一种磁流变双面抛光装置的制作方法

本发明属于光学抛光技术领域，具体涉及一种以磁流变为基础的双面抛光装置。

背景技术：

双面抛光在半导体晶片和蓝宝石材料光学器件等诸多方面有着广泛的应用。一般来说，这些应用都要求双面抛光后的元件具有较高的粗糙度、光洁度，较小甚至无表面和亚表面损伤，同时双面抛光装置要具有高抛光效率，低生产成本，适合流水线大规模生产，对环境无污染等。元件口径的增大也对双面抛光提出了更高要求，比如半导体硅晶片，已经要求直径达到450mm。另外，不仅仅平面需要双面抛光，很多曲面材料同样也需要双面抛光。

目前双面抛光主要集中于正压力抛光机理为主的抛光方法。这些方法用固着磨料或散粒磨料，以抛光革等为磨盘对元件施于一定的正压力，进而对元件进行机械或化学机械抛光。由于正压力的存在，抛光后往往存在较为严重的表面和亚表面损伤，粗糙度和光洁度等无法满足要求，抛光效率较低。另外，目前的双面抛光也主要集中在平面元件抛光中，磨料往往无法有效回收，元件表面被去除的材料不能有效清理，因而造成了抛光适用性不强，成本相对较高，对环境存在污染等问题。大口径元件的双面抛光也是现有方法面临的一个巨大挑战。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种磁流变双面抛光装置，即以剪切力为基本去除机理的磁流变双面抛光装置及方法，用来消除双面抛光前一阶段-研磨产生的表面和亚表面损伤，提高元件表面粗糙度和光洁度，提升抛光效率，降低生产成本及其产生的环境污染，最终适用于不同厚度平面元件甚至曲面元件的批量生产。

一种磁流变双面抛光装置，包括磁流变液供给回收机构以及两个磁流变抛光机构，每个磁流变抛光机构均包括固定板、主动轮、运输带以及磁盒；所述主动轮安装在固定板的一端，磁盒固定安装在固定板的另一端；运输带套装在两个主动轮以及磁盒的外轮廓上；两个磁流变抛光机构中的磁盒靠近布置，待抛光元件置于两个磁盒之间；磁流变液供给回收机构包括喷嘴、回收盒、喷出泵以及回收泵；每个运输带至少配置一个所述喷嘴和一个回收盒，喷嘴设置在磁盒的端部位置，并位于运输带运动的起始方向的一端；回收盒设置在主动轮外侧；喷出泵向喷嘴提供磁流变液，回收泵通过回收盒回收磁流变液；所述磁盒中设置工作磁铁，用于产生磁流变液产生流变的磁场。

进一步的，还包括支架，所述两个磁流变抛光机构固定在支架上，支架控制两个磁流变抛光机构的相对位置。

进一步的，所述磁流变抛光机构还包括辅助磁铁，布置于运输带附近，用于控制磁流变液在运输带上稳定分布。

进一步的，还包括装卡工具，用于固定待抛光元件以及控制待抛光元件运动。

较佳的，所述工作磁铁的数量为大于或等于两个，在磁盒中均匀布置，相邻两个工作磁铁的极性互为镜像关系。

较佳的，所述磁盒朝向待抛光元件一侧的外形结构与待抛光元件的外形结构一致；磁盒中布置的工作磁铁分布形状与磁盒的外形结构一致。

进一步的，当所述待抛光元件为曲面时，磁盒朝向待抛光元件一侧的外形结构为与待抛光元件的外形结构一致的曲面。

进一步的，还包括磁流变液控制系统，磁流变液控制系统进一步包括磁流变液的搅拌器、水冷装置、温度传感器、压力传感器、粘度传感器以及电磁流量计。

较佳的，所述喷嘴和回收盒位于靠近磁流变液供给回收机构的一侧。

较佳的，所述主动轮表面为磨砂表面。

进一步的，至少有两个所述磁流变双面抛光装置并联形成双面抛光系统，待抛光元件从所有的双面抛光装置的两个运输带之间顺次通过。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种磁流变双面抛光装置，利用以剪切形式为主要材料去除方式的磁流变进行双面抛光，消除了被抛光表面的表面及亚表面损伤，提高了被抛光表面的粗糙度及光洁度。本发明可以通过提高磁流变液的运输速度，即通过提高磁流变液的流量及主动轮的转速，显著提高抛光效率；可以通过减小运输带与被抛光表面之间的距离而提高抛光效率；可以通过增加喷嘴数量显著提高抛光效率。本发明通过改变磁场作用区域尺寸与形状、磁流变液运输带尺寸和磁流变液运输速度等可以适应不同口径平面或曲面元件的双面抛光，尤其适合大口径元件双面抛光。本发明的装置可以并联组合，实现高效率大规模生产。本发明中对磁流变液进行回收并循环利用，降低生产成本，对环境无污染。本发明设计概念明确，工程操作简易可行，成本低，适合于大规模批量生产。

