单面铜盘抛光机动态仿真分析
谢求泉
（萍乡学院机械电子工程学院，江西 萍乡 337000）
摘要:针对单面铜盘抛光蓝宝石衬底切削效率低导致产量严重不足。基于动态仿真分析方法对单面铜盘抛光机分析，研究工艺参数对抛光去除效率及抛光稳定性的影响。简化单面铜盘抛光机抛光部件建立了相对应虚拟样机，根据相应工艺参数设定边界条件并求解。动态仿真分析结果表明：抛光压力对单面铜盘抛光加工平稳性最大，上下磨盘转速影响相对较小。为单面铜盘抛光机抛光蓝宝石提高切削速率和探索新抛光工艺提出了新思路。
关键词:单面铜盘抛光机工艺参数动态仿真分析
Dynamic Simulation Analysis of Single –Lapping Copper
Machine
XIE Qiu-quan
(School of Mechanical and Electronic Engineering,PingxiangUniversity,Pingxiang 337000, China)
Abstract:In view of the single copper plate polishing sapphire substrate was serious shortage of low production efficiency. Based on dynamic simulation analysis method,structure of single copper plate polishing machine, research process parameters on the polishing removal efficiency and the effect on the stability of the polishing was analyzed. The structure of single copper plate polishing machine polishing parts was simplified and the virtual prototype was established, according to the corresponding solution which set boundary conditions and process parameters. The dynamic simulation analysis results show that the polishing pressure on one-side copper plate polishing machining stability is the largest, millstonespeed effect is relatively small. A new polishing process method was explored which can increase cutting speed of single copper plate polishing machine to polish sapphire. Keywords:single –lapping copper machine;technological parameter; Dynamic simulation analysis
0 引言
基于蓝宝石是一种集优良光学、物理、化学性能于一身的独特晶体,是当代工业重要的基础材料，其遍及应用于半导体照明（LED）、手机屏幕、手机后盖、智能设备、红外军事设备、卫星空间技术、高强度激光窗口等领域。但由于蓝宝石具有强度高、硬度大、耐冲刷，切削速率相当小；并且LED的蓝宝石衬底精度要求超高亮度、晶格完整，无任何加工缺陷，严重制约了蓝宝石衬底产量。因此迫切需要解决制约蓝宝石生产工艺中各种影响因素，本文利用机械系统动力学技术进行单面抛光机虚拟样机建模以及数值计算分析，探索制约单面铜盘抛光加工稳定性的工艺参数，为指导蓝宝石抛光/研磨加工工艺制定提出相关理论基础，从而指导制定蓝宝石的精抛光工艺。
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1单面铜盘抛光加工过程的建模
单面铜盘抛光系统是由下磨盘组合件、施加抛光压力的上磨盘、高精度陶瓷盘及供应金刚石钻石液的机构四大部件构成，系统构造如图1左图所示。在抛光过程中，由于铜盘旋转产生离心力使得金刚石钻石液流入铜盘螺旋沟槽中，金刚石钻石液与蓝宝石产生化学腐蚀作用，同时在上磨盘对其施加抛光压力双重作用下，使得蓝宝石衬底表面发生化学反应，其反应物得到抛光。由于加压气缸对上磨盘进行加压，从而使上磨盘与陶瓷盘精密接触，陶瓷盘四周被陶瓷环挡住，陶瓷盘的运动与上磨盘是一致的，在建模过程中简化了上磨盘，建立如图1右图所示的单面铜盘抛光机抛光过程虚拟样机的模型。
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1-下磨盘（铜盘） 2-蓝宝石晶片 3-陶瓷盘
图1 单面铜盘抛光机简图
Fig.1Single –Lapping Copper Machine
2单面铜盘抛光机虚拟样机的定义 2.1定义构件属性
本文采用ADAMS/View完成构件属性的定义，如表1所示为单面铜盘抛光机构件属性定义。此外，构件的一些属性如质量、转动惯量直接由软件自动计算得到，不需重新设置。
表1构件属性表
构件 下抛光盘 工件 上抛光盘
模型图号 Down plate Work piece up plate
