机床导轨磨削表面划痕问题的分析与研究

导轨是机床的重要部件之一。为提高导轨的精度、耐磨性及动态性能,导轨通常需要进行硬化处理和磨削加工。磨削加工时,高速旋转的砂轮去除工件表面材料的同时会造成砂轮砂粒脱落,而脱落的砂粒夹在砂轮和工件间会造成磨削表面出现划痕。基于此,从砂轮、磨削液以及磨削工艺参数等方面进行综合论述及分析,阐述机床导轨磨削表面划痕问题产生的原因,并提出了改进方案。     

化学机械磨削技术研究现状与展望

化学机械磨削能通过化学机械协同过程实现单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超精密高质低损加工,被广泛应用于半导体以及光学等领域器件的平坦化加工。在综述化学机械磨削技术材料去除机理、磨削工艺以及复合加工工艺等方面研究现状的基础上,对上述研究现阶段存在的问题进行了分析讨论。分析表明,从固固相化学反应机制和化学机械协同效应角度揭示化学机械磨削机理,有助于从材料去除机理、磨具结构设计以及复合加工工艺开发等角度创新得到提高该技术加工效率的可行性方法。最后,对化学机械磨削技术在多样化加工对象、较复杂结构加工、多能场复合加工工艺以及智能数据库开发等方向的发展进行了展望。     

湿式机械化学磨削单晶硅的软磨料砂轮及其磨削性能

针对干式机械化学磨削(Mechanical chemical grinding, MCG)单晶硅过程中易产生磨削烧伤、粉尘多、加工环境差等问题,研制一种可用于湿式MCG单晶硅的新型软磨料砂轮,并对砂轮的磨削性能及其磨削单晶硅的材料去除机理进行研究。根据湿式机械化学磨削单晶硅的加工原理和要求,制备出以二氧化硅为磨料、改性耐水树脂为结合剂的新型软磨料砂轮。采用研制的软磨料砂轮对单晶硅进行磨削试验,通过检测加工硅片的表面/亚表面质量对湿式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行分析,并与传统金刚石砂轮、干式MCG软磨料砂轮的磨削性能进行对比。采用X射线光电子能谱仪对磨削前后硅片的表面成分进行检测,分析湿式MCG加工硅片过程中发生的化学反应。结果表明,采用湿式MCG软磨料砂轮加工硅片的表面粗糙度Ra值为0.98 nm,亚表面损伤层深度为15 nm,湿式MCG软磨料砂轮磨削硅片的表面/亚表面质量远优于传统金刚石砂轮,达到干式MCG软磨料砂轮的加工效果,可实现湿磨工况下硅片的低损伤磨削加工。在湿式MCG过程中,单晶硅、二氧化硅磨粒与水发生了化学反应,在硅片表面生成易于去除的硅酸化合物,硅酸化合物进一步通过砂...     

石英玻璃超精密磨削加工的表面完整性研究

为了实现石英玻璃的高效低损伤超精密磨削加工,研究不同粒度金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面和亚表面质量,建立表面粗糙度与亚表面损伤深度之间的关系模型。通过石英玻璃磨削试验研究400#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削石英玻璃的表面微观形貌、表面粗糙度及其亚表面损伤深度,分析相应的材料去除方式;基于压痕断裂力学理论分析脆性域磨削石英玻璃时工件表面微观形貌和亚表面微裂纹的形成机理,建立表面粗糙度PV值和亚表面损伤深度SSD之间的定量关系。研究结果表明:随着砂轮粒度的减小,石英玻璃磨削表面的凹坑、微裂纹、深划痕等缺陷逐渐减少,表面粗糙度Ra和PV以及亚表面损伤深度SSD均随之明显减小,从400#砂轮磨削表面的R_a 274.0 nm、PV 5.35μm和SSD 5.73μm降低至5 000#砂轮磨削表面的Ra 1.4 nm、PV 0.02μm和SSD 0.004μm。500#和1 500#砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#砂轮磨削表面的材料去除方式同时包括脆性断裂去除和塑性流动去除,但以塑性流动去除为主,5 000#砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削石英玻璃的表面粗糙度PV与亚表面损伤深度SSD之间满足SSD=(0.627～1.356) PV~(4/3)的数学关系。     

石英玻璃的单颗磨粒划擦应力场解析模型及损伤可控磨削机理研究

构建了单颗磨粒划擦各向同性硬脆材料的弹性应力场解析模型,并以此为基础提出单颗磨粒划擦各向同性硬脆材料表面的裂纹失稳扩展临界函数,临界函数包含原始表面应变速率、磨削液等因素对裂纹扩展造成的影响。将石英玻璃作为研究对象,深入分析了表面微裂纹损伤的可控磨削机理。在进行石英玻璃的磨削试验中,材料的磨削机理随单颗磨粒磨削深度的增加而变化,依次是塑性域去除、低载半脆性域去除、全脆性域去除和高载半脆性域去除。在1 mm/min的工件进给速度下,可以对石英玻璃进行塑性域磨削,从而获得无裂纹损伤的光滑磨削表面,然而其磨削效率较低,在实际生产中不能发挥理想的作用。对石英玻璃开展全脆性域磨削时,材料去除率较高、加工表面表面质量好、微裂纹损伤深度较小,砂轮自锐性良好,是一种优良的精密磨削工艺。     

