磷锗锌晶体脆塑转变临界切削深度的研究

为实现磷锗锌(ZnGeP2)晶体超精密切削,提高表面加工质量,获得纳米级的超光滑表面,基于纳米压痕实验计算出磷锗锌晶体表面脆塑转变临界深度.在此深度内切削材料产生脆塑转变,并以塑性方式去除.在此基础上,采用单点金刚石飞切机床DFC600A开展磷锗锌晶体超精密切削.通过控制切削深度低于磷锗锌晶体脆塑转变临界深度,使材料表面仅发生塑性变形,实现了晶体表面纳米级光滑表面加工,表面粗糙度达1.01 nm,达到了对磷锗锌晶体表面的加工要求,验证了方法的有效性.     

超精密磨削YAG晶体的脆塑转变临界深度预测

钇铝石榴石（YAG）晶体是制造固体激光器的重要材料,超精密磨削是加工YAG晶体等硬脆材料零件的重要方法,研究硬脆材料加工表面的微观变形、脆塑转变机理对超精密磨削加工具有重要的指导作用。为了实现YAG晶体低损伤磨削加工,获得高质量表面,基于弹塑性接触理论和压痕断裂力学,通过分析单磨粒划擦作用下材料表面的变形过程,考虑材料的弹性回复、微观下力学性能的尺寸效应,建立了脆塑转变临界深度的预测模型,并计算得到YAG晶体的脆塑转变临界深度为66.7 nm。在此基础上,通过不同粒度砂轮超精密磨削YAG晶体试验对建立的脆塑转变临界深度预测模型进行验证,并计算不同粒度砂轮在相应工艺条件下的磨粒切深。结果表明,磨粒切深高于脆塑转变临界深度时,YAG晶体磨削表面材料以脆性方式被去除,磨削表面损伤严重;磨粒切深低于脆塑转变临界深度时,磨削表面材料以塑性方式被去除,能够获得高质量磨削表面,加工表面粗糙度达到1 nm。建立的脆塑转变临界深度预测模型能够为YAG晶体的低损伤超精密磨削加工提供理论指导。     

碲锌镉晶片的超精密飞切减薄工艺研究

运用晶体材料的脆塑转变理论,建立了碲锌镉晶体材料生长晶面(111)面上的脆塑转变临界切削深度模型。然后通过碲锌镉典型样件(111)晶面的超精密飞切铣削实验进行了弧形槽结构的检测和分析,获得了碲锌镉晶体材料(111)晶面的脆塑转变临界切削深度数值。并确定了切削单晶碲锌镉材料时的最佳飞切晶向,实现了飞切方向和最小切削厚度值的匹配。最后通过组合夹具的使用,进行了超精密飞切减薄试验,实现了一整套晶体材料的超精密飞切减薄加工工艺。     

各向同性热解石墨超精密车削加工机理研究

通过各向同性热解石墨的纳米印压试验结果分析,并结合基于晶体结构和压头形状的应变梯度理论研究,计算出各向同性热解石墨材料发生脆塑性转变的临界切削厚度,其临界切削厚度在(335.63～1343.15)nm之间,在此范围内各向同性热解石墨材料发生了脆塑性转变,主要以塑性方式去除为主.根据脆性材料超精密切削中的脆塑性转变机理,建立了各向同性热解石墨超精密车削加工模型,并通过超精密车削试验对研究结果进行验证,表明了所建立超精密切削模型的准确性.     

脆性晶体的超精密加工

用单刃金刚石车削试验研究超精密加工脆性晶体材料的机理。通过讨论加工参数和材料特性来研究脆塑性转换机理。重点研究了加工单晶材料时晶向对临界切深、微切削力和表面粗糙度的影响；还探讨了加工多晶材料时晶界台阶的形成。超精密加工各种脆性晶体都可得到各向同性的纳米级表面粗糙度的光学表面。     

光学脆性材料的金刚石切削加工

重点对脆性材料的超精密研磨、抛光加工技术及超精密磨削加工技术和超精密切削加工技术进行了分析研究。分析表明,硬脆材料光学元件主要应进行超精密研磨、抛光及超精密磨削加工;软脆材料光学元件主要应进行金刚石切削加工。对软脆材料金刚石切削进行了试验设计,指出了光学脆性材料的金刚石切削加工过程不同于金属加工过程,通过控制切削条件可以实现脆性材料塑性域加工,提高光学脆性材料的表面加工质量。     

