光学元件表面离子束抛光过程边缘效应抑制

目的 为解决光学元件表面进行离子束抛光加工过程中存在边缘效应的问题。方法 采用将驻留时间网格在面形采样网格的基础上进行延拓的方法来抑制边缘效应的产生,即将驻留点的网格范围向外进行延拓,使元件边缘部分的采样点中有去除作用的驻留点的数量与中间部分相同,延拓距离大于离子束半径。使用截断奇异值方法求解线性方程组模型的驻留时间,分析仿真结果中边缘效应出现的原因。结果 当驻留时间采用和面形误差同样的网格划分时,残留面形不收敛,且发生严重的边缘效应。当取截断参数k=80时,其面形PV值由初始的104.489 nm下降到11.675 nm,RMS值由28.009 nm收敛到1.572 nm,且没有边缘效应的产生。采用上述模拟结果作为实验设定参数,在平面光学元件上进行离子束抛光实验研究,抛光前后,PV值由102 nm降为37 nm,RMS由23 nm 降为2 nm。结论 实验结果验证了模拟结果的有效性,使用驻留时间网格延拓的方法可以避免边缘效应的产生,在此基础上进行离子束抛光,光学元件面形PV及粗糙度达到了非常好的收敛效果。     

球形磁极在小直径钛合金管内表面抛光中的应用

针对传统磁力研磨对小直径钛合金管内表面进行精密抛光时,研磨效率低、加工后表面质量不理想的问题,提出将多个球形磁极作为辅助抛光工具放置在管件内部,配合多种运动,完成对小直径钛合金管内表面的高效精密抛光。对比了添加不同辅助抛光工具后工件的表面粗糙度值和材料去除量的变化,分析了工件转速对研磨效果的影响。对4×150mm的TC4钛合金管进行精密抛光实验,实验结果表明:工件转速为20000r/min时的研磨效果最好,使用球形磁极研磨40min后,工件表面粗糙度值稳定至Ra0.2μm,材料去除量可达55mg,原始缺陷被去除;使用球形磁极作为辅助抛光工具时,研磨效率显著提升,且能够获得理想的表面质量;当工件转速不超过临界值时,工件的转速越高,研磨效果越好。     

固结磨料抛光垫的凸起图案对其加工性能的影响

抛光垫是化学机械抛光中的重要组成部分,其磨损均匀性能是影响加工后工件平面度的重要因素。本文比较了具有优化凸起图案的固结磨料抛光垫、凸起均布的固结磨料抛光垫和聚氨酯抛光垫的研磨抛光性能,结果表明:利用优化凸起图案的固结磨料抛光垫加工,可以得到更加优异且稳定的表面质量,材料去除效率远高于聚氨脂抛光垫游离磨料的加工方式。     

钛合金航空叶片叶根与缘板抛光工艺参数优化

钛合金具有良好的机械力学性能,因此被广泛应用于航空发动机叶片中。然而实现钛合金叶片的自动化抛光一直是一个巨大的难题。采用一种电镀超硬磨料柔性抛光工具针对钛合金材料展开线速度与预压量抛光工艺参数优化。其结果是粗抛光线速度为4.18 m/s,预压量为0.4 mm时试件去除量和表面粗糙度最优,精抛光线速度为1.57 m/s时粗糙度值最低达到0.12μm。在优化后的参数基础上进行某型号钛合金叶片缘板和叶根处抛光实例验证,最终的到是叶根和缘板区域去除量和表面粗糙度均满足要求。     

双抛光轮磁流变机床设计与抛光工艺研究

针对传统单抛光轮机床在加工中存在的不足,研发一台拥有双抛光轮的磁流变机床,该机床采用气浮技术,有力的减小了外界振动对加工过程的影响。该机床具备加工大口径平面、球面、离轴非球面以及加工光学元件表面小特征的能力,并对加工性能进行了实验验证。以所研发机床为平台分别研究了材料去除过程稳定性,修形能力和加工光学表面小特征的能力实验。实验表明在七个小时内去除函数的体积其去除效率低于5%,并对一块直径100.7mm的光学元件加以修形,经过迭代加工,PV值在2小时内由波长0.773下降到波长0.173,RMS值由61.3nm下降到4.577nm。并用直径20mm的抛光轮进行小特征的加工,加工结果表明小特征的宽度约为2.5mm,且图案清晰、均匀。由此表明,所研发机床具有较好的材料去除稳定性,较强的面形修正能力和加工光学元件小特征的能力。     