磨削液对陶瓷结合剂CBN砂轮磨削性能影响

分析了磨削液对陶瓷结合剂CBN砂轮磨削性能的影响，使用3种磨削液在精密外圆磨床M1420E上进行了磨削加工实验，用加工表面微观形貌、表面粗糙度R。值、工件表面残余应力以及砂轮径向磨损量对磨削液效能进行评价。结果表明，轻质润滑油不仅能提高工件表面质量，降低表面粗糙度值，而且砂轮磨损量明显降低，乳化液和化学合成液对磨削性能的影响各有利弊，润滑油是陶瓷结合剂CBN砂轮磨削的优选磨削液。     

双回转球形顶尖在普通外圆磨床上的应用

磨削加工对零件形状精度和表面加工质量起着重要作用.在传统磨削过程中,砂轮尺寸、砂轮材质和粒度等砂轮特性参数,工件材质,中心孔研磨质量及磨削用量、砂轮转速、工件转速等磨削参数直接影响零件的形状精度和表面加工质量.实践证明,合理利用砂轮的特性参数、磨削参数及高质量的顶尖孔等参数,通过工艺手段可以得到很好的形状精度和表面加工质量.但传统的外圆磨削加工手段还是适应不了制造技术的飞速发展和节能高效的发展要求,为此我们对外圆磨削加工工艺进行了改进,提出了双回转球形顶尖磨削法替代固定锥形顶尖工艺改进方案.     

砂轮磨削振动对工件表面形貌特征的影响研究

砂轮振动将会使得光学元件表面产生周期性波动,从而降低后续抛光工序的加工效率,增加光学元件表面的中频误差成分,影响光学元件的使用性能。本文针对平行磨削方式,研究了砂轮周期性强迫振动下的工件表面形貌特征,分析了砂轮与工件表面的干涉现象,以及加工参数对加工表面波纹度特征的影响。研究结果表明:加工参数满足一定的条件下,工件表面振纹小于砂轮本身振动振幅,通过合理选择加工参数有利于改善工件表面波纹度,提高加工表面质量。     

石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究

<正>本文针对目前石英玻璃光学元件加工效率低,塑性域磨削难以实现的问题,研究了石英玻璃的高效可控精密磨削机理。从材料的力学响应机理及磨粒与工件接触区的应力状态入手,研究了石英玻璃磨削过程中的材料去除机理。建立了单颗磨粒划擦石英玻璃的弹性应力场解析模型。建立了磨削过程中单颗磨粒划擦原始损伤石英玻璃表面的裂纹失稳扩展临界函数,研究了石英玻璃表面微裂纹损伤的可控磨削机理。提出了石英玻璃的低裂纹损伤全脆性域磨削和高效可控塑性域干磨削工艺。     

硅片低损伤磨削砂轮及其磨削性能

针对传统金刚石砂轮磨削硅片存在的表面/亚表面损伤问题,研制了一种用于硅片化学机械磨削加工的新型常温固化结合剂软磨料砂轮。根据化学机械磨削加工原理和单晶硅的材料特性,设计的软磨料砂轮以氧化铈为磨料,二氧化硅为添加剂,氯氧镁为结合剂。研究了软磨料砂轮的制备工艺,分析了软磨料砂轮的微观组织结构和成分。通过测量加工硅片的表面粗糙度、表面微观形貌和表面/亚表面损伤,进一步研究了软磨料砂轮的磨削性能。最后,与同粒度金刚石砂轮磨削和化学机械抛光(CMP)加工的硅片进行了对比分析。结果表明,采用软磨料砂轮磨削的硅片其表面粗糙度Ra1nm,亚表面损伤仅为深度30nm的非晶层,远好于金刚石砂轮磨削硅片,接近于CMP的加工水平,实现了硅片的低损伤磨削加工。     

Research on chemo-mechanical grinding of large size quartz glass substrate

Finishing process of quartz glass substrate is meeting great challenges to fulfill the requirements of photomask for photolithography applications. For the final finishing of the substrate surface, chemical mechanical polishing (CMP) is often utilized. Those free abrasive processes are able to offer a great surface roughness, but sacrifice profile accuracy. On the other hand, the fixed abrasive process or grinding is known as a promising solution to improve accuracy of profile geometry, but always introduces damaged layer. Chemo-mechanical grinding (CMG) is potentially emerging defect-free machining process which combines the advantages of fixed abrasive machining and CMP. In order to simultaneously achieve high surface quality and high profile accuracy, CMG process has been applied into machining of large size quartz glass substrates for photomask use. Reported in this paper are CMG performances in finishing of quartz glass substrates including material removal rate (MRR), surface roughness, flatness and optical characteristics.     

