CN112008594B - 一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，结合剪切膨胀效应与化学效应协同作用的抛光新方法。抛光过程中，当法向加压时，受剪切力作用的磨具与工件接触区域会产生剪切膨胀效应，增大磨粒与工件的接触面积，从而提高工件表面的受力均匀性。利用具有抛光作用的磨粒与具有化学作用的化学粉末协同作用，实现工件材料的有效去除并达到抛光的效果。本发明适用加工材料范围广、加工效率高、加工表面质量好。

Description

一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法
技术领域
本发明属于超精密抛光领域，具体是涉及一种剪切膨胀-化学增强的高效抛光方法，适用于难加工材料的高效超精密平面抛光。
背景技术
超精密加工技术是现代高科技产业和科学技术的发展基础，被广泛应用于航空、航天及微电子工业等领域，适用于蓝宝石、硬质合金、碳化硅、钨及高性能功能陶瓷元器件等难加工材料的加工。超精密加工技术可以获得表面光滑、精度高、损伤少的工件。
抛光属于超精密加工技术范畴，是指在机械、化学或电化学的作用下，降低被抛工件表面粗糙度，提高材料表面平整性和光亮度的终加工手段。目前，在难加工材料的常用抛光方法中主要有化学机械抛光、电解抛光、剪切增稠抛光、磁场辅助抛光、弹性发射加工、电泳抛光等。化学机械抛光是将磨粒的机械研磨作用与氧化剂的化学作用相结合的抛光技术，可达到良好平面性效果，但化学抛光液环保处理成本高。电解抛光是一种将金属在特定组分的溶液中进行特殊阳极处理的抛光工艺，具有效率高、操作简便等优点，但制约了加工材料的范围、抛光液会污染环境。剪切增稠抛光利用非牛顿流体抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉实现对工件表面材料的去除，加工后的材料变质层小且成本较低，但加工质量和加工效率有待提高。磁场辅助抛光通过控制磁场强弱使磁流体带动磨粒对工件表层材料进行去除，可获得高形状精度、高表面质量，但配制合适的磁流变液成本高，且抛光过程中的柔性化控制较难实现。弹性发射加工是一种利用微粒子冲击工件表面，以达到去除工件表面材料的非接触式加工方法，可获得无损伤的加工表面，但加工后的表面具有与化学腐蚀的表面等价的特性，且加工效率低。电泳抛光指一种利用磨粒存在的电泳现象进行抛光的加工工艺，但其存在加工材料范围小，加工区域小等缺点。除此之外，还有动压浮离抛光、应力盘抛光、离子束抛光、激光抛光、气囊抛光等抛光方法。
已公开中国发明专利(CN200710070433.4)，专利名称：一种改进的化学机械抛光方法，是一种在常规化学机械抛光方法的基础上，采用硬质抛光盘和添加聚合物粒子对工件进行抛光的方法。该方法能够避免工件周边发生塌边，有效减少磨损。但仍未解决传统化学机械抛光方法存在的环境污染、高成本以及较低效率的问题。
已公开中国发明专利(CN201410436510.3)，专利名称：基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工方法，是一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的抛光方法与电解抛光方法的复合加工方法，该方法可有效解决电解抛光工件表面易存有斑点的问题，提高了加工效率。但该方法不能解决材料去除的确定性问题，难以实现工件材料的确定性抛光和高面形精度，要求被加工工件必须为可导电材料，制约了加工材料的范围。此外，电解抛光液成分复杂，配置过程操作复杂，存在安全问题，废弃后会污染环境，处理成本较高。
已公开中国发明专利(CN201810095554.2)，专利名称：一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法。该方法属于柔性加工方式，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进行抛光。相较于单一的剪切增稠抛光，该方法提高了加工效率和加工精度，对加工设备要求相对较低。但对难加工材料的加工质量和加工效率仍有待提高。
目前，国内还没有基于剪切膨胀抛光的相关专利。剪切膨胀抛光采用具有非牛顿流体特性的粘弹性材料制备柔性固着磨具。抛光过程中，当法向加压时，受剪切力作用的磨具与工件接触区域会产生剪切膨胀效应，呈现膨胀顶出现象，增强对磨粒的把持作用的同时提高了工件表面的受力均匀性，磨具中具有抛光作用的磨粒对工件表面产生微切削作用，实现工件表面材料去除并达到抛光的效果。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提出一种适用加工材料范围广、加工效率高、加工表面质量好的基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密平面抛光方法，在现有剪切膨胀抛光方法的基础上加入了化学协同作用，旨在提高加工效率与加工精度，并且抛光后的材料表面变质层小，加工成本较低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，包括如下步骤：
