董志剛，程吉瑞，高 尚，康仁科

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024）

銅及銅合金因具備高熱導(dǎo)率、高延展性、高電導(dǎo)率等優(yōu)異特性[1-4]，被廣泛應(yīng)用于航空航天精密零件[5-8]、表面技術(shù)[9]、集成電路[10-13]等領(lǐng)域。為了滿足服役性能，對(duì)純銅的表面質(zhì)量提出了更高的要求。

為了使純銅達(dá)到超精密表面，常需對(duì)其進(jìn)行拋光加工。傳統(tǒng)的拋光方法有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光及電化學(xué)拋光。機(jī)械拋光是采用高速旋轉(zhuǎn)的拋光輪黏附拋光膏消除工件表面粗糙峰而達(dá)到表面光潔的拋光方法。該方法通常采用大型設(shè)備或者人工拋光，加工費(fèi)用昂貴，易對(duì)工件表面形成機(jī)械劃擦，產(chǎn)生應(yīng)力變形的現(xiàn)象[14]?；瘜W(xué)拋光使用具有腐蝕性的拋光液對(duì)工件表面的粗糙峰腐蝕溶解，該方法拋光液配比復(fù)雜，工件表面易形成過(guò)腐蝕[15]。電化學(xué)拋光是通過(guò)施加極化電位使陽(yáng)極工件表面粗糙峰溶解的光整加工方法，電化學(xué)拋光具有拋光效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。如Huang 等[16]研究了電化學(xué)拋光中不同電解液配比對(duì)純銅表面質(zhì)量的影響，試驗(yàn)表明，純磷酸電解拋光50 s 后，銅表面粗糙度由Ra6.92 nm 明顯降低到Ra0.82 nm。但電化學(xué)拋光使用的電解液多數(shù)使用有害成分制備，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的破壞[17]。基于上述現(xiàn)狀，潮濕顆粒電解質(zhì)電化學(xué)機(jī)械拋光 （Moist particle electrolyte electrochemical mechanical polishing，MPE-ECMP）作為一種新型環(huán)保的表面拋光技術(shù)逐漸被研究。MPE-ECMP 加工原理如圖1 所示 （其中w1～w5為角速度；v1～v5為線速度）。該技術(shù)通過(guò)采用潮濕電解質(zhì)顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解液，結(jié)合機(jī)械旋轉(zhuǎn)控制游離的電解質(zhì)顆粒與工件進(jìn)行隨機(jī)接觸。在外加電場(chǎng)的作用下，固體電解質(zhì)導(dǎo)通陽(yáng)極工件與陰極，并對(duì)陽(yáng)極工件的粗糙峰進(jìn)行選擇性去除。

圖1 MPE-ECMP 加工原理Fig.1 Principle of MPE-ECMP

MPE-ECMP 技術(shù)是一項(xiàng)新型拋光方法，且MPE-ECMP 是耦合電化學(xué)作用與機(jī)械作用的拋光方法，期望被用于航空航天領(lǐng)域的渦輪葉片、薄壁板筋等結(jié)構(gòu)的表面光整工藝。目前，研究學(xué)者對(duì)MPE-ECMP 的研究進(jìn)展主要集中在電化學(xué)作用的電解質(zhì)配置及電壓參數(shù)選擇等方面。如Bai 等[18]研 究 了MPE-ECMP 拋 光電壓、拋光時(shí)間對(duì)316L 不銹鋼的表面粗糙度的影響規(guī)律，探究使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%硫酸的樹(shù)脂作為電解質(zhì)，將316L 不銹鋼表面粗糙度從Ra12100 nm 降低到Ra800 nm。Cheng等[19]將硫酸-甲醇-氟化銨電解液加入樹(shù)脂作為電解質(zhì)，利用MPE-ECMP 拋光了鈦合金Ti-6Al-4V，探究拋光電壓、時(shí)間對(duì)鈦合金表面形貌及電化學(xué)性能的影響，拋光1 h 表面粗糙度由Sa316 nm 降低到Sa198 nm。Min等[20]通過(guò)向樹(shù)脂顆粒中添加體積分?jǐn)?shù)40%磷酸電解液的方式，研究了MPE-ECMP 對(duì)H65 黃銅的表面質(zhì)量的改善情況，結(jié)果表明，在拋光電壓1.5 V 時(shí)，隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，表面粗糙度由Sa764 nm 降低到Sa218 nm；在拋光電壓2.0 V 時(shí)，表面粗糙度由Sa764 nm 降低到Sa252 nm。但是對(duì)于機(jī)械旋轉(zhuǎn)過(guò)程中電解質(zhì)與工件的接觸特性，研究相對(duì)較少，且主要定性表征電解質(zhì)顆粒的機(jī)械作用。如Bai 等[18]的研究表明，電解質(zhì)顆粒在MPE-ECMP 拋光過(guò)程中，會(huì)去除工件表面形成的氧化膜，使工件露出新的表面，其拋光機(jī)理是原始表面生成氧化膜被去除的過(guò)程。

