（机械电子工程专业论文）单元结构研磨盘的仿真与实验研究.pdf

e x p er i m e n t a lr es e a r ch c a n d i d a t e ：l iz h i - q i a n g a d v i s o r ：d a iy o n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y j u n e2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：川哗 日期：加夕年 月 日 莎月- 日 毖耄 未v船式 基础上，利用弹性力学理论分析了单颗磨粒的法向受力，得到了单颗磨粒切削深度与磨粒 粒径、单元体的分布密度、弹性元件刚度，工件硬度等参数之间的相互关系。在单颗磨粒 切削深度模型及磨粒群粒径基于数量基准分布的研究基础上，运用概率论统计方法建立起 单元体磨具上磨粒群切削深度分布模型，从而为单元体磨具加工表面质量与加工效率的优 化建立理论基础。 通过计算机仿真的方法逐一分析论证了单元体磨具的( 单元体的面积，弹性刚度) 特 性、加工工艺( 加工载荷) 等参数对单元体磨具上磨粒群切削深度分布的影响。采用适宜 的工艺参数，进行了单元体磨具加工实验，并与同工艺条件下普通整体磨盘磨具加工进行 了对比。研究表明，单元体磨具上磨粒群切削深度分布模型仿真结果与实验结果的分布趋 势基本吻合，但模型的小切削深处的分析结果和实验结果还需要进一步提高。研究还表明， 单元体的弹性刚度、分布密度对单元体上磨粒群切削深度分布总和影响比较大。另外以 砧2 0 3 磨粒为例进行分析对比，与同工艺参数的单元体磨具磨粒加工相比较，单元体磨具 的高效精密 究，研究表 可以对材料 尝试。 h a st 1 1 ep e r f o m a n c eo fh i 曲e f f i c i e n c y ，h i 曲p r e c i s i o na n dl o ws u r f 犯ed a m a g ek e e p si i l c r e a s i n g t h ee x i s t i n ga b r a s i v ep a n i c l ep r o c e s s i n g ，也em 萄o r i t ) ，o ft l l ew h o l ed i s cp r o c e s s i n gi sv e 巧 d i 岱c u l tt om e e tt l l ea b o v er e q u i r e m e n t an e w p r o c e s sm e t h o dc a l l e dm u l t i - c e l l d i s ca b r a s i v e p a r t i c l ep r o c e s si sp r o p o s e di nm i sp a p e lt h j st e c h n i q u ec o u l dr e d u c ec h a l l g eo fc u _ t t i n gd e p 也 。谢n gt od i 仃e r e n c eo f 伊血s i z e a i l dp r o t n i s i o nh e i g h to fsu r ：f a c ea b r a s i v eo f 面n d i n gp la ：t e ，a 1 1 d n e a re q u a l - c 眦i n g d e p t l lp r o c e s s i n gi sr e a l i z e d f o rc h 觚l c t e r i s t i c sa n dm a c l l i l l i n gp e r f o m a n c e o fm u l t i c e l l d i s c ，锄sp 印e rr e l a t e st ot 1 1 ef o l l o 谢n gs t u d i e s ： t h e m o d e lo fc 眦i n gd e p t hd i s 仃i b u t i o no f 伊a i n so fm u l t i c e l l d i s c 、a sa l l a l y z e da i l d e s t a b l i s h e d t 1 1 es h a p eo ft h ea b r a s i v e 鲥th a sb e e nd i s c u s s e d ，a 1 1 dt h ea b r a s i v e 面ts h 印em o d e l o fu i l i t b 0 1 dw a ss i m p l i f