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       摘 要
       随着半导体制造，光学制造等领域的飞速发展，对晶圆，光学窗口等零件的需求逐渐增大，双面研磨工艺作为平面高 效高精度加工工艺，被广泛应用于相关零件的制造。双面研磨技术及装备的研究在近二十年来得到了飞速的发展，国内外相 关学者从理论层面对双面研磨的工艺过程进行分析，探索材料去除机理，分析工件加工过程中表面的压力分布，建立工件与 研磨盘的相对运动速度模型；根据提出的理论模型对双面研磨工艺进行优化，实现对不同材料的精密加工；根据理论模型和 工艺优化的结果，对双面研磨装备进行优化，实现更高精度和稳定性的加工。调研了目前国内外双面研磨装备，从机床功能， 加工精度及稳定性等方面分析了目前国内与国外装备的差距，为后续国内双面研磨装备的改进提供了参考。此外，就双面研 磨技术及装备的发展方向进行了展望，提出了在未来向智能化发展的思路。

       引言

       随着光学、微电子、通讯领域的高速发展，对 于构件的要求逐渐提升，针对光学窗口，晶圆，手 机屏幕等核心关键部件的需求也随之增多，而对于工件的平面度、平行度、表面粗糙度及表面/亚表 面损伤等要求也越来越高，双面研磨工艺由于其加 工后具有较好的表面质量广泛应用于光学元件加 工，集成电路制造等相关产业。

       研磨技术的历史悠久，可以追溯至 18 世纪 30 年代，广泛应用于钟表、自行车、缝纫机和枪械等 零件，随之近代工业的发展，到 1920 年前后，出现 了双面研磨机床用来加工两平行平面，20 世纪 70年代末，采用微处理机的数字控制和适应控制等技 术在机床上得到了广泛的应用，使得双面研磨技术 应用成本效率以得到了很大的改善，从而其得到广 泛推广应用。 

       双面研磨工艺来源于单面研磨抛光工艺，均是 实现平面零件高校高精度加工的工艺。其材料去除 与方式与单面研磨工艺相近，即通过磨粒在工件表 面的划擦实现材料的去除；工件与研磨盘的相对运 动轨迹极其相似。双面研磨加工与单面研磨加工也 存在差异，加工过程中，工件无需装夹，仅需将工 件放置在游星轮内，由上盘提供研磨压力，工件在 上下盘间做行星运动。

        双面研磨工艺如图 1 所示，上下研磨盘反向转 动，工件在上下研磨盘之间，在游星轮的带动下， 随游星轮做公转和自转运动，游星轮在与齿圈和太 阳轮齿轮的啮合作用下，做自转和围绕太阳轮中心 的公转运动。加工过程中，上盘浮动，并提供压力， 其最大压力为其自身重力，在压力与相对运动的作 用下工件表面材料被去除。

        虽然单面的研磨工艺能获得较好的平面度和表面质量，然而其加工过程中，需要在工件上 施加压力，目前往往采用石蜡粘接的方式，在工 件背部加压，然而随着对工件精度要求的提升， 单面加工的平行度以及加工后工件的变形无法满 足加工要求。相比于单面研磨加工，双面研磨工 艺具有以下优势：1) 双面同时加工，其加工效率 提升一倍，加工过程中，常采用多个工件同时加 工，且加工后的一致性较好 ；2) 上下两个面同 时加工，无需装夹，能够保证加工后两个面较好 的平行度；3) 针对刚性较差的工件，双面加工可 以减小应力释放导致的工件的变形，而且加工中 无需使用夹具装夹，使得工件自由状态下去除材 料，防止了加工过程中的装夹变形，上下表面同 时引入加工应力，减小加工应力造成工件的变形 如图 2 所示。因此，双面研磨比单面研磨更 适合应用于大批量加工平面零件。双面研磨根据磨粒种类的不同可以分为固结磨料双面研磨和游 离磨料双面研磨，固结磨料双面研磨中，采用 固结磨料研磨盘，将金刚石磨粒烧结在研磨盘上， 加工过程中需加入水，起到冷却和清洗的作用。由于其磨粒分布均匀，因此具有材料去除 率稳定，亚表面损伤少等优点。游离磨料双 面研磨采用铸铁盘配合氧化铝，碳化硅，金刚石 等游离磨料进行加工，由于铸铁盘刚性好，面形 易保持，所以加工后较容易获得较好的面形精度， 通过采用不同粒径不同浓度的磨料进行加工，能 够实现较高的材料去除率。

       目前双面研磨工艺的研究进展如图 3 所示，主 要是从脆塑性的材料去除机理开展研究，针对蓝宝 石、光学玻璃、碳化硅、单晶硅等材料，分别 研究其在固结磨料和游离磨料双面研磨的方式下工 件表面材料的去除机理。针对工件在双面研磨中的 运动，建立运动学模型，计算工件与研磨盘的相对 运动速度及轨迹，实现对工件表面材料去除均匀性 的优化。根据理论模型及不同的材料属性，对双面 研磨的工艺参数开展优化研究。针对目前双面研磨机床存在的问题，展开优化设计，针对压力加载方 式，速比选择，控制系统设计等方面开展研究。此外，近年来，双面研磨工艺也被应用于弱刚性构 件的加工，在加工过程中，由于双面同时去除材料， 使得工件内部残余应力对称释放，上下两个面的加 工应力引入情况一致，从而减小了工件加工过程中 应力引起的变形。然而，弱刚性构件的材料普遍为 塑性金属材料，而针对此类材料的加工主要存在两 个问题：1) 采用游离磨粒研磨时，工件表面嵌入严 重；2) 采用固结磨料研磨，研磨盘堵塞严重。因此， 相关学者针对塑性金属材料的双面研磨工艺进行了探索。

       针对双面研磨工艺研究，日本金泽大学的 HASHIMOTO 团队建立了双面研磨过程中工件的 力学模型，计算了工件的材料去除及工件的运动 情况；韩国汉阳大学 KIM 团队采用游离磨料和固 结磨料研磨垫双面研磨加工蓝宝石，石英玻璃等 硬脆晶体材料，分析其材料去除机理，并对相关 工艺进行优化。国内相关研究团队也针对双面研 磨工艺开展了大量研究，华侨大学徐西鹏教授团 队采用固结磨料双面研磨工艺加工蓝宝石工件， 探究其材料去除机理及材料去除均匀性，并对加 工过程中研磨盘的磨损进行研究；广东工业大学 闫秋生教授团队针对钛酸钡等软脆晶体的双面研 磨工艺开展研究。中国有色金属研究院研究团队 针对集成电路中使用的单晶硅晶圆的双面研磨工 艺开展研究，实现表面材料均匀去除。大连理工 大学康仁科教授团队对蓝宝石双面研磨工艺开展 研究，并开发针对蓝宝石材料的双面研磨机床， 此外，创造性地提出采用固结磨料双面研磨工艺 加工纯铜弱刚性构件，并探究了工件表面凹凸面 形的形成机理及平行度演化趋势，实现了对弱刚 性构件的高精度加工。浙江工业大学袁巨龙教授 团队针对硬脆材料双面研磨加工的材料去除机理 进行研究，并将双面研磨工艺推广到轴承中圆柱 滚子的加工。近年来，国内外针对双面研磨技术 的研究日趋完善，其加工工艺中的科学问题大部 分得到了解决，但是目前双面研磨技术的发展仍 受到一定制约，因此，需要对双面研磨技术的研 究工作进行总结，对制约技术发展的问题进行梳 理，对技术未来的发展方向进行展望。鉴于此， 需要通过总结近 20 年来国内外各研究团队在双 面研磨领域的研究工作，综述双面研磨理论、工 艺及装备等方面的相关研究，系统性地揭示了双 面研磨技术的研究现状与面临的挑战，并通过分 析展望双面研磨技术的未来发展方向与趋势。