附图说明

图1是本发明磁流变双面抛光装置的示意图；

图2是本发明磁流变双面抛光装置的沿着图1中C-C的剖面示意图；

图3是本发明磁流变双面抛光装置的左视图示意图；

图4是本发明磁流变双面抛光装置的右视图示意图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)和图5(d)是本发明磁流变双面抛光装置加工平面及曲面的磁铁盒与磁铁形状示意图；

图6是本发明并联组合进行批量生产示意图。

其中，1-待抛光元件，2-装卡工具，3-运输带，4-磁盒，5-主动轮，6-喷嘴，7-液带，8-固定板，9-辅助磁铁，10-回收盒，11-支架，12-分管道，13-喷出泵，14-主管道，15-控制系统，16-回收主管道，17-回收泵，18-回收主管道，19-工作磁铁。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种磁流变双面抛光装置，包括：所述供给磁流变液的喷嘴6及相关蠕动泵。所述回收磁流变液的回收盒10及相关蠕动泵。所述对磁流变液进行储存和温度粘度等性能控制的磁流变液循环控制系统，所述永磁型磁铁及固定工作磁铁19的磁盒4，所述传送运输磁流变液至磁场中的运输带3，驱动运输带3运动的主动轮5及电机，所述双面抛光装置的固定板8，所述双面抛光装置的位置运动结构及电机，所示抛光元件的装卡工具2。

每个磁流变抛光机构均包括固定板8、主动轮5、运输带3以及磁盒4；所述主动轮5安装在固定板8的一端，磁盒4固定安装在固定板8的另一端；运输带3套装在两个主动轮5以及磁盒4的外轮廓上；两个磁流变抛光机构中的磁盒4靠近布置，待抛光元件1置于两个磁盒4之间；磁流变液供给回收机构包括喷嘴6、回收盒10、喷出泵13以及回收泵17；每个运输带3至少配置一个所述喷嘴6和一个回收盒10，喷嘴6设置在磁盒4的端部位置，并位于运输带3运动的起始方向的一端；回收盒10设置在主动轮5外侧；喷出泵13向喷嘴6提供磁流变液，回收泵17通过回收盒10回收磁流变液；所述磁盒4中设置工作磁铁19，用于产生磁流变液产生流变的磁场。

所述主动轮5带动所述运输带3进行高速运动，主动轮5表面做磨砂等处理，增大轮与磁流变液运输带3之间的摩擦力。所述磁流变液运输带3将所述喷嘴6喷出的磁流变液带入磁场中，形成柔性磨头，对所述待抛光元件1进行抛光，所述回收盒10对经过运输带3传送的磁流变液进行回收，回收的磁流变液再次进入所述磁流变液循环控制系统15，所述磁流变液循环控制系统15总各个传感器对磁流变液进行监控。所述双面抛光装置是一个近似镜像结构，可以分为A和B两个部分，其中处于下方的B部分，需要更多的辅助磁铁9帮助磁流变液附着在运动的运输带3上，最终进行回收。待抛光元件1位于所述抛光装置中间，所述双面抛光装置运动机构可以调整所述运输带3及磁铁距离元件表面的距离，而且可以单独调整所述A或B部分与抛光元件表面之间的距离。移动待抛光元件1可以实现对抛光元件全口径抛光，调整所述主动轮5的运动速度可以调整抛光效率，调整所述运输带3与元件表面之间的距离可以调整抛光效率。

抛光的元件以平面元件为主，但是也可以为曲面。抛光平面时，磁盒4与运输带3接触的面设计成平面，磁铁一般也随时作相应的曲面设计，保证磁场分布满足平面双面抛光需求；抛光曲面时，磁盒4与运输带3接触的面设计成相应的曲面，磁铁一般也随之作相应的曲面设计，保证磁场分布满足曲面双面抛光需求，磁流变液在磁场作用区域形成的液带7与曲面轮廓具有一定的吻合性。

喷嘴6在双面抛光装置A和B两个区域的分布可以是每个区域一个，即在双面抛光装置中仅有一对喷嘴6，也可以是多对喷嘴6，多对喷嘴6的使用可以显著提高双面抛光效率。使用多对喷嘴6时，回收盒10数量也做相应增加，也可以仅仅使用一对较大的回收盒10，保证多对喷嘴6时，磁流变液能够有效回收即可。使用多对喷嘴6时，磁铁数量也做相应的增加，磁流变液回收和喷出管道等附件也做相应增加。

