微晶玻璃超精密磨削的表面/亚表面损伤及其材料去除机理研究

针对微晶玻璃超精密磨削加工不可避免的表面/亚表面损伤问题,通过微晶玻璃磨削试验研究500#、1 500#、2 000#和5 000#金刚石砂轮磨削微晶玻璃的表面形貌、表面/亚表面损伤特征及其材料去除机理,揭示微晶玻璃脆性域磨削和塑性域磨削的表面/亚表面损伤特征,提出依次采用500#金刚石砂轮粗磨和5 000#金刚石砂轮精磨的微晶玻璃高效低损伤磨削工艺。结果表明,500#和1 500#金刚石砂轮磨削表面的材料去除方式为脆性断裂去除,2 000#金刚石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,5 000#金刚石砂轮磨削表面的材料去除方式为塑性流动去除;脆性域磨削微晶玻璃的表面损伤形式为凹坑、微裂纹、深划痕,亚表面损伤形式为微裂纹;塑性域磨削微晶玻璃的表面损伤形式为微磨痕,亚表面损伤形式为靠近磨削表面的材料的塑性流动。     

石英玻璃的热辅助高效塑性域干磨削

为了提高大口径石英玻璃光学元件的加工效率,提出了热辅助塑性域超精密磨削石英玻璃的新方法。分析了石英玻璃的热辅助塑性域磨削机理,通过理论推导得出磨削深度对磨削区表面最高温升的影响规律。采用陶瓷结合剂立方氮化硼(CBN)砂轮对石英玻璃进行干磨削,利用磨削热改善磨削区石英玻璃的力学性能,实现了石英玻璃的高效塑性域磨削。通过磨削实验研究了不同磨削深度对石英玻璃表面粗糙度(Ra)和亚表面损伤深度的影响。实验结果表明,随着磨削深度的增加,Ra和亚表面损伤深度反而降低。当磨削深度为5μm,大于粗磨表面的裂纹深度时,获得了Ra值为0.07μm的光滑无裂纹的塑性域磨削表面。通过扫描电镜观察研究了砂轮的磨损机理,结果显示陶瓷结合剂CBN砂轮塑性域干磨削石英玻璃时,砂轮以磨耗磨损为主,该结果为研究新型的陶瓷结合剂CBN砂轮提供了依据。     

用于磨削6H-SiC晶片的陶瓷结合剂金刚石砂轮制备及磨削试验研究

使用自制的陶瓷结合剂金刚石砂轮磨削6H-SiC晶片,研究了6H-SiC晶片材料去除方式和砂轮的磨损机理。研究结果表明：6H-SiC晶片材料去除方式主要是脆性断裂,磨削后晶片的表面粗糙度为Ra0.108μm,且砂轮部分气孔被磨屑填充,金刚石磨粒有轻微的破碎与磨损现象。     

热压硫化锌的超精密磨削加工

针对用传统车削或研磨抛光方法加工大尺寸非球面热压硫化锌透镜存在的不足,采用金刚石砂轮磨削加工方法对热压硫化锌材料进行了加工实验。通过压痕、单颗粒金刚石刻划和磨削正交实验,研究了该方法在磨削加工过程中的塑性域去除机理及其亚表面损伤情况,并优化了超精密磨削加工工艺参数。压痕实验发现热压硫化锌材料在载荷作用下易于出现径向裂纹和微裂纹,其断裂韧性为2.643842MPa/m1/2,临界切削深度为1.808μm。单颗粒金刚石刻划实验结果表明,热压硫化锌材料在较小的切削深度下可以实现塑性域去除,但在机械去除过程中易出现多种形式的亚表层损伤。磨削实验结果表明,磨削深度是影响表面光洁度的主要因素,随着磨削深度的增大表面光洁度降低,最佳表面粗糙度为7.6nm。工作台进给速度是影响面形精度的主要因素,且平面磨削的面形精度PV值为0.185~0.395μm。研究结果表明,磨削加工热压硫化锌材料可以获得纳米级表面粗糙度。     

