CN114800060B - 一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置及方法，所述抛光装置包括：机架；涡流空化器，设置在机架上，用于对抛光液进行空化，所述涡流空化器包括：汇流腔；锥形收缩腔；出流管，所述出流管的下端设置有多个放置槽，放置槽相对于出流管的轴线等角度地设置在同一圆周上，在每个所述放置槽内设置有磁瓦，所述磁瓦采用永磁体制成；集液槽，可旋转地设置在机架上，用于盛放磁流变液；工件盘，设置在集液槽内，所述工件盘和所述涡流空化器能够相对在XYZ空间内移动。本发明涉及的抛光方法结合了涡流空化效应、芬顿反应以及磁流变效应，能够达到更好的抛光效果，所设计的基于涡流空化的化学磁流变抛光装置可较好地实现本发明中涉及的抛光方法。
Description
技术领域
本发明涉及属于磁流变的应用领域，尤其涉及一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置及方法。
背景技术
空化现象发生于流体压力低于其饱和蒸气压区域，压力升高将促使空化泡溃灭并产生瞬时高温、高压、强冲击波和高速微射流等极端物理环境。声空化和水力空化是较为常见的空化方法，但声空化范围小，且空泡不会随流体发生整体迁移运动；文丘里管和孔板是常用的两种水力空化装置，在污水处理等领域应用广泛。Gogate等将水力空化与芬顿、光芬顿、光解和光催化四种方法协同以降解有害物，结果表明水力空化和芬顿反应的协同效果最佳。Rajoriya研究水力空化与Fe2+、H2O2、O3等氧化剂结合后对活性蓝13的降解发现，空化与Fe2+相互作用后增加了溶液中的·OH，提高了污染物的降解率。上述研究结果表明，空化泡在溃灭时产生的极端物理环境促使了水分子裂解，提高了芬顿反应中·OH的产率。但受文丘里管和孔板结构限制，空化泡群的运动受射流驱动而逐渐发散，导致空化泡群不能形成良好的聚焦，降低了空化泡到达目标面域的浓度。
涡流空化是另一种典型的水力空化技术，利用液体在旋流腔内高速旋转运动而形成空间漩涡，漩涡中心为低压区，当该区域压力低于抛光液的饱和蒸气压而产生空化。通过调控入口速度、压力和抛光液的流变特性等参数可实现涡流空化强度的调控。空化泡群能够在中心漩涡的牵引下发生迁移，具有较为准直的输运轨迹(即聚束稳定性)，减少空化泡群的发散。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置及方法，结合了涡流空化效应、芬顿反应和磁流变效应，能够达到更好的抛光效果。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，包括：
机架；
涡流空化器，设置在机架上，用于对抛光液进行空化，所述涡流空化器包括：汇流腔，在所述汇流腔的顶部设置有入流口，抛光液从所述入流口进入；锥形收缩腔，上端与所述汇流腔连通，汇流腔与所述锥形收缩腔同轴设置，所述锥形收缩腔的靠近下端的部分从上到下直径逐渐缩小；出流管，其上端与所述锥形收缩腔的下端连通，所述出流管的下端设置有多个放置槽，多个放置槽相对于出流管的轴线等角度地设置在同一圆周上，在每个所述放置槽内设置有磁瓦，所述磁瓦采用永磁体制成；
集液槽，可旋转地设置在机架上，用于盛放磁流变液；
工件盘，设置在集液槽内，所述工件盘和所述涡流空化器能够相对在XYZ空间内移动。
优选地，所述汇流腔和锥形收缩腔采用引流管连通，所述引流管具有多个，每个引流管的上端与所述汇流腔连通，下端与所述锥形收缩腔连通，汇流腔中的抛光液从引流管进入到锥形收缩腔中，每个引流管的轴线倾斜设置且多个引流管的轴线与汇流腔的轴线的夹角相同，俯视观察时，多个引流管的上端和下端均位于同一圆周上且该圆周的圆心位于所述汇流腔的轴线上。
优选地，在所述汇流腔内设置有引导柱，所述引导柱的轴线与所述入流口的轴线共线，所述引导柱的上端呈锥形。
优选地，所述抛光液为水、FeSO4、H2O2的混合溶液。
优选地，还包括供液与压力检测系统，所述供液与压力检测系统包括用于盛放抛光液的盛放桶、增压泵，所述增压泵的进液口通过管道与所述盛放桶连通，所述增压泵的出液口通过管道与所述涡流空化器的入流口连通，在连接增压泵与入流口之间的管道上设置有压力检测传感器，所述集液槽通过回流管道与盛放桶连通，在所述回流管道上设置有过滤器。