1)制备剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具，所述柔性固着磨具各成分及其比例如下：粘弹性胶基50wt.％～80wt.％，磨粒或微粉10wt.％～30wt.％，分散剂2～5wt.％，硅油占5wt.％～13wt.％及化学粉末2wt.％～10wt.％；首先在硅油中加入磨粒或微粉、分散剂以及化学粉末，机械搅拌均匀后，再加入粘弹性胶基，进一步充分搅拌后制备得到剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具；
2)将制备的柔性固着磨具填充在抛光垫凹槽中，然后将抛光垫固定在磨盘上，通过低速修盘去除柔性固着磨具多余的部分，保证柔性固着磨具高度与抛光垫一致；
3)将工件固定在载物盘下方，通过调节载物盘上的驱动机构移动载物盘到合适位置，然后开启加压装置，施加一定的压力，使载物盘上的工件与抛光垫紧密贴合，调节输液管滴落位置处于工件抛光区域，开启液体供给装置提供去离子水；
4)启动磨盘底部和载物盘上端的驱动装置，使得工件在加压条件下与柔性固着磨具做相对运动，从而实现工件表面的高效抛光。
进一步，所述步骤1)中，所述的粘弹性胶基为具有剪切膨胀特性的硅树脂或聚氨酯，所述硅油为甲基硅油、乙基硅油或苯基硅油，所述分散剂为无机分散剂或有机分散剂。
再进一步，所述步骤1)中，所述的化学粉末为以下一种或至少两种的混合物：固相反应催化剂(如氟化镁、氟化钾)、有机酸粉末(如丙二酸、丁二酸、酒石酸、草酸、柠檬酸)、有机碱粉末(如二乙醇胺)、氧化剂(如氧化铬、高锰酸钾)等。
更进一步，所述步骤1)中，所述的磨粒为以下一种或至少两种的混合物：金刚石、氧化铝、氧化镁、氧化铈、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化铈、氧化硅、α-Al2O3等。
所述步骤2)中，所述的抛光垫根据被抛工件为以下一种：聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫或复合型抛光垫，所述的抛光垫具有若干同等直径凹槽，用于填充柔性固着磨具，所述凹槽之间划有便于排屑的沟槽。
本发明的技术构思为：结合剪切膨胀效应与化学效应协同作用的抛光新方法。抛光过程中，当法向加压时，受剪切力作用的磨具与工件接触区域会产生剪切膨胀效应，增大磨粒与工件的接触面积，从而提高工件表面的受力均匀性。利用具有抛光作用的磨粒与具有化学作用的化学粉末协同作用，实现工件材料的有效去除并达到抛光的效果。
本发明的有益效果主要表现在：
1)利用剪切膨胀效应与化学作用协同，相对于未加入化学协同作用的剪切膨胀抛光，抛光效率和表面质量明显提高；
2)属于柔性加工，接触面积大，材料变质层小，加工区域去除均匀性好，可加工材料范围广；
3)所述的柔性固着磨具制备简单，成本较低；
4)所述的加工设备整体结构简单。
附图说明
图1是本发明的实施设备的结构图。
图2是图1中A处抛光前放大图。
图3是图1中A处抛光时放大图。
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3，一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法的设备，包括磨盘1、抛光垫2、载物盘5、加压装置6、液体供给装置8。磨粒11和化学粉末12在分散剂13的作用下均匀分布于柔性固着磨具3中。抛光前，先将填充有柔性固着磨具3的抛光垫2固定在磨盘1上，然后将工件10固定在载物盘5下方，通过调节载物盘5上的驱动机构7移动载物盘5到合适位置，然后开启加压装置6，施加一定的压力，并使载物盘5上的工件10与抛光垫2紧密贴合，调节输液管9滴落位置处在工件10抛光区域，并开启液体供给装置8滴加去离子水。抛光过程中，磨盘1底部的驱动装置4转动，从而带动抛光垫2随着磨盘1转动，工件10与抛光垫2上的柔性固着磨具3之间进行相对运动，当接触区域的剪切应力达到一定值时，磨具3内的胶基分子间结构发生改变，产生的“粒子簇”会瞬时呈现出膨胀顶出和固化现象。磨具3中材料的粘度、硬度和内部阻力增大，增强了对磨粒11的把持力，增加了磨具中磨粒11、化学粉末12与工件10的接触面积，能够有效提高工件10表面的受力均匀性和抛光正压力，从而实现高效高质量抛光。本发明所述柔性固着磨具3能够很好地贴合工件10表面，避免了由于局部接触应力过大对工件10表面造成的损伤，提高了加工去除一致性。
所述的柔性固着磨具主要由具有非牛顿流体特性的粘弹性胶基以及具有抛光作用的磨粒、具有化学增强作用的化学粉末、分散剂、硅油等构成。所述柔性固着磨具各成分及其比例如下：粘弹性胶基50wt.％～80wt.％，磨粒或微粉10wt.％～30wt.％，分散剂2～5wt.％，硅油占5wt.％～13wt.％及化学粉末2wt.％～10wt.％。
