光纤端面研磨加工的表面质量

研究光纤端面研磨时高质量表面的形成机理已成为提高光纤连接器质量和制造效率的重要课题。选用粒度为0．5-6．0μm金刚石磨料砂纸,在KE-OFP-12型光纤连接器研磨机上对光纤端面进行研磨,发现光纤研磨加工存在脆性断裂、半脆性半延性和延性等三种材料去除模式,且材料去除模式主要由磨料粒度控制,磨料粒度为3μm 时,为其脆延转换的临界点,并从理论上对其进行了分析。试验证明以延性去除得到的光纤表面粗糙度远低于以脆性断裂去除得到的表面粗糙度,是提高光纤研磨表面质量的有效途径。光纤以延性模式研磨加工时,光纤表面粗糙度可达到5nm,其表面看不到任何划痕,可使光纤连接器的插入损耗及回波损耗等光学性能满足高速、宽带光纤通信的要求。     

粘结磁性磨料制备及其研抛加工研究

采用粘结法制备磁性磨料,对磨料制备工艺进行了优化,确定了最终的工艺方案.通过实验对所制备的粘结磁性磨料进行了性能分析,结果表明磁性磨料粒度为40目时研磨效果最佳,用于模具钢的磁性研磨原始表面Ral.87微米经过4分钟加工可降低到Ra0.4微米左右;氧化铝磁性磨料比碳化硅磁性磨料具有更好的耐用度,持续研磨加工时间可达16分钟;研磨初期工件表面粗糙度快速降低,之后降低趋于平缓;采用由粗到细的磁性磨料分步加工可有效降低表面粗糙度值、缩短加工时间,原始表面Ra2.092微米经过40目、60目、80目磁性磨料各加工4分钟后粗糙度可以达到Ra0.11微米.     

蓝宝石基片的单面研磨工艺研究

为了实现蓝宝石基片的快速平坦化,对蓝宝石基片进行系统的单因素单面研磨试验,研究了磨料种类、磨料粒径、研磨盘转速、研磨压力以及磨料质量分数等研磨工艺参数对蓝宝石基片材料去除率和表面粗糙度的影响规律。试验结果表明:金刚石磨料适合蓝宝石基片的单面研磨;随着磨料粒径的增大,材料去除率逐渐增大,表面越来越粗糙;随着研磨盘转速的增大,材料去除率先增大后减小,表面粗糙度值在20～60 r/min区间变化不大,稳定在Ra 0. 12～Ra 0. 13μm之间,而在60～100 r/min区间波动较大,当研磨盘转速为60 r/min时,材料去除率最大;随着研磨压力的增大,材料去除率逐渐增大,而表面粗糙度值越来越低;随着磨料质量分数的增大,材料去除率先增大后减小,表面粗糙度先增大然后趋于平缓,当磨料质量分数为3 wt%时,材料去除率最大,且表面粗糙度值相对较小;最后通过正交试验优化了工艺参数,在优化的工艺条件下依次选用粒径为W40、W14、W3的金刚石磨料对蓝宝石基片进行粗研、半精研及精研,取得了表面粗糙度为Ra 7. 9 nm的平坦表面。     

三相射流关键工艺参数试验研究

介绍了三相射流加工的系统组成及其工作原理.通过安排正交试验探索气体压强、磨料粒度等关键工艺参数对去除量、表面粗糙度的影响.根据测得的结果得出:气体压强越高,去除量越大;磨料粒度越细,表面粗糙度值越小,去除量也越小,但当用W3的白刚玉加工时,因其粒度太细,去除量过小,表面粗糙度改善有限.     

永磁场磁力研磨316L不锈钢实验研究

基于磁力研磨,采用永磁极吸附雾化法制备的新型球形磨料,对316L不锈钢进行光整加工.研究了当加工时间和磁感应强度为定值时,主轴转速、加工间隙、磨料粒径、磨粒相粒径对表面粗糙度和材料去除量的影响及其变化规律.并利用正交设计得出优化的加工参数:转速S=1 000 r/min,加工间隙δ=1.5 mm,磨料粒径为150～124μm时(磨粒相粒径为6μm),工件经研磨后平均原始表面粗糙度可由研磨前的0.275μm下降到0.038μm(工件最初表面粗糙度值为2.76μm).     