       本文以双面研磨工艺为主要研究内容，阐述、 分析并展望了目前双面研磨装备与工艺技术，包括材料去除机理，双面研磨过程中的理论模型， 双面研磨工艺优化，以及双面研磨机床等相关研究。

       1 双面研磨理论及建模

       双面研磨工艺中，采用游离磨料和固结磨料加 工时，工件表面的材料去除呈现出不同的规律，因 此，国内外学者针对双面研磨过程中的材料去除机 理展开研究。在该工艺中，材料去除规律符合 Preston 方程，即材料去除率与加载压力和相对运动 速度成正比，因此，相关学者针对接触压力和相对 运动速度进行了理论研究，实现对双面研磨工艺的 理论化指导。

       1.1 材料去除机理 

       传统的双面研磨工艺主要是针对于硬脆材料 的加工，采用铸铁盘加游离磨料的方式进行加工， 通过改变磨粒粒径，能够实现不同效率，不同表 面粗糙度工件的加工，由于其加工过程中极易发 生磨粒聚集的现象，无法保证磨粒的均匀分布， 因此提出了固结磨料双面研磨加工方法，将磨粒 固结在研磨盘上，保证了加工过程中磨粒分布的均匀性。 

       双面研磨加工主要是通过磨粒在工件表面的划 擦实现材料的去除，而在加工硬脆材料时，其加工 后会出现裂纹，划痕等缺陷，因此，需要研究加工 过程的塑性去除和脆性去除的现象，阐明不同工艺参数下的材料去除机理。采用游离磨粒加工时，工 件表面发生磨粒的二体、三体延性磨损加工， 张克华等建立二体和三体摩擦磨损和延性研磨 加工的材料综合去除率计算模型，计算双面研磨加 工过程中的材料去除量。在此基础上，刘道标等建立蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤层深度与表面 划痕深度之间的理论模型，并通过对双面研磨后的 衬底晶片进行亚表面观察，得到亚表面损伤层随深 度变化随着深度的增大呈递减趋势的规律。此外， 研磨液分布的均匀性以及磨粒的聚集现象均会对工 件的表面质量和材料去除率产生影响， 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导致的材料去除差异。 

       采用固结磨料加工时，由于磨粒固着在研磨垫 或研磨盘上，在加工过程中仅存在二体摩擦磨损，此时，材料表面的脆性去除和塑性去除主要 由于压强的不同导致。MOON 等对玻璃和蓝宝石 材料固结磨料研磨的材料去除机理进行研究，通过 研磨垫凸起不同的形状，对其加工玻璃和蓝宝石的 性能进行分析，研究表明不规则的凸起形状更适合 加工玻璃和蓝宝石材料。 

       针对各项异性材料的加工，由于工件各个晶面 的物理及力学性能存在较大差异，因此在加工过程 中磨粒的嵌入深度也会发生变化，从而改变材料去 除的方式。WANG 等研究了双面研磨蓝宝石四个 不同晶面的材料去除机理，并比较了加工后不同晶 面的材料去除率和表面粗糙度。针对与研磨液会发生反应的材料加工，工件表 面会生成一层反应层，当磨粒的嵌入深度小于该层 厚度时，会呈现出塑性去除的状态，加工表面不会 产生裂纹等脆性缺陷，而随着磨粒嵌入深度的增加， 磨粒直接与基体接触，会在基体表面发生脆性去除， 此时，在加工表面能够发现较多的裂纹，如图 4 所示。

       1.2 面形形成及演化机理 

       在双面研磨中，加工后工件的面形主要由工 件不同位置的材料去除率决定。其中，对工件表 面的材料去除率起决定性作用的参数为加载的 压力和工件与研磨盘的相对运动速度，因此，国 内外相关学者针对压力加载和工件与研磨盘间 的相对运动开展了大量的理论研究，建立了理论模型，计算其分布趋势，从而阐明面形的形成及演化机理。 

       1.2.1 压力加载模型 

        在双面研磨中，影响材料去除的关键因素是工 件表面的压力分布和工件与研磨盘的相对运动速 度。加载压力作为影响双面研磨材料去除的关键参 数，其在工件表面的分布影响工件的材料去除。在 双面研磨机床上，上研磨盘通过万向节连接在气缸 上，使得加工过程中上研磨盘能够发生小角度的偏 摆，以适应不同厚度工件的加工。工件表面受到的 压力由上研磨盘的重力提供，目前无法实现对工件 表面接触压力的分布情况进行测量，因此，为准确 预测工件表面的材料去除，需要建立模型计算工件 表面的压力分布。在研磨压力作用下，工件和研磨 盘均会发生变形，从而影响工件表面的压强分布，              HASHIMOTO 等建立了工件表面压力分布的理 论模型，基于如图 5 所示的弹簧模型计算工件与研 磨盘接触的压强分布，采用有限元模型中的壳体特 征来计算工件的塑性变形，得到了工件上下表面的 压强分布如图 6 所示。

       虽然其考虑了工件与研磨盘的变形，但是，在 加工过程中工件表面的压强分布会受到研磨抛光液 的流场压力的影响，魏红波等考虑双面研磨抛光 中的流场压力分布对工件上下表面压力的影响，建 立了双面抛光工艺中晶片上下表面的压力分布模 型，获得了晶片和抛光垫表面的速度分布关系，分 析了自由晶片在抛光过程中的运动状态以及在压力 荷载及转矩平衡时晶片上下表面的平均压力分布， 如图 7 所示，并对各个研磨抛光工艺参数对压力分 布的影响进行了分析。

       针对游离磨料研磨抛光过程中，工件与抛光垫 间的接触压力，库黎明等针对 300 mm 硅片双面 研磨抛光工艺中表面压力分布进行研究，研究中假设工件处于“悬浮”状态，即工件上下表面均有抛 光液薄层。通过工艺实验验证，发现当硅片与抛光 垫间为固-液混合接触时，其表面粗糙度能达到最优 水平。LI 等分析了双面抛光工艺中工件表面的 压力分布，并通过有限元仿真软件对不同条件下的 表面压力分布进行仿真分析，并通过实验分析工艺 参数对压力分布稳定性和表面质量的影响。然而上 述研究并未将优化的结果与工件的面形精度建立联 系，难以通过计算结果实现高面形精度的加工。此 外，上述研究建立的理论模型及有限元仿真模型， 均是对工件表面的压强分布进行分析，然而缺乏针 对工件与研磨盘的接触状态的分析。针对以上问题， PAN 等考虑双面研磨工艺中工件与研磨盘的接 触状态，建立了工件平行度的演化模型如图 8 所 示，指出工件在双面研磨过程中，平行度会逐渐改善，并最终达到一个稳定水平，此外，其对片间的厚度均匀性开展研究，结果表明随着同时加工工件数量的增加，片间的厚度均匀性越好。

