一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置

技术领域

本发明涉及超精密抛光技术领域，具体涉及一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，适用于多晶硬脆材料高效高质量低损伤加工。

背景技术

超精密加工技术是高科技领域中产品加工的基础技术，在国防科学技术现代化和国民经济建设中发挥着至关重要的作用。作为现代高科技的基础技术和重要组成部分，它推动着半导体技术、光电技术、材料科学等多门技术的发展进步。从某种意义上来说，超精密加工技术担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家制造技术水平的重要标志。按照接触形式可将超精密抛光分为接触式抛光和非接触式抛光。

接触式抛光是指抛光过程中抛光盘和工件直接发生接触，依靠抛光磨粒的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料的抛光方法，属于传统抛光范畴。接触式抛光可获得的最佳表面粗糙度约为抛光粒子直径的1/15，损伤层深度约为抛光粒子直径0.5~1.0倍，位错密度范围为5×10

随着科学技术的日益发展，很多领域对超光滑表面的加工提出了更高的要求，有些领域甚至要求表面粗糙度达到纳米量级。这些苛刻的要求使传统的抛光方法受到了制约，新的超精密加工方法也就应运而生，如弹性发射加工、浮法抛光、动压浮离抛光、离子束抛光等。这些新型的加工方法都达到了传统抛光所不能达到的效果。但是考虑到加工效率、加工成本、加工设备等因素的影响，上述加工方法在实际应用推广中仍旧受到不同程度的限制。

此外，多晶硬脆材料由尺寸、形貌、取向不同的晶粒组成，存在各向异性的问题，暴露在抛光液中的晶粒表面“有软有硬”且在晶界处侵蚀得更快（晶界优先去除），给材料加工带来巨大挑战。

发明内容

针对目前的非接触抛光装置的成本高、对多晶硬脆材料抛光质量控制差的问题，本发明提出了一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特点是适用范围广、加工效率与加工精度高、装置结构与控制简单、加工变质层与损伤少以及高效环保。

本发明的技术方案如下：

一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，包括工件夹持驱动装置、抛光盘夹持驱动装置、抛光液池及抛光液循环系统，所述抛光液池内设有抛光液，所述抛光液循环系统与抛光液池相连；所述工件夹持驱动装置底部设置待加工工件，所述抛光盘夹持驱动装置顶部设置表面结构化抛光盘，所述待加工工件位于所述表面结构化抛光盘上方，所述待加工工件及表面结构化抛光盘均位于抛光液池的液面下方，且所述待加工工件与所述的表面结构化抛光盘之间存在加工间隙。

进一步的，所述抛光液循环系统包括抛光液循环管路、循环泵及抛光液过滤装置，所述循环泵及抛光液过滤装置分别设置在抛光液循环管路上，所述抛光液循环管路两端分别与抛光液池的上部入口、底部出口连通；抛光液过滤装置用于过滤掉抛光过程中产生的大颗粒磨屑和添加或取出非牛顿流体抛光液，保证抛光液的一致性。

进一步的，所述表面结构化抛光盘表面是由平行区域、凹槽区域交替组成。

进一步的，所述表面结构化抛光盘的凹槽区域有四种不同结构，分别为楔形槽、L形槽、上抛物线形槽、下抛物线形槽，且从表面结构化抛光盘内圆端到外圆端凹槽部分和平面分割宽度比为0.3~0.7。

进一步的，所述待加工工件与表面结构化抛光盘之间保持1~5 mm间隙，以确保加工工件与抛光盘之间可形成液膜；液膜的存在避免了工件与抛光盘之间直接接触磨损，同时起到均匀承载（法向压力均匀分布）的效果。

进一步的，所述抛光液采用具有剪切流变效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；其中，抛光液质量百分比包括2~15 wt.%的活性剂、10~50 wt.%的磨料和50~90 wt.%的基液，磨料的粒径范围为0.05~50 μm；组成抛光液的非牛顿流体具有剪切流变特性，即在剪切力大于某一临界值时，表观粘度迅速增大，甚至由液相转变为固相；当剪切力撤除后，又可迅速从固相转变为液相，该变化过程是可逆的。