i e d t 1 1 es u p e 币c i a lc h 麟l c t e r so fe l a s t i ce l e m e n t s 、v e r et e s t e db y n a n o i n d e n t a t i o nt e s t s ，a i l dt l l el o a d i n g - d i s p l a c e m e n tc h a r a c t e ro fs u p e r f i c i a la b r a s i v ep a r t i c l e s d u r i n gl o a d i n gw 2 l sg o t t e n i ts h o w e dt h a te l a s t i ce l e m e n t sg e n e r a t ee l a s t i cd e f o r m a t i o nd u r i n g l o a d i n g o nt 1 1 i sb 商s ， t h ed i s p l a c e m e mo fa b r a s i v e 鲥tw a sa n a l y z e dd u r i n gp r o c e s s i l l g n l e n o 册a lf o r c ea 1 1 a l y s i st os i l l g l eg r i t 邯s e tu pb yu s i n ge l a s t i cm e c h a l l i c s ，a 1 1 dt l l er e l a t i o n s l l i p b e 帆e e nc u n i n gd e p t ha i l dt h eg r a i ns i z e ，c e l lb o d yd e n s 咄e l a s t i ce l e m e ms t i 曲e s s ，w o r k - p i e c e l m d n e s s 、a so b t a j n e d t h eg r a i ns i z ei so b e y e dl o g n o 咖a ld i s 仃i b u t i o n b yu s i n gp r o b a b i l 毋 a n ds t a t i s t i c s ，t h em o d e lo fc u t t i i 培d e p t l ld i s 饿b u t i o no fg r a i l l sw a so b t a i n e d am e o r e t i c 甜 f o u n d a t i o no fo p t i i l l i z a t i o na i l de v a l u “o no f 吼i t b o d yw a ss e tu p o nt h eb a s i so ft h em o d e lo fa b r a s i v e 铲a i l l sc u 仕i n gd e p t hd i s t r i b u t i o no fm u l t i - c e l l 一d i s c ，t h e 浙江工业大学硕十学位论文 砌u e n c eo fp r o p e n i e s ( c e nb o d ys i z e ，e l a s t i cs t i 行n e s s ) ，p r o c e s s i n gt e c h n o i o g y ( p r o c e s s i n gl o a d ) a i l do t h e rp a r 锄e t e r so nt l l ea b m s i v eg r a i n sc 眦i n gd e p t hd i s t r i b u t i o nw a sa i l a l y z e db yu s i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o n au i l i t - b o d ya b r a s i v em a c h i n i n ge x p e r i m e n tw a sc 硎e do u tw i t l l 也e o p t i m a lp a r a m e t e r sa n dc o m p a r e d 埘t 1 1 、7 ，_ h o l ed i s ct h eu n d e rt h es a m ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n s t h e r e s u l t ss h