       1.2.2 工件与研磨盘相对运动模型 

       在加工过程中，工件在研磨盘上做行星运动如 图 9 所示，因此，工件表面不同半径处的相对运动 速度存在差异，从而导致了工件表面材料去除的不 均匀，国内外学者针对工件与研磨盘间的相对运动 模型开展了广泛的研究。

       目前建立的运动学模型主要分为以下两种：1)  工件上一点相对于研磨盘的运动模型；2) 研磨盘上一点相对于工件的运动学模型。为定量衡量工件在 加工过程中相对运动轨迹分布的均匀性，WANG  等提出采用标准差变异系数来定量评价工件与 研磨盘相对运动轨迹分布的均匀性，并通过该参数 优化工艺加工蓝宝石工件，加工后，工件的总厚度变 化值为 5.29 μm。但是其在加工过程中并未针对双面 研磨加工后工件的面形进行分析，无法实现对工件面 形的控制。LAI 等研究了双面研磨过程中由于工 件与研磨盘间的相对运动造成研磨盘非均匀磨损的 问题，建立了双面研磨运动学模型，基于轨迹密度分 析研磨盘磨损的均匀性，通过蓝宝石基片双面研磨实 验对其进行验证，最终通过调整工艺参数实现研磨盘 的均匀磨损。然而，研磨盘磨损对工件的面形的影响 并未说明，工件面形的形成机理仍需探索。 

       针对工件与研磨盘的相对运动轨迹均匀性的问 题，国内外学者在改变传动比、计算轨迹形状合分 布密度等方面展开了大量的研究，提出通过改 变传动比的方式实现游星轮上各点相对于研磨盘运 动轨迹的均匀分布，并通过计算工件与研磨盘 相对运动轨迹的长度，计算工件表面不同区域的材 料去除厚度如图 10 所示。通过计算发现，双面研磨过程中，工件与研磨盘的相对运动轨迹为摆 线，而当工件设置在摆线中间的环带区域时，能 够实现工件表面材料的均匀去除，并根据 Preston 方程，建立材料去除特性方程，实现对双 面研磨材料去除的预测。为揭示相对运动轨迹 对工件面形的影响，HIROSE 等提出工件与研 磨盘相对运动的方向对工件的面形影响较大，因 此，通过引入相对运动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 以达到 2.4 μm。然而，由于忽略了工件在游星轮 内的偏心和自转运动，使得其对工件加工后面形 的预测仍不准确。 

       工件在游星轮内的偏心和自转运动是影响工件 面形的关键因素，金杨福等发现了双面研磨 过程中工件会在游星轮内进行自转。针对工件自 转的原因，金杨福等通过对双面抛光过程中晶 片受力状态进行分析，得出晶片自转速度和晶片 与游星轮间的摩擦状态有关。HASHIMOTO等分析了双面研磨过程中工件与研磨盘间的 摩擦，计算了工件在游星轮不同位置时的摩擦系 数变化，并通过如图 11 所示单面研磨实验，测量 工件自转来验证计算的摩擦系数，并基于三通道 双面研磨机，测量上研磨盘扭矩的变化，从而得 到工件与研磨盘间的摩擦系数，并通过单面研磨 实验对其结果进行验证。

       虽然其针对工件在游星轮内的自转运动展开研 究，但由于在双面研磨加工过程中，工件被上下研 磨盘遮挡，无法测量和控制工件在游星轮内的自转， 上述研究通过单面研磨的方式对其建立的模型进行 验证，且未说明该运动对工件面形的影响规律。PAN 等考虑工件在游星轮内的偏心和自转转速建立 了工件相对于研磨盘的运动学模型，阐明了双面研 磨工艺中凹凸面形的形成机理如图 12 所示，并基于 该理论研究，提出平行度误差收敛方法，实现工件 双面平面度的收敛。

       1.3 塌边现象的形成机理 

       塌边现象是研磨中较为常见的问题，而双面研 磨工艺与传统的研磨工艺加工原理相似，因此，加 工后的工件同样存在塌边的现象，针对塌边现象的 形成机理，国内外学者展开了研究，FU 等提出 了接触表面压强分布的理论模型，并通过有限元仿 真得到边缘区域的接触压强，发现工件边缘处存在 压力急剧增大的现象。MURTHY 等建立了一个 有限元模型对接触压强进行分析，其结果表明在边 缘处，接触压强急剧增大如图 13 所 示 (1psi=6.895 kPa)，因此，在边缘处的材料去除比工 件内部的材料去除更快，从而造成了工件面形的明 显塌陷。

       然而，在以上模型中，普遍采用理想面形的表 面进行计算，且在模型中，工件是刚性的，但是这 与实际加工过程中的情况不符。此外，研磨垫的粘 弹性被认为是另一个影响塌边的关键因素。MIYAKE 等提出了基于研磨垫粘弹性的塌边形 成机理，并阐明了对于采用硬度较高的研磨垫，塌 边现象明显减小的机理如图 14 所示。综上所述，塌边现象是由于工件边缘处压力的 急剧增大导致的，而该现象与工件材料，研磨抛光 垫的属性等因素有关。 

       2 双面研磨工艺及应用

       双面研磨工艺主要是为了实现工件表面的平面 度、平行度、粗糙度、损伤等指标的改善，而为了 保证工件的平面度和平行度，首先需要保证加工过 程中工件表面材料去除的均匀性，材料去除均匀才 能实现工件平面度的收敛。此外，通过改变工艺参 数，改变磨粒等方式，针对特定材料进行工艺优化， 实现表面质量的提升，从而获得高精度高表面完整 性的表面。 

       2.1 材料去除均匀性 

       由于双面研磨工艺中，工件各点与研磨盘的相 对运动速度的差异，导致了工件表面材料去除的非 均匀性，从而导致加工后工件的平面度较差，因此， 需要针对工件表面材料去除均匀性展开研究。为保 证材料去除均匀，首先需要使得工件与研磨盘相对 运动轨迹均匀。建立了研磨垫上一磨粒相对于工件 的运动轨迹方程，通过运动学仿真，得到了衬底表 面的位移。建立了评价工件与研磨盘相对运动轨 迹均匀性的方法，即基于统计学规律计算单位面积 上的轨迹数量。通过改变加工工艺参数，优化研磨 轨迹，使得工件处于摆线中间的环带部分，从而使 得轨迹更均匀。加工后工件总厚度变化值 (TTV)，弯曲 (BOW)，翘曲 (WARP) 均小于 15 μm。 

