碳化硅零件氧化辅助抛光超精密加工的研究现状

通过等离子体氧化、热氧化、电化学氧化在碳化硅基材上获得软质氧化层,利用软磨粒抛光实现氧化物的快速去除,有利于提高材料去除效率、提升加工表面质量。研究发现,通过等离子体氧化辅助抛光,表面粗糙度RMS和Ra分别达到0.626nm和0.480nm;通过热氧化辅助抛光,表面粗糙度RMS和Ra分别达到0.920nm和0.726nm;在电化学氧化中,基于Deal-Grove模型计算得到的氧化速度为5.3nm/s,电化学氧化辅助抛光后的表面粗糙度RMS和Ra分别是4.428nm和3.453nm。氧化辅助抛光有助于烧结碳化硅加工工艺水平的提升,促进碳化硅零件在光学、陶瓷等领域的应用。     

医用钛合金海尔贝克磁场阵列化学磁流变抛光研究

为了提高医用钛合金（TC4）抛光中的精度以及效率,采用基于海尔贝克磁场阵列的化学磁流变抛光方法加工医用钛合金. 利用海尔贝克磁场阵列强化磁场强度,将过氧化氢溶液作为氧化剂来进行抛光加工. 通过仿真模拟对比海尔贝克磁场阵列与常规N-S磁场阵列,改变羰基铁粉的活性来验证实验可行性,研究了加工间隙、主轴转速以及磨粒粒径对工件表面粗糙度以及接触角的影响规律. 结果表明,海尔贝克磁场阵列比常规N-S磁场阵列有更高的磁场强度;采用本文方法抛光的医用钛合金表面粗糙度比单一纯磁流变抛光降低80%;当加工间隙为0.8 mm,主轴转速为400 rad/min,磨粒粒径为1 μm时,可使工件表面达到光滑效果,表面粗糙度最优可达15.5 nm,同时测量出实验组钛合金表面接触角数值多数小于90°. 应用该方法抛光医用钛合金可以得到超光滑表面,表面具有亲水性,符合医用钛合金标准.     

磁流变抛光头形状对加工表面粗糙度的影响

设计了4种不同形状的抛光头,并使用自制的磁流变抛光液体在三轴数控铣床上对K9平面玻璃进行了磁流变抛光工艺试验.分析了在不同的磁场强度、磁极转速,加工间隙等多种情况下抛光头形状对加工表面粗糙度的影响.试验结果表明:槽型平面抛光头的抛光效果最好;同等条件下,在抛光头上开槽能有效地提高加工效率和加工质量.     

光学元件磁性复合流体抛光特性研究

采用磁性复合流体(MCF)对BK7玻璃进行定点抛光实验,对抛光斑进行三维模型重构,并对磁场空间分布进行仿真与实验分析,阐明抛光材料去除机理,确定材料去除率、表面粗糙度及硬度随抛光时间的变化规律,建立了材料去除量与磁通密度的关系曲线。实验结果表明:抛光形成的抛光斑表面轮廓为蝶形,其沿抛光轮轴向的截面轮廓呈"W"形;材料去除量与磁场强弱及抛光时间密切相关,抛光深度去除率最高可达553 nm/min;表面粗糙度随抛光时间的增加先上升后下降,MCF抛光可获得表面粗糙度Ra6 nm的光滑表面,且粗糙度与硬度呈现一定的正相关关系。     

剪切增稠抛光加工Si_3N_4陶瓷的试验研究

基于剪切增稠抛光(STP)的加工原理分析Si3N4陶瓷超精密加工的控制策略,考察所制备的含有立方氮化硼(CBN)磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为,分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态,研究其抛光特性.结果表明:抛光液具有可逆的剪切增稠与稀化效应,可达到STP加工工艺用抛光液的要求;改变磨粒粒径,可以控制Si3N4加工效率与表面质量,且材料去除量和表面粗糙度的理论值能够反映试验值的变化;STP加工Si3N4为持续微切削的"柔性抛光",初期为脆性剪切、粘着磨损去除,后期为塑性去除;当磨粒粒径达到纳米级时,表层应力状态由初始残余拉应力变为压应力,说明STP不仅能高效去除原有表面损伤层而且新引入的损伤小;随着抛光时间的延长,去除量先快速增大而后趋缓;抛光90 min后,去除率由初期的5.00~2.40μm/h降至3.24~2.04μm/h,表面粗糙度Ra由108.9~111.1nm降至22.0~10.7nm;抛光150min后,Ra可降至9.6~7.2 nm,实现了Si3N4陶瓷粗抛后的精密抛光.     

