集群磁流变平面抛光加工技术

第 50卷第 1期 20l 4 年 1月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vo1．50 NO．1 Jan． 2014 Dol： 10．3901／JM E．2014．O1．205 集群磁 亚 I'It,又— 面抛光加工技术木 潘继生 阎秋生 路家斌 徐西鹏2 陈森凯 (1．广东工业大学机电工程学院 广州I 510006； 2．华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心 厦门 361021) 摘要：基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术，对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行 静磁场有限元分析优化，结果明，选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立 “微磨头”组成的柔性抛光 膜，能实现加工表面与 “微磨头”的实际接触面积最大化。通过设置 “微磨头”尺寸及数量与工件的接触状态，对 K9玻璃、 单晶硅和单晶 6H．SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带，试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛 光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化，并采取优化工艺对三种 硬脆材料进行 30 min抛光，K9玻璃表面粗糙度从 R 0．34岬 下降到 1．4 am，单晶硅从R。57．2 am下降到 兜4 nm，单品 SiC从 72．89 am下降到 1．92 nm，均能获得纳米级粗糙度表面。 关键词：集群磁流变效应：平面抛光；磨粒半固着：表面粗糙度；硬脆材料 中图分类号：TG356 Cluster M agnetorheological Effect Plane Polishing Technology PAN Jisheng YAN Qiusheng LU Jiabin XU Xipeng CHEN Senkai (1．School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technolog~Guangzhou 5 1 0006； 2．Engineering Research Center for Brittle Materials Machining，Huaqiao University,Xiamen 361021) Abstract：Base on magnetorheological effect and cluster principle，the cluster magnetorheological effect plane polishing technology is proposed．The magnetic field characteristics of pole arrangement，the pole tip shape and different magn etic pole size are analysed by static magn etic field finite element software．It is found that soft polishing pad is more easily composed of multiple independent micro grinding head by select cylindrical flat bouom magn etic pole and a~ange in the same direction，then the contact area of workpiece and micro grinding head maximization can be realized．By setting the contact state between the workpiece and the micro grinding head size and number，arC polish belt of K9 glass，single crysta silicon wa~rs and single crystal 6H-SiC wafers are polished for testing and verifying the cluster characteristics of micro grinding head．Optimization experiments are conducted to optimize the machining gap betw een the workpiece and the polishing disc surf_ace，polishing time，the magnetic field strength of disk end and speed．By polishing K9 glass，single crysta silicon wa~rs and single crystal 6H—SiC wa~rs with the optimized parameters，nanoscale roughness surface are obtained in 30 min．The surface roughness of K9 glass，single crysta silicon wa~rs an d single crystal SiC can be reducedfrom Ra0．34 gm toRa1．4nm，Ra57．2 am toRa4nm andRa72．89nm toRa1．