磨料尺寸对固结金刚石聚集体磨料垫研磨石英玻璃加工性能的影响

石英玻璃的研磨加工是其超光滑抛光加工的前道工序,对其加工效率和最终表面质量影响甚大。针对石英玻璃的硬脆特性,采用固结金刚石聚集体磨料研磨垫,对其高效低损伤研磨加工工艺进行了研究。探索了金刚石聚集体磨粒的一次颗粒尺寸、二次颗粒尺寸、研磨压力和研磨液流量4因素对研磨石英玻璃加工性能的影响,综合优化得到加工效率高和表面质量优的工艺参数。实验表明:采用固结金刚石聚集体磨料研磨垫,当一次颗粒尺寸和二次颗粒尺寸分别为1.0~2.0 μm和20~25 μm,研磨压力为14 kPa,研磨液流量为60 mL/min时,材料去除率达到2.64 μm/min,平均表面粗糙度值R_a为54.2 nm。      

固结磨料研磨石英玻璃的工艺参数优化

以石英玻璃的材料去除率和表面粗糙度为评价指标,以转速(A)、压力(B)和研磨液种类(C)为影响因素,进行石英玻璃固结磨料研磨正交试验,对其试验结果进行回归分析并建立3因素下石英玻璃材料去除率和表面粗糙度的影响规律模型。结果表明:影响石英玻璃材料去除率的显著性因素顺序为B>C>A,影响其表面粗糙度的显著性因素顺序为A>B>C。材料去除率最佳的研磨工艺参数组合为转速100 r/min,压力27.580 kPa,三乙醇胺研磨液;表面粗糙度最佳的工艺参数组合为转速100 r/min,压力27.580 kPa,乙二胺研磨液。同时,材料去除率与转速的关系为二次函数形式,材料去除率与压力的关系为指数函数形式;而表面粗糙度与转速及压力的关系均为幂函数形式。以材料去除率为优先考虑目标时可选择三乙醇胺研磨液,以表面质量为优先考虑目标时则可选择乙二胺研磨液。      

研磨温度对亲水性固结磨料垫加工性能的影响

研磨温度的升高会引起树脂基体模量的变化,从而影响亲水性固结磨料垫的加工性能。通过有限元分析软件仿真了亲水性固结磨料垫在不同研磨液温度下研磨石英玻璃的瞬态温度场,研究了不同温度条件下固结磨料垫基体的溶胀率与砂浆磨损量,探索了固结磨料垫在不同研磨液温度下的加工性能。结果表明:随着研磨液温度的升高,基体温度分布区间也随之改变,固结磨料垫基体的溶胀率与砂浆磨损量均增加,分别达到了1.43%与2.5 mg;温度升高使基体动态模量减小,材料去除率(material removal rate,MRR)和表面粗糙度R_a得到了改善,分别为8.2 μm/min和69.9 nm。因此适当提升研磨温度,能在一定程度上提高固结磨料垫的加工性能。      

研磨垫特性对固结磨料研磨性能的影响

为了探索亲水性固结磨料研磨垫(FAP)的基体特性与其加工性能之间的关系,采用三种不同硬度的树脂基体作为黏结剂,通过添加碳化硅颗粒和成孔剂的方式改变研磨垫特性,制备了6种FAP,对其研磨加工性能进行了评价。结果表明:基体的硬度对研磨效率和工件表面粗糙度(Ra)有重要影响。随着基体硬度的提高,研磨效率提高,而表面粗糙度增大。碳化硅颗粒的加入可以起到稳定工件表面质量的作用;碳化硅颗粒和成孔剂的添加都能起到提高工件材料去除率(MRR)稳定性的作用。碳化硅颗粒和成孔剂促进了亲水性FAP自修正过程的实现。     

氧化镍镀覆金刚石对固结磨料研磨垫加工性能影响

黏结剂把持磨粒的能力对固结磨料研磨垫的加工性能有重要影响。选择K9玻璃作为加工对象、不饱和树脂作为黏结剂,通过沉积法在金刚石表面镀覆一层氧化镍改善金刚石与树脂的结合性能,研究了镀覆后金刚石的形貌和热处理工艺,及其对固结磨料研磨垫加工性能的影响。研究表明:镀覆量达到30%,氧化镍镀覆金刚石的热处理工艺为3 h/450℃+5 h/500℃时,能够提高固结磨料研磨垫25%的材料去除速率。     

