动态磁场集群磁流变抛光加工机理及试验研究

郭明亮， 阎秋生， 潘继生， 肖晓兰

(广东工业大学 机电工程学院， 广州 510006)

随着LED照明、智能手机及平板电脑等市场的迅速发展，对超光滑平面光学元器件的需求越来越大，其表面加工质量的要求也越来越高，元件的表面粗糙度达到纳米级甚至埃级[1-2]。传统的机械抛光通常以抛光轮作为抛光工具，但随着加工的进行，抛光轮出现磨损，影响与加工元件的吻合，导致去除过程不稳定，难以获得稳定的加工效率和精度[3]。针对传统加工方法的不足，近年来出现了较多的先进抛光方法，包括磁流变抛光、离子束抛光、化学机械抛光、气囊抛光和磁射流抛光等确定性抛光技术[4]。其中，磁流变抛光技术是由KORDONSKI等基于磁流变效应提出的一种新型的光学表面加工方法，具有去除函数稳定、加工过程可控和不产生次表面损伤等传统抛光所不具备的优点[5-6]。阎秋生等[7-8]基于磁流变抛光原理和集群作用机理，提出集群磁流变平面抛光技术。在加工过程中，使用磁流变抛光垫来约束磨粒并使磨粒聚集于抛光垫表面，使不同尺寸的磨粒可以均等作用于加工表面，来实现大面积平面超光滑平坦化加工。然而，在集群磁流变抛光过程中，因磁极与抛光盘无相对运动，盘面上形成静态磁场，且磁流变液在磁场作用下的黏弹性，导致静磁场下磁流变抛光垫对工件表面加工后受力畸变且形状不易恢复，出现难以修复的磨损，使加工稳定性、加工精度和加工效率受到一定程度地制约。

为此，本课题组提出多磁极相对抛光盘偏心旋转从而在盘面上形成动态磁场，实现磁流变抛光垫实时修整的动态磁场集群磁流变平面抛光方法。在动态磁场作用下的磁性粒子随着磁场旋转并且转向相同，磁性粒子具备动态行为，由此推动磨料颗粒随时间不断地更新，实时修复抛光垫，使工件表面材料去除过程稳定，从而提高抛光效果和加工效率。通过对比单晶硅基片在不同磁场形式和抛光方式下的加工效果，对动态磁场作用下单晶硅片的加工机理进行了深入研究。

1 动态磁场集群磁流变抛光作用机理及实验原理

1.1 动态磁场作用机理

在磁流变抛光中，磁流变液作为一种智能材料，能够在磁场作用下由液体转变为黏弹性体，撤去磁场后又转变为牛顿流体，即表现出磁流变效应[8]。根据TAO[9]的研究，在没有施加磁场作用前，抛光盘上的磁性粒子和磨料颗粒随机悬浮在磁流变液体中；施加磁场作用后，磁性粒子会在几毫秒时间内沿着磁力线方向形成较厚的磁链串，磨料被磁链串所约束和夹持，磁场力通过磁链串传递到磨料与工件表面。当磁极与抛光盘无相对运动时，在盘面上注入的磁流变液体在静态磁场作用下形成静态的抛光垫。

图1为静态磁场加工原理图。如图1a所示，当工件与抛光垫首次接触抛光时，约束在磁链串中的磨料受到工件的挤压作用而“容没”于抛光垫中，由于磁流变液中的磁性粒子在分散相中具有黏弹性，黏力会导致磁链串在外力作用下断裂而不能恢复，所以约束于磁链串中的磨料会一直被“容没”；如图1b所示，随着抛光盘的自转，抛光垫形状会因磁链串的断裂而处于“磨损”状态，当磁流变抛光垫再次与工件接触时，其形状畸变导致磁流变抛光压力衰减，使得抛光垫对工件表面的抛光压力难以维持在一个较好的水平，影响加工效率和加工精度。

(a)第一次加工 (b)第二次加工

动态磁场加工原理图如图2所示。在动态磁场集群磁流变抛光中，磁极相对于抛光盘偏心旋转，从而形成动态磁场。初次抛光时，磨料颗粒受工件的挤压作用而“容没”于抛光垫中；根据SATO等[10]的研究表明：在旋转磁极作用下，被破坏后的抛光垫能够在90 μm内完全恢复初始状态，所以在磁极偏心旋转作用下，因磁性粒子频繁的偏心运动，被挤压变形的磁流变抛光垫将在极短时间内形成新的抛光垫(称为抛光垫自修复)，维持对工件表面的恒压抛光力；而“容没”于抛光垫中的磨料在运动的磁性粒子推动下，将重新随机的约束在磁链串中，实现磨料的更新自锐，从而使加工过程中材料去除稳定。