       为进一步优化材料去除均匀性，需要对双面研 磨各个参数，如研磨盘与齿圈太阳轮的转速比，研 磨盘转速等进行优化。胡晓珍等通过分析双面研 磨运动，建立了工件与研磨盘相对运动方程，并基 于 Preston 方程，建立了材料去除模型即研磨均匀性 函数，研究了不同转速比对研磨材料去除均匀性的 影响。李穆朗研究了研磨盘转速和内外齿圈转速 对工件表面平整度的影响，得出研磨盘转速对研磨 去除速率的影响较内外齿圈转速更为显著的结论。在双面研磨工艺中，加载压力也是影响材料去除的 均匀性的主要因素。基于仿真软件，对研磨盘转速， 压力，以及研磨液入口数量对研磨均匀性的影响规律进行探索。通过仿真结果进行参数优化，使得双 面研磨工件表面材料去除均匀分布。加工过程 中，研磨盘的磨损对材料去除均匀性也会造成影响。祁小苑等分析了光学镜片在平面行星式研磨加 工过程中的，研磨机速比对研磨盘磨损均匀性的影 响规律，通过优化工艺参数，获得了厚度一致性小 于 2 μm，平行度小于 2 μm 的高质量光学镜片。

       2.2 表面质量 

       目前，针对双面研磨工艺优化的研究取得了一 定的进展，针对硬脆难加工材料，采用表面粗糙度， 亚表面损伤层深度，平面度 PV 值，TTV，翘曲， 弯曲等参数对其表面质量进行评价，通过提出新的 加工策略并优化参数，实现了工件表面的改善。针 对玻璃材料，王朝钦针对微晶玻璃基板，提出双 面研磨加工工艺，并通过试验研究，得到各工艺参 数对平面度，平行度，表面粗糙度的影响规律，最 终在直径 95 mm 的微晶玻璃基板上，实现平面度优 于 3 μm 的加工。

       在此基础上，国内外学者针对 SiC、单晶硅、 蓝宝石等硬脆难加工材料进行双面研磨加工工艺进 行优化。贾军朋等探讨工艺参数对 SiC 衬底 TTV 和材料去除率的影响，通过参数优化，获了材料去 除率平均值为 4.86 μm/h、TTV 平均值为 2.35 μm、 弯曲度平均值为 6.03 μm、翘曲度平均值为 7.6 μm、 粗糙度平均值为 0.8 nm 的 SiC 衬底。ZHANG 等建立了双面机械研磨的模型，并对工件与研磨盘间 的相对运动进行分析，为获得分布均匀的研磨轨迹， 改变磨粒分布范围，太阳轮、齿圈、研磨盘转速比。采用优化参数加工单晶 SiC 晶片，其 TTV 为 10 μm， 弯曲为 15 μm，翘曲为 15 μm，如图 15 所示。 

       低模态法是获得较低 TTV 值的最佳方法，即通 过提高上盘、齿圈和中心齿的转速，减小研磨载荷， 可使晶圆的 TTV 值较低。通过短时间加工，实现 了 TTV 优于 10 μm 的工艺指标。不同的研磨液对加 工过程中的材料去除率和表面粗糙度也会产生影 响。其中，研磨液的 pH 值，温度和磨粒浓度会对 表面粗糙度造成影响。 

       由于双面研磨与单面研磨的加工方式相近，加 工机理一直，因此，有学者针对单面研磨与双面研 磨加工工艺的对比展开研究，LI 等比较了单面研 磨和双面研磨蓝宝石基片的材料去除率和表面质 量，双面研磨蓝宝石基片材料去除率可达 14.02 nm/min，单面研磨后的平行度约为双面研磨 工件的 3 倍，如图 16 所示。  

       2.3 塌边现象的抑制方法 

       而在双面研磨工艺中，塌边现象成为制约工件 平面度提升的瓶颈，与单面研磨工艺不同，双面研 磨中塌边的控制存在以下几方面的问题：(1) 双面 同时加工，无法通过在保持环上施加更大的压力保 证工件边缘处压力的降低；(2) 双面研磨工艺为全 口径加工工艺，无法通过控制工件轨迹等方式实现 塌边现象的抑制；(3) 由于工件表面的压力加载方 式采用上研磨盘直接加压，无法实现分区加压以实 现对塌边现象的有效抑制。 

       针对单面研磨中存在的塌边的现象，XIE 等提出外加保持环的方式来防止塌边现象，并分别在 保持环和晶圆表面施加不同的压力，从而缓解工件 边缘处压力急剧增大的现象。 

       该方法虽然在单面研磨中有一定的抑制效果， 但由于其加载压力的不同，难以用于双面研磨工艺 中，PAN 等在此基础上，针对固结磨料双面研磨 中存在的塌边现象，建立了塌边演化的有限元仿真 模型，并提出了外加牺牲环的塌边抑制方法如图 17  所示，通过参数优化，使得塌边在深度和宽度方向 分别减少 80%和 55%。此外，胡永亮等对双面研 磨过程中的塌边现象开展研究，分析了双面研磨过 程中塌边现象的产生原因，并通过对加工设备的结构改进，实现对塌边的控制，从而提升工件的平面度。

       2.4 双面研磨工艺参数优化 

       双面研磨机床中，上下研磨盘，太阳轮及齿圈 以不同的速度转动，而不同的转速比会导致工件与 研磨盘间的相对运动轨迹发生变化，为使工件与研 磨盘的相对运动轨迹均匀，需要对速比进行研究。董瑞通过 Matlab 软件研究了不同齿圈转速比下 工件的相对运动轨迹，其选取内外齿圈速比 m，不 同研磨盘与中心齿轮转速比 n，作为参考对象，给 定运动参数，在时间 t∈ [0, 5]s 内进行，观察在不 断变化的齿圈速比情况下，待加工工件运动轨迹的 分布曲线，从而选取轨迹均匀性、轨迹曲线曲率变 化小和曲线比较平滑运行复杂情况下的齿圈速比参 数，结果如表 1 所示。随着大齿圈与小齿圈 (中心 齿轮) 的转速之比不断增大接近 3~5 倍时，运行轨 迹趋于平稳的同时整体突变率变小、致密性增强；在二者之比，m=3 时，n=5 时，模拟轨迹曲线分布 均匀，整体运动效果趋于最佳。

       通过分析了内外齿轮转速、研磨布转速对运动 轨迹分布的影响，优化其转速比，能够使得运动轨 迹分布均匀。黄军辉等通过建立 300 mm 硅片双 面化学机械研磨中硅片上定点相对于上下研磨垫的 运动轨迹方程，实验证明运动轨迹路径长度与研磨 去除厚度成正比关系，计算运动轨迹路径长度确定 研磨垫的转速以达到上下表面具有相同的研磨速 率。研究结果为 300 mm 硅片双面化学机械研磨找 出优化工艺参数、提高硅片研磨后表面质量提供了 理论依据。胡晓珍等通过行星轮式双面研磨的运 动分析, 得到工件相对于研磨盘的速度表达式；在 Preston 方程基础上，建立了材料去除函数和研磨均 匀性函数; 进行计算机仿真, 讨论了不同转速比对 研磨均匀性的影响；并通过加工实验验证了仿真与 实验结果的一致性，为研磨加工工艺参数的确定提 供理论依据。白立刚等通过数学理论建模与 UG  建模，建立了蓝宝石衬底基片双面研磨的运动模型 并获得了在三种传动比情况下行星齿轮上不同点的 轨迹。通过分析研磨轨迹和研磨速度可知在传动比 为 1 时行星齿轮各点的轨迹为均匀分布的圆形且 速度相等，所有点的运动周期相等而且比其它情况 下的周期短，有利于提高研磨效率和形状精度，结 果成功地解决了由于行星齿轮内的衬底基片各点处 速度不一样而导致的平面度差的问题和行星齿轮中 心不能放置蓝宝石衬底基片的问题。

