硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

湿式机械化学磨削单晶硅的软磨料砂轮及其磨削性能

针对干式机械化学磨削(Mechanical chemical grinding, MCG)单晶硅过程中易产生磨削烧伤、粉尘多、加工环境差等问题,研制一种可用于湿式MCG单晶硅的新型软磨料砂轮,并对砂轮的磨削性能及其磨削单晶硅的材料去除机理进行研究。根据湿式机械化学磨削单晶硅的加工原理和要求,制备出以二氧化硅为磨料、改性耐水树脂为结合剂的新型软磨料砂轮。采用研制的软磨料砂轮对单晶硅进行磨削试验,通过检测加工硅片的表面/亚表面质量对湿式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行分析,并与传统金刚石砂轮、干式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行对比。采用X射线光电子能谱仪对磨削前后硅片的表面成分进行检测,分析湿式MCG加工硅片过程中发生的化学反应。结果表明,采用湿式MCG软磨料砂轮加工硅片的表面粗糙度Ra值为0.98 nm,亚表面损伤层深度为15 nm,湿式MCG软磨料砂轮磨削硅片的表面/亚表面质量远优于传统金刚石砂轮,达到干式MCG软磨料砂轮的加工效果,可实现湿磨工况下硅片的低损伤磨削加工。在湿式MCG过程中,单晶硅、二氧化硅磨粒与水发生了化学反应,在硅片表面生成易于去除的硅酸化合物,硅酸化合物进一步通过砂...     

石英玻璃超精密磨削加工的表面完整性研究

为了实现石英玻璃的高效低损伤超精密磨削加工,研究不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面和亚表面质量,建立表面粗糙度与亚表面损伤深度之间的关系模型。通过石英玻璃磨削试验研究400#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面微观形貌、表面粗糙度及其亚表面损伤深度,分析相应的材料去除方式;基于压痕断裂力学理论分析脆性域磨削石英玻璃时工件表面微观形貌和亚表面微裂纹的形成机理,建立表面粗糙度PV值和亚表面损伤深度SSD之间的定量关系。研究结果表明:随着砂轮粒度的减小,石英玻璃磨削表面的凹坑、微裂纹、深划痕等缺陷逐渐减少,表面粗糙度Ra和PV以及亚表面损伤深度SSD均随之明显减小,从400#砂轮磨削表面的R_a 274.0 nm、PV 5.35μm和SSD 5.73μm降低至5 000#砂轮磨削表面的Ra 1.4 nm、PV 0.02μm和SSD 0.004μm。500#和1 500#砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#砂轮磨削表面的材料去除方式同时包括脆性断裂去除和塑性流动去除,但以塑性流动去除为主,5 000#砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度PV与亚表面损伤深度SSD之间满足SSD=(0.627～1.356) PV~(4/3)的数学关系。     

超硬微结构表面模具的精密磨削加工技术

针对超硬模具材料,研究磨削方式(顺磨和逆磨)、进给率和主轴转速等磨削参数对磨削后微结构表面的表面粗糙度和尖锐部分完整性的影响规律.基于磨削结果,对微结构表面质量不均一现象以及微结构表面磨削过程中的砂轮磨损分布进行研究.试验结果表明磨削后的微结构侧表面粗糙度小于底面粗糙度.采用逆磨可以获得更低的粗糙度和更加完整、锋利的尖锐部分.磨削后的表面粗糙度随着进给率的降低而减小,当进给率为0.2 mm·min-1时,微结构底面平均表面粗糙度Ra89 nm,侧面为Ra 60nm.磨削后,尖锐部分圆弧半径随进给率的降低呈现减小趋势,当进给率为0.5 mm·min-1时,其平均圆弧半径最小,为0.67 μm.主轴转速对表面粗糙度和尖锐部分圆弧半径的影响不大.由阶梯光栅表面结构性引起的,相对于其各个表面的磨削轨迹不相同,是导致磨削后阶梯光栅表面质量不均一现象主要原因.在微结构表面的磨削加工过程中,相对于砂轮的径向和轴向磨损,砂轮的形貌磨损更为严重.     

