隨著科技的進步,無論對一般的消費性產品、實驗或生產用的儀器與設備,其中

的光學、電子或機械元件之製造精度均需不斷的提高,以提昇產品的性能。而在步入

二十一世紀之際,高、超精度元件的應用範疇愈趨廣泛,使得具製造奈米

(nanometer, 10-6 mm)級精度之元件的加工技術,或將成為產業競爭的有力利器及國

家製造能力的重要指標。因此,發展一種可配合國內產業的特質,以及由目前的技術

能力可快速導入的奈米加工技術,應是值得研究的課題。 本研究室研究方向便在發

展一套低成本,可應用於高、超精密加工的拋光方法以及相關設備。

 

 超精密拋光技術

本研發技術在於應用拋光法加工出高精度(優於0.1 m)、高光滑度(優於10 nm)、與低表面破壞層之工件。其技術內涵主要包括兩個部分:(一)建立具有高加工重現性的拋光系統,(二)開發可移除工件上任意形狀誤差的拋光方法。

 

本技術乃採用形狀誤差補償之策略來獲得高精度之工件。如下圖所示,經前道加工後,工件表面的形狀(profile)與所希望獲得的形狀間存在形狀誤差(form error)(如斜線部分);而所謂的形狀誤差補償即是透過一加工過程將該誤差移除。假若該誤差能被精確的移除,工件之形狀精度便得以明顯的提昇。
以拋光法進行形狀誤差補償具有以下三個優點。其一,該加工系統僅需X-Y軸的定位系統,而無須精密的Z軸定位系統;而由此衍生的加工特色與優點是:該加工系統獲致的工件精度可遠高於加工系統本身的精度。其二,拋光加工時,工件與軟性刀具之間的相對振動絕大部分由刀具吸收,並不會直接造成形狀誤差;因此,加工機本身無須極高的結構剛性,且加工環境無須特殊的隔振設備。其三,由於該加工系統無須精密的Z軸定位系統與結構剛性,以及無須特殊的隔振加工環境,因此,其設備成本低廉。
然而,為了能精確地實現形狀誤差補償,其拋光系統需克服以下兩個問題。第一,所採用之拋光方法必須能控制其加工行為的隨機性本質,以提高加工率的重現性,否則將難以達成精確移除誤差尺寸的目標。第二,所採行的拋光方法必須能夠移除任意之誤差量分布的形狀誤差;此乃因工件上不同位置所需移除之誤差量可以為任意的分布。
基於此,本技術將採用精密加工實驗室所研發之液動壓拋光法作為加工之方法,其拋光系統如下圖所示。該系統包括一半圓形之軟性刀具,以及一浸泡於磨漿之工件。當加工時,刀具以高速旋轉並以一定之負荷壓住工件。由於彈液動壓效應,刀具會以非接觸或半接觸的方式浮起於工件之上,並促使磨漿以層流(laminar flow)的方式通過刀具與工件之間。由統計的角度觀之,在刀具不規則之表面(surface irregularities)或層流中剪力場的驅動下,磨粒會以特定的密度分布於工件與刀具間,並承受一定的負荷。因此,假若能適當地控制刀具與工件之間的流場,其加工率以及其它之加工行為將擁有高的重現性。
而由潤滑理論得之,若能控制刀具之轉速、負荷、材料特性、幾何特性以及磨漿黏性等條件,刀具與工件間之流場即可被精確的掌握。而上列之條件在實作上並不難實現,因而高加工重現性的拋光行為亦可獲得。由實驗室過去的實驗結果顯示,在適當之加工條件與刀具製作的控制下,液動壓拋光法的加工率可以控制在5%的誤差內。
此外,本技術將採用精密加工實驗室所研發之誤差補償策略來移除任意之形狀誤差。該策略乃採透過控制拋光刀具在工件上不同位置停留適當的時間,來實現精確移除任意誤差的目標。而其時間分布的設計是根據所量測的形狀誤差,再結合拋光加工率的設定,經由最佳化分析而獲得。其設計之方法可同時適用於軸對稱與非軸對稱誤差之工件。由實驗室過去之理論研究與實作顯示,除了在工件之邊界附近,利用液動壓拋光法與所設計之形狀誤差補償策略,可輕易獲得精度優於0.1 m的加工精度。
至於高光滑度與低表面破壞層的表面則可於拋光過程中自然獲得。根據拋光的加工機制,當磨粒的尺寸小於一定的尺寸時,其拋光過程自會獲得低的表面粗度,並在不形成新的破壞層情形下將工件上原有之破壞層移除,而提高工件之完整性(surface integrity)。因此,僅須在形狀誤差補償的策略中考慮液動壓拋光法之拋光移除效率,即可獲得高精度、高光滑度與低表面破壞層之工件表面。
整體而言,本技術的特色在於利用低成本的拋光方法來獲得高、超精度的工件表面。而技術成功的關鍵在於能夠實現高重現性的拋光行為以及移除任意誤差的拋光策略。

 

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