o w e dt l l a tm ea b r a s i v eg r a i n sc u t t i n gd e p t hd i s t r i b u t i o no fu 1 1 i t b o d yo fs i m u l a t i o nw a s b a s i c a l l yc o n s i s t e n t 晰t 1 1t l l a to fe x p e r i m e n t t h e r ew e r es o m ed e v i a t i o n sw i t l l l em o d e l s i m u l a t i o nb e t w e e nt 1 1 e e x p e r i i n e r l t mr e s u l t s t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a t c e l lb o d ye l a s t i c s t i 航e s s ，d e n s i t ) ro ft h ec e l lb o d yw a sm o s tp o w e 删t o ro nt 1 1 ea b r a s i v ec 们i n gd e p t h d i s t r i b u t i o n 1 1 1a d d i t i o nt o1o o o 撑舢2 0 3a b r a s i v ea sa i le x 锄p l e ，a n a l y z e da 1 1 dc o m p a r e d 研m t h es 锄ep a r 锄e t e r so ft h ec e l lb o d y ，c o m p a r e dt oa b r a s i v e 酊tp r o c e s s i i l g ，c e l lb o d ya b r a s i v e s u r f ：k eq u a l i t ) ，a r e rp r o c e s s i n ga n dt l l et i m er e q u i r e dw a sb e t t e rt 1 1 a i lt h eo v e r a l la v e r a g ed i s ct 0 v e r i 匆m ec e l lb o d ya b r a s i v e 面ta i l de 衔c i e n tp r o c e s s i i l go fp r e c i s i o n i n “sd i s s e r r t a t i o n ，c u n i n gd e p t hd i s t r i b u t i o no f 伊a i n so fu 1 1 i t - b o d yi i lp r o c e s s i n gw 2 l ss 砌i e d r e s e a r c hs h o w e dt 1 1 a tt h r o u 曲t h ec e l lb o d yc e ub o d ya b r a s i v ed i s t r i b u t i o no fd e n s i 吼e l a s t i c s t i 筋e s s ，p r o c e s s i i l g l o a dt 0r e a s o n a b l e d e s i g l l ，r i 曲tm a t 丽a l s ，c o n l p o n e m sa i l de 伍c i e n t p r o c e s s i n g n l e r ew e r eb e n e m st od e s i 印，m a l l u f a c t l l r e 锄da p p l i c a t i o no fu 1 1 i t - b o d y k e yw o r d s ：l 印p i n g ，m u l t i - c e l l - d i s c ，s i z es e n s i t i v i 吼c u n i n gd 印t hd i g 仃i b u t i o l l ，l a b v i e w v v l l l 1 1 4 ! ； 一6 1 4 1 研磨技术研究现状。6 1 4 2 超精密平面研磨划痕形成的建模与仿真研究现状9 1 5 本文研究内容与论文结构安排9 1 5 1 研究内容9 1 5 2 论文结构安排10 第2 章游离磨粒研磨划痕影响因素分析及单元体磨具装置1 2 2 1引言1 2 2 2 超精密平面研磨加工中划痕的产生1 2 2 3 单元体磨盘研磨技术l4 2 3 1 单元体弹性机构模型分析。