散料研磨工艺对工件表面质量及材料去除率的影响

通过实验探讨了散料研磨过程中磨料种类、磨料粒度和研磨剂装入量等工艺参数对工件表面质量和材料去除率的影响.实验结果表明,随磨料粒度的增大,工件表面粗糙度值、残余应力和材料去除率增大;采用相同粒度磨料研磨,磨料的硬度越高,工件表面残余应力和材料去除率越大.硬度高、脆性大的磨料,可有效减小研磨表面粗糙度值;随研磨剂装入量的增大,表面残余应力减小.对工件表面粗糙度和材料去除率而言,研磨剂装入量有一最佳值,装入量过小或过大,均会降低工件表面质量和研磨效率.     

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。     

高精度氮化硅陶瓷球批量加工研磨工艺研究

为解决高精度氮化硅陶瓷球批量研磨加工的问题,将超精密研磨技术应用到氮化硅陶瓷球的加工实验中.开展了研磨过程的分析,建立了不同研磨阶段陶瓷球球度、表面质量及材料去除率与所选不同大小粒度磨料之间的关系,并提出了对比分析的方法,在通过专业设备检测的基础上对成品球球度、表面粗糙度和振动值进行了评价.研究结果表明,氮化硅陶瓷球能够批量生产且球度达到0.062μm以下,表面粗糙度达到1.48 nm以下,振动值达到24 dB以下,实现了批量生产G3级氮化硅陶瓷球的目的.     

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。     

纳米聚集氧化硅固定磨料抛光布的抛光特性

针对传统磨料的固定磨料抛光布容易在加工表面产生划伤,以及材料去除效率低等问题,提出了采用微米级球形聚集氧化硅粒子的固定磨料抛光布。将纳米聚集氧化硅粒子添加到抛光布中,用pH为10.5的碱性水溶液替代传统的抛光液,进行了Si基板的的抛光加工试验。与传统采用不规则形状天然氧化硅及球形熔融氧化硅固定磨料抛光布进行了比较,得到了纳米聚集氧化硅的固定磨料抛光布的加工特性,并讨论了它的基本参数对加工特性的影响。实验得到了与现行纳米抛光液(重量百分比为3%,pH=10.5)相同的材料去除率,加工表面粗糙度降低了约30%。与传统不规则形状天然氧化硅磨料抛光布相比,纳米聚集氧化硅抛光布的磨料为球形,弹性系数仅为其1.4%~60%,因此不易划伤抛光表面。与熔融氧化硅抛光布相比,纳米聚集氧化硅抛光布在pH为10.5的碱性水溶液中磨料表面可吸附的[-OH]离子提高了25倍,使得液相化学去除作用增大至去除率的70%以上。另外,随着纳米聚集氧化硅的微米粒径的增大,固定磨料抛光布的纳米级加工表面粗糙度几乎不变,但对前加工面表面粗糙度的去除能力明显增大,表现出微米粒径效应。     

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。     

氮化硅陶瓷球研磨去除机制试验与仿真研究

为研究研磨过程中氮化硅陶瓷球的材料去除形式及磨损行为,结合陶瓷材料动态压痕断裂力学理论,进行陶瓷球研磨加工试验,采用超景深三维显微镜和扫描电镜对研磨后陶瓷球表面进行观察,同时建立单颗金刚石磨粒冲击作用有限元模型并进行仿真研究。试验结果表明:氮化硅陶瓷球表面材料去除以脆性断裂去除和粉末化去除为主,陶瓷球表面残留有大量贝壳状缺陷和呈簇状随机分布的粉末化材料区域;研磨过程中,陶瓷球表面存在擦伤、划伤和凹坑等缺陷;磨粒冲击作用时,表面材料会受微切削作用产生破碎去除,同时也会受挤压作用产生脆性断裂去除,当磨粒以滚动方式作用在陶瓷球表面时,陶瓷球表面更容易形成粉末化去除,且材料去除率更高。仿真结果表明:各磨粒冲击作用方式产生的最大等效应力由大到小的顺序为滚动磨粒变切深、滚动磨粒定切深、磨粒挤压、滑动磨粒定切深,其中,滚动磨粒变切深产生的亚表面裂纹最深。     

