《双面研磨运动轨迹模拟和分析》
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[摘 要]本文建立行星式双面研磨机行星轮运动轨迹的数学模型,利用VB软件对研磨轨迹进行了研究,分析不同研磨盘转速、不同速比下的相对运动轨迹状态及对研磨质量的影响.通过仿真研究对工件研磨的均匀性作进一步的探讨.
[关键词]双面研磨机；运动轨迹；数学模型；
中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0222-02
前言
随着微电子技术和信息技术的飞速发展,各种光电子元器件加工要求越来越高,它集成了现代机械、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术,已成为国家科技技术发展水平的重要标志[1].对作为光电子器件基片材料的蓝宝石、硅等人工晶片的表面粗糙度和平整度的要求越来越高,目前对元件基片加工精度的要求甚至达到纳米级,超光滑表面粗糙度,并要求基片晶格具有无畸变超精密无操作表面,即表面无任何破损和划痕、亚表层无破坏、无表层应力.
双面研磨加工作为晶片超平滑表面加工中的一道重要工序,近年来受到超精密加工研究领域和光电子材料生产企业的广泛关注和重视.双面研磨加工是工件随着行星轮做行星式转动的同时,上下表面由上下研磨盘施加压力,依靠研磨液中微小磨粒的划擦作用而微细去除表面材料的一种加工方法[2].由于双面研磨过程的复杂性和不可视性,往往需要特定的实验,获得实验结果来说明研磨机理,因此对双面研磨加工过程中表面材料去除过程及研磨过程中各种工艺参数的优化国内外都未进行深入研究,没有一个严密的理论能够对双面研磨加工的特征作定量的描述,极大的阻碍了蓝宝石等光电子晶片加工技术水平的提高.
本文从双面研磨过程中工件的运动轨迹入手,建立了工件在研磨过程中的运动轨迹数学模型,并利用VB软件对其运动轨迹进行仿真模拟.分析不同研磨盘转速、不同速比下的相对运动轨迹状态及对研磨质量的影响.通过仿真研究对工件研磨的均匀性作进一步的探讨.
1双面研磨运动轨迹数学模型的建立
研磨运动轨迹的研究对于研磨加工机理研究与工艺优化具有重要意义.理想的抛光轨迹形态以及恰当的研磨轨迹密度分布对于减少工艺的畸变、提高工件加工精度、降低工件表面的粗糙度都起着重要作用,同时通过控制研磨轨迹的形态和轨迹密度的分布,可以控制研磨盘磨损的分布,从而减小研磨盘的磨损变形、减少修盘次数,提高加工效率和加工精度[3].
1.1双面研磨机的运动机理
在研磨开始前,工件与研磨盘都处于静止状态,当研磨加工开始时,上下研磨盘以相反的方向旋转,内齿圈和外齿圈分别旋转,工件放置在由内内齿圈和外齿圈驱动的行星轮保持架内,研磨液通过上研磨盘流入研磨区域.行星轮内的工件作复杂的曲线运动,从而使工件表面得到均匀的研磨[4].
双面研磨加工时,研磨压力由气缸加压至上研磨盘实现.为减少研磨时工件所受作用力,一般上下研磨盘的转速相同,但方向相反.此时若承载工件的行星轮静止不动,则工件由于受上下相反的作用力作用,因此工件也静止不动.但由于行星轮由内齿圈和外齿圈带动而转动,并且工件在行星轮内,工件的运动由行星轮带动,同时在上下研磨盘的作用下也产生自转,因此 ,研磨加工过程中,工件的运动是行星运动和自转运动的合成[5].但由于工件的自转运动受加工过程中偶然因素的诱发或工艺参数的改變而改变.没有确定的值,在进行轨弯计算时,为简化运动模型,没有考虑自转运动的存在,但它的存在必将使运动轨迹更加复杂,从而使研磨更加均匀.在运动轨迹方程建立过程中直接简化行星的运动轨迹为工件的运动轨迹.
