磁流變變間隙動壓平坦化加工的工藝及機理＊

閻秋生，蔡志航，潘繼生，黃 蓓，曾自勤

（廣東工業大學 機電工程學院, 廣州 510006）

近半個世紀以來，高速發展的信息技術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量要求越來越高，要求光電晶片的表面粗糙度達到納米級甚至埃米級且無亞表面損傷[1-2]。為實現光電晶片的超精密拋光，目前常用的拋光方法有機械拋光、磁流變拋光、化學機械拋光[3]、流體動壓拋光[4]以及等離子輔助拋光[5]等。其中，20世紀90年代提出的磁流變拋光，作為光學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形成磁流變柔性拋光墊，實現對工件表面的微量去除，已被證實是一種超光滑、低損傷的加工技術[6-8]。

WANG等[9]提出了一種直線氣隙用磁軛作為勵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。顏曉強等[10]針對小口徑非球面光學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]設計了一種點陣簇磁流變拋光工具，并利用該工具對SLM成形的316L金屬平面樣進行了系統的拋光工藝研究。當加工間隙為1 mm、主軸轉速為400 r/min及工作進給為9 mm/min時，工件的拋光效果最優，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一步的提高。為提高磁流變拋光效率，付有志等[12]通過優化拋光盤表面結構形成流體動壓，提出一種磁流變動壓復合拋光技術，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]發現在擠壓作用下磁流變液的內部鏈串結構會發生變化，其屈服應力達到800 kPa。MAZLAN等[14]設計了一種測試磁流變液壓縮和拉伸特性的裝置，發現磁流變液在擠壓下表現出很強的壓縮能力，其壓應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化效應應用于磁流變拋光中，提出了磁流變變間隙動壓拋光，并通過試驗證明擠壓強化效應對于磁流變拋光的促進作用，但對于磁流變變間隙的加工機理及加工工藝還未開展系統研究。

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

1 磁流變變間隙動壓平坦化加工原理及試驗設計

1.1 磁流變變間隙動壓平坦化加工原理

圖1為磁流變變間隙動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，動態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的擠壓和回流，其拋光壓力動態變化，磨料實時更新，從而改善和提升加工效果。同時，在偏心軸轉動下磁極與拋光盤之間具有相對運動，產生動態變化的磁場，動態磁場使得柔性拋光墊的形態得以維持，更加有利于其長時間的穩定加工。

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

1.2 試驗設計

圖2為磁流變變間隙動壓平坦化加工試驗裝置。如圖2所示：通過機床主軸可直接控制工件對磁流變拋光墊進行的低頻擠壓振動。在拋光盤下方均勻布置有12 個可以偏心旋轉的磁極，用于產生拋光所需的動態磁場，每個磁極可形成直徑約為50 mm的柔性小磨頭。

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

磁流變變間隙動壓平坦化加工過程中的變間隙運動可以視為工件下壓過程和拉升過程的綜合，為分析其加工時的材料去除機理以及不同變間隙參數對加工效果的影響，采用不同的工件下壓速度和工件拉升速度的變間隙方案，其試驗參數如表1所示。試驗使用直徑為2 英寸（5.08 cm）的藍寶石襯底為試驗材料，在試驗前統一對藍寶石工件進行研磨處理，使其表面粗糙度Ra達到7 nm左右。在試驗中磁流變拋光液由去離子水、羰基鐵粉（質量分數為16%）、拋光磨料（硅溶膠，質量分數為10%）組成，拋光盤轉速、工件轉速和磁極轉速已通過前期試驗優化，其值分別為5，500和30 r/min。

