超精密抛光自由曲面光学的表面生成

超精密抛光是一种新兴的用于制造高精度、高品质的自由曲面光学加工技术.该技术可突破其他自由曲面加工技术的限制.如飞刀铣削和快刀伺服加工的低效、非铁材料的局限等.然而,对超精密抛光中表面生成机理的理解,目前还不完善.探讨了超精密抛光过程中加工策略对表面生成的影响.进行了一系列抛光实验.研究结果表明:抛光表面的质量很大程度上依赖于加工过程条件及抛光策略的适当选择.抛光加工不仅可用于去除其他加工方式所产生的不利性刀纹,还可以产生功能性应用的结构性表面.该研究结果为深入理解超精密抛光自由曲面光学的表面生成机理,以及优化超精密抛光的表面质量,提供了重要依据和方法.     

精密数控抛光碳化硅表面去除特性研究

计算机数控精密机械抛光技术是制造高精度、高质量光学元件表面的主要技术之一。然而,对于碳化硅材料表面去除特性方面的研究却相对较少。在航天航空领域中,陶瓷类材料碳化硅的应用较为广泛。针对计算机数控精密机械抛光技术,根据一系列的抛光实验,研究并总结出碳化硅材料表面的去除机理。基于选择不同等级的四种变量参数:抛光磨头转速、抛光压力、磨头补偿量和抛光头角度,分析碳化硅材料表面的去除趋势。采用Taguchi方法可以有效优化实验设计参数、减少实验整体次数。结果表明:文中总结出对应的抛光参数组合和材料表面的去除特性,确保加工出高质量表面的碳化硅材料。     

超光滑光学表面加工技术发展及应用

超光滑表面在现代光学领域的应用愈来愈广泛,相应的超光滑表面加工技术也就成为超精密加工技术的重要组成部分.介绍了超光滑表面的特点,对其加工技术进行了分类比较,认为非接触式加工方式是获得超光滑表面的理想方法.对国内外现有超光滑表面加工技术的发展进行了归纳总结,详细阐述了各种技术的加工原理、加工精度及应用范围等.指出了国内超...     

大口径导光板抛光及其功率谱密度分析

光学技术对于现代科学尤其是航天科学的发展起着越来越重要的作用。而具有高精度大口径光学元器件的跨尺度加工一直是现代光学技术的难点。超精密气囊抛光技术是基于计算机控制光学表面成形技术。其采用充气的柔性抛光气囊作为抛光工具,解决了传统数控抛光方法中抛光头不能很好地和工件吻合的缺点。以Preston方程为基础,研究了超精密气囊抛光的理论材料去除特性,建立了气囊抛光中进动运动方式下的材料去除模型,并针对气囊抛光工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正。在理论分析的基础上完成了一块口径为570 mm的平面楔形工件的抛光,使得工件的面形精度P-V值达到了1/8 ,RMS值达到1/75 。并分析了该元件的功率谱密度（PSD）曲线,窄带噪声及其产生原因。     

综合型精密制造技术实验教学平台研制与应用

为满足高等工程教育实验教学需要,需要建立综合型精密制造技术教学实验平台。文中搭建五轴联动运动台结构及其电控系统,设计了多种超精密抛光及测试子系统,包括气囊抛光子系统、磁射流加工子系统、超声振动辅助子系统、压痕子系统、材料硬度与表面检测子系统、材料亚表面损伤检测子系统,实现了多种加工与检测的教学实验功能。该综合型精密制造教学实验平台具有适用范围广、易组合扩展等特点,为“新工科”背景下高等工程教育实验教学改革和先进制造领域技术研究提供了良好的硬件平台。     

压电超声辅助研磨抛光技术研究进展

研磨抛光是机械加工领域中精密光整加工的重要手段。在传统研磨抛光中,特别是对硬脆性材料进行研磨抛光时,存在高硬度、低断裂韧性和化学性质稳定等特点,对其进行研磨抛光时很难获得理想的加工效率和优越的表面质量等问题。压电超声辅助研磨抛光属于振动研磨技术的一种,它将超声振动磨削技术应用于研磨加工,其高频振动能有效减小研磨力,提高加工效率,可充分发挥硬研磨工艺特点。该文结合压电超声辅助研磨抛光特性和研究方法现状,对国内外超声辅助研磨抛光硬脆材料的发展动态进行了综述与展望。     

高能激光单晶硅反射镜纳米精度控形控性制造技术

单晶硅反射镜是高能激光系统中的重要元件,其加工质量直接影响着高能激光系统的整体性能指标。针对单晶硅反射镜加工过程中产生的各类缺陷问题,本研究团队提出了采用超精密切削、浸没式抛光、磁流变抛光、离子束抛光等超精密加工方法来提升单晶硅元件的加工质量,并开展了相关研究。本文主要综述了本团队近几年在单晶硅制造技术领域取得的研究进展,包括单晶硅纳米精度表面控形制造技术、单晶硅纳米精度本征表面控性生成方法、纳米精度控形控性组合工艺等一系列关键技术。通过探讨高能激光单晶硅元件制造的现状与关键技术,为实现单晶硅元件纳米精度控形控性制造提供技术支撑。     

