一種自修整磁流變柔性拋光砂輪及其磨拋方法技術

本發明專利技術涉及一種自修整磁流變柔性拋光砂輪及其磨拋方法，包括固定環、內齒輪、砂輪環、齒輪軸、同步旋轉齒輪、行星齒輪、旋轉軸和圓柱體永磁鐵，旋轉軸裝設在砂輪環內，圓柱體永磁鐵裝設在旋轉軸下端所設的通孔內，內齒輪裝設在砂輪環的上部，固定環裝設在內齒輪的頂部，固定環固定在機床上，砂輪接口裝設在砂輪環及固定環的頂部，砂輪接口與砂輪環連接，砂輪接口上設有外齒輪，齒輪軸裝設在砂輪接口上，行星齒輪裝設在齒輪軸上，同步旋轉齒輪裝設在旋轉軸上端，行星齒輪與砂輪接口所設的外齒輪嚙合，同步旋轉齒輪及行星齒輪與內齒輪嚙合。本發明專利技術實現磨料更新自銳和砂輪塊形狀的實時恢復，適合光電子/微電子基片和光學元件的平面高效超光滑均勻磨削拋光加工。

【技術實現步驟摘要】


本專利技術涉及一種自修整磁流變柔性拋光砂輪及其磨拋方法，特別適合于光電子/微電子半導體基片及光學元件的超精密磨拋加工，屬于超精密加工


技術介紹

在LED領域，單晶硅(Si)、單晶鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、單晶碳化硅（SiC）和藍寶石（Al2O3）等作為半導體襯底材料，同樣要求具有超平坦和超光滑的表面（粗糙度Ra達到0.3nm以下）才能滿足外延膜生長的要求，并且要求無缺陷、無損傷。而光學元件作為光學器件的核心元件之一，要達到良好的光學性能，其表面精度需要達到超光滑程度（粗糙度Ra達到1nm以下），面形精度也有較高的要求（形狀精度達到0.5微米以下）。可以看出無論是光學平面元件還是半導體基片，均需要進行平坦化加工，其傳統工藝主要是高效研磨、超精密拋光、化學機械拋光、磁流變拋光和基于端面磨床的磨拋加工，其加工質量和精度直接決定了光學器件及半導體器件的性能。
自從1984年日本的MastulS.等人提出了工件自旋轉磨削方法后，自旋轉磨削原理的超精密磨床已成為半導體晶片特別是大直徑晶片制造和背面減薄普遍采用的加工設備。在工件自旋轉磨削中，除了對超精密磨床的精度和主軸剛度提出很高度要求之外，對配套采用的端面砂輪也有極高的要求，其中以具有拋光性能砂輪（Poligrind）要求最高，采用該砂輪能直接通過磨削方式獲得機械拋光同等的表面質量，大大提高了加工效率。但是Poligrind的高性能造成了能生產此類砂輪的廠商極少，價格居高不下，進口價格在3萬人民幣左右，而且該類砂輪的齒高只有5～7mm高，加工過程中砂輪磨損非常快，因而只能用于少量工件的磨削，磨削成本極高。因而本專利技術提出一種自修整磁流變柔性拋光砂輪及其磨拋方法，采用動態磁場形成自修整流變柔性拋光砂輪塊，實現對工件的恒壓力柔性加工，并且能使磨料在加工過程中實時更新自銳，而且該砂輪永不磨損，能夠以低廉的價格實現Poligrind的效果。