表1 試驗工藝參數表Tab.1 Experimental process parameters

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

2 磁流變變間隙動壓平坦化加工試驗結果與分析

2.1 對材料去除率的影響

圖3為表1試驗條件下材料去除率隨加工時間的變化。如圖3所示：試驗1中，工件以恒定間隙進行平坦化加工，材料去除率較低，且材料去除率隨拋光時間的增加而無明顯變化；試驗2中，工件在下壓速度為1.0 mm/s、拉升速度為1.0 mm/s時進行幅值為1 mm的變間隙運動，在工件低頻的擠壓振動過程中材料去除率較試驗1的恒定間隙加工有明顯提升。在30 min時材料去除率達到4.88 nm/min；在120 min時，材料去除率達到3.72 nm/min，材料去除率隨拋光時間的增加逐漸減小并趨于平穩。在工件下壓過程中，磁鏈串受到擠壓形成穩定的體心四方體結構（BCT結構）[13]，該結構產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，加工區域出現局部負壓，在負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，實現拋光過程中磁性顆粒與磨粒的實時更新。在以上的2方面的綜合作用下，工件的變間隙運動使得材料拋光效率顯著提升；試驗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時材料去除率達到7.36 nm/min，120 min時材料去除率達到5.52 nm/min，拋光的材料去除率進一步增加，證明適當增大工件拉升速度有助于獲得更高的加工效率。當工件向下擠壓拋光墊時，磁流變拋光液產生擠壓強化效應，壓應力開始迅速增大，隨工件下行至最小加工間隙處出現正壓力峰值；當工件達到最小加工間隙后，工件進入拉升過程，拋光正壓力迅速下降，在拉應力作用下液體內出現負壓。隨著變間隙運動中拉升速度的提高，由工件拉升所產生的負壓也逐漸增大，鐵粉與磨料得以更充分的回流。與此同時，工件拉升速度的提高使得工件拉升過程的時間變短，進而在每個變間隙運動周期中工件下壓過程的占比變大及在整個平坦化加工過程中處于高壓應力狀態的時間變長。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還可以發現：在試驗2與試驗3中，隨著加工時間延長，材料去除率逐漸減小并趨于平穩，工件在拋光前60 min內的材料去除率較高。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，拋光時粗糙表面微凸體受到的局部切應力較大，材料去除率較高，工件在磁流變變間隙動壓平坦化加工的作用下被快速去除，表面質量得到改善；但隨著拋光時間延長，工件表面逐漸平整，材料去除率降低而逐漸趨于穩定。試驗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域的流速隨之增大，非磁性磨料加速擠壓出加工區域，使加工區域中的有效磨粒數減小，磁流變拋光墊的去除作用降低，導致材料去除率下降。

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間的關系如圖4所示。由圖4可見：磁流變變間隙動壓平坦化加工的表面粗糙度隨加工時間延長而顯著減小，尤其是在加工初期的30 min內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，經過120 min加工最終表面粗糙度Ra達到最低值0.31 nm。具體來看，在試驗1中，工件以恒定間隙進行拋光加工，經過120 min加工最終表面粗糙度Ra只能達到0.91 nm。試驗2給工件施加了一個工件下壓速度和拉升速度均為1.0 mm/s的變間隙運動，工件表面粗糙度Ra在15 min時達到1.05 nm，并在120 min時達到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進行磁流變變間隙動壓平坦化加工時，在加工120 min時工件的表面粗糙度Ra為0.31 nm，證明適當增加工件拉升速度有助于提升加工效果。同時，從圖4還可以發現：在拋光的前15 min，磁流變變間隙動壓平坦化加工的表面粗糙度快速下降，加工效果顯著，試驗2與試驗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時的1.05 nm和0.85 nm。試驗4中工件以3.5 mm/s的下壓速度與拉升速度進行擠壓振動，表面粗糙度緩慢下降并最終達到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間的關系Fig.4 Relationship between machining surface roughness and machining time

圖5為表1條件下藍寶石表面形貌隨加工時間的變化，其中測量點半徑R=12 mm。由圖5可見：試驗1采用恒間隙磁流變拋光，隨著加工時間增加，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120 min拋光后，藍寶石表面才基本光滑，但表面仍有劃痕和凹坑。

圖5 藍寶石表面形貌隨加工時間的變化Fig.5 Variation of sapphire surface morphologies with processing times

