抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响试验

抛光垫是影响抛光加工效率和表面质量的关键因素之一,但影响规律和作用机理尚不清晰。为研究抛光垫表面微细结构对抛光性能的影响规律,制作有、无固结磨料的表面六边形微细结构抛光垫,分别对YG15硬质合金、单晶Si和单晶4H-SiC三种硬度差异较大的工件进行抛光试验。结果表明：各抛光垫对不同硬度工件抛光效果的影响规律一致,随着抛光工件的硬度增大,各抛光垫的材料去除率（MRR）减小,表面粗糙度Ra增大。抛光垫内的固结磨料能将MRR提高5～10倍,但也会导致Ra增大5～20倍。抛光垫表面微细结构会使得抛光过程中有效接触面积Ap和有效磨粒数Ns减小而导致MRR下降,而抛光垫硬度的增加能够部分弥补抛光垫表面微细结构造成的影响,抛光工件硬度越大,弥补效果越好。增加游离磨料能够有效降低抛光后Ra并提高硬度较大工件的MRR（上升约8%）,但对硬度较小工件的MRR有抑制作用（下降约27%）。根据抛光试验结果,建立工件-磨料-抛光垫接触模型,深入分析抛光垫表面微细结构、表面硬度对不同硬度工件抛光MRR和表面质量的作用机理,为不同工件抛光时抛光垫的选择提供了理论基础。     

氮化铝基片的集群磁流变抛光加工

本文进行了氮化铝基片的集群磁流变抛光加工研究,分析了主要工艺参数的影响和加工表面形貌特征.实验结果表明:集群磁流变抛光加工氮化铝基片可以实现高效率超光滑抛光,原始表面Ra1.730 2μm抛光60 min后可以达到Ra0.037 8μm.选用碳化硅磨料,磨料质量浓度为0.05 g/mL,工件与抛光盘转速比为5.8左右,...     

医用钛合金动态磁场集群磁流变抛光加工研究

目的 获得超光滑表面且无毒性残留的医用钛合金.方法 采用半固着磨料的新型动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用TC4钛合金,研究磨料种类、粒径、抛光时间、加工间隙和抛光盘转速等工艺参数,对医用钛合金表面形貌和表面粗糙度的影响规律,使用扫描电镜对抛光前后的医用钛合金表面进行成分分析.结果 医用TC4钛合金表面形貌受磨料形状和硬度的综合影响,Al2O3磨料相对SiC、SiO2和B4C磨料能获得更高质量的表面.随着Al2O3磨料粒径的增大,表面粗糙度先减小、后增大,5μm的Al2O3抛光效果最佳.加工间隙从0.8 mm增大到1.2 mm,表面粗糙度先减小、后增大,在1 mm时加工效果最优.抛光盘转速从15 r/min增大到35 r/min,表面粗糙度先减小、后增大,在25 r/min时加工效果最优.当使用粒径为5μm的Al2O3磨粒,在1 mm的工作间隙和25 r/min的抛光盘转速下抛光4 h时,医用钛合金表面粗糙度Ra从原始的110 nm降低到2.87 nm,表面粗糙度的下降率为97.39％.结论 应用动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用钛合金,能够获得无异质成分残留的超光滑表面.     

基于分子动力学仿真的纳米胶体射流抛光材料去除机理

利用分子动力学模拟了纳米Si O2颗粒与单晶硅(100)表面的碰撞过程,以此来分析纳米胶体射流抛光的材料去除机理。仿真结果显示:粒径为7 nm的Si O2颗粒其速度在50 m/s时,与单晶硅工件表面的碰撞作用不会引起工件表面的原子排布的变化;而若要使碰撞对单晶硅工件表面原子排布产生影响,纳米Si O2颗粒的速度需大于250 m/s。以单晶硅工件为加工对象进行了纳米胶体射流抛光加工试验。利用激光拉曼光谱对加工前后单晶硅工件表面原子排布状况进行了比较,其结果与分子动力学仿真结果吻合。利用X射线光电子能谱,研究了加工前后纳米Si O2颗粒与单晶硅工件表面原子之间化学键的变化。通过仿真和试验得出:纳米胶体射流抛光中,纳米颗粒碰撞所产生的机械作用不能直接去除工件材料,材料的去除是纳米颗粒与工件表面之间机械作用和化学作用的共同结果。     

