文：鸡博士

编辑：鸡博士

近年来计算机硬盘的存储技术得到了迅速的发展， 单片存储容量已经达到 75 GB 以上， 并逐 步向1000 GB 发展。

这直接原因在于磁头箱对磁盘的飞化高度，由20世纪90年代初的100nm降到了现在的50nm , 并预计将降到10nm以下。

实现这一目标的技术关键之一，是硬盘基片和磁头制造精度的不断提高，和硬盘系统的机械结构的改进。

在磁盘的制作过程中，PVA 磨具的初研磨与精研磨、化学机械抛光和形貌化是影响盘片最终几何精度的关键工艺。

在研磨过程中，可以通过改变研磨机的运动参数，使一个研磨周期内的基片表面平均相对速度保持均等。

但是在双面研磨中基片表面的接触压强分布状态并不清楚， 这给压力场的均衡和工艺过程的控制带来了较大的困难。

针对这些问题，我们从弹性力学的接触理论出发，通过硬磁盘 PVA 研磨实践及一些假设，利用有限元计算方法，分析 PVA 磨具重要参数的变化对接触表面压强分布的影响 。

硬磁盘 PVA 研磨的实践和一些假设

在实际生产中，铝磁盘基片的研磨是采用16B -5SSG 型双面研磨机。 在研磨过程中，磁盘基片的放置形式如图 1 所示。

该机床采用行星运动，太阳轮和研磨盘分别由电机无级调速驱动 ，可正反转。每次加工放置 5 个料架 ，每个料架上可携带3.5英寸磁盘基片40 片，磁盘的几何尺寸为Υ96、12 mm ×Υ24 mm × Η1 、38 mm。

在研磨过程中采用 PVA 固结磨料磨具，利用气缸驱动特定的机构对研磨盘加载，单磁盘基片的负载形式简化为图 2 所示形态。

在硬磁盘基片的双面研磨过程中 ，工件和磨具之间是一个较复杂的接触状态。

我们将磨料在切削过程中采用“固 -固”接触方式，研磨液只起冷却作用，对其动压效应影响很小。

由于在固结磨料研磨过程中，工件围绕行星轮轴回转运动，且工件的直径远小于磨具盘的直径，在给定研磨周期内，工件同半径各点相对磨具中心运动的平均摩擦历程相同，所以认为接触是轴对称的；

硬盘基片、磨具和基盘的材料在力学性能上都是各向同性的。 基于以上几点，我们可以将对硬磁盘研磨接触问题认为是一个弹性力学的层状材料的轴对称接触问题。

硬磁盘的研磨的物理模型与数学模型建立

根据上述观点，图2即为铝质硬磁盘基片双面研磨的接触物理模型 。

其属于层状材料的轴对称接触问题 ，接触的轴向应力 σz 、径向应力 σr 、剪切应力 τrz和径向位移 u 与轴向 w 位移必须满足基本力学平衡方程。

各个接触界面的接触应力与变形取决于各层材料的杨氏弹性模量 E 、泊松比 v 和各层的厚度h ，以及以下研磨接触边界条件：

硬磁盘基片双面研磨的接触压强有限元计算结果分析

对于上述力学问题，采用解析法获得压强分布是十分困难的问题，也只能在大量的简化条件下得到近似解。

我们利用边界条件，以及 ANSYS 中二维接触单元建立的接触和摩擦模型，并数值模拟接触面间相互作用和变形协调过程，从而获得接触界面的压强分布和相关物理和几何参量的效应。

按图 2 所示的硬磁盘基片双面研磨的物理模型，有限元模型可以采用双轴对称模型，根据有限元划分网格的原则，取图2的 1/4 进行网格划分。

我们选用ANSYS二维轴对称 PLANE42 进行网格划分。在被研究的硬磁盘基片与 PVA 磨块的接触部分焦点的部位, 将进行网格细化, 在其他地方的网格划分取粗糙些。

这样,既可以达到仿真的精度要求, 又可以提高计算效率。

硬磁盘基片行星式研磨主要采用 PVA 磨具，磨具弹性模量的变化主要取决于 PVA 磨具中磨 料粒度的变化和预浸泡饱和度等。

在其经过 24 h 的预浸泡达到饱和状态下，磨具粒度从800#到4000#的杨氏弹性模量为 E1=300～4000 MPa，泊松比 ν为 0.33 。

磁盘基片的材料为 Mg -Al 合金，型号为 5086D，经过 24 h 热处理后的弹性模量和泊松比分别为 E0=185 GPa 和 ν0=0.35 。

研磨基盘的材料为铝合金，弹性模量和泊松比分别为E2=71GPa和ν2 =0.33。

在研磨过程中不同弹性模量，以及厚度的 PVA 磨具，都会影响到研磨过程中硬磁盘基片与磨具间的接触压强分布状况。

图 3 为基片的平均负载 P =5.823 kPa 和模块厚度为 h1 =20 mm 的条件下，改变 PVA 磨具的杨氏弹性模量后，基片表面的接触变形状态和接触表面压强分布。

