一种凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置及抛光方法与流程

本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种用于光电子/微电子半导体基片及光学元件的平面平坦化加工的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置及抛光方法。

背景技术：

随着信息电子化的社会发展，半导体材料作为高性能微电子元器件应用愈发广泛，如单晶硅、氧化铝、钛酸锶和单晶碳化硅等电子陶瓷材料的需求越来越大。一般半导体晶片制造要经过切片、研磨、抛光等工序，要达到良好的使用性能，其表面精度需要达到超光滑程度，面型精度也有较高要求，以LED外延蓝宝石衬底为例，一般要求总厚度偏差小于10μm、表面总平整度小于10μm、表面粗糙度Ra小于0.05μm。因此半导体材料的制造越来越依赖研磨抛光技术来满足其生产要求。

磁流变抛光技术(Magnetorheological finishing,MRF)是20世纪90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，广泛应用于大型光学元件、半导体晶片、LED基板、液晶显示面板等的最后加工工序。磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液在梯度场中发生流变表现为类似固体的性质而形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”,当与工件之间具有快速的相对运动时，工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。但磁流变抛光属于柔性加工，材料去除率低，加工精度难以保证。

为了提高磁流变的抛光效率，专利CN200610132495.9基于磁流变抛光原理和集群作用机理提出了一种基于磁流变效应的研磨抛光方法及其抛光装置，并开展了大量的试验研究，却发现利用抛光液循环方式难以实现“微磨头”的持续更新和凸起使工件加工均匀性问题难以解决。

针对加工均匀性的问题，专利CN201510801886.4提出了一种动态磁场自锐的磁流变柔性抛光垫发生装置及其抛光方法，完好地实现了磁流变柔性抛光垫在加工过程中对工件的恒压力加工，并且能使磨料在加工过程中实时更新自锐，但是由于该专利中装置结构的限制，导致磁流变效应产生的“微磨头”间距较大，在加工过程中工件空行程较长，影响了加工效率和加工性能，而且需要改变磁场强度时要拆卸抛光盘进行永磁体更换，步骤比较繁琐。

本发明在上述深入研究的基础上，提出一种凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置及其抛光方法，优化结构，以凸轮驱动的形式驱动磁铁组实现磁场的范围的改变，使磨料在加工过程中实现实时更新，配合流体动压原理，改善了磁流变柔性抛光垫加工性能，提高磁流变的抛光效率，实现工件的均匀加工。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、加工性能好、效率高、加工均匀性好的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述抛光装置的抛光方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置，主要包括抛光盘转动机构、凸轮驱动机构、工件夹持机构和磁流变抛光液，所述抛光盘转动机构包括第一主轴、轴盖、抛光盘托盘和抛光盘；所述凸轮驱动机构包括设置抛光盘托盘内的第一轴承、凸轮盘、磁体组、弹簧以及设置在第一主轴内的第二主轴、第二轴承和轴套；所述工件夹持机构包括工件盘和固定在工件盘底部的工件；所述磁流变抛光液置于抛光盘面与工件之间，磁流变抛光液在磁体组的作用下形成柔性抛光垫。

具体的，所述抛光盘安装在抛光盘托盘上，抛光盘与抛光盘托盘之间设有用于安装磁体组的空间，所述抛光盘托盘安装在第一主轴上。

具体的，所述第二主轴同轴安装在第一主轴内，所述第二轴承主要受径向力作用，和轴套安装在第一主轴和第二主轴之间，所述轴盖固定在第一主轴底部，实现第二轴承的定位安装，所述第一轴承固定在抛光盘托盘内，主要受轴向力作用，所述凸轮盘固定在第一轴承上，凸轮盘底部与第二主轴固定连接，所述磁体组安装在直线槽内，一端与凸轮盘的外轮廓面抵接，另一端通过弹簧与抛光盘托盘的内壁抵接，工作时，磁体组在凸轮盘的推动下向外运动，又在弹簧的弹力下向内复位，从而实现磁体组的往复直线运动。

优选的，为了使凸轮盘和抛光盘的传动链分开，实现差速运动，本发明所述第一主轴和第二主轴通过两个电机分别驱动。

作为本发明的优选方案，为了获得更好的抛光效果，本发明所述磁体组由若干个永磁体同极或异极相邻排列组成，所述永磁体靠近抛光盘的内表面端面距离为0.5mm至2mm，且永磁体端面磁场强度大于2000Gs。这样设计的好处在于采用异极相邻排列方式产生的磁场强度大，生成的“微磨头”柔韧性好，抛光力量足。

进一步的，为了提高抛光抛光效率，改善抛光的均匀程度，本发明所述抛光盘的表面沿圆周方向设有若干个楔形结构，且所述楔形结构高度为1mm至3mm。当抛光液从工件与楔形结构之间间隙较大地方流向间隙较小的地方时，形成流体动压膜，在动态的柔性抛光垫和流体动压膜的双重作用下，抛光装置可以均匀且快速地去除抛光工件表面的材料，实现高效快速抛光。

作为本发明的优选方案，为了提高抛光效果，本发明所述抛光盘、抛光盘托盘、弹簧和凸轮盘均由抗磁材料制成，所述抗磁材料为不锈钢或镁铝合金。这样设计的好处在于能够尽量避免部件材料磁化，影响运动精度。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种所述的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置的抛光方法，该抛光方法具体包括如下步骤：

步骤S1:将工件安装于工件盘上，工件下表面与抛光盘上表面平行，调节工件下表面与抛光盘之间的间隙为0.5mm至5mm之间；

步骤S2:根据加工工件的特点和加工要求，在去离子水中加入浓度为2％～15％的磨料、浓度为3％～15％的微米级羰基铁粉，及加入浓度为3％～15％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5至30分钟，形成磁流变液；

