CN106891278B - 一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，包括如下步骤：(1)首先根据Preston方程，确定所要加工材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E＝(r,z)；(2)根据研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E进行仿真，并将仿真结果中的接触应力和理论值进行对比，并进行曲线拟合；(3)以曲线拟合后最终得到的效果最好的弹性模量梯度分布E(r,z)制备研抛盘。本发明的研抛盘是由工件来决定的，因此使得加工本身更具有针对性；在研抛盘上存在梯度式分布，可以同时实现研磨和抛光两道工序的加工，减少了换盘的时间，提高了加工效率；由于研抛盘在轴向和径向上都存在着弹性模量的梯度式分布，因此可以实现工件的按需去除。

Description

一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法。

背景技术

随着尖端科技的迅猛发展，蓝宝石、单晶硅、光学玻璃等硬脆材料在航空航天、光学及电子等领域中的应用越来越广泛。蓝宝石具有优良的光电性能、稳定的化学性能、高耐磨性、高熔点和高硬度等特点，广泛应用于光电子、通讯、国防等领域。蓝宝石材料是氮化物半导体衬底的首选材料，在特殊环境要求下，还没有替代产品。随着电子信息技术的发展，尤其是LED半导体照明产业的发展，对蓝宝石基片的市场需求越来越强烈。

作为衬底材料，蓝宝石基片表面的加工精度和完整性要求特别高。蓝宝石基片的加工，研磨和抛光占有非常重要的工序地位，应在注重加工效率的同时，重点关注表面粗糙度、表层损伤、残余应力、平坦度(面型精度)等技术指标。目前，针对蓝宝石基片，可采用化学机械抛光、流体抛光等传统或新兴的超精密加工技术，在已经取得相关技术突破的同时，也存在一些不容忽视的问题。

Preston方程是广泛应用在磨削加工中的经验公式，此方程是由PRESTON在1927年提出的，在一定的条件下，可以用Preston方程描述磨粒加工对工件去除量与各种工艺参数以及磨粒特性的关系。根据Preston方程可知，基于与研抛盘接触压强的分布不均和相对速度分布的非均匀性以及研抛盘自身磨料选择、工艺参数控制等问题所引起的材料去除非均匀、材料表面损伤等是基片加工质量差的重要根源。因磨料分布不均和材料去除不均等因素，使研磨后的蓝宝石基片面型精度较差，增加了后续工序的去除量，生产耗时耗力，且难以控制，维护成本较高；同时，在研磨和抛光不断转换的工序中，所能达到的加工效率较低，且很多经过加工之后的蓝宝石片由于表面划痕较重，批量加工的蓝宝石基片很大一部分表面有粗、深划痕，需重新研磨抛光，从而导致返工，效率难以提高。

因此，采用梯度式分布的研抛一体盘对工件进行加工是研磨抛光加工发展的必然趋势。安徽工业大学的研究团队在2014年发表的SiO₂/CeO₂复合磨料的制备及在蓝宝石晶片抛光中的应用中提出了一种采用均相沉淀法制备了SiO₂/CeO₂复合磨料，并用于蓝宝石晶片的化学机械抛光，研究结果表明，采用复合磨料抛光虽然材料去除速率略低于单一SiO₂磨料，但抛光后的蓝宝石晶片表面质量得到明显的改善，能满足蓝宝石作发光二极管衬底的工艺要求。中国兵器工业第五二研究所烟台分所研究团队在2014年发表的功能梯度材料的制备技术及其研发现状中提出了功能梯度材料的研究进展，重点总结了功能梯度材料的制备方法和性能评价，其中特别指出功能梯度材料的弹性模量、热导率、热膨胀系数及成分在厚度方向上呈连续变化，并具有可设计性，可针对性地改变各组分材料体积含量的空间分布规律，优化结构内部应力分布。西安理工大学的研究团队在2014年发表的增强铁基梯度复合材料的原位生成及其磨粒磨损特性中提出了采用原位反应法在HT300表面制备了碳化钽增强表面梯度复合材料，并对复合层的微观结构、物相组成、显微硬度以及磨粒磨损性能进行了表征，从表面致密层到基体，其组织、成分、硬度分布均呈梯度变化。同时，授权公告号CN103432948B的中国发明专利一种用于软固结磨粒群生产的封闭式搅拌装置提出了一种为更好的均匀搅拌高聚物、磨料、固化剂、引发剂等混合物，保证了制备具有梯度功能研磨盘的实现。

因此分析抛光过程中工件表面的等效应力分布，对分析材料去除的均匀性有着重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，针对硬脆材料，特别是蓝宝石平坦化、无损伤和高质量表面的加工需求，提供了一种高效的、相关性极强的、加工精度高的基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先根据Preston方程，确定所要加工材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E(r,z)；其中，r为研抛盘的径向方向，z为研抛盘的轴向方向；

