超光滑表面加工技术研究进展

针对如何高效稳定地获得粗糙度值小、少无亚表面损伤、低成本的超光滑表面的问题,分析了原子级超光滑表面加工技术的加工原理,详细阐述了几类非接触式抛光方法的加工原理及国内外最新研究进展,并着重论述了声悬浮抛光和磨料水射流抛光的研究现状。接着,在此基础上对这几类加工方法各方面的优缺点进行了对比总结。最后,针对目前超光滑表面加工技术存在的不足,指出了超光滑表面加工技术有待进一步研究的方向。研究结果表明,采用非接触式的抛光方法,对加工过程加以合理的控制,可大大降低工件表面粗糙度,改善亚表面的损伤情况;目前非接触式抛光普遍对抛光设备精度要求较高,减少加工成本是超光滑表面加工技术进行大规模推广的迫切要求。     

流体二维振动超光滑表面加工技术

针对超光滑表面的需求,提出了一种基于流体二维振动的超光滑表面加工方法。该方法用流体代替传统的抛光盘,并附加二维振动作为抛光作用力对工件进行抛光,工件在流体中的缓慢复杂平面运动与流体的相对振动产生“冲击研磨”效应,通过实验证明了该方法的有效性。     

锡磨盘定偏心平面研抛中材料去除模拟

本文使用超精密平面研磨机及锡磨盘进行超光滑表面的抛光研究,平面抛光中,锡磨盘表面的形貌和加工状况直接影响被加工工件的表面平面度。本文基于Ｐｒｅｓｔｏｎ方程,建立了在定偏心抛光条件下,被加工材料的去除模型,。针对锡盘开有同心圆等沟槽的表面加工状况,提出了一种计算材料有效去除的算法,计算了工件的表面去除误差,对抛光后工件表面形貌提出理论预测。     

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

给出了磁流体辅助抛光的机理,以及依据Preston方程建立的磁流体辅助抛光的数学模型。并通过实验详细研究了磁流体辅助抛光后工件的抛光区形状,以及抛光区内表面粗糙度情况。最终加工出了表面粗糙度为0.76 nm(rms值)的光学元件,其高频表面粗糙度达到0.471 nm(rms值),满足了对一定短波段光学研究的要求。结果表明:磁流体辅助抛光可以用于对光学元件进行超光滑加工;在磁流体辅助抛光过程中,较大粒度的磁流体抛光液有利于工件表面粗糙度快速降低,较小粒度的磁流体抛光液可以获得更加光滑的光学表面。     

磁场作用下磁性抛光液体的抛光特性及实验研究

介绍了一种基于旋转磁性抛光液体的抛光技术。磁性抛光液体在磁力搅拌器的作用下产生旋转运动,利用外加强磁场作用增大磁性液体的粘度和剪切屈服应力,当加工工件放入磁性抛光液体中,磁性抛光液体与之相接触的工件表面发生磨削,从而达到对工件表面的光整加工。实验详细研究了磁性抛光液体抛光后工件的抛光区内表面粗糙度与抛光时间和位置之间的关系,实验结果表明:旋转磁性抛光液体抛光可以用于对工件进行超光滑加工,抛光时间越长,各处粗糙程度越接近,表面粗糙度越好,并且表面粗糙度比单独用研磨抛光膏的效果好。     

纳米氧化硅在玻璃基片表面亚纳米级抛光中的应用

为满足先进电子产品对玻璃基片表面超光滑的要求,制备了一种纳米氧化硅抛光液,并研究了氧化硅粒子大小、抛光时间等参数对玻璃基片抛光后表面粗糙度、材料去除速率的影响。ZYGO形貌仪表明,采用纳米氧化硅抛光液,可以使玻璃表面粗糙度达到0.5 nm左右。AFM表明,抛光后的玻璃基片表面超光滑且无划痕等微观缺陷。     

圆柱型永磁体磁流变抛光头设计及其参数优化

针对传统加工技术存在表面损伤、加工效率低的问题,将极具前景的面接触式超精密磁流变抛光技术应用到3C制造业中。对圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中的抛光垫的形貌进行了研究分析,发现圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中存在一种"环状效应",利用"环状效应"对圆柱型永磁体磁流变抛光头进行了结构设计,并对其进行了设计理念分析;对圆柱型永磁体抛光头在6061的铝合金工件上进行了单因素抛光实验,通过实验获得了最优参数。研究结果表明:该圆柱型永磁体磁流变抛光头能够实现环状加工区域的高效光滑平坦化加工,工件表面粗糙度达到52 nm,材料去除率达9.1μm/min,大大提高了磁流变抛光的效率,为面形精度在微米级的超光滑平面的制造提供了一种高效的加工方法。     