所述柔性固着磨具各成分及其比例可以是：粘弹性胶基50wt.％、磨粒或微粉30wt.％、分散剂5wt.％、硅油13wt.％及化学粉末2wt.％；
或者是：粘弹性胶基65wt.％、磨粒或微粉20wt.％、分散剂2wt.％、硅油7wt.％及化学粉末6wt.％；
再或者是：粘弹性胶基70wt.％、磨粒或微粉10wt.％、分散剂2wt.％、硅油8wt.％及化学粉末10wt.％；
又或者是：粘弹性胶基80wt.％、磨粒或微粉10wt.％、分散剂3wt.％、硅油5wt.％及化学粉末2wt.％；
再又或者是：粘弹性胶基65wt.％、磨粒或微粉15wt.％、分散剂2wt.％、硅油8wt.％及化学粉末10wt.％。
所述的具有非牛顿流体特性的粘弹性胶基可以是具有剪切膨胀特性的硅树脂或聚氨酯等，所述的硅油可以是甲基硅油、乙基硅油或苯基硅油等，所述的分散剂可以是无机分散剂或有机分散剂。
所述的化学粉末为以下一种或至少两种的混合物：固相反应催化剂(如氟化镁、氟化钾)、有机酸粉末(如如丙二酸、丁二酸、酒石酸、草酸、柠檬酸)、有机碱粉末(如二乙醇胺)、氧化剂(如氧化铬、高锰酸钾)等。
所述的磨粒为以下一种或至少两种混合物：金刚石、氧化铝、氧化铈、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化硅、α-Al2O3等。
根据被抛工件特性，所述的抛光垫为以下一种：聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、复合型抛光垫等，所述的抛光垫具有若干同等直径凹槽，用于填充柔性固着磨具，所述凹槽之间划有便于排屑的沟槽。
实施例1
参照图1～图3，本发明用于加工尺寸为：直径Φ40mm，高0.1mm蓝宝石材料平面工件时，一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，包括以下步骤：
1)制备剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具，所述柔性固着磨具各成分及其比例如下：粘弹性胶基65wt.％、SiO2(或Al2O3)15wt.％、分散剂2wt.％、二甲基硅油8wt.％及化学粉末10wt.％。首先在硅油中加入磨粒或微粉、分散剂以及化学粉末，机械搅拌6h直至混合均匀后，再加入粘弹性胶基，进一步搅拌6h后制备得到剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具；粘弹性胶基采用的是具有剪切膨胀特性的硅树脂；化学粉末采用的是MgF2，作为蓝宝石与SiO2的固相反应催化剂。参照图2和3，所述的粘弹性胶基在受相对剪切作用力时，会使所述的磨具呈现出瞬间膨胀顶出的现象和固化效果，且所述的剪切膨胀效应是可逆的，可随着剪切作用力的减小逐渐消失；
2)将制备的柔性固着磨具3填充在合成革抛光垫2凹槽中，然后将抛光垫2固定在磨盘1上，通过低速修盘去除柔性固着磨具3多余的部分，保证柔性固着磨具3高度与抛光垫2一致；
3)将蓝宝石晶片10固定在载物盘5下方，通过调节载物盘5上的驱动机构7移动载物盘5到合适位置，然后开启加压装置6，施加一定的压力，使载物盘5上的蓝宝石晶片10与抛光垫2紧密贴合，调节输液管9滴落位置处于蓝宝石晶片10抛光区域，开启液体供给装置8；
4)启动磨盘1底部和载物盘5上端的驱动装置4、7，使得蓝宝石晶片10在加压条件下与柔性固着磨具3做相对运动，从而实现蓝宝石晶片表面的高效高质量抛光。
实施例2
参照图1～图3，本发明用于加工尺寸为：长×宽×高，10mm×10mm×1mm钨金属材料平面工件时，一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，包括以下步骤：
1)制备剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具，所述柔性固着磨具各成分及其比例如下：粘弹性胶基65wt.％、Al2O3(或SiC)15wt.％、分散剂2wt.％、二甲基硅油8wt.％及化学粉末10wt.％。首先在硅油中加入磨粒或微粉、分散剂以及化学粉末，机械搅拌6h直至混合均匀后，再加入粘弹性胶基，进一步搅拌6h后制备得到剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具；粘弹性胶基采用的是具有剪切膨胀特性的硅树脂；化学粉末采用的是Fe(NO3)3和三乙醇胺。参照图2和3，所述的粘弹性胶基在受相对剪切作用力时，会使所述的磨具呈现出瞬间膨胀顶出的现象和固化效果，且所述的剪切膨胀效应是可逆的，可随着剪切作用力的减小逐渐消失；