TC4钛合金磁流变抛光的磁感应强度分布及参数

使用磁流变抛光技术对钛合金进行抛光,为了获得更好的表面质量,分别对磁感应强度分布、磁流变液和抛光参数进行了研究。首先,优化了加工区域的磁感应强度分布,通过在加工区域添加两块铁板,磁感应强度分布变得均匀,从而提高抛光后钛合金工件的表面质量。其次,分析了磁流变液的组成,即基液、磨粒类型以及磁性粒子和磨粒的质量占比对工件表面粗糙度的影响。随后,研究了四个基本抛光参数,即磨粒目数、工件转速、磁感应强度和抛光时间,找出这些参数对表面质量的影响规律。采用响应面法获得了工件表面粗糙度变化率的模型,并进行了方差分析以检查模型的显著性。最后,找出最优的抛光参数并对其进行了实验验证。     

电极形状对介电泳抛光影响的仿真研究

为了解决平面抛光加工中提高精度和效率的难题,根据中性微粒在非均匀电场中可以产生介电泳效应,提出了一种可以提高抛光均匀性和效率的介电泳抛光方法.讨论了介电泳理论及抛光原理,运用COMSOL软件仿真分析了不同电极的电场线分布.仿真结果表明:圆环70~90mm电极形状的电场线分布最不均匀.进行了相应电极的加工试验,试验结果表明:使用圆环70~90mm电极时材料去除率最大,达到0.573mg/min,相比传统CMP提升了19.9%.使用圆Φ60mm电极形状,工件材料去除最均匀、抛光效率最高,2.5h可以将Φ76.2mm硅片全部抛亮,比传统CMP提高了3.6倍,且最终表面粗糙度为0.97nm.在实际加工中,圆Φ60mm电极形状最适合Φ76.2mm硅片的介电泳抛光.     

软质印章石抛光工艺

为了提升软质印章石的加工质量,在不同型号砂纸和溶胶-凝胶(SG)抛光膜上磨抛巴林石、高山石、芙蓉石3种印章石,探讨研磨盘和载物盘的转动方向、转速,加工压力,加工时间等工艺参数及工艺路线,并确定每道工序的最大光泽度值,以及印章石表面形貌和粗糙度之间的关系.结果表明:最终优化工艺的研磨盘、载物盘分别以300,120 r·min^-1同向转动,加工压力为15 MPa;最佳工艺路线是通过在400#砂纸半精磨、在2 000#砂纸的精磨和在SG抛光膜上抛光,使印章石表面光泽度达到50以上,粗糙度在100 nm左右,表面形貌在放大100倍时无明显划痕.     

硬质合金麻花钻的剪切增稠抛光试验研究

针对硬质合金钻削刀具曲面加工效率低的问题,提出了用剪切增稠抛光（Shear Thickening Polishing, STP）方法实现硬质合金钻削刀具的复杂双螺旋曲面的低成本、高效率整体高质量抛光加工. 配制具备剪切增稠特性的非牛顿抛光流体,使用MCR302旋转流变仪测试其流变特性. 基于剪切增稠抛光液的流变特性,对硬质合金麻花钻的刃背、刃带和螺旋槽曲面进行整体抛光. 采用控制变量法分析抛光槽转速和工件转速对硬质合金麻花钻表面粗糙度与材料去除率的影响规律. 试验结果表明,加工后的麻花钻整体表面粗糙度随抛光槽转速的增大先减小再增大,在抛光槽转速为90 r/min时,加工效果最好. 随着工件转速的增加,其整体表面粗糙度先减小后基本不变或略有增加,在工件转速为3 500 r/min时,加工效果最好. 麻花钻材料去除率与抛光槽转速及工件转速呈正相关. 在较优加工参数抛光槽转速90 r/min、工件转速3 500 r/min下,麻花钻经STP 60 min后,其刃背、刃带和螺旋槽表面粗糙度分别从原始的310 nm、450 nm、270 nm降低至10 nm、243 nm、15 nm,刃背和螺旋槽磨削痕迹几乎消失,螺旋槽刃口处缺陷明显减少.     

