集群磁流变平面抛光加工技术

基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术,对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行静磁场有限元分析优化,结果表明,选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立'微磨头'组成的柔性抛光膜,能实现加工表面与'微磨头'的实际接触面积最大化。通过设置'微磨头'尺寸及数量与工件的接触状态,对K9玻璃、单晶硅和单晶6H-SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带,试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化,并采取优化工艺对三种硬脆材料进行30 min抛光,K9玻璃表面粗糙度从Ra0.34μm下降到Ra1.4 nm,单晶硅从Ra57.2 nm下降到Ra4 nm,单晶SiC从Ra72.89 nm下降到Ra1.92 nm,均能获得纳米级粗糙度表面。

单晶SiC基片的集群磁流变平面抛光加工

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及研制的试验装置,对单晶SiC基片进行了平面抛光试验研究。研究结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较好的抛光效果;加工间隙在1.4mm以内抛光效果较好,30min抛光能使表面粗糙度值减小87%以上;随着加工时间的延长,表面粗糙度越来越小,加工30min时粗糙度减小率达到86.54%,继续延长加工时间,加工表面粗糙度趋向稳定。通过优化工艺参数对直径为50.8mm(2英寸)6H单晶SiC进行了集群磁流变平面抛光,并用原子力显微镜观察了试件加工前后的三维形貌和表面粗糙度,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从72.89nm减小至1.9nm,说明集群磁流变效应超光滑平面抛光用于抛光单晶SiC基片可行有效且效果显著。

氮化铝基片的集群磁流变抛光加工

本文进行了氮化铝基片的集群磁流变抛光加工研究,分析了主要工艺参数的影响和加工表面形貌特征。实验结果表明:集群磁流变抛光加工氮化铝基片可以实现高效率超光滑抛光,原始表面Ra1.730 2μm抛光60 min后可以达到Ra0.037 8μm。选用碳化硅磨料,磨料质量浓度为0.05 g/mL,工件与抛光盘转速比为5.8左右,加工初期采用较小加工间隙最后抛光采用较大加工间隙,可以获得较高的材料去除率和较光滑的加工表面。

医用钛合金动态磁场集群磁流变抛光加工研究

目的获得超光滑表面且无毒性残留的医用钛合金。方法采用半固着磨料的新型动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用TC4钛合金,研究磨料种类、粒径、抛光时间、加工间隙和抛光盘转速等工艺参数,对医用钛合金表面形貌和表面粗糙度的影响规律,使用扫描电镜对抛光前后的医用钛合金表面进行成分分析。结果医用TC4钛合金表面形貌受磨料形状和硬度的综合影响,Al_(2)O_(3)磨料相对SiC、SiO_(2)和B_(4)C磨料能获得更高质量的表面。随着Al_(2)O_(3)磨料粒径的增大,表面粗糙度先减小、后增大,5μm的Al_(2)O_(3)抛光效果最佳。加工间隙从0.8 mm增大到1.2 mm,表面粗糙度先减小、后增大,在1 mm时加工效果最优。抛光盘转速从15 r/min增大到35 r/min,表面粗糙度先减小、后增大,在25 r/min时加工效果最优。当使用粒径为5μm的Al_(2)O_(3)磨粒,在1 mm的工作间隙和25 r/min的抛光盘转速下抛光4 h时,医用钛合金表面粗糙度Ra从原始的110 nm降低到2.87 nm,表面粗糙度的下降率为97.39%。结论应用动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用钛合金,能够获得无异质成分残留的超光滑表面。

氮化铝陶瓷基片的集群磁流变效应研磨加工

采用集群磁流变效应研磨加工方法对氮化铝(AlN)陶瓷基片进行研磨加工,系统地分析了主要工艺参数的影响和最终经过精密研磨后的加工表面形貌特征。结果表明,集群磁流变效应研磨加工方法可以实现对氮化铝(AlN)陶瓷基片的高效率高精度研磨加工,原始表面Ra1.730μm经过粗研10 min和精研30 min后可以达到0.029μm,下降两个数量级。在粗研阶段,选用二氧化硅磨料#4000、磨料体积分数12%、研磨盘转速150 r/min、研磨压力3.5 kPa,可以获得较高的材料去除率和较光滑的加工表面。

