浮动块研磨抛光机研磨磁头的表面去除分析

申儒林, 吴任和, 钟 掘

(中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙, 410083)

摘要: 对浮动块研磨抛光机的运动学方程进行研究结果表明: 研磨时, 任意磁头上任意一点的运动轨迹是周期性的, 这种运动周期的重复性与工作圆环的角速度ω₂和研磨盘的角速度ω₁之比有关; 当浮动块研磨抛光机在理想状态工作下时, ω₁=ω₂, 此时, 任意磁头上任意一点移动的路程相等, 表明磁头表面去除率相同, 但其轨迹的重复性太强。 在实际工作中, 磁头表面能取得均化的研磨条纹, 而整个研磨平面的平整精度却不一定很高; 任意一点在每周期移动的路程长度与角速度ω和偏心距e有关, ω和e越大, 周期路程越长。 而周期路程较短, 表明轨迹的方向改变愈频繁, 有利于获得愈好的表面质量, 只是去除率降低。 因此, 粗研磨时, 宜取较高的转速以提高效率; 而精研磨时, 宜取较低的转速以提高表面质量。

关键词: 磁头; 研磨; 抛光; 去除率

中图分类号:TG580.692 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)06-1021-05

Analysis of magnetic head surface removal by float-piece polisher

SHEN Ru-lin, WU Ren-he, ZHONG Jue

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The kinematics equation demonstrates that the path of any point in any magnetic head is periodic in working process of float-piece polisher. The periodicity repeated according to the ratio of angular velocity between the work ring’s and the lap’s. When the float-piece polisher works in the perfect condition, ω₁ (lap’s angular velocity) will equal ω₂(work ring’s angular velocity). Then, the length of movement path of any point in any magnetic will be equal, which indicates that the surface removal rate will be equal, but the periodicity of the path will be repeated too often. In fact, the perfect condition is hardly existing, so the movement path on magnetic head surface will be reasonable, while the work face will be not planar enough. The equation also shows that the path of any point in a periodicity is relational with the parameter ω and e(eccentricity of work ring). The larger the parameter ω and e are, the longer the path will be. The path’s direction will be changed more frequently if the movement path in every periodic is shorter, which will does good to surface quality, but the surface removal rate will be lower. So, the higher speed is supposed to be selected in rough polishing process to obtain higher removal rate, while the lower speed should be selected in fine polishing process to gain higher surface quality.

Key words: magnetic head; lapping; polishing; removal rate

计算机硬盘发展非常迅速, 据预测, 其存储容量正逐步向1000 GB发展^[1]。 为满足这一需求, 必须不断降低磁头在硬盘表面的飞行高度。 为避免划伤磁盘表面, 硬盘磁头的表面粗糙度必须足够小,下一代磁头表面的粗糙度要求小于0.2 nm^{[2, 3]}。 同时, 磁头的工作方式也由接触起停方式向载入载出方式转变。 采用这种方式避免了磁头在启动和停止的瞬间与磁盘表面的碰撞, 延长了硬盘使用寿命^[4]。 由于磁头是一种复杂的三维结构, 加工中除要求表面粗糙度低外, 还要求不能有过深的划痕, 要避免形成黑点, 极尖沉降不能过大等, 因而非常复杂^[5-7]。 读写头部分是由不同材料组成的, 如Cu和NiFe合金等, 容易腐蚀, 表面黑点就是读写头表面腐蚀形成的^[8]。 为避免腐蚀, 其加工方法一般基于中性研磨介质的机械去除法。 在此, 作者分析一种用于磁头抛光的浮动块研磨抛光机(见图1)工作时磁头表面材料的去除情况。 其工作原理为: 在研磨盘上方有3个固定的保持架, 工作时把装有工件的圆环放在研磨盘上, 研磨盘转动时, 由于摩擦力的作用将带动圆环运动, 因为保持架限制了圆环的平动, 圆环将绕自身旋转。 此时, 工件相对研磨盘作复合运动, 其运动轨迹是表面研磨质量的关键因素^[9]。