1 4 2 3 2 单元体深度敏感压缩试验1 6 2 4 磨粒的分类及应用范围1 8 2 4 1 磨粒的分类18 2 4 2 磨粒的粒度1 9 2 4 3 磨粒的形状及其对韧性的影响2 0 2 4 4 磨粒的硬度。2 2 2 5 影响因素的随机化处理2 3 2 5 1磨粒形状的分布2 3 2 5 2 磨粒尺寸的分布2 3 2 5 - 3 单元体的制造参数2 4 2 5 4 其他影响研磨加工的因素2 4 2 6 研磨装置的评价指标2 4 2 6 1 磨粒尺寸敏感度2 4 v 4 2 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 。2 5 2 5 2 6 ：1 6 ：1 6 一2 8 2 9 一3 0 31 3 3 3 5 3 7 一3 7 l a b v i e w 概述一3 8 4 2 1 创建v i 3 9 4 2 2 w h i i e 循环一3 9 4 2 3f o r 循环3 9 4 2 4顺序结构选择结构与公式节点4 0 单元结构研磨盘的加工性能仿真系统总体设计o 4 1 4 3 1 仿真软件的设计目标4 1 4 3 2 仿真分析与评价4 l 单元体磨具研磨仿真及加工工艺参数4 2 4 4 1单元体磨具与普通磨具的比较4 3 4 4 2 载荷对单元体磨具研磨的影响4 7 4 4 3 单元体弹性刚度的影响4 7 4 4 4单元体面积的影响4 8 本章小结5 1 单元体磨具加工实验。5 2 j ；i 言5 2 单元体研磨盘加工实验系统建立5 2 5 2 1 加工实验系统5 2 5 2 2 加工工艺条件5 3 5 2 3 加工效果检测5 4 实验结果分析5 5 5 3 1 加工效率分析一5 5 5 3 2 表面粗糙度分析5 7 v i ：，8 6 0 6 0 6 l 。61 6 ：! 6 3 6 6 6 7 6 8 载荷 压痕对角线长度 正态分布磨粒粒径中值 正态分布的参数 尺寸敏感度 磨粒粒径 磨粒压入工件或磨盘深度 工件与磨盘之间距离 为工件材料的屈服点； 为磨粒在】，方面的受力面积 为磨粒相对磨盘压入角度 为磨盘的屈服强度 弹性元件的弹性系数 单元体压缩量 尸 d 一 耐 黜 d 办 c 以 s 国 仉 七 砌 精密加 和研发 电子、 计算机、测量及材料等先进技术，使得加工的精度从6 0 年代初的微米级提高到目前的0 0 1 微米级，极大的改善了产品性能和可靠性【渊。 目前的超精密加工，以不改变工件材料物理特性为前提，以获得极限的形状精度、尺 寸精度、表面粗糙度、表面完整性( 无或极少的表面损伤，包括微裂纹等缺陷、残余应力、 组织变化) 为目标【8 。10 1 。超精密加工的研究内容，即影响超精密加工精度的各种因素包括： 超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超 精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境( 包括恒温、隔振、洁净控制等) 、超精密 加工工艺等。一直以来，国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。1 9 8 3 年在国际生产 工程( c i r p ) 年会上，t 趾i g u c m 对当时的超精密加工状况进行了描述，并对超精密加工的 发展趋势进行了预测，此后的2 0 余年内，超精密加工技术蓬勃发展【1 1 ，1 2 1 。 超精密加工主要包括三个领域【1 3 - 1 5 】：超精密切削加工超精密切削技术由单点金刚石切 削( s i n 9 1 ep o nd i 锄o n dt 啪i n g ，s p d t ) 技术开始，拓展至多点金刚石铣削。如金刚石刀 具的超精密切削，可加工各种镜面；超精密磨削和研磨加工如高密度硬磁盘的涂层表面 加工和大规模集成电路基片的加工；超精密特种加工如大规模集成电路芯片上的图形是用 电子束、离子束刻蚀的方法加工，线宽可达0 1um 。如用扫描隧道电子显微镜( s t m ) 加工， 线宽可达2 5 n m 【1 6 1 。 推陈出新，随着社会的进步，各项新技术快速发展并日趋成熟，这些新技术被广大学 者应用到研磨加工技术中，产生了相应的新研磨加工方法，这些方法大多针对传统研磨方 法中的某些不足之处进行了改进。在提高加工质量和加工精度方面取得了良好的效果，其 中固着磨料研磨在提高加工效率方面取得明显效果。产生的各种新研磨技术如下图1 1 所 剥1 7 2 0 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代出现的平面研磨技术( f 1 a th o i l i n g ，或称之为精细磨削f i n e 西n d i n g ) 【2 1 2 2 1 ，采用类似研磨的运动方式，研磨的砂轮速度是传统磨削砂轮速度的1 3 0 1 6 0 。