基于HHT变换的微晶玻璃超光滑表面抛光工艺技术研究

为了稳定地获得高质量的微晶玻璃超光滑表面,采用一种先进的超光滑表面抛光方法——定偏心浸液式抛光方法。首先分析了微晶玻璃的性能和微观结构,得出实现其超光滑表面抛光所必须的技术条件;然后,论述了浸液式超光滑表面抛光方法的基本原理及其抛光工艺过程。采用该方法稳定地获得了亚纳米量级粗糙度的超光滑表面,粗糙度达到Ra0.3nm;最后,采用HHT方法,通过粗糙度分布曲线到Hilbert谱的数学变换,得出主要抛光工艺参数与表面粗糙度之间的相互影响关系。结果表明,HHT用于超光滑表面的检测和评价,对实际抛光过程提出有效指导,有助于获得高质量的超光滑表面。     

MoS2/Zr复合涂层高速钢刀具的切削性能研究

综合考虑了工件表面原子的微观状态,利用纳米颗粒特殊的高比表面能和高吸附特性,提出了一种可实现工件表面原子级去除的纳米胶体射流抛光方法。利用碱性胶体中纳米颗粒与工件的表面反应,设计了可实现超精密表面加工的纳米胶体射流抛光系统,并利用该系统对K9玻璃进行抛光。试验结果表明,纳米胶体射流抛光可实现超精密光学表面的抛光,抛光后表面粗糙度Ra小于1nm。      

抛光液pH值对玻璃超光滑表面完整性影响

为研究抛光液的pH值在精密抛光加工过程中对表面完整性的影响,选取K9玻璃为试件材料,用浮法抛光加工成超光滑表面,使用相同浓度的氢氟酸和氢氧化钠溶液对2个试件进行腐蚀,用原子力显微镜、扫描电镜和纳米硬度计测量作用不同时间段的表面质量,通过对比分析各作用时间段2个试件的表面粗糙度、表面形貌和表层硬度的相似和差异,研究了pH值对超光滑表面完整性的影响,得出在玻璃工件抛光加工中,抛光液为微碱环境有利于提高加工效率和得到高质量的超光滑表面.     

光学材料无磨料低温抛光的试验研究

将无磨料抛光与低温抛光结合起来,首次提出一种可获得原子级超光滑表面的新方法——无磨料低温抛光。这种新工艺可使光学材料获得Ra<1nm的原子级超光滑表面,通过大量的试验,系统研究了抛光盘水质、抛光前修盘时间、抛光压力和偏心等对已加工表面粗糙度的影响规律。结果表明,这种抛光工艺能获得原子级的超光滑表面。     

超声无磨料抛光机理研究

介绍了超声抛光的优缺点,重点从超声无磨料抛光脉冲特点和能量集中效应、工艺系统的刚化、工件表层金属的变形及超声振动改变抛光过程的摩擦性质四个方面探讨了超声无磨料抛光机理。并与常规挤压抛光进行了对比分析。     

Investigations on the automatic precision polishing of curved surfaces using a five-axis machining centre

Polishing is usually indispensable process when better surface roughness is required for the parts such as injection mold. However, polishing process is often performed by manual operations. In this paper, an automatic polishing method for the metal parts with curved surfaces is proposed based on a machining centre. In order to realize the control of contact force, the relationship between the displacement of polishing disk and the force impacted on the polished part is first established. Then, within the contact zone between the polishing disk and the polished part, a pressure distribution model is derived for planar and curved surface polishing according to the specific process parameters. On this basis, the model of removal depth distribution along the vertical direction of feed is built for each polishing pass, and thus a suitable stepover size is further obtained so as to reduce the fluctuations of remove depth to most extent. Finally, an effective planning algorithm of cutter location data in polishing is proposed for a given CNC machine tools, and validation experiments are performed on planar and curved parts. The results show that the proposed automatic polishing scheme is able of achieving a mirror effect surface and keep a good global uniformity, at the same time it improves the polishing efficiency and realizes the integration with milling process.     

时变去除函数在气压砂轮抛光中的应用研究

针对气压砂轮抛光中通过驻留时间控制材料去除量需在模具表面多去除一层材料及抛光效率低等问题,提出了一种基于时变去除函数的抛光材料去除量控制方法。该方法以抛光工具所能达到的最大进给速度在模具表面进行抛光加工,无需多去除材料,通过实时改变抛光工具的去除能力以适应面形误差的变化,极大地缩短了抛光时间;开展了抛光材料去除过程研究,建立了气压砂轮抛光工具进给速度与面形数据和抛光去除函数之间的关系,提出了抛光过程时间的计算方法;针对时变去除能力超出抛光工具最大去除能力的问题,提出了在气压砂轮抛光中对需去除的材料进行分层抛光的思想。最后,通过抛光过程时间对材料去除量控制的两种方法进行了对比分析。研究结果表明,在气压砂轮抛光中采用时变去除函数来控制材料去除量能极大地提高抛光效率。     