       2.5 双面研磨工艺应用 

       针对硬脆材料，通过工艺参数的优化能够实现 高平面度，粗糙度及低的亚表面损伤层厚度，而随 着光学制造，IC 制造等产业的发展，对软脆，甚至 是塑性金属材料同样提出了较高的表面质量的要 求。针对红外锗窗片，乔海红等[76]采用双面研磨工 艺加工，加工后，在直径 38.5 mm 得晶片上，平面 度为 0.43 光圈，平行度 2”。 

       针对软脆晶体钛酸钡、碲锌铬等材料，李国明等开展双面研磨实验，分析不同工艺参数对钛酸 钡晶片表面粗糙度和材料去除率的影响规律，并分 析了不同磨料加工该材料的去除机理，最终获得了 粗糙度 Ra 6 nm 的超光滑表面。张文斌等研究了 双面研磨工艺中磨抛液粒度、研磨压力、研磨液流 量和工作台转速对晶片表面损伤层深度的影响，通 过参数优化，控制碲锌铬晶片损伤深度降低到 0.2  μm 以内。目前双面研磨工艺的应用仍然有限，主要 是针对不易在空气中变质的晶体材料加工。难以实 现对光学领域有大量需求的磷酸二氢钾 (KDP) 晶 体等潮解类材料的加工。

       针对金属材料的双面研磨 加工，主要集中在对不同牌号的钢材进行加工。DEJA 等分析了双面研磨中接触区域的温度对工 件表面粗糙度以及研磨盘磨损的影响，以 45 钢为 例，探索了各个加工工艺参数对接触区域温度的影 响，并对工艺进行了优化。FENG 等采用双面研 磨工艺加工轴承滚子，通过对磨粒尺寸，研磨盘转速，游星轮开孔角度等工艺参数进行优化，实现了 滚子圆度，直线度及圆柱度均优于 2 μm 的加工。针 对纯铜等高塑性材料，PAN 等采用双面研磨和双 面化学机械研磨的方法加工纯铜工件，解决了塑性 金属固结磨料研磨的研磨盘堵塞问题，加工后其平 面度优于 4 μm，其表面粗糙度优于 2 nm，表面残余 应力分布均匀如图 18 所示。

        3 研磨设备

       基于以上对双面研磨理论及工艺的研究，双 面研磨机床也亟需改进，本章通过分析双面研磨 机床的各个组成部分，分析各部分对工艺的影 响。通过总结目前装备在压力加载装置、转速比 选择、以及控制系统方面的研究，分析双面研磨 机床目前的优势和缺陷，并对国内外相关机床厂 家的产品进行分析，比较国内外双面研磨机床的 差距。 

       3.1 双面研磨机床组成 

       双面研磨机的组成主要有机床主体、动力及 传动系统、控制系统和其他部件，如图 19 所示。机床主体包括床身、龙门架、气缸、研磨盘、太 阳轮、内齿圈、行星轮、研磨液供给及收集装置 等。研磨盘、太阳轮、内齿圈同轴，太阳轮、行 星轮、内齿圈三者相互啮合。床身通常为铸件， 可有效吸收机床工作时所产生的振动，且具有较 好的刚性，极大地保证机床的研磨精度。龙门架 安装于床身之上，龙门架结构刚性较高，稳定性 好。此外还可采用悬臂架，悬臂架的优点是结构 紧凑。气缸安装于龙门架上方，负责上研磨盘的 升降，也可对上研磨盘施加额外压力。研磨盘分 为上研磨盘和下研磨盘，上研磨盘安装于龙门架 下方，装卸工件时升起、工作时落下。中心轮与 内齿圈同轴，行星轮均匀放置在二者之间，在二 者带动下围绕中心轮运动。研磨液供给装置将研 磨液由上研磨盘小孔注入研磨区域，研磨液收集装置安装于下研磨盘下方。操作系统外设安装于床身 上，用于人机交互。

       动力及传动系统包括主电机、减速箱、传动 部件、气泵、砂泵等。主电机一般为单个，通过 减速箱内各级齿轮副减速后，输出太阳轮、内齿圈、上研磨盘和下研磨盘的独立运动。传动部件 有 V 型带、同步带等，适合长距离运输，用于连 接主电机、齿轮箱和各级主轴，并能起到防过载， 简化内部结构的作用。气泵主要负责气缸的供气。砂泵用于研磨液的供给，通过管道将研磨液输送到研磨区域。 

       控制系统包括主控制器、电机驱动器、操作系 统外设和各类传感器。主控制器、电机驱动器负责 调节电动机转速和加工状态。时间继电器、研磨计 数器、压力传感器等用于采集加工信息，传送到主 控制器调节加工状态。 

       其他部件包括修面装置、厚度检测装置等。市 面上部分双面研磨机会配备相关部件，可进一步优 化双面研磨机的性能。机床修面装置用于研磨盘盘 面的修整，可改善研磨盘的平面度等参数。厚度检 测装置多采用光栅结构，可测量加工时工件厚度， 达到预设厚度后反馈到控制系统，从而停止加工。

        3.2 固结磨料研磨垫开发 

       为保证磨粒分布的均匀性，实现更高的材料去 除率和更好的表面质量，固结磨料经常用于双面研 磨工艺中。YU 等设计了一种新研磨盘同时保证 SiC 晶片加工后的表面质量和面形精度。研磨盘 为环氧树脂与含有金刚石磨料的软凝胶体结合而 成的蜂窝结构如图 20 所示，对 50 mm 直径的碳 化硅晶片进行加工，加工后翘曲度，弯曲度，TTV， 表面粗糙度及亚表面缺陷均有减小。结果表明， 4H-SiC 和 6H-SiC 的表面粗糙度 Ra 随研磨压力的 增加呈线性增加，但随转速的增加呈不明显的线 性增加，但在转速为 80 r/min 和 100 r/min 时表面 粗糙度较大。

       固结磨料与游离磨料不同，其加工过程中，磨 粒始终固结在研磨盘表面，从而导致在加工一段时 间后，磨粒发生钝化，从而使得研磨盘的材料去除 效率大大降低，需要通过研磨盘修锐，使新鲜磨粒 露出，因此，固结磨料研磨的效率有所降低。南京 航空航天大学朱永伟教授团队采用紫外光固化和热 固化的方式，研制了一系列的树脂基固结磨料研磨 垫如图 21 所示。

       分析了在加工过程中固结磨料研磨垫的磨损特 性，包括摩擦磨损及冲蚀磨损，分析了加工后研磨 垫表面出现釉化的现象，通过优化研磨垫的配方， 孔隙率，开发了具有自修整性能的亲水性固结磨料 研磨垫如图 22 所示，保证了长时间的稳定加工。

