一种自修整磁流变柔性抛光砂轮及其磨抛方法技术

本发明专利技术涉及一种自修整磁流变柔性抛光砂轮及其磨抛方法，包括固定环、内齿轮、砂轮环、齿轮轴、同步旋转齿轮、行星齿轮、旋转轴和圆柱体永磁铁，旋转轴装设在砂轮环内，圆柱体永磁铁装设在旋转轴下端所设的通孔内，内齿轮装设在砂轮环的上部，固定环装设在内齿轮的顶部，固定环固定在机床上，砂轮接口装设在砂轮环及固定环的顶部，砂轮接口与砂轮环连接，砂轮接口上设有外齿轮，齿轮轴装设在砂轮接口上，行星齿轮装设在齿轮轴上，同步旋转齿轮装设在旋转轴上端，行星齿轮与砂轮接口所设的外齿轮啮合，同步旋转齿轮及行星齿轮与内齿轮啮合。本发明专利技术实现磨料更新自锐和砂轮块形状的实时恢复，适合光电子/微电子基片和光学元件的平面高效超光滑均匀磨削抛光加工。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及一种自修整磁流变柔性抛光砂轮及其磨抛方法，特别适合于光电子/微电子半导体基片及光学元件的超精密磨抛加工，属于超精密加工


技术介绍

在LED领域，单晶硅(Si)、单晶锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、单晶碳化硅（SiC）和蓝宝石（Al2O3）等作为半导体衬底材料，同样要求具有超平坦和超光滑的表面（粗糙度Ra达到0.3nm以下）才能满足外延膜生长的要求，并且要求无缺陷、无损伤。而光学元件作为光学器件的核心元件之一，要达到良好的光学性能，其表面精度需要达到超光滑程度（粗糙度Ra达到1nm以下），面形精度也有较高的要求（形状精度达到0.5微米以下）。可以看出无论是光学平面元件还是半导体基片，均需要进行平坦化加工，其传统工艺主要是高效研磨、超精密抛光、化学机械抛光、磁流变抛光和基于端面磨床的磨抛加工，其加工质量和精度直接决定了光学器件及半导体器件的性能。
自从1984年日本的MastulS.等人提出了工件自旋转磨削方法后，自旋转磨削原理的超精密磨床已成为半导体晶片特别是大直径晶片制造和背面减薄普遍采用的加工设备。在工件自旋转磨削中，除了对超精密磨床的精度和主轴刚度提出很高度要求之外，对配套采用的端面砂轮也有极高的要求，其中以具有抛光性能砂轮（Poligrind）要求最高，采用该砂轮能直接通过磨削方式获得机械抛光同等的表面质量，大大提高了加工效率。但是Poligrind的高性能造成了能生产此类砂轮的厂商极少，价格居高不下，进口价格在3万人民币左右，而且该类砂轮的齿高只有5～7mm高，加工过程中砂轮磨损非常快，因而只能用于少量工件的磨削，磨削成本极高。因而本专利技术提出一种自修整磁流变柔性抛光砂轮及其磨抛方法，采用动态磁场形成自修整流变柔性抛光砂轮块，实现对工件的恒压力柔性加工，并且能使磨料在加工过程中实时更新自锐，而且该砂轮永不磨损，能够以低廉的价格实现Poligrind的效果。

