CN110788743B

CN110788743B - 一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫及抛光方法

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Publication number: CN110788743B
Application number: CN201910897900.3A
Authority: CN
Inventors: 李敏; 唐成; 董婷; 刘明辉; 宋方增
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2039-09-23
Also published as: CN110788743A

Abstract

一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，抛光垫为多层叠加的多孔式耐磨抛光垫，抛光垫中预留孔隙，其内部嵌有磨料胶囊，胶囊内含有磁性磨料、增稠相和酸碱剂。以及提供一种应用磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫的抛光方法，外加磁场后，抛光垫内的磨料胶囊受到磁场作用，其中的磁性磨料冲击胶囊外壳，磁场强度足够时胶囊被冲击碎裂，抛光物质沿孔隙释放出来，逐渐分散溶解在水溶液中，形成缓释磁性物质稠化液流抛光液；磁场撤消后，磨料胶囊停止释放抛光物质，抛光液浓度不再变化。抛光中磁场作用于磁性磨料，在增稠相稠化液流的基础上，进一步增强了抛光液的稠化液流特性，提高了抛光效率。本发明抛光垫的使用寿命长，抛光效率高。

Description

一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫及抛光方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及到一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫及抛光方法。

背景技术

超精密加工技术在现代科学技术的重要组成部分，在众多领域中广泛应用。例如蓝宝石、单晶硅及各功能性陶瓷等硬脆难加工材料的加工方面；各种复杂曲面的高精度、低损伤、美观等方面。利用超精密加工技术，可以获得低表面粗糙度、低/无表面损伤或亚表面损伤的工件表面。

抛光垫又称抛光皮，抛光布，抛光片，抛光过程中决定表面质量的重要辅料。在抛光垫上，抛光液有效均匀地输送到抛光垫的不同区域；将抛光后产生的反应物(化学抛光产物)、碎屑(机械抛光产物) 等顺利排出，达到去除效果；维持抛光垫表面的抛光液薄膜,以便化学反应充分进行；保持抛光过程的平稳、表面不变形,以便获得较好的晶片表面形貌。

已授权发明专利(CN101139504A)，磁流变抛光液及其制备方法。该抛光液(体积百分比)由磁性颗粒(30％-40％)、纯净水45％-55％、添加剂5％-10％、表面活性剂3％-5％和抛光粉5％-8％组成。在外加磁场后，磁流变抛光液中的固相颗粒聚集在一起形成环绕抛光轮的粒子链结构，通过粒子链与工件的相对运动实现材料去除。制备中先对磁性颗粒进行表面净化和活化处理，通过高速球磨对磁性颗粒表面处理。该发明制备的磁流变抛光液具有水解作用，制作方法简单，有良好的抗沉降团聚稳定性能、抛光效果好，使用寿命长，适于光学镜片抛光。但对于不同的加工工件需提前配置适合的抛光液。

已公开发明专利(CN109894930A)，一种缓释型柔性磨具及抛光方法。该发明所述柔性磨具，其磨具微孔内含磨料颗粒，抛光过程中磨料颗粒在接触碱性水溶液时，缓慢释放出磨料颗粒参与到工件的抛光。该方法中磨料和缓释剂相结合，但磨料颗粒是一个缓慢释放出磨料颗粒的过呈，其释放速度不可控。而使用磁性磨料缓释胶囊，胶囊一旦破碎溶解，磨料能够快速释放且其释放过程可控，能形成不同浓度的缓释磁性物质稠化液流抛光液，节省了抛光的准备时间，提高了抛光效率。

已公开发明专利(CN109048646A)，多孔性耐磨抛光垫及其制造方法。该发明所述多孔性耐磨抛光垫使用作为固相发泡剂的热膨胀微胶囊及作为气相发泡剂的惰性气体来调节气孔的大小及分布，从而可以调节抛光性能(抛光效率)。缺点在于使用该抛光垫时，需要另配抛光液以满足抛光要求，使得总抛光时长延长，减低抛光效率。