MPE-ECMP 的電解質(zhì)顆粒與工件的接觸特性主要影響因素為接觸數(shù)量[21]及接觸力[22]。這兩個(gè)因素與工件表面質(zhì)量息息相關(guān)。接觸數(shù)量增多提高了工件表面氧化膜被去除的部位數(shù)量，工件新表面露出面積增加，提高了工件的表面質(zhì)量。接觸力影響著電解質(zhì)對(duì)純銅接觸時(shí)的接觸狀態(tài)，法向力及切向力的分布關(guān)系著表面氧化膜的去除方式。然而，在試驗(yàn)過(guò)程中，電解質(zhì)顆粒與工件之間的接觸數(shù)量每時(shí)每刻都在變化，想要測(cè)量記錄十分困難。同時(shí)，由于電解質(zhì)顆粒的尺寸限制，測(cè)量電解質(zhì)顆粒與工件之間的接觸力同樣也是一件困難的事情。因此，本文采用EDEM仿真軟件進(jìn)行離散元法仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件與電解質(zhì)顆粒接觸數(shù)量的監(jiān)測(cè)及電解質(zhì)顆粒流場(chǎng)軌跡和速度的分析。探究了不同工件傾斜角、工件轉(zhuǎn)速對(duì)接觸數(shù)量、接觸力的影響規(guī)律，并結(jié)合MPE-ECMP 試驗(yàn)，探究了接觸數(shù)量及接觸力對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，最終獲得了較高的表面質(zhì)量，為MPE-ECMP 的高質(zhì)量表面加工提供了應(yīng)用指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 仿真模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置采用直立斜葉漿式攪拌器，筒體直徑為100 mm，工件采用純銅片，尺寸為10 mm×20 mm×1 mm，純銅片安裝在夾具上。為了減少仿真時(shí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，對(duì)攪拌器的電機(jī)、筒體的底座及工件的夾具等不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)采取了省略設(shè)計(jì)且采用單個(gè)純銅葉片攪拌模型。使用Solidworks 三維建模軟件對(duì)試驗(yàn)設(shè)備建模，并通過(guò)Ansys Workbench 仿真軟件細(xì)化了網(wǎng)格的劃分，如圖2 所示。

圖2 MPE-ECMP 試驗(yàn)裝置三維建模及網(wǎng)格劃分Fig.2 3D modeling and meshing of MPE-ECMP experimental device

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

采用離散單元法數(shù)值模擬軟件EDEM 對(duì)潮濕電解質(zhì)顆粒及純銅的參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。潮濕電解質(zhì)顆粒與純銅接觸模型采用Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型（圖3）。其中，法向接觸力采用Hertz 理論模型，切向接觸力采用Mindlin 接觸理論模型[23]。Hertz-Mindlin 接觸模型表示了法向力、切向力的作用情況。其中，根據(jù)經(jīng)典的Hertz 公式計(jì)算法向力為

