一種凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置及拋光方法與流程

本發明涉及超精密加工技術領域，尤其涉及一種用于光電子/微電子半導體基片及光學元件的平面平坦化加工的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置及拋光方法。

背景技術：

隨著信息電子化的社會發展，半導體材料作為高性能微電子元器件應用愈發廣泛，如單晶硅、氧化鋁、鈦酸鍶和單晶碳化硅等電子陶瓷材料的需求越來越大。一般半導體晶片制造要經過切片、研磨、拋光等工序，要達到良好的使用性能，其表面精度需要達到超光滑程度，面型精度也有較高要求，以LED外延藍寶石襯底為例，一般要求總厚度偏差小于10μm、表面總平整度小于10μm、表面粗糙度Ra小于0.05μm。因此半導體材料的制造越來越依賴研磨拋光技術來滿足其生產要求。

磁流變拋光技術(Magnetorheological finishing,MRF)是20世紀90年代由KORDONSKI及其合作者將電磁學、流體動力學、分析化學、加工工藝學等相結合而提出的一種新型的光學表面加工方法，具有拋光效果好、不產生次表面損傷、適合復雜表面加工等傳統拋光所不具備的優點，已發展成為一種革命性光學表面加工方法，特別適合軸對稱非球面的超精密加工，廣泛應用于大型光學元件、半導體晶片、LED基板、液晶顯示面板等的最后加工工序。磁流變拋光技術是利用磁流變拋光液在梯度場中發生流變表現為類似固體的性質而形成的具有黏塑行為的柔性“小磨頭”,當與工件之間具有快速的相對運動時，工件表面受到很大的剪切力，從而使工件表面材料被去除。但磁流變拋光屬于柔性加工，材料去除率低，加工精度難以保證。

為了提高磁流變的拋光效率，專利CN200610132495.9基于磁流變拋光原理和集群作用機理提出了一種基于磁流變效應的研磨拋光方法及其拋光裝置，并開展了大量的試驗研究，卻發現利用拋光液循環方式難以實現“微磨頭”的持續更新和凸起使工件加工均勻性問題難以解決。

針對加工均勻性的問題，專利CN201510801886.4提出了一種動態磁場自銳的磁流變柔性拋光墊發生裝置及其拋光方法，完好地實現了磁流變柔性拋光墊在加工過程中對工件的恒壓力加工，并且能使磨料在加工過程中實時更新自銳，但是由于該專利中裝置結構的限制，導致磁流變效應產生的“微磨頭”間距較大，在加工過程中工件空行程較長，影響了加工效率和加工性能，而且需要改變磁場強度時要拆卸拋光盤進行永磁體更換，步驟比較繁瑣。

本發明在上述深入研究的基礎上，提出一種凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置及其拋光方法，優化結構，以凸輪驅動的形式驅動磁鐵組實現磁場的范圍的改變，使磨料在加工過程中實現實時更新，配合流體動壓原理，改善了磁流變柔性拋光墊加工性能，提高磁流變的拋光效率，實現工件的均勻加工。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單、加工性能好、效率高、加工均勻性好的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置。

本發明的另一目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于上述拋光裝置的拋光方法。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

一種凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置，主要包括拋光盤轉動機構、凸輪驅動機構、工件夾持機構和磁流變拋光液，所述拋光盤轉動機構包括第一主軸、軸蓋、拋光盤托盤和拋光盤；所述凸輪驅動機構包括設置拋光盤托盤內的第一軸承、凸輪盤、磁體組、彈簧以及設置在第一主軸內的第二主軸、第二軸承和軸套；所述工件夾持機構包括工件盤和固定在工件盤底部的工件；所述磁流變拋光液置于拋光盤面與工件之間，磁流變拋光液在磁體組的作用下形成柔性拋光墊。

具體的，所述拋光盤安裝在拋光盤托盤上，拋光盤與拋光盤托盤之間設有用于安裝磁體組的空間，所述拋光盤托盤安裝在第一主軸上。

具體的，所述第二主軸同軸安裝在第一主軸內，所述第二軸承主要受徑向力作用，和軸套安裝在第一主軸和第二主軸之間，所述軸蓋固定在第一主軸底部，實現第二軸承的定位安裝，所述第一軸承固定在拋光盤托盤內，主要受軸向力作用，所述凸輪盤固定在第一軸承上，凸輪盤底部與第二主軸固定連接，所述磁體組安裝在直線槽內，一端與凸輪盤的外輪廓面抵接，另一端通過彈簧與拋光盤托盤的內壁抵接，工作時，磁體組在凸輪盤的推動下向外運動，又在彈簧的彈力下向內復位，從而實現磁體組的往復直線運動。