超声复合磨料振动抛光方法有限元分析与实验

为研究超声复合磨料振动抛光方法对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响,分析了超声复合磨料振动抛光方法;并利用ANSYS Workbench软件分别分析了超声振动条件下和超声复合磨料振动条件下工件表面结构与应力变化情况,同时在超声复合磨料振动条件下通过实验验证超声复合磨料振动抛光技术对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响程度。结果表明:超声复合磨料振动条件下工件表面位移小于超声振动条件下的工件表面位移,超声复合磨料振动条件下工件表面应力大于超声振动条件下的工件表面应力;在超声复合磨料振动条件下,影响工件表面粗糙度最显著的因素是磨料质量分数,影响工件表面材料去除量最显著的因素是抛光时间,且磨料质量分数为30%、抛光时间为4 h时,抛光效果最佳。     

游离和固结金刚石磨料抛光手机面板玻璃的试验研究

选取不同粒径的金刚石微粉,采用游离磨料和固结磨料两种抛光方法加工手机面板玻璃,比较其材料去除率和抛光后工件表面粗糙度。结果表明：在相同的抛光工艺参数下,磨粒粒径在游离磨料抛光中对材料去除率和抛光后表面质量作用显著,而在固结磨料抛光中作用不显著;采用金刚石固结磨料抛光垫抛光能获得表面粗糙度约为Ra1.5 nm的良好表面质量,并在抛光过程中较好地实现了自修整功能。     

磨料水射流抛光技术及其发展

磨料水射流抛光技术是应用于表面抛光加工的新技术.利用含有细小磨料粒子的抛光液在高压作用下,与工件表面发生冲击、冲蚀而微去除材料,以达到抛光目的.论述了磨料水射流抛光技术的基本原理和特点,以及影响抛光效果的主要工艺参数,并对其发展趋势进行了展望.     

固结磨料抛光垫的凸起图案对其加工性能的影响

抛光垫是化学机械抛光中的重要组成部分,其磨损均匀性能是影响加工后工件平面度的重要因素。本文比较了具有优化凸起图案的固结磨料抛光垫、凸起均布的固结磨料抛光垫和聚氨酯抛光垫的研磨抛光性能,结果表明:利用优化凸起图案的固结磨料抛光垫加工,可以得到更加优异且稳定的表面质量,材料去除效率远高于聚氨脂抛光垫游离磨料的加工方式。     