基于单颗粒作用模型的晶体材料研磨残余应力研究

为了明确激光晶体材料研磨表面残余应力形成机制,以典型的激光晶体材料YAG晶体为研究对象,利用大型有限元软件Ansys,建立了晶体元件研磨加工过程的单颗粒作用模型,研究了 YAG晶体材料的塑性特性,分析了研磨过程中磨粒机械作用对晶体表面残余应力分布的影响.结果表明,YAG晶体受单颗粒作用载荷18 mN时,晶体材料内部的残余应力主要表现为压应力(最大分布深度约3 μm),但在工件表层(深度＜150 nm)范围内为拉应力,且拉应力最大值超过材料拉伸极限强度,将诱导晶体表面形成微裂纹;当单颗粒载荷为2.3 mN时,晶体表面残余最大拉应力值小于材料拉伸极限强度,可以实现晶体材料塑性域加工去除.     

易解理氧化镓晶体微尺度力学行为试验研究

为了探寻单晶氧化镓晶体超精密加工的易切削方向以及临界切削深度,将单晶氧化镓晶体(100)晶面和(010)晶面等角度划分成24等份,对每个方向上用Berkovich金刚石压头进行纳米压痕试验、用Cube金刚石压头进行纳米压痕和划痕试验。试验结果表明,在(100)晶面120°方向上脆塑转变临界切深最大,为623 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为29.4 mN;在(010)晶面105°方向上脆塑转变临界切深最大,为686 nm左右,此时脆塑转变临界载荷为20.0 mN。氧化镓晶体存在强烈的各向异性,其中(010)面各向异性较为强烈。对比硬度、弹性模量、断裂韧度和相对脆塑转变临界切深随方向的变化趋势,结合各方向的划痕试验结果可以看出,氧化镓晶体(010)面为易加工晶面,105°方向为易加工方向。     

单颗磨粒刻划氧化镓晶体表面的裂纹成核位置及扩展方向研究

为了分析新一代光电子材料氧化镓晶体在超精密磨削、研磨加工过程中的裂纹成核位置及扩展方向,建立了单颗磨粒刻划氧化镓(010)晶面的弹性应力场模型,分析了氧化镓(010)晶面的脆塑性转变临界切削深度。通过MATLAB软件分析预测刻划氧化镓晶体过程中表面径向裂纹的成核位置及扩展方向,分析结果表明：当切削深度小于临界切削深度时,径向裂纹成核位置在磨粒的后方,裂纹扩展方向与切削方向之间的夹角在33°左右;当切削深度超过临界切削深度时,径向裂纹成核位置进一步向磨粒后方移动,裂纹生成方向与刻划方向之间的夹角在51°左右。为验证理论分析结果,对氧化镓晶体进行了纳米刻划试验,对比分析表明,氧化镓应力场的解析结果与试验数据高度一致。在线性加载条件下,Cube金刚石压头在氧化镓晶体(010)晶面上产生的径向裂纹偏转角在33.37°~51.45°之间。     

基于变切深纳米刻划的K9玻璃表面成形特征及去除机制研究

采用Berkovich压头,在纳米压痕仪上对K9光学玻璃进行了变切深纳米刻划试验。为探究摩擦因数与脆塑转变的深度,基于非线性最小二乘法对法向力、切向力关于刻划深度进行了拟合,并利用相关系数r检验其可靠性。利用AFM和SEM对刻划沟槽表面形貌进行分析,刻划过程存在弹塑转变、塑性去除和脆性断裂三个阶段。基于Hertz接触理论求得K9玻璃弹塑转变深度,根据AFM和SEM的结果,以裂纹刚开始萌生作为脆塑转变点,获得脆塑转变的临界深度。基于脆塑转变深度,通过添加修正系数,改进WEI提出的脆塑转变表征方法,建立了用摩擦因数来表征K9玻璃脆塑转变的表达式。通过分析压头在刻划过程中与工件产生的摩擦区,对脆性断裂阶段裂纹的产生和裂纹方向与刻划方向近似呈60°进行了解释。     

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.     