優選的，為了使凸輪盤和拋光盤的傳動鏈分開，實現差速運動，本發明所述第一主軸和第二主軸通過兩個電機分別驅動。

作為本發明的優選方案，為了獲得更好的拋光效果，本發明所述磁體組由若干個永磁體同極或異極相鄰排列組成，所述永磁體靠近拋光盤的內表面端面距離為0.5mm至2mm，且永磁體端面磁場強度大于2000Gs。這樣設計的好處在于采用異極相鄰排列方式產生的磁場強度大，生成的“微磨頭”柔韌性好，拋光力量足。

進一步的，為了提高拋光拋光效率，改善拋光的均勻程度，本發明所述拋光盤的表面沿圓周方向設有若干個楔形結構，且所述楔形結構高度為1mm至3mm。當拋光液從工件與楔形結構之間間隙較大地方流向間隙較小的地方時，形成流體動壓膜，在動態的柔性拋光墊和流體動壓膜的雙重作用下，拋光裝置可以均勻且快速地去除拋光工件表面的材料，實現高效快速拋光。

作為本發明的優選方案，為了提高拋光效果，本發明所述拋光盤、拋光盤托盤、彈簧和凸輪盤均由抗磁材料制成，所述抗磁材料為不銹鋼或鎂鋁合金。這樣設計的好處在于能夠盡量避免部件材料磁化，影響運動精度。

本發明的另一目的通過下述技術方案實現：

一種所述的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置的拋光方法，該拋光方法具體包括如下步驟：

步驟S1:將工件安裝于工件盤上，工件下表面與拋光盤上表面平行，調節工件下表面與拋光盤之間的間隙為0.5mm至5mm之間；

步驟S2:根據加工工件的特點和加工要求，在去離子水中加入濃度為2％～15％的磨料、濃度為3％～15％的微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3％～15％的分散劑和濃度為1％～6％的防銹劑，充分攪拌后通過超聲波震動5至30分鐘，形成磁流變液；

步驟S3:將磁流變液添加到拋光盤上，分別啟動電機，使第一主軸帶動拋光盤轉動，第二主軸旋轉帶動凸輪盤差速轉動，凸輪盤的轉動使磁體組實現一定頻率的往返直線運動，實現靜態磁場向動態磁場發生轉變，磁流變液在動態磁場的作用下形成動態的實時更新的拋光墊；

步驟S4:啟動工件盤電機使工具頭高速旋轉和低速擺動，實現高效率的拋光。

本發明的工作過程和原理是：本發明提供兩個動力源使拋光盤和磁體的運動分離，一個電機用于驅動拋光盤旋轉，另一個電機通過帶動凸輪盤的旋轉，使位于拋光盤托盤內的磁體組在凸輪盤的驅動下反復直線運動，實現磁體組從靜態磁場向動態磁場轉變，迫使拋光盤上的磁流變液在動態磁場的作用下形成動態的、實時更新的柔性拋光墊；另外，在拋光盤上設有沿圓周排列的楔形結構，當磁流變液從楔形結構的低點向高點流動時形成流體動壓膜，在動態柔性拋光墊和流體動壓膜的雙重作用下，工件被均勻快速打磨，獲得理想的拋光效果。本發明的結構簡單容易實現、打磨均勻性好、效率高、拋光效果好。

與現有技術相比，本發明還具有以下優點：

(1)本發明所提供的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置采用兩條傳動鏈，實現了拋光盤轉動與磁鐵運動的分離。

(2)本發明所提供的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置采用電機驅動凸輪，使磁體組在拋光墊托盤內做直線往復運動，用于實時修復柔性拋光墊，以獲得更理想的拋光效果。

