CN111216031A - 微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法 - Google Patents

微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法
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。
中国发明专利(CN201210192915.8，一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法)，提出了一种基于剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法：在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。然而，该方法主要利用磨粒或微粉对工件产生的微切削作用来实现工件表面材料的去除，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；且由于磨粒或微粉的硬度远高于工件，极易在工件表面产生划痕缺陷；同时，该方法作为一种通用的曲面抛光方法予以提出，未根据微型轴承的特点，针对性提出适用于微型轴承核心元件抛光的专用装置及方法。
综上所述，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。基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，其受纯机械去除原理限制，加工获得的工件表面质量有限，且易在工件表面产生划痕缺陷，同时缺乏专用装置及方法，无法直接应用于微型轴承核心元件的抛光。
发明内容
针对上述技术难题，本发明提出将化学机械抛光技术与面向复杂曲面的柔性加工技术有机结合，应用于微型轴承核心元件的超精密加工领域，以实现其高表面质量加工。具体来说，将化学机械抛光技术与力流变抛光技术有机结合，发展一种新型的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光技术，该技术的加工原理简述如下：将待抛光的微型轴承核心元件浸没在含有有效化学试剂的且具有力流变效应的抛光液中，通过氧化、络合、缓蚀、吸附等化学反应在抛光工件表面生成一层均匀一致的反应膜。抛光液和抛光工件之间的高速相对运动产生力流变效应，形成的柔性固着磨具接触抛光工件表面微凸峰处的反应膜。由于该反应膜机械强度较基体材料小、与基体结合力低，因此去除时接触压力远低于基体材料的塑性屈服极限，且可以通过调控化学反应来调节反应膜的物化性质，进而调控最小去除厚度。最终，通过优化化学反应和力流变效应机械力的协同作用，实现微型轴承核心元件高表面质量加工。
采用本发明提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光技术，包括抛光装置及方法，可以实现微型轴承核心元件复杂曲面保形加工，在不损害尺寸和形状精度的基础上，可以有效提高微小区域的表面质量；同时，抛光液是水基溶液，比热容大，可以有效抑制加工热的影响，利用化学反应和机械研磨的协同作用，可以实现微型轴承核心元件表面超精密低损伤加工。
本发明提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其中，核心元件基本涵盖了微型轴承所有元件，包括：内套圈、保持架、滚动体、外套圈。
本发明提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置，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。当抛光核心元件内套圈、保持架和滚动体时，首先将元件自转模块竖直连接元件夹持模块，然后将元件自转模块连同与其固定连接的元件夹持模块一起固定在支架上；当抛光核心元件外套圈时，首先将元件自转模块竖直连接外套圈转向模块，然后将外套圈转向模块水平连接元件夹持模块，然后再将元件自转模块连同与其固定连接的外套圈转向模块和元件夹持模块一起固定在支架上。
