江南大学学报(自然科学版)第7卷第4期Vol.7 No.4
2008年8月Aug. 2008JournalofJiangnanUniversity(NaturalScienceEdition)
文章编号:1671-7147(2008)04-0471-04
纺织钢领的化学机械抛光试验
贾晓华, 赵永武
3
(江南大学机械工程学院,江苏无锡214122)
摘 要:探讨了化学机械抛光(CMP)技术在细纱机的钢领后续加工中的应用.通过采用CMP与传统磨料流抛光技术的对比试验,表明应用CMP技术后提高了钢领的加工效率和工作表面质量,证明CMP应用于钢领抛光是完全可行的.同时,对CMP抛光钢领的机理及影响因素进行了分析.试验表明,采用CMP技术抛光钢领时,钢领的表面在抛光液的作用下形成了软质层,由于该软质层的形成,提高了抛光效率,也改善了钢领的表面质量.
关键词:化学机械抛光;磨料流;钢领;磨损量;表面粗糙度;软质层中图分类号:TG115.58文献标识码:A
ExperimentalStudyonChemicalMingings
IAXiao2wu
3
JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)
anexperimentwascarriedoutonthecentrifugalpolishingmachinetoinvestigatetheapplicationofthechemicalmechanicalpolishing(CMP)technologytothespinningrings.TheexperimentalresultsbetweentheCMPtechnologyandtraditionalabrasiveflowpolishingtechnologyindicatethattheCMPtechnologycanspeedupthepolishingefficiencyandimprovethesurfacequality.Ananalysisisalsomadetoexplorethematerialremovalmechanism.Besides,theinfluenceofoperatingvariablesonthesurfaceofspinningringsintheCMPtechnologyisalsoinvestigated.Itisindicatedthatasoftlayerformedbythepolishingsolutiononthespinningringssurfaceleadstoincreaseinthepolishingefficiency.
Keywords:CMP;abrasiveflow;spinningrings;wearmassloss;surfaceroughness;softlayer
钢领是环锭细纱机高速高产的关键零件.细纱机工作时,钢领/钢丝圈相对线速度约在30～40
[1]
m/s.因此,钢领在使用一段时间后不可避免地要产生磨损,这就要求钢领工作表面的粗糙度很低.
收稿日期:2007-05-30; 修订日期:2007-07-13.
目前,针对钢领工作表面的加工方法主要是单纯利用磨料流与钢领表面的相对运动对其进行精整.这种加工方法简单,但是效率不高.因此迫切需要设计一种新的加工工艺,以满足大批量生产的要求
.
基金项目:教育部重点项目(教外字[2006]233号);清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金项目(SKLT04-06);江南大学重大基金项目(207000-21054200).
作者简介:贾晓华(1981-),男,江苏泰州人,机械设计及理论专业硕士研究生.
3通讯联系人:赵永武(1962-)男,山东嘉祥人,教授,博士生导师,工学博士.主要从事摩擦学、表面工程和先进
制造技术等研究.Email:zhaoyw@jiangnan.edu.cn
472 江南大学学报(自然科学版) 第7卷
化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing,
[2]
CMP)技术是IC中最重要的全局平面化技术,目前国内还没有将CMP技术应用于钢领加工中的相关报道.为此,文中对CMP在钢领中的应用进行了试验与理论探讨.
1 离心抛光机的工作机理
1.1 离心抛光机抛光钢领的方法
如图1所示,在抛光过程中,首先将钢领、磨料、抛光液(主要起化学作用)按一定比例装入行星料桶内.同时,将行星料桶等距离地装在大转盘的外圆周上.当大转盘以一定速度按顺时针方向旋转时,行星料桶一方面随大转盘作旋转,其速度与大转盘成比例;另一方面绕自身作定轴旋转
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图2 离心抛光的工作机理
Fig.2 Workingmechanisifugalpolish
2图1 离心抛光机的结构
Fig.1 Structureofthecentrifugalpolishingmachine
样品选用无锡某纺织器材有限公司生产的钢领,抛光液选用BRT211型高效强力抛光液.
2.1.1 前处理 用机械和化学方法去除样品表面积尘、油污和各种腐蚀产物;2.1.2 清洗 用1∶1的无水乙醇(化学纯)和120号汽油对样品表面进行清洗;
2.1.3 干燥 将清洗后的钢领样品置于空气中自然干燥.
2.2 试验设备
抛光设备选用无锡市东源机械有限公司生产的XMW30-40离心抛光机,为满足抛光对比试验的要求,该卧式离心抛光机经江南大学机械学院表面研究中心进行了改进.为模拟实际生产过程,抛光转速选为180r/min,时间为45min.2.3 试验方法
将样品分为A、B、C 3组,每组10只.抛光前,将样品C浸入BRT211型高效强力抛光液中5min,取出后对样品进行清洗、干燥,用MH23显微硬度计测量A、C两组硬度,每只测量2次,取平均值并作记录.抛光完成后,对样品进行清洗与干燥.使用3mm棒状高频瓷磨料(长径比为3∶1)和5mm棒状高频瓷磨料(长径比为5∶1)磨料,均匀混合后,对样品A采用传统磨料流抛光,对样品B采用化学机械抛光.