1.2行星轮运动轨迹方程
在垂直于研磨机主轴的平面内,研磨盘、内齿圈和外齿圈共同的旋转轴为O,行星轮自转旋转轴为 .O与 间的距离为内齿圈半径R与行星轮半径r之和,即R+r.在平面内建立坐标系XOY和 ,它们分别固定在研磨盘和行星轮上.两坐标系XO轴和 轴均在沿 连线上.在工件上任选一点M,开始时M点与 点的距离为 ,向量 与XO轴的正向夹角为φ.
设行星轮公转的角速度为 ,自转的角速度为 ,研磨盘的角速度为 .经过一段时间t后,行星轮绕O点公转过角度 同时行星轮绕 点自转过角度 .
同理,在时间t内,研磨盘转过角度 .若视抛光盘不动,就相当于行星轮再绕O点朝着与行星轮公转相反的方向旋转 角,即坐标系 最终旋转至坐标系 的位置.
将要建立的轨迹方程就是描述工件上的任一点M相对于研磨盘的运动,所以就归结为求变换之后M在坐标系XOY下的坐标 .根据数学关系,可以得出点M的轨迹方程
2双面研磨运动轨迹模拟与分析
从工件相对于研磨盘的运动轨迹方程可以看出,工件的运动轨迹为一簇摆线.为进一步寻求工件均匀研磨及研磨盘均匀磨损的研磨条件,本文以18B双面研磨机为例,以式（1）为模型,利用VB软件对研磨轨迹进行模拟研究.
在双面研磨过程中,磨料以一个具体的点来对工件表面实现两体或三体切削,而磨料的集合体以随机的方式完成整个加工过程,服从统计规律.因此,以点的方式来模拟整个加工过程也可以反映实际研磨状态,研究轨迹密度分布及各运动参数对研磨轨迹均匀性的影响.由于工件的运动轨迹状态取决于工件的公转与自转的运动状态,不同工件的公转与自转的运动状态会有完且不同的相对运动轨迹形态及密度,而工件的公转与自转的运动状态取决于外齿圈与内齿圈的速度比A.本文以18B双面研磨机为例,内齿圈半径为215.5mm,外齿圈半径为679.5mm.
设内齿圈转速 ,研磨盘速度为 ,时间为20s.在行星轮内随机选定几个磨料点,根据式（1）对磨粒轨迹进行分析.选定A值为（-2,-1,-0.3 ,0.3,1,2 ）.
（1）在A等于0.3时,轨迹随时间的变化为同心圆,轨迹重合度高,A等于1或m等于-0.3时,轨迹随时间的变化周期重复,轨迹重合度也高,所以这些速比应尽量不采用.
（2）在A>1时,轨迹的不均匀性增大,因此这个范围的速比也应尽量不采用.
（3）在A<-1,-0.33结语
根据双面研磨运动轨迹的数学模型,采用VB软件对研磨轨迹进行仿真研究得出,不同的速比下的相对运动轨迹状态对研磨质量有罗大的影响 ,选定适当的内外齿圈的转速比可得到曲率变化小,重合度低且密集的运动轨迹.
参考文献
[1]袁巨龙,功能陶瓷的超精密加工技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.
[2]陈毓,胡晓珍,李伟.高精度大尺寸硅晶片的双面研磨抛光机改进设计[J].浙江海洋学院学报,2010（6）.
[3]Lin Shih-Chieh, Wu Meng-Long. Astudy of the effects of polishing parameters on material removal rate and non-uniformity[[J], International Journal of Machine Tools and Manufacture,2002,42
[4]G.X.Hu,X.D.Hu,The Development of the Precise Double Sided Polishing Machine. Key Engineering Materials,2006.
[5]金杨福,李伟,胡刚翔.双面抛光加工运动过程分析与数学模型的建立.南京航空航天大学学报,2005（11）.
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运动引用文献:
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