郭明亮， 閻秋生， 潘繼生， 肖曉蘭

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣州 510006)

隨著LED照明、智能手機(jī)及平板電腦等市場的迅速發(fā)展，對超光滑平面光學(xué)元器件的需求越來越大，其表面加工質(zhì)量的要求也越來越高，元件的表面粗糙度達(dá)到納米級甚至埃級[1-2]。傳統(tǒng)的機(jī)械拋光通常以拋光輪作為拋光工具，但隨著加工的進(jìn)行，拋光輪出現(xiàn)磨損，影響與加工元件的吻合，導(dǎo)致去除過程不穩(wěn)定，難以獲得穩(wěn)定的加工效率和精度[3]。針對傳統(tǒng)加工方法的不足，近年來出現(xiàn)了較多的先進(jìn)拋光方法，包括磁流變拋光、離子束拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、氣囊拋光和磁射流拋光等確定性拋光技術(shù)[4]。其中，磁流變拋光技術(shù)是由KORDONSKI等基于磁流變效應(yīng)提出的一種新型的光學(xué)表面加工方法，具有去除函數(shù)穩(wěn)定、加工過程可控和不產(chǎn)生次表面損傷等傳統(tǒng)拋光所不具備的優(yōu)點(diǎn)[5-6]。閻秋生等[7-8]基于磁流變拋光原理和集群作用機(jī)理，提出集群磁流變平面拋光技術(shù)。在加工過程中，使用磁流變拋光墊來約束磨粒并使磨粒聚集于拋光墊表面，使不同尺寸的磨粒可以均等作用于加工表面，來實(shí)現(xiàn)大面積平面超光滑平坦化加工。然而，在集群磁流變拋光過程中，因磁極與拋光盤無相對運(yùn)動(dòng)，盤面上形成靜態(tài)磁場，且磁流變液在磁場作用下的黏彈性，導(dǎo)致靜磁場下磁流變拋光墊對工件表面加工后受力畸變且形狀不易恢復(fù)，出現(xiàn)難以修復(fù)的磨損，使加工穩(wěn)定性、加工精度和加工效率受到一定程度地制約。

為此，本課題組提出多磁極相對拋光盤偏心旋轉(zhuǎn)從而在盤面上形成動(dòng)態(tài)磁場，實(shí)現(xiàn)磁流變拋光墊實(shí)時(shí)修整的動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變平面拋光方法。在動(dòng)態(tài)磁場作用下的磁性粒子隨著磁場旋轉(zhuǎn)并且轉(zhuǎn)向相同，磁性粒子具備動(dòng)態(tài)行為，由此推動(dòng)磨料顆粒隨時(shí)間不斷地更新，實(shí)時(shí)修復(fù)拋光墊，使工件表面材料去除過程穩(wěn)定，從而提高拋光效果和加工效率。通過對比單晶硅基片在不同磁場形式和拋光方式下的加工效果，對動(dòng)態(tài)磁場作用下單晶硅片的加工機(jī)理進(jìn)行了深入研究。

1 動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光作用機(jī)理及實(shí)驗(yàn)原理

1.1 動(dòng)態(tài)磁場作用機(jī)理

在磁流變拋光中，磁流變液作為一種智能材料，能夠在磁場作用下由液體轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥泽w，撤去磁場后又轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體，即表現(xiàn)出磁流變效應(yīng)[8]。根據(jù)TAO[9]的研究，在沒有施加磁場作用前，拋光盤上的磁性粒子和磨料顆粒隨機(jī)懸浮在磁流變液體中；施加磁場作用后，磁性粒子會在幾毫秒時(shí)間內(nèi)沿著磁力線方向形成較厚的磁鏈串，磨料被磁鏈串所約束和夾持，磁場力通過磁鏈串傳遞到磨料與工件表面。當(dāng)磁極與拋光盤無相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在盤面上注入的磁流變液體在靜態(tài)磁場作用下形成靜態(tài)的拋光墊。

