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。     

蓝宝石基片的单面研磨工艺研究

为了实现蓝宝石基片的快速平坦化,对蓝宝石基片进行系统的单因素单面研磨试验,研究了磨料种类、磨料粒径、研磨盘转速、研磨压力以及磨料质量分数等研磨工艺参数对蓝宝石基片材料去除率和表面粗糙度的影响规律。试验结果表明:金刚石磨料适合蓝宝石基片的单面研磨;随着磨料粒径的增大,材料去除率逐渐增大,表面越来越粗糙;随着研磨盘转速的增大,材料去除率先增大后减小,表面粗糙度值在20～60 r/min区间变化不大,稳定在Ra 0. 12～Ra 0. 13μm之间,而在60～100 r/min区间波动较大,当研磨盘转速为60 r/min时,材料去除率最大;随着研磨压力的增大,材料去除率逐渐增大,而表面粗糙度值越来越低;随着磨料质量分数的增大,材料去除率先增大后减小,表面粗糙度先增大然后趋于平缓,当磨料质量分数为3 wt%时,材料去除率最大,且表面粗糙度值相对较小;最后通过正交试验优化了工艺参数,在优化的工艺条件下依次选用粒径为W40、W14、W3的金刚石磨料对蓝宝石基片进行粗研、半精研及精研,取得了表面粗糙度为Ra 7. 9 nm的平坦表面。     

研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料去除率及加工稳定性;制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石,并制备成固结聚集体金刚石磨料垫,探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能;分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明:采用固结聚集体金刚石磨料垫,研磨后工件表面粗糙度低,去除效率稳定;在15~21 kPa的压力下,结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高,材料去除率达到8.94~12.43μm/min,加工性能较稳定,研磨后的工件表面粗糙度R a在60 nm左右;在3.5~7 kPa压力下,结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定,材料去除率在2.67~3.12μm/min,研磨后的表面粗糙度R a在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件,而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。     

中等粒度纳米金刚石抛光陶瓷表面研究

研究了用各种不同粒度分布的纳米金刚石抛光CaTiO3陶瓷表面。讨论了纳米金刚石颗粒大小及其悬浮液的分散稳定性对磁头表面形貌的影响,评价了由该种材料抛光所形成的缺陷和表面质量。试验分析表明,用粒径越小、粒度分布越窄的纳米金刚石抛光时试样表面粗糙度越小,而粒径越大,即使分布窄,所得的试样表面粗糙度也越大。同时,即使纳米金刚石粒径较小,如果分散稳定性不好,也会在试样表面产生若干很深的划痕和凹坑,从而影响表面粗糙度。     

基于响应曲面法的YG8硬质合金刀片化学机械抛光工艺参数优化

为了快速确定YG8前刀面抛光的最佳工艺参数,提高加工效率和精度,利用响应曲面法对YG8硬质合金刀片抛光工艺进行优化试验研究。通过单因素试验确定抛光转速、抛光压力、磨粒粒径和磨粒浓度的水平,并对4个工艺参数进行中心复合设计试验。建立了材料去除率RMR和表面粗糙度Ra的预测模型,基于响应曲面法优化工艺参数获得最佳工艺参数为抛光转速65.5 r/min、抛光压力156.7 kPa、磨粒粒径1.1 μm、磨粒浓度14%,此时得到了最小表面粗糙度预测值Ra=0.019 μm,材料去除率RMR=56.6 nm/min。试验结果表明,基于响应曲面法的材料去除率与表面粗糙度预测模型准确有效。     

氧化铝陶瓷基片高效减薄和超光滑抛光加工研究

对氧化铝陶瓷基片进行了系统的单面研磨抛光和双面研磨抛光试验,结果表明,单面研磨抛光相对双面研磨抛光具有明显的效率优势,获得单面研磨的优化条件为:研磨压力15.19 kPa,研磨转速40 r/min,研磨液流量10 ml/min,研磨液浓度8wt%;以粒度W40、W20和W5的金刚石磨料在优化工艺条件下进行粗研磨、半精研磨和精研磨,减薄加工获得表面粗糙度Ra0.12μm的研磨片,进而采用W0.5的SiC磨料进行单面抛光可以获得平均表面粗糙度Ra10 nm的光滑表面。     

