超精密平面抛光工件材料去除量的控制方法

超精密平面抛光工件材料去除量的控制方法

常敏袁巨龙吕冰海赵文宏邢彤

（浙江工业大学机电学院 浙江杭州 310014）

摘要：利用研制的一种采用专家数据库智能控制系统的修正环型超精密平面抛光机对几

种功能陶瓷进行了平面抛光实验。本文认为工件的总去除量是与抛光路径的总长度成正比的，直接控制工件表面的抛光路径总长度要比控制抛光时间能更加精确地控制工件的总去除量。本文分析了修整环型抛光机抛光过程中工件材料的去除函数，材料总去除量与抛光盘转数（即抛光路径长度）之间的关系。提出了采用光栅测量和微机控制技术，将抛光盘总转数的精度控制在±0.4º以内，同时结合合理的加工工艺，保证工件材料去除误差在1nm 以内，获得晶片极高的平面度和理想的无损伤表面。

关键词：超精密抛光平面抛光工件材料去除量抛光路径长度

0 前言

随着各种新型功能陶瓷材料的不断研制成功，以及这些材料在各种高性能电子元器件、光学、信息系统等领域的广泛应用，为了获得各种元器件及设备的高性能，元件和零件的加工质量要求越来越高，达到纳米级或更高的加工精度和无损伤的表面加工质量,既要求工件无划痕、微裂纹、凹坑以及晶格畸变等损伤。这就要求工件在最后精加工阶段，能够微量去除表面形成的变质层和损伤层，保证高的加工质量。

目前，平面抛光成为各种功能陶瓷元件基片精加工中最常用也是最重要的加工方式。一般认为抛光是以磨粒的微小塑性切削生成切屑为主体而进行的。在材料切除过程中会由于局部高温、高压而使工件与磨粒、加工液及抛光盘之间存在着直接的化学作用，并在工件表面产生反应生成物。由于这些作用的重迭，以及抛光液、磨粒及抛光盘的力学作用，使工件表面的生成物不断被除去而使表面平滑化。

本文介绍一种采用专家数据库智能控制系统的修正环型超精密平面抛光机，实现材料微量去除，获得无损伤表面的方法。

1修正环型超精密平面抛光机

在传统的抛光机上用软质抛光盘进行高精度平面抛光时，由于抛光盘面的变形和磨损，通常需凭工人的经验频繁地将抛光盘在标准平板上进行手工对研，以修正抛光盘面的变形，实现高精度的平面加工。

为了尽可能排除抛光机对工人熟练程度的要求，已有人提出并开发了采用修正环型平面抛光加工方法，并采用了基于专家数据库的智能控制系统，能针对不同的加工对象自动设置最佳的工艺参数，消除人为因素的影响，保证加工质量的一致性，抛光机外形如图1所示。加工原理如图

2所示，工件粘贴在平行平面夹具上，使薄片工件与夹具成为一体，作为名义大口径厚工件加工，并通过修正环的连续旋转来实时修正抛光盘的平面度。当抛光盘呈凸形时，通过调节修正环保持架的角度，使修正环向中心移动，反之向外移动。

图2 修正环型抛光机原理示意图

图1 超精密修正环型平面抛光机 1—载物孔2—环状工作面抛光盘 3—滚动轮

4—修正环保持架（可调）5—修正环 6—载物环

2 抛光过程的运动分析

对于抛光来说，主要是维持研磨所取得良好平面度的前提下，去除工件表面微小的凸起和表面损伤层，以获得镜面光度。所以要求整个工件表面均匀地无方向性地被抛光。反映在速度上，就是工件表面上每点的相对速度应在任何时候都保持为恒量。

如图3所示，修正环型抛光机抛光过程中，工件上任意一点A 相对于抛光盘的相对速度V A 为：

ωωr n r n V p p A ×−×= （１）

如果: n n p ==ω （２）

则 : r r V p A ×=−×=)(ω （３）

工件

工件转动方向

相对抛光

速度方向

图3 平面抛光时的运动关系示意图 图4 工件相对抛光速度方向的变化规律 式中，V A 为工件相对于抛光盘的相对速度，n p 为抛光盘的转速，r p 为A 点到抛光盘中心的距离，n ω为修正环的转速，r ω为A 到修正环中心的距离, c 为抛光盘与修正环中心的距离。

可见，如果保证工件与抛光盘具有相同的角速度，就可以保证工件上每一点与抛光盘之间的相对速度保持为恒量。并且每转一周可以遇见所有方向速度矢量，因此整个工件可以均匀而且没有方向性地被抛光(抛光方向为工件名义圆的切线方向，以工件的转动速度n ω均匀变化)。抛光盘转动角度φ，工件的所经过的抛光路径的长度为：

c n c n dt V S T A A ⋅=⋅⋅==∫φφ/ （4）

3 材料去除的函数

根据材料抛光表面去除的数学模型Preston 方程： t

s P K t H p ∆∆=∆∆ (5) 式中:ΔH 表示加工表面高度的变化，Δt 表示所花的时间，P 表示压力，ΔS/Δt 表示抛光盘相对工件的线速度，K p 是普雷斯顿方程的协调系数。假设满足以下条件：

（１）工件是不变形的刚体，抛光盘是能按工件加工面形状变形的弹性体。这时可以忽略介于两者之间的磨粒与加工液的厚度和形状变化，认为工件与抛光盘间全面贴紧。

（２）分布的压力P 取决于抛光盘的弹性变形量。

（３）抛光盘的塑性变形也包含在磨损中。

对（5）式积分，并将（4）式代入，则抛光转动角度φ，工件上A 点的高度变化量为： c P K S P K sdt P K H A p A A p T A p ⋅==∆=∫

φ （6） 可见，材料的总去除量是与抛光路径的长度成正比的。当要求的去除量达到1nm 以下时，直接控制抛光路径的长度，可以消除控制抛光速度、时间时，由于速度的波动而引起的累积误差。通过可靠的机械传动方案保证工件与抛光盘具有相同的角速度，将抛光盘的定位精度误差控制在0.4°内，可实现微去除量的精确控制，而忽略加工过程中速度的变化，简化控制方法，同时可采用“低速起动—无级提速—恒速加工—低速修整—低速停止”的抛光盘速度控制模式，减少由于速度变化过大对晶片造成的冲击损伤。

4 抛光路径长度的控制方案

由（4）式可知，抛光路径的长度与抛光盘所转过的角度成正比，精确控制抛光盘的转角定位精度，即可实现对抛光路径长度的控制。采用直流无刷电机作为此抛光机的驱动装置，光栅作为检测器件，在实现抛光盘转速可控无级调速的同时，实现了对抛光转角的精确控制。速度控制框图如图5所示。内环为电流环，采用PI 调节器，通过实验和仿真选择合适的参数以抵消电枢中的大惯性，从而提高系统的快速性，同时又能抑制负载扰动对系统的影响。次外环为转速微分环，改善系统动态特性。最外环为相位环，采用PI 调节器，以改善系统的稳态精度，并使系统对给定信号有较好的跟踪特性。实现抛光盘平稳、准确地运行，具有良好的位置精度。