磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工的工藝及機(jī)理＊

閻秋生，蔡志航，潘繼生，黃 蓓，曾自勤

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

近半個(gè)世紀(jì)以來，高速發(fā)展的信息技術(shù)使得對光電晶片的需求量日益增加。隨之而來的是，對光電晶片的表面質(zhì)量要求越來越高，要求光電晶片的表面粗糙度達(dá)到納米級甚至埃米級且無亞表面損傷[1-2]。為實(shí)現(xiàn)光電晶片的超精密拋光，目前常用的拋光方法有機(jī)械拋光、磁流變拋光、化學(xué)機(jī)械拋光[3]、流體動(dòng)壓拋光[4]以及等離子輔助拋光[5]等。其中，20世紀(jì)90年代提出的磁流變拋光，作為光學(xué)元件拋光的主要方法，通過磁流變液在磁場中的磁流變效應(yīng)形成磁流變?nèi)嵝話伖鈮|，實(shí)現(xiàn)對工件表面的微量去除，已被證實(shí)是一種超光滑、低損傷的加工技術(shù)[6-8]。

WANG等[9]提出了一種直線氣隙用磁軛作為勵(lì)磁單元的磁流變拋光裝置，通過60 min的拋光加工，玻璃的表面粗糙度Ra由127 nm下降至1 nm。顏曉強(qiáng)等[10]針對小口徑非球面光學(xué)模具提出了一種小球頭磁流變拋光方法，30 min拋光加工后，其表面粗糙度Ra由8.597 2 nm下降至1.269 4 nm。陳丙三等[11]設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)陣簇磁流變拋光工具，并利用該工具對SLM成形的316L金屬平面樣進(jìn)行了系統(tǒng)的拋光工藝研究。當(dāng)加工間隙為1 mm、主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min及工作進(jìn)給為9 mm/min時(shí)，工件的拋光效果最優(yōu)，其表面粗糙度Ra下降至0.026 μm。

但在對高硬度光電材料（如藍(lán)寶石和碳化硅）的加工中，磁流變拋光的拋光效率和效果還有待進(jìn)一步的提高。為提高磁流變拋光效率，付有志等[12]通過優(yōu)化拋光盤表面結(jié)構(gòu)形成流體動(dòng)壓，提出一種磁流變動(dòng)壓復(fù)合拋光技術(shù)，并最終使單晶硅基片表面粗糙度Ra由 20.11 nm下降至2.36 nm。TAO[13]發(fā)現(xiàn)在擠壓作用下磁流變液的內(nèi)部鏈串結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，其屈服應(yīng)力達(dá)到800 kPa。MAZLAN等[14]設(shè)計(jì)了一種測試磁流變液壓縮和拉伸特性的裝置，發(fā)現(xiàn)磁流變液在擠壓下表現(xiàn)出很強(qiáng)的壓縮能力，其壓應(yīng)力隨著施加電流的增加而增加。閻秋生等[15]將磁流變液的擠壓強(qiáng)化效應(yīng)應(yīng)用于磁流變拋光中，提出了磁流變變間隙動(dòng)壓拋光，并通過試驗(yàn)證明擠壓強(qiáng)化效應(yīng)對于磁流變拋光的促進(jìn)作用，但對于磁流變變間隙的加工機(jī)理及加工工藝還未開展系統(tǒng)研究。

為分析磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工的材料去除過程及材料去除機(jī)理，開展不同條件下的磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工試驗(yàn)。通過對比分析不同工藝參數(shù)對磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工的影響，優(yōu)化加工工藝，以提高磁流變變間隙加工的效果。

1 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工原理及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工原理

圖1為磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工原理圖。圖1中的磁流變拋光液在磁場作用下在工件表面與拋光盤之間形成柔性拋光墊。通過增加工件與拋光盤法向的低頻振動(dòng)，動(dòng)態(tài)改變工件與拋光盤面之間的加工間隙，柔性磁流變拋光墊被反復(fù)的擠壓和回流，其拋光壓力動(dòng)態(tài)變化，磨料實(shí)時(shí)更新，從而改善和提升加工效果。同時(shí)，在偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)下磁極與拋光盤之間具有相對運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的磁場，動(dòng)態(tài)磁場使得柔性拋光墊的形態(tài)得以維持，更加有利于其長時(shí)間的穩(wěn)定加工。

