一种磁流变平面抛光装置的制作方法

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种磁流变平面抛光装置，特别适合于微电子半导体晶片的超光滑平面加工。

背景技术：

磁流变抛光技术是一种利用磁流变抛光液在磁场中的流变特性对工件进行抛光的技术，磁流变抛光液在梯度磁场中会发生流变现象，形成具有粘塑性宾汉姆(bingham)柔性凸起，当柔性凸起与待加工工件表面接触并发生相对运动时，会在工件表面产生很大的剪切力，在磁流变抛光液中磨粒的作用下实现材料的去除。

磁流变抛光技术是20世纪90年代由kordonski及其合作者将电磁学、流体动力学、分析化学、加工工艺学等相结合而提出的一种新型的光学表面加工方法，具有抛光效果好、不产生亚表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一种革命性超光滑表面加工方法，广泛应用于大型光学元件、半导体晶片、led基板、液晶显示面板等抛光加工。

目前采用磁流变抛光方法对平面工件进行加工时，主要以美国qed公司研制的各种型号磁流变机床为代表，其原理是把工件置于一圆弧形抛光盘上方，工件表面与抛光盘之间形成的凹形间隙，抛光盘下方布置一个磁感应强度可调的电磁铁磁极或者永磁体磁极使凹形间隙处形成高强度梯度磁场，当磁流变液随抛光盘运动到工件与抛光盘形成的空隙附近时形成的柔性凸起抛光刷，但抛光刷与工件表面属于“斑点”局部接触，在加工过程中只能靠控制“斑点”沿工件表面按一定规律轨迹扫描才能实现整个表面的加工，轨迹扫描过程需要大量的时间，抛光效率低、加工形状精度不高，抛光质量不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够提高磁流变抛光效率，降低抛光液中磨粒的磨损率，延长磁流变抛光液的使用寿命，提高抛光效率和质量的磁流变平面抛光装置，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种磁流变平面抛光装置，包括支架，所述支架的顶端设有平台，所述平台上固定有旋转座，所述旋转座上设有抛光盘，所述旋转座连接有抛光盘驱动机构；所述抛光盘的上方设有工件夹持机构，所述工件夹持机构包括有夹盘，所述夹盘位于所述抛光盘上方；所述平台的下方设有磁场发生机构，所述磁场发生机构包括有转盘，所述转盘位于所述抛光盘的下方，所述转盘上以所述转盘的中心为起点，沿等速螺线均匀设置有若干永磁铁。

进一步的，所述平台上固定有支撑杆，所述工件夹持机构设于所述支撑杆上；所述工件夹持机构包括水平驱动滑台，所述水平驱动滑台固定在所述支撑杆的顶端，所述水平驱动滑台上滑动设有水平滑块，所述水平滑块上固定有垂直驱动滑台，所述垂直驱动滑台上滑动设有垂直滑块，所述垂直滑块上固定有电机二，所述电机二传动连接有转轴一，所述转轴一下端连接所述夹盘。

进一步的，所述磁场发生机构还包括有支座二，所述支座二固定于所述平台的下端面，所述支座二的一侧面上设有两个竖直导轨，所述两个竖直导轨之间设有滚珠丝杠，所述滚珠丝杠上连接有支座三，所述支座三上固定有电机三，所述电机三上连接有转轴二，所述转盘固定在所述转轴二的顶端，所述滚珠丝杠的底端连接有旋转手柄。

进一步的，所述抛光盘驱动机构包括有电机一，所述电机一竖直固定在支座一上，所述支座一固定于所述支架的底部；所述支座一的另一侧通过传动轴承竖直设置有一传动轴，所述传动轴的底端设有从动轮一；所述电机一的转轴上设有驱动轮，所述驱动轮通过传动带一与所述从动轮一连接；所述传动轴的顶端设有从动轮二，所述从动轮二通过传动带二连接所述旋转座，所述从动轮二和所述抛光盘之间设有张紧轮。