步骤S3:将磁流变液添加到抛光盘上，分别启动电机，使第一主轴带动抛光盘转动，第二主轴旋转带动凸轮盘差速转动，凸轮盘的转动使磁体组实现一定频率的往返直线运动，实现静态磁场向动态磁场发生转变，磁流变液在动态磁场的作用下形成动态的实时更新的抛光垫；

步骤S4:启动工件盘电机使工具头高速旋转和低速摆动，实现高效率的抛光。

本发明的工作过程和原理是：本发明提供两个动力源使抛光盘和磁体的运动分离，一个电机用于驱动抛光盘旋转，另一个电机通过带动凸轮盘的旋转，使位于抛光盘托盘内的磁体组在凸轮盘的驱动下反复直线运动，实现磁体组从静态磁场向动态磁场转变，迫使抛光盘上的磁流变液在动态磁场的作用下形成动态的、实时更新的柔性抛光垫；另外，在抛光盘上设有沿圆周排列的楔形结构，当磁流变液从楔形结构的低点向高点流动时形成流体动压膜，在动态柔性抛光垫和流体动压膜的双重作用下，工件被均匀快速打磨，获得理想的抛光效果。本发明的结构简单容易实现、打磨均匀性好、效率高、抛光效果好。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置采用两条传动链，实现了抛光盘转动与磁铁运动的分离。

(2)本发明所提供的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置采用电机驱动凸轮，使磁体组在抛光垫托盘内做直线往复运动，用于实时修复柔性抛光垫，以获得更理想的抛光效果。

(3)本发明所提供的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置的抛光盘上设有高低起伏的楔形结构，使磁流变液在流经楔形结构时形成流体动压膜，在柔性抛光垫和动压膜的双重作用下，工件被打磨得更均匀、效率更好、效果更好。

附图说明

图1是本发明所提供的凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置示意图。

图2是本发明所提供的抛光盘托盘的俯视图。

图3是本发明所提供的抛光盘的立体图。

上述附图中的标号说明：

1-抛光盘、2-凸轮盘、3-第二主轴、4-第一轴承、5-磁铁组、6-弹簧、7-抛光盘托盘、8-第一主轴、9-第二轴承、10-轴套、11-轴盖、12-柔性抛光垫、13-工件、14-工件盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置，该装置主要包括抛光盘转动机构、凸轮驱动机构、工件夹持机构和磁流变抛光液，所述抛光盘转动机构包括第一主轴8、轴盖11、抛光盘托盘7和抛光盘1；所述凸轮驱动机构包括设置抛光盘托盘7内的第一轴承4、凸轮盘2、磁体组5、弹簧6以及设置在第一主轴8内的第二主轴3、第二轴承9和轴套10；所述工件夹持机构包括工件盘14和固定在工件盘底部的工件13；所述磁流变抛光液置于抛光盘1与工件13之间，磁流变抛光液在磁体组的作用下形成柔性抛光垫12。

其中,所述抛光盘1安装在抛光盘托盘7上，抛光盘托盘7安装在第一主轴8上。所述第二主轴3同轴安装在第一主轴8内，所述第二轴承9和轴套10安装在第一主轴8和第二主轴3之间，轴盖11固定在第一主轴底部，实现第二轴承9和轴套10的定位安装，所述第一轴承4固定在抛光盘托盘7内，所述凸轮盘2固定在第一轴承4上，凸轮盘2底部与第二主轴3固定连接，凸轮盘2用于驱动磁体组5，实现磁体组5的直线运动,所述磁体组5由若干个永磁体同极或异极相邻排列组成，永磁体靠近抛光盘的内表面端面距离为0.5mm至2mm，所述永磁体端面磁场强度大于2000Gs,磁体组5外侧通过弹簧6连接抛光盘托盘7内侧，安装在抛光盘托盘7的直线槽内。所述抛光盘1的上表面沿圆周方向设有多个楔形结构,且所述楔形结构高度为1mm至3mm。所述磁铁组均匀分布在抛光盘楔形结构下方。

本发明还提供一种凸轮驱动磁体式磁流变流体动压抛光装置的抛光方法，包括以下步骤：

1)将蓝宝石基片13安装于工件盘14上，工件13下表面与抛光盘1上表面平行，调节工件13下表面与抛光盘1之间的间隙为0.5mm；

2)根据加工工件13的特点和加工要求，在去离子水中加入15％的金刚石微米级磨料、浓度为20％的亚微米级羰基铁粉及加入浓度为15％的分散剂和浓度为2％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液；

3)将磁流变液添加到抛光盘1上，分别启动电机，使第一主轴8带动抛光盘1转动，第二主轴3旋转带动凸轮盘2转动，凸轮盘2的转动使磁体组5实现一定频率的往返直线运动，实现静态磁场向动态磁场发生转变，磁流变液在动态磁场的作用下形成动态的实时更新的抛光垫12；

4)启动工件盘电机使工件盘30高速旋转和低速摆动，实现高效率的抛光。

该抛光方法在抛光加工的过程中，磁流变抛光液填充于抛光盘1上表面的楔形结构上，形成柔性磁流变抛光垫12，在抛光过程中凸轮盘2驱动磁铁组5运动实现柔性磁流变抛光垫12的实时修复，当抛光液从工件13与楔形结构之间间隙较大地方流向间隙较小的地方时形成流体动压膜，在动态的柔性抛光垫12和流体动压膜的双重作用下均匀快速去除抛光工件表面材料，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。