气-液-固三相磨粒流加工方法及微气泡增强效应研究

发布时间：2020-11-08 11:37

　　 单晶硅片、功能晶体、K9光学玻璃等信息材料器件广泛应用于电子工业领域,这些器件的表面质量直接决定了半导体等核心部件的工作性能。软性磨粒流加工作为一种低粘性流体光整方法已成功应用于复杂结构曲面的柔性光整,但是该方法受到加工工具及装备结构限制无法进一步提升近壁面湍流强度,在面向上述硬脆性材料时加工效率较低。鉴于软性磨粒流加工方法的技术优势,解决其在信息材料加工领域的应用具有重要的现实意义。针对上述问题,本文提出一种基于气泡增强效应的气-液-固磨粒流加工方法。首先对近壁面三相磨粒流运动进行分析,建立气泡诱导增强下的湍流模型;在此基础上对磨粒-壁面接触效应、单气泡运动过程、气-液-固三相磨粒流运动展开理论建模,进而采用数值求解方法研究三相磨粒流加工特性;最后,通过粒子图像测速方法对三相磨粒流场进行观测研究,并通过对比加工实验验证加工方法的有效性。本文具体内容如下:(1)基于流体分层理论开展近壁区三相磨粒流最优运动形态分析,建立能够准确描述气泡诱导增强的流体湍流模型。在此基础上从三个角度展开三相磨粒流建模:基于计算流体力学和离散单元耦合(CFD-DEM)建立旋流状态下的磨粒流运动模型;分析约束流道内气泡溃灭特性,建立单气泡界面追踪模型;考虑到微尺度气泡溃灭引起的尺度变化,采用计算流体力学和群体平衡模型耦合(CFD-PBM)建立三相磨粒流运动模型。最后对磨粒进行受力分析,进而对近壁区三相磨粒流加工机理进行研究。(2)建立旋流流道离散元模型,采用压力耦合的半隐相容算法求解CFD-DEM耦合方程组,得到旋流场内的磨粒-壁面碰撞动态分布与演化规律。在此基础上研究不同流态下的磨粒-壁面冲击特性,研究流道关键尺度及流体粘性对磨粒-壁面碰撞分布及材料去除分布产生的影响,结果表明入口直径是影响磨粒-壁面碰撞均匀性的关键因素,随着直径的增大,碰撞分布存在最优值;当磨粒流处于不同流态时,流体粘度对材料去除作用原理不同,低粘度流体下材料去除均匀性有明显提升。(3)从微观及宏观两方面展开微尺度气泡在约束流道内的增强效应研究。在微观方面,基于流道相似准则简化三维旋流流道,进而对气泡界面追踪模型进行数值求解,研究单个气泡在流道内的运动、变形、溃灭过程,在此基础上量化分析射流强度及流体粘性之间的关系;在宏观方面,对CFD-PBM耦合方程进行三维数值求解,采用气泡尺度分布间接描述气泡群溃灭场分布,并研究流体粘性对溃灭分布及磨粒湍动能、磨粒动压等关键加工特性产生的影响。结果表明气泡溃灭射流能有效增强局部磨粒切削动能;低粘性流体下气泡溃灭射流更易发展;约束流道入口位置气泡溃灭最为剧烈,通过设计旋流流道结构,可实现工件表面针对性区域加工。(4)以数值分析结果为基础,进行实验验证。通过二维粒子图像测速法对近壁面局部三相磨粒流及宏观三相磨粒旋流进行测速分析,结果表明近壁面湍流涡尺度及方向呈随机分布;气泡注入后局部粒子速度得到明显提升,基本处于15.00 m/s至17.00 m/s,最高速度可达20.00 m/s;宏观流场速度分布与模拟结果一致,呈现涡流低速区、速度增强区及速度耗散区。搭建三相磨粒旋流循环加工实验平台,进行对比加工实验验证,并采用油漆流态显示法证明涡旋流场的有效性,结果表明气泡增强效应可有效提高磨粒流加工效率,加工后平均粗糙度达到2.84 nm;通过与相同目数磨粒接触式加工对比,三相磨粒流加工可有效减小磨粒硬性压入造成的表面损伤。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN305
【部分图文】：

