線性液動壓拋光裝置設計及其動壓力分布研究*

沈張軍，文東輝，袁巧玲

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

隨著微電子技術和微系統的發展，許多微小結構得到了實際應用，材料在微小尺度下的力學性能研究也逐漸成為關注的對象。因此，如何高效穩定地獲得超光滑、低損傷的超光滑表面作為超精密加工的一個重要分支，已逐漸成為超精密表面加工領域的科學前沿和研究熱點[1]。

線性化學機械拋光裝置最早由Lam Research Corporation、OnTrak System Inc.等共同研發，Yi[2]在此基礎上分析了線性單面化學機械拋光的摩擦學特性；而后Yasui等[3]研制開發了線性雙面化學機械拋光機床，并成功應用于磁盤基片的拋光；Lee、Wang等[4-5]改進了新型線性化學機械拋光裝置，使其具有線接觸拋光加工的特征，通過控制加工載荷、旋轉速度、進給速度等參數對加工過程的作用規律，得出輥子旋轉速度對加工均勻性無明顯影響。

本研究在以非接觸式游離磨粒拋光為研究對象的基礎上，提出一種線性液動壓拋光新方法。該線性液動壓裝置采用全浸沒式加工方法，與以往的液動壓裝置相比具有下列特點：

(1)拋棄傳統裝置中的圓形工件盤結構[6]，避免工件在加工過程中所受的離心力影響；

(2)該裝置中直線分布的液動壓效應不會因為圓柱輥子的速度提高而產生壓力分布不均勻的情況，能有效改善以往拋光盤中流體液動壓力沿直徑方向分布不均勻的缺陷；

(3)突破以往液動壓裝置中存在的kPa級[7-8]限制，液動壓效果在一定程度上得到增強。

1 線性液動壓拋光裝置與輥子模型

1.1 線性液動壓懸浮拋光原理

流體潤滑理論[9]大致經歷了以下幾個階段[10]：

(1)牛頓(I·Newton)奠定了流體潤滑的基礎，為粘度作了定義；

(2)1883年，英國學者托爾(B·Tower)通過對火車輪軸滑動軸承的實驗研究發現了流體動壓現象；

(3)同年，俄國科學家彼得洛夫提出完全流體潤滑的第一個表達式，即有潤滑的兩同心圓柱體間摩擦力表達式；

(4)隨后，雷諾(O·Reynolds)提出有關流體中壓力分布的雷諾方程，奠定了流體動力潤滑理論的數學基礎。

線性液動壓懸浮拋光就是基于流體動壓潤滑理論，采用拋光液浸沒工件、浸沒或部分浸沒旋轉輥子的方式，使帶有磨粒的拋光液在輥子的旋轉驅動下，通過液體楔形形成液動壓，從而使工件和輥子之間形成數到數十微米厚的浮動間隙，磨粒被旋轉輥子帶動在該間隙內對工件沖擊，去除工件表面材料，從而達到對工件材料的非接觸式拋光。

1.2 拋光裝置及輥子的設計

磨粒與工件表面的接觸狀態與材料的微去除量息息相關，是獲取原子級超光滑表面的重要影響因素[11-13]。國內外學者相繼研究了浴法拋光、浮法拋光、彈性發射拋光、水面滑行拋光等眾多拋光方法[14-17]。在當前的低彈性模量試樣的原子級超光滑表面的平面拋光方法中，浴法、浮法與彈性發射拋光更具代表性。通過上述流體拋光的研究理論、技術方法和實驗結果，可以得出結論：依賴于磨粒與工件表面間的準/非接觸形態的具有流體動壓效應的拋光技術是獲取超光滑表面的主要手段，但也存在一些不足之處：

(1)特殊的拋光盤如錫盤需要精細的制造，并且需要經過精細的修整以確保其平面度及溝槽角度和形狀；

(2)浴法拋光和浮法拋光的流體動壓效應微弱，對工件表面的材料去除率較低；

(3)設備的成本高，獲得均勻流場的控制難度相對較大。

為了克服以上問題，筆者設計了線性液動壓拋光裝置。該裝置包括旋轉輥子、運動平臺、工件載盤等部分，其中在輥子表面設計了如L形、拋物線形、楔形等的結構化表面，可以形成液動壓效應。

線性液動壓拋光加工裝置如圖1所示。

圖1 線性液動壓拋光加工裝置

裝置工作時，將工件貼片于載盤并固定在運動平臺上，將輥子固定并高速旋轉，由于液體動壓效果，輥子轉動時會產生上浮力使輥子離平臺約50 μm。

上述運動均在拋光液環境中進行，拋光液中的磨粒在高速旋轉的輥子帶動下以接近水平角度撞擊工件表面，以此達到除去工件表面材料的目的。

裝置的一些相關參數如表1所示。

表1 線性液動壓拋光裝置部分參數

2 拋光流體的數值模擬

2.1 確定流體模型及劃分網格

如前文所說，拋光輥子的尺寸設計為長350 mm，直徑90 mm，轉速設為6 000 r/min，材質為鋁合金，并在輥子表面設計有L形、拋物線形或楔形等結構。本文取L形溝槽進行說明。