镁铝尖晶石的塑性域磨削

为了避免和减小镁铝尖晶石在研磨工艺中产生的亚表面损伤,研究了合理控制磨削参数,实现镁铝尖晶石塑性域磨削的方法。分析了镁铝尖晶石的脆塑转变机理,采用不同尺寸规格的金刚石砂轮磨粒和改变砂轮进给量等参数进行了大量实验,探索了镁铝尖晶石的塑性磨削条件及影响因素,实现了镁铝尖晶石的塑性域高精度磨削。采用VG401MKⅡ型超精密磨床和3000#金刚石砂轮,设定砂轮速度为20m/s,工件速度为0.3m/s,进给量为0.5~3μm/r进行了磨削实验。结果显示:当金刚石砂轮磨粒的平均尺寸小于8μm时可以实现镁铝尖晶石的塑性磨削,其表面粗糙度Ra可以达到2.291nm,透光率可提高17%。研究结果表明,砂轮的平均磨粒尺寸和砂轮进给量对镁铝尖晶石材料的表面加工质量影响很大,该结果为研究磨削高质量镁铝尖晶石表面提供了依据。     

单晶硅反射镜的超精密磨削工艺

为了实现单晶硅反射镜高效低损伤的超精密加工,研究了基于工件旋转法磨削原理的单晶硅反射镜超精密磨削工艺。通过形貌检测和成份测试的方法分析了该工艺采用的超细粒度金刚石砂轮的组织结构特征,并对单晶硅进行了超精密磨削试验,研究了超细粒度金刚石砂轮的磨削性能。通过砂轮主轴角度与工件面形之间的数学关系实现对磨削工件面形的控制。最后,采用超细粒度金刚石砂轮对Φ100mm×5mm的单晶硅反射镜进行了超精密磨削试验验证。试验结果表明,超细粒度金刚石砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra值小于10nm,亚表面损伤深度小于100nm,磨削后的单晶硅反射镜面形PV值从初始的8.1μm减小到1.5μm。由此说明采用该工艺磨削单晶硅反射镜能够高效地获得低损伤表面和高精度面形。     

微晶玻璃塑性域超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明 ,对于微晶玻璃等脆性材料 ,其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在 vs=12 0 0 m/ min、f=0～2 0 0μm/ rev、ap=0 .1～ 10μm条件下磨削时 ,只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于 2 0μm,才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面 ,其磨削后的表面粗糙度为 rms:8.0 2 1nm、Ra:6.2 0 0 nm。     

电镀金刚石砂轮高效精密修整及熔融石英磨削试验研究

大尺寸光学玻璃元件主要采用细磨粒金刚石砂轮进行精密/超精密磨削加工,但存在砂轮修整频繁、工件表面面形精度难以保证、加工效率低等缺点。采用大磨粒金刚石砂轮进行加工则具有磨削比大、工件面形精度高等优点,然而高效精密的修整是其实现精密磨削的关键技术。采用Cr12钢对电镀金刚石砂轮(磨粒粒径151 μm)进行粗修整,借助修整区域聚集的热量加快金刚石的磨损,可使砂轮的回转误差快速降至10 μm以内。结合在线电解修锐技术,采用杯形金刚石修整滚轮对粗修整后的电镀砂轮进行精修整,砂轮的回转误差可达6 μm以内,轴向梯度误差由6 μm降至2.5 μm。通过对修整前后的金刚石砂轮表面磨损形貌成像及其拉曼光谱曲线分析了修整的机理。对应于不同的砂轮修整阶段进行熔融石英光学玻璃磨削试验,结果表明,砂轮回转误差较大时,工件材料表面以脆性断裂去除为主;随着砂轮回转误差和轴向梯度误差的减小,工件表面材料以塑性去除为主,磨削表面粗糙度为Ra19.6 nm,亚表层损伤深度低至2 μm。可见,经过精密修整的大磨粒电镀金刚石砂轮可以实现对光学玻璃的精密磨削。     