集群磁流变抛光加工表面磁轨迹强度建模优化及加工均匀性研究

目的 探究集群磁流变抛光过程中工艺参数和空间磁场分布特征对加工表面粗糙度不均匀性的影响,通过优化工艺参数,改善加工表面粗糙度的不均匀性。方法 提出一种包含有效加工轨迹和磁轨迹特征的磁轨迹强度数值模型,在数值模型基础上分析转速比、偏心距和往复摆动速度等运动参数对工件不同位置上有效加工轨迹和磁轨迹2种特征的影响,优化不同运动条件下的转速比。在集群磁流变抛光装置上进行硅片的抛光加工实验,利用白光干涉仪检测加工表面粗糙度和表面形貌,总结加工表面粗糙度的分布规律。结果 数值计算结果表明,无理数的转速比能避免出现不同周向位置的周期性波动特征,选用合适的转速比能够减小不同径向位置轨迹长度的差异,提高轨迹特征的均匀性。在无理数转速比条件下,通过改变工件偏心距和增加往复摆动会增大有效加工轨迹的覆盖范围,同时会缩短有效轨迹长度,使得加工效率降低。改变偏心距的运动模式可以改变运动轨迹上磁频数的分布规律,在偏心距为115 mm条件下,工件不同径向位置之间的平均磁场差值可以减小至0.019 T。实验结果表明,通过优化工艺参数后,加工表面粗糙度的变异系数相较于对照组平均下降了约37%。对照组在抛光后的不均匀情况与数值计算结果中的磁轨迹强度径向分布规律相吻合,在小转速比下表现为中心光滑、边缘粗糙的分布规律,在大转速比下表现为边缘光滑、中心粗糙的分布规律。在偏心距为115 mm、转速比为223∶60的优化工艺条件下,抛光硅片的粗糙度变异系数最小达到0.309,平均粗糙度为Sa 4.19 nm。结论 对比实验结果与数值模拟结果可知,磁轨迹强度数值模型能有效优化集群磁流变抛光工艺参数,有利于加工轨迹与磁轨迹特征的匹配,改善了工件抛光后的加工不均匀性。     

磁流变抛光技术的研究进展

磁流变抛光技术具有加工面形精度高、表面粗糙度小、加工过程易于控制、表面损伤小、加工过程中不产生新的损伤等优秀特点,因此多应用于加工要求高的精密和超精密领域,最常应用于光学加工方面。综述了磁流变抛光技术材料去除数学模型的建立进展,论证了该模型的正确性,总结出该基本模型具有通用性,模型能够适用于平面和凸球面等形面加工中,此外,对实现计算机控制抛光过程的准确性具有指导意义。概述了磁流变抛光工艺实验进展,总结磁流变抛光影响抛光效果的主要因素是磁场强度和磁场发生装置,在优化工艺参数组合下能够达到纳米级表面,能够消除亚表面损伤,还能够用以加工各种复杂形面等。就目前磁流变抛光技术的发展新方向作以总结,包括集群磁流变抛光技术、组合磁流变抛光技术以及磁流变-超声复合抛光技术,介绍这几种加工方法的工作原理以及能够达到的实验效果。最后对现阶段磁流变抛光技术中存在的问题做出总结,并针对各个问题提出相对应的思考和展望。     

Design and development of the magnetorheological abrasive flow finishing (MRAFF) process

A new precision finishing process for complex internal geometries using smart magnetorheological polishing fluid is developed. Magnetorheological abrasive flow finishing (MRAFF) process provides better control over rheological properties of abrasive laden magnetorheological finishing medium. Magnetorheological (MR) polishing fluid comprises of carbonyl iron powder and silicon carbide abrasives dispersed in the viscoplastic base of grease and mineral oil; it exhibits change in rheological behaviour in presence of external magnetic field. This smart behaviour of MR-polishing fluid is utilized to precisely control the finishing forces, hence final surface finish. A hydraulically powered experimental setup is designed to study the process characteristics and performance. The setup consists of two MR-polishing fluid cylinders, two hydraulic actuators, electromagnet, fixture and supporting frame. Experiments were conducted on stainless steel workpieces at different magnetic field strength to observe its effect on final surface finish. No measurable change in surface roughness is observed after finishing at zero magnetic field. However, for the same number of cycles the roughness reduces gradually with the increase of magnetic field. This validates the role of rheological behaviour of magnetorheological polishing fluid in performing finishing action.     

磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺及机理

为提高光电晶片的磁流变抛光效率并实现其超光滑平坦化加工,提出其磁流变变间隙动压平坦化加工方法,研究不同变间隙条件下蓝宝石晶片的材料去除率和表面粗糙度随加工时间的变化,并分析磁流变变间隙动压平坦化加工机理。结果表明:通过蓝宝石晶片对磁流变抛光液施加轴向低频挤压振动,其抛光压力动态变化且磁流变液产生挤压强化效应,使抛光效率与抛光效果显著提升。在工件下压速度为1.0 mm/s,拉升速度为3.5 mm/s,挤压振动幅值为1 mm条件下磁流变变间隙动压平坦化抛光120 min后,蓝宝石晶片的表面粗糙度R_a由 6.22 nm下降为0.31 nm,材料去除率为5.52 nm/min,相较于恒定间隙磁流变抛光,其表面粗糙度降低66%,材料去除率提高55%。改变变间隙运动速度可以调控磁流变液的流场特性,且合适的工件下压速度和工件拉升速度有利于提高工件的抛光效率和表面质量。      

蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究

目的 针对目前光滑无损伤光学曲面蓝宝石加工成本高、效率低的问题,对加工过程中磁流变抛光缎带进行流体仿真,进而优化抛光轮表面结构。方法 设计并提出3种表面结构柱形宽缎带磁流变抛光轮,介绍了磁流变抛光轮加工的基本原理,建立了磁流变抛光垫Bingham流体特性加工仿真模型,分析了3种抛光轮表面结构对工件表面磁通密度模、流场流速、流场压力分布的影响。同时对3种抛光轮的抛光效果进行了实验探究,探究了抛光轮表面结构对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。结果 仿真结果表明,抛光轮表面槽型结构具有能增强磁通密度模、增大流体流速和流体压力的特性。实验结果表明,螺旋槽抛光轮的抛光效果最好,在螺旋抛光轮作用下,材料去除率为0.22 mg/h,抛光后蓝宝石表面粗糙度为1.08 nm。最终抛光轮近壁区总压力和速度的乘积结果与抛光轮实验去除率结果具有较好的一致性。结论 槽型结构可以提高抛光液在抛光轮表面的固着效果,影响工件表面流场运动状态,增强工件表面受到抛光垫的作用力。相较于光滑和横条槽抛光轮,螺旋槽抛光轮的抛光效率最高,表面粗糙度最低,可有效提高抛光效果。     

基于响应面法的钛合金Halbach阵列增强磁流变抛光工艺参数优化

目的 提高钛合金磁流变抛光的表面质量和抛光效率。方法 用Halbach磁场阵列强化磁场,通过载液盘与磁铁反向旋转来增强磁流变抛光效率,使抛光头拥有更强的恢复性与自锐性。通过仿真模拟和实际测量对比研究Halbach阵列与N-S阵列的磁场分布和磁场梯度。依照试验结果描述抛光剪切力、表面粗糙度与表面微观形貌随时间的变化规律。采用响应面法优化载液盘转速、磁铁转速和加工间距等3个工艺参数,建立剪切力和表面粗糙度的拟合方程数学预测模型,并对其中的不显著项进行优化。结果 在响应面交互作用分析中,工艺参数对剪切力的影响的大小顺序为加工间距、磁铁转速、载液盘转速;对表面粗糙度影响的大小顺序为载液盘转速、磁铁转速、加工间距。根据不同的需求,确定选定范围内的工艺参数组合,需要快速去除材料时,使剪切力趋于最大值的工艺参数组合为载液盘转速227 r/min,磁铁转速64 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为34.911 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.812 N。需要最优表面质量时,使表面粗糙度值趋于最小值的工艺参数组合为载液盘转速300 r/min,磁铁转速150 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为26.723 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.796 N。结论 Halbach阵列拥有较高的磁场强度和富有空间变化的磁感线,能够使磁流变液中的磁链呈现出更多的姿态变化。根据响应面法优化后的剪切力和表面粗糙度预测模型,预测结果与验证试验结果相差很小,预测模型的准确度与可信度较高。     