进一步的，所述元件自转模块包括自转电机、自转电机固定板、固定板锁紧环、自转传动轴、外套圈自转传动轴。首先将固定板锁紧环安装在自转电机固定板底部，然后将固定板锁紧环连同与其固定连接的自转电机固定板一起固定在支架上。自转电机安装在自转电机固定板上，并通过螺钉固定连接。当抛光核心元件内套圈、保持架和滚动体时，使用自转传动轴。自转传动轴两端均为中空结构，其中一端与自转电机的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，另一端与内套圈夹具上部(或者保持架夹具上部、滚动体夹具上部)一端的凸台形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。当抛光核心元件外套圈时，将自转传动轴更换成外套圈自转传动轴。外套圈自转传动轴的一端为中空结构，与自转电机的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，另一端为细轴结构，与外套圈转向模块中的中空结构的锥齿轮I形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。
进一步的，所述自转电机固定板上设有细孔槽、粗孔槽。固定自转电机的螺钉穿过细孔槽，可在细孔槽内沿水平方向一维移动。自转电机的轴穿过粗孔槽，可在粗孔槽内沿水平方向一维移动。通过来回移动自转电机，调节自转电机的轴与抛光液池边缘的水平距离，达到所需的水平距离后，通过螺钉固定住自转电机。
进一步的，所述外套圈转向模块包括外套圈转向轴、锥齿轮I、锥齿轮II、转向轴轴承、外套圈转向支架、转向轴轴承端盖、锥齿轮挡板。锥齿轮I为中空结构。锥齿轮I与锥齿轮II配合，改变外套圈转动方向，以便柔性化学机械抛光液可以顺利进入外套圈内部，抛光外套圈的内滚道。锥齿轮II为中空结构，与外套圈转向轴的一端形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。外套圈转向轴的另一端中间安装转向轴轴承，并通过转向轴轴承整体固定安装在外套圈转向支架上。外套圈转向支架上安装转向轴轴承端盖和锥齿轮挡板。
进一步的，所述元件夹持模块包括内套圈夹具、保持架夹具、滚动体夹具、外套圈夹具。内套圈夹具包括内套圈夹具上部、内套圈夹具下部。内套圈夹具上部两端均设有凸台。内套圈夹具上部一端的凸台与中空结构的自转传动轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。内套圈夹具上部另一端的凸台和内套圈夹具下部一端的凸台配合，将内套圈夹持在内套圈夹具上部和内套圈夹具下部之间，螺钉穿过内套圈夹具下部的通孔，拧入内套圈夹具上部的螺纹孔，将内套圈夹持固定。保持架夹具包括保持架夹具上部、保持架夹具下部，其结构和使用方法与内套圈夹具相同。外套圈夹具包括外套圈夹具上部、外套圈夹具下部。外套圈夹具上部一端设有中空结构的轴，与外套圈转向轴一端形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。外套圈夹具上部另一端设有三根支撑杆的爪形夹具。外套圈夹具下部为环形夹具。外套圈一侧端面紧靠外套圈夹具上部的支撑杆，另一侧端面紧靠外套圈夹具下部，螺钉穿过外套圈夹具下部的通孔，拧入支撑杆的螺纹孔，将外套圈夹持固定。
进一步的，所述滚动体夹具包括滚动体夹具上部、套筒、滚动体保持架、滚动体夹具下部。滚动体夹具上部一端设有凸台，与中空结构的自传传动轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。套筒的作用是在竖直方向上给滚动体提供足够的运动空间，在柔性化学机械抛光液的作用下，实现各个点材料均匀去除。夹持滚动体时，滚动体放置于滚动体保持架边缘的孔中，从上至下依次安装滚动体夹具上部、套筒、滚动体保持架、套筒、滚动体夹具下部，螺钉依次穿过滚动体夹具下部、套筒、滚动体保持架、套筒等部件的通孔，拧入滚动体夹具上部的螺纹孔，将滚动体夹持。
进一步的，上述抛光液池旋转模块包括抛光液池和抛光液池驱动控制装置，抛光液池驱动控制装置固定安装在支架上，抛光液池通过销孔固定安装在抛光液池驱动控制装置上。
进一步的，采用本发明提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置进行抛光，其抛光方法包括如下步骤：
S1、将待抛光元件夹持在元件夹持模块上，依次在支架上安装抛光液池旋转模块、元件自转模块(包括外套圈转向模块)和元件夹持模块，调试确认工作正常。
S2、配制柔性化学机械抛光液，搅拌均匀，将搅拌好的抛光液倒入抛光液池中。
S3、设置抛光工艺参数，包括环境温度、环境湿度、抛光液池的转速、自转电机的转速、抛光时间等，开始抛光。
