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。      

基于叶序仿生抛光垫的化学机械抛光的运动分析

为了改善化学机械抛光的接触状态和被加工工件的表面形态,基于生物学的叶序理论设计了仿生结构的抛光垫。从单颗磨粒切削理论出发,建立了抛光运动方程和材料去除率分布模型。利用所建立的运动方程和材料去除率分布模型进行了晶片表面材料去除率分布的计算分析,得到抛光机的运动参数及抛光垫的叶序参数对材料去除率的影响规律。结果表明:当抛光盘的转速较大、工件转速适中、摆臂摆动频率较小、摆臂中心角较小及叶序参数取值较小时可以获得更好的材料去除分布。     

一种玻璃抛光用新型抛光盘的研究

研究了一种用于玻璃抛光的新型抛光盘。该抛光盘用不饱和聚酯树脂做结合剂,用环烷酸钴和过氧化甲乙酮组成促进引发体系,以氧化铝-氧化铈新型核壳复合磨粒作磨料,以硫酸镁做造孔剂,以铜粉、碳化硅作为导热填料,以钼酸铵作为活性抛光剂。其成品成本较低,磨削效率高,抛光面平整度好,没有裂纹、亮丝、划痕,可以达到稀土抛光盘的抛光效果。     

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。     

LiTaO3晶片CMP过程工艺参数研究

采用不同抛光条件抛光LiTaO3晶片,通过测量其加工表面粗糙度和材料去除率,探讨了化学机械抛光去除机理,分析了抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速等因素对LiTaO3晶片抛光表面质量和材料去除率的影响规律,并获得了LiTaO3晶片CMP加工的有效工艺参数.实验表明,为获得LiTaO3晶片超精密表面,可采用沥青和平绒布抛光垫进行粗抛和精抛,然后采用旧无纺布(抛光垫)进行终抛,获得较大工件去除率和较光滑表面,得到良好的综合抛光效果.在修正环型超精密抛光机上,理想的LiTaO3工艺参数为:抛光压力为7.25 kPa,抛光盘转速为60rpm.     

基于介电泳效应的高速抛光电极分布仿真研究与实验验证

目的解决传统平面环抛过程中存在的两种问题:(1)抛光液受抛光盘和工件旋转离心力作用而抛光液在加工区域分布不均,导致加工工件高平面度差;(2)抛光液受到的离心力作用限制了抛光盘转速,导致抛光效率低。方法提出一种基于介电泳效应的平面抛光方法(DEPP),在抛光区域增加一个非均匀电场,利用中性粒子在非均匀电场中极化后受介电泳力的作用,使其具有向电极和抛光区域中心运动的现象,降低旋转离心力对抛光液的甩出作用,实现对平面工件的高速、高精度抛光。采用有限元分析软件数值模拟极化后磨粒所受介电泳力对离心力的抑制作用,优化产生非均匀电场的不同电极宽度,得到最优非均匀电场电极分布参数,实际测量优化电极后抛光液所受介电泳力的大小和方向,最后搭建试验平台验证介电泳效应高速抛光平面工件的有效性。结果提高抛光盘转速,进行抛光磨砂玻璃对比实验,加工1 h以后,采用介电泳效应抛光能完全去除玻璃磨砂层,工件平整度好,最终RMS值为0.276λ;无介电泳效应抛光后,工件中心部分磨砂层仍有存在,工件平整度相对较差,最终RMS值为0.694λ。通过测量加工去除量,介电泳效应抛光比无介电泳效应抛光的去除率提升了18%结论通过仿真模拟和实验验证,证明了调整电极布置形式以及优化电极分布参数后,介电泳效应高速平面抛光的方法能够有效提升抛光效率和抛光后工件表面平面度。     

非晶态合金薄膜铜衬底超精密抛光的实验研究

本文采用聚氨酯抛光盘和绒布抛光垫对铜衬底进行超精密抛光工艺研究,对铜衬底的表面粗糙度、材料去除率以及铜衬底表面组织结构变化过程进行了研究,并讨论了铜衬底在超精密抛光时,不同抛光条件对其表面粗糙度和材料去除率的影响,以及抛光压力对铜衬底的表面形成过程的影响。结果表明,采用聚氨酯抛光盘和绒布抛光垫可以消除划痕,抛光后的铜衬底表面粗糙度可达Ra6 nm。     

