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K9玻璃的工艺优化

固结磨料研磨工艺具有高加工效率及清洁加工等突出优点。采用正交实验法,研究了转速比、研磨压力、研磨液流量等参数对固结磨料研磨K9玻璃的材料去除率和三维轮廓表面粗糙度Sa的影响。结果表明:研磨的最佳工艺参数组合为:转速比为145/150,研磨压力为0.055 MPa,研磨液流量为60mL/min。在该工艺参数组合下,材料去除速率达到3186 nm/min,Sa值达到19.6 nm。     

球形固结磨料磨头研磨TC4钛合金的工艺探索

TC4钛合金是典型的难加工材料,在传统加工中存在难切削、工件表面易烧伤等问题。采用自行设计的球形固结磨料磨头开展TC4钛合金研磨实验,探索不同粒径、磨料种类及研磨工艺参数对TC4钛合金研磨材料去除率及表面质量的影响,分析研磨的材料去除机理,优化研磨工艺。发现20～30 μm碳化硅磨粒的研磨效果最佳,优化后的工艺方案为磨头转速2000 r/min,研磨夹角30°,研磨时间10 s。在此工艺参数下研磨材料去除率为22.2 mg/min,工件表面粗糙度R_a值为0.7 μm,兼顾了对材料去除效率和表面质量的要求。      

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。      

固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面损伤的预测

目的 为了准确预测工件亚表面损伤，合理确定材料去除量，优化固结磨料研磨单晶蓝宝石的工艺参数。方法 针对固结磨料研磨特点和单晶蓝宝石特性，采用离散元模拟技术，建立单晶蓝宝石材料的离散元模型，仿真固结磨料对材料研磨的动态过程，分析载荷作用下材料单元颗粒间裂纹的产生和扩展规律，研究磨粒切入深度对亚表面损伤的影响，预测固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面裂纹的数量和深度，并借助化学腐蚀法验证预测结果。结果 采用粒度分别为W14、W28、W50、W65的金刚石固结磨料垫，其对应的研磨单晶蓝宝石亚表面损伤层深度预测值分别为3.75、5.28、7.62、10.92 μm，预测的裂纹数量分别为199、236、526、981条，对应的实验实测值分别为3.79、5.88、8.76、11.44 μm。固结磨料垫中的磨料粒径越大，单晶蓝宝石亚表面损伤层的深度越大，裂纹数量越密集。对比发现腐蚀实验的实测值和理论预测值基本一致，验证了预测结果模型的正确性。结论 采用离散元法可以快速有效地预测固结磨料研磨单晶蓝宝石亚表面损伤层的裂纹数量和深度，为研磨工艺参数的优化和后续抛光工艺参数的制定提供指导。     

基于固结磨料盘的钽酸锂高效研磨加工试验研究

目的 实现钽酸锂材料的高效、高质量、低成本加工。方法 选择合适的添加剂作为辅料,利用树脂结合剂将3000#的金刚石磨料通过配混料、固化、压实、修整等步骤,制成金刚石固结磨料盘。以加工过程中钽酸锂工件的材料去除率、表面形貌以及粗糙度等作为评价指标,在相同粒径条件下,用游离磨料、固结磨料磨盘对钽酸锂晶片进行加工,对比加工结果。结果 在压力为4 kPa、研磨盘转速为140 rad/min的条件下,3000#金刚石游离磨料铸铁盘研磨Y-36°钽酸锂晶片10 min后,材料去除率为37.89 μm/h,表面粗糙度Sa由420 nm改善至233.308 nm,但是晶片表面出现深划痕,从而导致易破碎,且有少量磨粒残留在钽酸锂晶片上。而在相同加工条件下,采用3000#金刚石固结磨料盘研磨Y-36°钽酸锂晶片10 min后,材料去除率为66.19 μm/h,表面粗糙度Sa降低至97.004 nm,且晶片表面划痕较浅,无磨粒残留在钽酸锂晶片上。结论 采用固结磨料盘加工后的表面粗糙度比游离磨料加工后的表面粗糙度更低,表面形貌更好,材料去除率更高,达到了钽酸锂晶片精研的加工效率和表面质量。同时固结磨料盘研磨LT晶片时,其表面粗糙度随压力、转速增大而减小,材料去除率随压力、转速增大而增大。     

固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型修正

考虑磨粒轨迹和研磨垫弹性的影响,分析磨粒间距的概率密度函数,计算磨粒轨迹重叠率;引入与研磨参数相关的修正因子,并确定其值,修正固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度公式,实验验证修正模型。结果表明:修正后,K9玻璃表面粗糙度模型计算值与实验值误差控制在4%以内。显著提高K9玻璃表面粗糙度的预测精度,有效指导其研磨方案设计,提高加工效率。     

