磨粒粒径对蓝宝石研磨均匀性影响的试验研究

通过蓝宝石衬底的单面研磨试验研究,分析了W14和W3.5的B4C磨粒研磨后蓝宝石表面的微观形貌和宏观形貌,W14的B4C磨粒加工后蓝宝石表面微观裂纹密集且交错分布,体现了以滚轧和挤压为主的材料脆性去除作用,相同条件下,W3.5的B4C磨粒加工的蓝宝石表面划痕均匀,表面无微观裂纹,实现了以切削为主的材料延性去除形式.测试分析结果表明:磨粒粒径的选择对蓝宝石的研磨表面状态具有重要影响,其选择准则除考虑要达到的粗糙度等级之外,还必须同时考虑与研磨盘的嵌入作用及其对加工表面状态的影响;W3.5的B4C磨粒研磨加工后的蓝宝石表面宏观和微观均匀性良好,表面粗糙度、平面度等符合抛光前道工序的要求.     

无理数转速比下的平面研磨轨迹均匀性研究

平面研磨过程中磨粒与工件的相对运动轨迹分布对工件表面质量有重要影响。针对有理数转速比下的研磨加工过程中磨粒轨迹重复的问题,对磨粒相对工件的运动轨迹进行了研究,分析了典型的定偏心式主驱动方式平面研磨过程中磨粒轨迹对抛光均匀性的影响,提出了一种无理数转速比的平面研磨加工方法,利用Matlab工具对无理数转速比平面研磨加工进行了运动学仿真,理论分析了基于螺旋线磨粒排布的研磨盘在无理数转速比下的磨粒轨迹均匀性。仿真结果表明,无理数转速比下的磨粒轨迹线是开放的,其在均匀性方面优于有理数;对于不同无理数转速比,研磨轨迹均匀性随着转速比的增大而提高,但随着研磨时间的增加其均匀性趋于相同。该研究为无理数转速比平面研磨抛光设备的研制提供理论依据。     

单晶蓝宝石的延性研磨加工

为实现单晶蓝宝石的延性研磨加工,采用纳米压痕和划痕法测试并分析了单晶蓝宝石(0001)面的微纳力学特性,建立了单颗圆锥状磨粒的压入模型并计算了延性研磨加工的受力临界条件,分析了金刚石磨粒嵌入合成锡研磨盘表面的效果.对单晶蓝宝石进行了延性研磨加工试验,采用NT9800白光干涉仪、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等方法分析了单晶蓝宝石的延性研磨表面特征.试验结果表明:采用纳米压痕和划痕法可以为单晶蓝宝石的延性研磨加工提供工艺参数,单晶蓝宝石的延性堆积的极限深度为100 nm,金刚石磨粒的嵌入及在适当载荷下可以实现蓝宝石的延性研磨加工,实验条件下的最佳载荷为21 kPa,延性研磨后单晶蓝宝石表面划痕深度的分布情况较好,分散性小,研磨后的表面发生了位错滑移变形.     

不定偏心平面研磨均匀性的研究

提出了一种新的不定偏心平面研磨方式,主动驱动工件使其在绕自身回转轴自转的同时,绕垂直于研磨盘表面的轴线公转.该方式涵盖了定偏心研磨和行星轮式双面研磨.对该方式进行了运动分析,得到了工件相对于研磨盘速度的表达式.在Preston方程基础上,建立了材料去除函数和研磨均匀性函数.理论分析和仿真结果表明,通过设置选择适当的转速比组合,可使工件获得均匀研磨.讨论了转速比与偏心距对研磨均匀性的影响.     

磁性磨粒的制备工艺及其研磨性能研究

针对研磨效率低,磁性磨粒制备困难,比较了热压烧结、放电等离子烧结(SPS)烧结和粘结磁性磨粒等方法,发现SPS烧结磁性磨粒虽然成本较高,但改善了粘结磨粒和热压烧结磨粒的缺陷,且耐用度很高,加工效率和加工性能比较好.     

基于表面粗糙度均匀性的曲面磨削研究

针对曲面磨削中不同曲率处的表面粗糙度不均匀的问题,基于等残留高度法,分析了砂轮圆弧半径、砂轮进给速度、工件转速以及工件曲率对残留高度的影响。结果显示,为得到较小的残留高度,应尽量保持低的砂轮进给速度,并且提高工件转速。曲率半径越小,粗糙度差异越大,改变砂轮进给速度可改善这一问题。砂轮的进给速度与曲率半径大小成正比。采用金刚石滚轮法以及砂轮变速进给可有效改善曲面磨削的表面粗糙度均匀性。       