图2 动态磁场加工原理图

1.2 动态磁场集群磁流变抛光实验原理

图3为动态磁场集群磁流变平面抛光工作原理图。根据集群磁流变原理，将多个圆柱形永磁体环形阵列于抛光盘下方，永磁体底部嵌于偏心小轴上，固定在偏摆盘上且偏心旋转方向相同，偏心圆柱体安装在偏摆盘的下方且两者偏心方向相反、偏心距相同。当偏心圆柱体上的偏心主轴转动时，偏摆盘会偏心旋转并带动偏心小轴与永磁体一起沿相反方向旋转，于是永磁体相对于抛光盘偏心旋转而形成动态磁场。由去离子水、磁性粒子、磨料颗粒、分散剂和稳定剂等组成的磁流变抛光液，在动态磁场作用下形成动态的柔性抛光垫，其中柔性抛光垫的磁性粒子会随着磁力线的运动而运动，磨料颗粒被运动中的磁性粒子推动而重新排布，使磁流变抛光垫实时自修复而维持其本身形状，从而实现工件表面持续稳定的抛光加工[10]。

图3 动态磁场集群磁流变平面抛光工作原理

图4为由旋转磁极形成的动态磁场集群磁流变多工件同步抛光实验装置图。基于图3所示的原理并在数控铣床上进行改进，使用该装置来控制X，Y，Z，C1，C2和C3的移动。在抛光盘下放置18个圆柱形扁平永磁体(直径25 mm×高度40 mm)，永磁体在动磁场发生装置的驱动下在盘面上形成动态磁场，由于磁流变抛光液中的磁性粒子会沿着磁力线方向聚集，因此磁流变抛光液在抛光盘面上形成两圈动态的环状抛光垫。3片单晶硅基片通过石蜡均匀贴附在工具头下表面上，工具头通过螺栓与机床主轴紧固连接，利用数控铣床的伺服运动，调整Z轴以实现多工件的同步旋转和间隙控制，同时工件可沿X或Y向偏摆平动，偏摆位移和偏摆速度均可通过数控编程控制。

图4 动态磁场集群磁流变抛光加工实验装置

2 动态磁场集群磁流变抛光工艺实验分析

2.1 不同磁场形式对加工效果的影响

集群磁流变抛光垫在静态磁场和动态磁场下磨料会表现出不同的行为，从而影响磨料对工件表面的抛光效果。以磁极转速为0 r/min形成静态磁场；磁极转速为90 r/min形成动态磁场，以原始厚度为450 μm、原始表面粗糙度为0.48 μm的单晶硅作为试验材料；使用由平均粒径为3 μm、质量分数为16%的羰基铁粉和平均粒径为3.5 μm、质量分数为4%的碳化硅磨料、质量分数为8%的甘油以及质量分数为72%的去离子水组成的磁流变抛光液分别在不同磁场形式下对单晶硅加工。试验条件：加工间隙0.9 mm，磁极偏心距6 mm，抛光盘转速30 r/min，工件转速350 r/min，加工时间3 h。测量单晶硅表面上5个点的值，所得的平均值表征表面粗糙度和材料去除率(图5)。

图5 不同磁场形式对加工效果的影响

由图5可见：在相同条件下，单晶硅在动态磁场作用下表面粗糙度更低且材料去除率更高。图6为单晶硅表面在S-3400N扫描电子显微镜下的表面形貌图。从图6a可以明显观察出因磨料堆积过多而导致抛光效果较差的现象。这是因为在静态磁场作用下，磁链串断裂且抛光垫形状难以恢复，磁流变抛光垫对磨料的“容没”效应使得平均粒度尺寸为3.5 μm的长条形碳化硅磨料积聚，衰减的磁流变抛光压力使积聚的磨料颗粒扎堆去除单晶硅表层缺陷，从而降低表面质量和材料去除率；从图6b可看到：在动态磁场作用下获得的工件表面平整光滑，加工效果较好。这是因为在动态磁场作用下由于抛光垫能重组且磨料具有动态行为，磨料粒子沿各个方向运动，频繁进行重新分布和积聚，提高材料去除率并减少对工件表面的损伤[11]。

(a)静态磁场(68nm)(b)动态磁场(16.2nm)图6 不同磁场形式下的表面形貌

2.2 不同抛光方式对加工效果的影响

为了研究不同抛光方式对加工效果的影响，在动态磁场集群磁流变抛光装置上，以直径为50.8 mm、原始表面粗糙度为0.48 μm的单晶硅作为试验材料，单晶硅原始表面形貌如图7所示。3种抛光方式如表1所示，使用不同的抛光垫和不同规格的工具头。单工件工具头直径为62 mm，用于单圈抛光垫上，其初始位置在单圈磁极中心上方；三工件工具头直径为126 mm，适用于3片单晶硅同步抛光，用于内、外圈抛光垫上，其初始位置在两圈磁极的中心。