金刚石膜超高速抛光的模态分析

本文建立了金刚石膜抛光装置的实体模型,运用大型有限元分析软件ANSYS分别对抛光盘在三种不同工况下的振动特性进行分析,得出了相应的固有频率及振型。结果表明:金刚石膜抛光盘由低阶到高阶的振型是遵循一定的规律变化,边界条件对抛光盘模态参数有一定的影响。工作模态与约束模态二者的模态参数基本相同,相对振幅大的区域出现在抛光盘盘体上,且高阶固有频率对金刚石膜抛光盘的振动影响较大。该结论为金刚石膜超高速抛光机的性能评价和实际操作提供了可靠的理论依据。     

固结磨料研磨中去除机理探索

结合目前实验室的实际加工条件建立了用FAP(fixed abrasive pad,固结磨料抛光垫)研磨抛光时磨粒嵌入工件表面的切深数学模型,提出了当不考虑抛光垫的弹性变形且FAP中添加的磨粒粒径范围在10～14μm之间时,磨粒压入工件的最大深度值在0.4μm左右。当考虑抛光垫的弹性变形时,磨粒嵌入工件的深度普遍减小,从而使得加工后工件的表面质量得到明显提高,主要表现在加工后工件表面划痕数量和划痕深度大大减小,表面粗糙度值降低。为了验证模型的正确性,在研磨抛光实验过程中收集了大量磨屑并对其拍摄大量SEM照片,通过图像处理和分析证明了在加工产生的磨屑中,91%以上(均值96.5%)的磨屑厚度小于0.3μm,非常好地吻合了本文中所建立的切深数学模型。     

硬质合金刀具材料化学机械抛光机理研究

目的研究硬质合金刀具材料化学机械抛光(CMP)机理,为改善硬质合金刀具表面质量提供理论支持。方法分析硬质合金刀具材料在酸性抛光液中的化学反应,研究硬质合金刀具材料CMP的化学反应机理。基于接触力学理论计算抛光垫与工件的实际接触面积和单个磨粒的实际切削面积,在运动学分析的基础上,建立硬质合金刀具材料CMP的材料去除率模型,通过实验验证材料去除率模型的有效性。结果在酸性抛光液中,硬质合金被氧化成Co_3O_4。当工件、抛光垫、磨粒类型、工件安装位置确定时,材料去除率与抛光载荷、磨粒浓度和抛光盘转速有关。常用硬质合金抛光条件下,抛光YG8刀具的修正系数Kcm为8.53,抛光后刀具的最低表面粗糙度能达到48nm,材料去除率为62.381nm/min,材料去除率的理论值和实验值的最大相对误差为13.25%,消除了表面缺陷,获得了较好的镜面效果。结论建立的材料去除率模型具有一定的有效性,对硬质合金刀具材料进行化学机械抛光能消除刀具的表面缺陷,改善表面质量。     

化学机械抛光机的抛光盘面形在位测量研究

化学机械抛光机是加工光学元件的主要设备,抛光盘面形是影响抛光机加工精度的重要技术参数。现有的抛光盘面形测量主要依赖离线测量的方式,存在着测量基准不统一、二次装夹引发变形等问题。针对上述问题,提出了一种抛光盘面形在位测量方法,搭建了抛光盘面形在位测量系统。经过误差分析将测量误差分离成为平行度误差与直线度误差两部分,通过垫调整片的方式将平行度误差从0.043 mm减小到0.015 mm,再通过z向补偿的方式将测量误差进一步减小到0.006 mm。分别利用抛光盘面形在位测量系统和三坐标测量机对直径200 mm的检测件进行了测量,两种测量方式的结果显示:抛光盘面形在位测量系统的测量误差在0.003 mm之内。抛光盘面形在位测量系统的测量精度得到了有效验证。     

