液动压悬浮抛光盘的设计及抛光液动压分布研究

提出一种液动压悬浮抛光加工新方法,该方法是基于流体动压润滑理论,以高速转动的抛光盘带动抛光液及其磨粒对工件表面进行加工。针对动压浮离抛光过程中存在的表面压力分布不均的问题,在动压浮离抛光盘的基础上加入约束边界和蓄流槽,设计一种新型抛光盘,实现了液动压悬浮抛光。利用CFD软件对抛光盘与下盘面间的流场进行数值模拟,得出动压浮离抛光盘和新型抛光盘底部流道的液体压力分布。结果表明,新型抛光盘能够能提高加工区域的流体压力,并能使流体压力的分布相对均匀。     

液动压悬浮抛光工具盘承载力的研究

提出一种新型液动压悬浮抛光方法,阐述液动压悬浮抛光的基本原理,通过对结构化单元的划分及其流体液动压力的研究,推导出液动压承载力与抛光液黏度、抛光工具速度、抛光间隙以及抛光工具盘结构参数如单元长度、单元宽度、形状系数等的解析模型.数值模拟研究获得了影响液动压悬浮抛光工具盘承载力大小的主要因素,液动压抛光工具盘的斜面升高比和斜面占长比对承载力的数值大小存在极值条件,承载力与抛光工具盘速度和单元长度成正比,承载力与单元宽度的平方成正比并与加工间隙的平方成反比,单元宽度和加工间隙对承载力数值大小的作用最为显著.     

钕铁硼材料在磨抛光盘中的应用

针对自动金相研磨抛光机磨抛光盘加工精度高、互换困难、磨抛过程中易产生噪声等问题,通过对钕铁硼材料的测定,提出采用在磨抛光盘上镶嵌磁性材料钕铁硼的方法,研制出磁性磨抛光盘。实验证明,磁性磨抛光盘换取轻便,降低了噪声,提高了试件的磨抛光精度。     

数控抛光中不同运动方式下小抛光盘抛光特性之比较

阐述行星运动与平转动两种运动方式下数控抛光中小抛光盘的工作函数,论述了抛光盘本身在不同运动方式下的材料磨损情况。通过采用计算机对抛光盘工作函数及磨损曲线的模拟将抛光盘的两种运动方式进行了分析与比较。     

液动压悬浮抛光流场的数值模拟及抛光工具盘结构优化

为对液动压悬浮抛光工具盘结构参数进行优化,首先通过正交试验和CFD数值模拟,利用方差分析法分析抛光工具盘各结构参数对加工区域流体动压力的大小和均匀性的显著性影响;然后使用多元非线性回归方法和遗传算法对正交试验样本数据进行优化,得出最优结构参数。数值模拟试验表明,优化后抛光工具盘产生的动压力均值和均匀性都比优化前抛光工具盘提高了30%。     

桌面级精密平面抛光机转台结构设计

研究设计了一种基于圆柱滚子平面推力轴承的新型桌面级精密平面抛光机转台。阐述了转台的总体结构设计,对偏载情况下抛光盘支撑结构与传统抛光盘支撑结构的抛光盘变形进行了有限元分析。制作了转台样机并对其空载与偏载情况下的抛光盘跳动进行了测量与分析。仿真及实验结果表明,所设计新型转台结构与传统抛光盘支撑结构相比具有更好的偏载稳定性;当偏载逐渐增大时,抛光盘动态端跳测量值基本保持稳定。所设计抛光机转台,可在提高抛光效率同时保证抛光面型精度的稳定性。     

硬盘磁头抛光中抛光液流场的研究

根据运动学分析,研究了磁头和抛光盘接触面之间速度场的分布;结合流体力学理论,将抛光盘表面的沟槽视为楔形滑块或阶梯轴承,研究了磁头和抛光盘接触面之间抛光液的流动行为.并以织构纹形抛光盘的一种抛光工艺为例,分析了抛光液膜厚度随速度变化而发生的变化.结果表明,磁头和抛光盘的转速比大于或小于1时,接触面之间形成变化的速度场;由于速度的变化,接触面之间局部的抛光液流量也随之变化;相应地,抛光液膜的局部厚度也发生变化,这种变化达到数量级;液膜承担的载荷亦发生变化,形成局部的负压或高压,从而导致磨粒的行为发生变化,影响抛光过程.     