氮化硅陶瓷镶块低粗糙度磨削的研究

提出氧化铝砂轮磨削陶瓷表面的加工过程是砂轮磨粒与工件表面凸峰的碰撞－碰撞与摩擦共同作用－摩擦抛光。对砂轮速度，工件转速、砂轮横向进给量、光磨次数，陶瓷材料硬度以及切削液等因素对表明粗糙度的影响进行了分析，表明氧化铝砂轮通过挤压和磨削抛光作用使陶瓷工件表面的粗糙度得到显著改善，实现了在普通磨床上对陶瓷材料的高质量加工。     

Experimental study of time-dependent performance in superalloy high-speed grinding with cBN wheels

The time-dependent performance of grinding is expressed as the change of process output measures as a function of time during grinding. Although the wheel capability will be restored by dressing, the time-dependent performance of grinding during one dressing skip is the determinant on the grinding quality variation in terms of surface integrity and workpiece geometric accuracy. Therefore, understanding of grinding time-dependent performance in relation with the wheel–workpiece microscopic interaction is critical for wheel and process development to achieve stable grinding processes. In this article, the grinding of superalloy with cubic boron nitride (cBN) grinding wheels is performed. The time-dependent performance is recorded to represent the characteristic features, and the microscopic wheel topography is measured under scanning electron microscope (SEM) throughout the grinding process, so as to reveal the root cause for the time-dependent performance and its impact on the workpiece quality variation. The experiment results indicate that during the grinding process, there exist three characteristic stages, namely, initial wheel wear stage, severe wheel wear stage, and wheel resharpening stage. Moreover, the change trend of spindle power consumption, workpiece quality on surface hardness and roughness, wheel wear condition, and G ratio are consistent with the wheel topography evolution reflected by SEM photos, which can be used to present the three grinding stages. The wear and replacement of the efficient grain cutting edges result in the time-dependent performance during superalloy high-speed grinding with cBN wheels.     

曲面圆弧包络磨削表面粗糙度特性研究

对曲面磨削表面粗糙度成型原理进行了分析,得出曲面磨削时其表面粗糙度由磨粒划痕和砂轮两步距间的残留高度构成。探讨了其分布均匀性的原理,揭示了各参数对其均匀性的影响。通过砂轮进给速度的变速控制,可以降低约60%的表面粗糙度波动率。根据理论分析可知,在加工凹曲面时,其理论残留高度值约为凸曲面的两倍。实际加工时,采用较小的砂轮进给步距或砂轮圆弧半径可达到凸曲面的表面粗糙度效果。     

Development of binder-free CMG abrasive pellet and finishing performance on mono-crystal sapphire

Chemo-mechanical-grinding (CMG) is a fixed abrasive process by integrating chemical reaction and mechanical grinding for sapphire wafer finishing, and shows advantages in surface integrity, geometric controllability and waste disposal. However, the material removal rate (MRR) obtained by the traditional CMG wheel is not high enough to meet the requirement from the mass production of sapphire wafers. As a potential solution, a new CMG wheel with extremely high abrasive concentration has been proposed. This paper targets on developing of binder-free abrasive pellets (BAP) with 100 wt% abrasive as well as investigating the performance of BAP in sapphire wafer finishing. The results of CMG experiment reveal that the MRR and surface roughness (Ra) of sapphire wafer finished by BAP constructed CMG wheel are able to reach 1.311 μm/h and 0.993 nm respectively. The characterization by Raman microscope indicates that the finished sapphire wafer also owns excellent subsurface integrity.     

瓷质玻化砖磨削机理研究

通过单颗粒金刚石磨削和砂轮磨削抛光实验,观察玻化砖磨削表面的微观形貌,分相磨削加工表面形成机理及影响因素。瓷质玻化砖磨削表面是由莫来石、玻璃相和残留石英的塑性变形和脆性断裂形成的;玻化砖的晶相组成和加工工艺加工表面光泽度和粗糙度;玻化砖烧成、冷却和磨削温度产生的石英晶型转变,以及粗加工产生的残余裂纹,是导致磨削工件破裂的重要原因。     

外圆磨削砂轮形貌仿真与工件表面粗糙度预测

对磨削砂轮形貌、外圆磨削过程及工件表面形貌进行了仿真,实现了对工件表面粗糙度的预测,并对仿真模型进行了验证。采用Johnson变换和Gabor小波变换,实现了高斯域和非高斯域的转化,在随机域内对磨削砂轮形貌进行了仿真。根据外圆磨削运动过程,通过对砂轮和工件相互作用过程的分析,建立了磨粒运动轨迹方程和工件形貌方程,在考虑磨粒切削、耕犁与摩擦作用的条件下,对外圆磨削过程进行了仿真。建立了外圆磨削模型,实现了对加工工件形貌的仿真和粗糙度预测。