技术实现思路

本专利技术的目是针对Poligrind成本高、磨损快的问题提出一种自修整磁流变柔性抛光砂轮。本专利技术加工过程中砂轮块能实现磨料自动更新和砂轮块形状的实时恢复，砂轮块永不磨损，加工效率高，成本低，能获得无表面和亚表面损伤的工件，适合光电子/微电子基片和光学元件的平面高效率超光滑均匀磨削抛光加工。
本专利技术的另一目的在于提供一种自修整磁流变柔性抛光砂轮的磨抛方法，本专利技术采用动态磁场实现磁流变液的更新和磨料的更新自锐，不需要采用循环装置对磁流变液进行更新且加工过程中不需要更换磁流变液，自修整流变柔性抛光砂轮块中的磨料具有容末效应，能实现细小的磨料与工件优先接触，避免粗颗粒磨料对工件的损伤，不存在传统砂轮块的磨损问题和磨料粒度及气孔分布不均等关键问题。
本专利技术的技术方案是：本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮，包括有固定环、内齿轮、砂轮环、齿轮轴、同步旋转齿轮、行星齿轮、旋转轴和圆柱体永磁铁，其中旋转轴装设在砂轮环内，圆柱体永磁铁装设在旋转轴下端所设的通孔内，内齿轮装设在砂轮环的上部，固定环装设在内齿轮的顶部，且固定环固定在机床上，砂轮接口装设在砂轮环及固定环的顶部，砂轮接口与砂轮环连接，砂轮接口上设有外齿轮，齿轮轴装设在砂轮接口上，行星齿轮装设在齿轮轴上，同步旋转齿轮装设在旋转轴的上端，行星齿轮与砂轮接口所设的外齿轮啮合，同步旋转齿轮及行星齿轮与内齿轮啮合。
本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮的磨抛方法，包括如下步骤：
1）根据机床的结构，设计适配的自修整磁流变柔性抛光砂轮结构；
2）根据加工对象的特点，选择的磁场强度的圆柱体永磁铁相邻同磁极或者相邻反磁极安装于自修整磁流变柔性抛光砂轮内，调整旋转轴使圆柱体永磁铁下端面到砂轮端面的距离一致，并完成自修整磁流变柔性抛光砂轮的整体安装；
3）将自修整磁流变柔性抛光砂轮通过砂轮接口和连接螺钉安装于端面磨床主轴上，将固定环通过固定环上的定位圆柱和固定连接环固定于端面磨床床身上；
4）将工件通过真空吸或者其他方式装夹于工件主轴上，使工件圆心在圆柱体永磁铁圆心形成的轨迹圆附近，调整端面磨床主轴使砂轮端面到工件上表面的加工间隙为0.5～5mm；
5）通过在去离子水中加入如下三种磨料中的至少一种磨料，三种磨料分别是浓度为2%～15%的微米级磨料、浓度为2%～15%的亚微米级磨料、浓度为2%～15%的纳米级磨料，及去离子水中加入浓度为2%～20%的亚微级羰基铁粉及浓度为3%～15%的微米级羰基铁粉，及加入浓度为3%～15%的分散剂、浓度为1%～6%的防锈剂和浓度为2%～10%的稳定剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液；
5）将磁流变液倒入环形槽内，磁流变液在圆柱体永磁铁的磁流变效应下形成无修整磁流变砂轮块；
6）启动端面磨床主轴和工件主轴，端面磨床主轴带动自修整磁流变柔性抛光砂轮以50rpm～5000rpm速度旋转，在行星齿轮与砂轮接口的外齿轮的作用下驱动内齿轮转动，内齿轮通过同步旋转齿轮带动旋转轴和圆柱体永磁铁转动，同步转动的圆柱体永磁铁使端面磁场实时变化，使无修整磁流变砂轮块形成自修整流变柔性抛光砂轮块，工件主轴带动工件以0rpm～500rpm速度转动；
7）工件表面材料在自修整流变柔性抛光砂轮块的恒压剪切作用和工件自身的转动下实现磨抛去除，获得超光滑无亚表面损伤表面。
本专利技术的自修整磁流变柔性抛光砂轮，采用磁极旋转的方法使相邻的磁极磁力线发生实时变化，从而把静态磁场转变为动态磁场，可以迫使无修整磁流变砂轮块转变为自修整流变柔性抛光砂轮块而实现磨料的更新自锐和砂轮块形状的实时恢复，彻底解决了无修整磁流变砂轮块正衡间隙加工过程中由于磁流变液的黏性和磁性作用下变形而无法恢复从而失去对工件的加工压力的核心问题。本专利技术巧妙地采用砂轮的旋转运动直接驱动行星齿轮机构中的内齿轮旋转，并借助内齿轮的旋转驱动各磁极同步转动，并利用迷宫结构和梯形结构实现机械密封和相对滑动，从而获得了与传统砂轮相当的紧凑机构。本专利技术的另一优点采用动态磁场实现磁流变液的更新和磨料的更新自锐，不需要采用循环装置对磁流变液进行更新且加工过程中不需要更换磁流变液，自修整流变柔性抛光砂轮块中的磨料具有容末效应，能实现细小的磨料与工件优先接触，避免粗颗粒磨料对工件的损伤，并且自修整流变柔性抛光砂轮块的形状能实时恢复，不存在传统砂轮块的磨损问题和磨料粒度及气孔分布不均等关键问题。因而采用本专利技术的自修整磁流变柔性抛光砂轮能获得的工件表面一致性好且无表面和亚表面损伤的高质量工件，而且成本低，非常适合光电子/微电子基片和光学元件的平面高效率超光滑均匀磨削抛光加工。同时，本装置使用过程中工件不旋转时能加工出环带型无损区域，适合于研究光学平面材料的材料去除机理和亚表面损伤检测等试验研究。
附图说明
图1是本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮全剖主视图。
图2是本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮的局部放大视图。
图3为本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮A-A剖视图。
图4为本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮俯视图。
图5为本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮仰视图。
图6为本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮在端面磨床的安装示意图。
图7为本专利技术自修整磁流变柔性抛光砂轮安装在端面磨床并形成流变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于包括有固定环（1）、内齿轮（3）、砂轮环（8）、齿轮轴（11）、同步旋转齿轮（17）、行星齿轮（18）、旋转轴（25）和圆柱体永磁铁（26），其中旋转轴（25）装设在砂轮环（8）内，圆柱体永磁铁（26）装设在旋转轴（25）下端所设的通孔内，内齿轮（3）装设在砂轮环（8）的上部，固定环（1）装设在内齿轮（3）的顶部，且固定环（1）固定在机床上，砂轮接口（13）装设在砂轮环（8）及固定环（1）的顶部，砂轮接口（13）与砂轮环（8）连接，砂轮接口（13）上设有外齿轮，齿轮轴（11）装设在砂轮接口（13）上，行星齿轮（18）装设在齿轮轴（11）上，同步旋转齿轮（17）装设在旋转轴（25）的上端，行星齿轮（18）与砂轮接口（13）所设的外齿轮啮合，同步旋转齿轮（17）及行星齿轮（18）与内齿轮（3）啮合。