基于气压浮动的防碰撞悬浮抛光方法研究

针对已有悬浮抛光装置研磨不平稳从而引起的加工表面质量不高问题,对液动压悬浮抛光方法、声悬浮抛光方法和磨料水射流抛光方法等表面超光滑加工技术进行了分析研究,提出了一种基于气压浮动的防碰撞悬浮抛光方法。根据静压气体润滑原理,建立了防碰撞装置的径向承载力计算模型,通过提高侧向承载力与刚度,同时减小泄气量,使径向承载力可以克服偏心力,从而促使防碰撞装置自动归位;利用Fluent软件建立了防碰撞装置流体仿真计算模型,计算得到了防碰撞装置沿轴向的压力分布情况。研究结果表明:基于气压浮动的防碰撞悬浮基盘抛光方法可以提高表面抛光质量;仿真计算结果和理论计算结果偏差小于6%,防碰撞装置和基盘的偏心率小于0. 2,防碰撞装置具有良好效果。     

GMR硬盘磁头自由磨粒抛光极尖沉降的研究

磁头表面极尖沉降(PTR)是影响硬盘存储密度的关键因素之一。采用修正环形浮动块研磨抛光机和自由磨粒抛光方式抛光GMR硬盘磁头,并用原子力显微镜测试磁头的PTR,抛光试验表明:PTR与抛光盘表面形貌参数、磨粒大小、抛光压力和抛光盘转速有关。抛光盘表面取合适的形貌参数可以获得小的PTR;磨粒越小,PTR越小;抛光压力越大,PTR越小;抛光盘转速越小,PTR越小。研究结果有助于优化抛光工艺,在获得最佳PTR的同时,兼顾效率与成本的因素。     

全口径环形抛光的光学元件面形误差影响因素及其控制

全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一,其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素,建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型,揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律;提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法,建立基于小工具的子口径修正方法,实现了抛光盘形状误差的在位定量修正;提出抛光盘表面钝化状态的监测方法,研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征,采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑;通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差,可显著提升元件的面形精度;随着抛光盘表面的逐渐钝化,元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm）,提升了元件的面形控制效率和精度。     

光电化学机械抛光装置设计

针对第三代半导体材料氮化镓(GaN)光电化学机械抛光的加工需求，研制了具有紫外光照射、电压加载和机械抛光功能的光电化学机械抛光(PECMP)装置。设计了紫外光可直接照射到GaN晶片表面的抛光盘单元，加工区稳定加载电压且与装置绝缘的电气回路，抛光盘和工件盘能够独立回转的驱动机构，并且抛光盘可以往复移动、抛光压力可以可调加载。建立了PECMP装置的整机三维模型，通过静力学分析和模态分析，优化了抛光盘和龙门等关键部件结构。搭建了PECMP抛光装置，并进行了性能测试，实现了可施加的光照强度0～200 mW·cm^-2，电压大小0～10±0.1 V，绝缘电阻150 MΩ，抛光盘转速10～100 r/min，工件转速10～200 r/min，抛光盘往复移动速度1～100 mm/s，压力加载范围0～200 N，满足2英寸GaN晶片的PECMP加工需求。     

液动压悬浮抛光固液两相流CFD数值模拟及PIV验证

针对液动压悬浮抛光固-液两相流中固相颗粒与工件表面撞击的过程,对不同加工工况下的固相颗粒与工件表面的撞击角度和速度进行了研究。采用计算流体力学方法建立了液动压悬浮抛光流场的三维模型,并输出了固相颗粒撞击工件表面的速度场;同时使用粒子图像测速方法对不同工况下的抛光流场进行了试验观测。研究结果表明:CFD模拟获得的撞击速度值与PIV观测值非常接近,且随转速增加,PIV观测值受固相颗粒之间的撞击效应影响越大;抛光过程中固相颗粒撞击工件表面的角度非常小,近似于在工件表面平行摩擦,且抛光盘转速和抛光液浓度对撞击角度的影响很小。     