2)将制备的柔性固着磨具3填充在聚氨酯抛光垫2凹槽中，然后将抛光垫2固定在磨盘1上，通过低速修盘去除柔性固着磨具3多余的部分，保证柔性固着磨具3高度与抛光垫2一致；
3)将钨片10固定在载物盘5下方，通过调节载物盘5上的驱动机构7移动载物盘5到合适位置，然后开启加压装置6，施加一定的压力，使载物盘5上的钨片10与抛光垫2紧密贴合，调节输液管9滴落位置处在钨片10抛光区域，开启液体供给装置8；
4)启动磨盘1底部和载物盘5上端的驱动装置4、7，使得钨片10在加压条件下与柔性固着磨具3做相对运动，从而实现钨片表面的高效高质量抛光。
实施例3
参照图1～图3，本发明用于加工尺寸为：长×宽×高，40mm×20mm×10mm石英材料平面工件时，一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，包括以下步骤：
1)制备剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具，所述柔性固着磨具各成分及其比例如下：粘弹性胶基70wt.％、CeO2(或SiO2)10wt.％、分散剂2wt.％、二甲基硅油8wt.％及化学粉末10wt.％。首先在硅油中加入磨粒或微粉、分散剂以及化学粉末，机械搅拌6h直至混合均匀后，再加入粘弹性胶基，进一步搅拌6h后制备得到剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具；粘弹性胶基采用的是具有剪切膨胀特性的硅树脂；化学粉末采用的是柠檬酸。参照图2和3，所述的粘弹性胶基在受相对剪切作用力时，会使所述的磨具呈现出瞬间膨胀顶出的现象和固化效果，且所述的剪切膨胀效应是可逆的，可随着剪切作用力的减小逐渐消失；
2)将制备的柔性固着磨具3填充在阻尼布抛光垫2凹槽中，然后将抛光垫2固定在磨盘1上，通过低速修盘去除柔性固着磨具3多余的部分，保证柔性固着磨具3高度与抛光垫2一致；
3)将石英工件10固定在载物盘5下方，通过调节载物盘5上的驱动机构7移动载物盘5到合适位置，然后开启加压装置6，施加一定的压力，使载物盘5上的石英工件10与抛光垫2紧密贴合，调节输液管9滴落位置处在石英工件10抛光区域，开启液体供给装置8；
4)启动磨盘1底部和载物盘5上端的驱动装置4、7，使得石英工件10在加压条件下与柔性固着磨具3做相对运动，从而实现石英工件表面的高效高质量抛光。

Claims (5)

1.一种基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)制备剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具，所述柔性固着磨具各成分及其比例如下：具有剪切膨胀特性的非牛顿流体粘弹性胶基50wt.％～80wt.％，磨粒或微粉10wt.％～30wt.％，分散剂2～5wt.％，硅油占5wt.％～13wt.％及固相反应催化剂2wt.％～10wt.％；首先在硅油中加入磨粒或微粉、分散剂以及化学粉末，机械搅拌均匀后，再加入粘弹性胶基，进一步充分搅拌后制备得到剪切膨胀-化学增强柔性固着磨具；
2)将制备的柔性固着磨具填充在抛光垫凹槽中，然后将抛光垫固定在磨盘上，通过低速修盘去除柔性固着磨具多余的部分，保证柔性固着磨具高度与抛光垫一致；
3)将工件固定在载物盘下方，通过调节载物盘上的驱动机构移动载物盘到合适位置，然后开启加压装置，施加一定的压力，使载物盘上的工件与抛光垫紧密贴合，调节输液管滴落位置处于工件抛光区域，开启液体供给装置提供去离子水；
4)启动磨盘底部和载物盘上端的驱动装置，使得工件在加压条件下与柔性固着磨具做相对运动，从而实现工件表面的高效抛光。
2.如权利要求1所述的基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述的粘弹性胶基为具有剪切膨胀特性的硅树脂或聚氨酯，所述硅油为甲基硅油、乙基硅油或苯基硅油，所述分散剂为无机分散剂或有机分散剂。
3.如权利要求1或2所述的基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述固相反应催化剂为氟化镁或氟化钾。
4.如权利要求1或2所述的基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述的磨粒为以下一种或至少两种的混合物：金刚石、氧化铝、氧化镁、氧化铈、立方氮化硼、碳化硼、碳化硅、氧化硅、α-Al2O3。
5.如权利要求1或2所述的基于剪切膨胀效应的化学增强高效超精密抛光方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述的抛光垫根据被抛工件为以下一种：聚氨酯抛光垫、无纺布抛光垫、复合型抛光垫，所述的抛光垫具有若干同等直径凹槽，用于填充柔性固着磨具，所述凹槽之间划有便于排屑的沟槽。
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