应用CVD金刚石涂层工具研磨单晶蓝宝石

通过热丝化学气相沉积(HFCVD)法制备了具有球状晶结构、棱锥形晶结构和棱柱形晶结构等3种不同表面特征的化学气相沉积(CVD)金刚石涂层工具,以提高其研磨效率。通过正交实验法研究了金刚石涂层晶粒形态、载荷、工作台转速、研磨时间等4个工艺参数对蓝宝石材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:金刚石涂层的晶粒形态对材料去除率和表面粗糙度影响较大;球状晶结构金刚石涂层切向力较小,棱柱形晶结构金刚石涂层切向力较大;选择棱柱形晶CVD金刚石涂层工具研磨蓝宝石,在研磨加工参数为载荷0.15 MPa、转速100 r/min、研磨时间3 min时,其材料去除率为0.397μm/min,表面粗糙度为0.354μm。结果表明:提出的CVD金刚石涂层工具可用于进一步加工、研磨蓝宝石切片,去除其表面划痕,从而改善工件表面质量。     

基于固结磨粒的单晶蓝宝石自旋转磨削加工方法

利用固结磨粒自旋转磨削加工方法，通过金刚石磨削和化学机械磨削实现了蓝宝石晶片的高效、高质量平坦化加工。采用不同磨粒粒径的金刚石砂轮实现了蓝宝石晶片较高的材料去除率或较好的表面质量。开发了高磨粒浓度Cr2O3砂轮，采用化学机械磨削对金刚石磨削后的蓝宝石晶片进行平坦化加工。实验结果表明，化学机械磨削能够去除金刚石磨削的表面和亚表面缺陷，最终获得表面粗糙度Ra＜1 nm、无/微损伤的蓝宝石晶片。通过理论分析单颗金刚石磨粒的磨削力，发现磨粒粒径是影响材料去除率和表面质量的主要影响因素。通过XPS分析证明了Cr2O3和蓝宝石之间的固相反应过程。     

Si_3N_4陶瓷的剪切增稠抛光

利用剪切增稠抛光技术(Shear-thickening polishing,STP)对Si_3N_4陶瓷圆柱工件进行的超精密加工,考察所制备的含有金刚石磨粒的抛光液流变行为,分析Si_3N_4陶瓷的金刚石基剪切增稠抛光液的STP特性,研究Si_3N_4陶瓷圆柱工件的加工效率、表面质量及圆度误差精度。结果表明:含有金刚石磨粒的抛光液具有非牛顿幂律流体的剪切增稠性质,当剪切速率(g(5))不断提高时,储能模量(G′)、耗能模量(G″)均呈现出一定的增长趋势,耗散因子(n′)不断降低;Si_3N_4陶瓷的STP加工为持续微切屑"柔性抛光"过程;抛光液中的金刚石磨粒粒径为0.2μm时,工件抛光的材料去除率相对较大,且MRR理论值与试验值的平均误差约为11.7%,表明在抛光区域内STP材料去除模型具有一定的有效性;工件经60 min的STP后,材料去除率由初期4.20μm/h下降到4.00μm/h,表面粗糙度R_a由107.2 nm降至26.5 nm;抛光120 min后,材料去除率会减小至3.85μm/h,表面粗糙度可降至R_a 6.5 nm;由初始圆度误差RONt 1.418mm下降至RONt 0.360mm,实现了Si_3N_4圆柱高效超精密抛光。     

脉冲磁场辅助磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种脉冲磁场辅助新型磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在脉冲磁场辅助作用下,实现磨粒尺寸对硬质抛光盘微观形貌依赖性小、磨粒易进入抛光区域、材料去除率较高的抛光。设计了“之”字形的对位式结构电磁铁,模拟计算表明其磁感应强度沿抛光平面分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。磁性微球在抛光系统中的受力分析表明：磁性微球受磁力作用时有利于复合磨粒从近抛光区进入抛光区,以二体磨损的方式去除加工表面;磁性微球不受磁力作用时,复合磨粒随抛光液的流动而移动,避免大量聚集形成磁链。以表面粗糙度Ra=1.1μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加不同频率和占空比的脉冲磁场前后,硅片的去除率从137nm/min提高到288nm/min,频率5Hz、占空比50%时获得最大值,硅片表面粗糙度由抛光前Ra=405nm减小到Ra=0.641nm。     

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.     

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。     

SUB-NANOMETER POLISHING OF MAGNETIC RIGID DISK HEADS TO AVOID POLE TIP RECESSION

For the purpose of solving the problem that too large pole tip recession （PTR） is produced in magnetic rigid disk heads by mechanical polishing, a chemical mechanical nano-grinding experiment is performed by using a float-piece polisher with a tin plate to achieve a more plane and smoother surface. A basal solution, addition agents and a range of pH value are suitably selected to find a kind of slurry, with which the PTR can be controlled on sub-nanometer scale and the giant magnetic resistance （GMR） corrosion and electrostatic damage （ESD） can be avoided. Moreover, the cause that TiC protrudes from the substrate surface of the heads is studied. The appropriate shape and size of diamond abrasive are selected according to the chemical activation of A1203 and TiC in the same slurry. In this way, the chemical and mechanical interactions are optimized and the optimal surface that has small PTR and TiC asperity is achieved. Ultimatily, the chemical mechanical nano-grinding in combination with mechanical nano-grinding is adopted. Sub-nanometer PTR is achieved and the TiC asperity is eliminated by the chemical mechanical nano-grinding with large size ofmonocrystalline followed by mechanical nano-grinding with smalle polycrystalline diamonds.     