本发明还提供了一种抛光方法，使用上述基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据加工对象的特点，配制抛光液和磁流变液；
步骤二、将工件安装到工件盘上；
步骤三、向集液槽中倒入一定量的磁流变液，使磁流变液能够淹没所述工件;
步骤四、移动空化机构和工件，使出流管的下端插入到磁流变液的液面以下并移动到预定位置，出流管下端的磁瓦通过吸附磁流变液中的磁性颗粒形成柔性抛光垫，相邻磁瓦形成的抛光垫之间具有间隙；
步骤五、供液与压力检测系统启动，增压泵向涡流空化器输送具有一定压力的抛光液；
步骤六、涡流空化器将抛光液空化，带有空化泡的空化液从涡流空化器的出流管喷出后恢复到常压，空化液内部的空化泡发生溃灭，产生空化化学效应，加速抛光液中的H2O和H2O2生成羟基自由基•OH；
步骤七、空化液中的•OH对工件表面进行改性使工件表面形成软质层，并且空化泡溃灭时产生的微冲击波和高速微射流会冲击工件表面改性层，实现工件表面材料去除；
步骤八、涡流空化器的出流管下端形成的磁流变柔性抛光垫内部的磁链串将对步骤七中已改性表面的材料进行机械去除；
在执行步骤六、七和八时，涡流空化器出流管相对工件在水平面内沿着预定的轨迹移动，工件沿着预定的速度旋转，在移动的同时，位于所述间隙内的非磁性磨削材料对工件表面进行磨削。。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将空化效应、芬顿反应以及磁流变效应结合起来对工件进行抛光打磨，能够达到更好的抛光效果。所述空化效应采用的是涡流空化，采用多流体切向汇流形成中心高速低压的漩涡结构，无需高压和超声设备，这样能够使涡流更加集中，形成的空化泡运动更加稳定，稳定流动的涡流能够尽可能地避免空化泡附壁后提前溃灭，提高抛光面域空化泡的浓度，最大限度提升抛光效率。涡流空化产生的化学效应、H2O2与Fe2+间的芬顿反应，增加了抛光液中的·OH生成速率和浓度，提高了工件表面改性速率，同时空化泡溃灭时产生的微射流强冲击作用增加了对软质层的机械去除，起到了双重增效的抛光效果。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施例的原理图；
图2和3是涡流空化器的结构图。
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
如图1所示，一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置包括机架1、设置在机架1上的用于对抛光液进行空化的涡流空化器2、设置在机架1上的用于盛放磁流变液的集液槽3、设置在集液槽3内的用于放置工件100的工件盘4，所述集液槽3可旋转地设置在机架1上进而能够带动所述工件盘4上的工件100旋转，同时所述集液槽3与所述涡流空化器2能够相对在XYZ空间内移动，以实现对位于工件盘4上的工件100的上表面进行抛光。所述工件100可为SiC、GaN等第三代半导体衬底。
所述涡流空化器2包括汇流腔22、引流管24、锥形收缩腔25、出流管26和磁瓦29，所述汇流腔22呈柱状，其轴线上下布置，在所述汇流腔22的顶部设置有入流口21，入流口21的轴线与所述汇流腔22的轴线共线，抛光液从所述入流口21进入到汇流腔22中。所述引流管24具有多个，每个引流管24的上端与所述汇流腔22连通，下端与所述锥形收缩腔25连通，汇流腔22中的抛光液从引流管24进入到锥形收缩腔25中。每个引流管24的轴线倾斜设置且多个引流管24的轴线与汇流腔22的轴线的夹角相同，俯视观察时，多个引流管24的上端和下端均位于同一圆周上且该圆周的圆心位于所述汇流腔22的轴线上，这样能够使从引流管24进入到锥形收缩腔25中的空化液旋转并且旋转的方向一致。所述引流管24的下端与锥形收缩腔25的连接处靠近所述锥形收缩腔25的边缘，这样抛光液能够在锥形收缩腔25内形成中心高速低压的漩涡，当所述锥形收缩腔25的中心区域压力低于所述抛光液的饱和蒸气压时，抛光液会发生空化并形成空化液，所述空化液内含大量的空化泡。所述抛光液为水、FeSO4、H2O2的混合溶液，FeSO4的体积分数为1%-10%，H2O2的体积分数为3%-15%，通过空化，能够增加空化液中的·OH生成速率和浓度。