圖3 Hertz-Mindlin 接觸模型Fig.3 Hertz-Mindlin contact model

式中，E*為等效楊氏模量；R*為等效半徑；δn為法向重疊量；Ei和Ej、vi和vj、Ri和Rj分別為互相接觸的兩個(gè)顆粒介質(zhì)的彈性模量、泊松比和半徑。切向接觸力由Mindlin 公式表示為

式中，St為切向剛度；δt為切向重疊量；G*為等效剪切模量。設(shè)置顆粒和工件的物性參數(shù)[24]，以及顆粒與顆粒、顆粒與工件的接觸參數(shù)，并考慮顆粒的潮濕特性對(duì)參數(shù)進(jìn)行校正，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1 和2 所示[24]。攪拌筒內(nèi)部填充大約30000 個(gè)球形聚合物電解質(zhì)顆粒，顆粒粒徑設(shè)置為0.5 mm，與試驗(yàn)顆粒粒徑保持一致，采用EDEM 預(yù)設(shè)的顆粒工廠生成顆粒。初始階段顆粒保持靜止?fàn)顟B(tài)，銅片在0.01 s 開(kāi)始以恒定轉(zhuǎn)速繞攪拌筒中心軸旋轉(zhuǎn)。由于電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)具有周期性，每個(gè)周期內(nèi)電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，所以仿真時(shí)間設(shè)置為1 s，研究?jī)蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度，以及隨著工件傾斜角、葉片轉(zhuǎn)速工藝參數(shù)的變化，工件與電解質(zhì)顆粒的接觸數(shù)量、接觸力的變化規(guī)律。

表1 潮濕電解質(zhì)顆粒和純銅的物性參數(shù)[24]Table 1 Physical properties of moist particle electrolytes and pure copper[24]

表2 潮濕電解質(zhì)顆粒和純銅的接觸參數(shù)[24]Table 2 Contact parameters between moist particle electrolytes and pure copper[24]

1.3 工藝試驗(yàn)及表面形貌觀測(cè)

仿真結(jié)束后，保持工件傾斜角、轉(zhuǎn)速與仿真一致，進(jìn)行相應(yīng)的MPEECMP 試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖4 所示。設(shè)計(jì)不同的夾具夾持銅片，使銅片保持傾斜角為0°、30°、60°、90°、120°、150°。電解質(zhì)顆粒采用離子交換樹(shù)脂，顆粒平均粒徑為0.5 mm。辰華CHI660E 電化學(xué)工作站提供直流電源，不銹鋼作陰極，參比電極為Hg/Hg2SO4，測(cè)量LSV 極化曲線。選取鈍化電位為拋光電位，進(jìn)行MPEECMP 拋光，拋光時(shí)間為1 h，并通過(guò)電化學(xué)工作站記錄拋光電流變化。選取傾斜角為30°的工件進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的MPE-ECMP 拋光，拋光時(shí)間為1 h。通過(guò)掃描電鏡 （SU5000，日立HITACHI）觀察工件拋光前后表面形貌，使用3D 表面光學(xué)輪廓儀（Zygo 9000，ZYGO Corporation）測(cè)量工件表面的3 點(diǎn)表面粗糙度，采用平均值表示工件表面的整體粗糙度值，采用標(biāo)準(zhǔn)差衡量表面粗糙度的測(cè)量誤差。

圖4 MPE-ECMP 工藝試驗(yàn)裝置Fig.4 Process test device of MPE-ECMP

2 結(jié)果與討論

2.1 傾斜角對(duì)電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)速度的影響規(guī)律

設(shè)置工件轉(zhuǎn)速為100 r/min。設(shè)置工件傾斜角α為與工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向分別呈0°、30°、60°、90°、120°、150°，傾斜角示意圖如圖5 所示。觀察在不同傾斜角下電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度。