铝合金阳极氧化膜的集群磁流变平面抛光试验研究

为获得抛光均匀的铝合金阳极氧化膜表面,采用集群磁流变平面抛光技术对铝合金阳极氧化膜进行抛光试验,探讨加工间隙、工件转速、抛光盘转速、偏摆幅度、加工时间等加工参数对其表面粗糙度和材料去除率的影响规律。结果表明:随着加工间隙的增大,工件表面粗糙度先减小后增大,材料去除率则递减;随着工件转速或偏摆幅度的增加,工件的表面粗糙度均先迅速减小后缓慢增大,材料去除率则先增加后减小;随着抛光盘转速的增加,工件的表面粗糙度和材料去除率均先减小后增加;随着加工时间的延长,表面粗糙度迅速减小之后趋于稳定。在文中试验条件下,在加工间隙1. 1 mm、工件转速350 r/min、抛光盘转速60 r/min、偏摆幅度10 mm、加工10 min左右时工件表面粗糙度从原始的332. 9 nm下降至5. 2 nm,达到了镜面效果。

动态磁场集群磁流变抛光加工机理及试验研究

基于动态磁场集群磁流变平面抛光的加工机理以及动态磁场作用机理,对单晶硅基片进行动态磁场集群磁流变抛光试验研究。结果表明:动态磁场能使畸变的抛光垫实时自修复,磨料具有频繁的动态行为,克服了静态磁场作用下抛光垫变形难恢复且磨料堆聚的缺点,使材料去除过程稳定,抛光效果较好;在动态磁场作用下,不同抛光方式的加工效果也不同;在多工件同步抛光中,大尺寸的工具头高速自转使工件表面有更高的线速度,磨料对单晶硅表面缺陷去除作用更强。经过5h抛光,硅片表面粗糙度R_a由0.48μm下降到3.3nm,获得超光滑表面。

SrTiO_3陶瓷基片集群磁流变研磨加工表面特性研究

采用集群磁流变效应研磨加工工艺进行SrTiO3陶瓷基片研磨加工,分析了研磨盘材料、磨粒种类、研磨压力和磨粒团聚等因素对SrTiO3陶瓷基片表面粗糙度和表面完整性的影响。结果表明:磁流变效应研磨工作液中的SiC、Al2O3和CeO2等磨料的大尺寸磨粒在SrTiO3陶瓷基片研磨加工表面产生的局部大尺寸划痕破坏了加工表面的完整性;采用铸铁研磨盘和SiO2磨料的磁流变研磨工作液研磨加工后,原始表面粗糙度Ra从约1.7854μm下降到0.6282μm,并且表面完整,SrTiO3材料与SiO2磨料之间存在的化学机械研磨过程促进了研磨加工表面性能的改善;研磨压力也是影响研磨加工表面粗糙度和大尺寸划痕的主要因素之一,研磨压力取较小值(1.875kPa)为宜。

6H-SiC晶片集群磁流变研磨工艺优化

为了研究不同种类磨粒与羰基铁粉的粒径匹配性对加工效果的影响规律,并优化磁感应强度、研磨压力、研磨盘转速和工件转速等工艺参数,采用集群磁流变研磨方法对6H-SiC晶片进行了研磨试验。结果表明:当磨粒与羰基铁粉的粒径比约为1.5时加工效果较好;各工艺参数对6H-SiC加工的材料去除率的影响由大到小依次为磁感应强度、研磨盘转速、研磨压力、工件转速,对表面粗糙度的影响由大到小依次为磁感应强度、研磨压力、工件转速、研磨盘转速;磁感应强度可以改变羰基铁粉的吸附力,从而改变对磨粒的把持程度,成为影响加工效果最显著的因素。优化后的工艺参数组合为:工件转速60r·min-1;研磨盘逆向转速90r·min-1;研磨压力70kPa;磁感应强度0.012T。在此优化条件下能获得最大的材料去除率(0.498μm·min-1)和较低的表面粗糙度(86.3nm)。