92 am，respectively． Key words：cluster magnetorheological effect；plane polishing；semi-fixed abrasive；surface roughness：hard and fragile materials 0 前言 磁流变抛光技术(Magnetorheological finishing， MRF)是 20世纪 9O年代由KORDONSKI及其合作 者将电磁学、流体动力学、分析化学、加工工艺学 等相结合而提出的一种新型的光学表面加工方法， 具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表 国家 自然科学基金资助项 目(U1034006，51305082，51375097)。 20121227收到初稿，20131101收到修改稿 面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一 种革命性光学表面加工方法，特别适合轴对称非球 面的超精密加工 q¨j。但目前采用磁流变抛光方法对 平面工件进行加工时，主要是把工件置于一圆弧形 抛光盘上方，工件表面与抛光盘之间形成的凹形间 隙，抛光盘下方布置一个磁感应强度可调的电磁铁 磁极或者永磁体磁极使凹形间隙处形成高强度梯度 磁场，当磁流变液随抛光盘运动到工件与抛光盘形 成的空隙附近时形成的柔性凸起 “抛光缎带”，但 “抛光缎带”与工件表面属于 “斑点”局部接触，在 潘继生等：集群磁流变平面抛光加工技术 的 l20 mmx~150 mmx15 mm的环形永磁铁抛光效 果进行对比，试验结果如图 l3所示。 g 宾 恒 懈 趟 咯 阁 13 不同 “微磨头”排布对抛光效果的影响 由图 13可见，对于 3种不同的材料，均具有 相同的变化趋势：在工件加工区域内，磁极同向排 布形成的 “微磨头”数量越多，抛光效果越好，环 形全区域接触抛光效果最好；同时，从同向三点和 反向三点的试验结果可以看出，对于相同的磁极数 量，磁极同向排布所获得的表面粗糙度小于磁极反 向排布。 由此可见，传统的磁流变抛光只有一个 “微磨 头”与工件接触， “微磨头”扫描加工整个工件表 面需要时间，而集群磁流变平面抛光可以保证工件 表面与多个 “微磨头”同时接触工作，因而可以实 现高效率抛光。 2．4 集群磁流变平面抛光加工试验 为进一步探索集群磁流变平面抛光加工特性， 优化试验参数，采用 15 mm~15 mm的圆柱平底磁 极，按图 1la所示规律以磁极中心距约 20 mm同向 多环布置于厚度为 5 mm的抛光盘内，用特拉斯计 测出盘面磁感应强度，采取不同工件与抛光盘表面 之问的间隙、加工时问、磁感应强度、工件与抛光 盘之间的相对转速等工艺参数对 K9玻璃、单晶硅 和单晶 SiC基片进行抛光对比试验。 2．4．1 加工间隙对加工效果的影响 在相同的磁极及布置情况下，加工间隙越大， 工件表面的磁感应强度越弱，因而加工问隙是影响 抛光效果的一个重要因素。在盘面磁感应强度约 0．19 T、加工时间为 20 min、工件转速为 200 r／min、 抛光盘转速为 30 r／min、工件左右摆速为 20 mm／s 条件下，对 3种材料基片以不同加工间隙进行加工 试验，结果如图 14所示。 从图 14可以看出，三组工件有大致相同的变 化趋势，即工件表面粗糙度 随着抛光盘与工件间 间隙的增大而升高，说明随着加工间隙的增大，由 于磁感应强度的衰减，对工件的加工作用逐渐减弱； 由图 l4同时可以看出相同加丁 条件下，三组工件在 加工间隙为 1 mm左右时工件表面粗糙度达到最小 值。加工间隙对抛光效果存在两方面的影响，一方 面，随加工间隙减小抛光膜硬度增大，相同加工时 间内抛光效果改善；另一方面，随着加工间隙减小 到一定程度，集群磁流变抛光膜趋向于固着磨料， 有可能损伤加工表面造成表面粗糙度增大，也就是 说存在合理的加工间隙，本试验条件下加工间隙 0．6～2．0 mm较为合理。 图 l4 加工间隙对加：I==效果的影响 2．4．2 加工时间对加工效果的影响 在盘面磁感应强度约 0．19 T、加工间隙为 1 mm、工件转速为 200 r／min、抛光盘转速为30 r／min、 工件左右摆速为 20 mm／s条件下，采用不同加工时 间对 3种材料进行加工试验，结果如图 l5所示。由 图 15可见，随着加工时间的延长，三组工件表面粗 糙度表现出大致相同的趋势，在开始加工的 10 min 内加工表面粗糙度快速下降，单晶 SiC由尺 42 nm 下降到 R 8．9 nm、单晶硅由R 0．5 gm下降到 R 0．034 pm、K9玻璃由R 0．42 gm下降到尺 0．032 gm， 下降均超过了 1个数量级，之后随着加工时间的延 长，加工表面粗糙度均匀降低，加工 30 min时表面 粗糙度分别下降到单晶SiC：R 5．8 nm、单晶硅： 14 nm、K9玻璃： 8 nm，此后继续延长加工时 间加工表面粗糙度逐渐趋向稳定。说明在加工初期 10 min内，由于工件表面凸起的尖峰处抛光压力较 大，抛光膜的去除作用较强，因此工件表面粗糙度 内急速下降；随着工件表面凸起的尖峰高度下降， 磨粒的切削作用较之前减弱，因此在 30～50 min 内，工件表面粗糙度下降开始平缓，但表面质量仍 有所改善。由此可见，集群磁流变平面抛光对于去 除加工表面的高频凸点分量具有显著的效果，这正 是该抛光方法的独特之处。 一 般来讲，加工条件不变表面粗糙度降低到一 定程度后，即使继续延长加工时间，表面粗糙度也 会趋近于稳定值，对集群磁流变抛光平面抛光而言 加工时间控制在 30"--40 min之间有较好的效果。 210 机 械 工 程 学 报 第 50卷第 1期 宕 翼 恒 帐 ∽ 喀 加工时I司／min 图 15 加工时间对加工效果的影响 2．4-3 磁感应强度对加工效果的影响 磁感应强度决定了抛光膜中 “微磨头”的形状 和剪切屈服强度，因而对材料去除效率有直接影响。 在加工间隙为 0．8 mm、工件转速为0 r／min、抛光盘 转速为 180 r／min、工件左右摆速为0 mm／s、加工时 间为 35 min条件下，采用不同盘面磁感应强度对 3 种材料基片进行加工试验，结果如图 16所示。 盘面磁感应强度厂r 图 16 盘面磁感应强度对加工效果的影响 从图 16可以看到，随着盘面磁感应强度的增 大，三组工件表现出相同的趋势：盘面磁感应强度 在 0．