进一步的，所述工件夹持驱动装置包括工件驱动机构及连接设置在工件驱动机构下方的工件夹具，所述工件夹具与待加工工件固定连接。

进一步的，所述抛光盘夹持驱动装置包括抛光工具驱动机构及连接设置在抛光工具驱动机构上方的抛光工具夹具，所述抛光工具夹具与表面结构化抛光盘固定连接。

进一步的，所述抛光工具驱动机构的转速设定为30~100 r/min，所述的工件驱动机构的转速为5~100 r/min，所述的工件夹具与所述的抛光工具夹具反向旋转；通过抛光工具夹具和工件夹具之间的相对运动，扩散抛光液的同时可起到提高工件表面的受力均匀性的作用。

进一步的，所述工件夹具采用可规则旋转的圆形夹具，待加工工件非加工面安装在工件夹具上。

进一步的，所述表面结构化抛光盘底部设置倒角，便于与抛光工具夹具的衔接，使其保持过盈配合；所述表面结构化抛光盘设置三个螺纹孔用于与抛光工具夹具固定，使其运作时带动抛光盘稳定旋转。

进一步的，所述凹槽区域在抛光盘表面设有12~40个。

本发明在具有剪切流变效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备出抛光液，并添加活性剂成分。使用时，待加工工件位于抛光液池的液面下方浸没在抛光液中，加工面与抛光盘不接触，两者之间存在间隙（1~5 mm）；启动驱动，调整工件夹具与抛光工具夹具，使工件与抛光液之间做相对运动，利用抛光盘的旋转运动在其与工件之间产生具有高速剪切作用的非牛顿流体液膜，形成液膜剪切效应；同时在表面结构化抛光盘的界面约束作用下，强化流体的液膜剪切效应，使磨粒近似水平冲击工件表面粗糙峰，以此减少磨粒对多晶硬脆材料不同晶粒表面的法向不均匀去除，从而提高加工表面均匀性。

加工时，磨料液经下循环管路流入抛光液过滤装置；抛光液过滤装置将磨料液中的大颗粒磨屑进行去除，并通过上循环管路将过滤后的抛光液重新输入到抛光液池中；此外，可通过抛光液循环系统合理补充所需要的抛光液。

本发明的有益效果如下：

1）本发明所涉及的表面结构化抛光盘具有四种不同结构，可根据实际加工情况进行选择，还可根据不同加工需求对凹槽数量和分割宽度比（凹槽部分和平面部分宽度比值）进行调整；

2）本发明采用了非牛顿流体抛光液循环系统，具备抛光液净化、回收、输运、性能调节等功能，可有效保证加工所需成分、流量等各项性能稳定的非牛顿流体抛光液，减少了成本，并且高效环保；

3）本发明所使用的抛光液制备成本低，采用环境友好型材料，不存在抛光液污染问题；

4）本发明装置成本低，易于实现，且抛光装置整体结构简单；可实现对多晶硬脆材料的高效高质量抛光，具有极大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明抛光装置结构的局部放大图（以楔形槽为例）；

图3为本发明抛光装置结构的局部放大图（以L形槽为例）；

图4为本发明抛光装置结构的局部放大图（以上抛物线形槽为例）；

图5为本发明抛光装置结构的局部放大图（以下抛物线形槽为例）；

图6为本发明的抛光原理图（以楔形槽为例）；

图7为本发明中四种不同表面结构化抛光盘的结构示意图；其中（a）楔形槽结构示意图；（b）L形槽结构示意图；（c）上抛物线形槽结构示意图；（d）下抛物线形结构示意图；

