液动压悬浮抛光机床的设计与研究

为了解决纳米薄膜生长所需的原子级超光滑表面制备问题,基于液动压悬浮抛光新方法开展液动压悬浮抛光机床的设计研究。利用铝基盘作上抛光盘,高磷合金铸铁盘作下抛光盘,抛光工件贴于上抛光盘上,上下抛光盘保持一定的间隙并浸没在抛光液中,结合高精度的滚珠花键轴和导轨即可实现新型的非接触式抛光—液动压悬浮抛光。     

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。     

随动压力分布下的非球面抛光去除函数

考虑去除函数对数控小工具抛光光学元件精度的影响,提出了如何根据需要加工的非球面参数以及抛光盘参数得到最优去除函数的方法。由于计算非球面上去除函数的核心是准确获得抛光盘与镜面间的动态压力分布,本文提出利用有限元法仿真抛光盘与非球面间的压力分布,并结合经典Preston方程与行星运动模型来得到非球面不同位置处的去除函数。基于随动压力分布模型,分析了沥青盘抛光非球面时在不同抛光位置处去除函数的变化。在曲率半径为1 000mm的球面上进行了去除函数验证实验。结果表明:基于本文理论得到的去除函线型更接近实际情况,皮尔逊系数达到了0.977。本文提出的方法可以方便地调整加工位置来得到相应的压力分布,实现去除函数的优化,对提高加工效率与精度有实际指导意义。     

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。     

行星式双面抛光均匀性研究

文中通过行星轮式双面抛光的运动分析,得到工件相对于抛光盘的速度表达式;在Preston方程基础上,建立了材料去除函数和抛光均匀性函数;进行计算机仿真,讨论了不同转速比对抛光均匀性的影响;并通过加工实验验证了仿真与实验结果的一致性,为抛光加工工艺参数的确定提供理论依据.     

水合抛光加工的运动学特性

建立了旋摆驱动方式下水合平面抛光过程中工件的运动学模型,揭示了抛光盘开孔方式对蓝宝石衬底的水合抛光均匀性影响规律。旋摆驱动条件下,杉木抛光盘的开孔方式对蓝宝石衬底水合抛光加工全局均匀性和局部均匀性具有重要的作用,局部均匀性的阶梯状分布为直线、圆环和螺旋线开孔方式的共性特征。与直线、圆环开孔方式相比,在一定的参数取值条件下,螺旋线开孔方式可更好地实现水合抛光加工的全局均匀性和局部均匀性要求。     

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。     

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。     

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.     

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。     

利用三维格子Boltzmann法研究化学机械抛光中压力分布

利用三维格子Boltzmann法(LSM),对化学机械抛光(CMP)的润滑过程做了数值模拟,得到了不同晶片和抛光垫转速下的压力分布,并讨论了抛光液黏度对高压涡中压力最大值的影响.数值模拟结果表明,晶片自转是产生"双涡图"的主要原因,抛光垫旋转则主要产生"单涡图",抛光垫和晶片旋转的综合作用一起影响抛光效果,其中抛光垫的转速的改变对去除率影响较大.利用格子Bohzmann法模拟润滑问题,所得结果与求解Reynolds方程的结果一致,并具有计算效率高、几何直观等特性,能实现CMP过程的三维模型,且较容易实现对多相流的模拟.     

斜面60°光纤透镜抛光接触状态的分析

为了掌握光纤透镜抛光接触状态,依据接触力学理论,建立了60o斜面光纤透镜抛光时的接触力学模型;应用ANSYS接触分析技术和MATLAB数据图视功能,对光纤透镜抛光过程中光纤加工端与抛光垫的接触状态进行了分析。结果表明：补偿角α、光纤夹持伸出长度l和抛光垫弹性模量E2不仅影响到光纤透镜抛光接触区域的接触形式,也同时影响接触压强的分布状态;外加位移载荷z对接触形式影响不大,但对接触压强分布影响较大。     

固着磨料抛光碳化硅反射镜的去除函数

进一步研究了采用固着磨料数控加工碳化硅反射镜的工艺,基于平转动加工方式的去除函数理论推导出了多丸片抛光盘的去除函数模型.根据趋近因子、曲线距离等结果对抛光盘运动偏心距及丸片间距等参数进行优化,由优化后的参数指导实验.理论模型与实验结果对比显示,理论最大去除率与实验数据的偏差为0.007 3 μm/min,偏差比例为5.58%;理论去除函数曲线与实验曲线的距离偏差Drms为0.084 9 μm,偏差比例为7.01%.在分析部分,引入填充因子来间接评价去除函数形状.实验结果很好地验证了理论模型的准确性.该模型对固着磨料磨具抛光的工艺过程具有很好的预测性,在加工碳化硅反射镜领域极大地弥补了使用散粒磨料工艺加工所带来的不足,使加工效率得以明显提升.     

