圆柱曲面剪切增稠抛光材料去除函数仿真与实验研究

目的 通过有限元仿真方法获得圆柱曲面周围压强场和速度场的分布,结合实验结果拟合得到修正系数,从而建立圆柱曲面剪切增稠抛光（STP）的材料去除函数。方法 运用计算流体动力学仿真软件CFX,对圆柱曲面STP过程的抛光液流动进行仿真,通过对比工件所受作用力的仿真值与实验测量值,求得流体流变特性修正系数Kv,再根据仿真得到的圆柱曲面表面压强场和抛光液速度场,基于Preston方程建立圆柱曲面STP的材料去除函数。以不锈钢316圆柱曲面为抛光实验对象,通过去除率测量结果拟合得到材料去除函数系数。结果 计算得出流体流变特性修正系数Kv=40.1,修正后,仿真模型的压力输出值与实验测量值的误差为4.7%。计算得到Preston方程去除函数的方程系数Kc=28.85。材料去除函数在整个圆柱曲面呈现近似正弦函数的分布规律,与抛光速度呈指数函数关系。抛光仿真和实验结果有着较好的吻合,误差在5%以内,表明了仿真模型的有效性。结论 通过CFX仿真,可以很好地揭示剪切增稠抛光过程中圆柱曲面表面压强场和速度场的分布规律,并基于Preston方程建立材料去除函数,这种剪切增稠抛光去除函数的建立方法,不仅仅适用于规则的圆柱体,也适合其他形状工件剪切增稠抛光去除函数的建立。     

钛合金材料页轮磨抛材料去除深度模型

针对钛合金材料页轮磨抛表面去除量难控制的问题,从页轮磨抛的运动过程出发,结合Preston方程、Hertz接触理论及线接触变形等理论方法,建立页轮磨抛的材料去除深度模型。首先,分析磨削过程中页轮的运动和材料去除过程,并通过Preston方程简化磨抛过程,得到材料去除深度与页轮的线速度、接触压强、进给速度之间的关系;其次,通过Hertz接触理论及线接触变形得到接触压强和预压量的关系式,再将预压量代入接触压强,构建材料去除深度理论模型;最后,采用正交试验法和单因素试验法验证该理论模型的准确性,并通过极差分析法分析各参数对页轮磨抛去除深度的影响程度。结果表明:材料去除深度与预压量和页轮线速度成正比,与页轮进给速度成反比,且各参数对页轮磨抛去除深度的影响程度基本相当。模型预测的材料去除深度与试验结果的平均相对误差为6.25%,说明理论模型可准确预测磨削去除深度。      

磁流变微结构动压平面抛光试验研究

为提高集群磁流变平面抛光效率,在抛光盘表面增加微结构,以增强加工过程中的流体动压作用。使用平面抛光盘和表面加工有孔洞、V形槽、U形槽、矩形槽等不同微结构的抛光盘进行抛光试验及抛光压力特性试验,研究了加工间隙和工件转速对加工效果的影响。结果表明:抛光盘表面微结构对工件材料去除率影响较大,不同微结构盘材料去除率从大到小顺序为V形盘>U形盘>平面盘>孔洞盘>矩形盘,其中V形盘的材料去除率比平面盘高25%以上;所有抛光盘均能获得纳米级（R_a在8 nm以内）表面。当加工间隙为0.9~1.0 mm、工件转速为550 r/min时,加工效果较好。      

A wafer-scale material removal rate profile model for copper chemical mechanical planarization

Chemical mechanical polishing (CMP) models based on the Preston equation, which states that the material removal rate (MRR) is proportional to the product of the pressure and relative velocity, have focused on representing the average MRR as a function of the pressure and relative velocity. In this study, we tried to establish a semi-empirical CMP model, which can provide the MRR profile. The model is based on a modified form of the Preston equation and involves the use of a spatial parameter (Ω). The relative velocity distribution, normal contact stress distribution, and chemical reaction rate distribution are considered for obtaining the MRR profile in the copper CMP process. The results of the modeling and experimental analysis performed in this study facilitate process optimization and provide information that can contribute to the development of a wafer-scale CMP simulator.     

