Review on the progress of ultra-precision machining technologies

Julong YUAN, Binghai LYU, Wei HANG, Qianfa DENG

PDF(832 KB)
PDF(832 KB)
Front. Mech. Eng. ›› 2017, Vol. 12 ›› Issue (2) : 158-180. DOI: 10.1007/s11465-017-0455-9
REVIEW ARTICLE

Review on the progress of ultra-precision machining technologies

Author information +
History +

Abstract

Ultra-precision machining technologies are the essential methods, to obtain the highest form accuracy and surface quality. As more research findings are published, such technologies now involve complicated systems engineering and been widely used in the production of components in various aerospace, national defense, optics, mechanics, electronics, and other high-tech applications. The conception, applications and history of ultra-precision machining are introduced in this article, and the developments of ultra-precision machining technologies, especially ultra-precision grinding, ultra-precision cutting and polishing are also reviewed. The current state and problems of this field in China are analyzed. Finally, the development trends of this field and the coping strategies employed in China to keep up with the trends are discussed.

Keywords

ultra-precision grinding / ultra-precision cutting / ultra-precision polishing / research status in China / development tendency

Cite this article

Download citation ▾
Julong YUAN, Binghai LYU, Wei HANG, Qianfa DENG. Review on the progress of ultra-precision machining technologies. Front. Mech. Eng., 2017, 12(2): 158‒180 https://doi.org/10.1007/s11465-017-0455-9

