剪切增稠抛光磨料液的制备及其抛光特性

为了实现对工件的剪切增稠抛光(STP),采用机械混合与超声波分散法制备了一种Al2O3基STP磨料液,并研究了它们的抛光特性。利用应力控制流变仪考察其流变性能,通过扫描电镜和光学轮廓仪研究了单晶硅加工后表面显微组织的变化,并测量其表面粗糙度。结果表明:STP磨料液具有剪切变稀和可逆的剪切增稠特性,达到临界剪切速率后,会形成Al2O3"粒子簇";当剪切速率增大至1000s-1,储能模量,耗能模量和耗散因子都增至最大值,此时主要表现为类似固体的弹性行为,有利于形成类似"柔性固着磨具"。在STP加工单晶硅过程中,采用塑性去除的材料去除方式。随着抛光时间的延长,硅片去除速率先增大后减小;表面粗糙度不断减小并趋于稳定。实验显示,磨粒浓度不宜过高,否则会因剪切增稠效应造成黏度过大,导致流动性差而影响抛光质量。当Al2O3质量分数为23%时,抛光25min后,硅片表面粗糙度Ra由422.62nm降至2.46nm,去除速率达0.88μm/min,表明其能实现单晶硅片的高效精密抛光。     

模具异型腔抛光工艺研究

通过分析具有较大长径比的异型直通道模具型腔抛光中的一些抛光方法及存在的问题 ,提出利用粘弹性磨料进行振动抛光的新工艺 ,并设计相应的试验装置 ,得到了较均匀的抛光效果。     

电解机械复合抛光试验及其过程分析

通过研究工艺试验中的表面粗糙度和去除量随时间变化的关系,以及切屑微粒的形貌的提取分析,证明电解机械复合抛光的效率高于纯机械抛光和纯电解抛光,而且在其他工艺条件相同时可以获得更低的极限表面粗糙度值,但是在获得同样表面粗糙度时,复合加工单位面积去除的材料更多。切屑和加工后表面形态显示电解作用主要在工件表面的凸起棱边上,这正是复合加工较机械加工的优势所在。     

磨料射流抛光中各工艺参数对材料去除率及抛光区形貌的影响

介绍了磨料射流抛光的工作原理,并从试验出发,针对射流抛光技术的主要工艺参数(入射角度、射流速度、入射距离、抛光液浓度和工作时间等)对抛光特性的影响进行了试验研究.分析了各工艺参数与抛光效率和抛光点形貌的影响关系,从而获得了最佳工艺参数.在此基础上,对一平面K9光学玻璃进行了抛光试验,抛光速率约为30nm/min,抛光区粗糙度小于2.5nm.研究结果为磨料射流抛光加工的进一步研究提供了一定的帮助.     

磁流变抛光技术及其质量控制的研究

阐述了磁流变抛光原理,依据Preston方程分析了影响磁流变抛光效果的因素,根据实际加工的工件特点,对Preston方程进行了修正;在自制的磁流变抛光实验机上进行抛光加工试验,结果表明,采用修正的磁流变抛光材料去除方程,可以有效控制工件的抛光质量、提高抛光效率。     

往复电解机械复合抛光工艺的试验研究

介绍了电解机械复合抛光的新工艺及其试验装置.通过研究实验中的表面粗糙度和去除量随时间变化的关系,初步得出一系列工艺参数.磨料的机械切削作用不仅能去除工件电化学反应产生的金属钝化膜,同时也去除金属材料.研究工艺参数对高效获得光整表面的同时尽可能地减小工件尺寸变化量有很大意义.     

基于永磁体的抗磁性材料磁流变抛光装置研究

针对现有磁流变抛光技术的加工精度难以提高,加工过程中抛光热不容易控制等问题,对磁流变抛光工艺,以及抗磁性材料工件在抛光过程中的工作间隙的磁通量密度进行了研究。对永磁体抛光刀具刀尖表面模型,以及铜合金工件表面之间的关系和模型进行了归纳,提出了一种基于永磁体的抗磁性材料磁流变抛光方法;利用Maxwell对抛光装置工作间隙磁通密度进行了仿真,并进行了相关试验。研究结果表明:基于磁流变抛光液,利用永磁体组成的抛光刀具对抗磁性材料工件进行加工,工件表面质量有了明显提高,实现了纳米级别的加工精度。     