小口径非球面碳化钨模具的磁场辅助抛光工艺

小口径非球面光学透镜具有优良的光学性能和广阔的应用前景，但其常用的碳化钨模具由于高硬度的材料特性，加工和抛光难度较大.为获得高质量、高精度的小口径非球面透镜，利用磁场辅助的抛光方式对其碳化钨模具进行加工：首先，通过一系列单因素试验选出合适的金刚石微粉粒度和抛光液成分配比，再采用正交试验探究多种工艺参数对抛光效果的影响规律，确定最佳工艺参数组合.结果表明，使用该组工艺参数抛光可以使检测点的粗糙度由10.3 nm降至3.2 nm,刀纹痕迹明显变浅甚至消失.因此，磁场辅助的抛光方式能够有效改善模具表面的波纹度和粗糙度，对于小口径非球面光学元件的加工具有一定的参考意义.     

基于机器人技术控制大口径光学表面中频误差的方法

在分析中频误差形成原因的基础上,按照人工均匀修抛的工艺,提出了基于机器人技术控制大口径光学表面中频误差的方法,建立了机器人抛光的数学模型,研制了机器人加工工具。利用机器人对大口径光学表面进行了抛光实验,实验结果表明功率谱密度(power spectral density,PSD)明显减小,在0.2 mm-1处的值由24.15 nm2·mm降到2.61 nm2·mm,说明机器人抛光方法行之有效。     

超声振动辅助抛光BK7过程中聚氨酯抛光垫磨损行为

抛光光学玻璃等硬脆材料时常选用聚氨酯抛光垫,其微观形貌和磨损直接影响抛光精度和效率.本文对不同抛光时长下聚氨酯抛光垫微观形貌和磨损行为及其对材料去除率和表面粗糙度的影响进行了实验研究.结果表明：当主轴转速为8 000 r/min,进给速度为0.015 0 mm/s,轴向超声振幅为5μm时,材料去除率和表面粗糙度分别为0.977μm/min和153.67 nm.聚氨酯抛光垫在30 min内磨损量较小,随着抛光时长的增加,抛光垫表面孔隙逐渐被磨粒和玻璃碎屑填充,破坏抛光垫表面的疏松多孔结构,导致抛光垫表面硬化,失去弹性.同时,侵入抛光垫表面的磨粒会阻止抛光接触区域内的磨粒更新,导致抛光质量降低.     

磁流变抛光工具及其去除函数

在确定性抛光过程中,去除函数对于工件表面精度的提高具有非常重要的作用。该文提出了一种磁流变抛光工具,在机床加工范围内能够加工任意形状、任意尺寸的工件。分别求出了抛光区域内压力的两个组成部分,磁化压力和流体动压力的数学表达式。根据Preston经验公式,得到了磁流变抛光的理论去除函数模型。最后通过实验得到了这种抛光工具的去除函数,验证了理论去除函数的合理性,满足使工件面形误差收敛的必要条件。精确获得去除函数是实现数控磁流变抛光的前提。     

论磨石、毛刷组合对硅晶体表面处理的影响

抛光工序作为晶体硅太阳能行业重要的一个工序,将硅锭经过钢线摩擦切割成硅块后,硅块表面变得粗糙不平,必须经过表面抛光才能进行硅片的切割。硅块表面的抛光直接影响硅片切割的质量。硅块在抛光过程中的磨石1有粗砂轮、细砂轮、金刚砂砂轮、毛刷2四种抛光材质。该文对四种材质磨石分别比较。首先对比粗砂轮、金刚石砂轮在处理硅块表面的＂鼓肚＂和大锯痕切割现象的差异,确定哪种材质效果更好;再使用此种材质砂轮分别配合细砂轮和毛刷精抛,通过抛光后粗糙度对比确定哪种材质精抛效果好。     

陶瓷材料的加工变质层结构及相变

利用透射电镜和Ｘ射线衍射仪对氧化锆、赛龙陶瓷的变质层结构和加工表面的相变等作了较深入的探讨，研究表明在磨削后采用研磨和抛光工艺可减少表面残余应力、加工变质层和相变，降低表面粗糙度，改善已加工表面的质量。     