圖5 工件傾斜角示意圖Fig.5 Schematic diagram of workpiece tilt angle

觀察仿真開(kāi)始0.05 s、0.50 s、1.00 s 時(shí)電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度，從圖6 可以看出，工件在不同的傾斜角下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡基本呈現(xiàn)U 形分布。在仿真0.05 s 時(shí)，電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)幅度較小，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)初期工件對(duì)電解質(zhì)顆粒作用時(shí)間較短，使得電解質(zhì)顆粒具有較少的動(dòng)能。0.50 s 和1.00 s 電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，表明電解質(zhì)顆粒在0.50 s 后運(yùn)動(dòng)軌跡基本趨于穩(wěn)定。在純銅的全部上表面/全部前表面有一個(gè)上升的運(yùn)動(dòng)軌跡；而在后表面電解質(zhì)顆粒呈現(xiàn)回落到工件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡。這是因?yàn)楣ぜ谛D(zhuǎn)過(guò)程中接觸電解質(zhì)顆粒時(shí)，工件對(duì)電解質(zhì)顆粒有一個(gè)沿著工件運(yùn)動(dòng)速度方向的推力。使得在工件附近的電解質(zhì)顆粒內(nèi)部形成力鏈。

圖6 不同工件傾斜角下電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)速度仿真Fig.6 Simulation of movement track and velocity of electrolyte particles at diffe ent workpiece tilt angles

從圖6 可以看出 ，與工件表面直接接觸的電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度最大，且隨著電解質(zhì)顆粒與工件距離的增大速度逐漸減小。這是由于電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二定律，當(dāng)工件給電解質(zhì)顆粒的作用力大時(shí)，電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)的加速度及速度也會(huì)相應(yīng)地變大。隨著電解質(zhì)顆粒與工件距離逐漸增大，力鏈逐漸衰減，所以電解質(zhì)顆粒的速度及加速度也會(huì)變小。當(dāng)電解質(zhì)顆?；芈鋾r(shí)，由于電解質(zhì)顆粒只受到重力作用及相鄰顆粒的壓力，所以在距離工件表面越近時(shí)，電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，速度越大。

圖6 中的 0.05 s 時(shí)，不同傾斜角下工件與電解質(zhì)顆粒的接觸狀態(tài)不同?？梢园l(fā)現(xiàn)，在工件傾斜角為0°時(shí)，工件前后表面與電解質(zhì)顆粒形成了空隙，空隙中工件與電解質(zhì)顆粒處于隨機(jī)接觸狀態(tài)，為便于描述，稱該區(qū)域?yàn)椤盁o(wú)接觸區(qū)”；在工件傾斜角為60°、120°、150°時(shí)，工件的后表面同樣出現(xiàn)了“無(wú)接觸區(qū)”，這與電解質(zhì)與工件的相對(duì)位移軌跡有關(guān)。為了進(jìn)一步解釋“無(wú)接觸區(qū)”現(xiàn)象，在仿真開(kāi)始前選取17 mm×17 mm×30 mm 的長(zhǎng)方體范圍內(nèi)電解質(zhì)顆粒，使工件整體被包圍在顆粒內(nèi)，觀察0.01 ～ 0.07 s 電解質(zhì)顆粒相對(duì)工件表面的位移情況，如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在工件傾斜角為0°時(shí)，電解質(zhì)顆粒在工件運(yùn)動(dòng)時(shí)與工件的上表面接觸，隨著工件的轉(zhuǎn)動(dòng)，電解質(zhì)顆粒滾磨工件的上表面，工件下表面與電解質(zhì)顆粒接觸較少，且出現(xiàn)了“無(wú)接觸區(qū)”；在工件傾斜角為30°時(shí)，可以看到隨著工件的旋轉(zhuǎn)，工件的上下全部表面都與電解質(zhì)顆粒相接觸，且隨著工件的旋轉(zhuǎn)，工件表面的電解質(zhì)顆粒都沿著工件表面切向滑移，工件前后表面均沒(méi)有形成“無(wú)接觸區(qū)”；在工件傾斜角為60°時(shí)，隨著工件的旋轉(zhuǎn)，工件的前表面與電解質(zhì)顆粒相接觸，工件后表面與電解質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生“無(wú)接觸區(qū)”，接觸較少；隨著工件的旋轉(zhuǎn)，電解質(zhì)顆粒在工件的表面分上下兩部分滑移到工件后方，當(dāng)工件傾斜角為90°時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件接觸情況與工件傾斜角為60°時(shí)基本一致；當(dāng)工件傾斜角為120°和150°時(shí)，電解質(zhì)顆粒主要與工件前表面接觸，且隨著工件的轉(zhuǎn)動(dòng)，電解質(zhì)顆粒沿著工件的表面由下而上滑移到工件后方，且在工件的后表面形成了“無(wú)接觸區(qū)”。

