磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置，特別適合于光電子/微電子半導(dǎo)體基片及光學(xué)元件的平面平坦化加工，屬于超精密加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)元件(透鏡、反射鏡)作為光學(xué)器件的核心元件之一，要達(dá)到良好的光學(xué)性能，其表面精度需要達(dá)到超光滑程度(粗糙度Ra達(dá)到Inm以下)，面形精度也有較高的要求(形狀精度達(dá)到0.5微米以下)。而在LED領(lǐng)域，單晶硅(Si)、單晶鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、單晶碳化硅(SiC)和藍(lán)寶石(Al2O3)等作為半導(dǎo)體襯底材料，同樣要求具有超平坦和超光滑的表面(粗糙度Ra達(dá)到0.3nm以下)才能滿足外延膜生長(zhǎng)的要求，并且要求無(wú)缺陷、無(wú)損傷。無(wú)論是光學(xué)平面元件還是半導(dǎo)體基片，均需要進(jìn)行平坦化加工，其傳統(tǒng)工藝主要是高效研磨、超精密拋光、化學(xué)機(jī)械拋光和磁流變拋光，其加工質(zhì)量和精度直接決定了光學(xué)器件及半導(dǎo)體器件的性能。
[0003]磁流變拋光技術(shù)(Magnetorheologicalfinishing, MRF)是20世紀(jì)90年代由K0RD0NSKI及其合作者將電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、分析化學(xué)、加工工藝學(xué)等相結(jié)合而提出的一種新型的光學(xué)表面加工方法，具有拋光效果好、不產(chǎn)生次表面損傷、適合復(fù)雜表面加工等傳統(tǒng)拋光所不具備的優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為一種革命性光學(xué)表面加工方法，特別適合軸對(duì)稱非球面的超精密加工，廣泛應(yīng)用于大型光學(xué)元件、半導(dǎo)體晶片、LED基板、液晶顯示面板等的最后加工工序。但目前采用磁流變拋光方法對(duì)平面工件進(jìn)行加工時(shí)，主要以美國(guó)QED公司研制的各種型號(hào)磁流變機(jī)床，其原理是把工件置于一圓弧形拋光盤上方，工件表面與拋光盤之間形成的凹形間隙，拋光盤下方布置一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度可調(diào)的電磁鐵磁極或者永磁體磁極使凹形間隙處形成高強(qiáng)度梯度磁場(chǎng)，當(dāng)磁流變液隨拋光盤運(yùn)動(dòng)到工件與拋光盤形成的空隙附近時(shí)形成的柔性凸起“拋光緞帶”，但“拋光緞帶”與工件表面屬于“斑點(diǎn)”局部接觸，在加工過(guò)程中只能靠控制“斑點(diǎn)”沿工件表面按一定規(guī)律軌跡掃描才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)表面的加工，軌跡掃描過(guò)程需要大量的時(shí)間，造成效率低、加工形狀精度不易保證。
[0004]為了提高磁流變的拋光效率，專利CN200610132495.9基于磁流變拋光原理和集群作用機(jī)理提出了一種基于磁流變效應(yīng)的研磨拋光方法及其拋光裝置，并開展了大量的試驗(yàn)研究，該方法雖然通過(guò)集群方法形成了面域拋光墊，但是工件的加工均勻性難以解決，經(jīng)過(guò)深入分析，由于磁流變液存在黏彈性，工件經(jīng)過(guò)該專利的磁流變拋光墊后會(huì)把凸起的柔性拋光墊壓下而無(wú)法恢復(fù)，從而失去了對(duì)工件的壓力，使得工件邊緣與其他區(qū)域的材料去除率相差極大，并且磨料在黏彈性拋光墊中難以更新，進(jìn)一步降低了加工效果(圖1所示)。因而本實(shí)用新型在上述深入研究的基礎(chǔ)上，提出一種動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳的磁流變?nèi)嵝話伖鈮|發(fā)生裝置及其拋光方法，完好地實(shí)現(xiàn)了磁流變?nèi)嵝話伖鈮|在加工過(guò)程中對(duì)工件的恒壓力加工，并且能使磨料在加工過(guò)程中實(shí)時(shí)更新自銳，非常適合對(duì)光學(xué)元件、半導(dǎo)體晶片、陶瓷基片等平面材料進(jìn)行高效率超精密拋光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目是針對(duì)集群磁流變拋光的不均勻性，提出一種磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置，本實(shí)用新型加工效率高，成本低，而且無(wú)表面和亞表面損傷，適合光電子/微電子基片和光學(xué)元件的平面高效率超光滑均勻拋光加工。本實(shí)用新型通過(guò)磁極陣列有規(guī)律運(yùn)動(dòng)的形成動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)柔性拋光墊的形狀恢復(fù)及磨料向柔性拋光墊表面富集的自銳，保持和改善磁流變?nèi)嵝話伖鈮|加工性能，提高磁流變的拋光效率，實(shí)現(xiàn)工件的均勻加工。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型的磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置，包括拋光盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和多磁極同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，拋光盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括有底座、傳動(dòng)軸電機(jī)、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)接盤、偏心軸固定盤、杯形拋光盤、傳動(dòng)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，多磁極同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括有偏心主軸、同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)盤、柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸、偏心套、磁極、偏心軸固定盤、主軸電機(jī)、主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中傳動(dòng)軸電機(jī)固定在底座上，傳動(dòng)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)傳動(dòng)件固定在傳動(dòng)軸電機(jī)的輸出軸上，傳動(dòng)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)傳動(dòng)件與傳動(dòng)軸連接，轉(zhuǎn)接盤同軸固定在傳動(dòng)軸的上端面，偏心軸固定盤同軸固定在轉(zhuǎn)接盤的上端面，杯形拋光盤同軸固定在偏心軸固定