随着当今科技快速发展,在微电子、生物医学和光学领域,超光滑平面元器件的需求越来越大,通常需要元件的表面粗糙度达到纳米级,对表面加工质量的要求也越来越高。磁流变抛光是一种有效的超光滑、低损伤的确定性新型光学表面加工技术,具有加工效果好、无次表面损伤产生和适合复杂表面抛光等传统加工所不具备的优点,然而传统的磁流变抛光方法是利用抛光“缎带”与工件表面“点”接触式加工,导致加工效率低。本文基于集群原理和旋转磁极动态磁场磁流变效应提出由集群布置的磁极同步偏心旋转形成动态磁场集群磁流变效应平面抛光技术,研制了动态磁场集群磁流变平面抛光的试验装置以及工件夹持装置,利用集群布置的磁极相对抛光盘偏心旋转形成动态磁场,使磁流变抛光液中的磁性粒子沿着磁力线方向运动,推动磨料颗粒在抛光垫上重新分布,实现集群磁流变抛光垫性能和形状的实时恢复,达到工件表面高精度、高效率和均匀化的磁流变抛光。在动态磁场集群磁流变平面抛光装置上,对2英寸单晶硅片进行系统单工件抛光试验,通过单因素试验和正交实验获得了单工件抛光的最优工艺参数:加工间隙为1.0mm,磁极偏心距为6mm,磁极转速为70r/min,工件Y向偏摆,偏摆位移为40mm,偏摆速度、抛光盘转速和工件转速分别为400mm/min、60r/min和350r/min,采用优化的参数对原始研磨片表面粗糙度Ra 213nm的单晶硅基片进行4h抛光后,表面粗糙度下降到Ra 2.46nm,材料平均去除率为0.0783μm/min。采用动态磁场集群磁流变平面抛光装置同时对三片单晶硅基片进行多工件磁流变抛光加工,对比分析了不同抛光方式对单晶硅基片的抛光效果,研究表明在多工件抛光方式下,双环抛光垫能够提供更多数量的微磨头对工件进行加工,三工件工具头使单晶硅表面在加工过程中具有更高的线速度,从而增强磨料颗粒对单晶硅表面的塑性去除作用,适用于大面积工件的加工。多工件抛光的最佳工艺参数条件:加工间隙1.0mm,磁极偏心距6mm,工件Y向偏摆,偏摆位移40mm,偏摆速度600mm/min、抛光盘转速50r/min、磁极转速90r/min和工件转速350r/min,采用最佳抛光工艺对原始表面粗糙度Ra 0.48μm的单晶硅基片连续加工5个小时后,表面粗糙度下降到了Ra2.42nm,材料去除率为0.0812μm/min,获得超光滑、均匀化的表面。基于流体力学和普雷斯顿方程,研究了工件转速、磁极转速、磁极偏心距、抛光盘转速、加工间隙等工艺参数对工件表面抛光压力的影响,结合Preston方程和三向测力仪测试结果对动态磁场磁流变效应的持续恒压加工理论进行了深入分析,建立了动态磁场集群磁流变恒压抛光模型,理论计算分析了各工艺参数对材料去除率的影响规律,并且与抛光实验结果具有较好的一致性。