已公开发明专利(CN203665339U)，抛光垫。该发明提供的抛光垫，其具有优异的抛光性能和抛光浆料的排出特性，所述抛光垫在抛光面上具有抛光部和槽部，所述的槽部表面具有未发泡部，所述的抛光部表面露出有发泡部。其中抛光部和槽部的表面粗糙度各有要求，造成该抛光制造过程复杂，提高了其加工成本。

已授权发明专利(CN105579194B)，多层抛光垫。该发明提供一种多层布置结构的抛光垫，该抛光垫用于化学机械抛光，每层抛光垫的厚度介于0.125mm和10mm之间，抛光垫用压敏粘合剂粘结。该多层结构的抛光垫具有优异的抛光性能和耐用性，但抛光垫的表层釉化后会导致多层抛光垫整体失效，降低了抛光垫的利用率。

已公开发明专利(CN110026828A)，一种剪切增稠-电泳复合抛光方法。该发明由机械臂提供载荷，并主动控制工件微转动。抛光过程中使用直流电源产生电泳效应，电源电极两端产生磨料颗粒的电泳效应结合剪切增稠电泳复合抛光液，形成抛光液与工件表面的高度吻合与材料去除，实现剪切增稠-电泳复合抛光。该发明效率高、能得到无表面损伤或亚表面损伤低的工件表面质量。

已公开发明专利(CN108555698A)一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法。剪切增稠-化学协同抛光方法利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、剪切增稠与绿色化学作用协同，对工件的加工表面进行抛光。抛光前需要配制高效超精密剪切增稠-化学协同抛光液，该抛光液包括抛光磨粒或微粉、剪切增稠增强相、水及绿色化学环保物质。加工效率和精度高，可以扩展可加工材料及面形，环保无污染，抛光液的配置较繁琐。

已公开发明专利(CN109822428A)，一种主动控制剪切作用与温度诱导梯度增稠抛光加工装置，装置包括工件夹具、抛光盘、抛光垫、抛光液池、主轴、抛光液箱、温度传感器、变温棒和水泵。抛光装置提供了一种温度梯度诱导机构。由温度传感器和变温棒监控和控制抛光温度。抛光中使用专用的温度诱导梯度增稠效应抛光液。该发明的抛光效率较高，抛光过程可控，灵活性良好，需要采用温度诱导增稠。

发明内容

为了克服已有抛光垫在使用过程中需要另配抛光液辅以抛光和抛光过程中抛光液流失速度快的问题，本发明使用场强可控的磁场缓释抛光物质，使用水(或水溶性)抛光；随着磁场的加强，抛光液中的抛光物质浓度越高，抛光效率随之增强。本发明提供了一种无需提前配置抛光液而实时配置并调节磨料浓度及化学性质的场强可控缓释磁性物质稠化液流抛光液垫及抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，抛光垫为多层叠加的多孔式耐磨抛光垫，抛光垫中预留孔隙，其内部嵌有磨料胶囊，胶囊内含有磁性磨料、增稠相和酸碱剂。

进一步，所述抛光垫为多层式设计，层数为3×i层，i为正整数且i≥1，厚度为8～24mm。边缘通过背胶粘合，在磁场的作用下，磨料透过孔隙进入水(或水溶液)中，形成缓释磁性物质稠化液流抛光液。

再进一步，所述多孔式耐磨多孔式，内含微孔，直径在0.5-2mm，其中有些孔隙嵌入磨料胶囊。

优选的，孔隙为同心圆或者环形阵列分布。

更为优选的，同心孔隙圆环的宽度在2mm-20mm；从抛光垫的旋转中心向外数，所述同心孔隙圆环的数量为N条，N≥2；每N条圆环置于N-1条旋转中心内侧；每条同心圆的间距相等,间距在 10-50mm；抛光垫的孔隙为通孔，且每层抛光垫中的孔隙相通。