       加工硬脆材料时，由于工件材料的硬度较高，固结磨料加工时，磨粒易发生磨损，从而影响材料 去除，即使采用双面研磨加工方法，仍然难以保证 较高的材料去除率，为提高材料去除效率，KIM 等提出在固结磨料加工的同时添加游离磨料来 加工蓝宝石晶片，如图 23 所示，实现 1 μm/min 的材料去除率。

       3.3 双面研磨机压力加载装置 

       双面研磨机的压力加载装置是影响双面研磨及 加工精度的重要组成部分，因此，需要保证压力加 载的精确和稳定。帖俊平等提出一种利用称重器 和电磁比例阀来控制双面研磨机上盘正压力的加载 装置。其在双面研磨机的气缸和太阳轮之间安装了 一个称重传感器，双向电磁阀控制气缸的双向压力， 且正向压力控制电磁阀为电磁比例控制阀，反向压 力调节阀为普通电磁阀，电磁比例阀的特点就是通 过调节电流的大小，可以自动改变电磁比例阀的输 出压力值。通过调节电磁比例阀可改变气缸的正压力，但上研磨盘施加给工件的正压力实际值是通过 称重传感器来实时测量的。加载装置的结构如图 24 所示。

       许君等根据传统产品存在精度差和效率低 的缺陷，采用先进的压力传感器、PLC 和气缸的控 制技术，同时采用数字 PID 控制方法，实现不同模 式的加压方式。针对传统机床无法控制气压平稳、 无法实时监控的缺点，采用了先进的气动比例阀对 气压进行精密的控制和采用压力传感器对气压进行 实时的监控，形成一个闭环控制，解决了气压的不 平稳现象和无法监控实时气压的缺陷。贾云刚等采用气动控制与 PLC 组成的电、气控制系统，实现 双面研磨机研磨压力的精确控制。采用气动控制系 统与 PLC 组成的电气控制系统相结合，PLC 发出指 令控制气动系统动作，实现了工作过程的自动控制， 该系统采用了气动控制系统与电气系统联合控制， 实现了研磨压力的精确控制。采用电磁换向阀，换向性能好，控制方便。该设备最大的特点是气动控 制系统与电气控制系统联合组成压力闭环控制。其 压力控制精确、研磨精度高、平稳可靠，目前已得 到广泛应用。ZHANG 等为了准确控制 PID 控制 的参数，在 PID 控制前面加入模糊控制块，使误差 和误差变化率作为模糊控制的输入，PID 控制参数 作为输出，根据选定的隶属函数和模糊规则实时修 正 PID 控制参数，构成自适应模糊 PID 控制。XING 等对双面研磨机气动系统进行了建模与仿真。其 通过气动伺服系统对双面研磨机上研磨盘压力进行 精确控制。气动伺服加载系统包含低摩擦气缸、压 力传感器、气动伺服阀、储气罐、空气单元和节流 阀。低摩擦气缸连杆具有高稳定性压力传感器，可 准确检测力反馈负载信号，从而可以精确控制加载 力。HU 等对精密双面研磨机的压力控制系统配 备了一种新型电动气动数字伺服阀。压力控制系统 的结构为闸门式，顶部和底部板之间的承载由精密 气缸驱动，以实现稳定的压力控制。气缸和伺服电 机由计算机控制系统控制。采用气动控制系统精密 控制研磨过程中的研磨压力。气缸由数字伺服阀控 制。连接气缸与顶板的压力传感器，通过 A/D 转换 将气缸的压力反馈给计算机。从而可以准确地控制 气缸的压力。数字伺服阀是气动控制系统中的关键 部件。QIAN 等开发了一种气动伺服加载系统实 现工件表面压力的精确控制，加载系统采用了专门 设计的气动数字伺服阀，通过测量工件上的实际载 荷和表面光洁度的质量来进行验证。结果表明，载 荷的误差率小于 5%，可以获得粗糙度 Ra 为 0.4 nm 的超光滑硅片表面。

       3.4 双面研磨机控制系统开发 

       双面研磨机床的控制系统与传统的数控机床控 制系统不同，需要根据双面研磨工艺的需求进行控 制系统的研制。HU 等开发了一种新型的精密双 面研磨机，采用精密压力控制系统，并通过设置多 段工艺，实现对工件的高表面完整性加工。裴忠开DPL160 双面研磨机控制系统软件，使用工控机 作为主控制器，通过 VB.NET 软件平台和 MS-SQL 数据库，实现图形化界面功能指标，还使用了高精 度的位移传感器，高精度气压压力传感器，高精度 数字比例阀组成联合控制系统，实现该机的自动加 工及控制。茅小海开发了超精密研磨双面研磨机 电气控制系统。对原有双面研磨机进行了改进，利 用控制器代替工控机，通过对主要部件选型、系统 硬件设计、软件程序开发，研制了一套实现了人机 交互式操作式的双面研磨机智能控制的系统。并开 发了一套的研磨液的恒温控制装置，根据不同的研 磨阶段调整不同的研磨液温度，达到恒温加工的目 的，而且在恒温控制装置中加入研磨液的杂质过滤 装置，确保研磨液内的杂质不对硅晶片的加工造成 不良影响。胡晓珍等提出并建立了基于微机统一 控制系统的解决方案。采用 Windows 软件平台,图形 化界面功能指示、高精度光栅传感器、压力传感器、 数字阀组成电气联合控制系统,应用新型电气直接 数字控制技术实现该机的自动加工。该方法可实现 研磨盘压力精确控制；研磨盘稳态运行的高平稳度；研磨液温度的实时检测和流量的模糊控制以及微机 自动控制模式的实现。高峰等以 NUMPOWER1060 数控系统为主控单元，结合力－ 位控制和模糊推理的特点，提出一种固着磨料双面 研磨压力模糊自整定 PID 控制方法研究。利用高精 度扭矩传感器和力传感器对 z 轴电机输出扭矩与研 磨压力之间的关系进行了标定，通过检测 z 轴输出 扭矩间接获得了研磨压力的大小。根据 z 轴进给速 度调节因子 uv 对研磨压力的影响规律，建立了模糊 控制规则集，设计了模糊控制 PID 算法，保证了研 磨压力的恒定。该系统能控制研磨力在加工过程中 处于适当范围并维持稳定，解决了研磨力波动较大 而导致工件表面质量差以及研磨压力过大引起表面 灼伤的问题。XING 等通过 AMESim 建立气动负 载系统的建模与仿真，并给出优化参数以提高系统 性能，并给出负载能力的解决方法。YANG 等设 计了一种双面研磨机，解决了效率和表面质量难以 兼顾的问题，研发的机床具有工艺稳定、研磨压力 大、研磨速度快等特点，经氧化锆基板研磨验证， 材料去除率达 5 µm/h，表面粗糙度 Ra 达 1 nm。