进一步的，所述抛光盘为杯型，所述抛光盘的侧壁上均匀设有若干溢流孔，所述抛光盘的侧壁上设有与所述溢流孔相对应的液位调节装置。

进一步的，所述溢流孔为矩形孔，所述的液位调节装置为套设于所述抛光盘的侧壁外侧的紧箍环，所述紧箍环的底端低于所述抛光盘下端面的高度。

进一步的，所述抛光盘的下方设有抛光液回收装置。

进一步的，所述的抛光液回收装置为固定在所述平台上的环形储液槽，所述环形储液槽的内环壁的高度低于所述抛光盘的下端面的高度，所述环形储液槽的外环壁的高度高于所述抛光盘的侧壁的高度，所述紧箍环处于所述环形储液槽的槽腔范围内。

进一步的，所述夹盘内部设有温度传感器和压力传感器。

进一步的，所述紧箍环由弹性材料制成。

本发明有益效果：本发明将永磁铁沿等速螺线以磁极方向相反的方式相间排布在转盘上表面，在抛光盘、待加工工件和永磁铁的旋转复合作用下，使磁流变抛光液形成柔性抛光面，磁流变抛光液中的磨料在脉冲磁场的作用下实时快速更新自锐，提高了磁流变抛光效率，降低了抛光液中磨粒的磨损率，延长了磁流变抛光液的使用寿命，提高了抛光效率和质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的立体结构图。

图2为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的侧视结构图。

图3为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构俯视图。

图4为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构主视图。

图5为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置工件夹持机构结构图。

图6为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构立体图。

图7为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构主视图。

图8为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构俯视图。

图9为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光状态示意图。

图10为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的抛光液回收装置剖视图。

其中：1-支架；3-抛光盘；301-紧箍环；302-环形储液槽；303-侧壁；304-磁流变抛光液；305-柔性抛光面；306-待加工工件；307-溢流孔；4-抛光盘驱动机构；401-电机一；402-支座一；403-驱动轮；404-从动轮一；405-传动轴；406-从动轮二；407-传动带二；408-张紧轮；409-传动带一；410-传动轴承；5-工件夹持机构；501-水平驱动滑台；502-水平滑块；503-垂直驱动滑台；504-垂直滑块；505-电机二；506-转轴一；507-夹盘；6-磁场发生机构；601-支座二；602-竖直导轨；603-滚珠丝杠；604-支座三；605-电机三；606-转轴二；607-旋转手柄；7-转盘；8永磁铁；9-平台；10-旋转座；11-支撑杆。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。图1为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的立体结构图，图2为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的侧视结构图，图3为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构俯视图，图4为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光盘驱动机构主视图，图5为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置工件夹持机构结构图，图6为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构立体图，图7为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构主视图，图8为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置磁场发生机构俯视图，图9为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置抛光状态示意图，图10为本发明实施例所述的磁流变平面抛光装置的抛光液回收装置剖视图。本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。

如图1至图10所示，本发明实施例所述的一种磁流变平面抛光装置，包括支架1，所述支架1的顶端设有平台9，所述平台9上固定有旋转座10，所述旋转座10上设有抛光盘3，所述旋转座10连接有抛光盘驱动机构4；所述抛光盘3的上方设有工件夹持机构5，所述工件夹持机构5包括有夹盘507，所述夹盘507位于所述抛光盘3上方；所述平台9的下方设有磁场发生机构6，所述磁场发生机构6包括有转盘7，所述转盘7位于所述抛光盘3的下方，所述转盘7上以所述转盘7的中心为起点，沿等速螺线均匀设置有若干永磁铁8。

在本发明的一个具体实施例中，所述平台9上固定有支撑杆11，所述工件夹持机构5设于所述支撑杆11上；所述工件夹持机构5包括水平驱动滑台501，所述水平驱动滑台501固定在所述支撑杆11的顶端，所述水平驱动滑台501上滑动设有水平滑块502，所述水平滑块502上固定有垂直驱动滑台503，所述垂直驱动滑台503上滑动设有垂直滑块504，所述垂直滑块504上固定有电机二505，所述电机二505传动连接有转轴一506，所述转轴一506下端连接所述夹盘507。

