磨粒粒径对蓝宝石研磨均匀性影响的试验研究

通过蓝宝石衬底的单面研磨试验研究,分析了W14和W3.5的B4C磨粒研磨后蓝宝石表面的微观形貌和宏观形貌,W14的B4C磨粒加工后蓝宝石表面微观裂纹密集且交错分布,体现了以滚轧和挤压为主的材料脆性去除作用,相同条件下,W3.5的B4C磨粒加工的蓝宝石表面划痕均匀,表面无微观裂纹,实现了以切削为主的材料延性去除形式.测试分析结果表明:磨粒粒径的选择对蓝宝石的研磨表面状态具有重要影响,其选择准则除考虑要达到的粗糙度等级之外,还必须同时考虑与研磨盘的嵌入作用及其对加工表面状态的影响;W3.5的B4C磨粒研磨加工后的蓝宝石表面宏观和微观均匀性良好,表面粗糙度、平面度等符合抛光前道工序的要求.     

硬盘巨磁电阻磁头的超精密抛光工艺

硬盘巨磁电阻磁头的抛光可分为自由磨粒抛光和纳米研磨,在自由磨粒抛光中,精确控制载荷和金刚石磨粒的粒径,可以避免脆性去除实现延性去除。通过控制抛光过程中的抛光盘表面粗糙度、金刚石粒径大小及粒径分布和载荷等进行滚动磨粒和滑动磨粒比例的调控,获得较好的磁头表面质量和较高的材料去除率。在自由磨粒抛光阶段,先采用铅磨盘抛光,然后用锡磨盘抛光,以纳米研磨作为最后一道抛光工序对磁头表面进行研磨,获得了亚纳米级粗糙度的磁头表面。用两种工艺制作的纳米研磨盘进行加工,分别获得了0.37nm和0.8nm的磁头表面粗糙度,去除率分别为5.3 nm/min和3.9nm/min。     

磨粒粒径对蓝宝石研磨均匀性影响的试验研究

通过蓝宝石衬底的单面研磨试验研究,分析了W14和W3.5的B₄C磨粒研磨后蓝宝石表面的微观形貌和宏观形貌,W14的B₄C磨粒加工后蓝宝石表面微观裂纹密集且交错分布,体现了以滚轧和挤压为主的材料脆性去除作用,相同条件下,W3.5的B₄C磨粒加工的蓝宝石表面划痕均匀,表面无微观裂纹,实现了以切削为主的材料延性去除形式。测试分析结果表明：磨粒粒径的选择对蓝宝石的研磨表面状态具有重要影响,其选择准则除考虑要达到的粗糙度等级之外,还必须同时考虑与研磨盘的嵌入作用及其对加工表面状态的影响;W3.5的B₄C磨粒研磨加工后的蓝宝石表面宏观和微观均匀性良好,表面粗糙度、平面度等符合抛光前道工序的要求。     

单晶硅纳米力学性能的测试

对材料纳米力学性能测试手段进行了研究,着重分析了纳米压痕技术的原理和方法.结合纳米压痕技术,采用尖端四面体Vickers型单晶金刚石压头对单晶硅(100)晶面进行了纳米压痕实验测试.实验发现,在载荷为1 000 mN时,晶体硅出现了明显的裂纹和脆性断裂;而在载荷低于80 mN的情况下,晶体硅则表现出延性特性.此外,在不同载荷条件下对晶体硅的硬度进行了实验测试,测试结果发现,不同载荷条件下晶体硅的硬度测量值存在较大的差异,认为导致这种差异的原因在于压痕区域晶体硅所受压力不同,使得晶体硅内部结构发生了改变,较为准确的单晶硅的硬度测量值为15.7 GPa.     

