磨料與工件對集群磁流變效應拋光墊磨粒“容沒”效應的影響*

白振偉，周旭光，閻秋生

(1.廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006;2.深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳518055)

0 引言

磨粒加工是一種被廣泛應用的加工方法，一直是玻璃、陶瓷、金屬、硬質晶體等硬脆材料精密、超精密加工的主要方式，根據加工過程中磨粒固著狀態一般可分為固結磨粒加工和游離磨粒加工兩種方法。游離磨粒加工可獲得納米級甚至亞納米級的表面粗糙度，然而，在游離磨粒加工中，磨粒的粒徑分布是不均勻的，尺寸較大的磨粒(粗大磨粒)往往易對加工工件表面造成損傷，并決定了加工的表面質量，為除去粗大磨粒造成的損傷，后續加工需要更長的加工時間，這使得生產效率下降［1-2］。換言之，游離磨粒加工質量和生產效率對磨粒的尺寸均勻性十分敏感。Basim［3］將混入大尺寸顆粒的SiO2磨料用于拋光時，在被加工表面發現劃痕的密集度隨著大尺寸磨粒的濃度和尺寸的增大而增大，而且即使大尺寸磨粒的濃度小于十萬分之一(即十萬顆磨粒中有一顆大尺寸磨粒)，也會對加工表面造成損傷。Suratwala［4］在均勻金剛石磨粒中摻雜粗大顆粒拋光玻璃時，結果發現隨著粗大磨粒的尺寸與濃度的增大，加工表面劃痕的密集度、長度與深度隨之線性增大，加工表面質量主要取決于粗大磨粒粒徑與濃度。

為避免不均勻粗大磨粒對工件表面造成損傷，Seo［5］在化學機械拋光機中增添過濾裝置對拋光液中的磨粒進行篩選，以獲得粒徑均勻的SiO2磨粒進行拋光，有效消除了粗大磨粒對加工表面的損傷。Yuan［6］提出了一種具有“陷阱效應”的半固著磨具工藝方法，在一定程度上減小甚至消除了不均勻粗大磨粒對加工表面的損傷，但半固著磨具的制造工藝復雜、成本高、易磨損且需要經常修整等等特點限制了它的應用。

磁流變拋光(Magnetorheological finishing，MRF)利用磁流變液在磁場作用下產生的磁流變效應來約束和夾持磨粒，使磨粒處于半固著狀態進行光學曲面拋光加工，現已成為光學材料拋光的主要方法之一［7］。Yan［8-9］以多個小尺寸磁性體陣列形成分布式強磁場提出集群磁流變拋光工藝，利用磁流變效應在拋光盤表面形成一定厚度的粘彈性介質層——磁流變效應拋光墊，磨粒被拋光墊束縛并聚集于拋光墊表面，以此實現大面域、超光滑平坦化加工。作者所在課題組先前對加工參數(包括磁場強度、加工間隙、拋光速率，磁流變液流速、拋光時間)對集群磁流變效應拋光墊加工特性的影響進行了基礎研究［10-11］，本文通過在磁流變拋光液中人為摻雜粗大磨粒對單晶硅、K9 光學玻璃、單晶碳化硅工件進行拋光實驗，分析磨料種類、工件材質對“容沒”效應作用的影響，進一步深入研究集群磁流變效應拋光墊的磨粒“容沒”效應機理，以實現超光滑無損傷拋光加工。

1 集群磁流變效應拋光墊磨粒“容沒”效應機理

在外加磁場的作用下，混雜磨粒的磁流變液將在拋光盤與工件表面之間形成一定厚度的集群磁流變效應拋光墊。所謂集群磁流變效應拋光墊磨粒“容沒”效應，即受到磁場“排異”作用的磨粒在集群磁流變效應拋光墊的頂部富集，由于集群磁流變效應拋光墊的粘彈性，當突出的大尺寸磨粒(粗大磨粒)受到加工表面拋光作用壓力大于磁場對其的“托舉”作用力時，迫使磨粒向拋光墊中沉沒，同時使較小尺寸磨粒與周圍磁性粒子開始分擔拋光壓力，動態作用的綜合效果導致拋光壓力不是由少量尺寸較大的粗大磨粒承擔，而是由不同尺寸磨粒與周圍磁性粒子共同承擔，其作用過程如圖1 所示。在集群磁流變效應拋光墊磨粒“容沒”效應的作用下，使不同大小的磨粒只有頂端與工件表面發生作用，由于磁流變效應拋光墊對磨粒的半固著約束使拋光壓力均勻柔和，保證拋光墊中的粗大磨粒對工件的接觸壓力不會隨著粗大磨粒尺寸的增大而增加，達到減輕或避免粗大磨粒劃傷工件表面的效果，硬脆材料工件表面材料能以塑性方式實現去除［12］，達到高效率超光滑拋光加工。