References

[1]
Yuan Z, Wang X. The Technology of Precision Machining and Ultra-Precision Machining. 3rd ed. Beijing: China Machine Press, 2016 (in Chinese)
[2]
Editing Committee of Microfabrication Technology. Microfabrication Technology. Beijing: Science Press, 1983 (in Chinese)
[3]
Komanduri R, Lucca D A, Tani Y. Technological advances in fine abrasive processes. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1997, 46(2): 545–596
CrossRef Google scholar
[4]
Ikawa N, Shimada S. Accuracy problems in ultra-precision metal cutting. Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 1986, 52(12): 2000–2004 (in Japanese) 
CrossRef Google scholar
[5]
Shimada S, Ikawa N, Tanaka H,  Feasibility study on ultimate accuracy in micro-cutting using molecular dynamics simulations. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1993, 42(1): 91–94
CrossRef Google scholar
[6]
Byrne G, Dornfeld D, Denkena B. Advancing cutting technology. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2003, 52(2): 483–507
CrossRef Google scholar
[7]
Edward P, David S, Scott C. MOLDED OPTICS: Molded glass aspheric optics hit the target for precision and cost. Laser Focus World, 2007, 43(12): 71–74
[8]
Kim H S, Lee K I, Lee K M,  Fabrication of free-form surfaces using a long-stroke fast tool servo and corrective figuring with on-machine measurement. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, 49(12–13): 991–997
CrossRef Google scholar
[9]
Rakuff S, Cuttino J F. Design and testing of a long-range, precision fast tool servo system for diamond turning. Precision Engineering, 2009, 33(1): 18–25
CrossRef Google scholar
[10]
Tohme Y E, Lowe J A. Machining of freeform optical surfaces by slow slide servo method. In: Proceedings of the American Society for Precision Engineering Annual Meeting. 2003
[11]
Wei H. Ultra-precision machining & manufacturing of optical devices [EB/OL]. 2011. Retrieved from http://www.vogel.com.cn/top/mm15/news_t_view.html?id=188500 (in Chinese)
[12]
Weck M, Klocke F. Manufacturing and applications of non-rotationally symmetric optics. SPIE Proceedings, Optical Fabrication and Testing, 1999, 3739: 94–107
CrossRef Google scholar
[13]
Gao W. Precision nano-fabrication and evaluation of a large area sinusoidal grid surface for a surface encoder. Precision Engineering, 2003, 27(3): 289–298 
CrossRef Google scholar
[14]
Ohmori H, Nakagawa T. Mirror surface grinding of silicon wafers with electrolytic in-process dressing. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1990, 39(1): 329–332
CrossRef Google scholar
[15]
Matsumura T, Hiramatsu T, Shirakashi T,  A study on cutting force in the milling process of glass. Journal of Manufacturing Processes, 2005, 7(2): 102–108
CrossRef Google scholar
[16]
Matsumura T, Ono T. Cutting process of glass with inclined ball end mill. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 200(1–3): 356–363
CrossRef Google scholar
[17]
Ono T, Matsumura T. Influence of tool inclination on brittle fracture in glass cutting with ball end mills. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 202(1–3): 61–69
CrossRef Google scholar
[18]
Foy K, Wei Z, Matsumura T, Effect of tilt angle on cutting regime transition in glass micromilling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2009, 49(3–4): 315–324
CrossRef Google scholar
[19]
Suzuki H, Moriwaki T, Yamamoto Y,  Precision cutting of aspherical ceramic molds with micro PCD milling tool. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2007, 56(1): 131–134
CrossRef Google scholar
[20]
Scheiding S, Eberhardt R, Gebhardt A, Micro lens array milling on large wafers. Optik & Photonik, 2009, 4(4): 41–45
[21]
Malkin S, Guo C. Grinding Technology. 2nd ed. South Norwalk: Industrial Press Inc., 2007
[22]
Su H, Xu H, Fu Y. Reviewthe current questions and strategies about multilayer sintering super abrasive tools and conceive the development of future tools. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 42(3): 12–17
[23]
Webster J, Tricard M. Innovations in abrasive products for precision grinding. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2004, 53(2): 597–617
CrossRef Google scholar
[24]
Tannaka T. New development of metal bonded diamond wheel with pore by the growth of bonding bridge. International Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1992, 26(1): 27–32
[25]
Chattopadhya A K, Chollet L, Hintermann H E. Induction brazing of diamond with diamond Ni-Cr hadfacing alloy under argon atmosphere. Surface and Coatings Technology, 1991, 45(1–3): 293–298
CrossRef Google scholar
[26]
Ikeno J, Tani Y, Sato H. Nanometer grinding using ultrafine abrasive pellets—Manufacture of pellets applying electrophoretic deposition. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1990, 39(1): 341–344
CrossRef Google scholar
[27]
Ohmori H, Nakagawa T. Mirror surface grinding of silicon wafers with electrolytic in-process dressing. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1990, 39(1): 329–332
CrossRef Google scholar
[28]
Kramer D, Rehsteiner F, Schumacher B. ECD (electrochemical in-process controlled dressing), a new method for grinding of modern high-performance cutting materials to highest quality. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1999, 48(1): 265–268
CrossRef Google scholar
[29]
Wang Y, Zhou X, Hu D. An experimental investigation of dry-electrical discharge assisted truing and dressing of metal bonded diamond wheel. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, 46(3–4): 333–342
