工业母机—超精密加工Ⅱ丨正式出版

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01

Advances in artificial intelligence-enabled chemical mechanical polishing

作者：王红远，刘瑾，郭磊，吴东旭，李保震，朱李莹，杨树明

单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室、长安大学智能制造系统研究所、西安交通大学-通用技术集团联合研究院、通用技术集团机床工程研究院有限公司

摘要：化学机械拋光（chemical mechanical polishing, CMP）是半导体晶圆平坦化、高端光学元件超精密加工和硬脆材料低损伤制造中的关键技术，在实现纳米级表面质量控制与原子级表面制造中具有重要地位。该过程涉及磨粒运动、界面接触、流体输送和表面化学反应等多物理因素耦合，工艺参数、过程状态与材料去除、表面质量、缺陷形成及加工稳定性之间存在复杂的非线性关系，传统经验模型与试验方法难以满足高精度、高稳定性和高一致性的制造需求。近年来，机器学习、深度学习、强化学习及物理数据融合等人工智能方法逐渐应用于CMP机理建模、过程感知、结果预测和工艺调控。从材料去除与损伤建模、过程感知与状态评估、加工结果预测与质量评价、工艺优化与闭环控制这4个方面系统综述相关研究进展，分析现有研究中数据质量、模型可解释性、跨工况泛化和感知-预测-控制协同等关键问题，并展望物理信息融合、多源数据建模和可靠闭环控制等发展方向，以期为化学机械拋光技术智能化研究与工程应用提供参考。

基金：国家重点研发计划项目“弱刚性复杂曲面X射线反射镜超精密制造技术” （2025YFF0514200）；陕西省“四链”融合项目（2024PT-ZCK-40）

02

Review of slicing, lapping and polishing research status for InP wafer

作者：邓家云，周俊江，温晓宁，白子雷，耿加成，韦华，惠峰

单位：昆明理工大学机电工程学院、云南临沧鑫圆锗业股份有限公司、云南鑫耀半导体材料有限公司

摘要：磷化铟（InP）晶圆的加工流程包括切割、研磨和抛光等，加工过程中造成的表面/亚表面损伤均严重影响材料性能、外延薄膜质量，以及器件性能和可靠性。概述了InP晶圆切割、研磨、抛光的研究现状，分析了当前存在的问题，并对InP超精密加工的未来发展趋势进行展望，给出可行实验方案。针对晶圆加工过程中的表面/亚表面损伤（SD/SSD）大、晶圆损耗大问题，可以采用理论计算-模拟仿真-实验验证等方法开展InP晶圆力学性能及加工状态下的材料变形机理研究、多线金刚石线切割、游离磨料辅助固结磨料研磨、绿色环保化学机械抛光加工中表面/亚表面损伤的形成-影响-调控-去除机理研究，获取晶圆切、磨、抛加工过程中表面/亚表面损伤的调控机理及工艺方法，实现晶圆的高质、高效、无损、环保加工，获得衬底表面原子级精度的理论及加工方法。相关成果可为其他学者开展相关研究提供一定的参考和借鉴。

基金：国家自然科学基金项目“面向原子级制造的磷化铟晶圆力学性能-切割-研磨-抛光加工一体化关系研究” （62564008）；云南省基础研究计划项目“基于电芬顿反应的第三代半导体单晶SiC晶圆化学机械抛光协调增效机理研究”（202301BE070001-030）；云南省基础研究计划项目“单晶GaN电芬顿化学机械抛光协同增效机理研究”（202401CF070088）

03

Multi-objective optimization of arc-edged single-crystal diamond tools

作者：周子骏，张瑞涛，童振

单位：上海交通大学机械与动力工程学院

摘要：金刚石刀具在超精密加工领域具有关键作用。为提升刀具制备性能，对单晶金刚石刀具的晶面布局及研磨角度进行了多目标优化研究。基于单晶金刚石动态微观抗拉强度理论，建立了任意晶面的抗拉强度拟合模型，实现了在晶体对称面两侧强度分布的连续与对称计算。结合非支配排序遗传算法，构建了圆弧刃刀具晶面布局与研磨角度的优化方法，在保证研磨效率的同时平衡刀刃强度与轮廓精度。以前角0°、后角10°、刀尖角60°的圆弧刃刀具为对象，优化结果表明，该方法能够有效降低研磨强度，提升刀刃使用强度并同时改善后刀面强度分布均匀性，提升刀具形貌精度。该方法为高性能金刚石刀具的设计与制备提供了有效的理论指导和技术途径。

04

Static characteristic simulation analysis and optimization design of porous aerostatic bearings