在本发明的一个具体实施例中，所述磁场发生机构6还包括有支座二601，所述支座二601固定于所述平台9的下端面，所述支座二601的一侧面上设有两个竖直导轨602，所述两个竖直导轨602之间设有滚珠丝杠603，所述滚珠丝杠603上连接有支座三604，所述支座三604上固定有电机三605，所述电机三605上连接有转轴二606，所述转盘7固定在所述转轴二606的顶端，所述滚珠丝杠603的底端连接有旋转手柄607。

在本发明的一个具体实施例中，所述抛光盘驱动机构4包括有电机一401，所述电机一401竖直固定在支座一402上，所述支座一402固定于所述支架1的底部；所述支座一402的另一侧通过传动轴承410竖直设置有一传动轴405，所述传动轴405的底端设有从动轮一404；所述电机一401的转轴上设有驱动轮403，所述驱动轮403通过传动带一409与所述从动轮一404连接；所述传动轴405的顶端设有从动轮二406，所述从动轮二406通过传动带二407连接所述旋转座10，所述从动轮二406和所述抛光盘3之间设有张紧轮408。

在本发明的一个具体实施例中，所述抛光盘3为杯型，所述抛光盘3的侧壁303上均匀设有若干溢流孔307，所述抛光盘3的侧壁303上设有与所述溢流孔307相对应的液位调节装置。

在本发明的一个具体实施例中，所述溢流孔307为矩形孔，所述的液位调节装置为套设于所述抛光盘3的侧壁303外侧的紧箍环301，所述紧箍环301的底端低于所述抛光盘3下端面的高度。

在本发明的一个具体实施例中，所述抛光盘3的下方设有抛光液回收装置。

在本发明的一个具体实施例中，所述的抛光液回收装置为固定在所述平台9上的环形储液槽302，所述环形储液槽302的内环壁的高度低于所述抛光盘3的下端面的高度，所述环形储液槽302的外环壁的高度高于所述抛光盘3的侧壁303的高度，所述紧箍环301处于所述环形储液槽302的槽腔范围内。

在本发明的一个具体实施例中，所述夹盘507内部设有温度传感器和压力传感器。

在本发明的一个具体实施例中，所述紧箍环301由弹性材料制成。

本发明所述的磁流变平面抛光装置在具体使用时，如图3至图4所示，抛光盘3采用两级带传动的方式进行驱动，该驱动方式占用空间小，因此可以在抛光盘3下方预留出更大的空间用来安装磁场发生装置，张紧轮408的设置使传动带407传动平稳，保证了抛光过程中抛光盘3的平稳转动，可以大幅提高工件表面质量；抛光盘3采用栅格化处理以增加抛光液相对于抛光盘3表面的摩擦阻力，减弱抛光液在抛光力作用下相对于抛光盘3的滑移，避免当抛光盘3转速过大时磁流变抛光液在离心力的作用下滑出抛光盘3。抛光过程中，抛光盘3在电机一401的带动下平稳转动，抛光盘3内的磁流变抛光液也会随之转动，这就保证了抛光区域内的磁流变抛光液304能实时更新自锐，保证稳定的材料去除效率与工件表面质量。

如图5所示，工件夹持机构5具有三个自由度的运动方向：水平往复运动、竖直往复运动和自转。开始抛光时，首先通过垂直驱动滑台503使夹盘507向上移动至合适的高度以便于安装待加工工件306，安装好待加工工件306后，通过水平驱动滑台501带动垂直驱动滑台503移动到合适的抛光位置，然后再通过垂直驱动滑台503带动夹盘507垂直移动至合适的抛光高度，保证待加工工件306待加工表面与磁流变抛光液304间有一合适的间隙。间隙不能太大，否则柔性抛光面305与待加工工件306表面接触压力太小，影响抛光效率；也不能太小，否则柔性抛光面305与待加工工件306表面接触压力太大，影响抛光表面质量。