圖1 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工原理圖Fig.1 Schematic diagram of magnetorheological variable gap dynamic pressure planarization finishing

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2為磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工試驗(yàn)裝置。如圖2所示：通過機(jī)床主軸可直接控制工件對磁流變拋光墊進(jìn)行的低頻擠壓振動(dòng)。在拋光盤下方均勻布置有12 個(gè)可以偏心旋轉(zhuǎn)的磁極，用于產(chǎn)生拋光所需的動(dòng)態(tài)磁場，每個(gè)磁極可形成直徑約為50 mm的柔性小磨頭。

圖2 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工試驗(yàn)裝置Fig.2 Magnetorheological variable gap dynamic pressure planarization finishing experimental device

磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工過程中的變間隙運(yùn)動(dòng)可以視為工件下壓過程和拉升過程的綜合，為分析其加工時(shí)的材料去除機(jī)理以及不同變間隙參數(shù)對加工效果的影響，采用不同的工件下壓速度和工件拉升速度的變間隙方案，其試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)使用直徑為2 英寸（5.08 cm）的藍(lán)寶石襯底為試驗(yàn)材料，在試驗(yàn)前統(tǒng)一對藍(lán)寶石工件進(jìn)行研磨處理，使其表面粗糙度Ra達(dá)到7 nm左右。在試驗(yàn)中磁流變拋光液由去離子水、羰基鐵粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%）、拋光磨料（硅溶膠，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）組成，拋光盤轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速和磁極轉(zhuǎn)速已通過前期試驗(yàn)優(yōu)化，其值分別為5，500和30 r/min。

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)表Tab.1 Experimental process parameters

利用Contour GT-X3白光干涉儀（檢測精度為0.1 nm）測量藍(lán)寶石半徑上分別在0，6，12和18 mm處的13個(gè)點(diǎn)加工前后的表面粗糙度和表面形貌，取藍(lán)寶石表面粗糙度測量結(jié)果的平均值為其評價(jià)指標(biāo)。利用精密天平（精度為0.1 g）稱量加工前后藍(lán)寶石質(zhì)量，用其差值計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)晶片的去除厚度，以此作為藍(lán)寶石的材料去除率指標(biāo)。

2 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 對材料去除率的影響

圖3為表1試驗(yàn)條件下材料去除率隨加工時(shí)間的變化。如圖3所示：試驗(yàn)1中，工件以恒定間隙進(jìn)行平坦化加工，材料去除率較低，且材料去除率隨拋光時(shí)間的增加而無明顯變化；試驗(yàn)2中，工件在下壓速度為1.0 mm/s、拉升速度為1.0 mm/s時(shí)進(jìn)行幅值為1 mm的變間隙運(yùn)動(dòng)，在工件低頻的擠壓振動(dòng)過程中材料去除率較試驗(yàn)1的恒定間隙加工有明顯提升。在30 min時(shí)材料去除率達(dá)到4.88 nm/min；在120 min時(shí)，材料去除率達(dá)到3.72 nm/min，材料去除率隨拋光時(shí)間的增加逐漸減小并趨于平穩(wěn)。在工件下壓過程中，磁鏈串受到擠壓形成穩(wěn)定的體心四方體結(jié)構(gòu)（BCT結(jié)構(gòu)）[13]，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大的拋光正壓力和磨料約束力，有效地提高了材料去除率；在工件拉升過程中，加工區(qū)域出現(xiàn)局部負(fù)壓，在負(fù)壓的作用下磁流變拋光液回流，磁性顆粒與磨粒重新作用于工件表面，實(shí)現(xiàn)拋光過程中磁性顆粒與磨粒的實(shí)時(shí)更新。在以上的2方面的綜合作用下，工件的變間隙運(yùn)動(dòng)使得材料拋光效率顯著提升；試驗(yàn)3中，擠壓振幅不變，工件下壓速度為1.0 mm/s且工件拉升速度提高為3.5 mm/s，在30 min時(shí)材料去除率達(dá)到7.36 nm/min，120 min時(shí)材料去除率達(dá)到5.52 nm/min，拋光的材料去除率進(jìn)一步增加，證明適當(dāng)增大工件拉升速度有助于獲得更高的加工效率。當(dāng)工件向下擠壓拋光墊時(shí)，磁流變拋光液產(chǎn)生擠壓強(qiáng)化效應(yīng)，壓應(yīng)力開始迅速增大，隨工件下行至最小加工間隙處出現(xiàn)正壓力峰值；當(dāng)工件達(dá)到最小加工間隙后，工件進(jìn)入拉升過程，拋光正壓力迅速下降，在拉應(yīng)力作用下液體內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。隨著變間隙運(yùn)動(dòng)中拉升速度的提高，由工件拉升所產(chǎn)生的負(fù)壓也逐漸增大，鐵粉與磨料得以更充分的回流。與此同時(shí)，工件拉升速度的提高使得工件拉升過程的時(shí)間變短，進(jìn)而在每個(gè)變間隙運(yùn)動(dòng)周期中工件下壓過程的占比變大及在整個(gè)平坦化加工過程中處于高壓應(yīng)力狀態(tài)的時(shí)間變長。這2方面的原因使得材料的加工效率提高。