环形孔隙的宽度在2mm-10mm，这些环形孔隙角度均匀的分布在抛光垫旋转中心四周，圆环的数量为N条，N≥3；每N条圆环置于 N-1条绕抛光垫中心顺时针旋转

处；环形孔隙的直径为 20mm-80mm；每N条圆环与抛光垫旋转中心的距离为20mm-300mm。抛光垫的孔隙为交替分层结构，第N层抛光垫的通孔为N-n+1个，其中，N>3i。

抛光垫的材料为聚氨酯、无纺布、阻尼布、聚四氟乙烯和高分子树脂中的一种。

磨料胶囊的胶囊外壳材料是明胶、硅油、植物纤维、硅胶、聚乙烯中的一种或几种，胶囊在抛光过程中较容易被冲击破裂，释放出抛光磨料。胶囊内的抛光物质组成成分为：磁性磨料21wt.％-49wt.％、增稠相17wt.％-54wt.％、酸碱剂4wt.％-36wt.％。

所述的磨料胶囊中的抛光物质，磁性磨料采用的是Al₂O₃、CBN、金刚石、SiO₂、氧化铈和SiC等中的一种或几种的混合物。增稠相采用的是PEG聚乙二醇、天然高聚合物、PMMA聚甲基丙烯酸甲酯和酸碱性HP多羟基聚合物中的一种。酸碱剂为有机胺、有机碱、柠檬酸和草酸中的一种或几种。

更进一步，抛光垫表面具有菱形凹槽纹路，纹路宽度为1～2mm，纹路之间的间隙为2-7cm，抛光液可通过菱形纹路快速的蔓延至抛光垫所有区域，并可将抛光废料排除抛光区域。

一种应用磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫的抛光方法，包括以下步骤：

1)将磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫安装在抛光旋转盘上；

2)选用工件夹具，装夹工件；

3)启动旋转盘，由喷嘴向抛光垫输入水(或水溶液)；

3)启动磁场控制系统，磁场发生装置生成磁场作用于缓释胶囊中的磁性磨料，同时装置对工件施加一定的负载；

4)抛光垫中磁性磨料受到磁场的作用冲破胶囊，抛光垫内的磨粒胶囊破碎，释放出抛光物质，结合水(水溶液)形成缓释磁性物质稠化液流抛光液，抛光液沿着抛光垫表面菱形纹路布满整个抛光垫，最终实现对工件的柔性磁场稠化抛光

5)针对工件的硬度，变换磁场强度，释放出不同层数抛光垫中的抛光物质，结合水(或水溶液)形成不同浓度的抛光液；

6)抛光结束。

进一步，所述步骤5)中，当工件莫氏硬度小于7时，磁场强度设为低档，1～i层抛光垫中的抛光物质冲破胶囊，形成低浓度的抛光液；当工件莫氏硬度为7到8时，磁场强度设为中档，1～2i层抛光垫中的抛光物质冲破胶囊，溶解到水溶液形成浓度适中的抛光液；当工件莫氏硬度大于8时，磁场强度设为高档，1～3i层抛光垫中的抛光物质，冲破胶囊，形成浓度较高的抛光液。

本发明在抛光过程中，磨料胶囊受到磁场的作用，磁性磨料冲破胶囊外壳，其中的抛光物质沿孔隙释放出来，逐渐分散溶解在水(或水溶液)中，形成缓释磁性物质稠化液流抛光液。由于抛光垫的分层设计，磁场越强被冲破的胶囊数量越多，抛光液的浓度和酸碱性越高，抛光的效率越高。本发明通过控制的磁场强度，适应对不同工件材料特性的缓释磁性物质稠化液流抛光。抛光中磁场作用于磁性磨料，增强了抛光液的稠化液流特性。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)由于抛光垫的磁场缓释特性，使得该抛光垫的使用寿命长；