砂轮约束磨粒喷射加工表面材料去除机理

基于磨粒特征尺寸与砂轮、工件间液膜厚度比值的变化研究了磨粒喷射光整加工的材料去除机理,建立了两体研磨及三体冲蚀单颗磨粒的材料去除模型和材料去除率模型。试验在MB1332A外圆磨床上完成,加工试样为Sa=06μm左右的45钢。加工表面形貌和微观几何参数分别用SEM和MICROMESVRE2表面轮廓仪测量,试验结果和材料去除模型相吻合。试样表面连续的方向一致的沟槽被随机不连续的微坑所代替,随着加工循环的增加,Sa值由06μm下降到02μm左右。此外,光整加工可以获得各向同性网纹交错的表面,表面轮廓的支撑长度率提高,对工件的耐磨性有利。      

金刚石磨具表面磨粒分布形态的定量评价

为了定量评价磨粒在磨具表面的分布形态,采用静态磨刃密度Cs与磨粒分布均匀性CV两个评价指标来描述磨粒在磨具表面的分布信息。针对金刚石磨具的SEM图,对图片进行二值化处理及磨粒质点化,通过对质点的统计获得静态磨粒密度Cs,另一方面,采用泰森多边形法,获取各质点所占据的面积,利用γ分布的变异系数来评价磨粒的分布均匀性CV。利用所提出的两项指标,评价了同一磨具表面及不同磨粒排布磨具表面的磨粒分布形态,结果表明所提出的指标能较好地用于磨粒分布形态的评价。     

基于均匀设计法的磨粒流加工试验

根据磨粒流加工原理,以坦克发动机喷油嘴为研究对象,利用均匀试验设计方法,通过均匀分散而选出较优的磨粒流加工试验参数（磨粒粒径、磨料浓度、加工时间及研磨液的酸碱性）,再通过优化变量得到目标函数,进而获得最优磨粒流加工工艺参数。试验结果表明：采用均匀设计方案较正交设计方案可节省70%的时间;经过均匀试验后,喷油嘴工件内孔表面粗糙度减小,达到了磨粒流加工试验的目的,而回归优化后的工艺参数可以进一步减小喷嘴小孔的内表面粗糙度,所得到表面粗糙度与材料物性及加工时间的数学模型可为磨粒流的生产实际提供技术支持。     

无理偏摆式平面研磨加工均匀性的数值模拟

基于定偏心平面研磨方式,提出了无理转速比下的偏摆式平面研磨方式.采用矢量方法建立了偏摆式平面研磨加工的运动学方程,对比分析了定偏心和偏摆式驱动下的工件表面磨粒轨迹和磨粒速度场的分布形态,并建立了运动轨迹密度均匀性和材料去除量均匀性的区域划分和统计评价方法.研究表明:偏摆式驱动下的平面研磨轨迹线更加复杂无序,磨粒覆盖面积...     

四轴球体研磨机的均匀性研究

建立了四轴球体加工时的力学模型,分析了加工球与四研具之间的运动关系,给出了研具上一点相对加工球的速度矢量,在Preston方程基础上,建立了四轴球体研磨机实现球面均匀研磨的分析模型,并应用matlab软件对单位时间去除量进行仿真分析。采用方差的指标评价研磨去除量得均匀性。分析结果表明研具改变转向的相位角为90°时方差最小,为了达到研磨均匀性必须改变四个研具的旋转方向。     

平面研磨中磁粒刷运动轨迹规划的试验研究

在磁力研磨工艺中,磁粒刷的运动轨迹直接影响工件的表面精度和均匀性。在自行设计的试验装置上,通过施加公转运动方式优化磁粒刷运动轨迹并进行试验研究,对研磨前后工件的表面粗糙度、横截面形状及3D微观形貌等进行检测与对比。结果表明:优化研磨轨迹后,表面质量和平面均匀性均较传统工艺有不同程度的提高,且当磁粒刷公转半径大于自转半径时效果最好。另外,还建立了研磨粒子的轨迹表达式,通过Graph软件对轨迹仿真分析,与试验结果相一致,因此可以针对工件形状和表面质量要求,预先规划合理研磨轨迹。     

基于SPH法的CBN磨粒切削过程数值模拟

采用光滑粒子流体动力学法进行CBN磨粒切削过程仿真。该方法解决了网格法模拟材料分离时的网格束缚问题。通过切削过程中磨粒与工件材料的应力场变化以及离散SPH粒子的运动情况,分析了CBN磨粒的磨损机理以及工件材料的切削变形机理。研究结果表明:磨粒的顶部与挤压面棱边接触应力集中,易发生磨耗与微破碎磨损;工件材料受磨粒的推挤发生弹塑性变形而沿磨粒的侧向及前方隆起,并于磨粒的前方挤出而形成切屑。
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硅片化学机械抛光时运动形式对片内非均匀性的影响分析