基于集群磁流变单晶碳化硅基片抛光加工的工艺研究

基于集群磁流变效应超光滑平面抛光理论及试验装置对单晶碳化硅基片进行了平面抛光试验,结果表明,金刚石磨料对单晶SiC基片具有较高的材料去除率;加工间隙在1.5mm左右具有较好的加工效果,随着加工时间的延长表面粗糙度越来越小,且30min内表面粗糙度变化率达到89%以上。通过优化工艺参数对单晶SiC进行集群磁流变平面抛光,发现经过30min加工,表面粗糙度Ra从42.1nm下降到4.2nm,表明集群磁流变效应平面抛光用于加工单晶SiC基片可行且效果显著。

蓝宝石晶片飞秒激光辅助集群磁流变抛光试验研究

为了实现蓝宝石衬底材料高效高品质超光滑平坦化加工的目的,提出一种先利用飞秒激光对蓝宝石晶片表面材料进行预处理改性后再集群磁流变抛光新工艺,并且研究了飞秒激光扫描速度和集群磁流变抛光时间对激光预处理蓝宝石晶片表面抛光材料去除率和表面粗糙度的影响规律,同时借助X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)分析了蓝宝石表面经过飞秒激光处理前后材料特性变化,深入研究了飞秒激光辅助集群磁流变抛光加工机理。研究结果表明,飞秒激光预处理对蓝宝石晶片集群磁流变抛光效果影响显著,蓝宝石晶片用飞秒激光预处理加工后的集群磁流变抛光材料去除率提高了1倍以上,并且飞秒激光扫描速度为100mm/s时,预处理的蓝宝石经过抛光后可以得到较好的表面质量和表面形貌;XPS和XRD检测结果表明蓝宝石衬底表面经过飞秒激光辐照后并未发生化学反应,而是飞秒激光使得蓝宝石表面层晶体结构发生了非晶化和微晶化有利于集群磁流变抛光过程中的材料去除。研究表明,飞秒激光可使蓝宝石表面层发生微晶化和非晶化进而有利于提升集群磁流变抛光蓝宝石的抛光效率和表面性能。

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明:集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电(1英寸=2.54 cm)集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。

陶瓷球高效超光滑磁流变柔性抛光新工艺研究

目的为实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,提出一种集群磁流变抛光陶瓷球的新工艺。方法在传统V型槽抛光陶瓷球的基础上增加集群磁极和上盘旋转动力,配制适当的磁流变抛光液,通过在上下抛光盘的集群磁极,形成磁流变抛光垫包覆陶瓷球,进行研磨抛光加工。然后,基于陶瓷球工件几何运动学和动力学分析得到球体各运动参数的影响关系,利用机械系统分析软件ADAMS对成球过程进行动态仿真,可以看出该抛光方法能够主动控制球体的运动,实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络。最后,根据仿真结果,通过调整上下抛光盘的转速比、偏心距和加工间隙等参数,控制陶瓷球的自转角,实现球面的快速高效超光滑抛光。结果用自行设计的陶瓷球集群磁流变抛光实验装置,对氮化硅陶瓷球进行抛光2.5 h,表面粗糙度Ra从60 nm左右下降到10 nm左右,球形误差为0.13μm,达到了陶瓷球轴承氮化硅球的国家标准(G5水平)。结论集群磁流变抛光方式可以实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络,实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,值得进一步深入探讨研究。