2 T之前，随着盘面磁感应强度的增大，抛光 后工件的表面粗糙度成一个近似线性的减小，其原 因被认为是随着盘面磁感应强度的增大，“微磨头” 变硬，抛光区的磁流变液剪切屈服强度随之增加， 磁流变效应对磨料颗粒的把持作用增大，磨料颗粒 对加工表面的去除作用增强；当盘面磁感应强度达 到 0．2 T后，表面粗糙度变化减小，随着磁感应强 度增加表面粗糙度有增大的趋势，这说明随着盘面 磁感应强度的增大， “微磨头”的硬度相对越高， 抛光膜的刚性增大，趋向于固着磨料的抛光，有可 能局部损伤了加工表面。因而本试验条件下，盘面 磁感应强度最优值约为0．19 T。 2．4．4 转速对加工效果的影响 集群磁流变平面抛光加工中，磨料在加工表面 的相对速度是影响抛光效果的重要因素之一，而相 对速度由抛光盘的转动速度、工件的转动速度和工 件与抛光盘相对平摆速度三个因素所决定。为了优 化三个速度因素对工件加工效果的作用，在盘面磁 感应强度约0．19 T、加工间隙为 1 mm、加工时间为 30 min条件下，设计如表 1所示的正交试验表，不 考虑各速度因素的相互作用，对每个因素在前期试 验经验获得的最佳速度中选取三个水平对原始粗糙 R 0．488 1的单晶硅进行 L9(3 )正交优化试验，以 加工表面粗糙度为目标函数，试验结果及各列与各 水平对应的均值和各列的极差结果如表 2所示。 表 1 正交试验因子及其水平 影响因素 试验号 抛光盘 转速 ／(r／min) 表面粗糙度 工件转速 工件摆速 Rdum ／(r／min) ／(mm／s) 从极差的大小可以看出各个因子对于表面粗 糙度的影响顺序：工件转速>抛光盘转速>工件平摆 速度，从试验结果可以看出，抛光盘转速为 30 r／min、工件转速为600 r／min、工件摆速为 5 mm／s 时是最优组合，可以获得的较好的加工效果。 2．5 集群磁流变平面抛光加工表面形貌 在加工间隙为 1 mm、盘面磁感应强度约为0．19 T、抛光盘转速为30 r／min、工件转速为600 r／min、 工件摆速为 5 mm／s的优化工艺参数下，对 3种材料 基片进行了30 min集群磁流变平面抛光，K9玻璃 表面粗糙度从R 0．34 gm下降到了 1．4 nm，单晶 硅从 57．2 nm下降到了 R 4 nm,单晶 SiC从 尺 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 E 翼恒 罄铎 )l ∞咄井 212 机 械 工 程 学 报 第 50卷第 1期 polishing method based on magnetic rheology effect and its polishing device： China， 200610132495．9[P]． 2009．05—13． 【8]YAN Jiewen，YAN Qiusheng，LU Jiabin，et a1． Experimental research on smooth surface polishing based on the cluster magnetorheological effect[J]． Key Engineering Materials，2012，516：79—83． [9】赵博．Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M】．北京：水 利水电出版社，201 1． (上接第 204页) 【5] PATIR N，CHENG H S．An application of average flow model to lubrication between rough sliding surfaces[J]． Journal of Lubrication Technology，1 979，i 0 1(2)： 220．229． [6】吴承伟，郑林庆．接触因子及其在研究部分流体润滑中 的应用[J]．润滑与密封，1989(3)：1-6． WU Chengwei，ZHENG Linqing．A contact factor and its application in studying partial hydrod) namic lubrication[J]．Lubrication Engineering，1989(3)：1-6． 【7】JINXQ，KEERLM，WANGQ．A3DEHL simulation of CMP[J]．Journal of Electrochemical Society，2005， ZHAO Bo．Application of Ansoft 1 2 in engineering electromagnetic field[M]．Beijing：China WaterPower Press，201 1． 作者简介：潘继生(通信作者)，男，1980年出生，博士研究生，讲师。 主要研究方向为光学材料超精密加工、机械传动装置与高性能传动系统 设计。 E-mail：panjisheng@gdut．edu．cn 阎秋生，男，1962年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方 向为微纳加工、光电子／微电子材料磨粒加工、金属材料低碳节材加工。 E·mail：qsyan@gdut．edu．cn 152(1)：G7-G15． [8】MOON Y，DORNFELD D A．Investigation of the relationship between Preston’S coem cient and friction coefficient in chemical mechanical polishing(CMP)of silicon[C]# ASPE 1998 Spring Topical Meeting on Silicon Machining，， 1 998， Monterey， CA．Raleiph： American Society for Precision Engineering，1998：47—48． 作者简介：周平(通信作者)，男，1980年出生，博士，讲师。主要研究 方向为超精密加工技术和表面功能结构设计与制造。 E—mail：pzhou@dlut．edu．Crl