CN113334149A - 一种超声磁流变化学复合抛光装置及方法 - Google Patents

一种超声磁流变化学复合抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声磁流变化学复合抛光装置，包括：机架；杯型抛光盘，设置在机架上，用于盛放工作液和放置待加工的工件，所述杯型抛光盘能够相对所述机架在水平面内来回移动；磁流变工具头，具有磁性，用于插入到所述工作液中并与工作液发生作用使工作液形成磁流变磨头；超声振动机构，包括超声波发生器、与超声波发生器电连接的超声波换能器以及设置在超声波换能器的输出端上的超声波变幅杆，所述超声变幅杆上下布置，所述磁流变工具头设置在所述超声变幅杆的下端，所述超声变幅杆的上端与所述超声换能器的输出端连接，所述超声换能器可上下移动地设置在所述机架上。该抛光装置通过将超声高频振动、声化学效应和磁流变效应相结合，能够有效地提高抛光效果。

Description

一种超声磁流变化学复合抛光装置及方法
技术领域
本发明属于磁流变加工领域，尤其涉及一种超声磁流变化学复合抛光装置及方法。
背景技术
随着信息电子化的社会发展，半导体材料作为高性能微电子元器件应用愈发广泛，如单晶硅、氧化铝、钛酸锶和单晶碳化硅等电子陶瓷材料的需求越来越大。半导体晶片要求表面超光滑，无表面缺陷，因此半导体材料的制造越来越依赖研磨抛光技术来满足其生产要求。磁流变抛光技术具有抛光效果好、无表面损伤、适合复杂型面加工等特点，广泛应用于大型光学元件表面的最后加工工序，但在实际加工过程中，会出现加工效率低等问题。
磁流变抛光技术是利用磁流变液在磁场下的流变特性形成的柔性小磨头对加工表面进行有效抛光加工。中国专利201911337686.2提出一种电芬顿集群磁流变复合研磨抛光装置及方法，该方法利用电场作用产生电芬顿反应，结合磁流变抛光进行加工，但存在安全隐患，在加工过程中对绝缘环境、操作规范等要求较高。中国专利202011530282.8提出一种集群磁流变超声波复合抛光加工装置及方法，工件粘贴连接在超声波组件上发生高频振动，长时间加工温升较大容易造成工件脱落、破损等现象。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种超声磁流变化学复合抛光装置以及方法，将超声高频振动、声化学效应和磁流变效应相结合，能够得到更好的抛光效果。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种超声磁流变化学复合抛光装置，包括：
机架；
杯型抛光盘，设置在机架上，用于盛放工作液和放置待加工的工件，所述杯型抛光盘能够相对所述机架在水平面内来回移动；
磁流变工具头，具有磁性，用于插入到所述工作液中并与工作液发生作用使工作液形成磁流变磨头；
超声振动机构，包括超声波发生器、与超声波发生器电连接的超声波换能器以及设置在超声波换能器的输出端上的超声波变幅杆，所述超声变幅杆上下布置，所述磁流变工具头设置在所述超声变幅杆的下端，所述超声变幅杆的上端与所述超声换能器的输出端连接，所述超声换能器可上下移动地设置在所述机架上。
优选地，所述杯型抛光盘通过所述XY滑台组件支撑在所述机架上，所述超声波换能器的上端设置在主轴系统上，所述主轴系统设置在所述Z轴滑台组件上，所述Z轴滑台组件的输出端能够上下移动。
优选地，所述抛光装置还包括冷却循环机构，用于对工作液进行冷却，所述冷却循环机构包括：
冷却槽，用于盛放所述工作液，并对其中的工作液进行冷却；
第一循环管，其一端所述杯型抛光盘的靠近底部的位置连通，另一端与所述冷却槽连通；
第二循环管，其一端所述冷却槽连通，另一端设置在喷嘴，所述喷嘴位于所述杯型抛光盘的正上方，通过所述喷嘴能够向所述杯型抛光盘喷洒工作液；
循环泵，设置在所述第二循环管上，用于将冷却槽中的工作液通过第二循环管从所述喷嘴喷出。
优选地，所述磁流变工具头内设置有多个磁铁，多个磁铁沿水平方向排成一排，且每个磁铁上下布置，相邻的磁铁的磁极呈相反布置，并且每个磁铁的端面磁场强度不小于2000Gs。