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削硅片性能的研究

微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮,制备效率高且具有良好的力学性能。研究其磨削硅片的性能,利用恒压力平面磨削试验台进行一系列砂轮节块试样硅片磨削实验,分析不同的磨削工艺参数(压力、速度以及时间)下硅片表面粗糙度、表面形貌及砂轮节块磨削比。实验结果表明当磨削压力22N,速度450 mm/s,时间1 h时,硅片表面粗糙度值最小达到0.41μm,砂轮磨削比为0.17,微波烧结陶瓷结合剂金刚石砂轮能够满足硅片的磨削表面质量要求。     

单晶硅反射镜的超精密磨削工艺

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工,研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征,并对单晶硅进行了超精密磨削试验,研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后,采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100mm×5mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明,超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10nm,亚表面损伤深度小于100nm,磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1μm减小到1.5μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。     

微晶玻璃塑性超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明，对于微晶玻璃等脆性材料，其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在vs=1200m/min、f=0～200um/rev、ap=0.1～10um条件下磨削时，只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于20um，才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面，其磨削后的表现粗糙度为rms;8.021nm、Ra:6.200nm。     

磨削参数对GH4169高温合金磨削表面特征影响研究

采用单因素试验法,使用不同特性的砂轮进行GH4169高温合金的外圆磨削试验,研究了单晶刚玉砂轮和CBN砂轮对GH4169高温合金磨削表面特征中表面粗糙度和表面形貌的影响,分析了各磨削工艺参数对表面粗糙度的影响规律,并分析了单晶刚玉砂轮和CBN砂轮切屑的形态,还检测了磨削加工的表面形貌。结果表明：采用粒度为80、中软级、陶瓷结合剂的单晶刚玉砂轮磨削GH4169高温合金时,其磨削表面粗糙度较小,表面特征较稳定;磨削进给运动轨迹构成了试件已加工表面形貌轮廓的主要特征。在工件速度为8~21.66m/min、砂轮速度为15~30m/s、径向进给量为0.005~0.02mm、纵向进给量为1.3~3.6mm/r范围内,可以保证表面粗糙度Ra在0.14μm以内。     

酚醛树脂含水率对金刚石砂轮磨削硬质合金的影响

采用不同含水率的酚醛树脂金刚石砂轮,对硬质合金YG8进行了平面磨削试验,研究了含水率变化导致的砂轮磨削性能变化对磨削比、磨削功率和工件表面粗糙度的影响规律,并对砂轮磨削后表面形貌进行了观测,揭示了酚醛树脂金刚石砂轮磨削性能随含水率变化的规律。试验结果表明:含水率越高,砂轮的组织均匀性就越差,机械性能和磨削性能不稳定且总体趋势变差。磨削比、Ra值在一个耐用度周期内波动较大,不适合精密磨削加工。为了获得良好且稳定的粗糙度表面,应选用含水率小于0.3%的树脂原材料制作砂轮。含水率较低时(<0.3%)磨削功率相对稳定,砂轮表面磨粒脱落率低。但不是含水率越高时磨削性能越差,砂轮的磨削比、磨削钝化速度、粗糙度与含水率不是线性关系。     

基于放电修锐的粗金刚石砂轮干式镜面磨削技术

为解决超硬金刚石砂轮修锐效率较低以及环境友好性等问题，采用干式接触放电修锐(ECD)技术对粗金刚石砂轮进行修锐，获得较高的磨粒出刃，可以实现硬质合金和模具钢等高强高硬材料的高效精密镜面磨削加工。对46#金属结合剂粗金刚石砂轮进行机械修锐和干式ECD修锐，再利用修锐后的粗金刚石砂轮对硬质合金和模具钢进行干式轴向磨削加工，对比分析两种修锐条件下磨削工艺参数对硬质合金干磨削力、磨削表面粗糙度和磨削力比的影响。实验结果表明：硬质合金的干式轴向磨削力及其表面粗糙度随砂轮速度的增大而减小，随进给速度和切削深度的增大而增大；与机械修锐相比，干式ECD修锐能够获得更高的磨粒出刃和更好的表面质量，以及更小的磨削力和磨削力比；硬质合金和模具钢的干磨削表面粗糙度Ra分别可达0.058μm和0.022μm。     

