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,...     

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。     

磁流变抛光光学表面加工面形控制技术研究

磁流变抛光是一种新型超精密光学表面加工方法。由于其抛光过程可控,磁流变抛光过程可以有效去除表面及亚表面破坏层,提高表面质量,修正元器件表面面形误差。抛光过程容易实现计算机数控,通过数控过程的合理设计,磁流变抛光过程可以有效地对球面及非球表面进行抛光加工。研究了实现面形修正的驻留时间算法,并对光学球面器件进行了试验加工,抛光后其表面面形误差2点峰谷值从0.17μm降低到0.07μm。     

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.     

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。      

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。     

基于单转盘变曲率沟槽研磨方法的球体加工试验研究

目的针对传统V形槽研磨方球体时自转角恒定、加工轨迹不能均匀包络整个球面而影响产品一致性的问题,提出一种单转盘变曲率沟槽球体研磨加工方法,使球体运动状态随沟槽曲率的变化而变化。方法基于纯滚动假设条件,通过几何运动学分析建立自转角与运动轨迹的关系模型,并自主研发了变曲率沟槽循环研磨机床,在该平台上对G16级GCr15钢球进行加工试验,改变研磨液、载荷、转速与研磨盘等工艺参数,经过粗磨、精磨和抛光三道工序,以球体圆度、粗糙度与批内一致性测量结果为指标,对单转盘变曲率沟槽的研磨效果进行评价。结果仿真结果表明,通过优化变曲率轨迹参数能实现球体表面加工轨迹的均匀全包络,轨迹均匀性标准差SD达到0.1986。球体抛光后,圆度均值为0.095μm,表面粗糙度均值为0.011μm,一致性达到了0.17μm,加工精度达到G5级球要求。结论沟槽滚道曲率的变化可使球体自转角在0?~90?之间持续变化,改变球体的运动姿态,获得全包络研磨轨迹,进而实现球体高效高一致性的加工,具有较强的工程应用价值。     

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。     

Si3N4陶瓷球研磨轨迹分析及其对表面质量的影响机制

目的 明确在相同的研磨液配比、磨料类型,不同的研磨盘转速、研磨装置施加的载荷、磨粒粒径下,陶瓷球研磨轨迹对陶瓷球表面质量的影响,确定锥形研磨法加工的氮化硅陶瓷球的最优研磨参数,提高陶瓷球的表面质量。方法 首先建立研磨盘和氮化硅陶瓷球的相对运动模型,利用MATLAB模拟不同研磨参数的下氮化硅陶瓷球的研磨轨迹,分析得到研磨参数和研磨轨迹的变化关系;再利用锥形研磨装置进行单因素实验验证,参与实验的3个变量设定为磨粒型号(粒径)、研磨盘转速和研磨装置施加载荷,将实验结果取样,通过粗糙度仪测量球体的表面粗糙度,用扫描电镜和超景深三维显微镜检测研磨后的陶瓷球表面形貌,结合仿真分析和实验结果探究研磨参数对加工后表面质量的影响。结果 将不同仿真轨迹下得到的研磨参数变化规律与实验结果相结合,得到了最佳的研磨参数,即研磨盘转速为50 r/min,施加的载荷为1.30 N,磨粒类型为W7。在此条件下得到的陶瓷球表面的粗糙度为0.009 6 μm,基本能达到实际生产中对G3级精度全陶瓷球的质量要求。结论 陶瓷球的表面质量受到研磨盘转速、研磨装置施加载荷及磨粒粒径的影响较大,由仿真分析和实验结合可知,在研磨过程中随着磨粒粒径的减小,以及研磨盘转速和载荷的下降,陶瓷球的研磨轨迹趋于稀疏,表面粗糙度Ra呈下降趋势。研磨氮化硅陶瓷球时取粒径较小的磨粒,以较低的研磨盘转速和较小的研磨装置施加载荷有利于提高其表面质量。此研究成果对提高陶瓷球的表面质量具有重要的指导意义。     

陶瓷球高效研磨技术的研究

为提高陶瓷球研磨过程中的加工效率,本文提出了一种采用固着金刚石磨料的高效研磨技术.采用4～8 μm粒径的金刚石微粉作为磨料,以光固化树脂作为结合剂,在300～500 nm波长紫外线照射下,使光固化树脂快速固化,制作固着磨料研磨盘(金刚石浓度100%),以Ф5 mm氮化硅陶瓷球为加工对象,在自行设计的实验台上进行了加工实验.实验结果表明,在保证表面质量的前提下(Ra～40 nm),材料去除率可达100 μm/h,其研磨效率约为相同加工条件下传统游离磨料加工的20倍.对加工后陶瓷球表面的观察发现,氮化硅陶瓷球材料主要是以二体磨损的形式去除的.     