       3.5 双面研磨机生产厂家 

       针对目前形成的双面研磨工艺，国内外多家厂 商研制了不同的双面研磨机床，本文选取典型的机 床生产厂家进行对比分析，其机床的功能、加工精 度等指标均处于国际/国内领先水平。国外的 PR  HOFFMAN、HAMAI、Melchiorre、LAPMASTER  WOLTERS 等公司研制的机床精度较高，技术更为 成熟，且各具特色，分别在研磨盘形状，跳动，压 力控制等方面具有独特的优势。而国内的宇环数控、 宇晶、方达，海德等双面研磨机床占据国内的市场 份额较大，它们根据目前加工的工艺要求进行了改 善。PR HOFFMAN 公司创立于 1938 年，其机床主 要针对 SiC、石英、光学、半导体、LED、电子、 陶瓷和金属加工等应用的各种制造加工需求。以该 公司设计的 SERVO RS-7600 型双面研磨机为例，该 设备可提供上盘、下盘、太阳轮和齿圈 4 项独立运 动，并为上盘和下盘提供独立的温度管理。盘面外 径 1915 mm ，内径 577 mm ，上盘最大转速 +/−32.5 r/min，下盘最大转速±27 r/min。在加工终止 时，将行星轮返回到与装载时相同的位置和方向。通过这种方式，可以在整个加工过程中实现单个工 件的监控。此外，可在加工过程中监测上下盘的距 离，在零件厚度达到目标厚度时停止加工。HAMAI 公司 1954 年开始研制双面研磨机，经过多年的发 展，目前，其所有双面研磨机均采用流体动压驱动 轴承，通过油压浮起下盘，保证其在旋转时不发生 振动如图 25 所示，以提高工件的加工精度。其设 计的设备上盘不旋转，并可以通过调整行星轮顺时 针或逆时针旋转来保持下盘面的平面度。

       Melchiorre 公司成立于 20 世纪 60 年代中期， 其生产的双面研磨机上盘可浮动，在加工过程中可 监测零件厚度，在达到预设厚度后停止加工，分辨 率可达到 0.1 µm。加工后零件可达到平面度小于 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 年创立，其所生产的双面精磨机 AC2000 搭载 高精密气动压力系统、非接触式微测量控制器、强 力驱动技术等。高精密气动压力系统可通过气缸对 盘面施加外力，用以改善研磨盘的面形精度如图 26所示。其对工件的施压方式是通过杠杆对上盘施加 拉力或压力，实现研磨压力的大范围调节。上下精 磨盘均采用伺服电机直驱的方式保证加工过程中转 动的稳定性，精磨盘的温度控制和润滑油冷却由 PID 控制器精准控制。PID 控制器对润滑油冷却控 制精确高达±0.5 ℃。对精磨盘冷却水控制精度可达 ±0.2 ℃。为优化冷却液作用，在润滑油流入设备时 测量其实际温度并将测量值反馈给冷却系统，以确 保精磨盘几何形状的稳定性和可重复性。精磨盘也 可在线测量工件厚度。

       国内自主研制的双面研磨机品牌普遍创立于本 世纪初，通过学习国外的双面研磨技术，研制的机 床与国外机床能实现的功能相近，但由于发展时间 较短，机床得结构优化设计，稳定性以及加工精度 与国外机床尚存在一定差距。宇环数控机床股份有 限公司成立于 2004 年，其所生产的 YHM77110 型 双面研磨机配备四台电机，分别控制上盘、下盘、 太阳轮和内齿圈的运动，上下表面材料去除率及比 值可调。采用龙门式结构，可承载较大压力，上盘 可通过液压系统加压，最大可提供 15 000 N 的研磨 压力，加工过程中可实时监测压力并进行调节。双 丝杆导轨压力加载系统和光栅尺的精确闭环控制系 统，能较好地保证研磨过程及质量的稳定性。配备 恒温冷却系统，传感器自动检测研磨液温度并反馈 至控制系统，可自动调节研磨液温度。采用弹簧加 万向节轴承组成的上盘浮动结构，提高了大压力研 磨加载的稳定性与均匀性。

       宇晶机器股份有限公司成立于 1997 年，其生产 的 YJ-16BY/PE 型双面研磨机床结构紧凑，设备采 用单电机驱动，电机带动上盘、下盘、太阳轮和内 齿圈同时运动。以点动控制方式控制内齿圈升降， 使操作者能自由控制齿圈升降高度。电机采用变频 调速器控制，能在有效设置范围内以任意速度工作、 停止、加减速，过程平稳，无抖动、无冲击。并且 太阳轮有两档速度调整，可实现游星轮的正、反转， 实现盘面的修整。深圳方达研磨技术有限公司成立 于 2007 年，受到单面车刀修整盘面面形的启发，在双面研磨机上实现了上下盘的车刀修面功能。所生 产的 FD13-6B 型双面研磨机如图 27 所示，修面机 采用伺服马达驱动，能确保油压悬浮导轨滑动平稳， 平面修整效果较好。采用四个电机同步拖动，变速 范围更广，运动精度更高，响应速度更快，能适应 不同研磨材料及研磨工艺的要求，可实现软启动、 软停止，调速稳定，冲击小。具有远程监控，远程 维护功能。可选配光栅厚度控制系统，加工后的产 品厚度误差为±0.002 mm。下盘端面跳动 0.05 mm， 上下盘平面度 0.02 mm，太阳轮径向跳动 0.06 mm， 齿圈径向跳动 0.12 mm。修正轮修研后平行度、平 面度可达 0.0035 mm，加工件平面度、平行度可达 0.003 mm/Φ100 mm。

       深圳市海德精密机械有限公司成立于 2012 年， 所生产的 HD-16B 型双面研磨机采用一次成型主 体，可保证整机具有较好的刚度。上盘系统采用独 创的三点平衡系统，保证了上盘落下时与下盘的平 行度。内齿圈、太阳轮、液盆同步齿轮抬升，可在 任意位置自锁。供液系统采用双通道冷却，可有效 降低研磨过程中盘面的温度。传动系统采用三电机 联合拖动，变频调速，可实现软启动、软停止。下 研磨盘跳动 0.05 mm ，修正轮修正平行度 <0.005 mm，太阳轮径向跳动 0.12 mm，内齿圈径向 跳动 0.2 mm。

       3.6 国内外双面研磨机床对比 

       综上所述，国外的机床厂商将研磨盘恒温，压 力控制，盘面磨损，厚度测量等功能集成到双面研 磨机上，保证加工过程中工件的面形精度，加工后， 能够实现的加工精度较高，其加工精度可以达到亚 微米级，而国内的双面研磨机床虽然也集成了恒温 研磨盘，盘面修整装置等功能，在机床各个模块的 功能上与国外机床接近，但是加工精度略有不足， 仅能在尺寸较小工件上达到微米级面形精度。目前 国内的双面研磨机床定价普遍在几万到几十万元， 随着盘面直径的增大和功能的增加，机床的售价也 随之提升，但是，与国外机床相比，其价格尚存在 较大差距，国外机床的价格普遍在几百万元。以 LAPMASTER WOLTERS 公司的机床为例，其研磨 盘直径1 m左右的双面研磨机床报价超过300万元， 而国内某品牌的相同盘面直径的机型售价不足 30 万元。价格的巨大差距是由于机床整机结构的优化 设计，加工的稳定性，加工精度等因素导致的，而 目前国内的双面研磨机在相关方面尚存在较大差 距。不同机床厂商生产的双面研磨机床具体参数比 较如表 2 所示，从表 2 中分析，国内与国外装备的 差距主要如下所述。