如圖5所示：試驗2～試驗4中采用磁流變變間隙動壓平坦化加工，開始時工件的原始表面存在大量的劃痕和凹坑，試驗2中，隨著拋光時間延長，藍寶石表面的凹坑和突起數量逐漸減小，但在60 min的加工后仍然存在劃痕和小幅的突起；試驗3中，可明顯看出在各拋光時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，實現了工件的超光滑加工；試驗4中，可發現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，但隨著時間延長，工件在變間隙運動的作用下工件表面也逐漸平整。

3 磁流變變間隙動壓平坦化加工材料去除機理分析

圖6為表1條件下拋光120 min后的藍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1中，材料去除率為3.56 nm/min，表面粗糙度Ra為0.91 nm；試驗2下，相比于恒間隙磁流變拋光試驗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3相較于試驗1，材料去除率提升了55%，達到5.52 nm/min，表面粗糙度下降了66%，達到0.31 nm；試驗4與試驗1的結果比較，在拋光120 min后，藍寶石工件的材料去除率略有下降，但其表面粗糙度Ra達到0.43 nm，下降了53%。因此，與傳統的恒間隙磁流變拋光相比，磁流變變間隙動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，在變間隙運動過程中，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動的試驗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處測得相應的平均表面粗糙度Ra為 1.158，0.613和0.442 nm。造成該現象的原因，首先是工件自身的旋轉導致了中心區域與邊緣區域的相對運動速度差異；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，柔性微磨頭進入加工間隙對工件表面產生力的作用，逐漸除去表面缺陷，但在工件旋轉作用下的磁性顆粒和磨粒會被離心作用甩出加工區域，在恒定間隙加工條件下無法及時補充，使柔性微磨頭發生形變，導致工件中心區域的拋光壓力逐漸變小，使得工件中心區域加工效果較差；試驗2采用磁流變變間隙動壓平坦化加工，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量，同時能一定程度的保證加工均勻性，使工件中心區域與邊緣區域的表面粗糙度差異變小；試驗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一步改善工件表面質量和加工均勻性；試驗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域，會導致其加工均勻性變差，工件邊緣區域加工效果較好而工件中心區域加工效果相對較差。

磁流變變間隙動壓平坦化加工作用機理如圖8所示，圖8中的磁流變變間隙動壓平坦化加工中的變間隙運動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，此時加工區域中的磁流變液被擠出，在液體流動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域，而磁性顆粒被磁場吸附于加工區域內，并在擠壓作用下磁性顆粒形成了更為穩定的體心四方體結構，磁流變液呈現出擠壓強化效應。在2方面因素的綜合作用之下出現拋光力峰值，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，加工區域出現局部負壓。在負壓作用下磁流變液回流，其中的磁性顆粒回流使柔性拋光墊形態得以恢復，磨料顆粒回流重新被磁鏈串捕獲，實現了柔性拋光墊的力學性能恢復和磨料的自銳更新，進而改善了材料去除的效率和均勻性。在工件的反復的擠壓振動下，最終形成了能對工件表面柔和微量去除的動態壓力。

圖8 磁流變變間隙動壓平坦化加工作用機理Fig.8 Mechanism of magnetorheological variable gap dynamic pressure flattening

4 結論

（1）磁流變變間隙動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，擠壓振動幅值為1 mm條件下進行120 min的磁流變變間隙動壓平坦化加工，藍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，使磁性顆粒和磨粒回流，在恢復磁流變拋光墊形態的同時增加拋光墊中有效磨粒數量，使磁流變拋光墊能高效穩定地作用于工件的各個區域，從而提高加工均勻性。

（4）磁流變變間隙動壓平坦化加工在工件軸向擠壓振動的作用下形成磁流變拋光墊與加工表面之間的動態壓力，形成了結構穩固的體心四方體磁鏈串并產生了更大的拋光壓力與磨粒約束力，同時促進了磨料顆粒的回流更新，實現了材料去除效率和加工表面質量的提高。