TWO STEPS CHEMICAL-MECHANICAL POLISHING OF RIGID DISK SUBSTRATE TO GET ATOM-SCALE PLANARIZATION SURFACE

In order to get atomic smooth rigid disk substrate surface, ultra-fined alumina slurry and nanometer silica slurry are prepared, and two steps chemical-mechanical polishing (CMP) of rigid disk substrate in the two slurries are studied. The results show that, during the first step CMP in the alumina slurry, a high material removal rate is reached, and the average roughness (Ra) and the average waviness (Wa) of the polished surfaces can be decreased from previous 1.4 nm and 1.6 nm to about 0.6 nm and 0.7 nm, respectively. By using the nanometer silica slurry and optimized polishing process parameters in the second step CMP, the Ra and the Wa of the polished surfaces can be further reduced to 0.038 nm and 0.06 nm, respectively. Atom force microscopy (APM) analysis shows that the final polished surfaces are ultra-smooth without micro-defects.     

硅晶片抛光加工工艺的实验研究

双面抛光已成为硅晶片的主要后续加方法,但由于需要严格的加工条件,很难获得理想的超光滑表面.设计了硅片双面抛光加工工艺新路线,并在新研制的双面抛光机上对硅晶片进行抛光加工,实验研究了不同加工参数对桂晶片表面粗糙度和材料去除率的影响.采用扫描探针显微镜和激光数字波面干涉仪分别对加工后的硅晶片进行测量,实验结果表明:在优化实验条件下硅晶片可以获得表面粗糙度0.533nm的超光滑表面.     

基于准布儒斯特角法研究抛光过程中光学材料的表面质量

光学硬脆材料在机械加工过程中不可避免地形成表面/亚表面损伤,对器件性能、使用寿命等具有至关重要的影响。相较于磨削、研磨两种前道工艺,抛光阶段材料的损伤逐渐减少至极其微量的程度,而最终残留的损伤将伴随材料的使用全周期,研究抛光阶段表面质量的变化过程对掌握抛光的工艺质量十分必要,但测量难度高。针对这一问题,本文在总结抛光阶段损伤形式的基础上,首先仿真分析了准布儒斯特角法检测表面质量的原理和优势,随后以Nd∶GGG激光晶体为研究对象,利用椭偏仪对不同抛光工艺下样品表面质量的变化进行了实验研究。通过与白光干涉法测量的表面形貌进行对比,准布儒斯特角偏移量和相位角变化曲线斜率准确地反映了抛光过程中表面质量的变化,展现了该方法的无损伤和高灵敏度特性,以及辅助研究抛光工艺的可行性。最后,对准布儒斯特角法在表面质量检测方面面临的问题进行了分析和展望。     

Development and Polishing Process of a Mobile Robot Finishing Large Mold Surface

□ A novel self-determination polishing robot finishing large mold free-form surface is developed, and the finishing process method is researched. Contrary to traditional approaches, our premise is that a large mold surface can be polished by using a small robot. This robot system is mainly composed of a polishing robot part, a computer system and a visual positioning system. A type of robot with four uniform distribution wheels was designed, which has two driving wheels and two driven wheels. Active compliant control of the polishing tool was provided by a pneumatic servo system, and a new special compliant abrasive tool was proposed on the basis of robot characteristics. The process planning steps consisted of subdividing the free-form surface, choosing an abrasive tool, planning the polishing path and optimizing machining parameters. Based on the orthogonal experiment and the grey relational analysis method, the optimal parameter combination was obtained for polishing force, tool speed and feed rate. Aiming to polishing times, the surface roughness method and polishing efficiency method were studied in detail. The polishing experiments were carried out in the robot using process parameters obtained by the efficiency method. These research results provided significant theory foundation and experimental data for a mobile robot planning polishing to realize intelligible process parameter selection.     

抛光液pH值等对硬盘玻璃盘基片化学机械抛光的影响

随着硬盘存储密度的增大、转速的提高、磁头飞行高度的降低,对硬盘基板材料及基板表面质量提出了更高的要求。采用纳米SiO2作为抛光磨料,在不同抛光液条件下(pH值、表面活性剂、润滑剂等),对玻璃基片化学机械抛光去除速率和表面质量的变化规律进行了研究,并利用原子力显微镜(AFM)和光学显微镜观察了抛光表面的微观形貌。结果表明,玻璃基片去除速率在酸性、碱性条件下变化趋势相近,即随着pH值的升高,材料去除速率先增大后减小。加入一定量的表面活性剂和润滑剂使得去除速率有一定程度的下降,但是表面粗糙度明显降低,并且表面没有出现颗粒吸附现象。     

硅片边缘化学机械抛光的微小去除量测量

针对硅片化学机械抛光工艺的材料去除量非常微小并难以测量的问题,本文介绍一种采用表面粗糙度测量仪,对硅片边缘化学机械抛光的材料去除量进行一种简易、快速的测量方法,且该方法同时还可准确地测量硅片边缘抛光表面粗糙度值。检测结果表明,本方法较好地解决了硅片边缘化学机械抛光表面检测问题。