A material removal model for polishing glass–ceramic and aluminum magnesium storage disks

In this paper, a model is proposed to more closely describe the relationships between polishing parameters and the material removal rate for the commonly used storage disks in PC. Experiments were conducted to verify this model. It is shown that the proposed model predicts the material removal rate more accurately than existing models. The proposed model is expected to apply to different materials polished by similar processes. The FEM analysis of the applied polishing pressure well explained the current empirical results.     

Investigation on the Electrochemical-Mechanical Polishing of NiP Substrate of Hard Disk

利用自制的抛光液和改造的抛光机对NiP基板进行电化学机械抛光,研究了抛光电压、抛光台转速、抛光压力和抛光液流速对材料去除速率的影响,对电化学机械抛光的机理做了初步的分析。研究结果表明, NiP基板可以用低压力 (3.5 kPa)抛光, 材料的去除速率可以通过调整抛光电压, 抛光台转速和抛光液流速进行控制     

化学机械抛光工艺参数对氧化锆陶瓷抛光速率的影响

目的探究SiO_2磨料固含量、抛光垫和下压力等工艺参数对氧化锆陶瓷化学机械抛光速率的影响和作用机理。方法采用粒径为80 nm的钠型稳定型硅溶胶,氢氧化钠溶液作为pH调节剂,将硅溶胶pH调至为10。通过CP-4抛光设备进行氧化锆陶瓷抛光实验及摩擦系数采集,采用黏度测试仪测试不同固含量硅溶胶的黏度,采用扫描电子显微镜分析了SUBA系列两种抛光垫的微观结构。结果硅溶胶固含量为37%时,抛光速率最快,达到54.3 nm/min,此时摩擦系数最小,为0.1501。随着固含量的增加,摩擦系数小幅增加,并稳定在0.1540附近。硅溶胶固含量高于37%的抛光机制是流体力学作用的结果,固含量低于37%的抛光机制是流体力学和机械力共同作用的结果。扫描电镜下观察发现,SUBA800抛光垫的孔隙尺寸比SUBA600抛光垫的孔隙尺寸小,使用前者的抛光速率快于后者,抛光速率相差10 nm/min。因为孔隙多改变了硅溶胶和抛光垫的接触机制,增大了切应力和摩擦系数,机械作用力加强,从而加快了抛光速率。摩擦系数与下压力没有关系,下压力小于3.5 psi时,抛光速率符合Preston方程。结论对氧化锆陶瓷进行化学机械抛光处理,固含量在37%时,抛光速率最快。SUBA800抛光垫相比SUBA600抛光垫,更适合氧化锆陶瓷抛光。下压力小于3.5 psi时,抛光速率符合Preston方程行为,且摩擦系数和下压力没有关系。     

机器人恒力磨抛材料去除研究

针对传统机器人-砂带磨抛工件时材料去除量难以定量控制的问题,结合Preston磨削经验公式与赫兹弹性接触理论,将法向磨抛力、砂带速度、工件进给速度3个工艺参数作为变量,建立机器人恒力磨抛的材料去除深度模型;然后进行硬件选型,搭建机器人恒力磨抛实验平台;最后以上述3个工艺参数为变量设计了机器人恒力磨抛单因素实验,实验结果较好验证了该材料去除深度模型的准确性。     

基于响应面法的单晶硅CMP抛光工艺参数优化

为提高单晶硅化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)的表面质量和抛光速度,通过响应面法优化CMP抛光压力、抛光盘转速和抛光液流量3个工艺参数,结果表明抛光压力、抛光盘转速、抛光液流量对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响依次减小。通过数学模型和试验验证获得最优的工艺参数为:抛光压力,48.3 kPa;抛光盘转速,70 r/min;抛光液流量,65 mL/min。在此工艺下,单晶硅CMP的材料去除率为1 058.2 nm/min,表面粗糙度为0.771 nm,其抛光速度和表面质量得到显著提高。      

