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。     

连续进动气囊抛光材料去除特性研究

为提高和调控模具自由曲面的加工效率与质量,提出了机器人辅助连续进动气囊抛光方法;运用运动学原理,推导了行切法加工方式下的切向速度数学模型;基于Preston方程,建立了连续进动气囊抛光材料去除模型;通过MATLAB仿真技术,分析了其它工艺参数一定的条件下,进给速度和叠加次数对气囊抛光切削方向分布和材料去除特性的影响;以材料快速均匀去除为目标,获得了优化进给速度v=0.7mm/s和叠加次数n=3.最后,通过机器人辅助气囊抛光系统,进行了试验对比验证,与仿真结果吻合,证实了连续进动气囊抛光方法应用于模具自由曲面抛光的有效性.     

铝轮曲面恒去除率抛光刀位轨迹生成方法

为替代铝合金汽车轮毂(铝轮)曲面人工抛光方法,介绍了一种铝轮曲面自动抛光系统,提出了铝轮曲面型值点的获取及NURBS曲线拟合方法,在许用误差控制插补算法的基础上,提出了基于恒去除率的曲面抛光刀位轨迹生成方法,用恒去除率约束轨迹生成方法来保证铝轮曲面抛光的质量.实验结果表明,该方法有效提高了铝轮曲面抛光的质量和效率.     

一种新型的机械化学抛光模型

分析了机械化学抛光(CMP)过程中氧化剂与磨粒的化学机械协同作用机理,将CMP过程分为化学作用主导阶段和机械作用主导阶段.应用微观接触力学和颗粒粒度分布理论,对这两个阶段分别建立了表征芯片表面材料去除率的数学模型,根据这两个阶段的平衡点推出了表征芯片表面氧化膜生成速度的数学表达式.模型综合考虑了机械和化学作用因素、磨粒的浓度、磨粒的粒度分布特性及磨粒/芯片/抛光盘的材料特性参数对CMP过程的影响,并通过图表分析了磨粒体积浓度、磨粒平均粒径粒度、磨粒粒度分布宽度以及氧化剂浓度对CMP过程芯片表面材料去除率的影响规律.     

超精密气囊工具抛光方法的研究

针对气囊数控抛光获得高精密非球曲面零件的方法,分析了气囊抛光实验样机的结构、运动控制系统组成、柔性气囊的构成以及气囊进动运动方式和气囊抛光的加工原理.研究了气囊抛光工艺扩展可行性以及抛光过程中控制工件面形、表面质量和处理边缘效应的方法.研究表明气囊抛光工艺具有可扩展性.在试制的实验样机上进行了工艺参数综合实验,实验结果表明:利用气囊抛光方法可以加工出超精密光滑的表面,该方法是加工和制造超精密光学表面的有效方法.     

端面磨削加工工件表面材料的去除机理

就端面磨削加工中材料去除不均匀、平面度不达标现象，提出了一种多磨粒材料去除率的计算方法.首先，在考虑磨粒尺寸、位置的前提下，建立了端面磨削砂轮表面磨粒分布的数学模型.其次，推导了多磨粒在工件表面的动力学轨迹方程，并在此基础上建立了工件表面材料的去除率模型.最后，通过实验验证了所提方法的合理性.结果表明，端面磨削工件表面去除效果呈现一定的不均匀性，往往中心位置区域去除率较低，形成了“中凸”现象，且工件表面轮廓的高度差随着转速比的增加而增大，可在加工过程中适当降低转速比，以提高工件表面轮廓的一致性.     

固结磨料确定性研磨表面生成建模与实验分析

基于CCOS技术原理,提出高效、高可控性的固结磨料确定性研磨工艺.通过线研磨实验发现采用中心供给研磨液方式相比于传统四周供液方式有利于提高加工效率及表面质量.分析了工艺参数对加工后表面硬度的影响,通过扫描电镜观察研磨后的表面形貌,分析固结磨料研磨的材料去除机制.通过不同参数线研磨实验验证了材料去除率与工具转速、载荷、时间呈线性关系,表明固结磨料研磨工艺的材料去除过程符合CCOS的卷积迭代原理.基于晶胞理论和磨粒粒径均匀的假设,建立了固结磨料研磨垫表面形貌的仿真模型.同时,模型考虑了磨粒浓度、磨粒粒度、研磨垫形状参数的影响.在固结磨料研磨垫形貌仿真数据的基础上,基于硬脆材料去除机理以及研磨垫与工件微观接触模型,考虑工件表面的力学性能,建立了一定参数条件下研磨垫与工件的接触间隙计算模型,进而建立了单点研磨去除斑模型.通过定点研磨实验验证了不同压力、转速、时长条件下单点研磨去除斑模型的准确性.将连续的研磨轨迹进行离散,考虑研磨垫形状、磨粒的尺寸和浓度、研磨工具的转速和承受的载荷、轨迹参数建立了总去除量与单点研磨去除量的卷积运算关系,提出固结磨料确定性研磨表面生成模型.开展不同参数下面研磨实验与表面仿真.结果表明,固结磨料确定性研磨表面生成模型能很好地预测不同参数下研磨去除的深度和研磨表面的残留误差,提高固结磨料研磨工艺的可控性.     