(3)本發明所提供的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置的拋光盤上設有高低起伏的楔形結構，使磁流變液在流經楔形結構時形成流體動壓膜，在柔性拋光墊和動壓膜的雙重作用下，工件被打磨得更均勻、效率更好、效果更好。

附圖說明

圖1是本發明所提供的凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置示意圖。

圖2是本發明所提供的拋光盤托盤的俯視圖。

圖3是本發明所提供的拋光盤的立體圖。

上述附圖中的標號說明：

1-拋光盤、2-凸輪盤、3-第二主軸、4-第一軸承、5-磁鐵組、6-彈簧、7-拋光盤托盤、8-第一主軸、9-第二軸承、10-軸套、11-軸蓋、12-柔性拋光墊、13-工件、14-工件盤。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發明作進一步說明。

實施例1：

如圖1、圖2和圖3所示，本發明公開了一種凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置，該裝置主要包括拋光盤轉動機構、凸輪驅動機構、工件夾持機構和磁流變拋光液，所述拋光盤轉動機構包括第一主軸8、軸蓋11、拋光盤托盤7和拋光盤1；所述凸輪驅動機構包括設置拋光盤托盤7內的第一軸承4、凸輪盤2、磁體組5、彈簧6以及設置在第一主軸8內的第二主軸3、第二軸承9和軸套10；所述工件夾持機構包括工件盤14和固定在工件盤底部的工件13；所述磁流變拋光液置于拋光盤1與工件13之間，磁流變拋光液在磁體組的作用下形成柔性拋光墊12。

其中,所述拋光盤1安裝在拋光盤托盤7上，拋光盤托盤7安裝在第一主軸8上。所述第二主軸3同軸安裝在第一主軸8內，所述第二軸承9和軸套10安裝在第一主軸8和第二主軸3之間，軸蓋11固定在第一主軸底部，實現第二軸承9和軸套10的定位安裝，所述第一軸承4固定在拋光盤托盤7內，所述凸輪盤2固定在第一軸承4上，凸輪盤2底部與第二主軸3固定連接，凸輪盤2用于驅動磁體組5，實現磁體組5的直線運動,所述磁體組5由若干個永磁體同極或異極相鄰排列組成，永磁體靠近拋光盤的內表面端面距離為0.5mm至2mm，所述永磁體端面磁場強度大于2000Gs,磁體組5外側通過彈簧6連接拋光盤托盤7內側，安裝在拋光盤托盤7的直線槽內。所述拋光盤1的上表面沿圓周方向設有多個楔形結構,且所述楔形結構高度為1mm至3mm。所述磁鐵組均勻分布在拋光盤楔形結構下方。

本發明還提供一種凸輪驅動磁體式磁流變流體動壓拋光裝置的拋光方法，包括以下步驟：

1)將藍寶石基片13安裝于工件盤14上，工件13下表面與拋光盤1上表面平行，調節工件13下表面與拋光盤1之間的間隙為0.5mm；

2)根據加工工件13的特點和加工要求，在去離子水中加入15％的金剛石微米級磨料、濃度為20％的亞微米級羰基鐵粉及加入濃度為15％的分散劑和濃度為2％的防銹劑，充分攪拌后通過超聲波震動5～30分鐘，形成磁流變液；

3)將磁流變液添加到拋光盤1上，分別啟動電機，使第一主軸8帶動拋光盤1轉動，第二主軸3旋轉帶動凸輪盤2轉動，凸輪盤2的轉動使磁體組5實現一定頻率的往返直線運動，實現靜態磁場向動態磁場發生轉變，磁流變液在動態磁場的作用下形成動態的實時更新的拋光墊12；

4)啟動工件盤電機使工件盤30高速旋轉和低速擺動，實現高效率的拋光。

該拋光方法在拋光加工的過程中，磁流變拋光液填充于拋光盤1上表面的楔形結構上，形成柔性磁流變拋光墊12，在拋光過程中凸輪盤2驅動磁鐵組5運動實現柔性磁流變拋光墊12的實時修復，當拋光液從工件13與楔形結構之間間隙較大地方流向間隙較小的地方時形成流體動壓膜，在動態的柔性拋光墊12和流體動壓膜的雙重作用下均勻快速去除拋光工件表面材料，大大提高了拋光加工的均勻性和效率，實現快速拋光和提升拋光效果的目的。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。