盤的上端面，多磁極同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主軸電機(jī)固定在底座上，主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)傳動(dòng)件固定在主軸電機(jī)的輸出軸上，主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的從動(dòng)傳動(dòng)件與偏心主軸連接，偏心主軸裝設(shè)在傳動(dòng)軸所設(shè)的中空腔體內(nèi)，同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)盤固定在傳動(dòng)軸的上端，柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝于同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)盤的上端，偏心套固定于偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，磁極固定于偏心套內(nèi)，且柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸裝設(shè)在杯形拋光盤所設(shè)的軸孔中。
[0007]本實(shí)用新型的磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置，采用磁極偏心旋轉(zhuǎn)的方法使靜態(tài)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)磁場(chǎng)，可以迫使柔性拋光墊中的磁性鏈重新排布而實(shí)現(xiàn)磨料的更新自銳和拋光墊形狀的實(shí)時(shí)恢復(fù)，徹底解決了靜態(tài)磁形成的拋光墊在加工過(guò)程中由于磁流變液的黏性和磁性作用下變形而無(wú)法恢復(fù)從而失去對(duì)工件的加工壓力的核心問題。本實(shí)用新型采用柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸的偏心孔與偏心套的配合方式可以實(shí)現(xiàn)磁極旋轉(zhuǎn)偏心距的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，采用多磁極同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了眾多同步旋轉(zhuǎn)磁極的緊密排布，理論上可以形成大面積的柔性致密拋光墊，實(shí)現(xiàn)大直徑光學(xué)元件的平面拋光加工。本實(shí)用新型的另一優(yōu)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁流變液的更新，不需要采用循環(huán)裝置對(duì)磁流變液進(jìn)行更新且加工過(guò)程中不需要更換磁流變液，大大節(jié)省了加工裝置的空間，解決了傳統(tǒng)磁流變拋光中黏附在循環(huán)裝置上的殘留物對(duì)磁流變液的影響。并且本實(shí)用新型的杯形拋光盤拆裝過(guò)程對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳的磁流變?nèi)嵝話伖鈮|發(fā)生裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)影響，拆除后的杯形拋光盤由于無(wú)磁性的影響，非常容易清洗。本實(shí)用新型配制的磁流變液流動(dòng)性屬于混合粗細(xì)混合流體，流動(dòng)性和材料去除能力可以通過(guò)調(diào)節(jié)工件下表面與杯形拋光盤之間的間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)，一次加工可以實(shí)現(xiàn)粗拋光到精拋光的全過(guò)程，所獲得的工件表面一致性好，加工效率高，而且無(wú)表面和亞表面損傷，而且成本低，非常適合大直徑光學(xué)元件的平面高效率超光滑均勻拋光加工。同時(shí)，本裝置還適合于研究光學(xué)平面材料的材料去除機(jī)理和亞表面損傷檢測(cè)等試驗(yàn)研究。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是傳統(tǒng)靜磁場(chǎng)拋光墊拋光示意圖。
[0009]圖2為本實(shí)用新型磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的原理圖。
[0010]圖3為本實(shí)用新型磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的全剖視圖。
[0011]圖4為本實(shí)用新型磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸全剖視圖。
[0012]圖5為本實(shí)用新型磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的局部放大視圖。
[0013]圖6為本實(shí)用新型磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的磁鐵安裝示意圖。
[0014]圖7為本實(shí)用新型磁流變?nèi)嵝話伖鈮|的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)自銳拋光裝置的加工示意圖。
[0015]圖中:1.杯形拋光盤，2.第一固定螺釘，3.偏心軸固定盤，4.第二固定螺釘，5.驅(qū)動(dòng)盤端蓋，6.向心推力軸承，7.外隔套，8.同步旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)盤，9.軸端端蓋，10.第三固定螺釘，
11.轉(zhuǎn)接盤，12.第四固定螺釘，13.傳動(dòng)軸，14.軸承端蓋，15.第五固定螺釘，16.軸承座，17.主軸電機(jī)，18.第六固定螺釘，19.柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸，20.偏心套，21.磁極，22.深溝球軸承，23.第七固定螺釘，24.主軸端蓋，25.驅(qū)動(dòng)軸承，26.分離套筒，27.第八固定螺釘，28.偏心主軸端蓋，29.第九固定螺釘，30.主軸軸承，31.內(nèi)套筒，32.外套筒，33.傳動(dòng)軸軸承，34.內(nèi)固定套，35.外固定套，36.軸承座，37.傳動(dòng)軸電機(jī)，38.第十固定螺釘，39.底座，40.主軸驅(qū)動(dòng)帶輪，41.第一平鍵，42.主軸傳動(dòng)帶，43.偏心主軸，44.第^^一固定螺釘，45.主軸帶輪，46.第十二固定螺釘，47.傳動(dòng)軸帶輪，48.傳動(dòng)帶，49.第二平鍵，50.傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)帶輪，51.偏心主軸偏心距，52.柔性偏心轉(zhuǎn)動(dòng)軸偏心距，53.磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)偏心距，54.薄型缺口，55.偏心孔，56.凸臺(tái)，57.偏心孔偏心量，58.偏心小軸，59.下凸緣塊，60.上凸緣塊，61.工件，62.工具頭，63.磁流變液，64.柔性拋