集群磁流變效應(yīng)拋光墊特性及其加工機(jī)理研究

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)分類(lèi)號(hào)：UDC：密級(jí)：學(xué)校代號(hào)：學(xué)號(hào)：118451111201005廣東工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文(工學(xué)博士)集群磁流變效應(yīng)拋光墊特性及其加工機(jī)理研究白振偉指導(dǎo)老師姓名：學(xué)科分類(lèi)：專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：論文提交日期：論文答辯日期：學(xué)位授予單位：閻秋生教授工學(xué)機(jī)械工程博士2014年10月2014年12月廣東工業(yè)大學(xué)萬(wàn)方數(shù)據(jù)ADissenationSubmittedtoGuangdongUniVersi夠ofTechn0109yfortheDegreeofDoctorofPhilosophyResearchontheproperty

2、andprocessingmechanismofclustermagnetorheologicalef．fectpadPhD．Candidate：BaiZhenweiSuperVisor：Prof．YanQiusheng0ctober2014SchoolofElectromechaIlicalEngineeringGuangdongUniVers時(shí)ofTecllllologyGuallgzhou，GuaIlgdong，P．R．China，510006萬(wàn)方數(shù)據(jù)摘要隨著光電子／微電子器件應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)相關(guān)元件的質(zhì)量提出了更高的要求需

3、要在加工過(guò)程中最大限度地提高加工質(zhì)量，其中對(duì)以單晶硅／碳化硅為代表的硬脆材料晶片的形狀精度、表面粗糙度及表面完整性要求愈來(lái)愈高，拋光是實(shí)現(xiàn)硬脆材料超光滑平坦化加工的關(guān)鍵工藝。磁流變液作為一種智能材料，在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁流變效應(yīng)可以由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)锽in曲am粘彈性體，將拋光磨料混入磁流變液制成磁流變拋光工作液，在拋光盤(pán)內(nèi)陣列多個(gè)磁性體則在磁場(chǎng)作用下在拋光盤(pán)面形成粘彈性集群磁流變效應(yīng)拋光墊，在拋光過(guò)程中產(chǎn)生磨粒“容沒(méi)”效應(yīng)，使不同尺寸磨粒均等作用于被加工表面，避免大尺寸磨粒對(duì)加工表面的損害，可以實(shí)現(xiàn)硬脆材料表面高效平坦化加工。本文針

4、對(duì)集群磁流變效應(yīng)拋光墊的性能特性及其加工機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，提出磨粒“容沒(méi)”效應(yīng)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)及測(cè)試裝置進(jìn)行分析，深入研究了集群磁流變效應(yīng)拋光力特性及其材料去除機(jī)理。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)集群磁流變效應(yīng)拋光盤(pán)磁極點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)分布，改造集群磁流變效應(yīng)拋光試驗(yàn)加工裝置，實(shí)現(xiàn)集群磁流變效應(yīng)拋光墊性能及厚度精確控制。在對(duì)集群磁流變拋光加工過(guò)程中磨粒加工行為分析基礎(chǔ)上，基于集群磁流變效應(yīng)拋光墊的Bingham體粘彈性，提出了集群磁流變效應(yīng)拋光墊的磨?！叭輿](méi)”效應(yīng)模型。對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析在磁流變拋光工作液中人為摻雜大尺寸磨粒的拋光加工表面粗糙度和表面

5、形貌，驗(yàn)證了磨?！叭輿](méi)”效應(yīng)作用效果。實(shí)驗(yàn)研究了大尺寸磨粒粒徑、濃度，磁流變粒子(羰基鐵粉)粒徑、濃度以及拋光磨料種類(lèi)與工件材料對(duì)拋光墊磨粒“容沒(méi)”效應(yīng)作用效果的影響，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化分析，獲得了最佳的工藝參數(shù)。集群磁流變效應(yīng)拋光墊的性能對(duì)拋光過(guò)程中磨粒“容沒(méi)”效應(yīng)具有決定性影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析以及優(yōu)化控制集群磁流變效應(yīng)拋光墊的性能尤為重要。利用環(huán)氧樹(shù)脂膠固化不同條件下形成的集群磁流變效應(yīng)拋光墊，通過(guò)超景深顯微鏡檢測(cè)固化后的集群磁流變效應(yīng)拋光墊的結(jié)構(gòu)形貌特征以及采用邵氏硬度計(jì)測(cè)量固化后的拋光墊表面硬度，分別從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面分析集群

6、磁流變效應(yīng)拋光墊的粒子分布特點(diǎn)。提出了一種集群磁流變效應(yīng)拋光墊性能(硬度、彈力)測(cè)試方法及其裝置，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量集群磁流變效應(yīng)拋光墊的正壓力和剪切力，獲得正壓力和剪切力沿拋光墊徑向(x軸)與法向(z軸)的變化曲線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)研究得到的粒子分布與力場(chǎng)分布的測(cè)量結(jié)果與磁場(chǎng)仿真分析結(jié)果具有一致性。基于搭建的集群磁流變效應(yīng)拋光三向測(cè)力平臺(tái)對(duì)模擬狀態(tài)的集群磁流變效應(yīng)萬(wàn)方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文拋光加工過(guò)程拋光力(法向力Fn和切向力Ft)進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，探討了加工過(guò)程中主要工藝參數(shù)和工件材料對(duì)拋光力的影響。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)條件下2英寸單晶硅片集群

7、磁流變平面拋光法向力Fn最大達(dá)到62．35N，拋光切向力Ft最大達(dá)到32．25N，切向力Ft與法向力Fn之比為0．46～0．77；拋光力隨著加工間隙的增大而減小、隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度和羰基鐵粉濃度的增大而增大；隨著磨料濃度的增大而增大當(dāng)磨料濃度達(dá)到5％wt后隨著磨料濃度的增大而減??；隨著拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速、磁流變液流量、工件擺動(dòng)幅度與擺動(dòng)速率的增大而連續(xù)增大并逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)集群磁流變平面拋光力影響最大的工藝參數(shù)是磁場(chǎng)強(qiáng)度與加工間隙，其次是羰基鐵粉與磨料的濃度、磁流變液流量、拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速；集群磁流變平面拋光力大小以及切向力與法向力比值隨著工件材料硬度

8、的增大而增大，集群磁流變效應(yīng)拋光對(duì)高硬度的工件材料的拋光力表現(xiàn)出低正壓力高剪切力的特征，這有利于提高硬脆材料超光滑平坦化拋光加工效果。采用集群磁流變效應(yīng)拋光方法對(duì)硬脆材料進(jìn)行系統(tǒng)性?huà)伖饧庸?shí)驗(yàn)，分析在拋光過(guò)程中磨?！叭輿](méi)”效應(yīng)的作用效