CrossRef Google scholar
[30]
Suzuki K, Uematsu T, Yanase T,  Development of a simplified electrochemical dressing method with twin electrodes. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1991, 40(1): 363–366
CrossRef Google scholar
[31]
Bhattacharyya B, Doloi B N, Sorkhel S K. Experimental investigations into electrochemical discharge machining (ECDM) of non-conductive ceramic materials. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 95(1–3): 145–154
CrossRef Google scholar
[32]
Zhang C, Shin Y C. A novel laser-assisted truing and dressing technique for vitrified CBN wheels. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2002, 42(7): 825–835
CrossRef Google scholar
[33]
Hirao M, Izawa M. Water-jet in-process dressing (1st report): Dressing property and jet pressure. Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 1998, 64(9): 1335–1339 (in Japanese) 
[34]
Ikuse Y, Nonokawa T, Kawabatan N,  Development of new ultrasonic dressing equipment. Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 1995, 61(7): 986–990 (in Japanese)
[35]
Ohmori H, Nakagawa T. Analysis of mirror surface generation of hard and brittle materials by ELID (electrolytic in-process dressing) grinding with superfine grain metallic bond wheels. CIRP Annals —Manufacturing Technology, 1995, 44(1): 287–290
CrossRef Google scholar
[36]
Lambropoulos J C, Gillman B E, Zhou Y,  Glass-ceramics: Deterministic microgrinding, lapping and polishing. SPIE Proceedings, Optical Manufacturing and Testing II, 1997, 3134: 178–189
CrossRef Google scholar
[37]
Jeff R, Ed F, Dennis V G, Contour grinding results on the NanotechTM 150AG. Convergence, 1999, 7(3): 1–8
[38]
Zhou L, Eda H, Shimizu J,  Defect-free fabrication for single crystal silicon substrate by chemo-mechanical grinding. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2006, 55(1): 313–316
CrossRef Google scholar
[39]
Hang W, Zhou L, Zhang K,  Study on grinding of LiTaO3 wafer using effective cooling and electrolyte solution. Precision Engineering, 2016, 44: 62–69
CrossRef Google scholar
[40]
Kasai T, Doy T. Grinding, lapping and polishing technologies under nanometer scale working conditions. Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 1993, 59(4): 559–562 (in Japanese) 
CrossRef Google scholar
[41]
Wang J, Wang T, Pan G,  Effect of photocatalytic oxidation technology on GaN CMP.  Applied Surface Science,  2016,  361: 18–24
CrossRef Google scholar
[42]
Yuan J. Ultraprecision Machining of Functional Ceramics. Harbin: Press of Harbin Institute of Technology, 2000 (in Chinese)
[43]
Mori Y, Ikawa N, Okuda T,  Numerically controlled elastic emission machine. Journal of the Japan Society of Precision Engineering, 1980, 46(12): 1537–1544
[44]
Uzawa S. Canon’s development status of EUVL technologies. In: Proceedings of the 4th EUVL Symposium. 2005
[45]
Watanabe J, Suzuki J, Kobayashi A. High precision polishing of semiconductor materials using hydrodynamic principle. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1981, 30(1): 91–95
CrossRef Google scholar
[46]
Namba Y, Tsuwa H. Ultra-fine finishing of sapphire single crystal. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1977, 26(1): 325–329
[47]
Yasunaga N, Obara A, Tarumi N. Study of mechanochemical effect on wear and its application to surface finishing. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1977, 776: 50–134
[48]
Steigerwald J M, Murarka S P, Gutmann R J. Chemical Mechanical Planarization of Microelectronic Materials. New York: John Wiley & Sons Inc., 1996
[49]
Pirayesh H, Cadien K. Chemical mechanical polishing in the dry lubrication regime: Application to conductive polysilicon. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 220: 257–263
CrossRef Google scholar
[50]
Fox M, Agrawal K, Shinmura T,  Magnetic abrasive finishing of rollers. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1994, 43(1): 181–184
CrossRef Google scholar
[51]
Tani Y, Kawata K, Nakayama K. Development of high-efficient fine finishing process using magnetic fluid. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1984, 33(1): 217–220
CrossRef Google scholar
[52]
Suzuki K, Ide A, Uematsu T,  Electrophoresis-polishing with a partial electrode tool. In: Proceedings of the International Symposium on Advances in Abrasive Technology. 1997, 48–52
CrossRef Google scholar
[53]
Martin H M, Allen R G, Burge J H F, Fabrication of mirrors for the Magellan telescopes and large binocular telescope. SPIE Proceedings, Large Ground-based Telescopes, 2003, 4837: 1–10
CrossRef Google scholar
[54]
Kim D W, Burge J H. Rigid conformal polishing tool using non-linear visco-elastic effect. Optics Express, 2010, 18(3): 2242–2257
CrossRef Google scholar
[55]
Walker D D, Brooks D, King A,  The “precessions” tooling for polishing and figuring flat, spherical and aspheric surfaces. Optical Express, 2003, 11(8): 958–964
CrossRef Google scholar
[56]
Walker D D, Beaucamp A T H, Binghama R G,  Precessions aspheric polishing: New results from the development program. SPIE Proceedings, Optical Manufacturing and Testing V, 2003, 5180: 15–28
CrossRef Google scholar
[57]
Jacobs S, Arrasmith S, Kozhinova I. An overview of magnetorheological finishing (MRF) for precision optics manufacturing. Ceramic Transactions, 1999, 102: 185–199
[58]