圖7 不同工件傾斜角下電解質(zhì)顆粒與工件相對(duì)位移仿真Fig.7 Simulation of relative displacement between electrolyte particles and workpiece at diffe ent workpiece tilt angles

2.2 傾斜角對(duì)電解質(zhì)顆粒與工件接觸數(shù)量及接觸力的影響規(guī)律

對(duì)仿真過(guò)程中每0.01 s 內(nèi)電解質(zhì)顆粒與工件全部表面接觸數(shù)量及接觸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用平均值來(lái)代表接觸數(shù)量及接觸力的值，采用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量接觸數(shù)量及接觸力的穩(wěn)定性，研究工件傾斜角對(duì)電解質(zhì)顆粒與工件全部表面的接觸數(shù)量及接觸力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖8 所示。從圖8（a）可以看到，隨著工件的傾斜角的增大，工件與電解質(zhì)顆粒的接觸數(shù)量呈非線性的變化趨勢(shì)。在工件傾斜角為30°時(shí)，工件與電解質(zhì)顆粒的接觸數(shù)量最多，為36 顆；在工件傾斜角為90°時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件接觸數(shù)量最少，為27 顆。這是因?yàn)楣ぜA斜角為30°時(shí)，電解質(zhì)顆?？梢酝瑫r(shí)接觸到工件的上下表面，增加了接觸面積；當(dāng)工件傾斜角為90°時(shí)，電解質(zhì)顆粒只能接觸到工件的前端面，且在90°時(shí)，電解質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)速度最大，減少了電解質(zhì)顆粒與工件接觸的時(shí)間。

圖8 工件傾斜角對(duì)電解質(zhì)顆粒接觸數(shù)量及接觸力的影響規(guī)律曲線Fig.8 Influence curves of the workpiece tilt angle on the contact quantity and contact force of electrolyte particles

圖8（b）為在不同工件傾斜角下，電解質(zhì)顆粒與工件全部表面法向及切向接觸力的變化規(guī)律曲線?？梢钥吹剑娊赓|(zhì)顆粒在與工件接觸過(guò)程中，法向力要大于切向力，在工件傾斜角為0°時(shí)，法向力與切向力之間的差值最小；在工件傾斜角為90°時(shí)，法向力與切向力之間的差值最大。在工件傾斜角為0°時(shí)，法向力最小，為4.66 mN；在工件傾斜角為0 ～ 90°時(shí)，法向力呈增大趨勢(shì)，在90°達(dá)到最大值，為12.69 mN；在工件傾斜角為90°～150°時(shí)，法向力呈減小的趨勢(shì)。在工件傾斜角為30°時(shí)，工件與電解質(zhì)顆粒之間的切向力最大，為3.38 mN；在工件傾斜角為90°時(shí)，切向力最小，為1.21 mN。

2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)電解質(zhì)顆粒與工件接觸數(shù)量及接觸力的影響規(guī)律