石英玻璃固结磨料研磨工艺参数响应面模型的研究

目的 通过优化工艺参数,充分挖掘固结磨料研磨加工的优势.方法 采用固结磨料研抛垫对石英玻璃进行研磨,以材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)为评价指标,采用3因素3水平的响应曲面法,探索工件转速、研磨压力、研磨液流速三个工艺参数对固结磨料垫加工特性的影响规律.建立三个工艺参数作用下的MRR模型和Ra模型,结合响应曲面及其等高线,获得工艺参数变量两两复合的影响规律和各目标下的最优工艺参数.最后,对最优工艺参数进行实验验证.结果 实验结果及其分析表明,以最大材料去除率为目标的最佳工艺参数为:转速90 r/min,压力20.685 kPa,研磨液流速60 mL/min.以最小表面粗糙度为目标的最佳工艺参数为:转速100 r/min,压力20.685 kPa,研磨液流速80 mL/min.最优工艺的加工性能预测值为34.5 nm/min和38.5 nm,验证实验结果为37.6 nm/min和39.4 nm,二者的误差值在合理范围内.结论 研抛工艺参数的响应面模型具有良好的预测能力,预测误差很小,最优工艺参数下,工件表面平整光滑,没有明显的凹坑和粗大划痕.     

金刚石一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫加工性能与磨损过程的影响

目的 探究金刚石颗粒的一次粒径对固结聚集体金刚石磨料垫磨损的影响规律,提高固结磨料垫的自修整、加工性能及经济耐用度。方法 选择14、8、5、1 μm等4种粒度的金刚石颗粒,采用烧结法制备聚集体金刚石磨料,并将其用于制备固结聚集体金刚石磨料垫。在CP-4抛光测试系统平台上开展研磨试验,在线获取加工过程中的力信号和摩擦因数。对比4种粒径的固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率、研磨比、研磨前后磨料垫的微观形貌、碎屑的形貌及尺寸分布,分析固结磨料垫的磨损过程及其演变规律。结果 随着金刚石颗粒粒径的增大,固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率由0.2 μm/min(金刚石颗粒为1 μm)增加到3.5 μm/min(金刚石颗粒为14 μm),研磨比由2.02增加至14.33。大粒径(≥5 μm)的固结磨料垫研磨后,表面仍有锋利的金刚石微切削刃,研磨过程中的切向力和摩擦因素保持稳定,固结聚集体金刚石磨料垫的磨损形式以金刚石颗粒的脱落为主;超细粒径(≤1 μm)固结磨料垫表面的金刚石颗粒出现堵塞现象,并且研磨过程中的切向力和摩擦因数持续下降。结论 随着金刚石颗粒的一次粒径增大,固结聚集体金刚石磨料垫的磨损速率增加,自修整能力、材料去除能力和加工过程稳定性得到提升,进入稳定磨损期的时间缩短。     

聚集体金刚石磨料研磨加工性能研究

为实现蓝宝石等硬脆材料的高效率、低表面粗糙度研磨加工,提出利用陶瓷结合剂和微细金刚石磨料(粒径3μm)烧结制成聚集体金刚石磨料(平均粒径30μm)进行研磨加工新工艺。通过与3μm和30μm等2种单晶金刚石磨料对蓝宝石基片进行研磨加工对比实验,系统研究聚集体金刚石磨料的研磨性能。结果表明：聚集体金刚石磨料具有较高的材料去除率,相同条件下聚集体金刚石磨料加工15 min时材料去除率为1.127μm/min;聚集体金刚石磨料具有较好的加工稳定性,研磨120 min时材料去除率为0.483μm/min,相比于加工15 min时下降57.14%,而3μm单晶金刚石磨料则下降78.02%;聚集体金刚石磨料与3μm单晶金刚石磨料研磨蓝宝石的表面粗糙度相近,分别为R_a 9.45 nm和R_a 8.75 nm,远低于30μm单晶金刚石磨料的R_a 246 nm。聚集体金刚石磨料能实现低加工表面粗糙度和高材料去除率的机理可以归纳为：多磨粒微刃产生去除作用可以获得低表面粗糙度,同时具有自锐性,提高材料去除效率并保证加工过程的稳定。     