       (1) 加工过程中上下盘间隙没有得到有效控 制，从而导致无法实时得知研磨盘的磨损情况，从 而影响工件的面形精度。

        (2) 国内机床目前只是仿造国外机床进行盘面 冷却功能的设计，而未能真正的实现对加工过程中 盘面温度的准确控制，难以保证研磨盘温度在理想 水平，从而影响加工精度。

        (3) 目前国内的机床普遍采用机械主轴来驱动 研磨盘，使得研磨盘的跳动无法得到避免，在加工 过程中，研磨盘的跳动会直接影响到工件的面形精 度，虽然提出了车刀修面的方法提升研磨盘的面形 精度，但是无法保证加工过程中研磨盘的端面跳动， 而国外机床采用液体静压主轴，保证了加工过程中 研磨盘的平稳，从而减小由于跳动造成的误差。

        (4) 目前国内机床的压力加载普遍存在精度不 高的问题，虽然加入压力传感器，但是尚未实现闭 环的压力控制，使得在加工过程中，随着去离子水 等冷却液的加入，而导致压力发生变化，从而影响 工件表面材料去除的均匀性而国外机床采用高精度 压力传感器闭环控制的滚珠丝杠的运动以施加压力，实现±1 kg 的压力控制。

       国内双面研磨机的设计制造逐渐走向成熟，机 床集成的功能与国外机床的差距逐渐减小，而加工 工件的面形精度，机床的稳定性等指标仍与国外机 床存在较大差距，主要是因为虽然国内机床厂家借 鉴国外机床的设计，实现了对研磨压力、研磨盘温 度等参数的控制，但是并未实现对研磨机性能的提 升，更多停留在对各种功能的模仿，而缺少面向性 能的设计与制造。

       4 结论与展望
       4.1 结论 

       双面研磨工艺的研究的发展如图 28 所示，初 期主要集中于加工硬脆材料，分析了双面研磨工艺 中的材料去除机理，并建立了压力分布和工件运动 的理论模型，实现对工件表面材料的均匀去除；针 对晶圆、衬底等平面件开展工艺优化实验，实现高平面度，低表面粗糙度，近无损伤的表面。通过对 双面研磨机床的加载装置展开探索，实现了加工过 程中压力加载的稳定性，并实现对压力的精确控制；通过调整机床中太阳轮、齿圈、上下研磨盘的速比， 优化工件表面材料去除均匀性；通过开发双面研磨 机床控制系统，实现机床的自动化加工。而目前国 外的双面研磨装备从加工精度和稳定性上，要明显 比国内的双面研磨装备更先进。

       4.2 双面研磨技术发展趋势 

       双面研磨工艺与装备经历几十年的发展日趋成 熟，但是在国防、光学精密制造等领域仍然具有巨 大发展潜力。此外，目前的双面研磨系统对操作人 员的依赖性强，亟需开发智能双面研磨系统，如图 29 所示。其中，在双面研磨工艺方面，亟需开展以 下几个方面的研究。

        (1) 弱刚性构件的亚微米级面形精度的加工。

       针对硬脆材料的加工，双面研磨工艺已日趋成 熟，而针对于塑性金属材料，尤其是弱刚性构件的 加工，目前仍存在挑战。弱刚性构件的面形精度还 无法达到亚微米级。这是因为在加工过程中，弱刚 性构件内部残余应力释放，会发生严重的变形，从 而影响工件的平面度和平行度，相比于硬脆材料， 其对于工艺的要求更高。 

       (2) 软脆晶体材料的双面研磨加工。 

       针对常见的软脆晶体材料，双面研磨加工的应 用较少，主要是因为其在加工过程中容易发生碎裂 等现象，而且在研磨过程中易出现表面缺陷，距光 学应用要求尚存在较大差距。且部分软脆晶体为易 潮解晶体，其加工对环境的温度及湿度要求极高， 而目前的双面研磨工艺无法实现对于温度及湿度的 控制，因此对于易潮解晶体的双面研磨的研究有待开展。 

       (3) 光学曲面元件的双面研磨加工。 

       近年来，浙江工业大学袁巨龙教授团队[100-101] 针对圆柱或球体轴承滚子的双面加工开展相关研 究，但除此之外，双面研磨加工对象仅限平面工件， 光学透镜等需求量较大的曲面光学元件，也亟需进 行双面研磨工艺的研究。

       (4) 智能双面研磨工艺的开发。 

       近 20 年来，对于双面研磨工艺的研究较为广 泛，加工的材料也从单晶硅、蓝宝石、SiC 等硬脆 晶体材料向 45#钢、纯铜等金属材料发展。然而， 在对不同材料进行双面研磨加工时，需要对加工工艺进行重新优化。如果能够对前人的研究数据进行 总结，并形成工艺数据库，建立智能双面研磨工艺 算法，实现对工艺参数的智能优化，将会极大地降 低试错成本，提高效率，摆脱双面研磨工艺对操作 人员的技术要求。因此，亟需开发智能双面研磨 工艺。

       此外，在装备方面，双面研磨装备已经很难满 足光学、半导体等产业对加工精度的极端要求，目 前装备对操作人员的依赖性较强，机床的智能化水 平较低，因此，双面研磨装备的未来发展趋势包括 以下几点。 

       (1) 加工过程中关键工艺参数的实时获取与控制。 

       目前的双面研磨机床，在加工过程中，工件在 游星轮内的运动难以实时观测，无法获得具体的运动数据。研磨过程中工件表面局部受力情况难以测量，所施加载荷的准确度有待提高。缺乏更高效、 更精确的研磨盘温度调节系统，研磨盘受热形变程 度难以量化及控制。缺乏研磨盘面型的定量检测和修整方案。难以实现研磨过程中工件厚度的测量。 

       因此，亟需研制新型的智能双面研磨机床如图 29 智能双面研磨装备所示，通过多传感器的引入， 实现对各个参数的在线监测与实时调节，实现智能 化加工。首先需要通过合适的方法将加工过程可视 化，获取工件在游星轮内具体的运动数据，从而实 现对工件局部材料去除率的控制。加装合适的压力 传感器，采集加工过程中各部分的局部压力，从而 分析研磨盘面型对加工的影响。设计精准的加工区 域温度采集装置，及时收集温度信息，反馈至系统， 并通过冷却系统合理控制研磨盘温度，以减少研磨 盘受热变形。设计准确的面型测量装置及修整装置， 减小研磨盘自身几何精度不足而造成的影响。设计 合理的厚度测量装置，对加工过程中工件的厚度进 行实时测量。

        (2) 智能双面研磨机床的研制。 

       在实现智能控制的基础上，提取加工过程中的 工艺数据，通过数字孪生技术，在数字空间搭建孪 生体，施加各种预设的工况条件进行测试，在孪生 体内以近乎为零的实际成本完成虚拟测试，不断调 试参数直至满足实际加工要求，再将测试结果方案 转移至实际环境进行实验。尤其是针对弱刚性构件 和软脆晶体材料，通过数字孪生技术，实现在加工 前预测工件的变形和碎裂的情况，大幅减少实际测 试环境的损耗，有效降低人工试错的成本，提升成 品率，真正实现智能制造。

来源：机械工程学报

作者：郭江 潘博 连佳乐 杨哲 刘欢 高菲 康仁科

(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 大连 116024)