YAG晶体自旋转磨削过程崩边尺寸模型

YAG晶体具有高脆性和高硬度的特点,加工过程中容易产生边缘崩碎,严重影响晶体元件的使用精度和寿命。基于划痕断裂力学模型建立了考虑应变率效应的YAG晶体自旋转磨削过程工件崩边尺寸理论模型,并开展YAG晶体自旋转磨削实验对理论模型的可靠性进行了验证,同时分析了磨削工艺参数对崩边尺寸的影响规律。结果表明:理论模型预测结果与实验结果相近,模型可靠;随着砂轮转速的增加,崩边尺寸逐渐减小;随着工件转速和进给速度的增加,崩边尺寸逐渐增大。

硅片自旋转磨削中基于力的微接触机理

建立了杯型金刚石砂轮稳定延性域磨削过程中砂轮微单元与硅片的微接触力学模型,采用力分解法研究了其自旋转磨削微观作用机理。法向分解分别运用接触力学中的赫兹理论和"空腔模型"理论分析得出硅片上对应弹性和塑性阶段的载荷和应力分布情况,以及砂轮微单元上相应的应力分布情况;切向分解运用微观摩擦学理论分析得出滑动摩擦力以及法、切向合成微接触总应力的情况。分析与试验对比结果证明了本文方法有效,可为硅片自旋转磨削机理研究提供理论支撑。

大尺寸Si片自旋转磨削表面的损伤分布研究

为了更好地评价大直径Si片磨削加工损伤深度的大小和分布,提高下道抛光工序的效率,采用角度抛光法和方差分析法研究了Si片表面的损伤分布。结果表明,采用自旋转磨削方式磨削的Si片表面的损伤分布不均匀,沿圆周方向在〈110〉晶向处的损伤深度比在〈100〉晶向处的损伤深度大,沿半径方向从圆心到边缘损伤深度逐渐增大,损伤深度的最大差值约为2.0μm。该分布规律对检测损伤深度时样品采集位置的选取及提高抛光加工效率均有重要的指导意义。

硅片自旋转磨削中基于作用力的微观接触仿真研究

采用杯型金刚石砂轮进行硅片自旋转磨削是典型的硅片超精密磨削加工形式。本试验从其磨削过程中抽象出砂轮微单元与硅片的微观接触作为研究对象,建立基于作用力的仿真模型,采用软件LS–DYNA对自旋转磨削微观作用过程进行了模拟,对作用过程中硅片与砂轮微单元的应力应变情况进行了有限元分析。结果表明:硅片材料存在相应弹性转塑性和塑性转脆性的临界位移与载荷;在硅片塑性区域切向滑动时可在硅片表面产生塑性沟槽与隆起;砂轮微单元上的磨损可依据其仿真数据作出判断。研究为硅片磨削及砂轮磨损机理研究提供支撑。

硅片自旋转磨削表面粗糙度建模与分析

通过对单晶硅材料不同去除机理的研究,分析了单晶硅材料磨削过程中不同去除形式所对应的磨粒去除深度。结合硅片自旋转磨削中砂轮与硅片相对运动特点,分别建立了针对硅片不同材料去除机理的表面粗糙度模型,通过实验对模型进行了对比,结果表明所建立的模型符合实验结果,并得出以下结论:采用自旋转磨削硅片时,表面粗糙度值随砂轮转速和硅片转速的增大而减小,随砂轮轴向进给速度增大而增大,且这三个工艺参数中,砂轮轴向进给速度对硅片表面粗糙度值的影响最大。

超声旋转磨削中刀具结合剂对切削力影响研究

研究了超声旋转磨削加工陶瓷材料中金刚石刀具结合剂对其切削性能的影响。通过对单个金刚石颗粒在超声旋转磨削加工过程中的运动分析,推导出切削力理论公式;同时通过实验得到陶瓷基、铁基和青铜基三种结合剂刀具加工Si3N4工程陶瓷(致密度70%)过程中X、Y、Z方向上的切削力。通过分析理论公式和试验数据,发现在超声旋转磨削加工过程中,刀具结合剂种类直接决定了刀具的磨损形式和磨损程度,是影响切削力大小的主要原因之一。

新型超声旋转磨削装置的研制

在叙述超声旋转磨削的基本原理及其工艺特点的基础上,介绍了超声旋转磨削装置的设计。设计出的超声旋转磨削装置可通过装置底座安装在适合的机床上,配合一定的控制设备,即可对ZrO2、Al2O3等难加工材料进行超声旋转磨削加工。