非固结磁性磨粒的加工性能试验

探讨了非固结磁性磨粒的构成,利用正交试验对影响磁性磨粒加工性能的因素:颗粒大小、质量比、结合剂等进行试验分析。结果表明:当铁磁相Fe粉的目数为200目,磨粒相SiC的目数为120目,铁磁相与磨粒相的质量比为3∶1,加工时间3 min时加工效果最佳;同时再加入偶联剂会得到更好的加工效果,而被加工材料以45钢的光整效果最好。相对于烧结法和黏结法的磁性磨粒,该方法工艺简单、成本较低,同时又有较好的加工性能,这对于简化磁性磨粒制备工艺,以及磁性磨粒光整加工技术在精加工中的应用具有现实意义。     

大粒径SiO2磨粒固结磨具加工蓝宝石试验研究

目的验证大粒径(30μm)SiO_2磨粒固结磨具加工蓝宝石晶片的有效性,优化磨具配方,为实现蓝宝石晶片高效、高质量、低成本加工提供有效参考。方法制作不同配方的氯氧镁结合剂SiO_2固结磨具加工蓝宝石,以去除率、表面粗糙度为评价指标,研究磨粒粒度、结合剂比例、磨粒含量对加工效果的影响。结果 6种不同粒径(均30μm)的SiO_2磨粒固结磨具加工蓝宝石,表面粗糙度均有改善,粒径越小,改善效果越好。结合剂中,活性Mg O、MgCl_2和H_2O三者的摩尔比会影响去除率和粗糙度。磨具磨粒的含量高,去除率高,粗糙度小。结论氯氧镁结合剂中,活性MgO:MgCl_2:H_2O的摩尔比为7:1:16,325#SiO_2为磨粒,磨粒质量占结合剂质量的60%,制作磨具加工蓝宝石,转速210 r/min,加载0.4 MPa,加工3 h,去除率为平均17μm/h,表面粗糙度Ra由初始平均345 nm改善至平均9 nm。     

微晶玻璃固结磨料研磨加工亚表面损伤预测研究

目的 快速、准确预测微晶玻璃在研磨加工过程中的亚表面损伤状况,制定合理的加工工艺。方法 通过建立微晶玻璃的离散元模型,仿真分析了研磨压力等研磨工艺参数对工件亚表面损伤的影响规律,并采用角度抛光法对研磨后微晶玻璃的亚表面损伤状况进行了实验验证。结果 采用W14金刚石固结磨料垫研磨微晶玻璃,当研磨压力为10 kPa时,工件亚表面裂纹层深度为1.75μm,当研磨压力降低至3.5 kPa时,工件亚表面裂纹层深度为1.38μm;随着研磨压力的降低,亚表面微裂纹数量减少。研磨残余应力层分布深度大于微裂纹层的,且在微裂纹的尖端存在较大的残余拉应力。结论 角度抛光法得到的亚表面裂纹层深度与仿真结果一致,偏差范围为-10.87%～11.29%,残余应力仿真结果与试验结果的偏差为7.89%。离散元仿真能够比较准确地预测固结磨料研磨微晶玻璃的亚表面损伤状况,为其研磨抛光工艺参数的制定提供了理论参考依据。     

砂浆辅助固结磨料研磨蓝宝石研究

金刚石固结磨料垫研磨蓝宝石晶片时,因磨屑细小导致研磨垫自修整能力严重不足,制约了其工业应用。本实验尝试用向研磨液中添加碳化硅颗粒的办法,辅助磨屑改善研磨垫的自修整能力。分别制备了不含磨料和含金刚石磨料（粒度尺寸为20~30 μm）的研磨垫,比较其在不同研磨条件下的材料去除率和研磨后工件表面形貌,探索研磨液中碳化硅颗粒的作用机制。结果表明:研磨液中添加的碳化硅颗粒加快了研磨垫基体的磨损,有利于亚表层金刚石颗粒的出露,实现了研磨垫的自修整过程,材料去除速率明显提高,提高近14倍。      