圖1為靜態(tài)磁場加工原理圖。如圖1a所示，當(dāng)工件與拋光墊首次接觸拋光時(shí)，約束在磁鏈串中的磨料受到工件的擠壓作用而“容沒”于拋光墊中，由于磁流變液中的磁性粒子在分散相中具有黏彈性，黏力會導(dǎo)致磁鏈串在外力作用下斷裂而不能恢復(fù)，所以約束于磁鏈串中的磨料會一直被“容沒”；如圖1b所示，隨著拋光盤的自轉(zhuǎn)，拋光墊形狀會因磁鏈串的斷裂而處于“磨損”狀態(tài)，當(dāng)磁流變拋光墊再次與工件接觸時(shí)，其形狀畸變導(dǎo)致磁流變拋光壓力衰減，使得拋光墊對工件表面的拋光壓力難以維持在一個(gè)較好的水平，影響加工效率和加工精度。

(a)第一次加工 (b)第二次加工

動(dòng)態(tài)磁場加工原理圖如圖2所示。在動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光中，磁極相對于拋光盤偏心旋轉(zhuǎn)，從而形成動(dòng)態(tài)磁場。初次拋光時(shí)，磨料顆粒受工件的擠壓作用而“容沒”于拋光墊中；根據(jù)SATO等[10]的研究表明：在旋轉(zhuǎn)磁極作用下，被破壞后的拋光墊能夠在90 μm內(nèi)完全恢復(fù)初始狀態(tài)，所以在磁極偏心旋轉(zhuǎn)作用下，因磁性粒子頻繁的偏心運(yùn)動(dòng)，被擠壓變形的磁流變拋光墊將在極短時(shí)間內(nèi)形成新的拋光墊(稱為拋光墊自修復(fù))，維持對工件表面的恒壓拋光力；而“容沒”于拋光墊中的磨料在運(yùn)動(dòng)的磁性粒子推動(dòng)下，將重新隨機(jī)的約束在磁鏈串中，實(shí)現(xiàn)磨料的更新自銳，從而使加工過程中材料去除穩(wěn)定。

圖2 動(dòng)態(tài)磁場加工原理圖

1.2 動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光實(shí)驗(yàn)原理

圖3為動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變平面拋光工作原理圖。根據(jù)集群磁流變原理，將多個(gè)圓柱形永磁體環(huán)形陣列于拋光盤下方，永磁體底部嵌于偏心小軸上，固定在偏擺盤上且偏心旋轉(zhuǎn)方向相同，偏心圓柱體安裝在偏擺盤的下方且兩者偏心方向相反、偏心距相同。當(dāng)偏心圓柱體上的偏心主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏擺盤會偏心旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)偏心小軸與永磁體一起沿相反方向旋轉(zhuǎn)，于是永磁體相對于拋光盤偏心旋轉(zhuǎn)而形成動(dòng)態(tài)磁場。由去離子水、磁性粒子、磨料顆粒、分散劑和穩(wěn)定劑等組成的磁流變拋光液，在動(dòng)態(tài)磁場作用下形成動(dòng)態(tài)的柔性拋光墊，其中柔性拋光墊的磁性粒子會隨著磁力線的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，磨料顆粒被運(yùn)動(dòng)中的磁性粒子推動(dòng)而重新排布，使磁流變拋光墊實(shí)時(shí)自修復(fù)而維持其本身形狀，從而實(shí)現(xiàn)工件表面持續(xù)穩(wěn)定的拋光加工[10]。

圖3 動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變平面拋光工作原理

圖4為由旋轉(zhuǎn)磁極形成的動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變多工件同步拋光實(shí)驗(yàn)裝置圖。基于圖3所示的原理并在數(shù)控銑床上進(jìn)行改進(jìn)，使用該裝置來控制X，Y，Z，C1，C2和C3的移動(dòng)。在拋光盤下放置18個(gè)圓柱形扁平永磁體(直徑25 mm×高度40 mm)，永磁體在動(dòng)磁場發(fā)生裝置的驅(qū)動(dòng)下在盤面上形成動(dòng)態(tài)磁場，由于磁流變拋光液中的磁性粒子會沿著磁力線方向聚集，因此磁流變拋光液在拋光盤面上形成兩圈動(dòng)態(tài)的環(huán)狀拋光墊。3片單晶硅基片通過石蠟均勻貼附在工具頭下表面上，工具頭通過螺栓與機(jī)床主軸緊固連接，利用數(shù)控銑床的伺服運(yùn)動(dòng)，調(diào)整Z軸以實(shí)現(xiàn)多工件的同步旋轉(zhuǎn)和間隙控制，同時(shí)工件可沿X或Y向偏擺平動(dòng)，偏擺位移和偏擺速度均可通過數(shù)控編程控制。