易解理氧化镓晶体微尺度力学行为试验研究

为了探寻单晶氧化镓晶体超精密加工的易切削方向以及临界切削深度,将单晶氧化镓晶体(100)晶面和(010)晶面等角度划分成24等份,对每个方向上用Berkovich金刚石压头进行纳米压痕试验、用Cube金刚石压头进行纳米压痕和划痕试验。试验结果表明,在(100)晶面120°方向上脆塑转变临界切深最大,为623 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为29.4 mN;在(010)晶面105°方向上脆塑转变临界切深最大,为686 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为20.0 mN。氧化镓晶体存在强烈的各向异性,其中(010)面各向异性较为强烈。对比硬度、弹性模量、断裂韧度和相对脆塑转变临界切深随方向的变化趋势,结合各方向的划痕试验结果可以看出,氧化镓晶体(010)面为易加工晶面,105°方向为易加工方向。     

蓝宝石晶体双面研磨加工的实验研究

为了实现对蓝宝石晶体的高效低损伤研磨加工,对蓝宝石晶体的双面研磨加工表面粗糙度、研磨均匀性和亚表面损伤层的深度进行试验研究。采用280#碳化硼磨粒双面研磨(0001)面蓝宝石晶体,首先考察了研磨时间对材料去除速率、表面粗糙度的作用规律,根据蓝宝石晶体切割表面状态确定了双面研磨的加工余量,接着,通过WYKO粗糙度仪从微观上分析了蓝宝石晶体表面的研磨均匀性,最后应用纳米压入测试分析了亚表面损伤层的深度。实验结果表明：蓝宝石晶体经过120分钟的双面研磨加工后可以获得Ra0.523μm,Rt<6.0μm的表面,亚表面损伤层小于1μm。     

蓝宝石磨削表面微观形貌特征研究

蓝宝石单晶因其耐高温、耐腐蚀及高硬度,广泛应用于兵器、航空与航天等领域。蓝宝石磨削加工表面形貌特征对其后续加工及使用性能有重要影响。为分析不同加工因素下的蓝宝石表面形貌特征,进行了不同结合剂、不同粒度的金刚石砂轮蓝宝石磨削试验,利用白光干涉仪对工件表面粗糙度进行了检测,利用扫描电子显微镜对表面微观形貌特征进行了分析。试验结果表明,当磨削深度处于亚微米级尺度内时,树脂结合剂砂轮加工表面质量优于金属结合剂砂轮加工表面质量;减小砂轮磨粒直径有助于提高加工表面质量;较高的砂轮磨削速度不利于获得表面粗糙度值小的加工表面;在脆性断裂去除模式下,蓝宝石表层材料剥落易形成不规则凹坑,光滑台阶状断裂面的形成与蓝宝石单晶解理有关,并且磨削深度越大,加工表面解理断裂特征越显著。     

AFM的纳米硬度测试与分析

基于原子力显微镜(AFM)和金刚石针尖建立了一套纳米压痕测量系统。通过向系统发送控制电压使金刚石针尖在完成加载和卸载全过程的同时进行实时的数据采集并直接绘出载荷-压深曲线。利用该系统,对单晶铝和单晶铜薄膜材料进行了单点压痕实验,用美国Hysitron公司的纳米原位测量仪(TriboIndenter)做了验证试验。实验结果表明,该系统适合测量较软材料的纳米硬度。分析了基体材料对薄膜硬度和弹性模量的影响,在薄膜厚度低于5~10倍压入深度时,基体对薄膜材料的力学性能影响很大;并根据获得的载荷－压深曲线分析得出由于尺度效应的影响,随着压痕深度的减小,薄膜的硬度值呈明显的上升趋势,弹性模量没有这个趋势。     

应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石

通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备了具有球状晶结构、棱锥形晶结构和棱柱形晶结构等3种不同表面特征的化学气相沉积(CVD)金刚石涂层工具,以提高其研磨效率。通过正交实验法研究了金刚石涂层晶粒形态、载荷、工作台转速、研磨时间等4个工艺参数对蓝宝石材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:金刚石涂层的晶粒形态对材料去除率和表面粗糙度影响较大;球状晶结构金刚石涂层切向力较小,棱柱形晶结构金刚石涂层切向力较大;选择棱柱形晶CVD金刚石涂层工具研磨蓝宝石,在研磨加工参数为载荷0.15 MPa、转速100 r/min、研磨时间3 min时,其材料去除率为0.397μm/min,表面粗糙度为0.354μm。结果表明:提出的CVD金刚石涂层工具可用于进一步加工、研磨蓝宝石切片,去除其表面划痕,从而改善工件表面质量。     