【技术特征摘要】
1.一种自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于包括有固定环（1）、内齿轮（3）、砂轮环（8）、齿轮轴（11）、同步旋转齿轮（17）、行星齿轮（18）、旋转轴（25）和圆柱体永磁铁（26），其中旋转轴（25）装设在砂轮环（8）内，圆柱体永磁铁（26）装设在旋转轴（25）下端所设的通孔内，内齿轮（3）装设在砂轮环（8）的上部，固定环（1）装设在内齿轮（3）的顶部，且固定环（1）固定在机床上，砂轮接口（13）装设在砂轮环（8）及固定环（1）的顶部，砂轮接口（13）与砂轮环（8）连接，砂轮接口（13）上设有外齿轮，齿轮轴（11）装设在砂轮接口（13）上，行星齿轮（18）装设在齿轮轴（11）上，同步旋转齿轮（17）装设在旋转轴（25）的上端，行星齿轮（18）与砂轮接口（13）所设的外齿轮啮合，同步旋转齿轮（17）及行星齿轮（18）与内齿轮（3）啮合。
2.根据权利要求1所述的自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于上述砂轮接口（13）与砂轮环（8）通过紧固螺钉（16）连接。
3.根据权利要求1所述的自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于上述旋转轴（25）通过两对圆锥滚子轴承（7）支承在砂轮环（8）；上述旋转轴（25）在两对圆锥滚子轴承（7）之间套装有轴承隔套（6），上述旋转轴（25）在圆锥滚子轴承（7）的端部装设有外螺母（4）及内螺母（5）。
4.根据权利要求1所述的自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于上述旋转轴（25）的上端通过平键（22）安装同步旋转齿轮（17）；上述行星齿轮（18）通过深沟球轴承（20）支承在齿轮轴（11）上。
5.根据权利要求1所述的自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于上述砂轮接口（13）下端具有安装止口（14），砂轮环（8）上端与砂轮接口（13）下端贴合并通过安装止口（14）实现定位；上述内齿轮（3）与砂轮环（8）通过内齿轮（3）下端面的梯形滑动面（23）配合安装，固定环（1）与内齿轮（3）通过内齿轮（3）上端面的梯形止口（2）配合安装，固定环（1）内上侧的凸环嵌套在砂轮接口（13）左下端，齿轮轴（11）上端通过螺纹连接固定于固定环（1）上，行星齿轮（18）的端部通过孔用弹性挡圈（19）和轴用弹性挡圈（21）固定于齿轮轴（11）上。
6.根据权利要求1至5任一项所述的自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于上述固定环（1）上端具有多个定位圆柱（9），固定环（1）能相对砂轮接口（13）发生转动，固定环（1）与砂轮接口（13）之间存在防水结构迷宫止口（10），内齿轮（3）能相对固定环（1）和砂轮环（8）发生转动，内齿轮（3）上端面的梯形止口（2）和内齿轮（3）下端面的梯形滑动面（23）具有耐磨擦材料涂层，实现自修整磁流变柔性抛光砂轮的机械密封与滑动摩擦。
7.根据权利要求6所述的自修整磁流变柔性抛光砂轮，其特征在于上述圆柱体永磁铁（26）的端面磁场强度大于1000Gs，相邻同磁极或者相邻反磁极安装于砂轮环（8）的垂直阵列孔内，圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘继生，阎秋生，张凤林，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44