圖4 動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光加工實(shí)驗(yàn)裝置

2 動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光工藝實(shí)驗(yàn)分析

2.1 不同磁場形式對加工效果的影響

集群磁流變拋光墊在靜態(tài)磁場和動(dòng)態(tài)磁場下磨料會表現(xiàn)出不同的行為，從而影響磨料對工件表面的拋光效果。以磁極轉(zhuǎn)速為0 r/min形成靜態(tài)磁場；磁極轉(zhuǎn)速為90 r/min形成動(dòng)態(tài)磁場，以原始厚度為450 μm、原始表面粗糙度為0.48 μm的單晶硅作為試驗(yàn)材料；使用由平均粒徑為3 μm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%的羰基鐵粉和平均粒徑為3.5 μm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的碳化硅磨料、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的甘油以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的去離子水組成的磁流變拋光液分別在不同磁場形式下對單晶硅加工。試驗(yàn)條件：加工間隙0.9 mm，磁極偏心距6 mm，拋光盤轉(zhuǎn)速30 r/min，工件轉(zhuǎn)速350 r/min，加工時(shí)間3 h。測量單晶硅表面上5個(gè)點(diǎn)的值，所得的平均值表征表面粗糙度和材料去除率(圖5)。

圖5 不同磁場形式對加工效果的影響

由圖5可見：在相同條件下，單晶硅在動(dòng)態(tài)磁場作用下表面粗糙度更低且材料去除率更高。圖6為單晶硅表面在S-3400N掃描電子顯微鏡下的表面形貌圖。從圖6a可以明顯觀察出因磨料堆積過多而導(dǎo)致拋光效果較差的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵陟o態(tài)磁場作用下，磁鏈串?dāng)嗔亚覓伖鈮|形狀難以恢復(fù)，磁流變拋光墊對磨料的“容沒”效應(yīng)使得平均粒度尺寸為3.5 μm的長條形碳化硅磨料積聚，衰減的磁流變拋光壓力使積聚的磨料顆粒扎堆去除單晶硅表層缺陷，從而降低表面質(zhì)量和材料去除率；從圖6b可看到：在動(dòng)態(tài)磁場作用下獲得的工件表面平整光滑，加工效果較好。這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)磁場作用下由于拋光墊能重組且磨料具有動(dòng)態(tài)行為，磨料粒子沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，頻繁進(jìn)行重新分布和積聚，提高材料去除率并減少對工件表面的損傷[11]。

(a)靜態(tài)磁場(68nm)(b)動(dòng)態(tài)磁場(16.2nm)圖6 不同磁場形式下的表面形貌

2.2 不同拋光方式對加工效果的影響

為了研究不同拋光方式對加工效果的影響，在動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光裝置上，以直徑為50.8 mm、原始表面粗糙度為0.48 μm的單晶硅作為試驗(yàn)材料，單晶硅原始表面形貌如圖7所示。3種拋光方式如表1所示，使用不同的拋光墊和不同規(guī)格的工具頭。單工件工具頭直徑為62 mm，用于單圈拋光墊上，其初始位置在單圈磁極中心上方；三工件工具頭直徑為126 mm，適用于3片單晶硅同步拋光，用于內(nèi)、外圈拋光墊上，其初始位置在兩圈磁極的中心。

圖7 單晶硅原始表面形貌(Ra 0.48 μm)

拋光方式拋光墊工具頭1# 內(nèi)圈拋光墊單工件工具頭2# 外圈拋光墊單工件工具頭3# 內(nèi)、外圈拋光墊三工件工具頭

使用前述比例的磁流變拋光液和表1的3種拋光方式對單晶硅進(jìn)行加工。拋光條件如下：加工間隙0.9 mm，磁極偏心距6 mm，磁極轉(zhuǎn)速90 r/min，拋光盤轉(zhuǎn)速50 r/min，工件轉(zhuǎn)速350 r/min，加工時(shí)間3 h，其結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 不同拋光方式對加工效果的影響

從圖8可知：在1#、2#和3#拋光方式條件下，工件的平均表面粗糙度Ra由0.48 μm分別下降到：0.048 5 μm、0.037 2 μm、0.010 2 μm，材料平均去除率MRR分別為0.027 μm/min、0.071 μm/min、0.108 μm/min。在3#拋光方式下，內(nèi)、外圈拋光墊上的微磨頭都能對單晶硅基片進(jìn)行加工，并且大尺寸的三工件工具頭使單晶硅表面相對于磁流變拋光液有更高的線速度，單晶硅經(jīng)過3 h加工后，材料去除率最高且加工效果最好。

