液动压悬浮抛光方法的基础研究

发布时间：2020-07-23 17:09

【摘要】：面向纳米薄膜生长衬底的原子级超光滑表面要求,提出了液动压均匀分布的悬浮抛光新方法。该方法的核心技术是采用抛光液浸没工件的方式,适当粘度的抛光液在楔形抛光工具盘的旋转驱动下,快速通过间隙收敛的液楔,形成液动压使抛光工具悬浮,保持了磨粒与工件表面处于非接触状态;同时构建了流场的约束边界,使工件在流体剪切应力和液动压力稳定区完成抛光加工。本论文采用理论计算和仿真计算对液动压悬浮流场进行研究,探索约束边界和楔形流道结构参数对均匀液动压力和承载能力的影响规律,建立液动压悬浮抛光中磨粒与工件的碰撞模型,揭示了工件表面应力松弛机理,利用设计的悬浮抛光机床对单晶铜工件进行抛光实验,测试工件表面形貌和残余应力。1.为便于理论分析,将液动压悬浮抛光流场简化为二维结构化流场和平行旋转圆盘流场。基于流体动力润滑理论,推导了二维结构化流场的压力公式和承载能力公式,利用MATLAB对压力公式和承载能力公式进行计算。计算结果表明,液动压悬浮抛光中约束边界的设计提高了平行区域的压力大小和均匀性以及流场的承载能力;斜面占长比r、斜面升高比b对压力大小影响平行区域的压力大小和均匀性以及流场的承载能力,且当r=0.8,b=1.2时,承载能力达到最大。2.推导了平行旋转圆盘流场中的速度公式和压力公式,并对此进行分析。分析结果表明,抛光液的速度是由切向速度和径向速度共同组成,切向速度远大于径向速度。整个流场的抛光液流动是由剪切流动和径向辐射流动叠加而成的螺旋流。在平行圆盘流场中,压力随着半径的增大而增大,最中心处压力最小且为负压。3.利用计算流体力学(CFD)方法对液动压悬浮三维流场进行数值模拟,分析了工件加工区域的流体压力分布和磨粒速度分布。结果表明,约束边界提高了平行区域的流体压力大小和均匀性。沿着周向方向的压力曲线和理论推导的压力曲线的变化趋势高度一致,但在单元流场的入口和出口处出现负压。4.利用ABAQUS建立了液动压悬浮抛光中磨粒与工件的碰撞模型,通过在工件上施加预应力的方式来替代由机械研磨加工而产生的残余应力,分析单颗磨粒和多颗磨粒撞击该工件表面产生的残余应力松弛效应。结果表明,随着磨粒速度的提高,工件表面的残余应力松弛效率越高,但应力松弛区域的应力不均匀性增加;随着撞击次数的增加,工件表面的残余应力减小到一个稳定值而不发生变化,且速度越高,稳定值越小。磨粒速度与抛光工具盘转速基本成正相关关系,因此通过提高加工转速可以提高工件表面的应力松弛效果。5.以单晶铜为加工对象,利用研制的液动压悬浮抛光机床制备超光滑表面试样,并通过VEECCO NT白光干涉仪、SEM、TEM等表征铜试样,与传统机械抛光加工、动压浮离抛光加工的试样进行对比,结果表明液动压悬浮抛光较传统机械抛光可获得表面粗糙度更小、表面形貌及晶格完整性更好的超光滑表面。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG175;TG146.11
【图文】：

抛光方法,流体动压,动压,弹性

鉴国内外专家相关研究成果和上述分析的启发，课题组面向应用于纳米薄级超光滑衬底抛光制备，提出了液动压悬浮抛光新方法，如图 1-6(a)所示的原理和特点为：采用抛光液浸没工件的方式，适当粘度的抛光液在楔形转驱动下，快速通过间隙收敛的液楔，形成液动压使抛光工具盘悬浮，保件表面处于非接触状态；构建了流场的约束边界，使工件在流体剪切应力定区完成抛光加工。液动压悬浮抛光汇聚浴法抛光、浮法抛光、弹性发射离抛光的一些特征，同时又含有这些方法所不具备的优点，液动压悬浮抛境”、“动压悬浮”和“均匀压力分布”等特征。(a)液动压悬浮抛光(b)浮法抛光

抛光工具,面结构,俯视图,内径

液动压悬浮抛光工具盘表面结构俯视图D1：抛光工具盘内径；D2：抛光工具盘外径

抛光工具,二维结构,容器,流场

抛光工具盘和容器间的二维结构化流场13(b)

【参考文献】