单晶SiC基片的集群磁流变平面抛光加工

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及研制的试验装置,对单晶SiC基片进行了平面抛光试验研究。研究结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较好的抛光效果;加工间隙在1.4mm以内抛光效果较好,30min抛光能使表面粗糙度值减小87%以上;随着加工时间的延长,表面粗糙度越来越小,加工30min时粗糙度减小率达到86.54%,继续延长加工时间,加工表面粗糙度趋向稳定。通过优化工艺参数对直径为50.8mm(2英寸)6H单晶SiC进行了集群磁流变平面抛光,并用原子力显微镜观察了试件加工前后的三维形貌和表面粗糙度,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从72.89nm减小至1.9nm,说明集群磁流变效应超光滑平面抛光用于抛光单晶SiC基片可行有效且效果显著。     

磁流变抛光表面粗糙度建模与仿真

为研究磁流变抛光表面粗糙度与工艺参数之间的关系,本文建立数学模型并进行了求解验证。通过分析磁流变抛光技术的原理以及磁流变抛光过程中的材料去除机理,结合Preston方程建立磁流变抛光力学模型。分析工件表面受到的正压力,依据磁流变抛光机理对氧化锆陶瓷工件理论模型的流体动压力和磁场产生的磁化压力进行求解分析,具体化磁流变抛光的力学模型,解得正压力。对磁流变抛光的表面粗糙度进行建模,依据单颗磨料的材料去除作用模型建立磁流变抛光的表面粗糙度数学模型,分析抛光过程中影响表面粗糙度的具体因素,并通过MATLAB软件对方程进行仿真求解,得到磁场强度和磨料粒径对表面粗糙度的影响规律。结果表明,表面粗糙度和工件的压入深度存在一阶线性关系;当磨料粒径固定不变时,表面粗糙度随着磁场强度的增大而增大;当磁场强度固定不变时,表面粗糙度值与磨料粒径之间呈现正比关系。通过实验证明了模型和仿真结果的准确性,仿真分析得到的磁场强度与磨料粒径的关系,磁场强度与表面粗糙度之间的关系与实验一致,确定的磁场强度合理范围为0.4T左右,磨料粒径在2.5μm左右。     

酸碱度对磁流变抛光去除作用的调节机制

随着磁流变抛光技术在超精密加工领域的应用需求不断增长,提高该技术的抛光效率成为一种必然趋势。本文从研究磁流变抛光液料浆的性质出发,建立了以pH值调节为手段改善抛光液性能的实验方法。采用透射电镜、粒度分析,黏度测试和Zeta电位测试等实验分析表征了抛光颗粒的分散行为及料浆的流变特性,并对抛光料浆特性进行了研究和优化。结果表明:当pH值为12时,抛光料浆具有绝对值最大的Zeta电位(33.28 mV)和最小的颗粒粒径(260nm),获得了抛光颗粒分散均匀、悬浮性能稳定的料浆。使用该料浆抛光液与初始抛光液在相同工艺条件下对熔石英进行抛光。实验结果表明,在未明显恶化表面粗糙度的前提下,该抛光液的峰去除效率和体去除效率分别提升87%和66%,获得了良好、高效的去除效果。     

磨料液体射流抛光技术研究进展

论述了磨料液体射流抛光过程中的材料去除机理,介绍了磨料液体射流加工系统平台的国内外研究成果。从速度变化、材料去除、表面演化、表面粗糙度、数值模拟五个方面阐述了磨料液体射流数学模型的构建状况。系统分析了主要工艺参数如磨粒动能、射流压力、磨料、喷射角度、喷射距离、添加剂对加工结果的影响规律,并总结了磨料液体射流抛光技术发展历程。最后针对其将来的研究方向与内容给出了进一步的建议与展望。     

不同粒径金刚石固结磨料抛光硫化锌晶体研究

磨粒粒径是影响抛光最重要的参数之一,是决定加工效率和工件表面质量的关键要素。采用1~3μm、2~4μm、3~5μm 3种粒径的金刚石固结磨料抛光垫加工硫化锌晶体,分析磨粒粒径对工件表面质量和材料去除率的影响。实验结果表明,磨粒粒径对硫化锌晶体的固结磨料抛光影响显著,随着磨粒粒径的增大,固结磨料抛光硫化锌晶体的材料去除率增大,而表面质量变差。2~4μm金刚石固结磨料抛光垫加工硫化锌晶体可同时获得高材料去除率和优表面质量,材料去除率达到100 nm/min,表面粗糙度为4.37 nm。     