紫外光催化辅助Ga面GaN化学机械抛光试验研究

目的 探究在紫外光催化辅助抛光过程中,相关因素对氮化镓晶片Ga面去除率(MRR)及表面粗糙度(Ra)的影响规律,提高单晶氮化镓高效率低损伤的超光滑表面质量。方法 通过结合紫外光与化学机械进行抛光,采用单因素试验方案,对GaN晶片的Ga面进行紫外光催化辅助化学机械抛光试验,比较在无光照、光照抛光盘、光照抛光液3种抛光方式和不同TiO₂浓度、pH值、H₂O₂含量、抛光压力、抛光盘转速和抛光液流条件下的抛光效果。最后通过正交试验进行抛光工艺参数优化,通过测量不同条件下紫外光催化辅助化学机械抛光过程中的MRR值和Ra值,探究GaN晶片Ga面抛光效果。结果在紫外光催化辅助抛光条件下,通过对单因素试验和正交试验的抛光参数进行分析和优化,GaN晶片材料去除率可以达到698.864nm/h,通过白光干涉仪观测可以获得表面粗糙度Ra值为0.430nm的亚纳米级超光滑GaN晶体表面。结论 基于紫外光催化辅助GaN晶片Ga面化学机械抛光试验,紫外光辅助化学机械的复合抛光方式能够促进GaN表面生成物Ga₂O₃     

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。      

An efficient super-high speed polishing method for CVD diamond films

In this paper, 0Cr18Ni9 stainless steel was used as the polishing plate material during the super-high speed polishing of CVD diamond films. The influences of polishing speed and polishing pressure on the surface character, material removal rate and material removal mechanism have been studied using scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy before and after polishing, respectively. The results showed that the super-high speed polishing with 0Cr18Ni9 stainless steel polishing plate is an effective polishing method, and while the polishing speed and pressure are 100 m/s and 0.17–0.31 MPa, the material removal rate could reach to 36–51 μm/h. Furthermore, the material removal mechanism is mainly the chemical reaction between carbon and iron and the diffusion of carbon atoms into the polishing plate during the super-high speed polishing.     

提升磨料水射流抛光去除效率的参数研究

具有独特优势的磨粒水射流抛光技术,由于去除效率低,在加工超精密光学元件中的应用受到了一定的限制。本研究通过实验和仿真,分析了喷嘴直径和射流压力对去除函数、去除效率和确定性修形加工的影响。实验结果表明:喷嘴直径在一定尺寸范围内增加,可以有效地提升去除效率,超过一定尺寸后,去除效率增加减慢,去除函数的宽度变化要远大于喷嘴直径的变化;随射流压力增大,去除函数深度呈指数增加,去除函数轮廓由W形转变为双W形。通过建立回转函数来模拟偏心回转射流的方法,验证了变形后的去除函数在确定性抛光加工中具有很好的适用性,并且该方法可以用在采用垂直射流直接进行超精密表面的确定性抛光加工上。      

定偏心和不定偏心平面研磨均匀性的研究

对修正环形抛光机定偏心和不定偏心平面研磨进行了运动分析，给出了研磨盘上一点相对于工件的速度矢量与轨迹方程，讨论了研磨盘上不同位置的点的相对轨迹。在Preston方程基础上，建立了材料去除函数和研磨均匀性函数。实验结果与理论分析表明通过设置选择适当的转速比组合，可使工件获得均匀研磨，有利于工件平面度的提高。     

因瓦合金纳米抛光材料去除机理的分子动力学模拟∗

因瓦合金作为一种独特的低膨胀材料已广泛用于航空航天等高科技领域,但目前还鲜有对其超精密加工理论和技术的研究,而纳米抛光是因瓦合金超精密加工的一种重要手段。 针对纳米抛光过程中因瓦合金的材料去除机理,基于分子动力学模拟研究抛光速度对材料去除效率、亚表面损伤和抛光表面平整度的影响。 通过对磨屑、能量、抛光力、位错运动等方面的分析揭示因瓦合金的变形损伤机制。 研究结果表明:材料去除效率随着抛光速度将达到一个临界值,当抛光速度低于 100 m/ s 时,磨削热促使位错形核,亚表面损伤厚度增加;当抛光速度高于 100 m/ s 时,应变速率急剧增大导致位错运动受限,使得亚表面损伤厚度得以降低。 为实现因瓦合金高效率和低损伤加工机制提供理论依据和技术支持。     

叶片进排气边抛光工艺及其参数优化

叶片是航空发动机关键零部件之一,具有复杂的几何形状、极高的几何精度和表面质量要求。其中,叶片进排气边作为影响整机性能的关键区域,其较小的半径尺寸、急剧的曲率变化使得数控自动化抛光难以实现。为此,提出一种采用电镀超硬磨料柔性抛光轮定轨迹抛光的方法。通过优化线速度和预压量等抛光工艺关键参数,建立相应的抛光去除量和表面粗糙度变化曲线。实验结果表明,随着线速度和预压量的增加,进排气边的去除量也随之增加。不同尺寸半径试件(R2 mm,R1.5 mm,R1 mm)表面粗糙度在线速度为12.56 m/s和预压量为0.3 mm时呈现出最低值(Ra1.05μm,Ra 0.86μm,Ra 0.81μm)。通过不同尺寸半径试件抛光参数优化方法研究,为实现叶片进排气边的高精度数控自动化抛光提供了有利支撑。     