图 1   浮动块研磨抛光机原理图

Fig. 1   Main configuration of prototype machine for float-piece polisher

1 磁头研磨过程

把40~50个磁头分两排粘贴在陶瓷条上, 然后与铁工装固定在一起, 再用夹具把铁工装和圆环固定好, 磁头排成直线分布在圆环的直径位置上。 当研磨盘绕自身旋转时, 由于摩擦力的作用, 将带动工作圆环绕自身旋转。 设研磨盘的圆心为O₁, 转速为ω₁, 载物圆环的圆心为O₂, 半径为r₂, 转速为ω₂。 如果在理想情况下, ω₁=ω₂=ω, 即工作圆环自转的速度和研磨盘的转速相同, 此时, 要求满足以下条件:

a. 圆环与工件的质量分别均匀分布;

b. 圆环与工件的材料分别各向同性, 摩擦因数分别处处相等;

c. 研磨盘、 圆环、 工件表面平整, 保证圆环、 工件与研磨盘处处均匀接触;

d. 保持架的导轮相对于自身转轴的摩擦力矩为零;

e. 研磨盘和圆环、 工件之间的研磨液均匀分布, 且研磨液中的颗粒数量、 大小、 理化性能均匀分布。

如果这几个条件得不到满足, 将会影响圆环和工件的旋转速度和旋转稳定性, 如导致其转速比研磨盘的转速慢, 或导致其旋转忽快忽慢。

2 磁头研磨时的运动轨迹

设研磨盘的圆心为O₁, 转速为n₁, 角速度为ω₁。 载物圆环的圆心为O₂, 转速为n₂, 角速度为ω₂, 偏心距为e。 在锡盘上取绝对运动坐标系XOY, 相对运动坐标系X₁O₁Y₁固定在锡盘上, 圆环的初始相位角为φ₀, 任意时刻t的位置如图2所示。

图 2   研磨运动分析图

Fig. 2   Kinematics’ analysis of polishing

则任意磁头上半径为r的一点A的坐标为

X₁=ecos(ω₁t)-rcos[(ω₂-ω₁)t+φ₀];(1)

Y₁=esin(ω₁t)+rsin[(ω₂-ω₁)t+φ₀]。(2)

其中:

ω₁=2πn₁;(3)

ω₂=2πn₂。(4)

假设研磨时间周期为T, 则工件上任意一点A相对与研磨盘移动的路程L为

在理想情况下, 当ω₁=ω₂=ω时,

X₁=ecos(ω₁t)-rcosφ₀;(6)

Y₁=esin(ω₁t)+rsinφ₀。(7)

此时, 将以上2式消去参数t, 得:

(X₁+rcosφ₀)²+(Y₁-rsinφ₀)²=e²。(8)

此时, 任意一点A相对于研磨盘的运动轨迹是以(-rcosφ₀, rsinφ₀)为圆心, e为半径的圆, 在时间T内走过的路程为

L=ωeT。(9)

3 磁头研磨的表面去除

由式(5)可知, 该研磨运动具有周期性, 其运动方向在每一瞬时不断改变, 这样, 可以保证被研磨的磁头表面研磨条纹各向均匀, 无主导方向, 从而使磨料颗粒在各个方向上都能起到切削作用, 减少磨粒单向受力过多而发生剥落产生尖角的可能; 即使产生尖角, 也不至于继续磨削而产生更深划痕; 而且被研磨工件表面某一方向上的研磨条纹不会持续深化。 因此, 这种研磨运动轨迹将有利于获得极高的表面质量^[10]。

在ω₁=ω₂=ω的理想情况下, 由式(10)可知, 工件上任意一点走过的路程相等, 所以, 工件各点的材料去除量相同。 但工件上任意点在研磨盘上走过的轨迹位置在研磨过程中完全固定, 研磨运动轨迹的重复性太强, 对研磨不利^[10]。

事实上, 在实际研磨过程中, ω₁和ω₂会有差异, 一般ω₂〈ω₁。 所以, 在实际工作中, 研磨盘会因为磨损不均匀而产生凹凸, 需要定期修盘。 情况严重时, 甚至能产生可明显察觉的工作圆环的转速不均或窜动现象。