图8为本发明中四种不同表面结构化抛光盘的截面图；其中（a）楔形槽示意图；（b）L形槽示意图；（c）上抛物线形槽示意图；（d）下抛物线形示意图；

图9为本发明中表面结构化抛光盘的底部结构示意图；

图10为本发明A处局部放大图；

图11为本发明B处局部放大图；

图12为本发明流场分布图；

图13为本发明工件表面剪切力分布云图；

图14为本发明非牛顿流体、不同凹槽数表面结构化抛光盘作用下流场分布图；

图15为本发明非牛顿流体、不同凹槽数表面结构化抛光盘作用下工件表面剪切力分布云图；

图中：1-工件驱动机构；2-工件夹具；3-待加工工件；4-抛光液池；5-抛光液；6-表面结构化区域；7-表面结构化抛光盘；8-抛光工具夹具；9-下循环管路；10-抛光工具驱动机构；11-循环泵；12-上循环管路；13-抛光液过滤装置；14-粒子簇；15-剪切层；16-磨粒；17-固体胶态粒子；18-抛光液基液；19-循环管路。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步描述。

参照图1~图11，一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，包括工件驱动机构1、工件夹具2、加工工件3、抛光液池4、抛光液5、表面结构化区域6、表面结构化抛光盘7、抛光工具夹具8、下循环管路9、抛光工具驱动机构10、循环泵11、上循环管路12、抛光液过滤装置13、粒子簇14、剪切层15、磨粒16、固体胶态粒子17、抛光液基液18及循环管路19。

抛光液池4内放置抛光液5，抛光液5为在具有剪切流变效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉的抛光液；表面结构化抛光盘7与抛光工具夹具8连接，工件夹具2与工件驱动机构1连接，抛光工具夹具8与抛光工具驱动机构10连接，表面结构化抛光盘7位于抛光液池4内且与工件3内孔壁保持加工间隙，工件夹具2位于表面结构化抛光盘7的上方，表面结构化抛光盘7、工件夹具2和待加工工件3均位于抛光液池的液面下方。

抛光液池4内含有没过于待加工工件3的抛光液5，且表面结构化抛光盘7与待加工工件3表面之间保持1~5 mm间隙，以确保工件与抛光盘之间可形成一定厚度的液膜；液膜的存在保证了工件与抛光盘相互之间处于非接触状态，避免两者的直接接触磨损。

抛光液池4、下循环管路9、循环泵11、下循环管路12和抛光液过滤装置13组成抛光液循环系统。抛光液循环系统的下循环管路进口9与所述的抛光液池4的底部出口连通，所述的抛光液的上循环管路出口12与所述的抛光液池4的上部入口连通；抛光液过滤装置13包括过滤掉抛光过程中产生的大颗粒磨屑和添加或取出非牛顿流体抛光液5，保证抛光液的一致性；输液管是无色透明硅胶软管，内部中空，作为抛光液的输入/输出通道；循环泵11用于将循环过滤后的抛光液输出到抛光液池中，为抛光过程提供所需的抛光液。

抛光过程中，以非牛顿流体作为基液配制抛光液5，将抛光用的磨粒16分散在非牛顿流体基液18中；抛光过程中，利用抛光盘7的旋转运动在其与加工工件3之间产生具有高速剪切作用的非牛顿流体液膜，形成液膜剪切效应，抛光液基液18中分散的固体胶态粒子17聚合成大量粒子簇14，并将磨粒16包裹在其中。加工过程中在表面结构化抛光盘的界面7约束作用下，流体的液膜剪切效应得到强化，进一步增大磨粒对工件表面粗糙峰的水平剪切去除，可减少磨粒对工件表面的法向力作用，从而提高加工效率和加工表面均匀性。

抛光液主要由具有剪切增稠效应的非牛顿流体以及具有抛光作用的磨粒或微粉等构成，其中，非牛顿流体占抛光液质量的50~90 wt.%，磨粒或微粉占抛光液质量的10~50%wt.%，磨粒或微粉的粒径范围为0.05~50 μm。

抛光工具驱动机构10的转速设定为30~100 r/min，所述的工件驱动机构1的转速为5~100 r/min，所述的工件夹具与所述的抛光工具夹具反向旋转，工件与抛光盘之间保存1~5 mm距离。

参考图7和图8，抛光盘表面结构化区域是由平面区域与凹槽区域交替形成的，其中凹槽区域包括：楔形槽、L形槽、上抛物线形槽和下抛物线形槽等，为确保工件受到均匀的水平作用力，从内圆端到外圆端凹槽部分和平面分割宽度比为0.3~0.7，图中表面结构化抛光盘槽数均为40，可根据需求进行修改。