高精度金刚石刀具研磨关键技术研究

金刚石刀具刃口锋利度对所加工零件的表面质量有着重要影响。通过确定合理的研磨设备结构和合理的研磨工艺参数,获得的刀具刃口锋利度从300 nm提高到了50nm,刀面表面粗糙度从15nm提高到了0.5nm,刀具刃口质量得到了明显改善。     

氧化锆陶瓷平面零件超精密研磨实验的研究

针对氧化锆陶瓷平面零件的超光滑表面加工问题,将两种超精密研磨工艺应用到氧化锆零件加工中。研究了研磨液和磨料粒径对零件表面粗糙度的影响,分析了不同加工阶段的材料去除机理,同时发现工件表面孔隙的致密性会降低氧化锆零件的可加工性能,并采用了致密性更好的氧化锆材料在使用相同工艺情况下进行了实验对比。研究结果表明,采用金刚石油膏研磨加工得到了表面粗糙度为12．9nm的超光滑表面,在“采用Al2O3研磨液,并使用SiO：作为抛光工序”的条件下,得到了表面粗糙度为6．55nm的超光滑表面,并且在选用致密性更好材料进行加工后,得到了表面粗糙度为4．72nm的超光滑表面。     

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。     

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。     

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。     

硬脆性材料用柔性磨具研磨的加工表面粗糙度建模

通过分析磨粒与工件表面的作用过程,建立了硬脆性材料柔性磨具加工表面粗糙度的理论预测模型.以橡胶结合剂金刚石研磨盘为柔性磨具、蓝宝石衬底为工件,在不同弹性模量、磨粒浓度、磨粒粒度和研磨压力下开展研磨试验,将不同研磨条件下的表面粗糙度试验值与理论预测值进行比较,发现试验结果与理论模型预测结果的趋势一致,且预测误差为7.71...     

蓝宝石晶体双面研磨加工的实验研究

为了实现对蓝宝石晶体的高效低损伤研磨加工,对蓝宝石晶体的双面研磨加工表面粗糙度、研磨均匀性和亚表面损伤层的深度进行试验研究。采用280#碳化硼磨粒双面研磨(0001)面蓝宝石晶体,首先考察了研磨时间对材料去除速率、表面粗糙度的作用规律,根据蓝宝石晶体切割表面状态确定了双面研磨的加工余量,接着,通过WYKO粗糙度仪从微观上分析了蓝宝石晶体表面的研磨均匀性,最后应用纳米压入测试分析了亚表面损伤层的深度。实验结果表明：蓝宝石晶体经过120分钟的双面研磨加工后可以获得Ra0.523μm,Rt<6.0μm的表面,亚表面损伤层小于1μm。     

固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型

表面粗糙度模型是研磨过程设计和工艺参数选择的重要依据,K9玻璃是应用最广泛的光学材料之一。建立研磨K9玻璃表面粗糙度模型有利于提高加工效率、节约生产成本。简化固结磨料研磨过程,基于研磨垫表面微结构,计算研磨过程中参与研磨的有效磨粒数和单颗磨粒切入工件深度,利用研磨过程中受力平衡,建立固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型。采用不同磨粒粒径和不同磨料浓度的固结磨料研磨垫以及不同压力研磨K9玻璃验证表面粗糙度模型。结果表明：固结磨料研磨K9玻璃的表面粗糙度与磨粒粒径、研磨压力1/3次方成正比,与研磨垫浓度2/9次方成反比。表面粗糙度理论值与试验值随研磨压力、磨粒粒径和研磨垫浓度的变化趋势吻合。利用该模型能够成功预测固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度,指导研磨过程设计及加工过程中研磨垫和工艺参数的选择,可靠性高。     

齿面综合研磨率分析与研齿性能试验

首次通过对研齿过程的轮齿接触仿真,齿面瞬时接触应力、齿面滑动系数与齿面研磨概率的研究分析,建立了齿面综合研磨率的评价指标,并进行了研齿性能试验。结果表明,准双曲面齿轮齿面中部研磨要严重一些,靠齿根稍重些,靠齿顶稍轻些,这与传动误差变化规律一致。研齿能一定程度上降低齿形、齿距误差,尤其对轮齿的实际啮合精度改善明显,振动噪声均有较大下降。