技術實現思路

本專利技術的目是針對Poligrind成本高、磨損快的問題提出一種自修整磁流變柔性拋光砂輪。本專利技術加工過程中砂輪塊能實現磨料自動更新和砂輪塊形狀的實時恢復，砂輪塊永不磨損，加工效率高，成本低，能獲得無表面和亞表面損傷的工件，適合光電子/微電子基片和光學元件的平面高效率超光滑均勻磨削拋光加工。
本專利技術的另一目的在于提供一種自修整磁流變柔性拋光砂輪的磨拋方法，本專利技術采用動態磁場實現磁流變液的更新和磨料的更新自銳，不需要采用循環裝置對磁流變液進行更新且加工過程中不需要更換磁流變液，自修整流變柔性拋光砂輪塊中的磨料具有容末效應，能實現細小的磨料與工件優先接觸，避免粗顆粒磨料對工件的損傷，不存在傳統砂輪塊的磨損問題和磨料粒度及氣孔分布不均等關鍵問題。
本專利技術的技術方案是：本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪，包括有固定環、內齒輪、砂輪環、齒輪軸、同步旋轉齒輪、行星齒輪、旋轉軸和圓柱體永磁鐵，其中旋轉軸裝設在砂輪環內，圓柱體永磁鐵裝設在旋轉軸下端所設的通孔內，內齒輪裝設在砂輪環的上部，固定環裝設在內齒輪的頂部，且固定環固定在機床上，砂輪接口裝設在砂輪環及固定環的頂部，砂輪接口與砂輪環連接，砂輪接口上設有外齒輪，齒輪軸裝設在砂輪接口上，行星齒輪裝設在齒輪軸上，同步旋轉齒輪裝設在旋轉軸的上端，行星齒輪與砂輪接口所設的外齒輪嚙合，同步旋轉齒輪及行星齒輪與內齒輪嚙合。
本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪的磨拋方法，包括如下步驟：
1）根據機床的結構，設計適配的自修整磁流變柔性拋光砂輪結構；
2）根據加工對象的特點，選擇的磁場強度的圓柱體永磁鐵相鄰同磁極或者相鄰反磁極安裝于自修整磁流變柔性拋光砂輪內，調整旋轉軸使圓柱體永磁鐵下端面到砂輪端面的距離一致，并完成自修整磁流變柔性拋光砂輪的整體安裝；
3）將自修整磁流變柔性拋光砂輪通過砂輪接口和連接螺釘安裝于端面磨床主軸上，將固定環通過固定環上的定位圓柱和固定連接環固定于端面磨床床身上；
4）將工件通過真空吸或者其他方式裝夾于工件主軸上，使工件圓心在圓柱體永磁鐵圓心形成的軌跡圓附近，調整端面磨床主軸使砂輪端面到工件上表面的加工間隙為0.5～5mm；
5）通過在去離子水中加入如下三種磨料中的至少一種磨料，三種磨料分別是濃度為2%～15%的微米級磨料、濃度為2%～15%的亞微米級磨料、濃度為2%～15%的納米級磨料，及去離子水中加入濃度為2%～20%的亞微級羰基鐵粉及濃度為3%～15%的微米級羰基鐵粉，及加入濃度為3%～15%的分散劑、濃度為1%～6%的防銹劑和濃度為2%～10%的穩定劑，充分攪拌后通過超聲波震動5～30分鐘，形成磁流變液；
5）將磁流變液倒入環形槽內，磁流變液在圓柱體永磁鐵的磁流變效應下形成無修整磁流變砂輪塊；
6）啟動端面磨床主軸和工件主軸，端面磨床主軸帶動自修整磁流變柔性拋光砂輪以50rpm～5000rpm速度旋轉，在行星齒輪與砂輪接口的外齒輪的作用下驅動內齒輪轉動，內齒輪通過同步旋轉齒輪帶動旋轉軸和圓柱體永磁鐵轉動，同步轉動的圓柱體永磁鐵使端面磁場實時變化，使無修整磁流變砂輪塊形成自修整流變柔性拋光砂輪塊，工件主軸帶動工件以0rpm～500rpm速度轉動；
7）工件表面材料在自修整流變柔性拋光砂輪塊的恒壓剪切作用和工件自身的轉動下實現磨拋去除，獲得超光滑無亞表面損傷表面。
本專利技術的自修整磁流變柔性拋光砂輪，采用磁極旋轉的方法使相鄰的磁極磁力線發生實時變化，從而把靜態磁場轉變為動態磁場，可以迫使無修整磁流變砂輪塊轉變為自修整流變柔性拋光砂輪塊而實現磨料的更新自銳和砂輪塊形狀的實時恢復，徹底解決了無修整磁流變砂輪塊正衡間隙加工過程中由于磁流變液的黏性和磁性作用下變形而無法恢復從而失去對工件的加工壓力的核心問題。本專利技術巧妙地采用砂輪的旋轉運動直接驅動行星齒輪機構中的內齒輪旋轉，并借助內齒輪的旋轉驅動各磁極同步轉動，并利用迷宮結構和梯形結構實現機械密封和相對滑動，從而獲得了與傳統砂輪相當的緊湊機構。本專利技術的另一優點采用動態磁場實現磁流變液的更新和磨料的更新自銳，不需要采用循環裝置對磁流變液進行更新且加工過程中不需要更換磁流變液，自修整流變柔性拋光砂輪塊中的磨料具有容末效應，能實現細小的磨料與工件優先接觸，避免粗顆粒磨料對工件的損傷，并且自修整流變柔性拋光砂輪塊的形狀能實時恢復，不存在傳統砂輪塊的磨損問題和磨料粒度及氣孔分布不均等關鍵問題。因而采用本專利技術的自修整磁流變柔性拋光砂輪能獲得的工件表面一致性好且無表面和亞表面損傷的高質量工件，而且成本低，非常適合光電子/微電子基片和光學元件的平面高效率超光滑均勻磨削拋光加工。同時，本裝置使用過程中工件不旋轉時能加工出環帶型無損區域，適合于研究光學平面材料的材料去除機理和亞表面損傷檢測等試驗研究。
附圖說明
圖1是本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪全剖主視圖。
圖2是本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪的局部放大視圖。
圖3為本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪A-A剖視圖。
圖4為本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪俯視圖。
圖5為本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪仰視圖。
圖6為本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪在端面磨床的安裝示意圖。
圖7為本專利技術自修整磁流變柔性拋光砂輪安裝在端面磨床并形成流變本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于包括有固定環（1）、內齒輪（3）、砂輪環（8）、齒輪軸（11）、同步旋轉齒輪（17）、行星齒輪（18）、旋轉軸（25）和圓柱體永磁鐵（26），其中旋轉軸（25）裝設在砂輪環（8）內，圓柱體永磁鐵（26）裝設在旋轉軸（25）下端所設的通孔內，內齒輪（3）裝設在砂輪環（8）的上部，固定環（1）裝設在內齒輪（3）的頂部，且固定環（1）固定在機床上，砂輪接口（13）裝設在砂輪環（8）及固定環（1）的頂部，砂輪接口（13）與砂輪環（8）連接，砂輪接口（13）上設有外齒輪，齒輪軸（11）裝設在砂輪接口（13）上，行星齒輪（18）裝設在齒輪軸（11）上，同步旋轉齒輪（17）裝設在旋轉軸（25）的上端，行星齒輪（18）與砂輪接口（13）所設的外齒輪嚙合，同步旋轉齒輪（17）及行星齒輪（18）與內齒輪（3）嚙合。