气囊抛光去除函数的数值仿真与试验研究

为提高光学元件的面形精度,提高加工效率,对超精密气囊抛光方法的去除函数进行了理论和试验研究.通过分析气囊抛光的原理,以Preston方程为基础,应用运动学原理推导了气囊抛光"进动"运动的材料去除函数,利用计算机仿真的方法,得到近似高斯分布的去除函数,通过仿真分析几个主要参数对"进动"抛光运动去除特性的影响,总结得到三点气囊抛光工艺过程中重要的结论.通过在一台超精密气囊式智能抛光机上的试验对比,两者吻合很好,并得到面形精度 RMS=0.012 6 μm的超精密的光滑表面,为开展气囊抛光的工艺研究提供了理论依据.     

椭圆形小磨头特性曲线研究

数控小磨头抛光技术中,磨头的工作函数是加工过程中的一个基本函数.在已有的圆形磨头的数学模型及工作特性研究基础上,讨论了椭圆形小磨头在行星运动和平转动两种常用运动方式下的工作函数及其特性曲线,分析并模拟得出其优化后的工作参数.结果表明,椭圆形磨头在常用运动方式下的工作特性曲线均具有中心最大峰值,近似于高斯分布,具有良好的...     

五角星形小磨头特性曲线研究

磨头的工作函数是数控小磨头抛光工艺中的一个基本函数,有必要认真研究并确定其形状,优化其参数。在已有的圆形磨头的数学模型及工作特性研究基础上,通过引入修正因子,模拟得出了五角星形小磨头在行星运动和平转动两种运动方式下的工作函数及其特性曲线,分析并得出其优化后的工作参数。模拟结果表明,五角星形磨头在常用运动方式下的工作特性曲线均具有中心最大峰值,近似于高斯分布,具有良好的材料去除能力。     

基于叶序仿生抛光垫化学机械抛光温度的研究与分析

为了解决在化学机械抛光过程中抛光温度分布不均匀问题,使用叶序仿生抛光垫进行研究,并建立了抛光温度场模型。利用有限元分析软件ANSYS,对抛光温度场进行了仿真分析,获得了抛光垫的叶序参量对抛光温度分布的影响规律。通过对仿真结果进行分析发现,合理选择仿生抛光垫的叶序参数,能够使抛光温度变得更均匀。     

用于模具自由曲面的新型气囊抛光中磨粒场的分析

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。研究了气囊抛光接触区内磨粒的运动轨迹、压力分布和抛光力的分布情况,建立了气囊抛光接触区内磨粒的运动模型、压力模型,揭示了气囊抛光接触区内磨粒直径对抛光力和被加工工件内部剪切应力的影响规律,研究了抛光过程中工件内部的剪切应力分布,明确了材料疲劳去除机理。为气囊抛光的应用奠定了理论基础。     

Modelling of the Polished Profile in Computer-Controlled Polishing by a Sub-Aperture Pad

High-quality part surfaces with high surface finish and form accuracy are increasingly in demand in the mold/die and optics industries. The computer-controlled polishing (CCP) is commonly used as the final procedure to improve the surface quality. This paper presents a theoretical and experimental study on the polished profile of CCP with sub-aperture pad. A material removal model is proposed based on the evaluation of the amount of material removed from the surface along a direction orthogonal to the tool path. The model assumes that the material removal rate follows the Peterson equation. The distribution of the sliding velocity at the contact region is presented. On the basis above, the approaches to calculate the polished profiles are developed for the sub-aperture pad polishing along a straight path and a curved path. The model is validated by a series of designed polishing experiments, which reveals that polishing normal force, angular spindle velocity, feed rate and polishing path all have effects on the polished profile. The result of experiments demonstrates the capability of the model-based simulation in predicting the polished profile.     

化学机械抛光中抛光垫材料的研究与展望

在化学机械抛光中,抛光垫的材料是重要影响因素之一,它直接影响着抛光效果。本文介绍了化学机械抛光垫的基本材料、材料特性及其对抛光效果的影响,目前化学机械抛光加工中所采用的抛光垫材料及主要用途,对各种抛光垫材料在抛光过程中存在问题进行了分析,同时展望了抛光垫材料的发展趋势。