雙面研磨/拋光機磨削軌跡研究

徐靂　劉冰　吳石　段昊陽　董瑞

摘 要：通過分析雙面研磨/拋光加工機理，對工件進行受力分析，并建立工件的運動原理加工中拋光盤相對工件運動軌跡模型，進行拋光盤相對于工件運動軌跡仿真分析，得到拋光盤不同位置點對工件相對運動軌跡，最終得出對磨削軌跡均勻性的影響選取磨削軌跡致密性、均勻性最好的一組工藝參數(shù)。并進行了正交實驗驗證分析，從中選取一組組合優(yōu)化的工藝參數(shù)，并結(jié)合理論分析的模型驗證了參數(shù)的可行性，通過實驗驗證了理論建模的正確性。采用的分析方法和得出的結(jié)論，不僅對雙面研磨/拋光機實際加工、運行及工藝參數(shù)的選擇具有實用價值，也為今后的研究工作提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：研磨；拋光；磨削軌跡；仿真分析；工藝參數(shù)

DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.008

中圖分類號： TM311； TK121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）04-0043-08

Abstract：In this paper， by analyzing the doublesided lapping/polishing processing mechanism， the stress analysis was carried out on the workpiece， and we establish the pads relatively workpiece in machining the movement principle of trajectory model， pads， relative to the workpiece trajectory simulation analysis and get pads different points on the workpiece relative motion trajectory. Finally it is concluded that the grinding trajectory density uniformity effect is realized through the selection of grinding， the best uniformity of a set of process parameters.Fort he orthogonal experiment analysis， we choose the set of optimization of process parameters， combining with theoretical analysis model to verify the feasibility of parameters， the correctness of the theoretical model is verified by experiment.This article adopts the analysis method. The doublesided lapping/polishing machine processing， the actual operation and the selection of technological parameters has practical value， and provides a theoretical basis for the future research work.

Keywords：grinding； polishing； grinding trajectory； simulation analysis； process parameters

0 引 言

雙面拋光技術(shù)作為晶片超光滑表面加工的最有效手段[1]，對器件的加工精度和原材料的加工要求越來越高，提高材料的利用率從而降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，獨立研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的超精密加工有利于企業(yè)的利潤和市場的競爭力[2，3]。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者選擇不同研制方向來進行雙面研磨的研究，比如對研磨和拋光過程中化學(xué)因素研究[4]，通過對拋光機的氣動加載控制系統(tǒng)進行軟件分析改進，達(dá)到加載的穩(wěn)定性，從而優(yōu)化精密加工的工藝參數(shù)[5-6]。通過引入超聲振動檢測化學(xué)拋光技術(shù)建立了拋光去除率與超聲波振動關(guān)系方程進行研究[7]；但有關(guān)定量方面的研究仍有不足，對工件的運動情況了解不足，實際加工的特殊性限制了工件的運動特性和受力特性的測量，所以現(xiàn)階段的研究工作僅限于理論數(shù)學(xué)模型的建立，與實際還存在一定差距[8]。

本文是工件在雙面研磨加工過程中，運動過程、受力狀態(tài)是影響加工過程穩(wěn)定性和加工后表面質(zhì)量的主要因素。依據(jù)拋光過程中工件的運動機理建立工件的運動軌跡數(shù)學(xué)模型，并基于MATLAB軟件對拋光軌跡進行研究，從模擬軌跡出發(fā)采用單一因素變量法由運動軌跡密度分布均勻程度來確定達(dá)到工件拋光均勻性的因素條件，對日后實際加工中工藝參數(shù)的選取給予一定的理論支持。