分析了目前几种常见的化学机械抛光机中抛光头与抛光垫的运动关系，针对不同的硅片运动形式，计算了磨粒在硅片表面的运动轨迹；通过对磨粒在硅片表面上的运动轨迹分布的统计分析，得出了硅片在不同运动形式下的片内材料去除非均匀性。从硅片表面材料去除非均匀性方面，对几种抛光机的运动形式进行了比较，结果表明，抛光头摆动式抛光机所产生的硅片内非均匀性最小。该研究为化学机械抛光机床的设计和使用中选择和优化运动参数提供了理论依据。     

椭圆内腔表面磨粒流均匀化光整加工研究

针对磨粒流加工中椭圆孔腔表面加工质量因表面曲率半径变化而不一致的问题,提出通过置入相似模芯实现磨粒流均匀化光整加工的新方法。运用非牛顿流体的幂律方程,建立了磨粒流加工的微元体动力模型,分析磨粒流加工中表面剪切应力分布不均的影响因素,而后通过COMSOL软件进行了数值计算与模拟仿真论证;最后,开展实验研究,对椭圆孔腔壁面压力及表面粗糙度等进行相关数据测量。研究结果显示：置入相似模芯后,椭圆流道的长、短轴方向剪切应力的理论值误差由置入模芯前的9.87%降为0.39%,长、短轴方向剪切应力分布趋于一致;椭圆流道的轴向、径向平均压力差仅为0.03 MPa、0.11 MPa,且表面粗糙度(Ra)差值由置入芯轴前的0.212μm下降为0.005 μm,加工压力与表面粗糙度的变化趋势均趋于一致。置入相似模芯的方法改善了磨粒流加工中剪切应力分布不均的状况,为椭圆孔的高质量精密加工提供了重要参考依据。     

四轴球体研磨机的研磨均匀性

为了分析四轴球体研磨机的研磨去除量,建立了四轴球体加工时的力学模型,分析了四研具在空间位置的几何关系和加工球与四研具之间的运动关系,给出了研具上的一点相对加工球的速度矢量.在Preston方程基础上,建立了四轴球体研磨机实现球面均匀研磨的分析模型,并应用Matlab软件对单位时间去除量进行仿真分析.以离散化的旋转角为变量,间距取0.01°,采用方差为指标评价研磨去除量的均匀性.分析结果显示,研磨去除量与角速度成线性关系,研具改变转向的相位角为90°时方差最小,研磨过程中不断改变四个研具的旋转方向,可获得好的研磨均匀性.实验结果表明,四轴球体研磨机是高精密加工非常有效的方法.     

金刚石磨粒排布方式对交叉微流道形成规律的影响

依据交叉型微流道的结构设计要求,分析了金刚石磨粒排布方式对交叉微流道形成规律的影响。仿真了固定磨粒研磨加工轨迹的均匀性,计算了不同磨粒排布方式下加工轨迹线形成的微流道分形维数,得到了被加工工件表面的宏观和微观开孔率。综合对比了不同磨粒排布方式对轨迹均匀性、分形维数和开孔率的影响,获得了最佳的金刚石磨粒螺旋排布方式。     

四轴球体研磨机球体研磨圆度误差均匀化效应的机理分析

从建立四轴球体研磨机弹簧加压球体研磨的力学模型入手,运用高点切削作用机制和误差均匀化效应,解释了球体圆度误差趋小化研磨机理。根据四研具对球面研磨的包络原理,提出了未包络研磨区是产生残存圆度误差的主要因素,并探讨了未包络研磨区、四研具初始压力误差、研具磨损不均匀性产生的原因和对研磨残存圆度误差的影响及解决措施。为进一步改善研磨工艺和提高球体研磨圆度提供了参考。     

双自转研磨沟槽结构参数对球体研磨均匀性的影响分析北大核心

基于多体动力学分析软件ADAMS建立了双自转研磨方式下的球体运动数值仿真模型,给出了研磨轨迹点分布均匀性(研磨均匀性)的评价方法,仿真分析了研磨盘沟槽半径和沟槽角度对研磨均匀性的影响,并通过试验验证了仿真结果的正确性。     

蓝宝石衬底研磨加工中研磨盘材质的影响

采用W14、W3.5的B4C磨粒对蓝宝石衬底进行粗研磨和精密研磨的试验研究.对比分析铸铁、合成铜和合成锡盘粗研磨蓝宝石衬底的表面粗糙度和研磨表面均匀性,试验结果表明,铸铁研磨盘获得的蓝宝石衬底宏观表面均匀性和平面度均优于合成铜盘和合成锡盘,经铸铁研磨盘加工后的蓝宝石衬底面型峰谷值误差小于5 μm、中心线平均表面粗糙度Ra<0.82 μm.精密研磨试验结果表明,采用合成铜盘和W3.5B4C磨粒有效地改善了蓝宝石衬底表面的均匀性,获得了Ra<20 nm、面型峰谷值误差小于1.6 μm的均匀表面,为蓝宝石的超精密研磨奠定了良好的基础.