選取工件傾斜角為30°，探究轉(zhuǎn)速對(duì)電解質(zhì)顆粒與工件全部表面接觸數(shù)量及接觸力的影響規(guī)律，如圖9所示。由圖9（a）中可以看到，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為80 r/min 時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件之間的接觸數(shù)量最多，且隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，電解質(zhì)顆粒與工件的接觸數(shù)量變少。這是因?yàn)楫?dāng)工件轉(zhuǎn)速增大時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件接觸瞬間受到的推力增大，減少了再次與工件接觸的頻率。此外，電解質(zhì)顆粒的離心力增加，電解質(zhì)顆粒會(huì)向反應(yīng)池的內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，脫離旋轉(zhuǎn)中心。如圖9（b）所示，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為80 r/min 時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件之間的接觸數(shù)量最少，且隨著工件轉(zhuǎn)速的增加，電解質(zhì)顆粒與工件的法向接觸力以及切向接觸力基本呈線性增加，且法向力增加的速率大于切向力增加的速率。隨著工件轉(zhuǎn)速增加，法向力和切向力值的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值變大，說(shuō)明工件與電解質(zhì)顆粒接觸力的穩(wěn)定性變差，不利于工件表面精密拋光。

圖9 工件轉(zhuǎn)速對(duì)電解質(zhì)顆粒的接觸數(shù)量及接觸力的影響規(guī)律曲線Fig.9 Influence curves of workpiece rotation speed on the contact quantity and contact force of electrolyte particles

2.4 MPE-ECMP 試驗(yàn)驗(yàn)證及表面質(zhì)量表征

LSV 極化曲線與電流-時(shí)間曲線如圖10 所示。圖10（a）顯示了電位在0 ～ 2 V 變化過(guò)程中，陽(yáng)極純銅的電流變化情況，可以看到，電位在0 ～ 0.33 V 時(shí)電流呈上升趨勢(shì)，這一過(guò)程為銅電極表面發(fā)生了溶解；電位在0.33 ～ 0.8 V 時(shí)電流呈下降趨勢(shì)，且在0.8 V 達(dá)到了極小值，這一過(guò)程為工件表面形成了富含Cu2+的黏性液膜，增加了工件表面的阻抗，電流值變?。浑娢辉?.8 ～ 2 V 這一過(guò)程中，電流值增大，是因?yàn)樵谶@一過(guò)程中，電解質(zhì)顆粒會(huì)吸附Cu2+，使工件表面Cu2+濃度變小。在0.8 V 時(shí)，工件表面Cu2+濃度最高，純銅表面發(fā)生鈍化，選取0.8 V為拋光電壓。圖10（b）為在傾斜角30°、轉(zhuǎn)速120 r/min 時(shí)，工件表面經(jīng)0.8 V 拋光電壓拋光1 h 的電流變化曲線?？梢钥吹?，在拋光0 ～ 270 s 時(shí)，電流呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)楣ぜ趻伖膺^(guò)程中，原始表面發(fā)生了溶解，表面原始的油脂及氧化物被去除；在270 s 之后，電流整體呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡娀瘜W(xué)拋光過(guò)程中發(fā)生式（7）所示的化學(xué)反應(yīng)。隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，潮濕電解質(zhì)顆粒內(nèi)部的水分逐漸減少，使得電解質(zhì)電導(dǎo)率降低，電流逐漸下降。