(2)抛光垫的辅助作用与抛光液的磨削作用同时进行，减少了调配抛光液的时间，减少了总加工时长，提高了抛光效率；

(3)通过磨料胶囊内置入不同类型的磁性磨料和酸碱剂，改变抛光液的磨料和酸碱性值，可用于抛光不同硬度的材料。

(4)抛光中磁场作用于磁性磨料，增强了抛光液的稠化液流特性，提高了抛光效率。

(5)抛光垫内破碎的磨料胶囊可置于酶溶液中溶解，抛光垫重新填充磨料胶囊后能够重复使用。

(6)由于抛光垫的孔隙采用环形阵列(或同心圆)分布，其渗透性好；

(7)缓释胶囊内的抛光物质具有很好的抛光效果，并且无污染、抛光后易于清洗。

(8)通过控制磁场的强度，在不提前配置抛光液的情况下调节浓度和酸碱性值，实现对不同硬度工件的缓释磁性物质稠化液流抛光液。

附图说明

图1是磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫。其中图1中的a为抛光垫主视图与剖视图、图1中的b为抛光垫截面孔隙的剖视微观示意图、图1中的c为抛光垫表面菱形纹路图。

图2是磁场可控的缓释物质磨料稠化液流抛光垫孔隙同心圆分布示意图。

图3磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫的孔隙环形阵列分布示意图。

图4磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种磁场缓释抛光物质特性的抛光垫，包括菱形纹路11、孔隙12、缓释磨料胶囊13，抛光垫为多孔式耐磨抛光垫，抛光垫中预留孔隙12，其内部嵌有磨料胶囊，胶囊内含有磁性磨料、增稠相和酸碱剂。在抛光过程中，磨料胶囊受到磁场的作用，磁性磨料冲破缓释磨料胶囊13外壳，将其中抛光物质释放出来，逐渐分散溶解在水(或水溶液)中，形成缓释磁性物质稠化液流抛光液。实现对工件的柔性缓释稠化抛光。抛光中磁场作用于磁性磨料，在增稠相稠化液流的基础上，进一步提高并增强了抛光液稠化液流特性，提高了抛光效率。

抛光过程中本发明抛光垫安装在抛光旋转台上，受到外加磁场的作用，抛光垫内磨粒胶囊破碎溶解，释放出磁性磨料、增稠相和酸碱剂，结合水(水溶液)形成缓释稠化液流抛光液，抛光液沿着抛光垫表面菱形纹路11布满整个抛光垫，最终实现对工件的柔性稠化抛光。

所述为抛光垫多孔式柔性耐磨，内含孔隙12，直径为1-5μm，用于存放磨料胶囊。如图1所示，柔性磨具的内表面上存在许多的微孔。

参照图2，磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫孔隙同心圆分布示意图，孔隙呈环形(同心圆环)阵列分布，从抛光垫的旋转中心向外数，所述同心孔隙圆环的数量为N条，N≥2；每N条圆环置于N-1条旋转中心内侧；同心孔隙圆环的宽度在2mm-20mm。抛光垫的孔隙为通孔，且每层抛光垫中的孔隙相通。

参照图3，磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫环形阵列孔隙分布示意图，其特征在于，这些环形孔隙角度均匀的分布在抛光垫旋转心四周，环形孔隙的宽度在2mm-10mm，这些环形孔隙角度均匀的分布在抛光垫旋转中心四周，圆环的数量为N条，N≥3；每N条圆环置于N-1条绕抛光垫中心顺时针旋转

处；环形孔隙的直径为20mm-80mm；每N条圆环与抛光垫旋转中心的距离相同在 20mm-300mm。抛光垫的孔隙为交替分层结构，第n层抛光垫的通孔为N-n+1个，其中，N>3i。

如图3为场强可控的磁性磨料缓释抛光装置示意图。

所述装置包括：主轴5带动旋转盘4旋转，磁场缓释物质抛光垫 3粘附在旋转盘4上，并随旋转盘4旋转。抛光区域上方设置有磁场控制系统1、磁场发生装置2、喷嘴6、夹具7和工件8。