超声椭圆振动-化学机械复合抛光硅片实验研究

在研制超声椭圆振动-化学机械复合抛光硅片实验装置基础上,进一步开展了抛光压力P,抛光点速度v及抛光液供给量Q等可控工艺参数对硅片抛光表面粗糙度、表面形貌和材料去除率影响的有无超声椭圆振动辅助抛光的对比实验研究.实验结果表明:抛光工具的超声椭圆振动有利于抛光垫保持良好的表面形貌和抛光区获得良好的工作状况,提高硅片材料的去除率;抛光压力对抛光质量的影响最大,抛光速度次之,抛光液供给量影响最小;在最佳抛光效果情况下,可使硅片抛光表面粗糙度值由传统抛光法所获得的Ra0.077ìm降到超声辅助抛光法的Ra0.042 ìm,材料去除率最多可提高18%,并且工件表面形貌有明显改善.     

机器人曲面磨削轨迹的曲率自适应规划算法研究

机器人在曲面类零件加工中应用日趋广泛,针对自由曲面轨迹规划困难、工件表面粗糙度均匀性难以控制等问题,提出一种能适应曲面曲率变化的机器人曲面磨削轨迹规划方法.基于赫兹理论分析机器人磨具与工件表面的接触应力变化,通过求解材料去除模型计算出曲率影响下的相邻磨削轨迹行距,得到了曲率自适应的磨削轨迹;然后通过恒等弦高误差算法求解...     

磁场辅助软质工具游离磨粒抛光工艺研究

在软质工具机械抛光的基础上耦合外置环形磁场的辅助控制,采用混合铁磁性颗粒的硬质游离磨粒作为磨削介质,实现磁场辅助的软质工具游离磨粒抛光加工,并研究该工艺对抛光加工效率和质量的影响.通过抛光轨迹补偿实验,确定合理的轨迹补偿参数,并利用自行开发的轨迹规划软件,生成补偿后的抛光加工轨迹.采用正交实验的方法对多种金属材料的磁场辅助游离磨粒抛光加工过程进行参数优化研究并作对比验证,结果表明:外置的辅助磁场可提高软质工具抛光加工效率,改善工件抛光的表面粗糙度.     

模具曲面机器人抛光工艺过程的建模与仿真

在PUMA－562型机器人上开发了具曲面自动光实验系统,分析了三维模具曲面抛光过程中影响抛光效果的主要工艺参数,提出以等效半径来表征抛光工具与模具曲面的空间相对位置,并利用多元线性回归和正交实验的方法建立了模具曲面抛光工艺过程的模型,仿真和实验结果表明该模型综合反映了抛光工艺参数对抛光效果的影响规律,为模具曲面智能抛光系统的开发奠定了基础。     

氮化镓晶片的化学机械抛光工艺

研究了抛光工艺参数对氮化镓(GaN)化学机械抛光(CMP)表面形貌和材料去除率的影响。通过精密分析天平和原子力显微镜对其材料去除率和表面形貌进行分析,采用单因素及正交实验法探究压力、抛光盘转速和氧化剂浓度对GaN材料去除率和表面形貌的影响。结果表明:在下压力为14.1×10~4 Pa、抛光盘转速为75 r/min、H_2O_2浓度为0.8%、SiO_2磨粒为30%、抛光液流量为20 mL/min、抛光时间为15 min的条件下,GaN晶片表面材料去除率最大达到103.98 nm/h,表面粗糙度最低为0.334 nm。可见,在优化后的工艺参数下采用化学机械抛光,可同时获得较高的材料去除率和高质量的GaN表面。     

