基于环摆式双面抛光法加工预测模型的去除均匀性研究

针对环摆式双面抛光难以建立稳定去除函数并进行加工面型预测这一问题,提出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光加工预测模型,并通过预测模型分析不同参数影响下元件表面去除均匀性,针对不同特征面型给出优化策略以指导加工实验。首先,根据环摆式双面抛光机理,探究了环摆式双面抛光中影响去除均匀性的主要因素,提出了元件上、下表面磨粒运动学模型,结合Preston方程给出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光去除均匀性预测模型。根据实际加工工况,分析了不同抛光均匀性影响因素下的磨粒轨迹分布与抛光去除非均匀性,最后通过加工实验验证环摆式双面抛光加工预测模型。实验结果表明：环摆式双面抛光加工预测模型的预测结果与实际加工结果基本吻合,其面型去除特征相同。元件上表面是元件去除非均匀性的主要来源,通过改变中心偏心距、径向摆动距离等参数能改变元件上表面的去除非均匀性,从而影响元件整体面型特征,并实现基于预测模型指导下元件表面面型的快速收敛。     

环带抛光技术材料去除理论模型研究

为了更加完善环带抛光技术并指导加工,根据Preston方程建立了材料去除量的理论模型。考虑到环带抛光技术中的诸影响因素,如抛光盘与工件之间的转速比、偏心距及压强分布等参数,建立材料去除量与各影响因素之间的相互关系的数学模型。理论分析和实验结果表明：材料的去除效率随转速比和偏心距增加而增大,转速比越接近于1时,磨削越均匀;工件露边时,工件露出部分材料的去除效率急剧下降。通过对该理论模型中的相关技术参数研究来完善环带抛光技术,有效地提高抛光的效率及稳定性。     

熔融石英玻璃无水环境固结磨粒抛光特性

为了克服游离磨粒抛光的随机性、磨料浪费以及产生的水合层等问题,提出了一种无水环境下熔融石英玻璃固结磨粒抛光技术。研究实现了稳定的抛光轮烧结工艺,并应用于熔融石英玻璃抛光加工,通过对加工产物和抛光轮粉末进行EDS能谱分析和XRD衍射分析,从微观上初步阐述了固结磨粒抛光的去除机理;从宏观上探索压力和转速对去除效率和表面粗糙度的影响。实验结果表明:加工过程中,在法向力和剪切力作用下,CeO₂磨粒和熔融石英发生化学反应,CeO₂将SiO₂带出玻璃,实现材料去除;同时,压力和转速对加工效率影响并不遵循Preston公式,温升和排屑成为决定去除效率的关键。     

环形抛光中频误差的计算模拟北大核心CSCD

通过建立环形抛光的去除模型,从理论上分析了转速比、槽形、元件摆动对于抛光结果的影响,并分析了中频误差产生的原因。模拟结果表明:转速比的差异会产生较大的低频误差,而中频误差会随着低频误差的降低而降低;槽形是中频误差的主要来源,复杂的非对称不规律槽形使抛光路径复杂化,降低中频误差;同时元件的小幅度摆动能够使抛光更加均匀,减小定心式抛光造成的元件表面规则状纹路结构,从而有效减小元件的中频误差。     

基于散粒磨料振动抛光非球面加工技术研究

鉴于非球面光学元件的应用日益广泛,非球面加工技术成为研究热点,提出一种基于散粒磨料振动抛光非球面的加工方法。非球面元件待抛光表面与磨粒均匀接触,通过振动抛光装置为游离磨粒提供抛光作用力,使材料去除均匀,降低表面粗糙度。以材料为ZK-10L、尺寸为Φ55 mm的光学元件为实验对象,分析了振动幅度、抛光液浓度、磨粒粒径和抛光时间对抛光效果的影响,当振动幅度为5 mm、抛光液浓度为80 g/L、磨粒粒径为1 mm时,振动抛光8 h后试件的表面粗糙度从84.4 nm降低到9.4 nm,而试件的面形精度基本不变,从而在保证面形的前提下达到抛光的目的。     

集群磁流变抛光参数对亚表面损伤深度的影响

建立了亚表面损伤深度与抛光参数的关系模型,探究集群磁流变抛光后单晶蓝宝石亚表面损伤深度与集群磁流变抛光参数的关系,研究了抛光参数对亚表面损伤深度的影响规律,运用正交实验验证了模型的合理性.实验中使用白光干涉仪作为测量工具,α-Al_2O_3抛光液作为抛光液,每个实验因素选择三个水平,结果表明:集群磁流变抛光中,单晶蓝宝石亚表面损伤深度与磨粒粒径和抛光压力有关,亚表面损伤深度随着抛光压力和磨粒粒径的增大而增大,抛光压力对亚表面损伤深度的影响远大于磨粒粒径.当抛光压力和磨粒粒径分别为25kg和280nm时,经过100min抛光,亚表面损伤深度最小值达到0.9nm.在集群磁流变抛光中抛光压力是影响亚表面损伤深度的主要因素,当抛光压力为25kg时,集群磁流变抛光可快速去除亚表面损伤.     