所述磁场控制系统1和磁场发生装置2是集成在一起的磁场发生器；或者，磁场控制系统1和磁场发生装置2是可以独立分开的器件。

所述工件8装夹在夹具7中，磁场发生装置2对工件8施加一定压力。

所述旋转盘4上方设有向磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫3供应水(或水溶液)的喷嘴6，所述夹具7装夹在磁场发生装置2 下方。

本发明可用于抛光光学元件、硬质陶瓷、半导体硅片、蓝宝石等非金属材料，所述抛光方法包括以下步骤：

1)将本发明磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫3安装在抛光旋转盘5上；

2)选用工件夹具7，装夹工件8；

3)启动旋转盘5，由喷嘴6向抛光垫输入水(或水溶液)；

3)启动磁场控制系统1，磁场发生装置2生成磁场作用于缓释胶囊中的磁性磨料，同时装置2对工件施加一定的负载；

4)抛光垫中磁性磨料受到磁场的作用冲破胶囊，抛光垫内的磨粒胶囊破碎，释放出抛光物质，结合水(水溶液)形成缓释磁性物质稠化液流抛光液，抛光液沿着抛光垫表面菱形纹路布满整个抛光垫，最终实现对工件的柔性磁场稠化抛光。

5)针对工件的硬度，变换磁场强度，释放出不同层数抛光垫中的抛光物质，结合水(或水溶液)形成不同浓度的抛光液。工件硬度较低(莫氏硬度小于7)时，磁场强度设为低档，1～i层抛光垫中的抛光物质冲破胶囊，形成低浓度的抛光液。工件硬度适中(莫氏硬度为7 到8)时，磁场强度设为中档，1～2i层抛光垫中的抛光物质冲破胶囊，溶解到水中(或水溶液)形成浓度适中的抛光液。工件硬度较高(莫氏硬度大于8)时，磁场强度设为高档，抛光垫1～3i层中的抛光物质冲破胶囊，形成浓度较高的抛光液，表1为不同工件材料的莫氏硬度表；

表1

6)抛光结束。

所述步骤4)中，所述的磨料胶囊，胶囊外壳由明胶和甘油(或其它有机物)制成，胶囊内磨料组成成分为：磁性磨料21wt.％-49wt.％、增稠相17wt.％-54wt.％、酸碱剂4wt.％-36wt.％。

本实施例中，所述磨料颗粒的各个组成成分为：

磁性磨料21wt.％、增稠相43wt.％、酸碱剂36wt.％；

或者是：磁性磨料48wt.％、增稠相17wt.％、酸碱剂35wt.％；

再或者是：磁性磨料36wt.％、增稠相54wt.％、酸碱剂10wt.％；

又或者是：磁性磨料49wt.％、增稠相47wt.％、酸碱剂4wt.％。

本实施例中，外加磁场后，抛光垫内的磨料胶囊受到磁场作用，其中的磁性磨料冲击胶囊外壳，磁场强度足够时胶囊被冲击碎裂，抛光物质沿孔隙释放出来，逐渐分散溶解在水(或水溶液)中，形成缓释磁性物质稠化液流抛光液；磁场撤消后，磨料胶囊停止释放抛光物质，抛光液浓度不再变化。

Claims

1.一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，抛光垫为多层叠加的多孔式耐磨抛光垫，抛光垫中预留孔隙，其内部嵌有磨料胶囊，胶囊内含有磁性磨料、增稠相和酸碱剂组成的抛光磨料；所述抛光垫为多层式设计，层数为3×i层，i为正整数且i≥1，厚度为8~24mm；边缘通过背胶粘合，在磁场的作用下，抛光磨料冲破磨料胶囊透过孔隙进入水溶液中，形成缓释磁性物质稠化液流抛光液。