大尺寸硅片自旋转磨削运动分析及仿真

本文利用数学矩阵方法,建立大尺寸硅片自旋转磨削运动的理论模型,研究了砂轮半径、硅片和砂轮旋转速度、旋转方向等因素的选择及各因素对磨削轨迹的影响,同时还研究了磨粒合成运动速度的变化规律。研究结果表明,随着砂轮半径的增大,磨削轨迹的曲率减小,选用较小直径砂轮将更有利硅片表面质量的提高。当转速比i大于零,随着i值的增大,磨削轨迹的曲率逐渐减小。在转速比i小于零的情形,当转速比i=-2时,磨削轨迹曲率为0,磨削轨迹的形状接近一条直线。磨粒合成运动速度随砂轮转速和硅片转速的增大而增大。

用铸铁粘结金刚石砂轮磨削加工陶瓷涂层的对比性研究：ELID方法和旋转磨削方法

陶瓷涂层包括化学气相沉积碳化硅(CVD-SiC)，等离子喷涂沉积氧化铝(PSD-Al203)，等离子喷射沉积氧化铬(PSD-Cr203)等，这些陶瓷涂层具有特殊的结构、物理和力学性能。目前还没能很好地建立起将这些陶瓷涂层精确有效地加工到所需要的质量要求的加工方法。在本文中，为了研究用ELID方法和旋转磨削方法在加工这些陶瓷时的特殊方面，进行了对比试验。对两种方法所产生的表面粗糙度的稳定性，材料性能对磨削结果的影响，磨削后陶瓷涂层的显微结构等都进行了详细分析。

硅片旋转磨削法的试验研究

本文提出了新的硅片磨削方法-硅片旋转磨削法。对新方法与已有方法进行了试验对比。试验表明,硅片旋转磨削法具有一些明显优点。

硅片自旋转磨削表面粗糙度建模与实验研究

从硅单晶锭到单晶硅片需要一系列的机械和化学加工过程，如切割、研磨、磨削、抛光等。具有高效率、高精度、低损伤等优点的硅片自旋转磨削技术正逐步成达抛光硅片和图形硅片背面减薄的主流加工技术。如何既能提高硅片的加工效率，又能保证很高的加工精度和表面质量是对硅片超精密加工技术提出的新挑战。基于此问题，本文将着重分析探讨硅片自旋转磨削表面粗糙度建模与实验，以及能为以后的实际工作起到一定的借鉴作用。

基于分形理论的旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌

为了研究旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面的微观形貌,基于分形理论研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面微观形貌的变化。设计旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷正交试验,对比分析不同加工参数对Si_(3)N_(4)陶瓷表面分形维数和多重分形谱的影响,并设计单因素试验研究不同加工参数下Si_(3)N_(4)陶瓷表面的粗糙度、分形维数和多重分形谱。结果表明:旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷表面时,分形维数能更好地表征其加工表面的缺陷状态,多重分形谱则能更好地表征其加工表面缺陷的起伏程度变化。

基于自旋转平面磨削的自动磨削机结构设计

针对ITO靶材烧结用垫片手工研磨去除烧结渣过程中加工困难、劳动强度大、效率低、质量不稳定等一系列问题,设计一种基于自旋转平面磨削原理的自动磨削机。该磨削机主要由自旋转及传输装置、磨削与进给机构、自动上料机构、自动下料机构组成,实现ITO靶材烧结用垫片磨削加工的全自动化生产。其结构简单、工作稳定,磨削效率达7S/片,现已在实际生产中应用。本设计的结构原理和设计方法有一定通用性,可为解决ITO靶材产业链同类问题提供参考。

旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具磨损行为研究

热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷材料常应用于航天飞行器中关键耐高温零部件,但由于高硬度和低断裂韧性,其加工效率和加工表面质量难以满足制造需求。为了提高热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工质量,减小由于金刚石磨具磨损带来的加工误差,开展了磨具磨损行为研究。基于热压烧结Si_(3)N_(4)陶瓷旋转超声磨削加工实验,分析了金刚石磨具磨损形式;基于回归分析建立了金刚石磨具磨损量数学模型,揭示了加工参数及磨具参数与金刚石磨具磨损量间映射关系;并研究了磨损形式与磨具磨损量及加工表面粗糙度影响规律。结果表明:磨粒磨耗是旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷用金刚石磨具最主要磨损形式,比例超过50%;主轴转速和磨粒粒度对磨具磨损量影响最为显著;且磨损量较小时,加工表面粗糙度值反而增加。以上研究可为提高旋转超声磨削Si_(3)N_(4)陶瓷加工精度和加工质量提供指导。