抛光区域几何特征与流场创成关键参数关系

磁流变抛光在其实际工作过程中,抛光区域几何特征的不同将会对流场创成的关键参数产生很大的影响。针对此问题建立三维模型与实验仿真展开研究。在研究抛光区域几何特征与流场创成关键参数的关系时,先改变抛光区域形状,观察其对流场创成中剪切应力、压力产生的影响;再控制抛光区域的形状相同时,通过改变抛光区域尺寸大小,观察对流场创成中剪切应力、压力产生的影响。结果表明:当抛光区域形状不同时,抛光区域为凹面时剪切应力最大,抛光区域为凸面时剪切应力最小。当抛光区域形状为凸面时,抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而增大;当抛光区域形状为凹面,抛光区域两边的剪切应力随着抛光区域曲率大小增大而减小。当抛光区域形状不同时,抛光区域为凹面时压力最大,抛光区域为凸面时压力最小。当抛光区域形状为凸面时,抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而增大;当抛光区域形状为凹面时,抛光区域处的压力随着抛光区域曲率增大而减小。     

负径向电场对荷电粒子运动的影响及其数值模拟

从负径向电场产生的电漂移改变荷电粒子运动的极向运动速度着手,推导出在负径向电场存在时安全因子的表达式,分析了安全因子对荷电粒子漂移位移和运动轨迹的影响。建立了在负径向电场条件下,荷电粒子在梯度磁场和曲率磁场中运动数学模型。通过数值模拟,获得了通行粒子、香蕉粒子的漂移位移和运动轨迹所呈现出的新特点和规律:负径向电场改变了荷电粒子的最大漂移位移。当荷电粒子的极向运动速度增加时,最大漂移位移减小,反之增大;改变了荷电粒子的运动轨迹,通行粒子的轨亦可能变为香蕉粒子的轨迹,香蕉粒子的轨迹可能变为通行粒子的轨迹,当电场达到足够的强度时,均成为在极向上顺时针运动的通行粒子轨迹。     

超精抛光中边缘效应对材料去除量的影响

 传统环抛加工一般将工件整个包围在抛光盘内,加工之后虽然可以获得较好的工件表面,但是需耗费较多的时间,生产效率较低。针对这种情况,借助PPS快速抛光机床,依据Preston公式,对露出抛光盘的工件部分,即对所谓的边缘效应进行研究,用新的表面模型表示非线性压强分布,合理地避开了线性模型造成的压强负值问题。并且对工件材料去除量进行仿真计算,建立了新的去除模型,得出了偏心距、工件半径和抛光盘转速比值对材料去除量的影响。根据此模型,选择适当的偏心距和转速比对工件进行加工,可获得较好面型。     

光学元件亚表面缺陷的损伤性检测方法

在磨削、研磨和抛光加工过程中产生的微裂纹、划痕、残余应力等亚表面缺陷会导致熔石英元件抗激光损伤能力下降,如何快速、准确地检测亚表面损伤成为光学领域亟待解决的关键问题。采用HF酸蚀刻法、角度抛光法和磁流变斜面抛光法对熔石英元件在研磨加工中产生的亚表面缺陷形貌特征及损伤深度进行了检测和对比分析,结果表明,不同检测方法得到的亚表层损伤深度的检测结果存在一定差异,HF酸蚀刻法检测得到的亚表面损伤深度要比角度抛光法和磁流变斜面抛光法检测结果大一些。且采用的磨粒粒径越大,试件表面及亚表面的脆性断裂现象越严重,亚表面缺陷层深度越大。     

Controlling subsurface damage in neodymium-doped phosphate glass

We investigate the removal mechanism of neodymium-doped phosphate glass dominated in loose abrasive grinding and bound abrasive grinding. Moreover, we investigate the surface roughness and subsurface damage change with optical fabrication parameters, such as different spindle speed, load and abrasive size under different grinding processes in details. For a range of experimental conditions, we find that fracture is the principal removal mechanism for loose abrasive grinding, while plastic scratching is the dominating mechanism for bound abrasive grinding. The load has more influence on subsurface damage for bound abrasive grinding than for loose abrasive grinding. However, the spindle speed has different effect on subsurface damage produced with loose abrasive grinding and bound abrasive grinding. Moderate spindle speed and low load is preferred to produce smaller subsurface damage for loose abrasive grinding. Moreover, higher spindle speed and lower load are preferred to plastic scratching for bound abrasive grinding. Bound abrasive grinding produces 4 times lower surface roughness and 3 times lower subsurface damage than loose abrasive grinding.     

