不同粒径金刚石固结磨料抛光硫化锌晶体研究

磨粒粒径是影响抛光最重要的参数之一,是决定加工效率和工件表面质量的关键要素。采用1~3μm、2~4μm、3~5μm 3种粒径的金刚石固结磨料抛光垫加工硫化锌晶体,分析磨粒粒径对工件表面质量和材料去除率的影响。实验结果表明,磨粒粒径对硫化锌晶体的固结磨料抛光影响显著,随着磨粒粒径的增大,固结磨料抛光硫化锌晶体的材料去除率增大,而表面质量变差。2~4μm金刚石固结磨料抛光垫加工硫化锌晶体可同时获得高材料去除率和优表面质量,材料去除率达到100 nm/min,表面粗糙度为4.37 nm。     

集群磁流变平面抛光加工技术

基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术,对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行静磁场有限元分析优化,结果表明,选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立"微磨头"组成的柔性抛光膜,能实现加工表面与"微磨头"的实际接触面积最大化。通过设置"微磨头"尺寸及数量与工件的接触状态,对K9玻璃、单晶硅和单晶6H-SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带,试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化,并采取优化工艺对三种硬脆材料进行30 min抛光,K9玻璃表面粗糙度从Ra0.34μm下降到Ra1.4 nm,单晶硅从Ra57.2 nm下降到Ra4 nm,单晶SiC从Ra72.89 nm下降到Ra1.92 nm,均能获得纳米级粗糙度表面。     

集群磁流变效应平面抛光力特性试验研究

集群磁流变平面抛光加工硬脆材料可以高效率获得纳米/亚纳米级表面粗糙度,其中集群磁流变效应抛光垫对加工表面的作用力(抛光力)是材料去除的关键因素,搭建了集群磁流变平面抛光三向测力平台,对模拟的集群磁流变抛光加工过程抛光力(切向力F_t和法向力F_n)进行了系统试验研究。结果表明,2'单晶硅片试验条件下集群磁流变平面抛光切向力Ft最大达到32.25 N、法向力Fn最大达到62.35 N、F_t/F_n值为0.46~0.77;对抛光力影响最大的工艺参数是磁场强度和加工间隙,其次是羰基铁粉与磨料质量分数、磁流变液流量、抛光盘转速,工件摆幅与速率影响最小。集群磁流变平面抛光力大小以及Ft/Fn值随着工件材料硬度的增大而增大,具有低正压力高剪切力特征,有利于提高硬脆材料的超光滑平坦化抛光加工效果。     

圆柱型永磁体磁流变抛光头设计及其参数优化

针对传统加工技术存在表面损伤、加工效率低的问题,将极具前景的面接触式超精密磁流变抛光技术应用到3C制造业中。对圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中的抛光垫的形貌进行了研究分析,发现圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中存在一种"环状效应",利用"环状效应"对圆柱型永磁体磁流变抛光头进行了结构设计,并对其进行了设计理念分析;对圆柱型永磁体抛光头在6061的铝合金工件上进行了单因素抛光实验,通过实验获得了最优参数。研究结果表明:该圆柱型永磁体磁流变抛光头能够实现环状加工区域的高效光滑平坦化加工,工件表面粗糙度达到52 nm,材料去除率达9.1μm/min,大大提高了磁流变抛光的效率,为面形精度在微米级的超光滑平面的制造提供了一种高效的加工方法。     

SrTiO3陶瓷基片集群磁流变研磨加工表面特性研究

采用集群磁流变效应研磨加工工艺进行SrTiO3陶瓷基片研磨加工,分析了研磨盘材料、磨粒种类、研磨压力和磨粒团聚等因素对SrTiO3陶瓷基片表面粗糙度和表面完整性的影响。 结果表明:磁流变效应研磨工作液中的SiC、Al2O3和CeO2等磨料的大尺寸磨粒在SrTiO3陶瓷基片研磨加工表面产生的局部大尺寸划痕破坏了加工表面的完整性;采用铸铁研磨盘和SiO2磨料的磁流变研磨工作液研磨加工后,原始表面粗糙度Ra从约1.7854μm下降到0.6282μm,并且表面完整,SrTiO3材料与SiO2磨料之间存在的化学机械研磨过程促进了研磨加工表面性能的改善;研磨压力也是影响研磨加工表面粗糙度和大尺寸划痕的主要因素之一,研磨压力取较小值(1.875kPa）为宜。      