由于 PVA 磨具弹性模量相对磁盘软垫抛光的弹性模量(聚胺脂抛光垫E=0.1～2.1 MPa，ν=0.1～0.45)比较大。

虽然值有所改变，但是在给定的 PVA 磨具 E1 =300～4000 MPa 来说，对硬磁盘接触变形的状态的影响却不显著。

这个结果对研磨作用的外界负载和不同的模块厚度来说，获得的规律是相同的，只是数值上的略有差异。

对压强分布来说，在磁盘基片内径和外径邻域内压强有明显增加的趋势。

且随着PVA 磨具杨氏弹性模量的增加，磁盘基片内径边缘接触压强的缝制随之降低，但是磁盘基片外径边缘接触压强峰值却增加。

在无量刚半径 r/ r 0 ∈[0.38 , 0.90] 区域内压强基本保持恒定。在 PVA磨具的弹性模量较小的情况下，磁盘有效工作区域内接触压强更小。

在磁盘基片研磨过程中，磨具从开始使用到寿命结束为止，其厚度变化要求在10～50mm 之间。

图 4 为磨具弹性模量 E1 =2155 MPa 时改变PVA 磨具的厚度引起硬磁盘接触状态和压强分布的变化。

可以看出，硬磁盘接触变形状态随PVA 磨具厚度的影响并不显著，而接触表面压强分布却有较大的变化。

随着 PVA 磨具厚度的增加，磁盘基片内径边缘及外径边缘接触压强的峰值随之升高，且在 r/ r 0 ≤0 .33 或 ≥0.9 区域内出现较大的波动。

而磁盘表面有效区域内的接触压强较低，呈现凹状变化。当厚度达到10 mm时磁盘表面 r/ r 0 ∈[0.32 , 0.95] 区域内的接触压强变得平直均匀。

压强分布与平面度相关性验证。

我们在使用压感膜法和压膜传感器法测量接触压强时，由于压感膜和压感传感器作为层状第三介子的加入，已经改变了实际接触状态，结果不能反映研磨接触的真实状态。

目前在确定研磨与抛光过程的压强分布时只能通过观察被研磨基片表面材料的去除分布状态来间接验证。因此，去除材料法仍是最有效的方法。

在基片研磨过程中，如果沿基片表面半径方向研磨相对速度分布保持恒定或在给定的研磨周期中相对摩擦长度保持恒定。

那么基片表面材料的去除分布取决于接触压强的分布形态，压强越大材料的去除厚度也越大。

在研磨盘转速 n0 =50 r/min，太阳轮转速 n1 =30 r/min ，研磨平均压强 P =5.823 kPa，磨块厚度h1 =20mm， 研磨周期T=3 min的条件下，开展实验。

此时经过数值模拟基片或料架半径方向上摩擦长度保持恒等。那么基片表面最终的轮廓将与研磨的初始压强分布相关。

实验用的基片进行预加工并筛选, 保证初始平面度和厚度误差小于 0.1 μm 。

利用分辨率为0.01 μm 的电感比较仪测量研磨前后基片相对点的厚度，经过数据处理得图 5 所示的基片表面材料去除分布结果 。

可以看出其表面材料去除的规律和计算结果保持相关，压强越大处材料去除量也越大 。

在实际生产中考虑到加工效率和质量问题，加工工艺安排方面要求精密研磨采用 2000 #～4000#细粒度磨具，且控制磨块厚度在10～20 mm，以便保证研磨精度 。

在初研磨中采用较粗粒度磨料，粒度控制在 300 #～1000 #，厚度保证在10 ～ 50 mm，以便提高生产率和磨具的利用率 。

结论

铝磁盘基片与PVA 磨具的接触压强的分布不均匀，在基片的内径和外径邻域内接触压强增大，并导致材料去除率增大，使被加工基片产生平面度误差 。

磨具厚度的变化和磨具粒度变化所带来的弹性模量的变化，都将影响到接触压强分布的形态。

在磁盘的有效工作区域内随着磨具厚度的降低可以改善压强分布的均匀性，使得材料的去除变得更均匀，而厚度的增大对磁盘基片边缘的影响区域增大 。

磨具粒度的变化所引起的弹性模量变化，对环状区域的中心处压强分布的影响并不显著。

而对内径和外径邻域的影响呈现了相反的趋势，合理地选择 PVA 磨块杨氏弹性模量与较小的PVA 磨块厚度。

可以使硬磁盘接触表面压强场分布趋向均匀，从而在不降低生产率的情况下，改善磁盘有效区域的平面度。