互连芯片化学机械抛光材料去除的仿真分析

针对互连芯片化学机械抛光去除机理的认知不足,假设金属材料弹塑性变形连续,对单磨粒划擦互连芯片的材料去除进行了数值表征.通过芯片应力分布和工艺参数对材料去除率分析发现:平均法向力大于平均切向力;滑动摩擦系数、材料去除率随抛光速度增加而增加;当抛光速度为10~12 mm·s~(-1)时,粒径为30 nm的磨粒材料去除率最大;当工作载荷为6μN,抛光速度为6~10 mm·s~(-1)时,粒径为30 nm的磨粒材料去除率略低,粒径为60 nm的磨粒的材料去除率最大.     

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。     

基于烧蚀原理的激光抛光的数值建模与分析

采用连续激光对304不锈钢材料进行了基于烧蚀原理的激光抛光实验,得到了较好的抛光效果.耦合激光抛光中的传热和材料汽化,建立了一个二维瞬态数值模型,仿真了激光抛光中工件表面的演变,预测了激光抛光后工件的表面形貌和表面粗糙度值,仿真结果与实验结果十分接近,误差仅为8.17%.此外,利用该模型研究了激光抛光中工件表面移动速度的分布情况,确定了表面移动速度与初始表面形貌的关系:表面形貌波峰位置的表面移动速度较大,而波谷位置的表面移动速度较小,揭示了基于烧蚀原理的激光抛光降低工件表面粗糙度的机制.     

典型光学加工中边缘效应仿真分析

为分析光学加工中边缘效应对元件最终面形精度的影响,建立了数控小磨头行星式抛光去除函数模型和射流式工具加工的去除函数模型.通过对抛光过程中磨料载体的微观状态的研究,探讨并仿真了两种抛光方式在不同区域抛光速度分布、抛光压力分布和抛光中Preston系数的变化.通过对比分析这些参数的变化对材料去除影响,表明光学加工过程中磨料载体中分子间的作用力对边缘效应产生的影响不可忽略.     

自由曲面六轴联动砂带磨削机床试验

提出了一种以汽轮机叶片为典型对象的自由曲面高效精密加工方法,建立了基于砂带磨削原理的自由曲面六坐标联动磨削与抛光系统,研究了该机的关键技术如双摆动磨头、自由曲面磨削数控编程软件和冷缺排屑系统,在此基础上利用该机对叶片表面进行了六轴联动砂带磨削抛光试验验证,为确定合理的汽轮机叶片抛光工艺参数提供了依据。     

响应曲面法在表面粗糙度预测模型及参数优化中的应用

分析了切削速度、进给量和切削深度对表面粗糙度的影响规律,提出了一种车削难加工材料钛合金TC11表面粗糙度的建模方法.采用中心组合设计方法,建立了用于表面粗糙度预测的多元回归模型,运用方差分析检验了该预测模型的拟合度,利用响应曲面法对表面粗糙度建立等值响应曲面,从而可以通过切削参数的优化在保证加工质量的前提下获得更高的材料去除率,实现难加工材料钛合金高效切削.     

氧化铝复合磨粒对硬盘NiP/Al基板CMP的研究

在Al2O3表面改性的基础上,制备了以氧化铝、水、双氧水、氢氧化钠溶液为主要成分的抛光液,研究了计算机NiP/Al硬盘盘基片的化学机械抛光(chemical mechanical polishing,简称CMP)特性.通过螺旋测微仪测量了NiP/Al硬盘盘基片表面在不同抛光压力、抛光盘转速、时间、pH值下的材料去除率,利用原子力显微镜AFM表征了抛光后的硬盘盘基片表面粗糙度及形貌,并分析研究了Al2O3抛光液的CMP机理.最终得到最佳抛光工艺参数:抛光盘速率为30r/min、抛光压力2.1kPa、抛光时间为60min、抛光液pH值为9,此时表面粗糙度Ra为4.67nm.     

压气机盘疲劳可靠性数字仿真分析

以多轴疲劳的临界平面法为基础,应用随机有限元法确定了压气机盘榫槽部位应力的分布参数,通过标准试样的应变控制低循环疲劳试验确定了材料参数的分布,采用数字仿真分析技术,得到了压气机盘寿命的分布形式和分布参数,建立了压气机盘疲劳可靠性模型.由仿真分析结果可知此方法是可行的,它可以有效降低压气机盘的试验费用,缩短试验周期,具有较高的精度.