圖3 材料去除率隨加工時(shí)間的變化Fig.3 Change of material removal rate with processing time

除此之外，從圖3還可以發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)2與試驗(yàn)3中，隨著加工時(shí)間延長，材料去除率逐漸減小并趨于平穩(wěn)，工件在拋光前60 min內(nèi)的材料去除率較高。在拋光的初始階段，工件表面因存在較多的劃痕且表面粗糙度較高，拋光時(shí)粗糙表面微凸體受到的局部切應(yīng)力較大，材料去除率較高，工件在磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工的作用下被快速去除，表面質(zhì)量得到改善；但隨著拋光時(shí)間延長，工件表面逐漸平整，材料去除率降低而逐漸趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)4中的工件下壓速度與工件拉升速度均為3.5 mm/s，材料去除率反而下降。隨著工件下壓速度增大，磁流變拋光液擠出加工區(qū)域的流速隨之增大，非磁性磨料加速擠壓出加工區(qū)域，使加工區(qū)域中的有效磨粒數(shù)減小，磁流變拋光墊的去除作用降低，導(dǎo)致材料去除率下降。

2.2 對工件表面粗糙度及形貌的影響

表1條件下工件表面粗糙度與加工時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可見：磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工的表面粗糙度隨加工時(shí)間延長而顯著減小，尤其是在加工初期的30 min內(nèi)工件的表面粗糙度快速降低，且慢速下壓快速拉升效果最好，經(jīng)過120 min加工最終表面粗糙度Ra達(dá)到最低值0.31 nm。具體來看，在試驗(yàn)1中，工件以恒定間隙進(jìn)行拋光加工，經(jīng)過120 min加工最終表面粗糙度Ra只能達(dá)到0.91 nm。試驗(yàn)2給工件施加了一個(gè)工件下壓速度和拉升速度均為1.0 mm/s的變間隙運(yùn)動(dòng)，工件表面粗糙度Ra在15 min時(shí)達(dá)到1.05 nm，并在120 min時(shí)達(dá)到0.39 nm，證明變間隙對于磁流變平坦化加工有正向作用。試驗(yàn)3工件下壓速度不變，而將工件拉升速度提升至3.5 mm/s進(jìn)行磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工時(shí)，在加工120 min時(shí)工件的表面粗糙度Ra為0.31 nm，證明適當(dāng)增加工件拉升速度有助于提升加工效果。同時(shí)，從圖4還可以發(fā)現(xiàn)：在拋光的前15 min，磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工的表面粗糙度快速下降，加工效果顯著，試驗(yàn)2與試驗(yàn)3的表面粗糙度Ra由初始的6.69 nm和6.22 nm分別下降至15 min時(shí)的1.05 nm和0.85 nm。試驗(yàn)4中工件以3.5 mm/s的下壓速度與拉升速度進(jìn)行擠壓振動(dòng)，表面粗糙度緩慢下降并最終達(dá)到0.43 nm。這是由于工件下壓速度的提高使得材料去除率下降，工件的表面缺陷無法被快速去除；但隨著拋光時(shí)間延長，在變間隙的作用下表面粗糙度也能逐漸下降。

圖4 加工表面粗糙度與加工時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationship between machining surface roughness and machining time