化学机械抛光设备负载特性与主体结构变形

化学机械抛光(Chemical mechanical polishing,CMP)材料去除及负载特性主要受界面摩擦影响。对旋转型CMP系统进行了运动学和动力学分析,由此建立了CMP设备抛光界面摩擦负载(包括摩擦力矩和摩擦径向力)表达式。系统研究了CMP设备抛光头抛光盘主体结构负载特性随运动参数的变化规律,发现抛光头/盘转速比对负载影响最为明显:随转速比的增加,抛光头所受摩擦力矩增加,抛光盘所受摩擦力矩减小;且对抛光头而言存在值为1的临界转速比,当转速比小于1时,摩擦力矩对抛光头为驱动力矩;实际工况下转速比接近1时,抛光头所受摩擦力矩几乎为零,因相对运动而产生的摩擦负载主要由抛光盘承载。在此基础上,采用商用有限元分析软件建立了抛光盘及转子有限元模型,分析了抛光盘在螺钉预紧力、偏心轴向力和摩擦力矩复合载荷作用下的变形特性,为CMP装备设计提供了依据。     

无磨料低温抛光的工艺方法研究

对无磨料低温抛光这种全新的工艺方法进行了系统的研究,包括抛光设备、抛光冰盘的制备、工件盘的制备、抛光盘的修整、抛光后工件的清洗、抛光后表面粗糙度的测量等。并用此种方法对石英晶体进行了抛光实验,得到了Ra0．53mm的超光滑表面,结果证明这是一种获得超光滑表面的新方法。     

CMP过程中抛光盘作用外力的影响因素分析

根据芯片/磨粒/抛光盘三体接触当量梁的弯曲假设,建立了更加准确合理的抛光盘作用在磨粒上的外力的理论模型,并通过实例对前人的模型和新模型进行对比.最后借用已有分子动力学模拟结果对理论模型进行验证.结果表明作用在单个磨粒上的外力与磨粒的直径、磨粒的浓度、抛光盘的弹性模量有关,理论计算值与分子动力学模拟结果基本一致.     

线性液动压抛光加工的流场特性研究

分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式，推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟，剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明：液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加，与此同时其分布均匀性反而下降；抛光间隙值越小，液动压力和黏性切应力数值越大，且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台，以K9玻璃为实验对象，探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。     

双面抛光机床抛光盘静动态特性分析

为解决传统抛光方法上下表面平行度无法保证和形成工件规律性同轴圆环痕迹的难题，文中设计了工件旋转和二维运动独立控制的大口径光学元件双面快速抛光机床。采用ABAQUS有限元软件对其关键结构件抛光盘组件的静动态特性进行了仿真分析。结果表明：加载后抛光盘最大等效应力为12.63 MPa,最大形变量为8.26μm,能够满足工作精度和工作强度的要求；通过模态仿真计算出抛光盘组件的固有频率高于79 Hz,工作中不会出现共振情况，所建立的仿真模型为抛光盘组件的研制提供了理论参考。     

表面光整加工技术及其应用（下）

3．水合抛光 水合抛光是利用在工件界面上产生的水合反应的新型高效、超精密抛光方法。主要特点是不使用磨粒和加工液,而加工装置又与当前使用的抛光机类似,只是在水蒸气环境中进行加工。为此,要尽量避免使用能与工件产生固相反应的材料作抛光盘。     

线性液动压抛光装置设计及其动压力分布研究

针对以往液动压抛光装置中存在的压力较小、不均及离心力无法消除的问题,提出了一种线性液动压抛光方法。基于液体动压润滑理论,该方法在抛光液浸没环境中,以高速旋转的辊子带动抛光液对工件表面进行了材料微量去除;同时,设计了一种新型抛光辊子,并在辊子表面设计了不同形状的沟槽,加强了液动压效应;利用CFD软件,对抛光环境下的流体进行了数值模拟,得出了线性液动压抛光的流体压力分布,并与前人的研究结果进行了比较。研究结果表明:新装置所能形成的液体动压力明显大于以往装置,该线性抛光方式能够提高加工区域的流体压力,并能改善压力不均及离心力等问题,更好地满足超精密抛光的需求。     

线性液动压抛光加工的流体动压特性研究

基于流体动压润滑原理提出了线性液动压抛光加工方法。借助计算流体力学数值模拟，研究了抛光辊子结构和加工工艺参数对液动压力大小及分布均匀性的作用规律。结果表明：具有矩形微结构的抛光辊子可以在工件表面产生均匀的液动压力；更大直径的抛光辊子、更高的转速和更小的抛光间隙都可以获得更大的流体动压力，但同时也会使液动压力分布均匀性变差。搭建实验平台并进行抛光实验，线性液动压抛光加工后，K9玻璃表面粗糙度Ra值从45.41 nm降低到0.91 nm。