在所述汇流腔22内设置有引导柱23，所述引导柱23的轴线与所述入流口21的轴线共线，所述引导柱23的上端呈锥形，通过引导柱23能够引导抛光液向着汇流腔22的边缘流动。
所述锥形收缩腔25的下部呈锥形，所述锥形收缩腔25的轴线与所述汇流腔22的轴线共线，在所述锥形收缩腔25的下端设置有出流管26，所述出流管26上设置有上下延伸的管道27，所述管道27位于所述出流管26的轴线上，所述出流管26的轴线与所述锥形收缩腔25的轴线共线，空化液旋转着进入到锥形收缩腔25，通过锥形收缩腔25能够对空化液进行加速，这样从出流管26喷出的空化液能够快速的喷出并且同时旋转。
所述磁瓦29具有多个，设置在出流管26的下端，多个磁瓦29相对于出流管26的轴线等角度的设置。具体地，在所述出流管26的下端设置有多个均匀分布的放置槽28，每个磁瓦29设置在对应的放置槽28中。
在抛光时，将工件100放置到工件盘4上，将一定量的磁流变液倒入到集液槽3中，磁流变液至少没过工件100的上表面，使涡流空化器2相对所述工件100移动并移动到所述工件100的正上方且出流管26的下端伸入到磁流变液的液面以下，将抛光液从入流口送入到汇流腔22中，汇流腔22中的抛光液经过引流管24进入到锥形收缩腔25内并形成中心高速低压的漩涡，当漩涡区域的抛光液压力低于所述抛光液的饱和蒸气压时形成空化液，产生大量空化泡。带有空化泡的空化液通过出流管26跑出，空化液中的·OH与SiC材料发生反应生成软质层（改性），并且带有空化泡的空化液在喷嘴的出口处发生转向以及挤压，且压力增大，使空化泡溃灭，空化泡溃灭时能够形成微射流冲击效应，进而对已改性的工件表面材料进行机械去除。同时，在喷嘴伸入到磁流变液中时，磁瓦29会对磁流变液中的磁性颗粒进行吸附，吸附的磁性颗粒形成抛光垫，相邻的抛光垫之间具有间隙，多个抛光垫形成环状半封闭约束区，空化液从抛光垫之间的间隙跑出，在出流管26相对工件100移动时，抛光垫能够带动位于所述间隙处的磁流变液中的非磁性磨料移动，进而实现对工件已改性表面进行机械去除，达到提高抛光效果的目的。
所述出流管26能够上下移动，通过上下移动能够调整抛光垫的大小以及相邻抛光垫之间的间隙，进而能够调整空化液的流速以及空化液的压力。
进一步，所述涡流空化器2通过Z向滑台6设置在机架1上，所述Z向滑台6能够带动所述涡流空化器2上下移动。所述集液槽3通过XY滑台5设置在所述机架1上，所述XY滑台5能够带动所述集液槽3在XY平面内移动。所述集液槽3能够绕着竖向轴线旋转。
所述装置还包括供液与压力检测系统，所述供液与压力检测系统包括用于盛放抛光液的盛放桶71、增压泵72，所述增压泵72的进液口通过管道与所述盛放桶71连通，所述增压泵72的出液口通过管道与所述涡流空化器2的入流口连通，通过增压泵72也能够调节抛光液的压力，在连接增压泵72与入流口之间的管道上设置有压力检测传感器73，用于检测管道内抛光液的压力。所述集液槽通过回流管道与盛放桶连通，用于回收抛光液。在所述回流管道上设置有过滤结构74，用于尽可能地将回收的抛光液中的杂质、磁流变液过滤。
实施例
该实施例为采用实施例一的装置进行抛光的方法，具体包括如下步骤：
步骤一、根据加工对象的特点，配制抛光液和磁流变液；
步骤二、将工件安装到工件盘上；
步骤三、在集液槽中加入磁流变液并使磁流变液淹没工件；
步骤四、移动涡流空化器，使涡流空化器的出流管的下端浸入到磁流变液中并移动到初始位置，在喷嘴的下端且对应于磁瓦的位置处形成有抛光垫；
步骤五、供液与压力检测系统启动；
步骤六、抛光液通过涡流空化器2进行空化并从涡流空化器的下端喷出；
步骤七、空化液从涡流空化器的出流管喷出后恢复到常压，空化液内部的空化泡发生溃灭，产生空化化学效应，加速抛光液中的H2O和H2O2生成羟基自由基•OH；
步骤八、空化液中的•OH与工件的表面发生反应，对工件表面改性；
步骤九、空化液中的空化泡溃灭时产生的微冲击波和高速微射流冲击工件表面改性层，对改性后的工件表面材料进行冲击并去除；
步骤十、涡流空化器的出流管下端形成的磁流变柔性抛光垫内部的非磁性磨料将对步骤八中已改性表面的材料进行机械去除；