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。     

细粒度金刚石砂轮超精密磨削硅片的表面质量

为实现硅片高质量表面的超精密磨削，研究了5000目、8000目和30 000目金刚石砂轮磨削硅片的表面质量。利用数学模型预测了硅片磨削表面的粗糙度Ra并对预测结果进行了试验验证，分析了硅片磨削表面的形貌特征；通过磨床主轴电机的电流变化对比分析了5000目、8000目和30 000目砂轮磨削过程中的磨削力变化趋势。研究结果表明：8000目砂轮磨削后的单晶硅表面粗糙度Ra小于10 nm,亚表面损伤深度小于150 nm,磨削过程中的磨削力稳定，磨削质量优于5000目砂轮，磨削过程的稳定性优于30 000目砂轮。     

C/SiC复合材料组织对磨削力与加工表面质量的影响

采用树脂结合剂金刚石砂轮对C/SiC复合材料与SiC陶瓷进行了平面磨削加工试验,通过对比两种材料的磨削力及磨削加工表面质量,分析了C/SiC复合材料组织与其磨削加工特性的 关系。研究结果表明,C/SiC复合材料中碳纤维及SiC基体皆以脆性断裂方式实现材料去除;与SiC陶瓷的加工表面(其表面粗糙度值Ra为0.2~0.3μm)相比,C/SiC复合材料磨削时由于碳纤维层状断裂、拔出及其与SiC非同步去除现象导致其加工表面粗糙度值较高, Ra为0.8~1.0μm;C/SiC复合材料磨削力较小,是相同工艺参数下SiC陶瓷材料磨削力的35%~76%。     

微晶玻璃塑性超精密磨削加工的研究

本文对微晶玻璃脆性材料的超精密磨削加工作了大量的实验研究。研究结果表明，对于微晶玻璃等脆性材料，其表面粗糙度主要与砂轮的平均磨粒尺寸、砂轮速度、进给量及磨削深度等因素有关。当采用超精密磨床并在vs=1200m/min、f=0～200um/rev、ap=0.1～10um条件下磨削时，只有当金刚石砂轮的平均磨粒尺寸低于20um，才能在塑性磨削模式下加工出高质量的光滑表面，其磨削后的表现粗糙度为rms;8.021nm、Ra:6.200nm。     

基于放电修锐的粗金刚石砂轮干式镜面磨削技术

为解决超硬金刚石砂轮修锐效率较低以及环境友好性等问题，采用干式接触放电修锐(ECD)技术对粗金刚石砂轮进行修锐，获得较高的磨粒出刃，可以实现硬质合金和模具钢等高强高硬材料的高效精密镜面磨削加工。对46#金属结合剂粗金刚石砂轮进行机械修锐和干式ECD修锐，再利用修锐后的粗金刚石砂轮对硬质合金和模具钢进行干式轴向磨削加工，对比分析两种修锐条件下磨削工艺参数对硬质合金干磨削力、磨削表面粗糙度和磨削力比的影响。实验结果表明：硬质合金的干式轴向磨削力及其表面粗糙度随砂轮速度的增大而减小，随进给速度和切削深度的增大而增大；与机械修锐相比，干式ECD修锐能够获得更高的磨粒出刃和更好的表面质量，以及更小的磨削力和磨削力比；硬质合金和模具钢的干磨削表面粗糙度Ra分别可达0.058μm和0.022μm。     