超声表面滚压加工参数对40Cr表面粗糙度的影响

研究了超声表面滚压加工各种加工参数对供货态40Cr轴表面粗糙度的影响。采用表面粗糙度分析仪对初始及加工表面进行测定,并使用显微硬度计测量该技术对40Cr表层沿深度方向的硬化作用。试验结果表明：超声表面滚压加工技术能显著降低车削的加工痕迹,改善金属材料的表面质量;各工艺参数对试样表面粗糙度均有一定影响,并产生不同程度的表层硬化作用;并且给出了各工艺参数的合理范围,试样的表面粗糙度值可降低至0.2μm以下。     

小振幅兆声对硅片化学机械抛光效果的影响

为了改善硅片化学机械抛光效果,提高硅片表面质量,一小振幅兆声振子引入化学机械抛光系统,通过对比表面粗糙度大小和分布,发现该振子对改善硅片化学机械抛光效果有明显促进作用。测试表明:振子频率为1.7 MHz,中心最大振幅约为70 nm;硅片表面振动频率为1.7 MHz,中心最大振幅小于10 nm;该振子独立抛光时,未发现硅片表面粗糙度明显降低,但它能引起抛光液微流动,使储存在抛光垫窠室中更多的抛光液进入接触区参与抛光。无振动抛光时,硅片中心区域抛光液供给不足,造成该区抛光效果较差;兆声致微流动能有效缓解这种不足,改善硅片中心区域抛光效果,不仅如此,它还能有效降低其他区域的表面粗糙度。与无振动抛光的硅片相比,经过兆声辅助抛光的硅片,表面粗糙度更小,分布更均匀。     

氮化铝基板抛光工艺的正交实验研究

为解决氮化铝基板抛光工艺的问题,采用正交实验方法系统研究了抛光工艺参数、抛光液平均粒度、抛光液PH值、抛光盘转速、抛光头压力对氮化铝基板微表面粗糙度的影响规律。通过确定较佳的工艺参数,能够批量化生产出满足Al N薄膜材料的抛光基板,成品率达90%。正交实验表明,各因素对氮化铝基板微表面粗糙度的影响因素由大至小顺序为:抛光液平均粒度、抛光液PH值、抛光盘转速、抛光头压力;探索出批量化生产氮化铝抛光基板抛光工艺条件是:抛光液平均粒度为75nm、抛光液PH值为11、抛光盘转速为40RPM、抛光头压力为0.55MPa。     

蓝宝石衬底铜抛-CMP加工技术

针对蓝宝石衬底超精密加工存在的抛光表面不稳定问题,对蓝宝石衬底铜抛-化学机械抛光(CMP)加工技术进行研究,系统探讨铜抛与CMP的抛光压力、转速和抛光时间对蓝宝石衬底表面质量及加工效率的影响.综合评价各表面质量指标,结果表明:在满足表面质量对抛光工艺要求的前提下,采用铜抛的最佳工艺参数为铜抛压力98.0 kPa,转速55 r·min^-1,铜抛时间30 min;化学机械抛光的最佳工艺参数为抛光压力215.6 kPa,转速60 r·min^-1,抛光时间120 min,由此可获得高质量、无损伤的蓝宝石衬底抛光表面.     

卧式振动式滚磨光整加工非自由状态工件的试验研究

通过在卧式振动式滚磨光整加工X-Z平面上不同位置处进行工件加工试验和工件受力测试,从作用力的角度探究振动式滚磨光整加工机理,以指导实际加工和生产。改变工件加工位置发现,工件埋入滚抛磨块深度相同时,水平方向上各位置处工件的表面粗糙度归一化值R_a~*下降速率和平均作用力均较为接近;而表面粗糙度下降速率和平均作用力受埋入深度的影响非常显著。工件位于滚抛磨块流表层时,R_a~*下降速率最高且工件所受平均作用力最大;工件位于滚抛磨块流中央位置时,R_a~*下降速率且所受平均力均达到最低值。经曲线拟合发现,R_a~*与所受平均力成二次函数关系。同时对比工件加工前后微观形貌发现,工件位于滚抛磨块流表层时,滚磨加工前的刀痕完全去除,表面均匀性一致;工件位于底层时,刀痕基本去除,但表面均匀性较差;工件位于中间位置时,刀痕得到轻微细化,仍清晰可见。