1 雙面研磨/拋光機工件加工和運動原理

1.1 雙面研磨/拋光機加工原理

本次設(shè)計研究的雙面/研磨拋光機加工機構(gòu)采用的是差動式行星結(jié)構(gòu)來進行研磨/拋光工作。傳統(tǒng)拋光機多采用單電機或者雙電機帶動上下研磨盤、齒圈和太陽輪運轉(zhuǎn)，本次研制采用四電機驅(qū)動，變頻調(diào)速；工作時上、下研磨盤由主電機驅(qū)動，并且以固定速比搭配反向運轉(zhuǎn)，同時大、小齒圈的運轉(zhuǎn)各自由單獨電機驅(qū)動共同帶動行星輪一起做行星式運動；本機備有單獨的電機驅(qū)動齒圈的升降，方便了齒圈的更換。圖1為雙面研磨/拋光加工機理示意圖。

這里對工件進行受力分析是建立三維模型的基礎(chǔ)，工件主要受力情況包括：工件所受自身的重力mg；工件所承受上拋光盤的加載壓力為F；下拋光盤對工件施加的支撐力N；加工過程中由于工件的自轉(zhuǎn)會產(chǎn)生上、下拋光盤對工件的摩擦力分別為f1、f2 ；行星輪中的工件所受到作用的碰撞力為Q和摩擦力為fQ 。如圖2所示。

1.2 雙面研磨/拋光過程中工件的運動原理

研磨和拋光確切地說為雙面研磨/拋光機的兩個過程。研磨是通過研具上的磨料顆粒在加載壓力作用下進行表面的精整加工；拋光則是在研磨之后，使加工工件表面在機械、化學(xué)作用下表面的粗糙度降低，以便獲得光亮、平整表面的加工方法?？傮w來說拋光達(dá)到的表面潔度要比研磨高，并且采用化學(xué)或電化學(xué)的方法[9-12]，然而研磨只是機械的方法，所使用的磨料粒度要比拋光的更粗，粒度更大。

本次設(shè)計的雙面研磨/拋光機研磨和拋光工作過程主要由大齒圈、行星輪（游星輪）、中心輪（小齒圈）、上、下研磨/拋光盤等組成。采用上、下雙研磨/拋光盤可同時研磨工件的上下兩個表面；工件裝載在行星輪內(nèi)，置于上、下研磨盤之間，行星輪在太陽輪（主軸）和外圈齒輪帶動下繞中心輪做公轉(zhuǎn)運動和自身的自轉(zhuǎn)運動。整機運行加工過程由上、下研磨盤相對運動外加上研磨盤作用于工件上的加載壓力共同作用下，便實現(xiàn)了研磨/拋光加工，如圖3所示。

雙面研磨/拋光過程中工件的運動原理圖：在研磨/拋光加工過程中，工件置于行星輪系中，工件的運動一方面受行星輪系繞內(nèi)齒圈的公轉(zhuǎn)所影響，一方面受行星輪自身的自轉(zhuǎn)所關(guān)聯(lián)，所以工件的運動是自身的行星運動和工件自轉(zhuǎn)運動的合成運動。由于工件的自轉(zhuǎn)運動不易測量并且受外界偶然因素影響較大，并無固定參數(shù)，理想建模過程中簡化了工件的自轉(zhuǎn)運動；由于其自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的合運動必將增加軌跡的復(fù)雜程度從而拋光更加均勻，這里便不再考慮工件的自轉(zhuǎn)運動。這樣運動軌跡方程的建立過程中可以將工件行星式運動軌跡直接簡化為實際加工的工件運動軌跡。簡化工件運動示意圖，如圖4所示。

2 加工中拋光盤相對工件運動軌跡模型的建立

研磨/拋光過程中，工件盤和拋光盤之間的相對運動軌跡決定了工件拋光表面的形成，所以均勻的軌跡密度分布以及理想的拋光軌跡形態(tài)對于提高工件表面的加工精度、減少實際加工中的畸變、降低工件表面的粗糙度具有重要意義。同時為有效地提高加工效率和加工后表面質(zhì)量精度，控制研磨和拋光軌跡形態(tài)的分布以減少表面磨損從而減少磨損變形起著指導(dǎo)作用。