紫外光催化振动复合抛光

为了满足工业领域的不同要求，研究了碳化硅(SiC)陶瓷超光滑表面且无表面损伤的抛光工艺，提出了一种紫外光催化振动复合抛光新方法。基于紫外光催化反应理论，论述了光催化振动复合抛光的加工机理，进行了不同的实验。首先进行了甲基橙降解实验，研究了光催化振动复合抛光氧化性对振动的依赖关系；接着进行了紫外光催化振动复合抛光对比实验，研究了振动前后SiC的抛光效果，验证了新抛光方法的有效性。实验结果表明，光催化反应生成的强氧化性羟基自由基能够将高硬度的SiC氧化成质地较软的二氧化硅，振动的引入减少了光催化反应中光催化剂的团聚，提高了抛光过程中氧化和去除的均匀性，从而提高了抛光过程中SiC的表面质量，最终获得了粗糙度为31~39 nm的光滑表面。     

小工具修正下抛光盘材料的去除特性

环形抛光是大口径平面光学材料加工的首选方式,特别是在大口径平面光学元件的超精密加工中占有重要地位。抛光盘表面形状是影响元件面形精度的直接因素。为了研究小工具对抛光盘表面材料的去除特性,首先需要准确测得抛光盘的表面形状。采用激光位移传感器采集抛光盘表面螺旋样点的高度,针对实验检测误差进行分析并标定,最终计算得到抛光盘表面的实际形状。借鉴数控小工具抛光方法,建立小工具修正下抛光盘的材料去除模型,通过仿真计算得到了在小工具修正范围内抛光盘的材料去除函数,分析了抛光盘的材料去除特性。最后通过小工具修正实验验证了仿真结果的正确性,为抛光盘的形状修正提供理论依据。     

单点金刚石车削刀痕的螺旋正弦轨迹气囊抛光去除

单点金刚石车削技术已经广泛应用于高精度光学表面的制造,然而其残留在被加工表面的微纳织构将会影响部分光学系统的性能,需要光滑去除。文中对单点金刚石车削刀痕的抛光去除技术进行了研究,发现抛光方向与刀痕垂直时刀痕去除效率最高。基于此,提出了一种螺旋正弦抛光运动轨迹,介绍了螺旋正弦运动轨迹的设计原则,并应用气囊抛光的方式与螺旋式和光栅式运动轨迹进行了对比抛光实验,证明此运动轨迹下微纳织构的改善效果明显优于其他两种方式。最后应用螺旋正弦运动轨迹对一锗材料单点金刚石车削非球面进行了抛光光滑处理,在保持了面形精度的前提下,表面糙度Ra由1.28 nm降低到0.4 nm,规律性微纳刀痕变为随机织构,达到了表面织构改善的目的。     

Transformable Oxidation of Tantalum in Electrochemical Mechanical Polishing (ECMP)

A new methodology has been developed to investigate the oxidation state and processing of tantalum (Ta) during an electrochemical mechanical polishing (ECMP) process. Polishing experiments under different mechanical forces were conducted at constant potential. Faraday’s law was used to calculate the material removal rate (MRR), which was compared with measurements using an atomic force microscope (AFM). It was found that there were multiple valences of Ta and unknown types of its oxides formed during ECMP. The Preston equation was tailored to the current polishing conditions, showing that the MRR was a linear function of a mechanical force. It was found that, during ECMP, metastable oxides of Ta were formed. With higher mechanical force, more Ta suboxides were formed, while with lower mechanical force, more Ta pentoxide appeared. Such a mechano-oxidation process, from suboxides to the pentoxide, was illustrated using a physical model where the transition from suboxides to the pentoxide dominated. The present research demonstrates an effective ex situ method to study the in situ oxidation process of Ta. The present approach can be applied to other materials as well, and used to help researchers to understand and optimize the ECMP process.     

W-Mo合金表面超精密加工的CMP技术研究

阐述了金属化学机械抛光的机理。将半导体制造工艺中的nm级平坦化技术、化学机械抛光技术拓展并应用到W-Mo合金工艺中,在实现精密物理材料表面高平坦度、低粗糙度的前提下,提高W-Mo合金去除速率。采用碱性抛光液进行实验,确定了抛光液的成分;分析了W-Mo合金化学机械抛光中压力、流量、转速、pH值、活性剂等参数对W-Mo合金的影响。实验表明,实现W-Mo合金表面超精密抛光的最佳条件为:压力0.06MPa,流速160mL/min,转速60r/min,pH值10.1~10.3。     

Effects of the reciprocating parameters of the carrier on material removal rate and non-uniformity in CMP

Based on the Preston equation,the mathematical model of the material removal rate(MRR),aiming at a line-orbit chemical mechanical polisher,is established.The MRR and the material removal non-uniformity(MRNU) are numerically calculated by MATLAB,and the effects of the reciprocating parameters on the MRR and the MRNU are discussed.It is shown that the smaller the inclination angle and the larger the amplitude,the higher the MRR and the lower the MRNU.The reciprocating speed of the carrier plays a minor rol...     

