REVIEW ARTICLE

Review on the progress of ultra-precision machining technologies

  • Julong YUAN ,
  • Binghai LYU ,
  • Wei HANG ,
  • Qianfa DENG
Expand
  • Ultra-precision Machining Center, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; Key Laboratory of E&M, Zhejiang University of Technology (Ministry of Education and Zhejiang Province), Hangzhou 310014, China

Received date: 01 Jan 2017

Accepted date: 27 Mar 2017

Published date: 19 Jun 2017

Copyright

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg

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.

Cite this article

Julong YUAN , Binghai LYU , Wei HANG , Qianfa DENG . Review on the progress of ultra-precision machining technologies[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2017 , 12(2) : 158 -180 . DOI: 10.1007/s11465-017-0455-9

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).
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

DOI

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) 

DOI

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

DOI

6
Byrne G, Dornfeld D, Denkena B. Advancing cutting technology. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2003, 52(2): 483–507

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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 

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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) 

DOI

41
Wang J, Wang T, Pan G,  Effect of photocatalytic oxidation technology on GaN CMP.  Applied Surface Science,  2016,  361: 18–24

DOI

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

DOI

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

DOI

50
Fox M, Agrawal K, Shinmura T,  Magnetic abrasive finishing of rollers. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1994, 43(1): 181–184

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

54
Kim D W, Burge J H. Rigid conformal polishing tool using non-linear visco-elastic effect. Optics Express, 2010, 18(3): 2242–2257

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

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

DOI

Outlines

/