硬脆性材料用柔性磨具研磨的加工表面粗糙度建模

通过分析磨粒与工件表面的作用过程,建立了硬脆性材料柔性磨具加工表面粗糙度的理论预测模型.以橡胶结合剂金刚石研磨盘为柔性磨具、蓝宝石衬底为工件,在不同弹性模量、磨粒浓度、磨粒粒度和研磨压力下开展研磨试验,将不同研磨条件下的表面粗糙度试验值与理论预测值进行比较,发现试验结果与理论模型预测结果的趋势一致,且预测误差为7.71...     

碳化硼研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤

介绍了蓝宝石材料的亚表面损伤形成机制。考虑碳化硼磨料可产生较小亚表面损伤的优点,本文基于游离磨料研磨方式,研究了不同粒度碳化硼磨料研磨后蓝宝石晶体的亚表面损伤。利用KOH化学腐蚀处理技术,对研磨后的样品进行了刻蚀;通过特定的腐蚀坑图像间接反映了蓝宝石晶体的亚表面损伤形貌特征,获得了W20、W10和W5碳化硼磨料产生的亚表面损伤深度,得到了在不同刻蚀时间下蓝宝石亚表面损伤形貌、表面粗糙度和刻蚀速率。研究结果显示:游离碳化硼磨料研磨造成的蓝宝石晶体的亚表面损伤密度相当显著,但损伤深度并不大,其随磨料粒度的增大而增大,W20、W10和W5粒度的磨料研磨后产生的亚表面损伤深度分别为7.4,4.1和2.9μm,约为磨料粒度的1/2。得到的结果表明采用碳化硼磨料研磨有利于获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片,而采用由大到小的磨料逐次研磨可以快速获得低亚表面损伤的蓝宝石晶片。     

纳米孪晶立方氮化硼机械研磨机理研究

为了将新型超硬纳米孪晶立方氮化硼(nt-c BN)材料制备成能够实现铁基金属材料,特别是硬度较高材料的精密及超精密切削刀具,针对机械研磨方法,从理论和试验角度分别对纳米孪晶立方氮化硼材料的机械研磨机理进行了研究。对纳米孪晶立方氮化硼材料动态脆塑转变临界研磨深度进行了理论分析及试验验证;基于临界研磨深度,实现了对该材料的塑性域精细研磨;利用理论计算及原子力显微镜表面检测结果,针对研磨后塑性沟槽深度及宽度,分析了研磨过程中塑性沟槽形成机理。研究结果表明,纳米孪晶立方氮化硼材料动态脆塑转变临界研磨深度为23.9 nm;使用0.5μm金刚石研磨颗粒研磨材料表面粗糙度达到1.99 nm,PV值77.05 nm;研磨塑性沟槽深度理论最小值2.25 nm,与试验结果相吻合;研磨塑性沟槽宽度为固定、游离研磨颗粒共同作用的结果,宽度保持在亚微米级。因此,纳米孪晶立方氮化硼材料具有较好的可加工性,采用机械研磨方法能够实现较高精度表面的高效率加工。     

光纤端面研磨加工机理研究

给出了研磨光纤时的材料去除机理,选用粒度为微米及亚微米级的金刚石磨料砂纸,在研磨压力为0.48Mpa时,在KE-OFP-12型光纤连接器研磨机上对光纤端面进行了研磨实验.结果表明:光纤研磨加工的材料去除存在脆性断裂、半脆性半延性、延性等3种模式.材料去除模式主要取决于磨料的平均粒度,磨料粒度为3μm时,为脆性断裂到延性研磨的临界转换点.并从理论上对结果进行了分析,光纤以延性模式研磨加工时,光纤表面粗糙度Ra可达到纳米级,其表面看不到任何划痕,而光纤以脆性断裂模式研磨加工时,其表面粗糙度只能达到亚微米级,证明材料以延性模式去除是提高光纤表面质量的有效方法.     