如图6至图8所示，磁流变抛光所需的梯度磁场由安装在转盘上一系列永磁铁8产生。永磁铁8以转盘7上表面圆心为中心沿阿基米德螺旋线(等速螺线)顺序排布，并将永磁铁8沿阿基米德螺旋线顺序一一标明序号，奇数序号永磁铁为n极向上，偶数序号永磁铁为s极向上。这种排序方式可产生大范围均匀梯度磁场，磁流变抛光液304在该梯度磁场作用下，形成众多稳定的柔性抛光面305，实现工件表面材料的均匀去除，大幅提高工件抛光速率，有效改善工件表面质量。开始抛光时，通过旋转手柄607来使支座二601在支座三604上的竖直导轨602上垂直移动，支座二601带动转盘7上下移动，使永磁铁8与磁流变抛光液304之间保持合适的距离；抛光过程中，开启电机三605，带动转盘7转动，即可通过机械旋转的方式在抛光区域产生动态脉冲磁场，柔性抛光面305内的磨料在转盘7转动形成的脉冲磁场作用下能实现实时快速更新自锐，加速了磨粒与工件表面的接触频率，减少了磨粒的磨损速度，使得整个抛光过程中保持稳定的材料去除效率。

如图9所示，抛光过程中，待加工工件306随夹盘507逆时针转动，抛光盘3在抛光盘驱动机构4的驱动下逆时针转动，永磁铁8随转盘7在抛光盘3下方逆时针转动，永磁铁8的转动形成磁场脉冲，使抛光盘3内的磁流变抛光液304形成柔性抛光面305，夹盘507内设置有压力传感器，压力传感器将柔性抛光面305与待加工工件306之间的压力信息传送给外部控制系统，外部控制系统根据压力预设值控制垂直驱动滑台503的驱动电机作相应的动作，驱动垂直滑块504带动夹盘507上下移动，从而保持柔性抛光面305与待加工工件306之间的稳定压力进行抛光，保证了抛光效率。

如图10所示，所述抛光盘3的侧壁303上均匀设有若干溢流孔307，所述抛光盘3的侧壁303外围套有紧箍环301，通过调节紧箍环301的高度调节溢流孔307的遮挡程度，使磁流变抛光液能够溢流孔307中流出，进一步控制抛光盘3内磁流变抛光液的高度，由于紧箍环301底部低于抛光盘3的下端面，液体可沿所述紧箍环301流入所述环形储液槽302内，而不会进入旋转座10。

本装置还可在所述环形储液槽302的底部开设通孔，收集到的磁流变抛光液可通过通孔流出回收装置，使磁流变抛光液能够循环使用。

通过便携式粘度测量仪监测所述抛光盘3内部的磁流变抛光液304的粘度。粘度测量仪将年度信号发送给外部控制系统，当检测到磁流变抛光液304的粘度过高时，外部控制系统将控制低压雾化喷嘴喷洒于去离子水在磁流变抛光液304上，这样既能使磁流变抛光液304在抛光过程中保持一定粘度也能起到降温作用，实现稳定抛光，保证抛光质量。

所述夹盘507内部设有温度传感器，当温度传感器检测到磁流变抛光液304的温度过高时，将信号传输给外部控制系统，外部控制系统结合便携式粘度测量仪提供的磁流变抛光液304的粘度信息，控制低压雾化喷嘴喷洒去离子水，保证了磁流变抛光液304保持合适的粘度及温度，从而保证抛光质量，延长磁流变抛光液304的使用寿命。

综上所述，本发明实施例将永磁铁8沿等速螺线以磁极方向相反的方式相间排布在转盘7上表面，在抛光盘3、待加工工件306和永磁铁8的旋转复合作用下，使磁流变抛光液304形成柔性抛光面305，磁流变抛光液304中的磨料在脉冲磁场的作用下实时快速更新自锐，提高了磁流变抛光效率，降低了抛光液中磨粒的磨损率，延长了磁流变抛光液304的使用寿命，提高了抛光效率和质量；通过设置溢液孔307调节抛光盘3内磁流变抛光液的高度，流出的磁流变抛光液可通过环形储液槽302进行回收，降低了成本。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。