作者：李常胜，田冲，吴东旭，柴攀雯，肖北川，段昊，孙国庆，杨树明，丁建军，蒋庄德

单位：通用技术集团高端数控机床重点实验室、西安交通大学机械工程学院、通用技术集团机床工程研究院有限公司

摘要：多孔质气体静压轴承是超精密机床的核心部件，其静态特性受供气压力、多孔质厚度、渗透率、气膜间隙等多参数耦合影响显著。现有研究多集中于开式止推轴承，对闭式止推轴承的压力分布理论建模、多参数协同作用规律分析不够充分；且在参数优化方面，常受限于仿真数据规模与计算效率，对径向轴承和止推轴承的寻优精度与全局性不足。为此，基于Darcy定律与雷诺方程等，建立了径向轴承与闭式止推轴承的静态特性理论模型，并借助MATLAB系统揭示了各参数对承载力与静刚度的耦合影响规律。研究表明，承载力与静刚度随气膜间隙呈非线性变化，存在明确最优区间；供气压力、多孔质厚度与渗透率对性能影响显著，且参数间具有明显交互效应。进一步，采用遗传算法对供气压力、多孔质厚度、渗透率等关键参数进行自动寻优，在承载力不低于500 N的约束下，实现了针对不同气膜间隙（5～30 μm）的静刚度最大化设计，优化后静刚度最高可达1 306.3 N/μm。该方法有效提升了轴承设计的适应性与工程实用性，为多孔质气体静压轴承的高性能设计与制造提供了可靠的理论依据与优化路径。

基金：通用技术集团高端数控机床重点实验室开放基金资助项目（KLHCMT202403）；通用技术集团科技创新资助项目（KJCX-XA-2024-006）；重点项目-秦创原总窗口“四链”融合项目（2024PT-ZCK-40）

05

Prediction and analysis of straightness of closed hydrostatic guideway based on thin film restrictor

作者：吴东旭，杨栋峰，文博，王基行，李云飞，戴道远，康城玮

单位：通用技术集团机床工程研究院有限公司、西安交通大学机械工程学院

摘要：为精准预测闭式液体静压导轨直线度，揭示误差传递与油膜特性的耦合机制，提出一种基于薄膜节流器的直线度预测方法。通过结构分析明确7组零件、11个结合面的误差传递路径，识别6个油膜结合面为关键误差源。采用傅里叶级数拟合导轨表面直线度数据，基于等效刚体假设建立竖直方向力与力矩平衡方程，将油膜等效为线性弹簧模型，结合油腔压力、油垫承载力及刚度计算，求解油膜反力与平均油膜厚度，构建精度预测模型。实验结果表明，导轨关键零件表面直线度控制在1 μm以下后，根据测量表面数据拟合表面形貌，预测导轨竖直方向直线度误差为0.12 μm/300 mm，与实测结果近似且趋势基本一致，对导轨装配及关键零件表面精度设计具有一定指导意义。

基金：通用技术集团机床工程研究院有限公司科技创新项目（XA-KY2024003-01）；通用技术集团合同项目（CJ-KY2024003）；国家自然科学基金项目重大项目（52293405）

06

Hybrid predictive modeling and controller parameter tuning for ultra-precision aerostatic guideway

作者：马素钰，童振，龚正

单位：上海交通大学机械与动力工程学院

摘要：超精密气浮轴是实现纳米级运动的关键部件，其控制参数的仿真整定依赖于气浮轴模型，模型偏差会导致整定结果难以应用于实际系统。对此，提出一种基于残差网络修正的混合预测建模方法及控制参数整定策略。通过开环扫频试验辨识线性模型，构建残差网络学习线性模型的未建模动态，再基于混合预测模型进行控制参数的贝叶斯优化，结果表明，基于残差网络的混合预测建模提高了开环模型精度，在扫频测试下的拟合度由线性模型的64.00%提升至75.05%，仿真与实际响应的阶跃性能指标偏差仅为5.59%。基于混合预测模型的整定参数使阶跃响应超调量由33.90%降至10.84%，显著提升了气浮轴的动态性能。

基金：创新人才项目（23Z990302671）

07

Analysis of surface formation process in face grinding considering dynamic and static characteristics of the spindle system

作者：宋欣钢，田晓光，孙聪，卢跃

单位：黄河交通学院机电工程学院、东北大学机械学院

摘要：端面磨削因加工效率高、精度优而广泛应用于精密制造领域，但表面去除不均匀问题严重制约加工质量提升。为揭示该现象的内在成因并提出优化方案，开展系统性仿真与试验研究。首先，基于磨床主轴系统动静态特性，完成静力学、模态及瞬态动力学分析；其次，建立耦合主轴系统动静态特性与磨粒退让量的磨粒运动方程，采用轮廓搜索法解析工件表面形成机制；最后，设计正交试验方案进行验证测试。仿真结果表明，轴向进给量增大时，磨粒退让量同步增长；主轴转速在0～1 400 r/min无共振响应，砂轮Z向位移先线性增加后趋于稳定；非整数转速比可使磨粒运动轨迹分布更为均匀。试验测试显示，砂轮转速升高会加剧主轴振动，导致工件中心位置高度波动增大；轴向进给速度增大时，工件表面整体高度差变化显著。此外，主轴振动直接影响表面粗糙度等微观形貌指标，砂轮退让性则对平面度等形位误差起主导作用。通过仿真与试验结合的方式，阐明了端面磨削表面去除不均匀的核心成因，提出了针对性改善建议，为端面磨削技术的优化升级及精密加工应用提供了理论支撑与试验依据。