材料 铜 蓝宝石 陶瓷盘
密度（kg/mm3）
8.9E-006 3.98E-006 2.3E-006
弹性模量（N/mm2）
1.1E+005 3.83E+005 2.2E+005
2.2创建运动副
构件的属性确定后，应对构件与构件之间通过添加对应约束来限制构件之间的相互运动。由于下抛光盘与主轴连接，主轴直接被静压轴承以及深沟球轴承约束，即下抛光盘有一个方向的自由度为旋转方向；蓝宝石通过粘结技术紧固在陶瓷盘上，这里将蓝宝石与陶瓷盘做固定处理；上抛光盘通过气缸试压使得上抛光盘与陶瓷盘精密连接，故把他们看成一体，而该结构中有自动调心球轴承作用，所以上抛光盘(陶瓷盘)有两个方向自由度，一个为旋转方向，另一个为竖直方向；单面抛光机上抛光部分由4个相同结构组成了4个上抛光头，各约束相同，即其中一个抛光头中各运动副如表2所示。
表2 运动副表
系统代号 JOINT_1 JOINT_2 JOINT_3
约束类型 Revolute Cylindrical Joint
Fixed
对象 下抛光盘、大地 陶瓷盘、大地 蓝宝石、陶瓷盘
约束位置 铜盘质心 陶瓷盘质心 蓝宝石质心
约束方向 铜盘中心轴线 陶瓷盘中心轴线 蓝宝石中心轴线
2.3施加载荷
单面铜盘抛光机是由一个下盘电机通过齿轮减速机与链轮共同减速带动主传动轴转动，上抛光盘驱动由上盘电机通过同步带轮带动，而上盘4个上盘电机是由一个变频器控制，故4个上抛光盘的转动驱动（转速大小和方向）是相同的，在抛光过程中铜盘与上磨盘的转速方向相反。
在抛光过程中，抛光压力来源于加压气缸施加于上磨盘的力，其值直接影响到工件表面材料的去除率和抛光效果。采用ADAMS/View 界面中提供的一般作用力功能，对上磨盘进行载荷力的施加，在蓝宝石与陶瓷盘之间施加作用力与反作用力；以及下磨盘与蓝宝石的互相接触产生作用力。本文选择正确的接触类型为实体与实体，设定计算接触力的方法，并设置下蓝宝石在铜盘滑动时产生摩擦力的计算方法后，接
触力设定得已完成。添加完所有的约束后，在ADAMS软件中得到了单面铜抛光机抛光加工过程虚拟样机的模型如图2所示。
图2 虚拟样机的模型 Fig.2The virtual prototype model
3单面铜盘抛光加工过程的仿真
选取工艺参数，上陶瓷盘的转速为ω1，设定为：15rpm、35rpm、55rpm；下铜抛光盘的转速为ω2，设定为：10rpm、30rpm、60rpm；陶瓷盘抛光压力为P，由比例阀精确控制为：2000N、4000N、8000N。对这三种因素进行L9安排实验如表3所示，通过实验表从而设定了各运动副驱动的大小、方向，设定仿真时间t=4s，步长step=60。其中表3中K1、K2、K3分别表示上磨盘转速、下磨盘转速、抛光压力3种因素仿真下陶瓷盘压力幅值之和。第4组仿真计算后陶瓷盘所受到的压力曲线如图3所示。
表3 仿真实验结果
实验号因素
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ??1 ??2 ??3
上磨盘转速????
15 15 15 35 35 35 55 55 55 2530 2520 2500
下磨盘转速????
10 30 60 10 30 60 10 30 60 2850 2520 2370
抛光压力?? ??
2000 4000 8000 8000 4000 2000 8000 2000 4000 1810 2530 3400
压力幅值 ??
550 780 1200 960 1070 590 1240 670 580
图3 压力曲线 Fig.3The pressure curve
陶瓷盘的压力由气缸施加抛光压力以及蓝宝石工件与铜盘之间的摩擦力合成的，而不同的抛光压力直接导致蓝宝石下表面和铜盘之间的摩擦力的产生巨大变化，趋向说明抛光压力越大，摩擦力越大，直接引起上磨盘抛光压力较大浮动。
根据表3中K1、K2、K3数值，分别作3个参数和幅值之和的关系图，即它们表示因素3个位级对应的陶瓷盘压力波动幅值，即把每个参数的K1、K2、K3点于坐标纸上表示（如图4所示)。
图4 因素与幅值关系
Fig.4Therelationship between factors and amplitude
幅值越趋近平稳抛光效果越好，图4表明：
（1）随着上磨盘和下铜盘转速的变化，曲线变化较平缓，在下磨盘低速运动过程中，压力曲线的波动相对较大；上、下磨盘转速不同，获得的陶瓷盘压力曲线波动也不同，随着磨盘转速的增加，陶瓷盘压力波动范围趋势是减小的，幅值也越来越小，抛光工况趋于平稳。
（2）随着抛光压力的变化，曲线变化相当显著。在低抛光压力下，压力幅值曲线的波动相对平稳，陶瓷盘压力不稳定；随着上磨盘施加压力加大，陶瓷盘压力波动范围趋势是增大的，幅度变大，抛光过程越不稳定。
4.结论
基于机械系统动力学分析软件建立单面铜盘抛光机抛光过程的虚拟样机模型并进行数值计算分析，较直观得出蓝宝石所受压力曲线。通过以上磨盘施加抛光压力、上下磨盘转速为工艺参数变量，设计正交实验观察压力曲线的变化情况并分析影响单面铜盘抛光蓝宝石精度要求高的主要工艺参数。最终得出随着抛光压力的增大，压力的波动范围变大，抛光蓝宝石越不稳定；并且铜盘、陶瓷盘转速的加大，压力的波动范围相对变化微小，幅值减少，工况趋于平稳。从而为提高蓝宝石抛光切削速率和探索新抛光工艺提出了新方向。
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