S4、抛光结束后，取下元件，测量抛光后的表面质量。如未达到要求，继续S3，直至达到要求。
进一步的，所述柔性化学机械抛光液，其主要成分包括：具有力流变效应的非牛顿流体和具有氧化、络合、缓蚀、吸附等化学作用的化学机械抛光液，pH值2.0-10.0。
进一步的，所述具有力流变效应的非牛顿流体包括但不限于二氧化硅溶液、碳酸钙溶液、聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液、聚乙二醇溶液、多羟基聚合物溶液、丙三醇溶液等。
进一步的，所述具有氧化、络合、缓蚀、吸附等化学作用的化学机械抛光液包括：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。
进一步的，所述研磨颗粒为选自单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、煅制二氧化硅和胶体二氧化硅中的至少一种。
进一步的，所述氧化剂为选自高碘酸盐、碘酸盐、高氯酸盐、过硫酸盐和过氧化氢中的至少一种。
进一步的，所述金属络合剂选自胺、氨基酸和有机酸中的至少一种。
进一步的，所述金属缓蚀剂为选自含氮杂环衍生物、含硫杂环衍生物和同时含有氮、硫的杂环衍生物中的至少一种。
进一步的，所述pH值调节剂为选自硝酸、硫酸、盐酸、磷酸、醋酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵、碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾和碳酸氢钾中的至少一种。
本发明提出的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，具有如下有益效果：
1、超精密低损伤加工：针对现有微型轴承核心元件表面研/珩磨终加工技术受强制机械刻划机理限制，表面质量难以进一步提高的难题，本发明提出将化学机械抛光技术与力流变抛光技术有机结合，通过氧化、络合、缓蚀、吸附等化学反应在抛光元件表面生成一层均匀一致的反应膜，该反应膜机械强度较基体材料小、与基体结合力低，因此去除时接触压力远低于基体材料的塑性屈服极限，且可以通过调控化学反应来调节反应膜的物化性质，进而调控最小去除厚度，通过优化化学反应和力流变效应机械力的协同作用，实现核心元件表面超精密低损伤加工。
2、复杂曲面保形加工：针对现有化学机械抛光技术仅适用于平面件超精密加工的难题，本发明提出将化学机械抛光技术与力流变抛光技术有机结合，力流变抛光液的力流变特性既保证其形成的柔性固着磨具能够适应不同曲率的复杂曲面，又保证其具有足够的机械力对表面微凸峰处的反应膜进行去除，从而实现核心元件复杂曲面保形加工。
3、绿色环保：本发明中使用的柔性化学机械抛光液，主要成分非牛顿流体通常使用多羟基聚合物溶液，成本低廉且不会污染环境；主要成分化学机械抛光液通常使用环境友好型化学试剂，不会污染环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1为本发明外套圈超精密柔性化学机械抛光装置的装配图；
图2为本发明外套圈超精密柔性化学机械抛光装置的俯视装配图；
图3为本发明抛光液池旋转模块细节图；
图4为本发明抛光外套圈所用元件自转模块的细节图；
图5为本发明抛光外套圈所用外套圈转向模块的细节图；
图6为本发明抛光外套圈所用元件自转模块与外套圈转向模块的装配图；
图7为本发明抛光外套圈所用元件夹持模块的细节图；
图8为本发明保持架超精密柔性化学机械抛光装置的装配图；
图9为本发明抛光内套圈、滚动体、保持架所用元件自转模块的细节图；
图10为本发明抛光保持架所用元件夹持模块的细节图；
图11为本发明滚动体超精密柔性化学机械抛光装置的装配图；
图12为本发明抛光滚动体所用元件夹持模块的细节图；
图13为本发明内套圈超精密柔性化学机械抛光装置的装配图；
图14为本发明抛光内套圈所用元件夹持模块的细节图；
图15为本发明内套圈抛光前后的试验结果对比图，其中左图为抛光前，右图为抛光后；
图16为本发明内套圈抛光后的三维形貌测量试验结果对比图；
图17为本发明圆锥滚子抛光后的三维形貌测量试验结果对比图。