圖1 “容沒”作用過程示意圖

根據磁流變效應特性，磁場強度越弱集群磁流變效應拋光墊的磁鏈串連接強度越弱剛度越小，對磨粒的約束作用越小而偏向游離磨粒加工狀態，磨粒對加工表面的加工作用越和緩。把集群磁流變效應拋光墊接納磨粒沉沒的能力定義為磨粒“容沒”效應效果。一般來說，粗大磨粒的尺寸與濃度越大，“容沒”效應越差。

2 實驗材料與方法

如圖2 所示，試驗在集群磁流變平面拋光加工實驗裝置上進行，步進電機驅動內嵌陣列永磁體的拋光盤旋轉，循環泵輸送水基磁流變液到拋光盤面上，在磁場的作用下，混入磨料的磁流變液將在拋光盤面上形成一定厚度的粘彈性磁流變效應拋光墊，試件通過石蠟粘貼在裝夾盤上，置于拋光墊上方。

圖2 集群磁流變平面拋光加工實驗裝置

單晶硅、K9 光學玻璃、單晶碳化硅材料廣泛應用于光學、半導體、光電產業中，它們的加工方法受到普遍關注與廣泛研究［1］。因此，實驗工件采用K9 光學玻璃(φ50.8 ×2mm，Ra8.9nm、Rv21.4nm)，單晶硅片(φ50.8 ×2mm，Ra61.4nm、Rv194.8nm)，與單晶碳化硅晶片(φ50. 8 ×0. 5mm，Ra58. 2nm、Rv170. 2nm)。加工前后采用Mahr XT20 粗糙度儀和Keyence VHX-600 光學顯微鏡對工件表面進行檢測分析，以表面輪廓的算術平均偏差Ra評估加工表面質量，利用輪廓最低谷值Rv來分析加工表面的劃傷情況。

為了制備兩組未摻雜粗大磨粒與四組摻雜不同粒徑粗大磨粒的磁流變液，通過加入的質量控制粗大磨粒的含量，選擇1.5μm 金剛石與氧化鈰作為主體磨粒，而5.6μm 金剛石與氧化鈰作為摻雜的粗大磨粒，兩者之間的質量比為9:1。添加甘油與防銹劑(質量分數8%)、1.22μm 羰基鐵粉(質量分數15.6%)，加入適量的去離子水，保持磨粒質量分數為4.8%(粗大磨粒質量分數0.48%)。燒結的Nd-Fe-B 永磁體是被用來磁化磁流變液，它的最大磁能積BHmax 為46～49 MGOe。采用摻雜粗大磨粒與不摻雜粗大磨粒的磁流變液分別對單晶硅、K9 光學玻璃、單晶碳化硅工件進行拋光加工，實驗設計如表1 所示。

表1 實驗設計

3 結果與討論

3.1 粗大磨粒對磨粒“容沒”效應的影響

采用上述制備的磁流變液(①～⑥)分別拋光單晶碳化硅晶片，經過30min 加工后，工件的表面粗糙度如圖3 所示，相對應的表面形貌如圖4 所示。由圖可知，隨著磁流變液的變化，工件表面粗糙度Ra/Rv呈現連續降低的趨勢，且當主體磨粒由氧化鈰變為金剛石時，工件表面粗糙度Ra/Rv發生巨大變化。無論是否摻雜粗大磨粒，以氧化鈰作為主體磨粒加工的工件表面粗糙度Ra/Rv均高于以金剛石作為主體磨粒所加工的。當以1.1μm 氧化鈰或1.1μm 金剛石為主體磨粒時，摻雜5.6μm 氧化鈰磨粒加工的工件表面粗糙度Ra/Rv均低于摻雜5.6μm 金剛石磨粒所加工的。

由于氧化鈰磨粒硬度較低、切削刃較鈍，而金剛石磨粒的硬度較高(略高于單晶碳化硅)且金剛石磨粒帶有鋒利的棱邊(切削刃鋒利)，因此氧化鈰磨粒切削能力遠小于金剛石磨粒，最終導致氧化鈰加工工件的表面粗糙度Ra/Rv均高于以金剛石磨粒所加工的。盡管金剛石磨粒與氧化鈰磨粒徑的相同且金剛石對單晶碳化硅具有更佳的加工效果，但由于金剛石磨粒切削刃鋒利，無論在1.1μm 氧化鈰磨粒還是1.1μm 金剛石磨粒中，摻雜的5.6μm 金剛石磨粒的出刃高度將比5.6μm 氧化鈰磨粒的要高，導致拋光墊對5.6μm 金剛石磨粒的“容沒”過程難度加大，同等工藝條件下，集群磁流變效應拋光墊對氧化鈰磨粒表現出更為顯著的“容沒”效應效果。因此這表明在單晶碳化硅晶片拋光中，與金剛石磨粒相比，集群磁流變效應拋光墊“容沒”氧化鈰磨粒的效果更佳。