圖9為不同拋光處理后工件的激光共聚焦顯微鏡表面形貌。如圖9a所示：在拋光盤轉(zhuǎn)速一定的條件下，1#拋光方式離拋光盤中心的徑向位移小于2#和3#拋光方式的位移，導(dǎo)致其線速度低，所以1#拋光方式中單個(gè)微磨頭對單晶硅表面的去除時(shí)間較長，相比于2#和3#拋光方式，其流星狀的材料去除痕跡更長；如圖9b所示：2#拋光方式下，外圈拋光墊線速度較高，增強(qiáng)對單晶硅基片的去除，所以其加工效果優(yōu)于1#拋光方式；如圖9c所示：在多工件同步加工的3#拋光方式下，內(nèi)、外圈拋光墊能夠提供更多數(shù)量的微磨頭對工件進(jìn)行拋光，同時(shí)貼附在大尺寸工具頭上的單晶硅表面具有更高的線速度，碳化硅磨料會隨著工件的高速自轉(zhuǎn)而沿同一方向?qū)Ρ砻嫒毕葸M(jìn)行更強(qiáng)的去除，所以在3#拋光方式下單晶硅獲得最佳加工效果。

(a)1#(Ra42.8nm)(b)2#(Ra32.6nm)(c)3#(Ra7.6nm)圖9 不同拋光處理后工件的激光共聚焦顯微鏡表面形貌

2.3 加工時(shí)間對拋光效果的影響

拋光是為了消除上一道工序留下的表面缺陷并降低工件表面粗糙度。如拋光時(shí)間過短，則難以評估該工藝的拋光效果；拋光時(shí)間過長則降低了整體加工效率。因此，加工時(shí)間是影響工件拋光效果的一個(gè)重要因素。在3#拋光方式下，以上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)對工件進(jìn)行加工時(shí)間實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 加工時(shí)間對拋光效果的影響

圖11 加工5 h后單晶硅表面形貌圖(Ra 3.3 nm)

如圖10所示：隨著加工時(shí)間的延長，工件表面粗糙度值和材料去除率均減小；在0～3 h，表面粗糙度值快速下降，之后逐漸趨于平緩。圖11為加工5 h后的單晶硅表面在ContourGT-X白光干涉儀下的3D形貌圖。原始表面粗糙度為Ra0.48 μm、表面布滿凹坑缺陷的單晶硅基片經(jīng)過5 h拋光后，獲得超光滑的表面，表面粗糙度下降到Ra3.3 nm。在動(dòng)態(tài)磁場作用下，磁性粒子隨著磁感應(yīng)線的變化而變化，拋光墊形狀可以及時(shí)恢復(fù)，能夠?qū)尉Ч璞砻娉掷m(xù)施加拋光力，加工過程穩(wěn)定，因此在動(dòng)態(tài)磁場下可以對工件表面缺陷進(jìn)行長時(shí)間塑性去除。

3 結(jié)論

(1)動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光的拋光墊能重組，具有動(dòng)態(tài)行為，通過磁性粒子的運(yùn)動(dòng)使磨料能夠頻繁的沿各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，克服了靜態(tài)磁場作用下磨料堆聚并且拋光墊變形難以修復(fù)的缺點(diǎn)。

(2)磁流變拋光墊在動(dòng)態(tài)磁場作用下能自修復(fù)從而維持對工件表面的恒壓拋光力，提高材料去除率并減少對工件表面的損傷，獲得穩(wěn)定的去除效果。

(3)在動(dòng)態(tài)磁場集群磁流變拋光中，不同拋光方式產(chǎn)生不同加工效果。在3#拋光方式下，內(nèi)、外圈拋光墊能夠提供更多數(shù)量的微磨頭對單晶硅基片進(jìn)行加工，大尺寸的工具頭使工件表面有更高的線速度，增強(qiáng)磨料對單晶硅表面缺陷的去除。經(jīng)過 5 h加工后，單晶硅表面粗糙度Ra由0.48 μm下降到3.3 nm，獲得了超光滑的表面。

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