附图标记说明：1-元件自转模块；11-自转电机；12-自转电机固定板；13-固定板锁紧环；14-自转传动轴；15-外套圈自转传动轴；2-外套圈转向模块；21-外套圈转向轴；221-锥齿轮I；222-锥齿轮II；23-转向轴轴承；24-外套圈转向支架；25-转向轴轴承端盖；26-锥齿轮挡板；3-元件夹持模块；311-外套圈夹具上部；311.1-支撑杆；312-外套圈夹具下部；313-外套圈；321-保持架夹具上部；322-保持架夹具下部；323-保持架；331-滚动体夹具上部；332-套筒；333-滚动体保持架；334-滚动体夹具下部；335-滚动体；341-内套圈夹具上部；342-内套圈夹具下部；343-内套圈；4-抛光液池旋转模块；41-抛光液池驱动控制装置；42-抛光液池；5-支架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一、外套圈超精密柔性化学机械抛光装置
如图1和图2所示，将元件自转模块1竖直连接外套圈转向模块2，然后将外套圈转向模块2水平连接元件夹持模块3(即外套圈夹具)，然后再将元件自转模块1连同与其固定连接的外套圈转向模块2和外套圈夹具一起固定在支架5上。
如图3所示，抛光液池旋转模块4包括抛光液池42和抛光液池驱动控制装置41，抛光液池驱动控制装置41固定安装在支架5上，抛光液池42通过销孔固定安装在抛光液池驱动控制装置41上。
如图4所示，元件自转模块1包括自转电机11、自转电机固定板12、固定板锁紧环13、外套圈自转传动轴15。首先将固定板锁紧环13安装在自转电机固定板12底部，然后将固定板锁紧环13连同与其固定连接的自转电机固定板12一起固定在支架5上。自转电机11安装在自转电机固定板12上，并通过螺钉固定连接。外套圈自转传动轴15的一端为中空结构，与自转电机11的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，另一端为细轴结构，与外套圈转向模块2中的中空结构的锥齿轮I 221形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。
如图4所示，自转电机固定板12上设有细孔槽、粗孔槽。固定自转电机11的螺钉穿过细孔槽，可在细孔槽内沿水平方向一维移动。自转电机11的轴穿过粗孔槽，可在粗孔槽内沿水平方向一维移动。通过来回移动自转电机11，调节自转电机11的轴与抛光液池42边缘的水平距离，达到所需的水平距离后，通过螺钉固定住自转电机11。
如图5和图6所示，外套圈转向模块2包括外套圈转向轴21、锥齿轮I 221、锥齿轮II222、转向轴轴承23、外套圈转向支架24、转向轴轴承端盖25、锥齿轮挡板26。锥齿轮I 221为中空结构。锥齿轮I 221与锥齿轮II 222配合，改变外套圈313转动方向，以便柔性化学机械抛光液可以顺利进入外套圈313内部，抛光外套圈313的内滚道。锥齿轮II 222为中空结构，与外套圈转向轴21的一端形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。外套圈转向轴21的另一端中间安装转向轴轴承23，并通过转向轴轴承23整体固定安装在外套圈转向支架24上。外套圈转向支架24上安装转向轴轴承端盖25，以避免柔性化学机械抛光液进入转向轴轴承23，造成转向轴轴承23失效。同时，外套圈转向支架24上安装锥齿轮挡板26，以避免柔性化学机械抛光液进入锥齿轮I 221和锥齿轮II 222之间的间隙，影响传动精度。
如图7所示，外套圈夹具包括为外套圈夹具上部311、外套圈夹具下部312。外套圈夹具上部311一端设有中空结构的轴，与外套圈转向轴21一端形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。外套圈夹具上部311另一端设有三根支撑杆311.1的爪形夹具。外套圈夹具下部312为环形夹具。外套圈313一侧端面紧靠外套圈夹具上部311的支撑杆311.1，另一侧端面紧靠外套圈夹具下部312，螺钉穿过外套圈夹具下部312的通孔，拧入支撑杆311.1的螺纹孔，将外套圈313夹持固定。
实施例二、保持架超精密柔性化学机械抛光装置
如图8所示，将元件自转模块1竖直连接元件夹持模块3(即保持架夹具)，然后将元件自转模块1连同与其固定连接的保持架夹具一起固定在支架5上。
如图3所示，抛光液池旋转模块4包括抛光液池42和抛光液池驱动控制装置41，抛光液池驱动控制装置41固定安装在支架5上，抛光液池42通过销孔固定安装在抛光液池驱动控制装置41上。