2.如权利要求1所述的一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，所述多孔式耐磨抛光垫内含孔隙，直径在0.5-2mm，其中有些孔隙嵌入磨料胶囊。

3.如权利要求2所述的一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，所述多孔式耐磨抛光垫中，孔隙呈同心圆分布或者环形阵列分布；

对于同心圆分布的孔隙，同心圆分布的孔隙的宽度在2mm-20mm；从抛光垫的旋转中心向外数，所述同心圆的数量为N条，N≥2；第N条同心圆置于第N-1条同心圆的外侧；相邻两条同心圆的间距相等，间距在10-50mm；抛光垫的孔隙为通孔，且每层抛光垫中的孔隙相通；

对于环形阵列分布的孔隙，环形孔隙的宽度在2mm-10mm，环形孔隙等角度间隔分布在抛光垫旋转中心一圈，环形孔隙的数量为N条，N≥3；第N条环形孔隙置于第N-1条环形孔隙绕抛光垫中心顺时针旋转处；环形孔隙的直径为20mm-80mm；每条环形孔隙与抛光垫旋转中心的距离均为20mm-300mm；第n层抛光垫的通孔为N-n+1个，其中，N>3i。

4.如权利要求1所述的一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，抛光垫的材料为无纺布、阻尼布和高分子树脂中的一种，高分子树脂包括聚氨酯和聚四氟乙烯。

5.如权利要求1所述的一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，所述磨料胶囊的胶囊外壳材料是明胶、硅油、植物纤维、硅胶、聚乙烯中的一种或几种；抛光磨料组成成分为：磁性磨料21wt.%-49wt.%、增稠相17wt.% -54wt.%、酸碱剂4wt.%-36wt.%。

6.如权利要求5所述的一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，磁性磨料采用的是Al₂O₃、CBN、金刚石、SiO₂、氧化铈、SiC中的一种或几种的混合物；增稠相采用的是聚乙二醇，天然高聚合物，聚甲基丙烯酸甲酯和多羟基聚合物中的一种；酸碱剂为有机胺、有机碱、柠檬酸和草酸中的一种或几种。

7.如权利要求1所述的一种磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫，其特征在于，抛光垫表面具有菱形凹槽纹路，纹路宽度为1~2mm，纹路之间的间隙为2-7cm，抛光液可通过菱形纹路快速的蔓延至抛光垫所有区域，并可将抛光废料排出抛光区域。

8.一种应用如权利要求1所述的磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫的抛光方法，其特征在于，所述抛光方法包括以下步骤：

1）将磁场可控的缓释磁性物质稠化液流抛光垫安装在抛光旋转盘上；

2）选用工件夹具，装夹工件；

3）启动旋转盘，由喷嘴向抛光垫输入水溶液；

4）启动磁场控制系统，磁场发生装置生成磁场作用于磨料胶囊中的磁性磨料，同时装置对工件施加一定的负载；

5）抛光垫中磁性磨料受到磁场的作用冲破胶囊，抛光垫内的磨料胶囊破碎，释放出抛光磨料，结合水溶液形成缓释磁性物质稠化液流抛光液，抛光液沿着抛光垫表面菱形纹路布满整个抛光垫，最终实现对工件的柔性磁场稠化抛光；

6）针对工件的硬度，变换磁场强度，释放出不同层数抛光垫中的抛光磨料，结合水溶液形成不同浓度的抛光液；

7）抛光结束。

9.如权利要求8所述的抛光方法，其特征在于，所述步骤6）中，当工件莫氏硬度小于7时，磁场强度设为低档，1~i层抛光垫中的抛光磨料冲破胶囊，形成低浓度的抛光液；当工件莫氏硬度为7到8时，磁场强度设为中档，1~2i层抛光垫中的抛光磨料冲破胶囊，溶解到水溶液形成浓度适中的抛光液；当工件莫氏硬度大于8时，磁场强度设为高档， 1~3i层抛光垫中的抛光磨料，冲破胶囊，形成浓度较高的抛光液。