研究拋光盤相對工件的軌跡方程，假設(shè)拋光盤上一點P，則可以認(rèn)為點P的運動軌跡代表拋光盤研磨拋光的軌跡，初始時刻點P與回轉(zhuǎn)中心距離為Rp（拋光半徑），夾角為ψ。如圖5所示

3 拋光盤相對于工件運動軌跡仿真

由上文求出的工件軌跡模擬方程，可知實際加工過程中工件的運動軌跡近似于一簇擺線，由點P運動軌跡方程可知，影響軌跡運行的因素有大小齒圈比、拋光盤與小齒圈速比還有工件在拋光盤位置參數(shù)等因素，每個因素對其軌跡分布的影響效果更不相同，為了進一步直觀有效地分析影響工件實際運動軌跡的各參數(shù)，這里采用單一因素變量法，運用MATLAB軟件分別對影響工件軌跡的變量（內(nèi)外齒圈速度比、工件置于游星輪的位置、太陽輪轉(zhuǎn)速）等因素進行拋光軌跡模擬研究。

為了找出在不同拋光半徑RP和不同拋光盤轉(zhuǎn)速wP下運動軌跡分布的規(guī)律，這里采取單一因素變量取值法，簡化計算模型的繁瑣性給予模型中固定的轉(zhuǎn)速比以及齒圈半徑，R=40mm，r=60mm ，考慮初始位置夾角Φ在[0，2π]范圍內(nèi)變化，研磨拋光時間t在[0，2π/w2]內(nèi)拋光盤相對運動軌跡的分布規(guī)律。

1）磨削顆粒在拋光盤上不同位置點RP下軌跡分布。點P代表拋光盤任一點拋光半徑，則在RP在（R，R+2r]范圍內(nèi)；設(shè)w1=5（r/min），拋光盤轉(zhuǎn)速wP=50（r/min），w2=10（r/min） 即齒圈轉(zhuǎn)速比2，分別模擬不同位置點[40，60，80，100，120，160]運動軌跡。如圖6所示。

由模擬軌跡曲線可知： 隨著點P所在拋光盤位置的變化，RP的增大，點P的運動軌跡范圍變大，但靠近中心和邊緣的軌跡分布相對集中不均勻，只有RP增大到一定程度，接近拋光盤的外側(cè)邊緣處，軌跡密度分布均勻；由此可知實際加工選定工藝參數(shù)時，選擇此位置使拋光均勻進行。

2）磨削顆粒在拋光盤不同轉(zhuǎn)速wP下軌跡分布。設(shè)w1=20（r/min），w2=-15（r/min） 即齒圈轉(zhuǎn)速比-0.75，拋光盤半徑RP=160（邊界最大），時間t在[0，2π/w2]內(nèi)，拋光盤轉(zhuǎn)速wP分別取[10，20，40，60 ，90，120] （r/min）下的磨削顆粒的運動軌跡，如圖7所示。

從模擬軌跡曲線可以看出：隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的變大，軌跡曲線的曲率變化加大，意味著拋光盤磨削變化較大，我們應(yīng)盡可能選取拋光盤轉(zhuǎn)速滿足軌跡曲率突變小，保持拋光均勻性。

4 仿真軌跡分析

通過拋光盤相對工件的運動軌跡方程及工件相對拋光盤的運動軌跡方程的建立，在給定的加工工藝參數(shù)情況下，通過仿真軟件分析了拋光盤和工件的運動軌跡變化趨勢，從中找出軌跡分布均勻、致密性好、突變幾率小的運動軌跡模擬曲線；這樣的加工軌跡分布均勻、曲率變化小，影響著整體加工后表面的均勻性。由上述模擬軌跡分析可知：隨著大小齒圈的轉(zhuǎn)速比的增大，工件的運動軌跡相對比較復(fù)雜，趨于3～5倍時軌跡分布最均勻；隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增加，軌跡復(fù)雜并趨于平穩(wěn)，拋光盤的轉(zhuǎn)速為中心齒輪的轉(zhuǎn)速的5倍，軌跡的分布最均勻；小齒圈與大齒圈的半徑比在0.3～0.4倍的范圍內(nèi)變化時，軌跡分布均勻，曲率變化?。还ぜh(yuǎn)離行星輪的回轉(zhuǎn)中心，軌跡分布均勻致密性好，曲率突變小。