固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型

表面粗糙度模型是研磨过程设计和工艺参数选择的重要依据,K9玻璃是应用最广泛的光学材料之一。建立研磨K9玻璃表面粗糙度模型有利于提高加工效率、节约生产成本。简化固结磨料研磨过程,基于研磨垫表面微结构,计算研磨过程中参与研磨的有效磨粒数和单颗磨粒切入工件深度,利用研磨过程中受力平衡,建立固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度模型。采用不同磨粒粒径和不同磨料浓度的固结磨料研磨垫以及不同压力研磨K9玻璃验证表面粗糙度模型。结果表明：固结磨料研磨K9玻璃的表面粗糙度与磨粒粒径、研磨压力1/3次方成正比,与研磨垫浓度2/9次方成反比。表面粗糙度理论值与试验值随研磨压力、磨粒粒径和研磨垫浓度的变化趋势吻合。利用该模型能够成功预测固结磨料研磨K9玻璃表面粗糙度,指导研磨过程设计及加工过程中研磨垫和工艺参数的选择,可靠性高。     

光纤端面研磨加工机理研究

给出了研磨光纤时的材料去除机理,选用粒度为微米及亚微米级的金刚石磨料砂纸,在研磨压力为0.48Mpa时,在KE-OFP-12型光纤连接器研磨机上对光纤端面进行了研磨实验.结果表明:光纤研磨加工的材料去除存在脆性断裂、半脆性半延性、延性等3种模式.材料去除模式主要取决于磨料的平均粒度,磨料粒度为3μm时,为脆性断裂到延性研磨的临界转换点.并从理论上对结果进行了分析,光纤以延性模式研磨加工时,光纤表面粗糙度Ra可达到纳米级,其表面看不到任何划痕,而光纤以脆性断裂模式研磨加工时,其表面粗糙度只能达到亚微米级,证明材料以延性模式去除是提高光纤表面质量的有效方法.     

新型环保抛光液的制备及其对软脆碲锌镉晶片的化学机械抛光

针对软脆碲锌镉晶片的传统加工工艺“游离磨料-抛光-化学机械抛光”存在的缺点,提出“固结磨料研磨-新型绿色环保抛光液化学机械抛光”新方法。固结磨料研磨工艺为：采用3000号刚玉防水砂纸,压力为17kPa,抛光盘与抛光垫转速均为80r/min,研磨时间为5min。新型绿色环保抛光液含有双氧水和硅溶胶,采用天然桔子汁作为pH值调节剂。化学机械抛光工艺为:采用自行研制的化学机械抛光液,绒毛抛光垫,抛光压力为28kPa,抛光盘与抛光垫转速均为60r/min,抛光时间为30min。试验结果表明,经过上述加工可获得超光滑的表面,表面粗糙度算术平均值、均方根值、峰谷值分别可以达到0.568nm、0.724nm、6.061nm。     

超微粒金刚石和富勒烯研具创建超平滑表面的研究

制备了超微粒金刚石和富勒烯研磨工具,并分别进行了硅片研磨试验,详细分析了两种材料的研磨特性如表面粗糙度的稳定性、磨料粒度对研磨效果的影响以及研磨材料的显微结构等。试验结果表明,使用0~1/8μm粒度的金刚石研具获得的表面粗糙度值大于使用0~1/4μm粒度金刚石研具的表面粗糙度值,这是因为磨粒被粘结剂覆盖所致。研究结果表明,采用富勒烯研具研磨硅片可获得Ra5nm的超平滑镜面。     

硬脆性材料用柔性磨具研磨的加工表面粗糙度建模

通过分析磨粒与工件表面的作用过程,建立了硬脆性材料柔性磨具加工表面粗糙度的理论预测模型.以橡胶结合剂金刚石研磨盘为柔性磨具、蓝宝石衬底为工件,在不同弹性模量、磨粒浓度、磨粒粒度和研磨压力下开展研磨试验,将不同研磨条件下的表面粗糙度试验值与理论预测值进行比较,发现试验结果与理论模型预测结果的趋势一致,且预测误差为7.71...     

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.