輥子模型如圖2所示。

圖2 線性液動壓拋光輥子

拋光液設計固液比為1:19，取純水作為液體部分，固體部分(磨粒)材質為SiO2，磨粒直徑設為5 μm。并以此確立輥子及相應的流體模型。

線性液動壓流體模型剖面圖如圖3所示。

圖3 線性液動壓流體模型剖面圖

流體模型尺寸如表2所示。

表2 流體模型的幾何尺寸

首先本研究利用SolidWorks軟件對流體進行三維建模，并在Ansys Workbench軟件工具欄中打開Fluid Flow(Fluent)仿真系統，將流體模型以x_t格式文件導入到Fluent系統中的Geometry模塊，并在Mesh模塊中對其進行網格劃分。

本文對對象模型采用六面體網格畫法對其進行網格劃分，因為六面體網格在計算精度、變形特性、劃分網格數量、抗畸變程度及再劃分次數等方面比其他類型的網格具有優勢。本次網格劃分對該模型共有788 916個節點，714 126個單元網格。

2.2 邊界條件設置

在研究間隙流動時，為了簡化問題，并且使數值模擬過程有更好的收斂性及數值模擬的可靠性，本文在仿真時作如下假設：

(1)不考慮液面處液體在輥子帶動下的飛濺問題。事實上，裝置有專門的擋板用以避免液體飛濺；

(2)假設內部流場的流體為不可壓縮的粘性流體，且加工間隙中的流體狀態為層流；

(3)流體與輥子、工件及載盤表面之間無相對滑動；

(4)流體運動過程中不考慮拋光輥子的熱變形。

根據以上假設，拋光液邊界處壓力為0，因此本研究將流體出口處(液面)的邊界類型設置為Pressure Outlet，邊界條件Initial Gauge Pressure、Gauge Total Pressure均設置為0；流場下表面(運動平臺)設置為移動壁面Moving Wall，取Absolute Speed為0.25 m/s；流體與輥子接觸面(輥子表面)設置為旋轉壁面Rotating Wall，取Absolute Rotational Speed為628 rad/s，即輥子旋轉速度為6 000 r/min；流場的兩側壁面設置為靜壁面Static Wall；

2.3 數值計算結果及機制分析

本文以Ansys Fluent為計算平臺，采用3D單精度損態隱式壓力基求解器進行求解。

仿真參數如下：

輥子轉速6 000 r/min，加工間隙為50 μm，拋光液粘度為0.001 003 kg/(m·s)。

得出的流體壓力分布云圖如圖4所示。

圖4 流體/工件表面的動壓力分布云圖

從圖4可以看出，流體壓力主要分布在旋轉輥子與液體的接觸面附近，并且在一個單元結構內，沿輥子運動逐漸增大，在L形溝槽的約束邊界處達到最大。而當溝槽截面突擴時，引起流體的相互碰撞并形成漩渦造成局部能量損失，因而流體壓力較小。其中可以看出，當輥子結構單元轉動離運動平臺達到最近距離時，溝槽表面所形成的液體動壓力也隨之達到最大，約為17.2 kPa，達到104數量級，從工件動壓分布圖亦可看出，工件表面壓力在此時也達到最大。

筆者將其與以往的液動壓拋光裝置[8]進行對比分析。

傳統拋光裝置工件載盤動壓力分布云圖如圖5所示。

圖5 傳統拋光裝置工件載盤動壓力分布云圖

從圖5可以看出，在工件拋光加工區域中，所能達到的最大流體動壓力僅為約6.7 kPa(載盤邊緣處)，且該裝置只能用于加工銅等彈性模量較大的材質。

該裝置能夠達到的動壓數量級數為以往的液動壓拋光裝置所能達到的數值(103級)的約3倍，在拋光納米級材料表面的效果方面有較大的提升。并且如上文所述，新裝置不存在圓形拋光盤中的離心力與徑向動壓力不均等問題，能更好地滿足超精密拋光的需求。

3 結束語

本研究在以非接觸式游離磨粒拋光為研究對象的基礎上，提出了一種線性液動壓拋光新方法，并設計了一種新的拋光裝置。研究結果表明：相較以往液動壓拋光裝置，該裝置有其獨有的優點，能夠較好地替代以往裝置，完成對材料的拋光任務。具體如下：

(1)針對以往液動壓拋光裝置中存在的壓力較小、不均及離心力無法消除的問題，筆者設計了一種線性液動壓拋光裝置，提出了液動壓拋光新方法。該新方法能有效改善此類問題；

(2)根據流體動壓理論，對線性液動壓拋光裝置的流場區域進行數值模擬，結果表明：該裝置中所產生的液體動壓力相較以往，有了明顯的提升，對加工超精密工件產生積極影響。線性液動壓拋光裝置所能產生的液體動壓力突破了以往裝置所能產生的103級，并在此基礎上提升了一個數量級；

(3)同時，線性分布的液動壓力不會因為輥子轉速的提高而產生壓力分布不均的問題，能有效改善以往裝置中的缺陷。

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