图7 单晶硅原始表面形貌(Ra 0.48 μm)

抛光方式抛光垫工具头1# 内圈抛光垫单工件工具头2# 外圈抛光垫单工件工具头3# 内、外圈抛光垫三工件工具头

使用前述比例的磁流变抛光液和表1的3种抛光方式对单晶硅进行加工。抛光条件如下：加工间隙0.9 mm，磁极偏心距6 mm，磁极转速90 r/min，抛光盘转速50 r/min，工件转速350 r/min，加工时间3 h，其结果如图8和图9所示。

图8 不同抛光方式对加工效果的影响

从图8可知：在1#、2#和3#抛光方式条件下，工件的平均表面粗糙度Ra由0.48 μm分别下降到：0.048 5 μm、0.037 2 μm、0.010 2 μm，材料平均去除率MRR分别为0.027 μm/min、0.071 μm/min、0.108 μm/min。在3#抛光方式下，内、外圈抛光垫上的微磨头都能对单晶硅基片进行加工，并且大尺寸的三工件工具头使单晶硅表面相对于磁流变抛光液有更高的线速度，单晶硅经过3 h加工后，材料去除率最高且加工效果最好。

图9为不同抛光处理后工件的激光共聚焦显微镜表面形貌。如图9a所示：在抛光盘转速一定的条件下，1#抛光方式离抛光盘中心的径向位移小于2#和3#抛光方式的位移，导致其线速度低，所以1#抛光方式中单个微磨头对单晶硅表面的去除时间较长，相比于2#和3#抛光方式，其流星状的材料去除痕迹更长；如图9b所示：2#抛光方式下，外圈抛光垫线速度较高，增强对单晶硅基片的去除，所以其加工效果优于1#抛光方式；如图9c所示：在多工件同步加工的3#抛光方式下，内、外圈抛光垫能够提供更多数量的微磨头对工件进行抛光，同时贴附在大尺寸工具头上的单晶硅表面具有更高的线速度，碳化硅磨料会随着工件的高速自转而沿同一方向对表面缺陷进行更强的去除，所以在3#抛光方式下单晶硅获得最佳加工效果。

(a)1#(Ra42.8nm)(b)2#(Ra32.6nm)(c)3#(Ra7.6nm)图9 不同抛光处理后工件的激光共聚焦显微镜表面形貌

2.3 加工时间对抛光效果的影响

抛光是为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。如抛光时间过短，则难以评估该工艺的抛光效果；抛光时间过长则降低了整体加工效率。因此，加工时间是影响工件抛光效果的一个重要因素。在3#抛光方式下，以上述实验参数对工件进行加工时间实验，结果如图10和图11所示。

图10 加工时间对抛光效果的影响

图11 加工5 h后单晶硅表面形貌图(Ra 3.3 nm)

如图10所示：随着加工时间的延长，工件表面粗糙度值和材料去除率均减小；在0～3 h，表面粗糙度值快速下降，之后逐渐趋于平缓。图11为加工5 h后的单晶硅表面在ContourGT-X白光干涉仪下的3D形貌图。原始表面粗糙度为Ra0.48 μm、表面布满凹坑缺陷的单晶硅基片经过5 h抛光后，获得超光滑的表面，表面粗糙度下降到Ra3.3 nm。在动态磁场作用下，磁性粒子随着磁感应线的变化而变化，抛光垫形状可以及时恢复，能够对单晶硅表面持续施加抛光力，加工过程稳定，因此在动态磁场下可以对工件表面缺陷进行长时间塑性去除。

3 结论

(1)动态磁场集群磁流变抛光的抛光垫能重组，具有动态行为，通过磁性粒子的运动使磨料能够频繁的沿各个方向运动，克服了静态磁场作用下磨料堆聚并且抛光垫变形难以修复的缺点。

(2)磁流变抛光垫在动态磁场作用下能自修复从而维持对工件表面的恒压抛光力，提高材料去除率并减少对工件表面的损伤，获得稳定的去除效果。

(3)在动态磁场集群磁流变抛光中，不同抛光方式产生不同加工效果。在3#抛光方式下，内、外圈抛光垫能够提供更多数量的微磨头对单晶硅基片进行加工，大尺寸的工具头使工件表面有更高的线速度，增强磨料对单晶硅表面缺陷的去除。经过 5 h加工后，单晶硅表面粗糙度Ra由0.48 μm下降到3.3 nm，获得了超光滑的表面。

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