磁流变抛光关键技术及工艺研究进展

随着超光滑平面器件的需求越来越大,要求器件表面粗糙度需达到纳米级,面形精度达到微米级,且无表面和亚表面损伤。传统超精密抛光技术效率低、成本高、不易控制,易产生表面、亚表面损伤,难以满足生产的要求。磁流变抛光技术(MRF)是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对器件表面进行抛光的一种新兴的超精密加工技术,其抛光过程可被有效控制,且能够实现精准抛光,可达到超精密的质量要求。本文对磁流变抛光技术中磁流变液和磁极等关键参数进行了分析和总结,详述了磁流变液的组成部分、常见材料以及三大指标(沉降稳定性、磁力学特性和剪切屈服应力)。研究结果表明,磁流变液的沉降率和稳定性都与磁流变液中的成分密切相关,磁敏微粒不同,磁流变液的沉降率也各有不同,通过使用不同的添加剂改变磁敏微粒的表面活性,从而改变磁流变液的沉降性能;磁流变液的组成部分中磁敏微粒作为唯一有效的导磁材料,影响着磁流变液的磁力学特性;磁场作用下,磁敏微粒逐渐形成链状结构,处于凝聚状态,当磁敏微粒的磁化强度不断增大时,剪切应力也呈现出明显增大的趋势。同时本文综述了磁场发生装置中磁极的不同形态对磁场的影响以及磁极的不同布列方式对磁场和抛光效果的影响,阐述了不同的磁极排列方式对磁场大小和抛光垫均匀性的影响规律。相比其他形状的磁极,圆柱形和方形柱状磁体是最理想的两种永磁体形状。本文总结了目前磁流变抛光技术的工艺研究的新方向,包括集群磁流变抛光技术、可以加工曲面的组合磁流变抛光技术、全球面包络磁流变抛光技术以及超声磁流变复合加工技术,介绍了这几种加工方法的工作原理以及能够达到的工艺效果,最后总结了现阶段磁流变抛光技术研究中存在的问题,并对其今后的发展方向进行了展望。

磁流变抛光技术的研究进展

磁流变抛光技术具有加工面形精度高、表面粗糙度小、加工过程易于控制、表面损伤小、加工过程中不产生新的损伤等优秀特点,因此多应用于加工要求高的精密和超精密领域,最常应用于光学加工方面。综述了磁流变抛光技术材料去除数学模型的建立进展,论证了该模型的正确性,总结出该基本模型具有通用性,模型能够适用于平面和凸球面等形面加工中,此外,对实现计算机控制抛光过程的准确性具有指导意义。概述了磁流变抛光工艺实验进展,总结磁流变抛光影响抛光效果的主要因素是磁场强度和磁场发生装置,在优化工艺参数组合下能够达到纳米级表面,能够消除亚表面损伤,还能够用以加工各种复杂形面等。就目前磁流变抛光技术的发展新方向作以总结,包括集群磁流变抛光技术、组合磁流变抛光技术以及磁流变-超声复合抛光技术,介绍这几种加工方法的工作原理以及能够达到的实验效果。最后对现阶段磁流变抛光技术中存在的问题做出总结,并针对各个问题提出相对应的思考和展望。

氮化硅陶瓷球研磨抛光技术研究进展

氮化硅陶瓷球是重大装备中轴承的关键基础元件,球体的超精密研磨抛光质量是影响轴承性能与寿命的重要因素.本文从加工方法的角度,总结了陶瓷球研磨抛光技术的研究进展,对不同的陶瓷球超精密复合抛光方法进行了比较分析,并提出了一种新型抛光方法,即集群磁流变抛光陶瓷球的方法.该方法初步测试显示,经3 h的抛光,氮化硅陶瓷球的表面粗糙度Ra由50 nm下降到5 nm,球度达到0.11～0.22μm.

Cluster observations of large-scale southward movement and dawnward-duskward flapping of Earth's magnetotail current sheet

In August 2001,Cluster satellites observed that the mid-tail current sheet(CS) moved southward continuously for almost seven hours.Meanwhile,Cluster crossed back and forth the CS repeatedly.This means that the large-scale southward movement of the CS was accompanied by a small-scale CS flapping during this period.Using the minimum-variation-analysis(MVA) method and the multi-spacecraft data,we calculated the normal vector,current density and the magnetic curvature of the CS,the results showed that the CS alternated between flattened CS and tilted CS for several times.Strong dawn-dusk oscillations were found for the tilted CS,which caused the repeated crossings of the center of CS by the satellites.This feature is obviously different from the previous observations of the vertical flapping of the CS induced by the kink instability.Two types of flapping were observed:One of them is accompanied with bursty bulk flows(BBFs) and the other is not.This suggests that in this event there was no direct relationship between the CS flapping and BBFs.