旋转超声磨削加工建模与仿真研究

旋转超声磨削加工结合超声加工和磨削加工的技术优势,在难加工零件的精密制造中具有较大应用潜力。根据旋转超声磨削加工机理,建立旋转超声磨削加工中材料去除体积和加工表面粗糙度的数值计算模型。基于MATLAB软件编写旋转超声磨削加工仿真程序,对材料去除体积、加工表面形貌和表面粗糙度进行仿真模拟,并探究不同加工参数对表面粗糙度和材料去除体积的影响规律。仿真结果表明:主轴转速与超声振动频率之比(n/f)对加工表面形貌和去除体积有决定性影响,n/f比值增大能够有效降低表面粗糙度和提升材料去除体积;详细探讨了磨粒直径、振幅等参数对旋转超声磨削加工表面形貌和去除体积的影响规律,并仿真模拟了参数优化前后的加工表面形貌。

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。

半球陀螺谐振子超声旋转磨削加工关键技术研究

针对Al2O3陶瓷材料半球陀螺谐振子的难加工性,基于超声旋转磨削加工技术研究了其加工过程关键技术,包括超声振动频率选取,刀具结构参数和切削力对谐振子加工影响,以及壁厚均匀性加工。通过模态分析确定超声振动频率;建立了刀具结构参数与薄壁壳体加工表面质量之间数学模型;利用有限元软件研究在切削力作用下谐振子受力变化情况;并分析了由于装夹误差造成的壁厚加工不均匀现象,建立了其数学模型。

旋转超声磨削加工中影响磨具寿命的结构参数优化

为了提高陶瓷基零部件的旋转超声磨削加工精度,降低磨具磨损造成的加工误差,建立了超声振动磨具寿命与磨粒粒度、浓度、磨具内圆直径等结构参数间关系的数学模型,对影响超声振动磨具寿命的结构参数进行了优化。首先,基于响应曲面法,建立了青铜基超声振动磨具二阶寿命模型,通过Box-Behnken实验对超声振动磨具寿命模型进行了拟合。然后,通过有效性和显著性检验,验证了所建立的超声振动磨具寿命模型。最后,通过拟合影响因子与超声振动磨具寿命关系的响应曲面和等高线,分析了各因素对磨具寿命的交叉影响,并优化了磨具的结构参数。结果表明:当磨粒粒度为D98.85、浓度为77.36、磨具内圆直径为5.34mm时,去除体积为9 600mm3、致密度为85%的Si3N4陶瓷材料后,磨具磨损量只有0.006 9mm,显示优化后超声振动磨具寿命可以达到旋转超声精密磨削加工要求。

旋转超声磨削装置的研制

在叙述旋转超声磨削技术的基本原理及其工艺特点的基础上,较系统地介绍了旋转超声磨削装置的设计。设计出的旋转超声磨削装置可通过其底座安装在适合的机床上,配合一定的控制设备,即可对ZrO_2、AL_2O_3等难加工材料进行旋转超声磨削加工。

旋转超声磨削加工中刀具结合剂类型与加工性能的关系

实验分析了硬脆材料旋转超声磨削过程中刀具结合剂类型对加工性能的影响以便提高加工精度和加工表面的完整性。首先,采用能谱分析研究了铁基、陶瓷基和青铜基3种超声振动刀具中结合剂与金刚石颗粒的把持形式,并根据相同加工工艺条件下刀具磨损形式确定了把持力大小。然后,结合超声振动刀具特性,通过旋转超声磨削加工实验研究刀具结合剂类型与切削力、刀具磨损量、加工表面完整性的关系,并对实验结果进行了分析。实验结果表明:相对于陶瓷基和青铜基结合剂超声振动刀具,铁基结合剂超声振动刀具把持力最大,Z轴切削力平均值最小(为46.8N);加工18 000mm3材料后,刀具轴向磨损量最小(为0.1mm);而陶瓷基结合剂超声振动刀具加工表面质量最好,表面粗糙度最大值为21.79μm。结果证实铁基超声振动刀具适用于粗加工,陶瓷基超声振动刀具则适用于精加工。