优选地，
优选地，所述工作液的pH值在2～5之间，由基础载液、羰基铁粉、磨料颗粒、稳定剂、氧化剂、催化剂按一定比例混合配制。
本发明还提供了一种单晶SiC基片的抛光方法，采用上述抛光装置，具体包括如下步骤：
步骤一：配置工作液；
步骤二：将工件固定在杯型抛光盘内，控制所述Z轴滑台组件，调整磁流变工具头与单晶SiC基片的加工间隙；
步骤三：将工作液加入杯型抛光盘且浸没所述单晶SiC基片，所述工作液在杯型抛光盘中的量应当保证工作液能够淹没所述加工间隙，在加入工作液之后，磁流变工具头的端面磁场使工作液中的羰基铁粉形成链串结构，相邻的链串结构夹持磨料颗粒形成磁流变磨头；
步骤四：启动超声振动机构，设置超声振动频率与幅度，磁流变工具头发生超声振动，工作液发生超声芬顿反应，芬顿反应的公式如下：
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH，
Fe3++H2O2→Fe2++·OOH+H+，
芬顿反应的生成物·OH与单晶SiC基片反应形成表面氧化层，公式如下：
SiC+4·OH+O2→SiO2+2H2O+CO2↑，
所述磁流变磨头在超声振动下与工件发生相对运动，去除所述表面氧化层；
步骤五：启动主轴系统和XY滑台组件，设置主轴系统的转速和XY滑台组件的偏摆幅度，使磁流变工具头在工件的上表面的整个范围内移动；
步骤六：抛光完成后，依次停止XY滑台组件、超声振动机构的振动、主轴系统，最后将磁流变工具头移出工作液，取出工件。
优选地，在步骤一中，采用去离子水作为基础载液，采用金刚石作为磨料颗粒、甘油作为稳定剂、过氧化氢溶液作为氧化剂。
优选地，在执行步骤四之前，还需要启动循环泵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的抛光装置通过将超声高频振动、声化学效应和磁流变效应相结合，巧妙超声振动特性，实现化学反应与机械去除的双重增益作用；通过超声振动能量聚焦实现超声芬顿反应的过程控制和强氧化基团的生成速率控制，以及增加磁流变工具头对加工材料的机械去除性能，大大提高了抛光加工的均匀性和效率，实现快速抛光和提升抛光效果的目的。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的结构示意图；
图2是本发明的磁流变工具头的磁铁的放置示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
实施例一
如图1-2所示，一种超声磁流变化学复合抛光装置，包括机架3以及设置在机架3上的杯型抛光盘9、磁流变工具头6和超声振动机构，所述杯型抛光盘9用于盛放工作液，待抛光的工件8放置在所述杯型抛光盘9中，所述杯型抛光盘9相对所述机架3能够在水平内来回移动，所述磁流变工具头6位于所述杯型抛光盘9的正上方且具有磁性，所述超声振动机构包括超声波发生器15、与超声波发生器15电连接的超声波换能器4以及设置在超声波换能器4的输出端上的超声波变幅杆5，所述超声波变幅杆5上下设置，所述超声波换能器4设置在所述超声波变幅杆5的上端，所述磁流变工具头6设置在所述超声波变幅杆5的下端，所述超声波变幅杆5和所述超声波换能器4可上下移动地设置在所述机架3上，所述磁流变工具头6能够跟随所述超声波变幅杆5上下移动，所述磁流变工具头6具有磁性。当需要对工件进行抛光时，将工件8以粘贴等方式固定在杯型抛光盘9内，并向所述杯型抛光盘9内倒入工作液，然后将超声波变幅杆5向下移动使磁流变工具头6插入到工作液中并与所述工件8靠近，具有磁性的磁流变工具头6使工作液的状态发生改变形成磁流变磨头，超声振动机构产生的震动能够使磁流变磨头对工件8的表面进行抛光，当杯型抛光盘9带动工件8移动时，能够实现对工件8的表面的不同位置进行抛光。