光学玻璃塑性模式超精密磨削加工的研究

利用超精密磨床磨削加工6种典型的光学玻璃,先从理论上研究了脆性材料脆塑转变的临界值,然后对脆性材料作了大量磨削实验,实验结果表明,超精密磨削脆性材料时存在着断裂模式,断裂与塑性模式、塑性模式,这些模式主要由砂轮磨粒的切削深度进行控制,该磨削表面粗糙度与磨粒尺寸的大小,砂轮的进给量及玻璃的材料有关,当光学玻璃在塑性模式磨削时,其表面层不会产生任何裂纹缺陷,利用超精密磨床进行磨削加工,获得的表面粗糙度Ra低于5nm。     

应用环形磁场控制的微粉砂轮制备及其磨削性能

在超精密磨削中,金刚石微粉砂轮的磨粒分布均匀性对提高磨削表面质量至关重要,为了使微粉磨粒规则排布,提出了一种采用环形磁场控制磨粒规则排布的砂轮制备方法,制备了多种金刚石微粉砂轮,使用磁场控制制备的微粉砂轮对硬质合金YG8进行了平面及非球面磨削试验。结果表明:应用环形磁场控制可使金刚石微粉砂轮的磨粒实现规则排布,极大改善砂轮加工性能,利用环形磁控方法制备的砂轮可获得最佳表面粗糙度Ra3 nm、最佳面形精度PV318 nm的光滑镜面。     

垂直式超硬砂轮圆弧修整器设计与砂轮修整

针对圆弧形超硬砂轮修整难度大、修整精度低的问题，对树脂结合剂圆弧形金刚石砂轮进行了精密修整研究。设计制造了一种垂直式超硬砂轮圆弧修整器，通过修整试验研究了不同粒度的圆弧形砂轮在修整前后表面粗糙度、弧形精度、圆度、表面形貌的变化情况。砂轮修整前后对氮化硅陶瓷轴承套圈沟道进行了磨削，并测量了磨削后的轴承套圈沟形精度。研究结果表明：相比修整前，修整后砂轮表面粗糙度平均值由1.731 8 μm减小至0.772 4 μm，减小了55.4%；弧形精度平均值由33.604 7 μm减小至8.527 6 μm，减小了74.6%，修整后4个砂轮的弧形精度更加稳定，且随着砂轮粒度的减小，弧形精度略有减小趋势；砂轮圆度平均值由43.721 μm减小至18.002 μm，减小了58.8%，修整使大量新的磨粒露出。所设计的垂直式超硬砂轮圆弧形修整器可对圆弧砂轮进行精密修整，可改善圆弧形砂轮的弧形精度及圆度，修整后砂轮磨削的轴承套圈沟形精度得到了大幅提高。     

蜗杆砂轮磨齿加工参数优化

以蜗杆砂轮磨削加工20CrMnTi齿轮为研究对象,选择均匀设计试验法,研究磨削参数（砂轮线速度vs、砂轮沿齿轮轴向进给速度vw、磨削厚度ap）对齿面粗糙度的影响。采用二级逐步回归方法建立磨削参数与齿面粗糙度的回归模型,构建了以加工效率、齿面粗糙度为多目标的优化模型,采用粒子群优化算法对磨削参数进行了优化。试验结果表明,使用优化后的磨削参数加工可以提高加工效率、减小齿面粗糙度。     