圖3 磨料對單晶碳化硅工件表面粗糙度Ra/Rv 的影響

從加工表面形貌可知，以氧化鈰為主體磨粒加工的工件表面微觀形貌光亮區較少，與原始形貌對比發現，僅有部分高峰區域被去除而實現局部平坦化，大部分是未加工到的原始形貌，如圖4:①～③所示;而以金剛石為主體磨粒加工的工件表面微觀形貌均勻、平坦、光滑，實現了大面域平坦化，如圖4:④～⑥所示。工件表面形貌均未發現加工劃痕、裂紋、磨粒損傷等，這表明集群磁流變效應拋光墊對粗大金剛石與氧化鈰磨粒均表現出顯著的“容沒”效應，避免了粗大磨粒損傷工件表面。而摻雜粗大氧化鈰磨粒加工的表面較摻雜粗大金剛石磨粒所加工的表面光亮、均勻，被認為是集群磁流變效應拋光墊“容沒”氧化鈰磨粒效果更佳所致。

圖4 磨料種類對單晶碳化硅工件表面形貌的影響

3.2 工件對磨粒“容沒”效應的影響

在相同的加工參數下，采用上述每組磁流變液分別拋光單晶硅、K9 光學玻璃、單晶碳化硅工件，拋光30min 后，各工件的表面粗糙度Ra/Rv列于表2 中。為了分析摻雜粗大磨粒后加工表面質量的變化，以表面粗糙度Ra/Rv的變化率來考察集群磁流變效應拋光墊對粗大磨粒的“容沒”效應效果。

表2拋光后各工件表面粗糙度

工件表面粗糙度Ra變化率ΔRa計算公式為:

采用上述公式(1)、(2)計算摻雜粗大磨粒后的工件表面粗糙度變化率ΔRa和ΔRv，其結果列于表3 中。按照“容沒”效應作用機理，表面粗糙度變化率ΔRa和ΔRv越大，集群磁流變效應拋光墊磨粒“容沒”效應效果越好。當以氧化鈰為主體磨粒加工時，摻雜粗大金剛石磨粒后，K9 光學玻璃的ΔRa和ΔRv是最大的;但摻雜粗大氧化鈰磨粒后，相對單晶硅與K9 光學玻璃，單晶碳化硅的ΔRa和ΔRv是較大的，但K9 光學玻璃與單晶碳化硅的ΔRa和ΔRv非常接近。當以金剛石為主體磨粒加工時，摻雜粗大金剛石磨粒或氧化鈰后，單晶碳化硅的ΔRa和ΔRv均是最大的。

然而，K9 光學玻璃的硬度與氧化鈰磨粒的硬度接近，而單晶碳化硅的硬度略低于金剛石磨粒(金剛石＞單晶碳化硅＞氧化鈰＞K9 光學玻璃＞單晶硅)。由此表明，當主體磨粒的硬度與工件材質的硬度接近時，集群磁流變效應拋光墊將表現出更為顯著的磨粒“容沒”效應效果。而拋光K9 光學玻璃時，氧化鈰磨粒能與K9 光學玻璃表面材料發生化學等作用使得材料更易去除，致使光學玻璃抵御磨粒對其機械磨損能力減弱［13-14］，從而體現在拋光K9 光學玻璃時，以氧化鈰為主體磨粒、摻雜粗大磨粒后，集群磁流變效應拋光墊對硬度更大的粗大金剛石磨粒表現出較為顯著的“容沒”效應效果。

表3 摻雜粗大磨粒后表面粗糙度變化率(ΔRa/ΔRv)

4 結論

根據磁流變效應拋光墊的粘彈特性，建立了磨粒的“容沒”效應模型，在“容沒”效應作用下，僅磨粒的頂端與工件表面形成接觸作用，實現了大小磨粒同等去除工件表面材料效果。通過實驗研究與分析獲得以下結論:

(1)在基于集群磁流變效應拋光墊的拋光工藝中，摻雜粗大金剛石與氧化鈰磨粒對單晶硅片、K9 光學玻璃、單晶碳化硅晶片進行拋光，實驗結果表明拋光盤與工件表面之間形成的集群磁流變效應拋光墊對粗大金剛石與氧化鈰磨粒均表現出顯著的磨粒“容沒”效應效果，且加工表面光滑、均勻、無劃傷。

(2)當拋光單晶碳化硅晶片時，無論以1.5μm 氧化鈰為主體磨粒，還是以1.5μm 金剛石為主體磨粒拋光，相比摻雜的金剛石粗大磨粒，集群磁流變效應拋光墊“容沒”氧化鈰粗大磨粒的效果更佳。

(3)摻雜粗大磨粒后的ΔRa和ΔRv指出當主體磨粒的硬度與工件材質的硬度接近時，集群磁流變效應拋光墊將表現出更為顯著的磨粒“容沒”效應效果。

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