Y.Namba等提出一种研磨方式——浮抛法(见图3)^[11-14], 工件的旋转由单独的电机驱动, 可以精确地调节其速度。 将该方式用于圆盘形工件的抛光时, 若工件的转速与研磨盘转速之比接近于1时, 可获得均匀的去除率和重复周期较长的研磨轨迹; 如果二者转速差别比较大, 虽然能获得重复周期很长的研磨轨迹, 但是会加剧研磨面材料去除的不均匀程度。 张红霞等^[10]通过研究发现, 如果n₂=30 r/min, 那么, 当n₁=29.93 r/min时, 研磨效果比较好, 可见, ω₂与ω₁相差很小时有利于研磨表面的均匀去除。

由于磁头研磨是单个小磁头粘贴在一起, 可以看成是由有限个单元组成的研磨面, 所以, 较小的平面去除不均匀对磁头表面质量的影响不是很突出, 但如果轨迹的重复周期能延长, 那么, 对获得高质量的磁头表面非常重要。 因此, 这里研究的浮动块研磨抛光机对磁头表面的研磨比较合适, 但对高精度的平面加工没有优势。

任意磁头表面上的一点A相对于研磨盘走过的路程L与表面去除率有关, L越大, 表示表面去除越多。 由式(5)可知, ω和e较大时, L也大, 表面去除越大, 反之亦然。 另一方面, 若ω和e较大, 则在周期时间内工件上一点走过的弧线路程越长, 表示弧线越平缓, 意味着研磨运动轨迹的方向变化较少。 相反, 若研磨运动的每一个周期内轨迹一拱的曲线弧长较短, 则体现出研磨运动轨迹的方向变化亦相对频繁。 我们希望出现高频率的轨迹方向发生改变, 以便在磁头表面出现更加均匀化的研磨条纹。 所以, 理论上转速ω和偏心距e越小, 对磁头研磨越有利。 但是, 如果ω和e越小, 研磨效率将越低。 事实上, 工作中精研磨时研磨盘的转速比粗研磨时的转速低, 以利于获得更好的表面质量。

图 3   浮抛法原理图

Fig. 3   Main configuration of prototype machine for float polishing

图4所示为研磨盘转速为35 r/min, 工作圆环放置在研磨盘有效研磨带宽的中间位置时, 一般实际工况下获得的磁头表面形貌(长×宽为40 μm×40 μm)。 图4(a)所示为粗研磨时的研磨痕迹, 各个方向的研磨条纹很明显; 图4(b)所示为精研磨的痕迹, 最后一瞬时的研磨条纹掩盖了前面产生的大部分条纹, 只有较深的条纹仍依稀可见。 在整个研磨过程中, 不断改变条纹的方向, 无数的不定方向的细浅条纹使表面趋于光滑。 由图4还可发现, 在该工艺过程中, 可控制某一条深研磨条纹不继续发展, 但是, 若研磨颗粒在某一瞬时产生了深的条纹, 则比较难以去除, 这就是划伤。 所以, 工作中, 研磨介质非常重要。

图 4   磁头表面研磨痕迹

Fig. 4   Polishing path on magnetic head surface

4 结 论

a. 在理想情况下, 任意磁头上任意一点在周期内走过的路程相等, 即L=ωeT, 因而,可以获得均匀的表面去除, 其不足之处是轨迹重复性太强。

b. 在实际工况中, 由于假设条件得不到满足, 理想情况不存在, 此时, 任意磁头上任意一点仍作周期性运动, 但是走过的路程有差异, 周期轨迹的重复周期也延长。 这些差异取决于研磨盘和工作圆环的转速差。 优点是能获得更好的表面研磨条纹, 其不足之处是表面材料去除不均匀。 对于磁头研磨, 因为可以认为单个磁头是研磨平面上的有限面积元, 所以更有利于研磨。

c. 理论上, ω和e越大, 表面去除效率越高; ω和e越小, 越有利于获得光滑表面。 所以, 在实际过程中, 粗研磨时的转速比精研磨的转速高, 缘于粗研磨时希望获得较高的表面去除效率, 而精研磨时希望获得更光滑的表面。

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收稿日期:2005-04-01

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50390061)

作者简介: 申儒林(1968-), 男, 湖南邵东人, 博士研究生, 从事微纳制造理论、 技术与装备研究

论文联系人: 申儒林, 男, 博士研究生; 电话: 0731-8836499(O); E-mail: srl1234@126.com