氧化锆陶瓷大抛光模磁流变抛光试验研究

目的研发一种高效、高质量氧化锆陶瓷超光滑表面加工技术。方法采用大抛光模磁流变抛光方式加工氧化锆陶瓷,利用自主研发的磁流变平面抛光装置,配制含有金刚石磨粒的磁流变抛光液,通过设计单因素实验,研究抛光时间、工作间隙、工件转速和抛光槽转速等主要工艺参数对氧化锆陶瓷平面磁流变加工性能的影响,并对材料去除率和表面粗糙度进行分析。结果在工作间隙为1.4 mm、工件转速为100 r/min、抛光槽转速为25 r/min的工艺条件下,表面粗糙度在达到饱和之前随时间的增加而降低。抛光30 min达到饱和,表面粗糙度Ra达到0.7 nm。继续延长抛光时间,表面粗糙度不再改善。氧化锆陶瓷的材料去除率随着工件转速和抛光槽转速的增加而增大,随着工作间隙的增大而减小。当工件转速为300 r/min时,材料去除率可以达到1.03 mg/min;抛光槽转速为25 r/min时,材料去除率可以达到0.80 mg/min;工作间隙为1.0 mm时,材料去除率最高可达0.77 mg/min。结论采用大抛光模磁流变抛光方法可以提高氧化锆陶瓷的材料去除率,同时获得纳米级表面粗糙度,实现氧化锆陶瓷的高效超光滑表面加工。     

环形磁流变抛光工具的加工性能研究

半球谐振子的加工效率是影响半球谐振陀螺仪应用的主要因素。在环形磁流变抛光方式的基础上,提出平面化类比的简化加工抛光器并探索其加工性能。通过单因素探索试验和正交试验研究磁感应强度、抛光器转速、加工间隙、金刚石粒径等因素对抛光性能的影响。结果表明:使用环形磁流变抛光器抛光熔石英,当磁场磁感应强度较强,抛光器转速350 r/min,加工间隙0.6 mm,金刚石粒径为0.5~1.0 μm时,石英材料去除率为191.2 nm/min,表面粗糙度R_a值为3.31 nm,抛光效果良好。      

Experimental investigations into forces during magnetorheological fluid based finishing process

Magnetorheological fluid based finishing process is a fine finishing process that has been applied to a large variety of brittle materials, ranging from optical glasses to hard crystals. Under the influence of a magnetic field, the carbonyl iron particles (CIPs) and non-magnetic polishing abrasive particles remove material from the surface being polished. Knowledge of forces acting is important to understand the mechanism of material removal. A dynamometer and virtual instrumentation are used to on-line record the normal force and tangential force acting on the workpiece through the magnetorheological (MR) fluid. A full factorial design of experiments is used to plan the experiments and ANOVA to correlate the forces and process parameters. The selected process parameters (volume concentration of CIPs and abrasives, working gap, and wheel rotation) are varied over a range to measure forces during experimentation. The maximum contribution is made by a working gap on the forces developed on the workpiece surface followed by CIP concentration while the least contribution is noticed by the wheel speed.     

Magnetorheological finishing process for hard materials using sintered iron-CNT compound abrasives

The use of magnetorheological fluids for finishing is one of the most promising smart processes for the fabrication of ultra-fine surfaces, particularly three-dimensional millimeter or micrometer structures. This process is not readily applicable to hard-surface materials, like an Al₂O₃–TiC hard disk slider, if a conventional rotating tool is used. This is due to the rotational speed and the resulting actual impressed abrasion energy limits, and the consequent low efficiency of the material removal rate. In this study, the main mechanism responsible for the decrease of the material removal rate on hard materials for a wheel-type magnetorheological finishing process is examined, both theoretically and experimentally, and a solution to this problem is devised via two approaches. The first uses a rectilinear alternating motion to improve processing conditions, and the second focuses on the use of more effective abrasives, namely magnetizable abrasives made of iron powders sintered with carbon nanotubes, which are new abrasives that have not yet been introduced in the field of surface finishing. Furthermore, it is shown that these abrasives increase the lifetime of consumables (magnetorheological fluid and abrasives) and the material removal rate.