参考图9，所述的抛光盘底部设置倒角，便于抛光盘与抛光工具夹具的衔接，使其保持过盈配合；所述的表面结构化抛光盘7设置三个螺纹孔用于将抛光盘固定与抛光工具夹具8上，使其运作时带动抛光盘稳定旋转。

本发明所述的一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置旨在通过表面结构化抛光盘的作用，强化抛光液中磨粒的水平剪切去除效果，减少法向不均匀去除，实现多晶硬脆材料的均匀抛光。

实施例1：

参照图1~图5，待加工工件3为钨片（直径Φ50 mm，厚度1 mm）；表面结构化抛光盘7选用楔形盘（槽数40），以多羟基醛高聚体为分散相，以水为溶剂制备了具有剪切增稠效应的非牛顿流体，随后加入粒径1.0 μm的氧化铝磨粒搅拌均匀制备非牛顿流体抛光液5；加工工件3与表面结构化抛光盘7之间保持3 mm间距；抛光时，启动驱动，调整工件驱动机构1为30 r/min，抛光工具驱动机构10转速为80 r/min，并使加工工件3与表面结构化抛光盘7的转向相反。由于加工工件3与表面结构化抛光盘7做相对运动，从而使抛光液5在间隙处受剪切作用发生剪切流变现象，该区域的抛光液的黏度增大，增强了对磨粒16的把持力，抛光液5的磨粒或微粉对加工工件3的表面产生微切削作用，在表面结构化抛光盘7的界面约束作用下，流体的液膜剪切效应得到强化，磨粒近似水平冲击工件表面粗糙峰，减少了磨粒对多晶硬脆材料不同晶粒表面的法向不均匀去除。加工1小时后，经测定，用此实施案例的方法对钨材料加工去除率为12.25 μm/h，表面粗糙度

实施例2：

以抛光液流体为对象，通过UG软件对流体进行建模，并采用Fluent软件对液膜剪切抛光下三维流体的流场和剪切力分布进行了模拟仿真。抛光盘表面结构选取楔形结构，选用Realizable k-ε湍流模型，假设工件与抛光盘间隔1 mm，给定转速80 rpm，其中工件与抛光液转速相反，其余壁面为固定无滑移壁面。求解方法采用Simple算法，二阶迎风离散格式，监测残差值设定为10

上述四种情况下的流场分布情况。由图12可知，流体为水时，流场的流线分布在有抛光盘和无抛光盘时有明显差异。无抛光盘时，整体流场较为平缓；有抛光盘时，抛光盘凹槽处产生明显旋涡，流动较为混乱。而当流体为非牛顿流体时，流线变得明显光滑，说明介质黏性发生改变，流动效果更佳。

上述四种情况下的工件表面剪切力分布云图。由图13可知，无抛光盘时流场内的剪切力梯度是沿着径向分布的，该现象与介质黏性导致的动静腔体流结构有关。当介质为非牛顿流体时，表面结构化抛光盘在加工面上产生的壁面剪切力远大于无抛光盘时的情况，这可能是由于在楔形凹槽结构的周期性剪切作用下非牛顿流体表现出一定的塑性特征导致的。同时，相较于水，非牛顿流体在楔形凹槽“刀口”位置的剪切力梯度更大。因此，为了降低工作面的粗糙度，提升加工均匀性，应增加抛光盘的楔形凹槽数量。

进一步采用Fluent软件对不同楔形凹槽数量下液膜剪切抛光的三维流体流场和剪切力分布进行了模拟仿真。图14为非牛顿流体、不同凹槽数表面结构化抛光盘作用下的流场分布图。由图可知，当凹槽数量增多时，整体的流场变得平缓，楔形凹槽处的旋涡变得更顺滑。图15为不同楔形凹槽数量下的工件表面剪切力分布云图。结果表明，楔形凹槽数量越多，在圆周方向上剪切力梯度的分布周期性越强（每个凹槽产生的剪切力梯度差异就越小），每个楔形凹槽产生的抛光效果个体差异就越小，抛光效果也会越好。

以上所述的实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。