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。     

超音速火焰喷涂WC-17Co涂层的高速磨削机理试验研究

针对超音速火焰喷涂WC-17Co高硬涂层的加工难题,对WC-17Co涂层进行了高速/超高速磨削试验。通过考察不同金刚石砂轮和磨削工艺参数对磨削力、磨削温度和表面残余应力、表面/亚表面微观形貌和表面粗糙度的影响,讨论了最大未变形切屑厚度与比磨削能的内在关系,分析了磨削温度对表面残余应力的作用规律,探讨了法向磨削力对涂层亚表面损伤的作用规律。结果表明：WC-17Co涂层磨削去除是脆性和延性去除并存;提高砂轮线速度将使磨削力先快速减小后缓慢增大,磨削温度持续升高,涂层磨削从脆性去除转为延性去除的趋势也逐渐增强,表面残余应力由压应力逐渐转变为拉应力,而磨削高温引起涂层热塑性变形是表面残余应力状态转变的根本原因。涂层亚表面磨削损伤层平均深度随法向磨削力的增大而变大。提高砂轮线速度、降低工作台速度和减小磨削深度均能增大涂层磨削塑性去除的比例。     

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.     

金属陶瓷材料高速超高速磨削性能试验研究

通过考察工艺参数(砂轮线速度、工作台速度和磨削深度)对磨削力、表面粗糙度及工件表面微观形貌的影响及最大未变形切屑厚度与比磨削能的关系,探讨了金属陶瓷材料的高速超高速磨削性能,即提高砂轮线速度,可使磨削力、表面粗糙度值大幅减小,材料塑性去除趋势增强;提高磨削深度和工作台速度将使磨削力和表面粗糙度值变大,材料脆性断裂去除趋势增强;提高砂轮线速度,可使最大未变形切屑厚度减小,比磨削能增大;提高磨削深度和工作台速度将使最大未变形切屑厚度变大,比磨削能减小。试验结果表明高速超高速磨削技术能够降低金属陶瓷材料出现崩边和裂纹现象的几率,并实现高效精密加工。     

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...     

2.5D Cf/SiC刹车材料浮动磨削工艺试验研究

为研究2.5D C_f/SiC刹车材料的浮动磨削加工性能,设计单因素试验探究了砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度对磨削力、表面粗糙度和表面形貌的影响规律,分析了磨削表面典型加工缺陷及材料去除机理。结果表明：砂轮转速、工作台调定压力和磨削深度对法向磨削力影响显著,对切向磨削力影响不大;工作台调定压力对表面粗糙度的影响程度最大。2.5D C_f/SiC刹车材料以脆性断裂去除方式为主,不同纤维方向上的加工缺陷形式存在差异,其主要加工缺陷为界面脱粘、微裂纹、基体破碎、纤维剥离及破碎。试验通过单因素方法分析得到了较好的表面质量,表面粗糙度Sa可达0.6μm左右。     

磨削速度对碳化硅陶瓷磨削损伤影响机制研究

碳化硅陶瓷高速磨削过程中,磨粒对工件材料强力冲击,应变率剧增、复杂显微结构对应力波传送响应转变,材料力学行为发生变化,目前高速磨削对材料去除机制影响的物理本质认识还不清楚。为此,开展磨削速度对SiC陶瓷磨削裂纹损伤影响机制研究。通过单颗磨粒磨削SiC陶瓷试验,分析了磨削速度对SiC陶瓷磨削表面形貌、磨削亚表面裂纹损伤深度、磨削力和磨削比能的影响规律。试验结果表明,当SiC陶瓷材料以脆性方式去除时,磨削速度对裂纹损伤影响最为显著,随着磨削速度从20 m/s增加到160 m/s,磨削亚表面裂纹损伤深度从12.1μm快速降低到6μm。采用Voronoi法建立了金刚石磨削多晶SiC陶瓷有限元仿真模型,当磨粒切厚为0.3μm,磨削亚表面损伤以微裂纹为主;当磨粒切厚为1μm时,随着磨削速度增加,磨削亚表面裂纹损伤深度从14.7μm降低到4.6μm,磨削亚表面宏观沿晶裂纹逐渐变为微观裂纹。基于位错理论和冲击动力学理论,揭示了高速磨削过程中位错密度的增加和晶界反射应力波对应力场削弱作用是高速磨削SiC陶瓷裂纹损伤“趋肤效应”产生的机理。