304不锈钢化学机械抛光工艺参数研究

为优化抛光效果、节省成本及提高效率,研究抛光压力、抛光液流量、抛光转速和抛光时间对304不锈钢材料去除率和表面粗糙度的影响。实验结果表明:在抛光压力为13.79 kPa、抛光液流量为15 mL/min、抛光时间为35 min、抛光转速为60 r/min的工艺条件下,304不锈钢去除速率达到226.56 nm/min,表面粗糙度降至6 nm,既节约了成本又保证了最好的表面粗糙度和较高的材料去除速率。      

单晶SiC基片的磁流变化学复合抛光

基于芬顿反应的磁流变化学复合抛光加工原理,对单晶SiC基片进行磁流变化学复合抛光试验,研究工艺参数对其抛光效果的影响。结果表明:随着金刚石磨粒粒径的增大,材料去除率先增大后减小,而表面粗糙度先减小后增大;随着磨粒质量分数的增大,材料去除率增大,而表面粗糙度先减小后增大;当羰基铁粉质量分数增大时,材料去除率增大,而表面粗糙度呈先减小后增大的趋势;随着氧化剂质量分数增大,材料去除率先增大后减小,而表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势;加工间隙对材料去除率的影响较大,加工间隙为1.0?mm时,加工表面质量较好;随着工件转速和抛光盘转速增大,材料去除率均先增大后减小,表面粗糙度均先减小后增大。获得的优化的工艺参数为:磨粒粒径,1.0 μm;磨粒质量分数,5%;羰基铁粉质量分数,25%;过氧化氢质量分数,5%;加工间隙,1.0 mm;工件转速,500 r/min;抛光盘转速,20 r/min。采用优化的工艺参数对表面粗糙度约为40.00 nm的单晶SiC进行加工,获得表面粗糙度为0.10 nm以下的光滑表面。      

抛光垫特性对硬质合金刀片CMP加工效果的影响

目的研究不同种类的抛光垫对硬质合金刀片表面化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing/Planarization,CMP)加工过程的影响,为实现硬质合金刀片高效精密CMP加工提供有效参考。方法利用Nanopoli-100智能抛光机,通过自制的Al2O3抛光液,分别采用9种不同种类的抛光垫对牌号为YG8的硬质合金刀片进行CMP实验,将0~40、40~80、80~120 min三个加工阶段获得的材料去除率和表面粗糙度进行对比,同时观察最佳的表面形貌,分析抛光垫特性对CMP加工效果的影响。结果在抛光转速60 r/min,抛光压力177.8 k Pa的实验条件下,9种不同类型的抛光垫中仅有5种适合用于YG8硬质合金CMP加工。而且抛光垫的表面粗糙度在YG8刀片CMP加工过程中的影响最为显著,抛光垫表面粗糙度越高,CMP加工的材料去除率越高。此外,抛光垫的使用时间对CMP过程也有影响,抛光垫使用时间越长,CMP的材料去除率越小。结论 YG8硬质合金刀片经5种不同类型抛光垫CMP加工后,其表面的烧伤、裂纹等缺陷均得到了极大改善。当使用细帆布加工40 min时,材料去除率最高,为47.105 nm/min;当使用细帆布加工80min时,表面粗糙度最低,为0.039μm。     

基于Preston方程的反射杯抛磨工艺参数研究

反射杯是液电冲击波式碎石机的关键部件之一,目前国内主要依靠手工抛磨。为了实现反射杯尺寸精度、表面粗糙度和品质稳定、高效生产,在经改造的数控车床上,对一种气囊式抛磨头的反射杯抛磨工艺进行研究。在Preston去除函数解析的基础上结合椭圆赫兹接触理论,确定影响反射杯内表面材料去除量的重要参数。为了保证抛磨的质量要求,优化了抛磨轨迹。试验结果表明,达到了反射杯尺寸精度和表面粗糙度要求。