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。     

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。     

Experimental study of lapping and electropolishing of tungsten carbides

Lapping and electropolishing (EP) experiments for tungsten carbide blocks were executed. The effectiveness of the lapping experiment is evaluated in terms of the material removal rate, the surface roughness, and wear of the workpiece. The material removal rate describes the thickness removal of the workpiece under a fixed surface area. Wear describes a microscopic study of the wear track. The results show that the material removal and surface roughness increase as the grain size of the abrasive increases. Four main wear mechanisms -- abrasive wear, fracture, adhesive wear and scratch -- are observed during the lapping of tungsten carbide using silicon carbide abrasive. In the electropolishing experiment, four different machining characteristics -- sub-electropolishing, crack, electropolishing, and pitting -- can be analyzed as the applied current is increased. Although material removal is close to Faraday’s law during electropolishing, it disagrees with Faraday’s law after 400 s of sub-electropolishing.     

陶瓷材料的超精密磨削加工

对陶瓷材料超精密磨削加工的研究结果表明,陶瓷等脆性材料的磨削表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、进给量等因素有关。只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸小于１８ ．５μｍ 时,才能在塑性磨削模式下加工出表面粗糙度为ｒｍｓ４ ．１５ｎｍ 、 Ｒａ３ ．０７ｎｍ 的高质量光滑表面。     

Surface roughness and material removal rate of lapping process on ceramics

Lapping is a widely used surface finishing process for ceramics. An experimental investigation is conducted into the lapping of alumina, Ni−Zn ferrite and sodium silicate glass using SiC abrasive to study the effect of process parameters, such as abrasive particle size, lapping pressure, and abrasive concentration, on the surface roughness and material removal rate during lapping. A simple model is developed based on the indentation fracture and abrasive particle distribution in the slurry to explain various aspects of the lapping process. The model provides predictions for the surface roughness,R _a andR _t , on the machined surface and rough estimation for the material removal rate during lapping. Comparison of the predictions with the experimental measurements reveals same order of magnitude accuracy.     

单晶蓝宝石的延性研磨加工

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工,采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性,建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件,分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果.对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验,采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征.试验结果表明:采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数,单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm,金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工,实验条件下的最佳载荷为21 kPa,延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好,分散性小,研磨后的表面发生了位错滑移变形.     

A review on ductile mode cutting of brittle materials

Brittle materials have been widely employed for industrial applications due to their excellent mechanical, optical, physical and chemical properties. But obtaining smooth and damage-free surface on brittle materials by traditional machining methods like grinding, lapping and polishing is very costly and extremely time consuming. Ductile mode cutting is a very promising way to achieve high quality and crack-free surfaces of brittle materials. Thus the study of ductile mode cutting of brittle materials has been attracting more and more efforts. This paper provides an overview of ductile mode cutting of brittle materials including ductile nature and plasticity of brittle materials, cutting mechanism, cutting characteristics, molecular dynamic simulation, critical undeformed chip thickness, brittle-ductile transition, subsurface damage, as well as a detailed discussion of ductile mode cutting enhancement. It is believed that ductile mode cutting of brittle materials could be achieved when both crack-free and no subsurface damage are obtained simultaneously.     

Predictive Modeling of Surface Roughness in Grinding of Ceramics

The surface roughness represents the quality of ground surface since irregularities on the surface may form nucleation for cracks or corrosion and thus degrade the mechanical properties of the component. The surface generation mechanism in grinding of ceramic materials could behave as a mixture of plastic flow and brittle fracture, while the extent of the mixture hinges upon certain process parameters and material properties. The resulting surface profile can be distinctively different from these two mechanisms. In this article, a physics-based model is proposed to predict the surface roughness in grinding of ceramic materials considering the combined effect of brittle and ductile material removal. The random distribution of cutting edges is first described by a Rayleigh probability function. Afterwards, surface profile generated by brittle mode grinding is characterized via indentation mechanics approach. Last, the surface roughness is modeled through a probabilistic analysis of ductile and brittle generated surface profile. The model expresses the surface finish as a function of the wheel microstructure, the process conditions, and the material properties. The predictions are compared with experimental results from grinding of silicon carbide and silicon nitride workpieces (SiC and Si₃N₄, respectively) using a diamond wheel.