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东京大学团队在《Procedia CIRP》发表旋转球弹性发射加工技术新突破

作者及机构
本研究由东京大学精密工程系Takahiro Hirata、Yoshinori Takei及Hidekazu Mimura团队完成，发表于2014年《Procedia CIRP》第13卷（DOI: 10.1016/j.procir.2014.04.034）。

学术背景
在极紫外（EUV）光刻和X射线显微镜等先进光学领域，光学元件（如透镜和反射镜）需要兼具复杂曲面与原子级光滑表面（RMS粗糙度<0.2 nm）。传统抛光技术难以满足此类需求。弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM）作为一种无损伤超精密加工方法，此前仅适用于平坦或缓曲表面。本研究旨在拓展旋转球EEM技术的应用范围，验证其对陡曲表面（如椭球镜模具）的抛光能力。

研究方法与流程
1. 研究目标与对象
- 目标：验证旋转球EEM对圆柱形玻璃工件（模拟椭球镜模具）的抛光效果。
- 对象：直径10 mm的石英玻璃圆柱（材料与真实模具相同），初始CMP抛光后RMS粗糙度为0.302 nm。

1. 实验装置与创新

   • 设备设计：自主研发旋转球EEM装置（图4），核心包括：
     
     • 门式框架、悬垂主轴、工件槽及浆料循环系统。
       
     • 特制塑料球（直径60 mm），仅保留赤道区域以适配曲面接触。
       
   • 工艺创新：通过弹性流体动压润滑（EHL）机制，实现球体与工件间亚微米级非接触抛光。
     

2. 实验步骤

   • 静态抛光验证：调整载荷（0.23 N，低于平面抛光载荷）以适配圆柱曲率，确认稳定抛光斑点。
     
   • 动态扫描抛光：
     
     • 主轴转速450 rpm，浆料为悬浮二氧化硅颗粒的超纯水。
       
     • 采用5×0.5 mm区域栅线扫描，垂直方向匀速移动，水平方向20 μm进给步距。
       

3. 数据分析方法

   • 表面形貌测量：白光干涉仪（Zygo NewView 700）获取三维粗糙度。
     
   • 功率谱密度（PSD）分析：评估圆周与轴向空间波长（10–100 μm）范围内的误差衰减。
     

主要结果
1. 粗糙度改善：经单次扫描抛光，RMS粗糙度从0.302 nm降至0.155 nm（图7），达到软X射线光学器件的表面要求。
2. 表面特征：
- 轴向出现间隔9–11 μm的脊状结构（图7b），与进给步距无关，推测由旋转球多谷足迹导致。
- PSD分析显示中短空间波长（<100 μm）误差显著降低（图8），此范围对减少光散射至关重要。
3. 工艺兼容性：证实旋转球EEM可与喷嘴型EEM（用于形状修正）协同工作，为复杂曲面抛光提供完整解决方案。

结论与价值
1. 科学价值：首次将旋转球EEM成功应用于陡曲表面，揭示了EHL机制在非平面加工中的适应性。
2. 应用价值：为EUV/X射线光学器件（如椭球镜）的模具制造提供新工艺，突破传统抛光技术极限。
3. 行业意义：推动超精密加工向自由曲面拓展，满足下一代光学系统对纳米级形貌精度的需求。

研究亮点
- 技术突破：将旋转球EEM的适用曲面曲率提升至新水平（圆柱直径10 mm）。
- 跨学科融合：结合流体力学（EHL）、化学键理论（原子级去除）与精密机械设计。
- 可扩展性：提出的扫描策略可推广至其他高曲率光学元件（如非球面透镜）。

其他发现
- 重复扫描可进一步降低脊状结构高度，未来需量化其对光学性能的影响。
- 研究获日本JST-SENTAN计划资助，体现了国家战略需求导向。

（注：全文约1500字，严格遵循学术报告格式，未翻译专有名词如EEM、RMS等，并首次出现时标注英文原文。）