如图9所示，元件自转模块1包括自转电机11、自转电机固定板12、固定板锁紧环13、自转传动轴14。首先将固定板锁紧环13安装在自转电机固定板12底部，然后将固定板锁紧环13连同与其固定连接的自转电机固定板12一起固定在支架5上。自转电机11安装在自转电机固定板12上，并通过螺钉固定连接。自转传动轴14两端均为中空结构，其中一端与自转电机11的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，另一端与保持架夹具上部321一端的凸台形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。
如图4所示，自转电机固定板12上设有细孔槽、粗孔槽。固定自转电机11的螺钉穿过细孔槽，可在细孔槽内沿水平方向一维移动。自转电机11的轴穿过粗孔槽，可在粗孔槽内沿水平方向一维移动。通过来回移动自转电机11，调节自转电机11的轴与抛光液池42边缘的水平距离，达到所需的水平距离后，通过螺钉固定住自转电机11。
如图10所示，保持架夹具包括保持架夹具上部321、保持架夹具下部322。保持架夹具上部321两端均设有凸台。保持架夹具上部321一端的凸台与中空结构的自转传动轴14形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。保持架夹具上部321另一端的凸台和保持架夹具下部322一端的凸台配合，将保持架323夹持在保持架夹具上部321和保持架夹具下部322之间，螺钉穿过保持架夹具下部322的通孔，拧入保持架夹具上部321的螺纹孔，将保持架323夹持固定。
实施例三、滚动体超精密柔性化学机械抛光装置
实施例三所用装置与实施例二相比，除了元件夹持模块3不同，其他模块均相同。如图11和图12所示，滚动体夹具包括滚动体夹具上部331、套筒332、滚动体保持架333、滚动体夹具下部334。滚动体夹具上部331一端设有凸台，与中空结构的自传传动轴14形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。套筒332的作用是在竖直方向上给滚动体335提供足够的运动空间，在柔性化学机械抛光液的作用下，实现各个点材料均匀去除。夹持滚动体335时，滚动体放置于滚动体保持架333边缘的孔中，从上至下依次安装滚动体夹具上部331、套筒332、滚动体保持架333、套筒332、滚动体夹具下部334，螺钉依次穿过滚动体夹具下部334、套筒332、滚动体保持架333、套筒332等部件的通孔，拧入滚动体夹具上部331的螺纹孔，将滚动体335夹持。
实施例四：内套圈超精密柔性化学机械抛光装置
实施例四所用装置与实施例二相比，除了元件夹持模块3不同，其他模块均相同。如图13和图14所示，内套圈夹具包括内套圈夹具上部341、内套圈夹具下部342。内套圈夹具上部341两端均设有凸台。内套圈夹具上部341一端的凸台与中空结构的自转传动轴14形成过渡配合，并通过螺钉固定连接。内套圈夹具上部341另一端的凸台和内套圈夹具下部342一端的凸台配合，将内套圈343夹持在内套圈夹具上部341和内套圈夹具下部342之间，螺钉穿过内套圈夹具下部342的通孔，拧入内套圈夹具上部341的螺纹孔，将内套圈343夹持固定。
实施例五：内套圈超精密柔性化学机械抛光方法
采用实施例四中的内套圈超精密柔性化学机械抛光装置，按照以下步骤进行抛光：
S1、将内套圈343夹持在元件夹持模块3(即内套圈夹具)上。依次在支架5上安装抛光液池旋转模块4、元件自转模块1和内套圈夹具，调试确认工作正常。
S2、配制柔性化学机械抛光液，搅拌均匀，将搅拌好的抛光液倒入抛光液池42中。其中，抛光液组分为：52.4wt％多羟基聚合物，10wt％胶体二氧化硅，剩余为去离子水，pH值约为6.0。
S3、设置好抛光工艺参数，其中，环境温度22℃-23℃，环境湿度低于50％，抛光液池42的直径400mm，抛光液池42的转速85-90rpm，自转电机11的转速40-50rpm，单次抛光时间10-20min，间隔休息时间4-6min，开始抛光。
S4、抛光结束后，取下内套圈343，采用白光干涉三维形貌仪测量抛光后的表面质量。
试验结果如图15所示，左图为抛光前的原件效果图，右图为抛光后的元件效果图，相对于抛光前，抛光后的表面质量明显变好。检测元件的表面粗糙度，结果如图16所示，其中左图为内套圈343大径处，内套圈343大径处的表面粗糙度Ra为11.8nm，右图为内套圈343小径处，内套圈343小径处的表面粗糙度Ra为11.0nm。
