【摘 要】
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尖端科技的发展使得对精密元器件的需求越发强烈,应用于元器件的晶片或光学元件的表面加工精度和平整性直接决定着元件的工作性能。由于此类硬脆性材料独特的物理机械特性,传统的加工技术难以实现元件表面材料的均匀去除而降低了元件的工作性能。本文提出一种基于梯度功能研抛盘的加工新方法,区别于传统均质盘加工技术,本方法使用的研抛盘具有如下特点:作为颗粒增强复合材料,磨粒软固结在基体中,与工件软接触;同时,盘面径向
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尖端科技的发展使得对精密元器件的需求越发强烈,应用于元器件的晶片或光学元件的表面加工精度和平整性直接决定着元件的工作性能。由于此类硬脆性材料独特的物理机械特性,传统的加工技术难以实现元件表面材料的均匀去除而降低了元件的工作性能。本文提出一种基于梯度功能研抛盘的加工新方法,区别于传统均质盘加工技术,本方法使用的研抛盘具有如下特点:作为颗粒增强复合材料,磨粒软固结在基体中,与工件软接触;同时,盘面径向呈现弹性模量梯度分布,在Preston去除方程中K系数微弱变化或定值的情况下,实现径向方向各接触点的应力P与相对速度V乘积定值,以达到加工区域各点的均匀去除,实现工件表面的平整性。本文完成的主要工作和获得的研究成果如下:(1)研究梯度功能研抛盘弹性层力学性能,在分析和比较常用复合材料力学模型优劣性的基础上,采用八链网络模型建立基于尺寸效应的颗粒增强复合材料的弹性模量预测模型,通过弹性层试样拉伸实验,对比Mori-Tanaka方法模型和八链网络模型对弹性层弹性模量的预测准确性。对比发现:由于颗粒尺寸对弹性层力学性能的影响,Mori-Tanaka方法对弹性层弹性模量的预测偏差明显,八链网络模型在颗粒体积占比40%以内的弹性模量预测性良好。(2)建立梯度功能研抛盘弹性层与工件的接触模型,用半逆解法推导出梯度功能弹性薄层无摩擦接触应力方程,同时引入补偿函数H(z)补偿非接触主轴的应力对接触面接触应力p(y)的影响,获得了初步的应力方程。应用ANSYS-Workbench仿真得到了位移加载下工件接触面的等效应力分布,确定函数H(z)中参数N的取值范围,通过Matlab计算参数N取值下的接触应力预测值,与仿真结果的拟合误差保持在10%以内,获得了应力预测方程的解析式及参数N与下压量和盘厚度的关系函数N(δ/h)。(3)搭建加工实验平台,用薄膜压力传感器测量5梯度分布研抛盘在3组δ/h比值下的各梯度环内工件接触面所受应力大小。得到:同一δ/h比值但不同厚度的研抛盘接触所对应的工件接触应力测试值一致性误差在5%以内;与应力预测方程的预测值对比,误差保持在10%的控制范围以内,验证了应力预测模型的准确性以及梯度功能研抛盘设计理念的正确性。应用1000目碳化硅磨粒混合弹性黏结剂制备而成的5梯度分布研抛盘对K9玻璃进行加工,通过测量各梯度环内K9玻璃的去除量,得到:在加工1.5h后,K9玻璃在各梯度环内的均匀去除性得到了较好的体现,并且加工表面凹坑、划痕减弱,表面质量趋于稳定。证实了梯度功能研抛盘实现材料均匀去除的可行性。
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