由于 采用了面接触的方式，同时参与磨削的磨粒数增多，每个磨粒的垂直负荷仅是磨削情况的 1 5 0 1 1 0 0 ，单个平均切削刃的单位时间发热量是传统磨削的1 1 5 0 0 1 3 0 0 0 左右，所产生 的热变质层微小【2 3 1 。由于磨粒切削深度小，所产生的加工变质层以及残余应力也小。另外， 平面研磨加工中，一次可以同时对一批工件进行加工；作用于磨粒的切削力方向经常发生 变化，使磨粒破碎几率增加，自砺作用显著。因此，从获得优于磨削加工的表面粗糙度这 一点来说，具有比磨削更高的效率，并且对机床精度要求不高。采用平面研磨技术加工先 进陶瓷材料，目前已可部分替代研磨【2 4 2 6 】。应用金刚石丸片的平面固着磨料高速研磨就是 采用这种原理，且己广泛应用到陶瓷、玻璃、金属等材料的平面加工中【2 7 1 。 新研磨加工技术 l 振动研磨 特殊研磨力研磨 磁性流体研磨 i 磁力研磨 ( f l 弹性发射加工研磨 微粒子冲击去除材料研磨 非接触研磨 l 电泳动研磨 r砂带研磨 i液体结合剂砂轮研磨 特殊研磨工具研磨弋 研磨膜研磨 i 固着磨料研磨 l 半固着磨料研磨 复合研磨 翟篓尝茎研磨 图1 1 新研磨技术 相对于超精密磨削、珩磨等固着磨粒加工，利用游离磨粒进行加工的超精密研磨抛光 技术，可获得更高的表面质量和更小的加工损伤层。其中超精密研磨包括机械研磨、化学 机械研磨、浮动研磨、弹性发射加工以及磁力研磨等加工方法【2 8 2 9 1 。超精密研磨的关键条 件是几乎无振动的研磨运动、精密的温度控制、洁净的环境以及细小而均匀的研磨剂口o 】。 超精密研磨加工出的球面度达o 0 2 5 岬，表面粗糙度尺a 达0 0 0 3 岬【3 l ，3 2 1 。但由于加工过程 2 浙江工业大学硕士学位论文 中磨粒处于游离状态，加工精度和加工效率对磨粒尺寸差异十分敏感，硬质大颗粒的侵入 可导致大量工件返修或报废，在降低加工精度和加工效率同时引起生产成本的大幅上升。 如表1 1 所示，列出研磨、磨削，平面珩磨的特点【3 3 。5 1 。 表1 1研磨、磨削、平面衍磨特点 淡 加工精度 材料去除率加工损伤层 硬质大颗粒的敏感度 研磨很高极低很小高 磨削 较高很高 大 高 平面衍磨高高小高 随着产品性能的不断提高，现代光电信息领域、精密机械领域对先进陶瓷材料的加工 精度和表面质量要求愈来愈高。表面粗糙度及表面完整性成为影响新材料器件性能的主要 因素之一。例如，微电子制造业中的硅片，按美国微电子技术协会( s n ) 提出的技术要 求，对o 1 岬的线宽，要求在2 5 4 0 n u n 2 区域内的表面平整度小于o 0 7 岬，表面粗糙度 要求达到纳米级，表面不能产生损伤层和过分应力集中p 6 姗。下一代计算机硬盘的磁头要 求表面粗糙度r 0 2 衄，磁盘要求表面划痕深度s 1 r 衄，粗糙度r 0 1 r 蚰。g a n 薄膜外延 生长衬底( 主要是蓝宝石和s i c ) 表面要求 o 4 1 1 1 1 1 咖s 且加工损伤层极小【3 8 ，3 9 】。高速高精 密轴承中使用的s i 3 n 4 陶瓷球表面粗糙度要求达到数纳米【4 0 ，4 1 1 。天文望远镜反射镜c v d s i c 表面要求 o 5 n mn n s 【4 2 1 。然而，当表面粗糙度和波纹度达到埃量级时，任何一个微小硬质 颗粒都可能对工件表面造成损伤从而导致大量工件的返修或废品。 如果在研磨加工的后期产生了较大的划痕，要在精研磨或抛光等工序去除划痕则浪费 了开始的工作，并且由于精研、抛光工序的加工效率较低，要耗费很长时间、很大精力才 能去除前道工序的缺陷，严重影响工件的加工效率，同时可能导致工件的报废，降低产品 合格率。所以对于划痕的控制是研磨加工中一个很值得考虑的问题。除磨料粒度、均匀性 的影响外，研磨压力、磨盘硬度、加工工件的硬度等也会对划痕的产生及大小有重要影响。 划痕是指在工件表面上随机分布的长短不一的线状缺损【4 3 4 5 1 ，它的产生通常有两种情况： 一种是随机的、不可预知、不可再现的划痕，这类划痕大多数取决于研磨加工时，磨料中 杂质的数量、混入的灰尘等，划痕深、数量少；另外一种是由于研磨加工工艺参数( 磨料 均匀性、磨盘硬度等) 的选用不合理，在工件表面形成的数量较多，深度较小的划痕。 3 浙江工业大学硕士学位论文 研磨加工时，如果磨料尺寸分散性较大，各粒群压入工件深度差也会变大，将直接影 响划痕深度差的大小，进而影响工件的表面质量和性能。在研磨加工中，如果采用较小的 研磨压力、取用较细并且颗粒均匀的磨料可以减小划痕的大小及产生的可能，但是同时又 会降低研磨加工的加工效率。