多磨头磁流变抛光装置设计及实验研究

论文摘要

随着科学技术的快速发展,对光电材料加工表面质量要求越来越高,超精密加工技术面临巨大的挑战,不断出现新的超精密加工方法。磁流变抛光技术以其柔性、高精度特点已经被应用到光学表面的超精密加工,但如何提高磁流变抛光的加工效率是超精密加工领域的一个重要课题。针对传统轮式磁流变抛光单点加工效率低的缺点,本文提出了一种多磨头磁流变抛光方法,利用多块磁铁组合形成磁场发生装置,在抛光轮表面形成一组柔性微磨头对工件表面进行加工。首先,分析了多磨头磁流变抛光加工原理,研制了相应的抛光试验装置,可以实现工件的多点同时抛光,通过轨迹扫描以实现对平面、2.5D曲面的均匀加工。利用模块化设计方法,对装置的各个组成部分:旋转抛光轮及传动装置、磁铁及其装夹装置、磁流变液循环系统分别进行了优化设计。其次,采用磁场仿真和定点抛光试验优化了磁场发生装置。利用有限元仿真软件Maxwell分析了不同磁场分布方式与磁极间距时抛光轮表面的磁感应强度及其分布情况,采用数字特斯拉计测量了抛光轮表面实际磁感应强度及其分布,对仿真结果进行了验证。进一步采用单晶硅基片的定点抛光试验验证了磁场仿真结果,根据抛光斑的去除轮廓与峰值点的表面形貌分析不同磁场分布方式与磁极间距对材料去除的影响。结果表明,不同磁场分布方式对抛光区的磁场分布有很大影响,磁铁轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布时,具有较高的磁场强度和较好的多磨头效果,能实现多磨头磁流变抛光原理,其中轴向充磁同向排布时加工效率较高,工件表面材料去除模式是塑性去除。但采用径向充磁同向排布时,由于抛光区磁感应强度较低,磁流变微磨头无法对工件进行有效地抛光。磁极间距对磁感应强度的大小有直接影响,在磁极间距为4mm时,峰值点的磁感应强度分布相对均匀,材料去除也相对均匀。最后,利用优化后的多磨头磁流变抛光装置,对单晶硅片进行去除函数试验,分析了去除函数的形状、去除轮廓与表面粗糙度分布。采用单因素试验法研究了铁粉浓度、磨料浓度、抛光轮转速、磁流变液流量、加工间隙、轴向摆动距离、加工时间等参数对单晶硅片的去除函数及抛光效果的影响规律,并对加工工艺参数进行了优化。优化的较佳工艺条件为:W3粒径的羰基铁粉32vol%,W3粒径的Al2O3磨料5vol%,抛光轮转速150r/min,磁流变液流量2.4L/min,加工间隙0.8mm,轴向摆动距离10mm,摆动速度10mm/s,采用该优化工艺对单晶硅片连续抛光2h,峰值点的表面粗糙度从Ra180nm减小到Ra3.8nm,峰值去除率达到0.149μm/min。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题的来源与意义
•     1.1.1 课题的来源
•     1.1.2 课题研究的背景及意义
•   1.2 超精密加工技术的国内外研究现状
•     1.2.1 化学机械抛光
•     1.2.2 离子束抛光
•     1.2.3 气囊抛光
•     1.2.4 流体动压抛光
•     1.2.5 磁流变抛光
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 多磨头磁流变抛光加工原理及装置设计
•   2.1 引言
•   2.2 多磨头磁流变抛光加工原理
•   2.3 多磨头磁流变抛光的扫描路径规划及优点
•   2.4 多磨头磁流变抛光装置总体方案
•   2.5 抛光装置关键零部件设计和选型
•     2.5.1 旋转抛光轮及传动装置
•     2.5.2 磁铁及其装夹装置
•     2.5.3 磁流变液循环系统
•   2.6 试验检测方法与设备
•   2.7 本章小结
• 第三章 多磨头磁流变抛光磁场的优化设计
•   3.1 引言
•   3.2 磁场分布方式的优化
•     3.2.1 不同磁场分布方式的磁场仿真
•     3.2.2 不同磁场分布方式的定点抛光试验
•   3.3 磁极间距的优化
•     3.3.1 不同磁极间距的磁场仿真
•     3.3.2 不同磁极间距的定点抛光试验
•   3.4 本章小结
• 第四章 多磨头磁流变抛光去除函数及工艺试验研究
•   4.1 引言
•   4.2 多磨头磁流变抛光去除函数试验研究
•   4.3 多磨头磁流变抛光工艺试验设计
•   4.4 工艺参数对多磨头磁流变抛光去除函数的影响
•     4.4.1 铁粉浓度的影响
•     4.4.2 磨料浓度的影响
•     4.4.3 抛光轮转速的影响
•     4.4.4 磁流变液流量的影响
•     4.4.5 加工间隙的影响
•     4.4.6 摆动距离的影响
•     4.4.7 加工时间的影响
•   4.5 本章小结
• 总结与展望
•   一.主要结论
•   二.主要创新点
•   三.展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宾水明

导师: 路家斌,洪志清

关键词: 多磨头,磁流变抛光,磁场分布,去除函数,工艺试验

来源: 广东工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,机械工业

单位: 广东工业大学

基金: NSFC-广东省联合基金“多场耦合控制磨料状态的新一代光电晶片超光滑平坦化加工理论与关键技术研究”(U1801259)

分类号: O441;TH69

DOI: 10.27029/d.cnki.ggdgu.2019.000484

总页数: 80

文件大小: 4264K

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