抛光头摆动参数对化学机械抛光材料去除率及材料去除非均匀性的影响

摘要：除抛光头及抛光盘转速外,抛光头摆动参数（如：摆动倾角、摆动速度及摆动幅度等）也是影响材料去除率及去除非均匀性的重要运动参数。基于Preston方程建立了直线轨道式抛光机的材料去除率模型,并运用MATLAB 软件对材料去除率及材料去除非均匀性进行了数值计算,分析了摆动参数对材料去除率及材料去除非均匀性的影响。分析结果表明：小的摆动倾角和大的摆动幅度有利于提高材料去除率和降低材料去除非均匀性;而摆动速度对材料去除率及材料去除非均匀性影响不大。研究结果可以为直线轨道式抛光机的设计及工艺参数选择提供一定的理论指导。     

W-Mo合金CMP工艺参数的影响与优化研究

简述了金属化学机械抛光的机理。将半导体制造工艺中的化学机械抛光技术拓展并应用到W-Mo合金表面加工中,在实现W-Mo合金材料表面高平坦度、低粗糙度的前提下,提高W-Mo合金去除速率。针对W-Mo合金的性质,选用碱性抛光液,并采用田口方法对抛光液pH值、抛光压力和抛光盘转速三个重要因素进行了优化设计,得到以去除速率为评价条件的综合最优抛光参数。实验分析表明,当抛光液pH值为11,抛光压力为80 kPa,抛光盘转速60 r/min时,可以获得较高的去除速率。     

方形工件的数控抛光模拟计算与分析

利用Preston方程,对实际中的磨头运动方式(平转动)进行了讨论,并用此运动方式的去除函数对一工件进行了模拟计算,同时用目前大口径光学元件的评价参数P -V值,RMS值,以及波前梯度对模拟结果进行了分析。通过数控抛光的模拟分析可以全面的了解光学元件的面形情况,为实际的数控加工提供一定的参考。     

大型非球面能动磨盘精磨技术

计算机控制能动磨盘加工技术是集传统加工技术、能动技术和数控技术为一体的大型非球面光学元件先进制造技术。基于Preston方程，通过对能动磨盘结构的研究，建立了工件的能动磨盘磨削函数；分析了能动磨盘分别位于工件中心孔和外缘处产生的边缘效应，并建立相应的边缘效应函数；由此得到用于描述能动磨盘加工的数学模型。在该模型的指导下完成了Φ1 200 mm（F/1.5）非球面主镜能动磨盘精磨加工，实现了主镜面形误差的均方根值从4.5 μm（峰谷值26.8 μm）收敛到0.36 μm（峰谷值2.8 μm）。     

镁合金抛光机理与CMP工艺研究

将化学机械抛光(CMP)技术引入到镁合金片(MB2)的抛光中,打破过去镁合金以单一化学或机械加工为主的加工手段,用自制的抛光液对镁合金片进行抛光实验。结果发现,抛光液中加入双氧水易产生胶体,不利于抛光的进行,因此提出无氧化剂SiO2碱性抛光。同时分析了镁合金的抛光机理,抛光中压力、转速和抛光液流量参数对抛光过程的影响,利用Olympus显微镜对抛光前后镁合金表面进行观察,通过合理控制工艺参数,能够得到较佳的镁合金抛光表面,远优于单一的机械加工,为镁合金抛光工艺和进一步研究抛光液的配比奠定了基础。     

Size effect of nanoparticles in chemical mechanical polishing - a transient model

When a workpiece to be polished is placed on the carrier of a polishing machine, it is pressed down to the polishing pad. Large abrasives make contact between the pad and the workpiece before the smaller ones. The larger abrasives are pressed into the pad and indented into the workpiece. These particles are the active abrasives and participate in material removal. The abrasives with a size less than the gap between the pad and the workpiece move freely in the valleys/voids of the pad and are inactive. As the gap decreases during the polishing process, smaller abrasives trapped between the pad and the workpiece become active in polishing. Thus, the process of chemical-mechanical polishing is dynamic, while all previous modeling is static. This paper establishes a dynamic model for the abrasives. The modeling considers the transient motion of the workpiece/particle/pad in the vertical direction and the change of the roughness of the workpiece. A study of the transient motion shows an increasing number of active particles and a changing polishing rate in the first 2 min. It also demonstrates that the viscoelastic properties of the pad and the workpiece surface roughness are important factors in determining the polishing rate. This paper also shows that when the average particle size is smaller than an optimum size, the polishing rate increases with increasing particle size for the same particle density or same wt% abrasives. Yet, if the average particle size is larger than the optimum size, the polishing rate decreases with increasing particle size.