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。     

游离磨料和固结磨料研磨后亚表面裂纹层深度研究

不同研磨方式加工K9玻璃产生不同的亚表面裂纹层深度,亚表面裂纹层深度的测量对确定材料下一步的加工去除量和提高加工效率具有重要意义。利用磁流变抛光斑点法测量游离磨料和固结磨料两种方式研磨后的亚表面裂纹层深度,每种研磨方式选用粒径分别为W40和W14的两种磨料。结果表明:磨粒粒径为W40和W14的游离磨料研磨后K9玻璃的亚表面裂纹层深度分别为20.1μm和3.646μm,而对应固结磨料研磨后的深度分别为3.37μm和0.837μm。固结磨料研磨在加工过程中能有效减小K9玻璃的亚表面裂纹层深度,提高加工效率和工件表面质量,改善器件的性能。     

共轨管微小孔磨粒流抛光实验研究与表面粗糙度预测

针对共轨管微小孔电火花加工表面的光整加工问题,采用磨粒流抛光工艺,并通过正交实验探索了加工参数及其交互作用对孔道表面粗糙度的影响规律;基于二阶响应曲面模型和幂函数模型分别建立了表面粗糙度预测多元非线性回归模型。研究结果表明:加工参数对抛光效果的影响显著,而交互作用对其影响较小;抛光压强、磨料浓度及加工时间对孔道表面粗糙度的影响均为负效应,磨粒粒径大于148μm时对表面粗糙度的影响为正效应,粒径小于该临界值时表现为对抛光效率的正效应影响;在最优参数组合条件下,孔道表面粗糙度值(Ra)由初始的1.31μm降至0.20μm;二阶多项式回归模型相对于幂函数回归模型有更高的预测精度,相关系数高达0.990,预测误差在9.54%以内。     

动磁场磁流变效应抛光垫抛光力特性试验研究

基于动磁场磁流变效应抛光方法,采用微型压电式传感器测试分析动磁场磁流变效应抛光垫法向抛光力特性,研究磁极转速、加工间隙、工件运动方式对动磁场磁流变效应抛光力的影响。结果表明,动磁场磁流变效应平面抛光法向力在抛光垫中心区域最大,pv值在抛光垫的半径6 mm处最大;相对静磁场,在磁极转动的动磁场作用下磁流变抛光力和扭矩呈现大幅度波动的动态行为;动磁场磁流变效应抛光力受到磁极转速影响,大于15 r/min开始产生动磁场,在试验所测得的范围内,磁极转速30 r/min左右有最好效果;工件运动方式是影响磁流变抛光作用力的因素,当工件沿抛光盘径向往复偏摆时扭矩剧烈变化,沿抛光盘法向运动加工间隙减小时抛光法向力会瞬间急剧增大,最大峰值达到稳态值的25倍。     

单晶SiC基片的集群磁流变平面抛光加工

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及研制的试验装置,对单晶SiC基片进行了平面抛光试验研究。研究结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较好的抛光效果;加工间隙在1.4mm以内抛光效果较好,30min抛光能使表面粗糙度值减小87%以上;随着加工时间的延长,表面粗糙度越来越小,加工30min时粗糙度减小率达到86.54%,继续延长加工时间,加工表面粗糙度趋向稳定。通过优化工艺参数对直径为50.8mm(2英寸)6H单晶SiC进行了集群磁流变平面抛光,并用原子力显微镜观察了试件加工前后的三维形貌和表面粗糙度,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从72.89nm减小至1.9nm,说明集群磁流变效应超光滑平面抛光用于抛光单晶SiC基片可行有效且效果显著。     

半固着磨粒加工工艺参数对"陷阱"效应影响的离散元模拟

半固着磨粒加工以"陷阱"效应来降低加工质量和效率对磨粒尺寸分布均匀程度的敏感性,可提高精密、超精密加工的生产效率.对半固着磨具的"陷阱"效应进行离散元模拟,选取多种不同粒径大颗粒,分析加工载荷、工件与磨具的相对速度,以及工件摩擦因数三个加工工艺参数对"陷阱"效应的影响.仿真结果表明:加工载荷越大,半固着磨具"陷阱"效应发挥越好;而工件与磨具的相对速度和工件摩擦因数对半固着磨具"陷阱"效应影响不大;大颗粒尺寸越接近磨具中磨粒的尺寸,半固着磨具的"陷阱"效应发挥越好.     