在执行步骤六-十时，XY滑台组件按照预定的轨迹移动，集液槽按照预定的速度旋转，在出流管26相对工件100移动的过程中，实现对工件100的整个表面进行打磨。
在供液与压力检测系统向涡流空化器输出抛光液的过程中，压力检测传感器实时检测压力的变化，并根据压力的变化调整增压泵的功率。当然，实际中也可以根据抛光精度，调整出流管26的高度。
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 (5)
1.一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，包括：
机架；
涡流空化器，设置在机架上，用于对抛光液进行空化，所述涡流空化器包括：汇流腔，在所述汇流腔的顶部设置有入流口，抛光液从所述入流口进入；锥形收缩腔，上端与所述汇流腔连通，汇流腔与所述锥形收缩腔同轴设置，所述锥形收缩腔的靠近下端的部分从上到下直径逐渐缩小；出流管，其上端与所述锥形收缩腔的下端连通，所述出流管的下端设置有多个放置槽，多个放置槽相对于出流管的轴线等角度地设置在同一圆周上，在每个所述放置槽内设置有磁瓦，所述磁瓦采用永磁体制成；
集液槽，可旋转地设置在机架上，用于盛放磁流变液；
工件盘，设置在集液槽内，所述工件盘和所述涡流空化器能够相对在XYZ空间内移动；
所述汇流腔和锥形收缩腔采用引流管连通，所述引流管具有多个，每个引流管的上端与所述汇流腔连通，下端与所述锥形收缩腔连通，汇流腔中的水基抛光液从引流管进入到锥形收缩腔中，每个引流管的轴线倾斜设置且多个引流管的轴线与汇流腔的轴线的夹角相同，俯视观察时，多个引流管的上端和下端均位于同一圆周上且该圆周的圆心位于所述汇流腔的轴线上。
2.根据权利要求1所述的一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，在所述汇流腔内设置有引导柱，所述引导柱的轴线与所述入流口的轴线共线，所述引导柱的上端呈锥形。
3.根据权利要求1所述的一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，所述抛光液为水、FeSO4、H2O2的混合溶液。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，还包括供液与压力检测系统，所述供液与压力检测系统包括用于盛放抛光液的盛放桶、增压泵，所述增压泵的进液口通过管道与所述盛放桶连通，所述增压泵的出液口通过管道与所述涡流空化器的入流口连通，在连接增压泵与入流口之间的管道上设置有压力检测传感器，所述集液槽通过回流管道与盛放桶连通，在所述回流管道上设置有过滤器。
5.一种抛光方法，使用权利要求1至4任一项所述的基于涡流空化的化学磁流变抛光装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据加工对象的特点，配制抛光液和磁流变液；
步骤二、将工件安装到工件盘上；
步骤三、向集液槽中倒入一定量的磁流变液，使磁流变液能够淹没所述工件；
步骤四、移动涡流空化器和工件，使出流管的下端插入到磁流变液的液面以下并移动到预定位置，出流管下端的磁瓦通过吸附磁流变液中的磁性颗粒形成柔性抛光垫，相邻磁瓦形成的抛光垫之间具有间隙；
步骤五、供液与压力检测系统启动，增压泵向涡流空化器输送具有一定压力的抛光液；
步骤六、涡流空化器将抛光液空化，带有空化泡的空化液从涡流空化器的出流管喷出后恢复到常压，在此过程中空化液内部的空化泡发生溃灭，产生空化化学效应，加速抛光液中的H2O和H2O2生成羟基自由基·OH；
步骤七、空化液中的·OH对工件表面进行改性使工件表面形成软质层，并且空化泡溃灭时产生的微冲击波和高速微射流会冲击工件表面改性层，实现工件表面材料去除；
步骤八、涡流空化器的出流管下端形成的磁流变柔性抛光垫内部的磁链串将对步骤七中已改性表面的材料进行机械去除；
在执行步骤六、七和八时，涡流空化器相对工件在水平面内沿着预定的轨迹移动，工件沿着预定的速度旋转，在移动的同时，位于所述间隙内的非磁性磨削材料对工件表面进行磨削。
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