用TR200手持式粗糙度仪测量抛光后两组样品
1.2 离心抛光机抛光钢领的工作机理
在抛光液的化学腐蚀作用下,由于抛光机形成的2个离心力场,磨料流与钢领表面存在相对运动,利用这种相对运动来达到去除毛刺、光整工作表面的效果.设大转盘的旋转中心为O,转速为ng,行星料桶的旋转中心为nz,旋转中心为O1,中心距为OO1,即为R,如图2(a).当大转盘转速ng>0时,若nz=0,且R保持不变,则行星料桶将随大转盘以同样的转速旋转,同时在料桶内部形成1个半径为R0的曲面(阴影部分为磨料流与钢领的混合体).钢领与磨料之间没有相对运动,故机械磨损过程不能进行;但当行星料桶以相对大转盘ng以相反方向nz旋转时(nz≠0),由于大转盘仍以ng>0的转速旋转,那么在行星料桶内部将形成1个新曲面,如图2(b)虚线所示.在离心力的作用下,钢领与磨料的混合体试图回到原来的位置,因此要形成1个从A到B的滑移层,使钢领与磨料之间存在相对运动,借
[3]
此达到去除毛刺和光整工作表面的目的.
第4期贾晓华等:纺织钢领的化学机械抛光试验4
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的表面粗糙度,每只样品测量2个点,取平均值;用
TM
Adventure精密天平测量A、B两组样品抛光前后的质量,每只测量1次,并计算出其磨损量.2.4 试验结果分析
2.4.1 磨损量对比分析 由图3可以看出,化学机械方法比传统磨料流加工方法的效率提高了2.7倍左右
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可将钢领表面材料去除的过程看成是冲击磨
[4]
料磨损的过程,并可利用1966年Rabinnowcz提出的磨料磨损简化模型来进一步说明,见图6
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图6 磨料的磨损简化模型
Fig.6 Simplifiedmodelofgrindingabrasion
V=rtL(1)
图中,V为磨损掉的体积;r为磨粒圆锥体的半径;t为磨粒压入金属材料的深度;L为滑动距离.由于磨粒压入金属材料的深度,取决于压力的大小和材料硬度的比值,可以得出
图3 磨损量对比
Fig.3 Comparisonofwearmassloss
Lk(2)
θ/π;;.
(2)可以看出,在磨损过程中,表面硬度低的材料磨损量一定会大于表面硬度高的材料.在应用CMP技术对钢领的抛光过程中,抛光液在钢领表面形成一层相对于基体硬度较低的软质层,这使得磨粒在对钢领表面进行切削时,其压入材料(包括软质层和钢领基体材料)深度增加,使得磨粒滑过相同材料时的切削量也就加大.
实际上,在CMP技术抛光中,抛光液的pH值对
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抛光效果也有影响.在钢领的抛光液中,pH值一般小于7.当pH值增大时,由于化学反应,钢领表面的氧化及蚀刻作用减弱,机械摩擦占主导作用,导致抛光效率降低,表面刮痕尺寸增大,所以pH值不能过大;但若当pH值过低时,抛光效率反而又会降低,表面刮痕尺寸会增大,其原因主要是化学反应速度大于机械去除速度,氧化层不能被及时去除,阻碍了氧化反应的继续进行.因此,在实际生产中,抛光液的pH值一般控制在2左右.
2.4.2 表面粗糙度对比分析 图7表明,应用CMP技术抛光钢领,钢领的表面粗糙度相对磨料流抛光的样品要低一些.这是由于切削深度的平均值
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d与被抛光材料的表面粗糙度成正比,即Ra=
kd.如图5中,形成的表面软质层降低了金属材料
由图4表明,CMPCM(简称软质层),度,见图5.发生机械磨损,随着凸峰被磨平,钢领表面逐渐光整.按照这种软化—磨损—再软化—再磨损的循环,使得钢领表面的毛刺逐步被去除,表面逐渐趋于平整.
表面的硬度,导致在化学机械抛光中,磨料切入钢领基体材料表面(不包括表面软质层)的深度要小于传统磨料流抛光时的切削深度.
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图8 含有软质层的切削模型
图7 表面粗糙度对比
Fig.7 Comparisonofsurfaceroughness
Fig.8 Cuttingmodelwithsoftlayer
由图8也可以看出,钢领表面的软质层对单个磨料所去除材料的体积V存在影响.可以认为,在模型中V是由两部分组成,一部分是软质层以下15钢基体材料的体积V1,一部分是软质层的体积V2.其中,V1决定了磨料嵌入钢领基体材料的深度d,由Ra=kd可知,这个嵌入深度d最终决定抛光表面的粗糙度Ra值.由于软质层的存在,一方面增大了V,另力,减小了切削深度d,R.,,
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3 结 语
1)将CMP技术应用于对钢领的抛光是完全可
行的;
),P技术相对于,;
,对提高钢领的极的作用.
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(责任编辑:彭守敏)