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。     

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。     

修整技术及提高固结磨料研磨垫自修整性的研究

随着化学机械研磨的持续进行,垫表面特征会发生变化,从而使其研磨能力大大降低。修整垫可改善表面轮廓,进而提高被加工晶片表面质量,而且可以减少表面缺陷,延长使用寿命。本文着重介绍固结磨料研磨垫常见修整技术,分为非自修整和自修整两种类型,非自修整法有高压水射流修整、超声波振动法修整、金刚石修整器修整。并重点阐述通过合理选用研磨液、添加成孔剂以及优化研抛工艺参数等措施来促进亲水性固结磨料研磨垫自修整。      

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。      

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。      

基于深度学习的固结磨料研磨垫表面形态表征

固结磨料研磨垫的表面形态与其加工性能有着密切关系,为更好地了解固结磨料研磨垫表面形态,尤其是研磨垫中的金刚石、孔隙、金刚石脱落坑等的分布特征,提出一种基于深度学习的固结磨料研磨垫表面形态分析方法。首先,利用徕卡DVM6数字显微镜及其配套软件获取固结磨料研磨垫表面图像;然后,采用python3+OpenCV对图像进行预处理,并利用标注软件Labelme对图像进行标注,用于后续的训练和测试;最后,运用深度学习框架Tensorflow搭建Mask R-CNN模型。结果表明：Mask R-CNN模型能对单一固结磨料垫表面图像中的多目标进行有效分割与识别,其主要评价指标平均准确率达到78.9%,达到了图像识别的主流水平。     

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。      

单晶SiC基片的铜基研磨盘加工特性研究!

采用铜基螺旋槽研磨盘对6H-SiC单晶基片的Si面和C面进行了单面研磨加工,研究研磨压力、研磨盘转速和金刚石磨粒尺寸对SiC基片材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明,单晶SiC的C面和Si面具有明显的差异性,C面更易加工,其材料去除率比Si面大。研磨压力是影响材料去除率和表面粗糙度的主要原因,研磨压力越大,材料去除率越高,但同时表面粗糙度变大,较大的研磨压力会导致划痕的产生。在达到最佳表面粗糙度时,C面加工所需的转速比Si面大。磨粒团聚会严重影响加工表面质量,采用粒度尺寸3 μm的金刚石磨料比采用粒度尺寸1 μm的金刚石效果好,经粒度尺寸3 μm的金刚石磨料研磨加工5 min后,Si面从原始粗糙度R_a 130 nm下降到R_a 5.20 nm,C面下降到R_a 5.49 nm,表面质量较好。      

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。     

不同材质磨盘对蓝宝石晶片研磨性能的影响

从实际生产加工的角度,研究磨盘材质和研磨磨料对蓝宝石晶片加工效果的影响。以实际生产工艺进行实验,比较铸铁磨盘、陶瓷复合盘、树脂铜盘和聚氨酯研磨布在使用B₄C或金刚石研磨液时的加工效果、成品率和研磨效率。结果显示:经聚氨酯研磨布研磨的蓝宝石晶片,其表面质量最好,为R_a0.058μm;陶瓷复合盘的研磨效率最高,达到0.305μm/min,且成品率可保持在96.08%。如粗糙度要求较高（R_a ≤ 0.06μm）,则建议使用聚氨酯研磨布搭配金刚石研磨液;如果更强调成本和效率（粗糙度要求R_a ≤ 0.08μm）,建议使用陶瓷复合盘搭配B₄C研磨液。      

固结金刚石聚集体磨料垫高效研磨氧化锆陶瓷背板

氧化锆陶瓷背板的高效低损伤研磨加工是其在5G通讯应用中的前提。针对氧化锆材料的硬脆特性造成磨粒磨损严重的特点,以金刚石单晶和聚集体为磨料,制备固结磨料垫（FAP）,并对比研究其加工性能,探索了研磨液中碳化硅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:采用金刚石聚集体作为固结磨料垫的磨料,辅以碳化硅砂浆,能够明显提高研磨速度,改善表面加工质量。采用粒度230/270的金刚石聚集体固结磨料研磨垫,辅以颗粒尺寸3~5 μm的绿碳化硅砂浆,氧化锆陶瓷研磨时材料去除率达2.5 μm/min以上,表面粗糙度值R_a为74.9 nm。