研磨加工的效率与加工质量、划痕是一对矛盾体，当研磨加 工效率较高的时候，表面质量相对较差、划痕较深。在实际加工中，应该根据实际情况找 到一个结合点，兼顾加工效率和加工质量。 由此可知，在精密研磨中，硬质大颗粒的侵入对加工工件表面具有很大的破坏性。为 了能够有效解决加工表面损伤问题，兼顾加工效率与加工质量，实现高效精密加工，本项 目课题组提出了单元结构磨具的概念，在本文中进行比较深入的研究。 1 2 单元体研磨盘磨具加工技术的提出 传统的游离磨粒加工过程，由于同一粒度号磨具磨粒粒径大小并不相同，而是成一区 间分布。而磨粒与工件间的法向受力主要由磨粒的粒径大小决定，这使得加工时磨具表面 磨粒群对工件的法向力大小不等，再加上参与加工的磨粒群出刃高度不同，因而造成磨具 磨粒群对工件的切屑深度不一致脚，佣。 单元体研磨磨具加工是相对于整体研磨盘加工而言的，除去以绝对整体为研磨介质外 就称为单元体磨具研磨加工，这么定义单元体研磨磨具加工并无实际意义。本文所指的单 元体磨具研磨加工是指具有明显弹性特点，在一定范围内介于整体和单元体之间。磨具具 有在一定范围内移动能力的加工方法。 工件 图1 2 单元体研磨盘加工示意图 新研磨装置的原理如下：把研磨盘均匀分成很多小的部分，这些小的研磨盘可以相互 4 浙江工业大学硕士学位论文 组合在一起构成一个大的研磨盘。在每个小块的研磨盘下安装一个细小的弹性元件。正常 情况下，弹性元件有一定的压缩量，保持定刚度，相当于普通的研磨盘装置进行研磨加 工。当有大颗粒磨料或杂质混入的时候，大颗粒磨料所在的小块磨盘下面的弹性元件会被 压下，弹性元件分担一部分的研磨压力，避免了研磨压力的急剧变化。 单元体磨具在对磨粒的支撑强度相对于普通磨具要小得多，具有明显的弹性特点。加 工时，单元体磨具的表层磨粒中出刃高度最大的大颗粒首先接触到工件表面，工件对该磨 粒的压力使其在单元体上支撑力增大，这使得磨粒在工件中的切屑深度增加。但磨粒对单 元体的压力大于一阈值后，由于单元体磨具特性，弹性机构发生变形( 压缩) ，即磨粒下 陷位移增加而单元体对磨粒的作用力变化不大。因此磨粒对工件切屑深度也几乎不变。与 此同时，随着工件的下移，工件开始接触到越来越多出刃高度小的磨粒，这些磨粒也和出 刃高度最大的一样，发生着弹性位移压缩的过程。当工件接触到的磨粒数量对工件的作用 力与加工载荷平衡时，工件不再下移。此时磨粒群对工件的压入深度相差很小，可实现对 工件的近等切屑深度加工。这使参与加工的磨粒增多，大大提高单元体磨具研磨的加工效 率，且加工后工件表面质量好。对于加工中出现的硬质大颗粒下陷效果更为明显，达到减 轻硬质大颗粒损伤工件表面的目的。 1 3 本课题的研究目标及意义 随着超精密加工技术在民品中的广泛应用，批量加工的高效率、低成本显得越来越重 要。防止划痕、裂纹等表面损伤和提高研磨效率是一对矛盾，研究一种能化解这对矛盾， 应用于大批量生产的精密研磨加工技术显得的极为迫切。 加工效率不高的主要原因是抛光前的工件质量太差，存在少量的深划痕和较厚的变质 层，给超精密抛光工序留下了过大的加工余量。目前，抛光前的工序以采用研磨的方式为 主，而传统的研磨加工方法容易造成划痕等表面损伤，这些问题随着材料尺寸的不断增大， 加工要求的不断提高显得更加突出。其原因就在于传统的研磨加工方法对磨粒的尺寸变化 十分敏感，各点的研磨压力差别很大。即使没有大的异常颗粒侵入加工区，磨料本身不可 避免的尺寸分散性也会造成局部点的压力过大，引起划痕等表面损伤。为了避免加工表面 和亚表面层损伤，往往采用软磨料、低硬度的研磨盘，降低加工压力。但是由于这些先进 陶瓷材料的高硬脆特性，又致使加工过程漫长，造成效率低下，成本高昂，并且过软的研 磨盘还会影响工件的型面精度。 本项目提出了一种新的精密研磨加工方法：基于限力结构单元研磨盘的研磨加工技术。 浙江工业大学硕上学位论文 传统的研磨加工方法采用的是整体结构的研磨盘，而本方法采用了一种单元结构的研磨盘， 这种单元结构具有限力功能。在正常研磨情况下，具有和硬质整体结构的研磨盘一样的效 果，可以保证高的加工效率及高的零件型面精度。一旦有异常大颗粒出现，当压力超过临 界值时，限力单元将发挥作用通过限力单元体的下陷，避免局部压力过大增加，从而避免 深的划痕及深的变质层的产生。该方法仅改变了研磨盘的结构，无需改变原有的研磨设备， 因此成本低，易于推广，其实际应用前景广阔。对于超精密加工而言，防止划痕、裂纹等 表面损伤和提高研磨效率是一对矛盾，基于限力结构单元研磨盘的研磨加工技术为解决这 一矛盾提供了一个新的途径。 