抛光垫提高化学机械抛光接触压强分布均匀性研究

为了改善单晶硅片化学机械抛光(CMP)接触压强分布的均匀性和实现高平坦化抛光,基于弹性力学的“Winkler地基”理论提出了一个新的CMP接触模型。依据此模型,从葵花籽粒分布的结构特征出发对抛光垫进行了分割,计算分析了分割参数对接触压强分布的影响规律,并实验验证了分割参数对硅片抛光平面度轮廓的影响规律。研究结果表明： 当分割参数为顺时针0.008～0.009 mm, 逆时针为0.005～0.006 mm时,抛光接触压强分布较为均匀,并使得被抛光晶片的平面度得到改善。     

模具自由曲面变轨迹抛光技术研究

针对模具自由曲面抛光效率低、磨粒抛光轨迹均匀性差的问题,提出一种变轨迹弹性抛光轮技术。介绍了弹性抛光轮工具的工作原理与机械结构设计,以Preston方程结合赫兹接触理论为指导,对抛光接触区内的压力分布、速度分布和磨粒抛光轨迹均匀性进行研究,建立抛光工具的材料去除模型。基于运动学模型,利用Matlab对弹性抛光轮工具在不同转速比下的抛光轨迹进行仿真,并根据均匀性评价标准对仿真结果进行对比分析。结果表明:转速比对磨粒抛光轨迹均匀性有重要影响,在下压量为0.5 mm、抛光接触圆直径为5 mm、公转3周时,转速比为10.645 751的CV值比转速比为10时降低了32%;当转速比趋于无理数时,抛光轨迹均匀性明显优于整数转速比,去除函数更加饱满。     

考虑过盈配合与磨损的枢轨接触状态分析

在电磁发射过程中,枢轨间的摩擦磨损带来接触界面物质损失导致接触状态发生变化,对发射装置的寿命与性能产生严重影响。对过盈配合的枢轨摩擦磨损进行数值仿真,并比较磨损前后枢轨接触状态。研究不同参数对枢轨接触状态的影响以及枢轨磨损后的表面状态。结果表明:磨损后接触压强分布更加均匀,材料硬度对接触状态影响较大,摩擦因数影响很小。     

考虑平面形状误差的配合表面接触状态研究

为提高装配接触分析的准确性,对考虑平面形状误差的配合表面接触状态进行研究。以平面为对象,考虑加工导致的形状误差,提出一种形状误差与装配力共同作用下的配合表面接触状态理论分析方法。在此基础上,提出配合误差的概念及计算方法,揭示形状误差对装配精度的影响关系。随后,采用有限元法验证所提方法。结果表明:该方法是有效的,准确预测了考虑形状误差情况下配合表面的接触状态,并计算了配合误差。文中所提方法可为考虑形状误差的装配精度预测与分析提供参考。     

焊接快速成形零件的表面平整度研究

焊接快速成形耐磨金属零件的生产过程中,采用逐层铣削-堆积提高成形件的表面平整度非常困难。为此,提出了提高成形件表面平整度的方法以减少铣削加工量。通过三维激光扫描建立成形件表面平整度的评价方法。研究了焊道搭接率、余高和路径规划方式对成形件表面平整度的影响规律。结果表明:采用适当的搭接率,降低焊道余高,按照层层正交的路径成形,可以显著提高成形件的表面平整度;成形件表面平整度的提高与沉积层温度场的大小及分布均匀性有关。     

舰船艉管水润滑橡胶板条轴承与铜背衬的机械接触力学

基于对起伏和凹凸不平的表面微观几何学形貌统计分析,考查衡量微接触点的弹性和塑性变形区域,建立橡胶板条轴承与铜背衬接触的法向接触载荷、实际接触面积、弹性实际接触面积、塑性实际接触面积、橡胶塑性指数等的理论解。计算及分析结果表明：发生接触的突起期望数随着法向接触载荷的增加而增加,随着表观接触面积的增大而略微增加;橡胶板条轴承与铜背衬之间的间距随着法向接触载荷的增加而减小;在法向接触载荷一定时,橡胶板条轴承与铜背衬之间的间距随着表观接触面积的增大而增加;对于给定的表观接触面积,实际接触面积近乎恰恰与法向接触载荷呈正比,但不依赖于表观接触面积;平均实际接触压强随着法向接触载荷的增加而增加,随着表观接触面积的增加而减小;接触表面之间的接触电阻随着法向接触载荷的增加而降低;当橡胶塑性指数小于1.77或金属制品塑性指数小于0.6时,接触表面发生弹性变形;当橡胶塑性指数大于2.95或金属制品塑性指数大于1.0时,接触表面发生塑性变形。相关模型及仿真曲线图可为橡胶粗糙表面弹塑性接触的精确求解提供一定的理论基础。     