5 試驗設(shè)計

5.1 實驗正交化

本次加工試驗選取3個參數(shù)（因素）進行分析：A加載壓力、B拋光盤轉(zhuǎn)速、C太陽輪轉(zhuǎn)速；每個因素取3個水平，試驗水平因素如表1所示。

5.2 實驗數(shù)據(jù)的記錄與處理

由上述可知，本次需要對研磨拋光后的工件表面粗糙度和拋光去除率進行考察分析。表面粗糙度選用現(xiàn)有的原子力顯微鏡和輪廓儀綜合測量獲得，同時拋光去除率的測量使用三坐標(biāo)測量儀測得。經(jīng)測得數(shù)據(jù)整理，可得表3所示的記錄數(shù)據(jù)。

由正交實驗表知，極差大小依次是R2（B）>R1（A）>R3（C）>R4（D），所以各因素對拋光后表面粗糙度的影響次序為：拋光盤轉(zhuǎn)速、加載壓力、太陽輪轉(zhuǎn)速。各參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律分布有拋光盤轉(zhuǎn)速對其變化影響最大，其次是壓力和太陽輪轉(zhuǎn)速，這與直觀分析的結(jié)果保持一致。

5.4 正交實驗方差分析

在直觀分析中極差的大小只是確定因素影響的程度大小，但是并未給出誤差的估計值，為此引入方差分析，構(gòu)造F統(tǒng)計量進而生成方差分析表。能用于檢驗實驗過程中有關(guān)因素對實驗結(jié)果影響的顯著性[12]，所以對結(jié)果進行方差分析，則可以彌補直觀分析法的這些不足。

基于拋光后材料去除率的方差分析計算列成顯著水平表：

由上表可知，拋光后表面粗糙度最大組合為A3B1 或者A2B3；再結(jié)合實際加工中太陽輪轉(zhuǎn)速的影響我們選取A2B3C1為優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。

由上述試驗分析可知，加載壓力對材料去除率起顯著作用的，拋光盤轉(zhuǎn)速和加載壓力對表面粗糙度起顯著效果；又考慮到實際加工中，材料去除率越大、表面粗糙度越低所拋光后工件表面質(zhì)量越好，成品率也越高。綜合選擇A2B3C1即加載壓力維持400kg，拋光盤轉(zhuǎn)速在30r/min 太陽輪在5r/min，這時加工的材料去除率最大、拋光后表面粗糙度最低，為實際加工的最優(yōu)工藝參數(shù)。

5.5 藍(lán)寶石實際加工實驗分析

通過實驗分析，選出最優(yōu)加工工藝參數(shù)組合（400kg、30r/min、5r/min）對藍(lán)寶石晶片進行研磨/拋光實驗，加工前藍(lán)寶石晶片厚度為1.35mm，直徑Φ41.1mm，加工后直徑為Φ39.4mm，厚度去除量為1.88mm/h，表面粗糙度可達(dá)0.334nm。

拋光前和拋光后藍(lán)寶石晶片，其中分別對應(yīng)的是經(jīng)倒角工藝處理過的藍(lán)寶石晶片，可以看出拋光后的晶片亮度、光澤相比拋光前有了顯著的改觀，經(jīng)新改造的研磨/拋光機進行加工后的藍(lán)寶石晶片的材料去除率和表面粗糙度達(dá)到了預(yù)期效果，為實際加工制定了一套優(yōu)化的加工工藝參數(shù)，具有實際意義。