1 4 国内外研究现状及分析 1 4 1 研磨技术研究现状 研磨、抛光仍然是目前主要的获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段， 目前，单晶硅、蓝宝石等难加工材料的精密超精密加工主要采用磨粒加工方法，磨粒在磨 具上的分布有游离和固着两种形式，前者包括研磨、抛光技术，后者包括磨削技术和精细 磨削技术。各技术目前所能达到的精度量级如图1 3 所示h 8 捌】。 岫 0 0 0 0 lo o o lo o 】o 1 姗o 11l o1 0 0 l 1 0 0 0 普通磨削( ( 讯n d i n g ) 精细磨削f m e f i n d i i l g 图1 3 各加工方法精度数量级 游离磨粒去除材料的机理可以分为如下三种。1 ) 通过被加工材料的变形去除材料；2 ) 通过磨粒与被加工材料的化学反应去除材料；3 ) 通过加工液与被加工材料的化学反应去除 材料。在此主要介绍以游离磨粒研磨为主的第一种发展现状。 以脆性破坏为主的材料去除中，工具表面和工件表面中夹着的游离磨粒，由于工具和 工件的相对运动，产生滚动和滑动。磨粒的尖端压入被加工面时，被加工面产生裂纹等脆 浙江工业大学硕士学位论文 性破坏，这种加工方法称为研磨( 1 a p p e df i n i 蛳n g ) 。依据这种机理的加工方法，主要有玻璃、 s i 晶体和陶瓷等脆性材料的研磨、喷射加工和超声波加工。其中研磨使用的工具材料一般 有铸铁、钢、陶瓷等硬质材料，磨粒材料一般有a 1 2 0 3 、s i c 、b 4 c 等【5 3 ，5 4 1 。喷射加工是通 过微喷嘴形成的高速气流( 液流) 混合微细磨料对工件表面进行冲蚀加工。根据加速方式的 不同又分为气流方式( m i c r oa b r 商v ej e tm a c h i n i n g ，m a j m ) 和液流方式( m i c r oa b r a s i v e w a t e rj e tm a c h i i l i n g ，m a w j m ) 。p e iz j 等【”】提出了一种非接触超声研磨加工方法( n o n c o n t a c tu l 缸邪o l l i ca b r a s i v em a c l l i m n g ，n u a m ) 。z a m d il 等【1 4 】提出采用基于超声波的超 声一脉冲电解复合研磨加工技术，从理论上探讨基于硬脆金属材料的超声脉冲电解复合研 磨加工机理及加工模型。 游离磨料也存在一定的局限性，主要体现在加工精度对磨粒尺寸差异敏感。在理想状 况下，工件与磨具之间的磨粒粒度均匀一致，磨粒上的载荷相等。当加工区内有硬质大颗 粒产生( 磨粒团聚或工件磨屑) 或进入( 外界环境中的大颗粒灰尘) 时，若磨具为刚性， 则加工载荷由少量大颗粒承担，导致大颗粒对工件的切深增加因而形成划痕、凹坑等损伤， 或者大颗粒在载荷作用下破碎，但在破碎前往往已在工件表面形成损伤。 为实现高精度无损伤加工表面，众多学者提出了多种加工方法，包括化学机械抛光 ( c m p ，c h e i i i o m e c h a m c 2 l lp o l i s g ) 【5 9 】水合抛光( h y d r a t i o np o l i s l l i n g ) 【6 0 1 、弹性发射加 工( e e m ) 、浮动抛光( f l o a tp o l i s h i n g ) 、磁流体抛光( m a 印e t i cf l o a t i n gp o l i s m n g ) 1 1 捌、 电泳抛光( e l e c 仃o p h o r e t i cd e p o s i t i o nt e c l 血q u e ) 【3 5 】、快速可更新的研磨抛光( r 印i d r e n e w a b l el a p ) 等技术【7 1 ，其中c m p 技术的应用最为广泛。国内学者对抛光过程做了大 量研究【6 - 8 】。哈尔滨工业大学、天津大学、大连理工大学、航空精密机械研究所、长春光机 所、国防科技大学、清华大学、北京机床研究所等单位在先进陶瓷加工理论与技术方面做 出了卓有成效的研究。尽管抛光被认为是获得超光滑无损伤表面的有效方法，但也存在一 定的局限性，主要体现在：材料去除主要基于三体磨损机理，磨粒主要以滚动的方式实现 材料去耐9 ，1 0 】，单位时间内参与材料去除的磨粒数量少，材料去除率极低。最为重要的是， 加工普遍存在着对磨粒尺寸差异敏感，加工区内一旦有硬质大颗粒产生( 磨粒团聚或工件 磨屑) 或进入( 外界环境中的大颗粒灰尘) ，工件表面就会产生划痕、微裂纹、凹坑等缺 陷，必须返回前道工序进行返修并有大量工件因厚度超差而报废。为避免硬质大颗粒对加 工面造成的损伤，通常采用弹性抛光垫( 沥青、聚氨酯等材料) 的方法来缓解大颗粒对工 件表面的负面作用【l o 】，但由于抛光垫与大颗粒所接触的位置弹性变形增大，使得对大颗粒 的压力增加，仍会造成工件表面的划痕等损伤形式。