Analytical prediction for depth of subsurface damage in silicon wafer due to self-rotating grinding process

Subsurface damage (SSD) induced by silicon wafer grinding process is an unavoidable problem in semiconductor manufacturing. Although experimental attempts have been made on investigation of the influential factors on the SSD depth, however, few theoretical studies have been conducted to obtain SSD depth through grinding parameters. To fill the gap, an analytical model is developed to predict the SSD depth in silicon wafer due to self-rotating grinding process, which can reveal the relationship among SSD depth and the grinding parameters, the size of the abrasive grains and the radial distance from the wafer center. The establishment of the proposed model is based on scratch theory and fracture mechanics of isotropic brittle materials, and we further consider the effects of elastic recovery, cleavage plane and crystalline orientation on SSD formation. To validate the applicability of the proposed predictive model, grinding experiments with varied grinding parameters are performed and the depths of SSD along the <110> and <100> crystal directions are also measured and analyzed. The results given by the proposed model present reasonable accuracy of less than 20% deviation with experimental results. Effects of grinding parameters, wafer radial distance, crystalline orientation, and abrasive grain size on SSD depth are discussed in detail.     

Experimental investigation on laser-induced surface damage threshold of Nd-doped phosphate glass

Nd-doped phosphate glass is the dominant amplifier material used in solid state high average power laser systems.Surface imperfection and subsurface damage(SSD)of the glass,resulting from the optical fabrica-tion process,limit the increment of laser system energy output.Thus,it is important to enhance the surface damage threshold of Nd-doped phosphate glass surface.The influence of abrasive size,polishing powder,grinding mode,and chemical treatment on the laser-induced damage threshold(LIDT)of Nd-doped phos-phate glass surface is investigated.Results show that the LIDT is affected little by different polishing powders and grinding modes.The LIDT correlates with the abrasive size,which produced different depths of SSD.A suitable acid etching treatment can remove the imperfection and the SSD for improving the LIDT of Nd-doped phosphate glass surface.The combination of several effective techniques and methods,which are low-cost and practical,should be useful to enhance the LIDT of Nd-doped phosphate glass surface.     

Inhibitors for organic phosphonic acid system abrasive free polishing of Cu

Organic phosphonic acid system abrasive free slurry for copper polishing is developed in our earlier work. Since material removal rate is too high to be applied as precision polishing slurry for copper, inhibitors are needed. Experiment results also show us that the most commonly used inhibitor benzotriazole is unsuitable for this abrasive free slurry, and then another kind of compound inhibitors for this organic phosphonic acid system abrasive free slurry are developed. The compound inhibitors, consisting of ascorbic acid and ethylene thiourea, can control the material removal rate and also reduce surface roughness. XPS results show that, in the compound inhibitors, ascorbic acid participates in the surface chemical reaction, forms passivating layer on copper surface and helps to control the material removal rate. Corrosion current calculated from polarization curve is consistent with material removal rate. Ethylene thiourea contributes to the reduction of surface roughness, which can be indicated by the peak shape change of S_2p in XPS results.     

聚酰亚胺树脂粉在金刚石抛光片中的应用

本文介绍了聚酰亚胺树脂粉在金刚石抛光片中的应用。由于聚酰亚胺树脂耐热温度高和耐磨性好，由它制作的金刚石微粉抛光片具有使用寿命长、磨削效率高和被加工工件的表面粗糙度低等优点。ＴＧ－ＤＳＣ分析表明：聚酰亚胺树脂粉在３６０℃之前的热稳定性较好，固化温度选择在２３０℃。ＳＥＭ分析表明：在抛光过程中起磨削作用的主要是金刚石颗粒。如果树脂的耐磨性能差与耐热温度不高，金刚石颗粒过早地脱落是引起抛光片寿命不长与加工工件表面粗糙度高的主要原因。     

曲率与运动界面发展

对界面传播速度依赖于曲率的界面发展问题进行研究,传播速度包括法向和切向,并且,在界面传播过程中全变差的变化仅依赖在曲率为零处的法向速度对曲率的导数,切向速度对全变差的变化没有影响.     

一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。