Booij S M. Fluid jet polishing—Possibilities and limitations of a new fabrication technique. Dissertation for the Doctoral Degree. Delft: Delft University of Technology, 2003
[59]
Beaucamp A, Freeman R, Morton R,  Removal of diamond-turning signatures on x-ray mandrels and metal optics by fluid-jet polishing. SPIE Proceedings, Advanced Optical and Mechanical Technologies in Telescopes and Instrumentation, 2008, 7018: 701835
CrossRef Google scholar
[60]
Shorey A, Kordonski W, Tricard M. Deterministic precision finishing of domes and conformal optics. SPIE Proceedings, Window and Dome Technologies and Materials IX, 2005, 5786: 310–318
CrossRef Google scholar
[61]
Tricard M, Kordonski W I, Shorey A B, Magnetorheological jet finishing of conformal, freeform and steep concave optics. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2006, 55(1): 309–312
CrossRef Google scholar
[62]
Cheng Y, Fang F, Zhang X. Ultra-precision turning of aspheric mirrors using error-decreasing amendment method. Optical Technique, 2010, 36(1): 51–55 (in Chinese)
[63]
Fang F, Liu X, Lee L. Micro-machining of optical glasses—A review of diamond-cutting glasses. Sadhana, 2003, 28(5): 945–955
[64]
Guan C, Tie G, Yin Z. Fabrication of array lens optical component by using of slow tool servo diamond turning. Journal of National University of Defense Technology, 2009, 31(4): 31–47 (in Chinese)
[65]
Li L, Yi A Y, Huang C,  Fabrication of diffractive optics by use of slow tool servo diamond turning process. Optical Engineering, 2006, 45(11): 113401
CrossRef Google scholar
[66]
Lee W B, Cheung C F, To S,  Integrated manufacturing technology for design, machining and measurement of freeform optics. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(11): 137–148
CrossRef Google scholar
[67]
Zhou P, Xu S, Wang Z,  A load identification method for the grinding damage induced stress (GDIS) distribution in silicon wafers. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2016, 107(8): 1–7
CrossRef Google scholar
[68]
Huang Y, Huang Z. Modern Abrasive Belt Grinding Technology and Engineering Application. Chongqing: Chongqing University Press, 2009 (in Chinese)
[69]
Zhang F. Fabrication and testing of precise off-axis convex aspheric mirror. Optics and Precision Engineering, 2010, 18(12): 2557–2563
[70]
Dai Y, Shang W, Zhou X. Effect of the material of a small tool to removal function in computer control optical polishing. Journal of National University of Defense Technology, 2006, 28(2): 97–101 (in Chinese)
[71]
Shun X, Zhang F, Dong S.Research on remove model and algorithm of resident time for magnetorheological finishing. New Technology & New Process, 2006, (2): 73–75 (in Chinese)
[72]
Liao W, Dai Y, Zhou L,  Optical surface roughness in ion beam process. Journal of Applied Optics, 2010, 31(6): 1041–1045 (in Chinese)
[73]
Guo P, Fang H, Yu J. Research on material removal mechanism of fluid jet polishing. Laser Journal, 2008, 29(1): 25–27 (in Chinese)
[74]
Zhang X, Dai Y, Li S. Study on magnetorheological jet polishing technology. Machinery Design & Manufacture, 2007, (12): 114–116 (in Chinese)
[75]
Zhang J, Wang B, Dong S. Application of atmospheric pressure plasma polishing method in machining of silicon ultra smooth surface. Optics and Precision Engineering, 2007, 15(11): 1749–1755 (in Chinese)
[76]
Zhang Y, Feng Z, Wang Y. Study of magnetorheological brush finishing (MRBF) for concave surface of conformal optics. In: Proceedings of the 8th China-Japan International Conference on Ultra-Precision Machining. Hangzhou, 2011
[77]
Hong T. Research on the machining mechanics of EMR effect-based tiny-grinding wheel. Dissertation for the Doctoral Degree. Guang-zhou: Guangdong University of Technology, 2008
[78]
Li M, Lyu B H, Yuan J,  Shear-thickening polishing method. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2015, 94: 88–99
CrossRef Google scholar
[79]
Zhao T, Deng Q, Yuan J,  An experimental investigation of flat polishing with dielectrophoretic (DEP) effect of slurry. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 84(5–8): 1737–1746
[80]
Yuan J, Wang Z, Hong T,  A semi-fixed abrasive machining technique. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(5): 054006
CrossRef Google scholar
[81]
Qi J, Luo J, Wang K,  Mechanical and tribological properties of diamond-like carbon films deposited by electron cyclotron resonance microwave plasma chemical vapor deposition. Tribology Letters, 2003, 14(2): 105–109
CrossRef Google scholar
[82]
Su J, Guo D, Kang R,  Modeling and analyzing on nonuniformity of material removal in chemical mechanical polishing of silicon wafer. Materials Science Forum, 2004, 471–472: 26–31
[83]
Yuan J, Chen L, Zhao P,  Study on sphere shaping mechanism of ceramic ball for lapping process. Key Engineering Materials, 2004, 259–260: 195–200
CrossRef Google scholar
[84]
Zhou F, Yuan J, Lyu B H,  Kinematics and trajectory in processing precision balls with eccentric plate and variable-radius V-groove. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 84(9–12): 2167–2178
CrossRef Google scholar

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge the financial support from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51375455, 51575492, 51605440, and U1401247) and the Natural Science Foundation of Zhejiang Province (Grant Nos. LY15E050022, LR17E050002, LY17E050022).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg
AI Summary AI Mindmap
PDF(832 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/