Grinding damage of BK7 using copper-resin bond coarse-grained diamond wheel

Coarse-grained wheels can realize high efficient grinding of optical glass. However, the serious surface and subsurface damage will be inevitably introduced by the coarse-grained wheels. In this paper, the grinding damage of a copper-resin bond coarse-grained diamond wheel with grain size of 150μm was investigated on optical glass BK7. The wheel was first properly trued with a metal bond diamond wheel, then pre-dressing for the wheel and grinding experiments are carried out on a precision grinder assisted with electrolytic in process dressing (ELID) method. The surface roughness (Ra) of ground surface was measured using an atomic force microscope (AFM) and the surface topography were imaged by a white light interferometer (WLI) and the AFM. The subsurface damage level of ground surface was evaluated by means of both MRF spot method and taper polishing-etching method, in term of the biggest depth of subsurface damage, distribution of micro defects beneath the ground surface, the cluster depth of subsurface damage, relationship between subsurface damage (SSD) and PV surface roughness (SR), propagating distance and pattern of cracks beneath the ground surface. Experimental results indicate that a well conditioned copper-resin bond coarse-grained diamond wheel on a precision grinder can generate good surface quality of Ra less than 50nm and good subsurface integrity with SSD depth less than 3.5ε for optical glass BK7.     

Effects of Abrasive Types on Grinding of Chopped Strand Mat Glass Fiber-Reinforced Polymer Composite Laminates

A grindability study of chopped strand mat glass fiber reinforced polymer laminates (CSM GFRP) has been carried out to evaluate the effects of abrasive types on grinding force ratio and area roughness at varying grinding parameters such as speed, feed and depth of cut. Performances of alumina (Al₂O₃) and cubic boron nitride (CBN) wheels were compared. Both wheels delivered the maximum grinding force ratios at low speed, high feed and low depth of cut. Alumina wheel produced smoother surface when grinding at low speed, low feed and high depth of cut. CBN wheel, on the other hand, gave smoother surface at high feed and low depth of cut conditions, regardless of speed. With CBN wheel, it is likely that a single grinding condition exists that maximizes grinding force ratio and minimizes area roughness. The findings indicate that CBN wheel exhibited higher grinding force ratio than alumina grinding wheel in general. CBN grinding wheel also outperformed alumina grinding wheel by producing smoother ground surface in most cases.     

SUS304不锈钢ELID镜面磨削正交化实验研究

SUS304不锈钢具有高耐腐耐磨性和良好的综合性能而被广泛应用,但其高韧性和低导热性使传统的SUS304不锈钢磨削或车削工艺存在一定困难。在线电解修整ELID(Electrolytic in-process dressing)磨削技术能有效地用于SUS304不锈钢镜面磨削加工。本文主要对SUS304不锈钢进行ELID镜面磨削正交化实验研究以获得合理的工艺参数。首先利用#325砂轮进行7个影响因素2水平的正交磨削实验,获得初步的优化参数,然后利用#1200砂轮进行3个影响因素2水平的正交镜面磨削实验。通过改变削件砂轮转速、X和Y平台移动速度、进给率和ELID电源件等各种磨削条件,获得优化后的磨削工艺参数,进行了相应的磨削验证,并讨论了工艺参数对磨削特性的影响。研究了不同砂轮磨粒对表面粗糙度的影响,使用#8000金刚石砂轮对SUS304不锈钢镜面磨削,获得表面粗糙度Ra=3.6 nm。     

磨削液对陶瓷结合剂CBN砂轮磨削性能影响

分析了磨削液对陶瓷结合剂CBN砂轮磨削性能的影响，使用3种磨削液在精密外圆磨床M1420E上进行了磨削加工实验，用加工表面微观形貌、表面粗糙度R。值、工件表面残余应力以及砂轮径向磨损量对磨削液效能进行评价。结果表明，轻质润滑油不仅能提高工件表面质量，降低表面粗糙度值，而且砂轮磨损量明显降低，乳化液和化学合成液对磨削性能的影响各有利弊，润滑油是陶瓷结合剂CBN砂轮磨削的优选磨削液。