环带式磁流变抛光装置设计

针对"点接触"磁流变抛光技术存在对机床机械结构精度要求高,需对被抛光表面进行预抛光处理和抛光效率低等问题,提出一种采用环带式磁流变抛光技术实现平面和球面光学零件抛光的方法。该方法基于"面接触"抛光思想,采用闭合直流环带旋转磁场实现对工件抛光的原理,设计出了平面和球面光学元件自动抛光装置。分析了硬件控制和软件设计的具体结构,并采用制作出的装置进行相应的工艺实验。实验结果表明,该方法能够实现平面和球面光学元件的抛光需求。     

结构特性对燃烧室压强振荡的影响研究

为了揭示结构特性对固体发动机燃烧室压强振荡的影响规律,采用大涡模拟方法以"绝热环"及"潜入式喷管空腔背壁区"为重要结构设计参数,完成了4种不同结构设计条件下的典型VKI发动机流场稳定性数值模拟。最终获得了各工况下的压强-时间曲线及其FFT结果。分析表明:绝热环是引起旋涡脱落的主要因素,背壁区维持并加强了声涡耦合引起的声能增益,对压强振幅有较大的影响。     

软固结磨粒群微观力学特性分析与试验研究

针对软固结磨粒气压砂轮加工过程中磨粒群内部发生剪胀效应,造成磨粒群表面局部堆积,进而引起工件表面产生划痕、降低二次精加工效率和表面质量的问题,建立磨粒群内部微观接触力学模型,揭示磨粒群内部力链传递过程。采用Li-Dafalias弹塑性剪胀本构模型,来反映磨粒群内部微观力-位移的关系。通过颗粒流三维分析PFC3D软件数值模拟具有不同孔隙率的磨粒群力链网络演化过程,以及加工件表面压强分布,结果表明：当孔隙率超过44%后,磨粒群内部力链传递路径消失;工件表面压强呈周期分布,随着孔隙率增大,压强幅值减小。搭建试验平台,通过光整加工试验得到孔隙率和磨粒目数对工件表面粗糙度的影响规律,结果显示：当采用磨粒目数800、孔隙率24%时加工得到的工件表面粗糙度较小,表面粗糙度轮郭算术平均偏差从313.74 nm降低到67.11 nm.     

基于磁性复合磨粒的磁流变抛光试验研究

针对铝合金磁流变抛光过程中出现的磨粒分布不均,提出基于二氧化硅包覆四氧化三铁(Fe₃O₄@SiO₂)壳核结构磁性复合磨粒的化学辅助磁流变抛光工艺。用溶胶-凝胶法制备Fe₃O₄@SiO₂磁性复合磨粒,通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线电子能谱仪(EDS)及振动样品磁强计(VSM)对其进行表征。进行6061铝合金平面材料的单因素抛光试验,研究主轴转速、抛光间隙、进给速度及抛光时间等对表面质量的影响。结果表明：主轴转速为600 r/min、抛光间隙为3 mm、进给速度为80 mm/min、抛光时间为40 min是最优参数组,在此参数下抛光6061铝合金,获得了Ra=0.02μm的超光整表面。对比同参数下传统磁流变抛光后的铝合金表面,因磨粒分布不均导致的表面细小划痕得到改善。     

Contact Pressure Intensity Distribution and Its Effects on Workpiece Flatness Error in Plane Polishing with Retaining Ring

In order to find out the contact pressure intensity distribution and its effects on the workepiece flatness error in plane polishing with retaining ring, the contact model and the boundary conditions are built up based on the axial symmetric elastic contact theory. The pressure intensity distribution is calculated and analyzed with the help of the Hankel transform theory and the constructing solution method of Chebyshev orthogonal polynomials. And then, the effects of the dimensionless ring-workpiece gap, the load ratio of the retaining ring and the dimensionless ring width on the contact pressure intensity distribution are obtained. Finally, based on the distribution theory of material removal volume, the effects of the pressure intensity distributions on the flatness errors of polished workpiece are also investigated experimentally. The results show that the contact pressure intensity distribution becomes more uniform and the better profile of polished workpiece can also be obtained, if the dimensionless ring-workpiece gap is reduced, the load ratio is selected as 0.6 to 0.85, and the dimensionless ring width is taken as 0.13 to 0.40.     

单砝码配重法在调节硅片研磨均匀性上的应用研究

为提高硅片研磨的均匀性,提出了一种通过改变调节砝码位置的新方法。对单砝码配重法的原理、步骤及物理模型进行了详细的论述,并基于LabVIEW软件对该方法进行了可视化。在精密研磨抛光机上进行实验,并用膜厚仪进行均匀性测量。结果表明:在给定的条件下使9.9 cm硅片的均匀性从单靠自重研磨的20μm提高到用配重法调节后的3μm,显著提高了硅片研磨的均匀性。单砝码配重法为解决硅片研磨均匀性问题提供了一种既精确又简便的方法。     

