拋光輪表面形貌對拋光斑質量影響

孟德琳，金洙吉，周平

（大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著科學和工業技術的發展和需求，超精密元件越來越多地被應用在各個領域，例如大口徑光學元件[1]、超精密導軌[2]，這些元件要求具有非常高的面形精度，另外有一些元件表面需要加工出特定的微觀形貌，如摩擦副表面陣列槽或者波紋結構[3]，連續相位板表面隨機分布的微米級起伏形態[4]。這些表面需要采用確定性的微量去除工具，通過數控的方式實現面形的收斂，計算機控制拋光（CCP）技術由此發展起來。

經過幾十年的探索，國內外學者開發了各種CCP工具并進行了相關的工藝研究。按照工作時是否和工件接觸，這些數控拋光工具可分為非接觸式和接觸式。非接觸式工藝有離子束拋光[7]、等離子體拋光[5]、射流拋光[6]和磁流變拋光[8]等。接觸式拋光主要基于CMP原理，有行星盤拋光[9]、氣囊拋光[10]和輪式拋光[11]等。輪式拋光結構簡單，根據工具大小使用于各個尺寸下的平面、曲面精拋光和修形。

對于接觸式拋光，雖然很多學者都進行了相關工具設計和工藝開發及應用，但基于CMP原理對拋光模的表面形態及與工件的接觸狀態相關研究很少，特別對于小尺寸下的去除函數，拋光模與工件的接觸狀態決定了去除函數（TIF）的形狀和拋光的質量。本文基于一種結構形式簡單的CMP雙軸拋光小工具，通過對拋光輪的修整方式（即修整速度方向和砂紙粒度大小）探究其對輪面粗糙峰形貌及對拋光駐留斑光滑性的影響。

1 拋光輪結構

本文要得到小尺寸TIF，目標定在2 mm左右，輪直徑定為20 mm，拋光墊材料為IC1000。如圖1所示，拋光輪旋轉運動由兩個電動機驅動，拋光輪同時自轉和公轉，公轉電動機提供公轉運動ω1，自轉電動機提供自轉運動ω2，拋光輪寬度為w,半徑為r。為了縮減拋光頭空間尺寸，自轉電動機通過同步帶傳動驅動拋光輪自轉。

圖1 拋光頭結構

2 輪面形貌影響參數及拋光斑質量

由于經過長時間的摩擦磨損和磨粒沉積，拋光墊表面會產生釉化現象，所以要時常修整，修整方式通常為用帶有固結磨粒的砂盤按照工件拋光的方式與拋光墊相對運動，去除釉化層，重新形成粗糙峰。在輪式拋光中，通過修整降低拋光輪的徑向跳動和應對輪面粗糙峰的磨損。

拋光頭搭載在三軸運動平臺上，修整速度方向上分為拋光輪線速度與機床運動軌跡平行和垂直兩種方式，以下分別稱為模式一和模式二，如圖2所示。修整砂紙分為180#、400#、800#，其中模式一和模式二采用180#砂紙修整，在拋光輪線速度和機床運動垂直的基礎上用400#、800#砂紙修整分別稱為模式三、模式四。磨削自轉速度為180 r/min，機床運動速度為100 mm/s。

圖2 拋光輪兩種修整速度模式

修整完輪面后，通過激光共聚焦顯微鏡觀察粗糙峰分布情況（如圖3），由于輪曲率影響，共聚焦拼接視野為2 mm×1 mm，為了取樣長度和評定長度更合理，評價輪面線粗糙度Ra時在輪面5個均布位置，每個位置5條線條取樣，線條平行于輪面母線，長度為2 mm。測得模式一～模式四的線粗糙度分別為Ra8.27 μm、Ra7.77 μm、Ra4.88 μm和Ra2.89 μm。

圖3 不同模式下的輪面形貌

用以上4種形貌的拋光輪進行單點駐留拋光實驗，公轉速度為130 r/min，自轉速度為180 r/min，接觸壓力3 N，單點駐留60 s，其中拋光液采用FUJIMI 80 nm SiO2溶液，與去離子水配制比例為1:3，測量采用Zygo9000白光干涉輪廓儀。圖4所示為其單軸劃擦斑和雙軸駐留拋光斑形貌，可以看到由于輪表面粗糙峰的起伏造成母線方向接觸壓力的不連續，從而導致各種模式下的單軸劃擦斑在母線上都有一定參差性，雙軸駐留拋光斑在半徑方向上都有一定的起伏，但模式二比模式一有所改善，且隨著砂紙粒度減小，拋光斑逐漸變得順滑。

圖4 拋光輪的駐留斑

提取以上4種模式雙軸拋光斑截面輪廓（如圖5），從模式一到模式四,輪廓逐漸順滑，從去除函數形狀的穩定性及修形算法的實現考慮，應該選取光滑的駐留斑作為TIF數據來源。

圖5 駐留斑點截面輪廓

拋光斑的形狀決定了去除函數數據的提取，其對后續修形工作的駐留時間求解至關重要，拋光斑中心區域的粗糙度影響了拋光修形后的表面質量。由于實際修形中，駐留步距在0.3 mm以下，所以探究各模式下拋光斑中心0.4 mm范圍內粗糙度，對Zygo干涉輪廓儀測量的原始數據做高階擬合處理，并做高通濾波，濾波截止周期為80 μm。結果如圖6所示，可以看到模式一～模式四的拋光斑中心粗糙度逐漸下降，輪面粗糙度和拋光斑粗糙度變化關系如圖7所示。800#砂紙磨削后的輪面拋光斑中心粗糙度達到Sa0.557 nm，為精密修形拋光提供了基礎。

圖6 不同模式下的拋光斑中心粗糙度（（a）～（d）分別為模式一～模式四）

圖7 輪面和拋光斑中心粗糙度隨輪面修整模式變化示意圖

3 結論

比較了2種速度模式修整的拋光輪面，通過實驗可知，當輪線速度和機床速度垂直時，更有利于輪面粗糙峰的隨機分布，從而更有利于在小尺寸下拋光得到比較光滑的拋光斑。

用180#、400#和800#砂紙修整過的輪面得到的拋光斑底部粗糙度分別為Sa0.953 nm、Sa0.821 nm和Sa0.551 nm，表明這種小尺寸拋光工具應用于表面精密修形的潛力。

得出結論為：使用較細砂紙修整輪面可提高駐留拋光質量，但粗糙峰高低分布亦影響了拋光模的使用壽命和拋光的穩定性，后續工作將圍繞拋光輪材料去除的穩定性展開研究。