酸堿，持久穩(wěn)定即可。但在物性條件則相當復雜。Rodel 的研磨墊Suba系列產品為美國Sematech等所評定，適合CMP制程應用。此Suba系列的材質為Polyurethane Impregnated Polyster Felts。上述的PU材料，具多孔性及一定的硬度。研磨墊的壓縮性差異，形成不同的垂直與水平變形，軟性的研磨墊，因變形而容易觸及凹面，形成平坦度較差的現象。Rodel另一系列的IC(品名)產品，具較低壓縮性，較高硬度的研磨

63、墊，可以有效提升平坦度的效果，但其均勻度的控制則變差了。使用IC 1000/Suba IV的組合墊則兼顧了平坦度與均勻度的效果，也就成為今日對氧化硅薄膜在CMP制程的主要研磨墊。穩(wěn)定的制程除了選擇適當的研磨墊外，適當的保養(yǎng)則是必要的過程。在研磨過程中，研磨墊表面材質也會耗損，變形。另外表面堆積的反應物也需妥當的排除。因此在使用中，如無適當的處理，研磨墊表面將呈現快速老化，造成蝕刻率衰退等現象。為了解決研磨墊的老化問題，現代的CMP機臺都具備『研磨墊整理器』，具備與研磨過程同步整理或定時整理的功能。 化學機械研磨制程控制 RR=Kp．P．V 其中RR為蝕刻率，P為晶圓上的施加壓力，而V為

64、相對線性速率。Kp則稱為Preston常數，此簡單的Preston方程式說明蝕刻率與壓力、線性速度成正比關系外，其它物性、化性及機械參數及特性都隱藏在Preston常數內。在良好的機臺參數控制下，一般氧化層膜的制程控制范圍都可適用Preston方程式。典型的例子如圖十所示。由可以看出氧化硅膜的蝕刻率與施加壓力呈正比的線性關系，另外在不同設定的轉速下亦都呈現正比的線性關系，其斜率則隨著轉速而增加。即在固定的施壓下，蝕刻率與平臺轉速的關系。一般實驗結果可以得到線性但非正比關系。 6 制程中電解削銳(Electrolytic In-Process Dressing，簡稱ELID研磨) 電子零件等

65、功能材料之進步是有目共睹的，但對于各種素材零件之加工精度要求則是愈來愈嚴格。其加工技巧之磨料加工技術的研磨、拋光方面，對于高效率、高精度、高品位、超精密、自動化等之期望也很高，滿足其要求的加工技術之一為ELID研磨法。 ELID研磨法為金屬結合砂輪的削銳方法之一，利用電氣化學作用所產生之電解溶出現象，在研磨加工中也可以連續(xù)地進行削銳 (a)為砂輪剛削正后之狀態(tài)。 (b)為在研磨加工之前僅實施削銳操作，利用電解方式，使砂輪之結合劑溶解的狀態(tài)。 (c)為隨著電解之進行，不導電薄膜產生，結合劑之溶解被抑制。 (d)是由于加工之進行，磨料發(fā)生磨耗，不導電薄膜也被剝離之狀態(tài)。 (e)是不導電

66、薄膜變薄，導電性回復，結合劑之溶解再度開始，而露出磨粒。 由于這些作用之反復進行，使砂輪可以保持良好的銳利度。 利用ELID鉆石磨輪研磨直徑300-400mm之硅晶圓，可獲得所期望的表面粗度與平坦度(flatness)其研磨結果則視電流、電壓、磨輪轉速、材質、磨粒粗細、進給率及工作臺轉速而決定。 通常磨輪之磨粒越細，則研制工件之表面粗度越好，然而磨輪表面越容易被切屑(Chip)堵塞而變成不銳利，因此必需定時停機清理削銳，如此一來就造成加工不方便及損失，因此Ohmori提供ELID研磨法，使得在研磨過程中，經常保持磨輪在銳利狀態(tài)，因即可獲得穩(wěn)定又理想之工件表面粗度。 利用AFM(Atomic Force Micro Scope 電子力顯微鏡)、SEM(Scanning Electron Micro Scope 掃描電子顯微鏡)及HRTEM(High Resolution Transmission Electron Micro Scope 高分辨率穿透式電子顯微鏡)在不同加工參數條件下所得到之硅芯片表面狀況之相片。 由于磨輪進給率不同，