具体地，所述杯型抛光盘9通过所述XY滑台组件10支撑在所述机架3上。所述超声波换能器4的上端设置在主轴系统1上，所述主轴系统1设置在所述Z轴滑台组件2上，所述Z轴滑台组件2的输出端能够上下移动。
所述抛光装置还包括冷却循环机构，用于对工作液进行冷却。所述冷却循环机构包括：第一循环管14、第二循环管13、循环泵13、冷却槽11以及喷嘴，所述冷却槽11用于盛放工作液并对工作液进行冷却，所述第一循环管14的一端与所述杯型抛光盘9的靠近底部的位置连通，另一端与所冷却槽11连通，所述第二循环管13的一端与所述喷嘴连接，所述喷嘴位于所述杯型抛光盘9的开口处，另一端与所述冷却槽11连通，所述循环泵13设置在所述第二循环管13上，通过所第一循环管14，所述杯型抛光盘9中的工作液进入到冷却槽11中进行冷却，通过循环泵13，所述冷却槽11中的工作液通过所述第二循环管13进入到所述杯型抛光盘9中。所述冷却槽11可以采用自然冷却，也可以采用现有技术中的其它方式进行冷却。
所述磁流变工具头6内设置有多个磁铁601，多个磁铁601沿水平方向排成一排，且每个磁铁601上下布置，相邻的磁铁601的磁极呈相反布置，并且每个磁铁的端面磁场强度不小于2000Gs。
所述工作液7的酸碱度优选为利于超声芬顿反应发生的区间范围，其pH值优选在2～5之间，由基础载液、羰基铁粉、磨料颗粒、稳定剂、氧化剂、催化剂等按一定比例混合配制，所述基础载液可以是水基或油基载液，所述稳定剂可以是甘油或油酸等，所述氧化剂为一定浓度的过氧化氢溶液，所述催化剂选用可促进所述工作液发生化学反应的固体催化剂或液体催化剂，所述羰基铁粉在磁场作用下构成磁链串结构夹持磨料颗粒形成磁流变磨头。
所述工作液7在磁流变工具头6发生高频振动时发生超声芬顿反应，反应式如(1)-(2)所示：
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH (1)
Fe3++H2O2→Fe2++·OOH+H+ (2)
超声芬顿反应生成的·OH可与工件8表面材料反应生成硬度较低的氧化层，氧化层在磁流变工具头6的高频振动作用下去除，从而提高了加工效率和加工质量。
实施例二
该实施例为采用实施例一中的抛光装置对单晶SiC基片进行抛光的方法。
所述方法包括如下步骤：
步骤一：配置工作液。
具体地，工作液采用去离子水作为基础载液，将100nm-1000nm金刚石702、5μm-10μm的羰基铁粉701、甘油、过氧化氢溶液加入到去离子水中，，充分搅拌均匀后调节pH值为2。其中，金刚石702为磨料颗粒，甘油作为稳定剂，过氧化氢溶液作为氧化剂。
步骤二：将工件8固定在杯型抛光盘9内，控制所述Z轴滑台组件2，调整磁流变工具头6与工件8的加工间隙。工件8在杯型抛光盘9内的固定方式可以采用粘贴，也可以采用现有技术中的其它方式。所述工作液在杯型抛光盘9中的量应当保证工作液能够淹没所述加工间隙。
步骤三：将工作液加入杯型抛光盘9且浸没所述工件8，所述工作液在杯型抛光盘9中的量应当保证工作液能够淹没所述加工间隙。在加入工作液之后，磁流变工具头6的端面磁场使工作液中的羰基铁粉701形成链串结构并相邻的链串结构夹持磨料颗粒形成磁流变磨头，磁流变磨头可以对工件产生抛光。
步骤四：启动循环泵，保证工作液的冷却循环。
步骤五：启动超声振动机构，设置超声振动频率与幅度，磁流变工具头6发生超声振动，工作液发生超声芬顿反应，反应生成物与工件8反应形成表面氧化层，所述磁流变磨头在超声振动下与工件8发生相对运动，实现与磁流变工具头6对应位置处的工件表面的抛光。其中，反应生成物与工件8反应形成表面氧化层的公式如下：
SiC+4·OH+O2→SiO2+2H2O+CO2↑。
步骤六：启动主轴系统1旋转，启动XY滑台组件10并设置XY滑台组件10的偏摆幅度，使磁流变工具头6在工件8的上表面的整个范围内移动，以对工件8的整个上表面进行抛光。
步骤七：抛光完成后，停止循环泵，再依次停止XY滑台组件10、超声振动机构的振动、主轴系统1，最后将磁流变工具头6移出工作液，取出工件。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种超声磁流变化学复合抛光装置，包括：