圖10 MPE-ECMP 極化曲線Fig.10 MPE-ECMP polarization curves

圖11（a）為工件在不同傾斜角下MPE-ECMP 拋光1 h 后的表面粗糙度變化，可以看到，在傾斜角為30°和90°時(shí)，工件表面平均粗糙度明顯小 于傾斜角為0°、60°、120°、150°的表面粗糙度。傾斜角為30°時(shí)工件表面平均粗糙度為Sa35.79 nm，而在90°時(shí)工件表面平均粗糙度為Sa45.65 nm。結(jié)合圖8 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得到，在工件傾斜角為30°時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件表面接觸數(shù)量最多，而在90°時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件法向接觸力最大，由此可以初步驗(yàn)證，離散元仿真模型是準(zhǔn)確的，并且發(fā)現(xiàn)工件表面平均粗糙度是由電解質(zhì)顆粒與工件的接觸數(shù)量以及接觸力兩個(gè)接觸參數(shù)共同決定的。選取傾斜角為30°的工件探究不同轉(zhuǎn)速下MPEECMP 拋光后表面粗糙度的變化情況，如圖11（b）所示?？梢钥吹?，在傾斜角為30°時(shí)，工件表面平均粗糙度整體偏低，且隨工件轉(zhuǎn)速的增加呈振蕩趨勢(shì)，振蕩范圍為Sa22.16 ～ 38.98 nm。在轉(zhuǎn)速為120 r/min 時(shí)獲得最低表面平均粗糙度，為Sa22.16 nm；在轉(zhuǎn)速為140 r/min 時(shí)表面平均粗糙度最高，為Sa38.98 nm。由圖9 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著工件轉(zhuǎn)速的增大，電解質(zhì)顆粒與工件接觸數(shù)量減少，接觸力增大，而工件的表面粗糙度由接觸數(shù)量與接觸力共同決定，導(dǎo)致表面粗糙度呈振蕩變化。

圖11 不同傾斜角及轉(zhuǎn)速下的表面粗糙度Fig.11 Surface roughness at diffe ent tilt angles and speeds

通過(guò)掃描電鏡以及Zygo 9000 觀測(cè)了拋光前工件的初始表面形貌和粗糙度，以及在傾斜角30°、轉(zhuǎn)速120 r/min 下拋光后的表面形貌及粗糙度。從圖12（a）和（b）可以看出，拋光前工件表面存在明顯劃痕，通過(guò)Zygo 9000 觀察到工件原始表面的面粗糙度為Sa433.51 nm。經(jīng)過(guò)1 h 的MPE-ECMP 拋光后，在圖12（c）中可以看到工件表面已無(wú)明顯劃痕，經(jīng)過(guò)拋光后表面仍殘留少量點(diǎn)狀坑，整體表面形貌具有明顯的改善。Zygo 9000 觀測(cè)拋光后的工件表面，可以發(fā)現(xiàn)粗糙峰被明顯去除，表面粗糙度為Sa22.43 nm，如圖12（d）所示，表面粗糙度降低了94.8%。

圖12 純銅工件表面拋光前后的表面形貌和表面粗糙度Fig.12 Surface morphology and surface roughness of copper surface before and after polishing

3 結(jié)論

（1）工件不同傾斜角下電解質(zhì)顆?；境蔝 形運(yùn)動(dòng)軌跡，與工件距離越遠(yuǎn)的電解質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)速度越慢。工件傾斜角為30°時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件之間的接觸數(shù)量最多；工件轉(zhuǎn)速為80 r/min 時(shí)，電解質(zhì)顆粒與工件之間的接觸數(shù)量最多，接觸力最小。

（2）在工件表面存在“無(wú)接觸區(qū)”，影響工件表面拋光的穩(wěn)定性。工件傾斜角為30°時(shí)，可以有效避免“無(wú)接觸區(qū)”的產(chǎn)生。工件轉(zhuǎn)速的增加減少了工件與電解質(zhì)顆粒的接觸數(shù)量，增加了法向以及切向接觸力。

（3）MPE-ECMP 試驗(yàn)中工件表面粗糙度由接觸數(shù)量及接觸力共同調(diào)控，在傾斜角30°、轉(zhuǎn)速120 r/min下，獲得最佳的銅工件的表面粗糙度，表面粗糙度由初始的Sa433.51 nm降低到Sa22.43 nm，降低了94.8%，驗(yàn)證了傾斜角和轉(zhuǎn)速的調(diào)控對(duì)表面粗糙度具有降低效果。