【技術特征摘要】
1.一種自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于包括有固定環（1）、內齒輪（3）、砂輪環（8）、齒輪軸（11）、同步旋轉齒輪（17）、行星齒輪（18）、旋轉軸（25）和圓柱體永磁鐵（26），其中旋轉軸（25）裝設在砂輪環（8）內，圓柱體永磁鐵（26）裝設在旋轉軸（25）下端所設的通孔內，內齒輪（3）裝設在砂輪環（8）的上部，固定環（1）裝設在內齒輪（3）的頂部，且固定環（1）固定在機床上，砂輪接口（13）裝設在砂輪環（8）及固定環（1）的頂部，砂輪接口（13）與砂輪環（8）連接，砂輪接口（13）上設有外齒輪，齒輪軸（11）裝設在砂輪接口（13）上，行星齒輪（18）裝設在齒輪軸（11）上，同步旋轉齒輪（17）裝設在旋轉軸（25）的上端，行星齒輪（18）與砂輪接口（13）所設的外齒輪嚙合，同步旋轉齒輪（17）及行星齒輪（18）與內齒輪（3）嚙合。
2.根據權利要求1所述的自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于上述砂輪接口（13）與砂輪環（8）通過緊固螺釘（16）連接。
3.根據權利要求1所述的自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于上述旋轉軸（25）通過兩對圓錐滾子軸承（7）支承在砂輪環（8）；上述旋轉軸（25）在兩對圓錐滾子軸承（7）之間套裝有軸承隔套（6），上述旋轉軸（25）在圓錐滾子軸承（7）的端部裝設有外螺母（4）及內螺母（5）。
4.根據權利要求1所述的自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于上述旋轉軸（25）的上端通過平鍵（22）安裝同步旋轉齒輪（17）；上述行星齒輪（18）通過深溝球軸承（20）支承在齒輪軸（11）上。
5.根據權利要求1所述的自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于上述砂輪接口（13）下端具有安裝止口（14），砂輪環（8）上端與砂輪接口（13）下端貼合并通過安裝止口（14）實現定位；上述內齒輪（3）與砂輪環（8）通過內齒輪（3）下端面的梯形滑動面（23）配合安裝，固定環（1）與內齒輪（3）通過內齒輪（3）上端面的梯形止口（2）配合安裝，固定環（1）內上側的凸環嵌套在砂輪接口（13）左下端，齒輪軸（11）上端通過螺紋連接固定于固定環（1）上，行星齒輪（18）的端部通過孔用彈性擋圈（19）和軸用彈性擋圈（21）固定于齒輪軸（11）上。
6.根據權利要求1至5任一項所述的自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于上述固定環（1）上端具有多個定位圓柱（9），固定環（1）能相對砂輪接口（13）發生轉動，固定環（1）與砂輪接口（13）之間存在防水結構迷宮止口（10），內齒輪（3）能相對固定環（1）和砂輪環（8）發生轉動，內齒輪（3）上端面的梯形止口（2）和內齒輪（3）下端面的梯形滑動面（23）具有耐磨擦材料涂層，實現自修整磁流變柔性拋光砂輪的機械密封與滑動摩擦。
7.根據權利要求6所述的自修整磁流變柔性拋光砂輪，其特征在于上述圓柱體永磁鐵（26）的端面磁場強度大于1000Gs，相鄰同磁極或者相鄰反磁極安裝于砂輪環（8）的垂直陣列孔內，圓...

【專利技術屬性】
技術研發人員：潘繼生，閻秋生，張鳳林，
申請(專利權)人：廣東工業大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44