磨粒和抛光垫特性对蓝宝石超声化学机械抛光的影响

抛光磨粒和抛光垫对蓝宝石超声化学机械抛光起重要作用,为研究磨粒和抛光垫特性对蓝宝石材料抛光效率和质量的影响,利用自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置,研究金刚石、氧化铝和二氧化硅3种不同磨粒,以及表面多孔且无沟槽的聚氨酯抛光垫、IC1000抛光垫、IC1000和SubaⅣ复合抛光垫对蓝宝石材料去除率及抛光后表面粗糙度的影响。由质量损失求得的去除率和原子力显微镜表面形貌测试结果表明：二氧化硅抛光液的去除率3.2 μm/h接近氧化铝抛光液去除率3.8 μm/h,远大于金刚石抛光液去除率0.3 μm/h,且其抛光后的蓝宝石表面光滑、无损伤;3种抛光垫抛光后的蓝宝石粗糙度接近,约0.10 nm,但聚氨酯抛光垫的去除率为3.2 μm/h,远大于IC1000抛光垫的去除率1.9 μm/h及复合垫的去除率1.6 μm/h。二氧化硅抛光液和聚氨酯抛光垫适宜蓝宝石超声化学机械抛光工艺,可获得高去除率和原子级光滑表面。     

基于单磨粒划擦仿真的钛合金抛光机理研究

自由磨粒抛光被认为是最常用和最重要的抛光方法之一，抛光垫、自由磨粒和工件之间的相互作用形成了接触区域的材料去除，材料去除机理的研究对于抛光过程控制和工艺参数优化具有重要意义。建立了单磨粒划擦热-力耦合有限元模型，研究了钛合金抛光过程中的材料去除机理，发现了单个磨粒高速划擦过程中的“水漂效应”现象，且随着划擦速度的增加，这种效应越加明显。当在相同的划擦速度下减小划擦力时，材料去除方式由连续去除变为不连续去除。因此，当单个磨粒高速划擦时，会产生类似于轴向超声抛光的轨迹。该研究为钛合金抛光高速划擦过程中的微观材料去除机理提供了理论参考。     

磁流变动压复合抛光基本原理及力学特性

目的探究磁流变动压复合抛光基本原理及抛光力学特性。方法通过建立磁流变动压复合抛光过程中流体动压数学模型,分析抛光盘面结构化单元对抛光力学特性的影响规律,并优化其结构。搭建磁流变动压复合抛光测力系统,探究工作间隙、抛光盘转速、工件盘转速和凸轮转速对抛光力的影响规律,基于正交试验,优化抛光效果。结果抛光盘面结构化单元的楔形区利于流体动压效应的产生,且流体动压随楔形角和工作间隙的增大而减少,随楔形区宽度的增大而增大。结构化单元较为合理的几何参数为:楔形角3°~5°,工作间隙0.2~1.0 mm,楔形区宽度15~30 mm。法向力Fn随工作间隙的增大而减小,随工件盘转速的增大而增大,随抛光盘和凸轮转速的增大而先增大后减小;剪切力Ft随工作间隙的增大而减小,随工件盘、抛光盘和凸轮转速的增大均呈现先增大后减小的规律。通过正交试验获得优化工艺参数为:抛光盘转速60 r/min,工件盘转速600 r/min,凸轮转速150 r/min。在羰基铁粉(粒径3μm、质量分数35%)、SiC磨料(粒径3μm、质量分数5%)、工作间隙0.4 mm和磁感应强度0.1 T工况下,抛光2 in单晶硅基片4 h后,表面粗糙度Ra由20.11 nm降至2.36 nm,材料去除率为5.1 mg/h,初始大尺度纹理被显著去除。结论磁流变动压复合抛光通过在抛光盘面增设结构化单元,以引入流体动压效应,强化了抛光力学特性,并利用径向往复运动的动态磁场实现柔性抛光头的更新和整形,最终达到了提高抛光效率和质量的目的。     