伪码调相连续波雷达的脉压主旁瓣比数学分析

研究了伪码（m序列）调相连续波雷达的脉压主旁瓣比随目标多普勒频率变化的关系,并推导了其数学表达式。由于m序列调相连续波雷达在非目标距离门上的脉冲压缩是一种“宽带输入窄带输出的过程”,那么脉压旁瓣实部和虚部分别近似服从正态分布,由此可计算出脉压后峰值旁瓣实部和虚部的值,然后给出了脉压输出主旁瓣比的数学表达式。仿真结果表明：当m序列的周期长度p≥31时,由脉压主旁瓣比数学表达式计算得到的数据与仿真得到的数据能很好地吻合。     

固体与液体两相磨粒流抛光异形曲面的质量控制因素研究

为探索固体与液体（简称固液）两相磨粒流抛光异形曲面的有效性，采用标准k-ε模型和压力耦合SIMPLEC算法，通过对不同入口压力条件下固液两相磨粒流抛光多边形螺旋曲面膛线管进行数值模拟研究，获得多边形螺旋曲面流道近壁面处的动压、湍流动能、湍流强度随入口压力变化特性，分析入口压力对固液两相磨粒流抛光异形曲面的质量控制规律。为验证数值分析的准确性，进行了必要的固液两相流抛光实验，以异形曲面零件-膛线管为研究对象，对磨粒流抛光前后膛线管内表面的表面形貌和表面粗糙度进行了检测分析。研究结果表明：固液两相磨粒流抛光异形曲面可有效提高异形曲面的表面质量，经磨粒流抛光后的膛线管内表面纹理变得更加平滑，可获得理想的表面形貌，表面粗糙度由抛光前的1.450 μm降低至抛光后的0.296 μm；随着入口压力的增加，磨粒流抛光后的异形曲面零件表面纹理更加致密，表面质量得到明显改善。     

MEMS器件用低表面应力SOI材料的制备及应用

利用改进的BGSOI工艺成功制备低表面应力的厚膜SOI晶片,并表征晶片的显微结构、界面和表面应力。研究结果显示:晶片的各层区域分明,界面平整,上层硅厚度为76.5μm,SiO2埋层厚度为0.865μm;晶片键合良好,有效键合面积大于95%,键合强度大于13.54 J/m2;表面应力小于12.6 MPa,已成功制作出微加速度计。     

基于电接触特性的电枢臂形状优化设计

电枢与轨道之间的接触特性直接影响电磁轨道发射器工作过程中电枢与轨道接触面上的接触压力分布和电枢与轨道上的电流分布,进而影响发射器的焦耳热分布,从而影响电磁轨道发射器的性能和寿命。为了改善发射器电枢与轨道之间的接触特性,对非过盈配合状态下电枢膛内运动过程进行了仿真,得到了电枢的运动特性和接触压力随时间变化情况。选取电枢膛内运动过程中与轨道之间接触状态最严峻的典型时刻,基于Cooper-Mikic-Yovanovich电接触理论和“1 g/A”经验法则分析枢轨间接触压力,设计了期望电接触特性,并针对典型时刻的接触状态基于反向加载法设计了电枢的过盈尺寸和形态。对装配过盈电枢和非过盈电枢的发射器进行仿真研究,比较其在典型时刻的性能。结果表明,采用改进的电枢结构可以使电枢与轨道接触面上的电导率分布更加均匀,改善了电枢与轨道的接触状态,缓解了电枢区域电流分布集中现象和焦耳热集中现象,进而延长发射装置寿命。     

发动机建压速率对易碎盖开盖的影响

为了研究导弹箱式热发射中导弹发动机建压速率对发射箱易碎盖开盖的影响,通过对动力源进行假设,建立了发动机建压速率与易碎盖开盖能量之间的关系,分析了发动机建压速率对易碎盖开盖的影响; 利用数值仿真得到不同速率下的箱内压力曲线,仿真结果表明,建压速率越高前盖开盖风险越大。对比分析了不同导弹飞行试验中发射箱内压力数据,试验验证了仿真结果的正确性。该研究为前、后易碎盖开盖压力指标的优化提供了参考。     

基于显式动力学的齿轮箱动态有限元数字仿真

利用APDL语言,基于标准齿轮的齿廓渐开线方程和齿根过渡曲线方程,建立某型号减速器精确参数化三维有限元模型。基于接触碰撞算法运用显式动力学程序ANSYS/LS-DYNA在工作站上对整体齿轮箱工作过程进行了仿真计算,准确地得到了齿轮箱内部的应力应变情况以及动态接触过程中的压力分布情况。并将计算结果与传统赫兹理论计算结果进行了比较,验证了该方法的合理性。该方法能从系统的层面,综合考虑齿轮箱各零件动态特性以及相互作用,从而实现对齿轮箱动态特性进行精确的预测和评估。在此基础上考虑各种原始制造误差对齿轮箱动态性能的影响,为齿轮箱整体动态优化设计提供可靠的理论依据。