固结磨料研磨蓝宝石工件的材料去除机理及工艺研究

发布时间：2018-02-28 04:03

本文关键词： 蓝宝石固结磨料垫研磨机理材料去除速率表面粗糙度亚表面损伤　出处：《南京航空航天大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：蓝宝石单晶因具有良好的机械和光学性能,在武器装备和国民经济诸多领域的应用逐步扩大。但由于蓝宝石单晶硬度高、脆性大且化学性能稳定,加工效率低下、加工成本高昂,制约了其进一步应用。固结磨料技术因具有加工效率高、工艺可控性好、成本低且绿色环保等优点而被广泛关注。本文利用金刚石固结磨料研磨垫(Fixed Abrasive Pad,FAP)研磨加工蓝宝石晶片,建立微观材料去除模型,探讨固结磨料研磨蓝宝石的材料去除机理,并优化加工工艺参数。开展的主要工作包括:(1)研究FAP表面金刚石磨粒的退让性建立磨粒的分布模型,分析并估算FAP表面实际金刚石磨粒的数量。结合FAP基体微凸起的形态,探索研磨过程中工件、磨粒、基体之间的力与变形的关系。结果表明:金刚石磨粒受力后,使工件发生塑性变形,形成切深;而包裹磨粒的树脂基体因弹性变形产生退让,且退让距离远大于切深。(2)研究FAP与蓝宝石工件的接触行为建立基体表面微凸起分布模型,分析基体与磨粒对研磨压力的分担关系,估算磨粒切入工件的最大深度,探讨磨粒退让对切深的影响规律,推导最大切深与材料去除速率和表面粗糙度的关系,通过实验进行了验证。(3)研究固结磨料研磨蓝宝石的材料去除机理采用分量处理法把影响材料去除速率的因素逐项分解,建立机械、化学及其耦合作用的材料去除模型,通过实验剖析各因素对材料去除速率的影响。结果表明:金刚石磨粒对材料去除率的贡献达95%左右,是材料去除的主导。在金刚石磨粒去除的过程中,纯机械作用约为63%左右,化学机械耦合作用约为32%左右。(4)揭示研磨液在材料去除中的作用采用纳米压痕和XPS深度剖析的方法分析了加工过程中研磨液对蓝宝石工件表面的化学作用,估测研磨液对蓝宝石工件表面化学影响层厚度,推断可能发生的化学反应方程,分析了表面影响层的成因。(5)研究固结磨料研磨蓝宝石的亚表面损伤运用差动腐蚀法测量不同研磨方式加工蓝宝石的亚表面损伤层深度,探索固结磨料研磨蓝宝石的亚表面损伤形成机理,初步提出控制亚表面损伤层深度的具体策略,为优化研磨工艺提供理论支持。(6)开展固结磨料研磨蓝宝石的工艺研究采用单因素实验法改进FAP的结构参数,有效减小了磨粒的退让和脱落。并通过正交实验优化了研磨加工工艺,大大缩短了蓝宝石研磨抛光的工艺时间,奠定了其产业化应用的基础。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.68;TQ164

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