5.6 實驗結(jié)論

經(jīng)上述分析，最終的工藝參數(shù)的選取使加工軌跡分布比較均勻、曲率變化小研磨/拋光軌跡復(fù)雜為最優(yōu)的加工軌跡。優(yōu)化的工藝參數(shù)對于實際加工過程中拋光機的設(shè)計改進以及研磨拋光運行時參數(shù)的選取評定具有一定的實際指導(dǎo)意義。依據(jù)工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，可初步獲得理想的材料去除均勻的工藝標(biāo)準(zhǔn)，從而對實際加工過程中，工件的表面去除率和表面質(zhì)量作進一步研究。以加工后材料去除率和表面粗糙度為評價指標(biāo)，基于新改造的雙面研磨/拋光機分別以加載壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速和太陽輪轉(zhuǎn)速為設(shè)計參數(shù)進行實際加工生產(chǎn)試驗，將實驗結(jié)果進行正交試驗設(shè)計處理，從中選出最優(yōu)的加工工藝參數(shù)。

6 結(jié) 論

1）建立了雙面研磨/拋光機的拋光盤相對于加工晶體的運動軌跡模型，基于仿真分析得到了拋光盤不同位置點對加工晶體的相對運動軌跡。

2）拋光盤隨著大小齒圈的轉(zhuǎn)速比的增大，工件的運動軌跡相對比較復(fù)雜，趨于3～5倍時軌跡分布最均勻；隨著拋光盤轉(zhuǎn)速的增加，軌跡復(fù)雜并趨于平穩(wěn)，拋光盤的轉(zhuǎn)速為中心齒輪的轉(zhuǎn)速的5倍，軌跡的分布最均勻；小齒圈與大齒圈的半徑比在0.3～0.4倍的范圍內(nèi)變化時，軌跡分布均勻，曲率變化??；工件遠(yuǎn)離行星輪的回轉(zhuǎn)中心，軌跡分布均勻致密性好，曲率突變小。

3）基于運動軌跡的仿真分析，優(yōu)化了拋光機的加工工藝參數(shù)，優(yōu)化后的工藝參數(shù)的選取使加工軌跡分布比較均勻、曲率變化小，并且通過實驗驗證了理論建模的正確性。依據(jù)工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，可初步獲得理想的材料去除均勻的工藝標(biāo)準(zhǔn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] YUAN J L， LOUB F Y， WANG Z W， et al. Research on Ultraprecision Machining Technology for KTP[J]. Materials Science Forrum， 2004（471/472）： 473-476.

[2] 趙珉乾. 高精度雙面研拋機動態(tài)特性研究及工藝參數(shù)優(yōu)化[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2014.

[3] KIM HyukMin， MANIVANNAN R， MOON DeogJu，et al. Evaluation of Double Sided Lapping Using a Fixed Abrasive Pad for Sapphire Substrates[J]. Wear， 2013 （1/2）.34：183-187.

[4] 陸曉春. 化學(xué)機械拋光試驗及其材料去除機理的研究[D]. 無錫：江南大學(xué)，2014.

[5] 吳明明. 單晶硅片的超精密加工技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)， 2005.

[6] JIANG Guo， SUZUKI Hirofumi， MORITA Shinya. A Realtime Polishing Force Control System for UltrapRecision Finishing of Microoptics[J]. Precision Engineering， 2013（37）：787-792.

[7] LI Liang， HE Qing， ZHENG Mian， et al. Contribution of Ultrasonic Traveling Wave to Chemicalmechanical Polishing[J]. Ultrasonics. 2015（56）：530-538.

[8] 王永濤. 雙面拋光去除非均勻性研究[D]. 北京有色金屬研究總院， 2012.

[9] 李強.單晶金剛石的研磨與化學(xué)機械拋光工藝[D]. 大連：大連理工大學(xué)， 2013.

[10]WILKIE D. Orthogonal Comparisons for Fourier Analysis within Mixed Level Factorial Experiments[J]. Journal of Applied Statistics. 1986， 13（1）：57-66.

[11]劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等. 正交試驗設(shè)計和分析方法研究[J]. 實驗技術(shù)與管理， 2010（9）：52-55.

[12]郭萍. 三因素方差分析的原理及應(yīng)用[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015（1）：40.

（編輯：王 萍）