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。     

微小非球面碳化钨光学模具的磁流变抛光特性研究

超精密加工是光学模具获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。通过实验比较抛光前后工件面形精度的PV值及RMS值来研究微小非球面碳化钨光学模具的磁流变抛光特性。结果表明:磁流变抛光技术对提高微小非球面碳化钨光学模具形状精度、表面精度等有较显著的作用。     

超声复合磨料振动抛光方法有限元分析与实验

为研究超声复合磨料振动抛光方法对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响,分析了超声复合磨料振动抛光方法;并利用ANSYS Workbench软件分别分析了超声振动条件下和超声复合磨料振动条件下工件表面结构与应力变化情况,同时在超声复合磨料振动条件下通过实验验证超声复合磨料振动抛光技术对工件表面材料去除量与工件表面粗糙度的影响程度。结果表明:超声复合磨料振动条件下工件表面位移小于超声振动条件下的工件表面位移,超声复合磨料振动条件下工件表面应力大于超声振动条件下的工件表面应力;在超声复合磨料振动条件下,影响工件表面粗糙度最显著的因素是磨料质量分数,影响工件表面材料去除量最显著的因素是抛光时间,且磨料质量分数为30%、抛光时间为4 h时,抛光效果最佳。     

钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除规律及去除函数

目的研究工件曲率半径、驻留时间以及加工角度对钛合金曲面超声辅助磁性磨料光整加工材料去除深度和材料去除曲线偏置程度的影响,建立不同走刀方式下的材料去除函数。方法在不同工件曲率半径、驻留时间和加工角度下,对钛合金曲面工件进行单点抛光试验,利用方差分析法,研究各因素水平对材料去除深度及材料去除曲线偏置程度的影响规律,采用最小二乘法拟合材料去除点坑在xoz平面和yoz平面内的材料去除曲线,基于二次多项式逐步回归方法,构建不同加工工艺参数下,材料去除曲线函数系数与加工工艺参数间的函数表达式,建立不同走刀方式下的材料去除函数,并对其进行准确性检验。结果由材料去除深度方差分析可得:驻留时间的F值为8.06,加工角度的F值为2.296,材料去除深度随驻留时间和工件曲率半径的增加而增加,随加工角度的增大,先增加后减小。由材料去除曲线偏置程度方差分析可得:工件曲率半径的F值为2.176,加工角度的F值为7.647,材料去除曲线偏置程度随工件曲率半径的增大而减小,随驻留时间和加工角度的增加而增加。此外,拟合的材料去除函数相关系数值R^2在0.97~0.99范围内。结论驻留时间对材料去除深度的影响最显著,加工角度次之,工件曲率半径影响最小。加工角度对材料去除曲线的偏置程度影响最显著,工件曲率半径次之,驻留时间影响最小。材料去除函数拟合结果较为准确,能满足实际的加工要求。     

磨粒尺寸和基体硬度对固结磨料抛光YAG晶体的影响

钇铝石榴石(YAG)是一种应用广泛的硬脆难加工材料,其抛光过程工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有平坦化能力优、对工件形貌选择性高、磨料利用率高等优点。试验采用固结磨料抛光YAG晶体,研究固结磨料垫的基体硬度和金刚石磨粒尺寸对YAG晶体的材料去除率和表面质量的影响。结果表明:当基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒尺寸3～5 μm时,固结磨料抛光YAG晶体效果最优,其材料去除率为255 nm/min,表面粗糙度S_a值为1.79 nm。      

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。     

Modeling and analysis of the material removal depth for stone polishing

In this paper, a model of predicting the material removal depth of the workpiece surface for the mould polishing by fixed abrasives is developed and an approach to achieve the material removal profile is presented. The effect of the grain size on material removal depth is considered. The distribution of the abrasive grain protrusion heights is taken to be Gaussian distribution. The relationship between the pressure and the depth of indentation is investigated by analyzing interaction of the abrasive grains and the workpiece. It is assumed that the pressure distribution is Hertzian at the contact between the tool and the workpiece surface. The theoretical model of linear removal intensity is presented by calculating the removal volumes of all abrasive grains participating in cutting. The depth of the material removal can be obtained by integrating the linear removal intensity along the polishing contact path formed by the polishing tool passing this position. The predicted results based on the current model are shown to be approximately consistent with the experimental results.     