Mechanisms in oxide-carbide ceramic BOK 60 grinding

The paper presents an experimental study of micro-cutting intended to aid the optimization of the grinding process of the oxide–carbide ceramic BOK 60. The necessity for investigating the mechanisms occurring between the abrasive material and the ceramic is imposed by the fact that grinding is the dominant technology used to achieve the required quality of the workpiece surface finish. The investigations were carried out to determine the normal and tangential cutting forces, the critical penetration depth, and the crack generation angle on the workpiece surface as a function of the grain penetration speed and depth. The micro-cutting process was performed with a single diamond cone-shaped grain at varying depths of cut. It was found that the critical grain penetration depth separating ductile flow from brittle fracturing ranges from 3 to 5?μm, while radial cracks on the ceramic’s surface are distributed at an angle from 35° to 75°, measured relative to the direction of the diamond grain’s motion.     

研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料去除率及加工稳定性;制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石,并制备成固结聚集体金刚石磨料垫,探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能;分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明:采用固结聚集体金刚石磨料垫,研磨后工件表面粗糙度低,去除效率稳定;在15~21 kPa的压力下,结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高,材料去除率达到8.94~12.43μm/min,加工性能较稳定,研磨后的工件表面粗糙度R a在60 nm左右;在3.5~7 kPa压力下,结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定,材料去除率在2.67~3.12μm/min,研磨后的表面粗糙度R a在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件,而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。     

单颗磨粒刻划氧化镓晶体表面的裂纹成核位置及扩展方向研究

为了分析新一代光电子材料氧化镓晶体在超精密磨削、研磨加工过程中的裂纹成核位置及扩展方向,建立了单颗磨粒刻划氧化镓(010)晶面的弹性应力场模型,分析了氧化镓(010)晶面的脆塑性转变临界切削深度。通过MATLAB软件分析预测刻划氧化镓晶体过程中表面径向裂纹的成核位置及扩展方向,分析结果表明：当切削深度小于临界切削深度时,径向裂纹成核位置在磨粒的后方,裂纹扩展方向与切削方向之间的夹角在33°左右;当切削深度超过临界切削深度时,径向裂纹成核位置进一步向磨粒后方移动,裂纹生成方向与刻划方向之间的夹角在51°左右。为验证理论分析结果,对氧化镓晶体进行了纳米刻划试验,对比分析表明,氧化镓应力场的解析结果与试验数据高度一致。在线性加载条件下,Cube金刚石压头在氧化镓晶体(010)晶面上产生的径向裂纹偏转角在33.37°~51.45°之间。     

蜂窝状结构半固结磨料研磨盘的制备及应用

针对传统半固结研磨盘由于盘面较软使得加工衬底面形精度难以保证的问题,提出一种蜂窝状结构的半固结磨料研磨盘的设计与制备方法。该研磨盘采用环氧树脂蜂窝结构作为支撑“骨架”,减小研磨盘的变形,以保证研磨衬底的面形精度,同时采用含有金刚石磨粒的凝胶体作为半固结研磨介质实现对衬底的研磨加工,获得了较好的衬底表面质量。基于该原理制备了一套新型研磨盘,并用于蓝宝石衬底的双面研磨加工。试验结果表明,研磨后衬底表面粗糙度较小,表面划痕和裂纹少,能够获得较好的表面质量;相应地,研磨后蓝宝石衬底的面形精度不仅没有变差,反而得到很大的改善,研磨后衬底的翘曲度、弯曲度和总厚度偏差均大幅减小。另外,研磨效率也相对较高,材料去除率可达0.3～0.4 μm/min。试验结果证明了该新型结构研磨盘不仅可以获得较好的表面质量和较高的研磨效率,同时还可提高衬底的面形精度,可用于面形精度要求较高的薄片衬底零件的精密研磨加工。