介电泳效应磨粒流抛光中的电极形态

针对薄壁陶瓷工件内表面抛光,提出一种基于介电泳效应的磨粒流抛光方法。将非均匀电场布置于陶瓷工件外表面,极化磨粒,实现陶瓷工件内表面高效抛光。仿真分析发现:电极间隙比为2时,SiC磨粒具有最好的介电泳效应,参与抛光的磨粒最多。陶瓷工件初始内表面粗糙度值Ra为(208±5)nm时,抛光10 h后,无介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为51 nm,有介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为23 nm。     

磨粒流加工壁面效应研究

数值模拟了圆柱内表面的初始粗糙度、入口流速和内孔直径对壁面流场压力、局部压差及剪切力的影响规律,分析了入口处流场速度和剪切力的形成过程,从磨粒切削作用角度剖析了圆柱内表面入口处过抛现象的形成原因,结合磨粒流加工试验揭示了各参数对壁面效应的影响规律。理论分析和试验结果表明：增大圆孔直径或减小入口流速能有效改善磨粒流流场压力的均匀性,初始表面粗糙度对流场压力数值及其局部压差有微弱影响;入口处圆孔壁面速度突变引起剪切力突变,从而导致磨粒流加工过抛现象;初始表面粗糙度Ra=0.296μm时有利于减弱磨粒流加工的壁面效应,而Ra=4.273μm时有利于提高材料去除速率。     

磁流变抛光表面粗糙度建模与仿真

为研究磁流变抛光表面粗糙度与工艺参数之间的关系,本文建立数学模型并进行了求解验证。通过分析磁流变抛光技术的原理以及磁流变抛光过程中的材料去除机理,结合Preston方程建立磁流变抛光力学模型。分析工件表面受到的正压力,依据磁流变抛光机理对氧化锆陶瓷工件理论模型的流体动压力和磁场产生的磁化压力进行求解分析,具体化磁流变抛光的力学模型,解得正压力。对磁流变抛光的表面粗糙度进行建模,依据单颗磨料的材料去除作用模型建立磁流变抛光的表面粗糙度数学模型,分析抛光过程中影响表面粗糙度的具体因素,并通过MATLAB软件对方程进行仿真求解,得到磁场强度和磨料粒径对表面粗糙度的影响规律。结果表明,表面粗糙度和工件的压入深度存在一阶线性关系;当磨料粒径固定不变时,表面粗糙度随着磁场强度的增大而增大;当磁场强度固定不变时,表面粗糙度值与磨料粒径之间呈现正比关系。通过实验证明了模型和仿真结果的准确性,仿真分析得到的磁场强度与磨料粒径的关系,磁场强度与表面粗糙度之间的关系与实验一致,确定的磁场强度合理范围为0.4T左右,磨料粒径在2.5μm左右。     

单层钎焊金刚石砂轮的精密修整及效果评价

单层钎焊金刚石砂轮作为一种新型的磨削工具,具有磨粒固结强度高、磨粒出露大、容屑空间大等优点,比较适合高效率大切深的强力磨削,然而这种工具对高性能的脆性材料的精密磨削却比较困难。本文通过两种精密的修整工艺,使得加工表面质量大大提高。通过观察砂轮磨粒形态的变化可知,磨粒在修整过程中存在有磨损钝化、破碎、表面粘附等现象;通过对砂轮轮廓的激光测量可知,砂轮的磨粒等高性在修整过程中是明显改善的。通过修整磨粒粒径300μm的钎焊砂轮磨削氧化锆的表面粗糙度达到了Ra0.2μm。     