SLM零件的磨粒流动辅助电化学复合抛光方法研究

针对增材制造金属零件表面质量较差的问题，提出一种磨粒流动辅助电化学复合抛光方法，在电解液中混入微小磨粒，使混合液在一定压力下流经工件表面，通过磨粒磨削和电化学溶解的复合作用改善工件表面质量。通过试验对比了纯磨粒磨削、纯电解加工和复合抛光的加工效果，分析了不同工艺参数对工件表面粗糙度和材料去除量的影响。试验结果表明：复合抛光方法能有效去除增材制造零件表面缺陷，改善其表面质量。通过选取合适的电压进行分阶段抛光，SLM工件的表面粗糙度由Ra8.162μm降至Ra1.226μm。     

激光晶片抛光中磨粒运动轨迹分布均匀性分析

为分析晶片抛光过程中,转动比α和摆动比β对磨粒轨迹分布均匀性的影响,建立晶片与抛光垫的相对速度模型及磨粒在晶片表面的运动轨迹模型,并分析晶片相对抛光垫的速度的分布规律、统计磨粒轨迹密度。结果表明:晶片转速与抛光垫转速一致时,其对抛光垫的相对速度大小一致;晶片随抛光头的往复运动主要影响相对速度变化的周期性及磨粒轨迹分布的随机性;当α=1.01,β=0.2时,磨粒在晶片上的轨迹分布均匀性最好。      

光盘模具镜面超精密抛光研究

为了获得超光滑光盘模具镜面,选用金刚石磨料抛光光盘模具。分析了金刚石粒度、分散介质与抛光盘硬度等因素对表面质量的影响。试验结果表明:采用0.1μm粒度的油性金刚石抛光液,硬度为20.8 HV的抛光盘,在合适的抛光工艺条件下可获得表面粗糙度Ra=0.57 nm,平面度Pv达到0.56μm的超光滑镜面。     

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。     

基于微元材料去除模型的单摆抛光平面度预测

为探究单摆参数对抛光工件平面度的影响,提出一种基于速度和压强分布耦合的抛光微元材料去除模型,以预测工件表面平面度。从单颗磨粒的材料去除出发,建立工件表面各微元单位时间内材料去除厚度模型,并将工件相对抛光垫速度和工件表面压强分布耦合代入模型;根据工件初始面形提取微元高度值,结合各微元材料去除的厚度,计算抛光后的工件表面平面度;试验验证平面度预测方法。结果表明:仿真与实际抛光后的面形的变化趋势相同,平面度PV₂₀值绝对偏差小于12.0%,平面度预测可靠。      

微磨料水射流对工件表面抛光作用的研究

采用碳化硅固体磨粒、纯水和水溶性乳蜡(水蜡)混合而成的液体磨料,液体磨料的浓度按固体磨粒与添加液的质量比1∶ 2的比例混合,工件材料采用热作模具钢4Cr5MoSiV1,被抛光工件表面分别为未经热处理的模具钢表面和电火花加工后的工件表面.实验研究了不同粒度的固体磨粒、添加液浓度、抛光时间等对抛光性能的影响.研究表明,经过90 min的抛光,两种抛光面的表面粗糙度值Ra都呈显著下降.对于电火花加工表面,抛光90 min后的粗糙度值由最初的Ra=1.0 μm下降到Ra=0.08 μm;对于未经热处理的工件表面,抛光90 min后的粗糙度值由最初的Ra=0.36 μm下降到Ra=0.06 μm.证明微磨料水射流对工件表面具有良好的抛光作用.研究还表明,磨料液成分、抛光时间以及被抛光工件材料以及工件表面原始粗糙度等对抛光性能有重要影响.对于硬度和粗糙度较高的工件表面,宜采用具有较粗的固体磨料粒子和较高浓度添加剂的磨料液;对于硬度和粗糙度较低的工件表面,宜采用较细的固体磨料粒子和添加剂浓度较低的磨料液.对于较低硬度的工件表面,采用蜡敷磨粒的磨料液可缩短抛光时间和提高抛光的表面精度.