不同组分配比对剪切增稠抛光流体流变性能的影响

为研究分散相质量分数、磨粒质量分数、磨粒粒径和分散介质种类对分散体系剪切增稠特性的影响,通过四因素三水平正交试验探究了不同组分含量下分散体系的流变性能,并通过极差分析得出各组分对剪切增稠特性的影响规律,最后进行抛光试验验证。结果表明,各组分对剪切增稠特性的影响由大到小依次为分散相质量分数、分散介质种类、磨粒粒径、磨粒质量分数。对于优选的组分配比,分散相质量分数30%、磨粒质量分数23%、磨粒粒径40nm、分散介质WSP200与WSP400复配,其峰值粘度达到临界点粘度的2.49倍。在抛光试验中,抛光液用量为5ml/min,硅片表面粗糙度R_a由68nm降至11nm,表明其能以较低的损耗实现硅片的精密抛光。     

剪切增稠抛光的材料去除数学模型

提出一种基于非牛顿幂律流体剪切增稠效应的新型抛光方法——剪切增稠抛光(Shear thickening polishing,STP),通过对剪切弹性层理论的研究,推导出剪切增稠抛光中非牛顿幂律流体与工件之间的剪切弹性层最小厚度方程。在此基础上,根据Preston方程,建立加工过程中的材料去除数学模型。当流速U一定时,非牛顿剪切增稠幂律流体相对于牛顿流体或剪切稀化流体能够使得加工获得更高的材料去除率(Material removal rate,MRR),随着黏性指数n的不断增加,MRR会进一步增大。当黏性指数n和稠度系数K分别为2和0.32时,随着U的增大,MRR呈现幂函数增长趋势,说明增大流速,有利于提高加工效率。在STP加工系统上进行f20 mm的GCr15轴承钢圆柱工件的加工试验,经过90 min的STP后,表面粗糙度由R_a 105.95 nm降至R_a 5.99 nm,MRR达到2.1μm/h。MRR理论值与试验值之间的相对误差仅为6.12%,试验结果证明所建MRR模型具有一定的有效性。     

V形磁铁在SUS304管内表面抛光中的应用

用传统的抛光方法很难对细长管内表面进行抛光;利用磁场控制的磁粒刷就可以较容易实现复杂管件内表面的研磨抛光。这种抛光方法是把磁性磨料和油性研磨液的混合物裹附在V形磁铁的两极,在外围磁铁的吸引下将磨料混合物压附在工件的内表面,增大磨料对内壁的研磨力,提高抛光效率。磁极端部开槽的V形磁铁在其开槽处较利于磨料的自发搅拌,使磁性磨料不断更替的对工件内表面进行抛光。通过有限元分析验证V形磁铁端部开槽对研磨压力的影响;从理论上阐述V形磁铁端部开槽后有利于实现磨料的更替,并得到较好的表面质量;最后通过对SUS304管内表面的抛光试验验证理论的正确性。     

无磨料低温抛光的工艺方法研究

对无磨料低温抛光这种全新的工艺方法进行了系统的研究,包括抛光设备、抛光冰盘的制备、工件盘的制备、抛光盘的修整、抛光后工件的清洗、抛光后表面粗糙度的测量等。并用此种方法对石英晶体进行了抛光实验,得到了Ra0．53mm的超光滑表面,结果证明这是一种获得超光滑表面的新方法。     

集群磁流变平面抛光加工技术

基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术,对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行静磁场有限元分析优化,结果表明,选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立"微磨头"组成的柔性抛光膜,能实现加工表面与"微磨头"的实际接触面积最大化。通过设置"微磨头"尺寸及数量与工件的接触状态,对K9玻璃、单晶硅和单晶6H-SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带,试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化,并采取优化工艺对三种硬脆材料进行30 min抛光,K9玻璃表面粗糙度从Ra0.34μm下降到Ra1.4 nm,单晶硅从Ra57.2 nm下降到Ra4 nm,单晶SiC从Ra72.89 nm下降到Ra1.92 nm,均能获得纳米级粗糙度表面。     

单晶蓝宝石基片抛光工艺研究进展

对目前抛光单晶蓝宝石基片的工艺方法,如游离磨料磨削、金刚石砂轮磨削、在线电解修整磨削(ELID)、化学机械抛光(CMP)、固结软磨料抛光、磁流变抛光(MRF)、超声振动辅助磨削的加工原理、方法和特点进行综述。分析了各方法的优势和不足以及最新研究成果存在的关键问题。其中游离磨料磨削、在线电解修整磨削、金刚石砂轮磨削的材料去除速率较高,化学机械抛光是抛光大面积基片的唯一方法,磁流变抛光后的基片表面不存在亚表面损伤。根据单晶蓝宝石基片的应用需求和目前抛光方法的不足,对后续研究的方向进行了预测。