Vibration-assisted dry polishing of fused silica using a fixed-abrasive polisher

Glass is a ubiquitous but essential material in everyday life and industry. The most common method for polishing glass involves the use of free abrasives. However, this method is basically non-deterministic and lacks efficiency. Therefore, vibration has been employed to aid fixed-abrasive polishing in our research. It is found that the vibration can increase the material removal rate while maintain surface quality in fixed abrasive polishing. Normalized Preston coefficients that are the index of the polishing capability of a certain polishing process considerably increase in vibration-assisted polishing process. A mathematic model is set up to interpret the increase in material removal rate for vibration process. The modeled results show that the vibration can improve material removal by increasing vibration amplitude in vertical direction while the horizontal vibration contributes little to increasing material removal rate, which agrees well with experimental results. Aside from material removal, surface morphology of polished glass was also modeled for both vibration and conventional processes. Both experimented and simulated morphology evidence that the vibration some periodic structure on polished surface. The possible mechanism in dry fixed abrasive polishing was also chemically analyzed and a probable mechanism is put forward to clarify the material removal in dry fixed abrasive polishing.     

振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体

为了改善氟化钙晶体加工后的表面质量、提高加工时的材料去除率,提出了振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体的加工方法。利用振动与固结磨料抛光有效结合,采用正交实验研究加工工艺参数对材料去除率和表面质量的影响。结果表明:振动辅助固结磨料抛光氟化钙晶体的最优工艺参数为转速40 r/min,振动频率40 kHz,抛光液pH值9,转速比0.95;在最优参数下抛光氟化钙晶体的材料去除率为324 nm/min,表面粗糙度S_a值为1.92 nm;与无振动辅助的固结磨料抛光相比,材料去除率提高了57%,表面粗糙度降低了35%。研究表明:振动辅助能够利用空化作用及规律化间歇性接触,在固结磨料抛光中提高材料去除率及表面质量。      

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。     

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。      

抛光垫及抛光液对固结磨料抛光氧化镓晶体的影响

氧化镓晶体具有高禁带宽度、耐高压、短吸收截止边等优点,是最具代表性的第四代半导体材料之一,具有广阔地应用前景。氧化镓晶体抛光过程易出现微裂纹、划痕等表面缺陷,难以实现高质量表面加工,无法满足相应器件的使用要求,且现有的氧化镓晶体抛光工艺复杂、效率低。固结磨料抛光技术具有磨粒分布及切深可控、磨粒利用率高等优点。采用固结磨料抛光氧化镓晶体,探究抛光垫基体硬度、磨料浓度和抛光液添加剂对被抛光材料去除率和表面质量的影响。结果表明:当抛光垫基体硬度适中为Ⅱ、金刚石磨粒浓度为100%、抛光液添加剂为草酸时,固结磨料抛光氧化镓晶体的材料去除率为68 nm/min,表面粗糙度S_a为3.17 nm。采用固结磨料抛光技术可以实现氧化镓晶体的高效高质量抛光。      

玻璃材料高速抛光用固着磨料磨具试验研究

目的实现玻璃材料的高效高质量低成本抛光。方法选择不同添加剂作为辅料制作固着磨料抛光磨具,阐明制作工艺流程、添加剂辅料配方及比例、固着磨料磨具对材料硬度、剪切强度等性能的影响。以工件材料去除率、表面质量以及磨耗比等作为评价指标分析不同添加剂辅料对加工效果的影响,并通过等效系数优化方法确定添加剂辅料的最优配方。结果碳化硅与钼酸铵可增加磨具的硬度和剪切强度,磨具中加入适量氧化铝可有效提高工件表面质量。结论固着磨料抛光磨具的添加剂辅料最优配方为:10.6%(质量分数)4000#Al2O3和2%(质量分数)10000#SiC。     

Modeling and analysis of the material removal profile for free abrasive polishing with sub-aperture pad

This paper addresses the problem of material removal in free abrasive polishing (FAP) with the sub-aperture pad both theoretically and experimentally. The effects of some polishing conditions upon the material removal are analyzed, including not only the process parameters, which refer to the normal force, angular spindle velocity and angular feed rate, but also the abrasive grain size, polishing slurry properties, topographical parameters of the sub-aperture pad, as well as tool path curvature. Based on the analysis, a model of material removal profile is proposed to facilitate more accurate polishing. First, by analyzing the contact among polishing pad, abrasive grain and workpiece surface in the micro level, the removal depth per unit length of the polishing path is derived, which is defined as the material removal index. Then, the distribution of this removal index can be obtained via modeling the pressure and relative sliding velocity in the contact region of polishing pad and workpiece. After that, the material removal profile can be calculated by integrating the material removal index along the tool path in the tool-workpiece contact region. To verify the effectiveness of the proposed model, a series of polishing experiments have been conducted. Experimental results well demonstrate that our model can accurately predict the material removal depth during the FAP.