圖5為表1條件下藍(lán)寶石表面形貌隨加工時(shí)間的變化，其中測量點(diǎn)半徑R=12 mm。由圖5可見：試驗(yàn)1采用恒間隙磁流變拋光，隨著加工時(shí)間增加，加工表面粗糙度逐漸減小；但是磁流變拋光的材料去除效率較低，經(jīng)過60 min拋光后，材料表面研磨留下的深凹坑和深劃痕才被基本去除，且工件表面仍留有部分未被完全去除的微小突起；經(jīng)120 min拋光后，藍(lán)寶石表面才基本光滑，但表面仍有劃痕和凹坑。

圖5 藍(lán)寶石表面形貌隨加工時(shí)間的變化Fig.5 Variation of sapphire surface morphologies with processing times

如圖5所示：試驗(yàn)2～試驗(yàn)4中采用磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工，開始時(shí)工件的原始表面存在大量的劃痕和凹坑，試驗(yàn)2中，隨著拋光時(shí)間延長，藍(lán)寶石表面的凹坑和突起數(shù)量逐漸減小，但在60 min的加工后仍然存在劃痕和小幅的突起；試驗(yàn)3中，可明顯看出在各拋光時(shí)間段中表面的凹坑和凸起幅度都有所減小，且在拋光60 min后藍(lán)寶石表面僅有少量劃痕并已基本平整，在拋光120 min后工件表面基本沒有劃痕，實(shí)現(xiàn)了工件的超光滑加工；試驗(yàn)4中，可發(fā)現(xiàn)工件下壓速度增加使得材料去除能力減弱，工件在加工60 min后仍有較大的凹坑和凸起，但隨著時(shí)間延長，工件在變間隙運(yùn)動(dòng)的作用下工件表面也逐漸平整。

3 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工材料去除機(jī)理分析

圖6為表1條件下拋光120 min后的藍(lán)寶石材料去除率與表面粗糙度。由圖6可見：在恒間隙磁流變拋光試驗(yàn)1中，材料去除率為3.56 nm/min，表面粗糙度Ra為0.91 nm；試驗(yàn)2下，相比于恒間隙磁流變拋光試驗(yàn)1，材料去除率為3.72 nm/min，提升了4%，表面粗糙度Ra為0.39 nm，下降了57%；試驗(yàn)3相較于試驗(yàn)1，材料去除率提升了55%，達(dá)到5.52 nm/min，表面粗糙度下降了66%，達(dá)到0.31 nm；試驗(yàn)4與試驗(yàn)1的結(jié)果比較，在拋光120 min后，藍(lán)寶石工件的材料去除率略有下降，但其表面粗糙度Ra達(dá)到0.43 nm，下降了53%。因此，與傳統(tǒng)的恒間隙磁流變拋光相比，磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工后的表面粗糙度更低、材料去除效率更高。同時(shí)，在變間隙運(yùn)動(dòng)過程中，工件下壓速度和工件拉升速度對拋光效果影響較大，選擇合適的工件下壓速度和拉升速度有利于進(jìn)一步的提升材料去除率并降低工件表面粗糙度。

圖6 不同加工條件下的拋光效果對比分析Fig.6 Comparative analysis of polishing effects under different processing conditions

藍(lán)寶石晶片拋光120 min后，不同徑向測量位置的表面粗糙度如圖7所示。

圖7 藍(lán)寶石晶片不同位置的表面粗糙度Fig.7 Surface roughness of sapphire wafer at different positions

從圖7可以看出：在沒有施加變間隙運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)1中，工件的表面粗糙度整體較高，且中心與邊緣的表面粗糙度相差較大，分別在徑向半徑為6，12和18 mm處測得相應(yīng)的平均表面粗糙度Ra為 1.158，0.613和0.442 nm。造成該現(xiàn)象的原因，首先是工件自身的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致了中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的相對運(yùn)動(dòng)速度差異；其次磁流變液在磁極的作用下形成拋光微磨頭，隨拋光盤旋轉(zhuǎn)，柔性微磨頭進(jìn)入加工間隙對工件表面產(chǎn)生力的作用，逐漸除去表面缺陷，但在工件旋轉(zhuǎn)作用下的磁性顆粒和磨粒會(huì)被離心作用甩出加工區(qū)域，在恒定間隙加工條件下無法及時(shí)補(bǔ)充，使柔性微磨頭發(fā)生形變，導(dǎo)致工件中心區(qū)域的拋光壓力逐漸變小，使得工件中心區(qū)域加工效果較差；試驗(yàn)2采用磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工，在晶片徑向半徑為6，12和18 mm處加工的表面粗糙度Ra分別為 0.408，0.365和0.365 nm，證明變間隙不僅能有效改善工件表面質(zhì)量，同時(shí)能一定程度的保證加工均勻性，使工件中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的表面粗糙度差異變小；試驗(yàn)3中在晶片徑向半徑為6，12和18 mm處加工的表面粗糙度Ra分別為0.314，0.291和0.283 nm，證明隨工件拉升速度的增加能進(jìn)一步改善工件表面質(zhì)量和加工均勻性；試驗(yàn)4中晶片同樣徑向半徑下加工的表面粗糙度Ra分別為0.483，0.317和0.328 nm，證明工件下壓速度的提升使磨料無法充分回流至工件的中心區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致其加工均勻性變差，工件邊緣區(qū)域加工效果較好而工件中心區(qū)域加工效果相對較差。

磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工作用機(jī)理如圖8所示，圖8中的磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工中的變間隙運(yùn)動(dòng)過程可以被視為工件下壓過程和工件拉升過程2部分。在工件下壓過程中，工件下行使加工間隙減小。由于磁流變拋光液不可壓縮，此時(shí)加工區(qū)域中的磁流變液被擠出，在液體流動(dòng)的作用下形成了剪切力和試圖將工件向上抬起的正壓力；另一方面，隨著加工間隙的減小磁流變液中的基載液和非磁性顆粒被擠壓出加工區(qū)域，而磁性顆粒被磁場吸附于加工區(qū)域內(nèi)，并在擠壓作用下磁性顆粒形成了更為穩(wěn)定的體心四方體結(jié)構(gòu)，磁流變液呈現(xiàn)出擠壓強(qiáng)化效應(yīng)。在2方面因素的綜合作用之下出現(xiàn)拋光力峰值，在此峰值的作用下工件的拋光效率和拋光效果大幅提升。但在工件拉升過程中，工件上行使加工間隙增加，加工區(qū)域出現(xiàn)局部負(fù)壓。在負(fù)壓作用下磁流變液回流，其中的磁性顆?；亓魇谷嵝話伖鈮|形態(tài)得以恢復(fù)，磨料顆?；亓髦匦卤淮沛湸东@，實(shí)現(xiàn)了柔性拋光墊的力學(xué)性能恢復(fù)和磨料的自銳更新，進(jìn)而改善了材料去除的效率和均勻性。在工件的反復(fù)的擠壓振動(dòng)下，最終形成了能對工件表面柔和微量去除的動(dòng)態(tài)壓力。

圖8 磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工作用機(jī)理Fig.8 Mechanism of magnetorheological variable gap dynamic pressure flattening

4 結(jié)論

（1）磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工可以有效地提高工件拋光效率及表面加工質(zhì)量。在工件下壓速度為1.0 mm/s，拉升速度為3.5 mm/s，擠壓振動(dòng)幅值為1 mm條件下進(jìn)行120 min的磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工，藍(lán)寶石工件表面粗糙度Ra由6.22 nm下降至0.31 nm，表面光滑無凹陷與劃痕；材料去除率為5.52 nm/min。相較于恒定間隙的磁流變拋光，工件表面粗糙度下降66%，材料去除率提高55%。

（2）磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工過程可以分解為工件下壓過程與工件拉升過程2部分，選擇合適的工件下壓速度和工件拉升速度有利于獲得更好的加工效果。

（3）磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工通過對磁流變拋光液施加軸向低頻擠壓振動(dòng)，使磁性顆粒和磨?；亓鳎诨謴?fù)磁流變拋光墊形態(tài)的同時(shí)增加拋光墊中有效磨粒數(shù)量，使磁流變拋光墊能高效穩(wěn)定地作用于工件的各個(gè)區(qū)域，從而提高加工均勻性。

（4）磁流變變間隙動(dòng)壓平坦化加工在工件軸向擠壓振動(dòng)的作用下形成磁流變拋光墊與加工表面之間的動(dòng)態(tài)壓力，形成了結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的體心四方體磁鏈串并產(chǎn)生了更大的拋光壓力與磨粒約束力，同時(shí)促進(jìn)了磨料顆粒的回流更新，實(shí)現(xiàn)了材料去除效率和加工表面質(zhì)量的提高。