实施例六：圆锥滚子超精密柔性化学机械抛光方法
实施例六为本发明的延伸和拓展，进一步说明超精密柔性化学机械抛光装置及方法在轴承核心元件超精密加工领域具有更为广阔的应用前景。
在原有抛光装置基础上，根据圆锥滚子352的特点，优化设计圆锥滚子夹具351，同时重新配制柔性化学机械抛光液，对圆锥滚子352进行抛光。其中，新的抛光液组分为：52.4wt％多羟基聚合物，10wt％胶体二氧化硅，0.1wt％过氧化氢，1wt％TiSol-NH4作为络合剂，剩余为去离子水，pH值约为6.0。检测元件的抛光效果和粗糙度，试验结果如图17所示，左图为抛光30min后的效果图，表面粗糙度Ra为15.4nm；右图为抛光150min后的效果图，表面粗糙度Ra为7.6nm。本实施例充分说明了超精密柔性化学机械抛光技术的可行性和延拓性。
本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：包括抛光装置及采用该装置进行抛光的方法，其中，核心元件包括内套圈(343)、保持架(323)、滚动体(335)、外套圈(313)，所述抛光装置包括元件自转模块(1)、外套圈转向模块(2)、元件夹持模块(3)、抛光液池旋转模块(4)、支架(5)；当抛光核心元件内套圈(343)、保持架(323)和滚动体(335)时，首先将元件自转模块(1)竖直连接元件夹持模块(3)，然后将元件自转模块(1)连同与其固定连接的元件夹持模块(3)一起固定在支架(5)上；当抛光核心元件外套圈(313)时，首先将元件自转模块(1)竖直连接外套圈转向模块(2)，然后将外套圈转向模块(2)水平连接元件夹持模块(3)，然后再将元件自转模块(1)连同与其固定连接的外套圈转向模块(2)和元件夹持模块(3)一起固定在支架(5)上。
2.根据权利要求1所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述元件自转模块(1)包括自转电机(11)、自转电机固定板(12)、固定板锁紧环(13)、自转传动轴(14)、外套圈自转传动轴(15)，首先将固定板锁紧环(13)安装在自转电机固定板(12)底部，然后将固定板锁紧环(13)连同与其固定连接的自转电机固定板(12)一起固定在支架(5)上，自转电机(11)安装在自转电机固定板(12)上，并通过螺钉固定连接，当抛光核心元件内套圈(343)、保持架(323)和滚动体(335)时，使用自转传动轴(14)，自转传动轴(14)两端均为中空结构，自转传动轴(14)一端与自转电机(11)的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，自转传动轴(14)另一端与内套圈夹具上部(341)、保持架夹具上部(321)或滚动体夹具上部(331)的一端的凸台形成过渡配合，并通过螺钉固定连接；当抛光核心元件外套圈(313)时，将自转传动轴(14)更换成外套圈自转传动轴(15)，外套圈自转传动轴(15)的一端为中空结构，与自转电机(11)的轴形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，外套圈自转传动轴(15)的另一端为细轴结构。
3.根据权利要求2所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述自转电机固定板(12)上设有细孔槽、粗孔槽，固定自转电机(11)的螺钉穿过细孔槽，可在细孔槽内沿水平方向一维移动，自转电机(11)的轴穿过粗孔槽，可在粗孔槽内沿水平方向一维移动，通过来回移动自转电机(11)，调节自转电机(11)的轴与抛光液池旋转模块(4)边缘的水平距离，达到所需的水平距离后，通过螺钉固定住自转电机(11)。
4.根据权利要求1所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述外套圈转向模块(2)包括外套圈转向轴(21)、锥齿轮I(221)、锥齿轮II(222)、转向轴轴承(23)、外套圈转向支架(24)、转向轴轴承端盖(25)、锥齿轮挡板(26)，锥齿轮I(221)为中空结构，锥齿轮I(221)与锥齿轮II(222)配合，改变外套圈(313)转动方向，以便柔性化学机械抛光液可以顺利进入外套圈(313)内部，抛光外套圈(313)的内滚道，锥齿轮II(222)为中空结构，与外套圈转向轴(21)的一端的细轴结构形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，外套圈转向轴(21)的另一端中间安装转向轴轴承(23)，并通过转向轴轴承(23)整体固定安装在外套圈转向支架(24)上，外套圈转向支架(24)上安装转向轴轴承端盖(25)和锥齿轮挡板(26)。