磁流变效应微砂轮的磨粒半固着机理研究

针对磁流变效应微砂轮抛光工艺,理论分析了磁流变效应磁链对磨粒的有效约束使磨粒处于半固着状态的机理。建立了磨粒受磁链约束的模型,研究了磁流变工作液中磨粒的种类、大小、形状和体积分数等特性对磨粒半固着状态以及所形成的磁流变效应微砂轮性能的影响。进行了磁流变效应微砂轮加工沟槽实验,分析了磨粒特性对材料去除率的影响,实验结果与理论分析相吻合,表明所建立的磁流变效应微砂轮磨粒半固着理论是正确的。     

超薄石英晶片超精密抛光实验的研究

为了解决超薄石英晶片高表面质量的加工问题,以及寻求一种高效低成本的加工方法,将一种新的超精密抛光工艺应用到超薄石英晶片的加工中。给出了加工过程中的抛光原理,制定出了在研磨和抛光过程中的最优实验条件,并对加工后超薄石英晶片的粗糙度和厚度做了详细的分析;讨论了磨粒的尺寸对表面粗糙度和材料去除率的影响,同时对加工过程的材料去除机理做了论述,以表面粗糙度和厚度为评价目标对超薄石英晶片的加工特性和表面质量进行了评价。研究结果表明：使用该实验的工艺加工超薄石英晶片可以得到厚度为99．4μm、表面粗糙度为0．82nm的超光滑表面;同时,该研究还发现通过延长抛光时间可以减小石英晶片的表面残余应力,可有效控制石英晶片四角“翘曲”现象,得到更好的平面度和平行度。     

超声振动辅助固结磨粒抛光硅片表面形成机理及实验

基于超声加工所具有的加工效率和加工表面质量高等特性,提出了一种超声振动辅助固结磨粒化学机械复合抛光硅片新技术。对抛光工具及复合抛光实验系统的建立进行了描述,在此基础上开展硅片抛光表面形貌及材料去除机理的理论及实验研究,得到不同抛光力下的研究结果。所建立的理论模型及实验结果表明,超声振动辅助固结磨粒抛光有利于硅片表面质量及材料去除率的提高,且随着抛光力的增大,抛光表面质量下降,材料去除效果提高。     

Si_3N_4陶瓷的剪切增稠抛光

利用剪切增稠抛光技术(Shear-thickening polishing,STP)对Si_3N_4陶瓷圆柱工件进行的超精密加工,考察所制备的含有金刚石磨粒的抛光液流变行为,分析Si_3N_4陶瓷的金刚石基剪切增稠抛光液的STP特性,研究Si_3N_4陶瓷圆柱工件的加工效率、表面质量及圆度误差精度。结果表明:含有金刚石磨粒的抛光液具有非牛顿幂律流体的剪切增稠性质,当剪切速率(g(5))不断提高时,储能模量(G′)、耗能模量(G″)均呈现出一定的增长趋势,耗散因子(n′)不断降低;Si_3N_4陶瓷的STP加工为持续微切屑"柔性抛光"过程;抛光液中的金刚石磨粒粒径为0.2μm时,工件抛光的材料去除率相对较大,且MRR理论值与试验值的平均误差约为11.7%,表明在抛光区域内STP材料去除模型具有一定的有效性;工件经60 min的STP后,材料去除率由初期4.20μm/h下降到4.00μm/h,表面粗糙度R_a由107.2 nm降至26.5 nm;抛光120 min后,材料去除率会减小至3.85μm/h,表面粗糙度可降至R_a 6.5 nm;由初始圆度误差RONt 1.418mm下降至RONt 0.360mm,实现了Si_3N_4圆柱高效超精密抛光。     

氮化硅陶瓷滚子磁流变、化学与超声复合抛光工艺试验

为实现氮化硅陶瓷滚子抛光的高效、高精度要求,提出磁流变、化学与超声复合的抛光工艺方法。分析复合抛光的加工机理;利用试验机,在不同工艺参数下进行了复合抛光工艺试验,分析各主要工艺参数对抛光材料去除率和滚子表面粗糙度的影响规律,确定出复合抛光的最佳工艺参数。结果表明:复合抛光后陶瓷滚子表面粗糙度Ra由0.3μm减小至0.03μm;在最佳工艺参数下,滚子能够在保持较高材料去除率的同时获得较好的表面质量;材料去除过程主要是磁流变抛光的剪切作用、超声波抛光的冲击作用以及抛光过程中一系列化学反应综合作用的结果。