固结磨料研磨中去除机理探索

结合目前实验室的实际加工条件建立了用FAP(fixed abrasive pad,固结磨料抛光垫)研磨抛光时磨粒嵌入工件表面的切深数学模型,提出了当不考虑抛光垫的弹性变形且FAP中添加的磨粒粒径范围在10～14μm之间时,磨粒压入工件的最大深度值在0.4μm左右。当考虑抛光垫的弹性变形时,磨粒嵌入工件的深度普遍减小,从而使得加工后工件的表面质量得到明显提高,主要表现在加工后工件表面划痕数量和划痕深度大大减小,表面粗糙度值降低。为了验证模型的正确性,在研磨抛光实验过程中收集了大量磨屑并对其拍摄大量SEM照片,通过图像处理和分析证明了在加工产生的磨屑中,91%以上(均值96.5%)的磨屑厚度小于0.3μm,非常好地吻合了本文中所建立的切深数学模型。     

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。     

新型固结磨粒加工工具

近年来,有关新型固结磨粒加工工具的提案并不多,固结磨粒加工的技术开发可谓处于停滞不前的状态,难道没有必要开发实用性好的,以高精度、高品位、高功能为目标的新型固结磨粒加工工具吗?……     

铜粉含量对亲水性固结磨料抛光垫加工性能的影响研究

通过向亲水性固结磨料抛光垫中添加铜粉,改善抛光垫的抛光性能,研究铜粉添加量对抛光垫的理化特性及加工K9光学玻璃的材料去除率和工件表面质量的影响。结果表明:随着铜粉添加比例的增加,抛光垫的硬度增加,其材料去除速率呈现先增大后减小的趋势,当铜粉质量分数为5%时,抛光垫的材料去除速率达到最大值58.18 nm/min。同时加工后K9玻璃表面粗糙度也对应地呈现出先增大后减小的趋势,粗糙度Sa最大值为9.28 nm,最小值为2.53 nm。     

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。      

固结磨料研磨蓝宝石晶片的工艺优化

为了满足蓝宝石晶片高效低损伤的加工要求,采用亲水性固结磨料研磨垫研磨蓝宝石晶片的工艺,研究基体中碳化硅粒度尺寸、基体类型、金刚石粒度尺寸及研磨液中磨料4个因素对材料去除率和表面粗糙度的影响,并综合优化获得高加工效率和优表面质量的工艺参数。实验结果表明:基体中碳化硅粒度尺寸为10 μm、基体类型为Ⅱ、研磨垫采用F公司粒度尺寸为35~45 μm的金刚石、研磨液中磨料的粒度尺寸为5 μm的碳化硅为最优工艺组合,亲水性固结磨料研磨蓝宝石的材料去除率为431.2 nm/min,表面粗糙度值为R_a 0.140 2 μm。      

固结磨料垫高效研磨氟化钙晶体研究

氟化钙晶体的高效精密研磨加工是实现其超精密抛光加工的前提。采用单晶金刚石和聚集体金刚石磨料制备固结磨料垫(FAP),对比研究其研磨加工性能,探索不同种类的金刚石磨粒在固结磨料研磨垫自修整过程中的作用机理。结果表明:采用聚集体金刚石磨料制成的FAP研磨效率明显高于单晶金刚石FAP的,且其材料去除率更稳定,同时聚集体金刚石FAP的自修整能力要优于单晶金刚石FAP的。在10 kPa压力下,采用初始粒径为3～5 μm的聚集体金刚石FAP研磨氟化钙晶体,其材料去除率达13.0 μm/min, 表面粗糙度值R_a为130.0 nm。      

固结磨料研磨抛光K9玻璃的超精密加工工艺研究

采用PHL-350型平面高速研磨抛光系统,通过固结磨料研磨抛光方法进行了超精密加工K9玻璃试验研究。探讨了不同粒径和不同磨粒研磨抛光垫在加工中对K9玻璃材料去除率和表面质量的影响。获得了高效率、低成本、高质量的K9玻璃的超精密加工工艺:首先使用M20/30金刚石研磨垫研磨,然后使用3μm CeO2抛光垫抛光。加工后K9玻璃的表面粗糙度优于RMS 0.6 nm,微观损伤少。