5.根据权利要求2所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述元件夹持模块(3)包括内套圈夹具、保持架夹具、滚动体夹具以及外套圈夹具，所述内套圈夹具包括内套圈夹具上部(341)、内套圈夹具下部(342)，内套圈夹具上部(341)两端均设有凸台，内套圈夹具上部(341)一端的凸台与中空结构的自转传动轴(14)形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，内套圈夹具上部(341)另一端的凸台和内套圈夹具下部(342)一端的凸台配合，将内套圈(343)夹持在内套圈夹具上部(341)和内套圈夹具下部(342)之间，螺钉穿过内套圈夹具下部(342)的通孔，拧入内套圈夹具上部(341)的螺纹孔，将内套圈(343)夹持固定，保持架夹具包括保持架夹具上部(321)、保持架夹具下部(322)，其结构和使用方法与内套圈夹具相同，外套圈夹具包括为外套圈夹具上部(311)、外套圈夹具下部(312)，外套圈夹具上部(311)一端设有中空结构的轴，与外套圈转向轴(21)一端形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，外套圈夹具上部(311)另一端设有三根支撑杆(311.1)的爪形夹具，外套圈夹具下部(312)为环形夹具，外套圈(313)一侧端面紧靠外套圈夹具上部(311)的支撑杆(311.1)，另一侧端面紧靠外套圈夹具下部(312)，螺钉穿过外套圈夹具下部(312)的通孔，拧入支撑杆(311.1)的螺纹孔，将外套圈(313)夹持固定。
6.根据权利要求5所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述滚动体夹具包括滚动体夹具上部(331)、套筒(332)、滚动体保持架(333)、滚动体夹具下部(334)，滚动体夹具上部(331)一端设有凸台，与中空结构的自转传动轴(14)形成过渡配合，并通过螺钉固定连接，套筒(332)的作用是在竖直方向上给滚动体(335)提供足够的运动空间，在柔性化学机械抛光液的作用下，实现各个点材料均匀去除，夹持滚动体(335)时，滚动体(335)放置于滚动体保持架(333)边缘的孔中，从上至下依次安装滚动体夹具上部(331)、套筒(332)、滚动体保持架(333)、套筒(332)、滚动体夹具下部(334)，螺钉依次穿过滚动体夹具下部(334)、套筒(332)、滚动体保持架(333)、套筒(332)等部件的通孔，拧入滚动体夹具上部(331)的螺纹孔，将滚动体(335)夹持。
7.根据权利要求2所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于：所述抛光液池旋转模块(4)包括抛光液池(42)和抛光液池驱动控制装置(41)，抛光液池驱动控制装置(41)固定安装在支架(5)上，抛光液池(42)通过销孔固定安装在抛光液池驱动控制装置(41)上。
8.根据权利要求7所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于，所述抛光方法包括以下步骤：
S1、将待抛光元件夹持在元件夹持模块(3)上，依次在支架(5)上安装抛光液池旋转模块(4)、元件自转模块(1)(包括外套圈转向模块(2))和元件夹持模块(3)，调试确认工作正常；
S2、配制柔性化学机械抛光液，搅拌均匀，将搅拌好的抛光液倒入抛光液池(42)中；
S3、设置抛光工艺参数，包括环境温度、环境湿度、抛光液池(42)的转速、自转电机(11)的转速、抛光时间等，开始抛光；
S4、抛光结束后，取下元件，测量抛光后的表面质量，如未达到要求，继续S3，直至达到要求。
9.根据权利要求8所述的微型轴承核心元件超精密柔性化学机械抛光装置及方法，其特征在于，所述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。
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