第 1 章 绪 论磨粒及杂质的粒径尺寸不一致问题，容易引起磨粒受力不均，进而导致工件表面出现加工变质层及亚表面损伤[26,27]；并且，CMP 采用的腐蚀剂易对环境造成污染，抛光废液处理成本较高[28,29]。流体抛光方法则采用柔性较好的流体作为磨粒的驱动介质，当有大尺度磨粒冲击工件表面时，流体可较好的缓冲过冲击效应，从而有效避免由于磨粒的硬性压入而造成工件损伤[30]。除此之外，由于流体形态的不确定性，使之能够适应非规则曲率变化的工件表面，实现全方位的表面光整[31-35]。(a) 大规模集成电路 (b) 激光聚变实验平台

加工原理如图 1-2 所示。AFM 最初用于飞机关键部位阀门和阀芯的去毛刺和带孔的倒圆，后逐渐应用于飞机涡轮叶片抛光、医疗植入部件光整、模具抛光等各43-46]。自从 Tom K 在 1989 年首次提出 AFM 后，诸多学者展开了深入研究[47]。Go 等人通过对比加工实验研究了挤压力及磨粒浓度等工艺参数对材料去除、表面、切削力及有效磨粒密度的影响，得到了不同工艺参数和表面粗糙度之间的变化9]。Jain R K 等人研究了采用碳化硅磨粒流加工时的材料去除机理，同时进行了数研究，通过针对性的改变工艺参数可精确控制加工后表面形态[50]，并通过有限研究磨粒载体和加工介质粘滞性变化对工件材料去除量的影响[51]。Fang L 等人磨削温度变化对磨粒流加工产生的影响，讨论了温度和粘度的变化关系并进行了拟[52]。Uhlmann E 等学者研究了先进陶瓷材料的加工过程，得到了加工时长和工平均粗糙度之间的关系，通过建立加工过程模型研究了陶瓷导线器宽度变化与加的关系[53]。Sankar M R 等人研究了螺旋式磨粒流的加工特性，通过加工不同材质金，得到了工件旋转速度、加工次数、挤压压力、介质油百分含量与表面粗糙度系[54]。

MRF 是利用磁流变抛光液在磁场中的流变特性进行抛光。在高强度磁场内，磁抛光液会形成缎带凸起的粘塑性 Bingham 介质，当这种介质经过微小缝隙时，在工面会形成很大的剪切应力，进而实现工件表面材料去除，加工原理如图 1-3 所示。 Suzuki H 等人提出 MRF 技术后，国内外诸多学者对其加工机理、加工工艺等展开入研究[55,56]。Seok J W 等人采用 MRF 技术对直角结构工件进行加工，并采用表面法对工件形貌进行预测，进而采用已知的实验参数以及二阶回归模型对工件结构面模拟分析，以此分析结果为基础，对工件进行抛光[57]。中科院长春光机所张峰等人在国内展开了 MRF 材料去除机理及去除函数模型研究，并制备了磁流变原理样机[防科技大学彭小强等人对磁场设计和磁场力进行了分析，并对循环系统和材料去除进行了研究[59]。之后国防科大研究小组在李圣怡等人的带领下，开展了 MRF 在光件加工中的应用基础研究，基于 Preston 方程建立了材料去除模型，并通过平面镜实验验证了模型的准确性[60]。MRF 具有加工效率高、去除函数稳定等显著特点，成为一种确定性的曲面零件超精密加工方法，但该方法存在加工成本高、磁性磨粒复杂等缺点，一定程度上限制了其发展和应用[61]。
【参考文献】

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本文编号：2874732