小口径非球面小球头接触式抛光及磁流变抛光组合加工

目的 为了提高非球面光学模具的表面质量和加工效率。方法 分析当前非球面超精密抛光方式及其特点,针对小口径非球面光学模具,提出一种小球头接触式抛光及磁流变抛光的组合加工方法,对小球头进行设计,并抛光碳化钨圆片,对比小球头接触式抛光及轴向、径向、水平方向磁极的永磁体球头的磁流变抛光的加工性能。分别对编号为1^#、2^#、3^#等3个相同轮廓形状的碳化钨非球面模具进行单一方式抛光试验和组合加工试验。结果 通过对小球头抛光碳化钨圆片的加工性能进行分析发现,接触式抛光小球头的去除率为926.5 nm/h,表面粗糙度达到4.396 1 nm;轴向、径向、水平方向磁极的永磁体小球头磁流变抛光的去除率分别为391.7、344.3、353.7 nm/h,表面粗糙度分别为1.425 2、1.877 6、1.887 5 nm。对采用组合加工方法抛光碳化钨非球面的有效性进行验证时发现,非球面1^#在单一接触式抛光60 min后表面粗糙度从8.786 6 nm降至3.693 2 nm;非球面2^#在单一磁流变抛光60 min后表面粗糙度从8.212 1 nm降至1.674 5 nm;非球面3^#在组合抛光方法下先进行15 min接触式抛光,再进行15 min磁流变抛光,表面粗糙度从8.597 2 nm降至1.269 4 nm,面形精度由175.2 nm提高到138.4 nm。结论 组合加工方法可以弥补单一抛光方法的缺陷,并能有效地提高工件的面形精度。与单一接触式抛光方法相比,组合加工方法获得的表面质量更好,抛光后表面粗糙度为1.269 4 nm,远小于单一接触式抛光下的3.693 2 nm;与单一磁流变抛光方法相比,组合加工方法更高效,将样件抛光到同等级别粗糙度所需时间从60 min减少至30 min。     

动态磁场集群磁流变抛光加工机理及试验研究

基于动态磁场集群磁流变平面抛光的加工机理以及动态磁场作用机理,对单晶硅基片进行动态磁场集群磁流变抛光试验研究。结果表明:动态磁场能使畸变的抛光垫实时自修复,磨料具有频繁的动态行为,克服了静态磁场作用下抛光垫变形难恢复且磨料堆聚的缺点,使材料去除过程稳定,抛光效果较好;在动态磁场作用下,不同抛光方式的加工效果也不同;在多工件同步抛光中,大尺寸的工具头高速自转使工件表面有更高的线速度,磨料对单晶硅表面缺陷去除作用更强。经过5 h抛光,硅片表面粗糙度R_a由0.48 μm下降到3.3 nm,获得超光滑表面。      

基于碳化硅纤维丝束不规则运动的多孔薄板类零件表面抛光理论与实验研究

汽车空调压缩机用多孔类阀板表面多采用硬研磨工艺进行光整加工,存在表面粗糙度大、孔边有毛刺、阀片与阀板配合表面密封不严等问题。为解决以上问题,提出利用碳化硅纤维丝束抛光替代传统的研磨。完成应用碳化硅纤维丝束进行抛光的运动轨迹的理论分析,采用MATLAB软件对运动参数进行优化仿真,对比分析了毛刷头和工件不同速度对运动轨迹的影响规律。设计制作了双面智能抛光机,并通过实验对运动参数和抛光效果进行验证。结果表明:此种方法将阀板表面的抛光轨迹变成小的均匀曲线交叉网格,消除孔边毛刺并对孔边进行了倒小圆角,提高了阀板表面质量。     

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。      

锆元素诱导非球形磨粒对氧化锆陶瓷的化学机械抛光性能

目的为了提高氧化锆陶瓷手机背板的化学机械抛光(CMP)性能,合成新型非球形二氧化硅磨粒,并分析非球形二氧化硅磨粒在CMP过程中的作用机理。方法利用Zr⁴⁺阳离子对球形二氧化硅纳米颗粒间作用力进行调控,制备Zr⁴⁺与SiO₂的质量比分别为0、0.025、0.050、0.075、0.100的抛光磨粒;利用纳米粒度电位仪和电子扫描显微镜(SEM)分析抛光液胶体稳定性和磨粒形貌;采用表面粗糙度(Sa)和材料去除率(MRR)来分析磨粒的化学机械抛光性能;利用改装后的摩擦因数仪和X射线光电子能谱仪(XPS)揭示非球形二氧化硅对氧化锆陶瓷的作用机理。结果在锆元素相对含量(以质量分数计)为0.075%时,得到了分散性良好的非球形二氧化硅磨粒抛光液,相较于球形二氧化硅磨粒抛光液,MRR提升了40.5%,并得到了Sa为1.74 nm的光滑表面;XPS分析结果表明,在抛光过程中二氧化硅磨粒可与氧化锆发生固相化学反应,生成更易去除的ZrSiO₄。摩擦因数测量结果表明,非球形二氧化硅磨粒与陶瓷片的摩擦因数从球形磨粒时的0.276提高到0.341。结论非球形的二氧化硅磨粒在抛光过程中具有更高的摩擦因数和化学机械协同作用,能高效地去除表面粗糙峰,并获得粗糙度为纳米级的平整表面,实现对氧化锆陶瓷手机背板的高效、高精度抛光。     

Robot polishing control with an active end effector based on macro-micro mechanism and the extended Preston's law

There is a strong demand for automating the rough polishing process in plastic-mold manufacturing. In this study, with the active end effector being capable of fast force control and dynamic spindle control, a robot polishing control system based on a macro-micro-mechanism was built, which controls all parameters related to Preston's law and can be linked with computer-aided manufacturing. Based on the extended Preston equation, a polishing control algorithm that achieves uniform surface quality and uniform removal depth was proposed. The spherical rough polishing test on carbon steel demonstrated the efficacy of the proposed robot polishing control.