基金：辽宁省自然科学基金联合基金项目（2023-MSBA-033）

08

KalmanNet-LSTM-based signal processing for precision grating displacement measurement systems

作者：钟皓阳，吴东旭，赵涛，李铎，姜振华

单位：东华大学机械工程学院、通用技术集团机床工程研究院有限公司、西安交通大学机械工程学院、上海交通大学机械与动力工程学院、东华大学信息与智能科学学院

摘要：光栅位移信号处理是超精密机床等高端加工检测装备实现高精度运动控制的关键环节。针对工程场景中光栅正余弦观测链路存在相位偏置、正交误差以及噪声统计随工况变化而呈现不确定性的问题，提出了一种结合长短期记忆网络（long short-term memory, LSTM）与卡尔曼滤波框架（Kalman filter, KF）的改进神经网络辅助卡尔曼滤波（KalmanNet-LSTM）方法。该方法通过数据驱动学习时变增益调节规律，并将光栅正余弦相位相关特征与创新量等统计信息构造作为网络输入，以增强对时序相关扰动与工况变化的建模能力。实验结果表明，在通用运动与自动化控制器（universal motion and automation controller，UMAC）平台实测中，KalmanNet-LSTM的位移误差均方根（root mean square, RMS）误差为0.418 nm，相较于传统卡尔曼滤波降低82.1%。与电容位移传感器真值对比显示，典型运动片段下的均方根误差约为0.378～0.421 nm。研究结果表明，KalmanNet-LSTM在存在相位偏置等结构性误差及噪声统计随工况变化的条件下，具有更强的鲁棒性与估计稳定性，有效提高了超精密机床反馈系统的性能。

09

Uncertainty evaluation of roundness measurement for small cylindrical parts

作者：吴柏荣，李桥林，赵家黎，李星辉，杨树明

单位：清华大学深圳国际研究生院、精密微纳制造技术全国重点实验室、兰州理工大学机电工程学院

摘要：针对微小圆柱工件圆度测量中传统方法受装夹误差、偏心等因素限制的问题，提出一种非接触式超精密坐标扫描法，并分析其圆度测量不确定度。该方法基于分段线性扫描拼接原理，搭建由光谱共焦传感器和线性位移台组成的试验平台，对理论直径0.5 mm的圆柱工件进行测量。将截面圆均分为18段并采集圆弧坐标数据，采用最小二乘拟合和互相关补偿技术重构圆度轮廓，结合蒙特卡洛方法进行不确定度分析。试验结果表明，在 50、150 和 500 UPR滤波条件下，圆度平均值分别为 0.025 85 μm（标准差0.003 43 μm）、0.100 31 μm（标准差 0.020 16 μm）和 0.236 89 μm（标准差 0.040 39 μm），对应半径平均值分别为 0.250 39 mm（标准差 0.000 95 mm）、0.250 42 mm（标准差 0.000 94 mm）和 0.250 44 mm（标准差 0.000 96 mm）。不确定度评价显示，150 UPR滤波时，圆度扩展不确定度小于0.003 5 μm，半径扩展不确定度约0.018 μm，该方法验证了高精度、稳定性和可靠性，为微小圆柱工件的几何精度评价提供有效解决方案。

基金：国家自然科学基金联合基金集成项目（U23B6005）；陕西省重点研发计划重点项目（2024PT-ZCK-40）

10

Material removal mechanism of diamond tool cutting single-crystal silicon based on experiments and atomic-scale simulations

作者：戴厚富，宋甜甜，刘泽，胡立鸿，郝志峰，郭磊，陶能如，Muhammad Harris

单位：汕头大学工学院、武汉大学土木建筑工程学院、西安交通大学机械工程学院、广西大学机械工程学院、拉赫纳工程技术学院工业与制造工程系

摘要：为研究天然单晶金刚石刀具在单晶硅超精密切削过程中的材料去除机理，通过结合实验测试与分子动力学模拟，系统分析了刀具前角与主轴转速对切削性能和表面质量的影响。实验部分采用超精密车削与表面形貌表征技术，测量了不同前角与转速条件下的表面粗糙度，以及不同刀具前角下的切削力和摩擦因数。模拟部分通过建立原子尺度切削模型，揭示了切削速度对原子相变与缺陷形成的影响规律。研究结果表明，0°前角刀具可显著降低平均切向力与摩擦因数，获得更优的表面光洁度。主轴转速的提升可有效降低表面粗糙度，改善表面质量。模拟结果进一步显示，高切削速度能抑制高压相形成、减少缺陷原子。基于实验与模拟数据，通过高斯过程回归与Bootstrap重采样方法构建预测模型，实现了切削性能趋势分析与不确定性评估。研究结论为单晶硅超精密加工参数优化与表面质量控制提供了理论指导与数据支撑。

基金：国家自然科学基金项目（12162008）；国家自然科学基金项目（52105178）；国家自然科学基金联合基金项目（U23B6005）；广东省自然科学基金面上项目（2025A1515011447）；汕头大学科研启动基金项目（NTF23015）

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