利用所述磁流变双面抛光装置可以建立高速抛光生产线。磁流变双面抛光装置进行并联组合，形成一套双面抛光系统，被加工元件依次通过各个双面抛光装置即可完成双面抛光。

本发明提供的是一种磁流变双面抛光装置，如图1所示的磁流变双面抛光装置的结构示意图，该磁流变双面抛光装置抛光效率高，元件无表面及亚表面损伤，粗糙度及光洁度好，同时可以实现对平面与曲面进行双面抛光，生产成本低，对环境无污染。

图1中的磁流变双面抛光装置，包括装卡工具2，装卡工具2与水平运动机构相连(图中未显示)，磁流变液运输带3，装有工作磁铁19的磁盒4，工作磁铁19形成的工作磁场区域中有被抛光工件1通过，带动磁流变运输带3运动的主动轮5，磁流变液喷嘴6，磁流变液喷出后形成的液带7，磁流变液回收盒10，支架11及位置移动机构，包括使抛光装置上下两个部分上下运动的轴运动机构及其电机(图中未显示)；磁流变液循环及性能控制系统15包括磁流变液的搅拌器、水冷装置、温度传感器、压力传感器、粘度传感器以及电磁流量计等(图中未显示)，与喷嘴6相连的磁流变液喷出分管道12，喷出泵13，磁流变液喷出主管道14，与回收盒10相连的回收主管道16，回收泵17，回收主管道18。抛光机构的固定板8与支架11相连。辅助磁流变液在运输带3上稳定分布的多个辅助磁铁9。

对于待抛光元件1进行磁流变双面抛光时，首先打开15中搅拌器、水冷装置、各个传感器等器件，打开回收泵17和喷出泵13，喷嘴6喷出磁流变液。主动轮5按图1中ω的方向转动，带动磁流变液运输带3，磁流变液由磁流变液运输带3带入磁盒4中工作磁铁产生的磁场有效工作区域内，在磁场作用下磁流变液发生流变，形成一个柔性磨头。将待抛光元件1由装卡工具2装卡后置于图中位置，与装卡工具2相连的水平运动机构可以使元件1移动，磁流变液形成的柔性磨头对元件进行以剪切方式为主的双面抛光。磁流变液再被运输带3带出磁场区域，在辅助磁铁9的帮助下附着在运输带3上，被回收盒10收走进入15，回收盒10与喷嘴6都位于图1中抛光装置的左侧。磁流变液在整个系统中不断循环，不会残留在待抛光元件1上，不形成任何污染。

通过位置移动机构11可以调节磁盒4与元件表面1之间的距离，也是调节磁流变液运输带3与元件表面1之间的距离，距离越近抛光效率越高。另外，可以通过调节主动轮5的转速(磁流变液的运输速度)以及喷嘴6的喷出流量等调节抛光效率，主动轮5速度越快，喷嘴6流量越大，抛光效率越高，其他参数应与之匹配，比如回收泵17的转速。

图2是本发明磁流变双面抛光装置沿着图1中C-C的剖面示意图，7是附着在磁流变液运输带3上的磁流变液形成的液带7，在工作磁铁形成的有效工作区域，液带7粘度与硬度很大，形成磨头；在辅助磁场中，液带7粘度与硬度较小但能稳定附着在运输带3上。工作磁铁19的N-S磁极交错排列。

图3是本发明磁流变双面抛光装置的左视图示意图，示例中3个喷嘴6一起使用，对应3个回收盒10，在运输带3上形成3个磁流变液带7，可以进行其他数量喷嘴6组合使用，回收盒10也可以只设计成一个较大的回收盒10，确保每个喷嘴6喷出的磁流变液能够回收即可。

图4是本发明磁流变双面抛光装置的右视图示意图，磁流变液形成的液带7，在辅助磁铁9帮助下附着在磁流变液运输带3上，随运输带3一起运动。

图5是本发明磁流变双面抛光装置加工平面及曲面的磁盒4与磁铁形状示意图，给出了图(a)(b)(c)(d)四种常见元件。磁盒4及工作磁铁形状的改变，使得磁流变液运输带3几何轮廓也随之改变，在磁场工作区域中形成的粘度和硬度变大的磁流变液带7轮廓也发生改变(液带7未画出)，液带7轮廓与被加工的平面或曲面元件轮廓相吻合。因此，可以对平面板、曲面薄板、双凹曲面、双凸曲面、平凸曲面及平凹曲面等进行有效的双面抛光。

图6是本发明并联组合进行批量生产示意图，20和21，22和23，24和25，分别是本发明提供的磁流变双面抛光装置，若干装置进行并联组合，形成一套整体系统，被加工平面元件依次通过各个双面抛光装置。通过这种组合用于批量生产，可以进一步提高效率并降低成本。但可以通过其他方式的组合实现平面或曲面的双面抛光。

另外，本文发明的磁流变双面抛光装置，也可以通过增大磁场作用区域、增大磁流变液运输带3面积和使用多喷嘴6结构等适应大口径元件的双面抛光。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。