机架；
杯型抛光盘，设置在机架上，用于盛放工作液和放置待加工的工件，所述杯型抛光盘能够相对所述机架在水平面内来回移动；
磁流变工具头，具有磁性，用于插入到所述工作液中并与工作液发生作用使工作液形成磁流变磨头；
超声振动机构，包括超声波发生器、与超声波发生器电连接的超声波换能器以及设置在超声波换能器的输出端上的超声波变幅杆，所述超声变幅杆上下布置，所述磁流变工具头设置在所述超声变幅杆的下端，所述超声变幅杆的上端与所述超声换能器的输出端连接，所述超声换能器可上下移动地设置在所述机架上。
2.根据权利要求1所述的一种超声磁流变化学复合抛光装置，其特征在于，所述杯型抛光盘通过所述XY滑台组件支撑在所述机架上，所述超声波换能器的上端设置在主轴系统上，所述主轴系统设置在所述Z轴滑台组件上，所述Z轴滑台组件的输出端能够上下移动。
3.根据权利要求1所述的一种超声磁流变化学复合抛光装置，其特征在于，所述抛光装置还包括冷却循环机构，用于对工作液进行冷却，所述冷却循环机构包括：
冷却槽，用于盛放所述工作液，并对其中的工作液进行冷却；
第一循环管，其一端所述杯型抛光盘的靠近底部的位置连通，另一端与所述冷却槽连通；
第二循环管，其一端所述冷却槽连通，另一端设置在喷嘴，所述喷嘴位于所述杯型抛光盘的正上方，通过所述喷嘴能够向所述杯型抛光盘喷洒工作液；
循环泵，设置在所述第二循环管上，用于将冷却槽中的工作液通过第二循环管从所述喷嘴喷出。
4.根据权利要求1所述的一种超声磁流变化学复合抛光装置，其特征在于，所述磁流变工具头内设置有多个磁铁，多个磁铁沿水平方向排成一排，且每个磁铁上下布置，相邻的磁铁的磁极呈相反布置，并且每个磁铁的端面磁场强度不小于2000Gs。
5.根据权利要求3所述的一种超声磁流变化学复合抛光装置，其特征在于，所述工作液的pH值在2～5之间，由基础载液、羰基铁粉、磨料颗粒、稳定剂、氧化剂、催化剂按一定比例混合配制。
6.一种超声磁流变化学复合抛光方法，采用权利要求5所述的一种超声磁流变化学复合抛光装置，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：配置工作液；
步骤二：将工件固定在杯型抛光盘内，控制所述Z轴滑台组件，调整磁流变工具头与单晶SiC基片的加工间隙；
步骤三：将工作液加入杯型抛光盘且浸没所述单晶SiC基片，所述工作液在杯型抛光盘中的量应当保证工作液能够淹没所述加工间隙，在加入工作液之后，磁流变工具头的端面磁场使工作液中的羰基铁粉形成链串结构，相邻的链串结构夹持磨料颗粒形成磁流变磨头；
步骤四：启动超声振动机构，设置超声振动频率与幅度，磁流变工具头发生超声振动，工作液发生超声芬顿反应，芬顿反应的公式如下：
Fe2++H2O2→Fe3++OH-+·OH，
Fe3++H2O2→Fe2++·OOH+H+，
芬顿反应的生成物·OH与单晶SiC基片反应形成表面氧化层，公式如下：
SiC+4·OH+O2→SiO2+2H2O+CO2↑，
所述磁流变磨头在超声振动下与工件发生相对运动，去除所述表面氧化层；
步骤五：启动主轴系统和XY滑台组件，设置主轴系统的转速和XY滑台组件的偏摆幅度，使磁流变工具头在工件的上表面的整个范围内移动；
步骤六：抛光完成后，依次停止XY滑台组件、超声振动机构的振动、主轴系统，最后将磁流变工具头移出工作液，取出工件。
7.根据权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，在步骤一中，采用去离子水作为基础载液，采用金刚石作为磨料颗粒、甘油作为稳定剂、过氧化氢溶液作为氧化剂。
8.根据权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，在执行步骤四之前，还需要启动循环泵。
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