目前，只能靠提高加工环境的净化程 7 浙江工业大学硕上学位论文 度和磨粒尺寸的一致性来避免硬质大颗粒对加工面的损伤，但代价高昂且不能完全避免大 颗粒的侵入。 国内外对新型加工方式提出了大胆的创新，也突破了传统观念的束缚。浙江工业大学 精密加工中心针对精密加工中硬质大颗粒造成工件表面损伤及精度与效率不可兼得的问 题，提出具有“陷阱”效应的半固着磨具的概念【4 1 4 6 】。 半固着磨具主要由磨粒、孔隙、结合剂组成( 如图1 - 4 所示) ，但结合剂的强度不大， 当硬质大颗粒进入加工区时，大颗粒周围磨粒可产生位置迁移，形成“陷阱”空间( 图1 5 ) 使大颗粒与磨粒趋于等高。但此项技术尚在研究阶段。 磨具 表层 磨粒 图1 - 4 半固着磨具结构示意图 硬质大颗粒 图1 - 5 硬质大颗粒逐渐陷入磨具示意图 综上所述，抛光加工技术是以极低的去除效率来保障极高的加工精度，硬质大颗粒引 起的表面划痕使大量工件返修或报废，严重阻碍了整体加工效率的提高，如何有效避免硬 质大颗粒造成的损伤已经成为研磨工艺中亟待解决的问题。对于精密加工而言，防止划痕、 裂纹等表面损伤和提高研磨效率是一对矛盾，研究一种能化解这对矛盾，有效地避免硬质 大颗粒造成的表面损伤，提高整体加工效率，用于大批量生产的可实现高一致性、高成品 率、低损伤、低成本的纳米、亚纳米级表面粗糙度的精密高效加工技术显得极为迫切。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 2 超精密平面研磨划痕形成的建模与仿真研究现状 在同超精密平面研磨领域的学者的探讨过程中，以及相关资料的收集过程中发现，虽 然有些专家、学者对磨削、铣削等加工系统进行了理论研究，并进行了建模分析，但是相 对缺少对超精密平面研磨加工中划痕的产生及影响因素进行系统的理论分析、仿真模拟等 工作。南京航空航天大学的王长征这方面做了一些基础研究工作。建立了基本划痕模型； 李艺针对游离磨粒加工中的流场运用两相流理论对其进行了仿真和实验研究。采用 s p a l a n a l l m 硼置s 固液两相m i x 眦湍流模型对磨粒流加工过程中磨粒流的流动形态进行了 数值模拟【5 5 1 。基于欧拉体格朗开耦合算法，采用四棱锥模拟磨粒的切刃，进行了单颗磨粒 的三维切削仿真。除此之外目前大多数都是通过实验的方法，验证不同的加工工艺参数对 研磨划痕深度的影响大小。虽然这种方法能够对加工有一定的指导作用，但是这种通过实 验确定各个因素影响大小的方法有许多缺陷：如不便于分析几个工艺参数的综合影响；实 验成本较高；一些因素对划痕的影响是非线性变化的，如研磨压力在一定范围内会减小划 痕，而在另外的范围内会增大划痕，对这些影响因素的验证需要大量的实验。 导致目前这种对游离磨料研磨加工研究较少的主要因素( 同时也是游离磨料研磨理论 分析的困难所在) 是：在研磨加工过程中，磨料散置于磨盘上，其运动是随机的并且比较 复杂，滑动和滚动同时存在，磨料对工件的研磨切削力的大小和方向也是随机的，许多参 数都是不可知的或者说是时刻变化的，给分析和求解带来困难。目前，在超精密平面研磨 加工领域中，还不能定量地分析各工艺参数对划痕的影响大小，理论的指导性还不强，研 究主要依赖实验的摸索。 1 5 本文研究内容与论文结构安排 1 5 1 研究内容 通过关键技术研究提出一种新型的研磨盘和基于此研磨盘的精密高效研磨新技术，研 究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 建立划痕形成模型，对模型进行数学仿真分析 研磨加工过程中，各磨粒刻划工件的深度是不同的，磨粒尺寸敏感性是指磨粒刻划工 件的深度变化和磨粒尺寸差异的相关程度。以单颗磨粒压入工件表面的基本模型为基础， 建立仿真程序，分析磨粒尺寸敏感性与磨粒尺寸、磨粒尺寸分布、工件材料、研磨盘材料、 研磨液浓度等因素的关系，为以下的研究提供理论依据。 ( 2 ) 单元结构的限力机制研磨加工的研究 q 浙江工业大学硕士学位论文 采用模拟仿真和实验研究相结合的方法，研究单元结构的限力机制。重点研究在考虑 单元结构体的截面面积、单元结构体的分布、单元结构体材料、工件尺寸、工件材料、磨 粒尺寸及分布的情况下，如何调整单元结构体的尺寸、支撑力的大小和弹性系数来降低磨 粒尺寸敏感性，为单元结构研磨盘的设计提供依据。 ( 3 ) 利用开发的研磨仿真程序，确定各个工艺参数的影响大小 通过实验得到加工数据，进一步验证仿真的结果。针对模型，再通过模型试验以了解 原系统( 过程) 在各种内外因素变化下，性能的变化规律，最终达到能指导实际加工