(2)根据研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E进行仿真，并将仿真结果中的接触应力和理论值进行对比，并进行曲线拟合；

(3)以曲线拟合后最终得到的效果最好的弹性模量梯度分布E(r,z)制备研抛盘。

进一步的，确定所要加工的材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E的方法步骤如下：

a)确定所要加工材料在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)、与研抛盘在任意位置的相对速度V(r，z)和接触压力P(r，z)；

b)根据研抛盘的粘磨层制备材料的组成成分，确定滞留时间函数T(r，z)，并确定Preston函数参数K_P：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)；

c)根据Preston方程dH＝K_P×P_i×V_i×dt得到所要加工材料在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)的计算公式：

H(r,z)＝K₁×K_e×E(r,z)×P(r,z)×V(r,z)×T(r,z)；

其中，K₂为研抛盘的材料因素，K₁为研抛盘材料以外的所有环境因素；

将上式整理获得任意位置的弹性模量分布函数：

E(r，z)＝G{H(r，z)，P(r，z)，V(r，z)，T(r，z)}。

进一步的，根据步骤c中得到的任意位置的弹性模量分布函数制备具有相应弹性模量分布的研抛盘，研抛盘在轴向上由多层粘磨层组成。

进一步的，令K_P＝K₁×K₂，令其中ρ为磨粒在粘磨层混合物的体积占比，由复合材料的弹性模量公式可以得到ρ＝φ(E)，整理可以设K₂＝K_e×E(r,z)，其中，E1表示复合材料的第1个混合相的弹性模量占比，E_i表示复合材料的第i个混合相的弹性模量占比，ρ₁表示复合材料的第1个混合相的体积占比，ρi表示复合材料的第i个混合相的体积占比。

进一步的，滞留时间函数由粘磨层组成成分的耐磨性决定，在任意位置工件滞留的时间超过T(r，z)，上一层的粘磨层就会磨损，同时所需加工材料将会与下一层的研磨层表面接触。

进一步的，由步骤3制成的研抛盘在轴向和径向上都存在着弹性模量的梯度式分布。

进一步的，所述研抛盘的所有的粘磨层均为事先制备好，在需要的时候直接粘结在研抛盘上形成整体的研抛盘即可。

本发明的有益效果在于：本发明的研抛盘是由工件来决定的，因此使得加工本身更具有针对性；在研抛盘上存在梯度式分布，可以同时实现研磨和抛光两道工序的加工，减少了换盘的时间，提高了加工效率；由于研抛盘在轴向和径向上都存在着弹性模量的梯度式分布，因此可以实现工件的按需去除；研抛盘是通过多个粘磨层组合而成，方便更换，增加研抛盘的使用寿命，并方便将其适用于不同的工件；通过对仿真结果进行曲线拟合，较大程度上的额减少了理论值计算的误差，提高了研抛盘制备的准确性。

附图说明

图1是一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法的流程示意图。

图2是制备出的研抛盘沿旋转轴剖面的径向和轴向弹性模量的分布图。

图3是制备出的研抛盘沿径向弹性模量梯度分布图。

图4为实例中仿真曲线拟合图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，本发明的一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先根据Preston方程，确定所要加工材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E(r,z)；其中，r为研抛盘的径向方向，z为研抛盘的轴向方向；

(2)根据研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E进行仿真，并将仿真结果中的接触应力和理论值进行对比，并进行曲线拟合；

(3)以曲线拟合后最终得到的效果最好的弹性模量梯度分布E(r,z)制备研抛盘。

进一步的，确定所要加工的材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E的方法步骤如下：

a)确定所要加工材料在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)、与研抛盘在任意位置的相对速度V(r，z)和接触压力P(r，z)；

b)根据研抛盘的粘磨层制备材料的组成成分，确定滞留时间函数T(r，z)，并确定Preston函数参数K_P：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)；

c)根据Preston方程dH＝K_P×P_i×V_i×dt得到所要加工材料在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)的计算公式：

H(r,z)＝K₁×K_e×E(r,z)×P(r,z)×V(r,z)×T(r,z)；

其中，K₂为研抛盘的材料因素，K₁为研抛盘材料以外的所有环境因素；

将上式整理获得任意位置的弹性模量分布函数：

E(r，z)＝G{H(r，z)，P(r，z)，V(r，z)，T(r，z)}。

4)根据步骤c中得到的任意位置的弹性模量分布函数制备具有相应弹性模量分布的研抛盘，研抛盘在轴向上由多层粘磨层组成。

进一步的，令K_P＝K₁×K₂，令其中ρ为磨粒在粘磨层混合物的体积占比，由复合材料的弹性模量公式可以得到ρ＝φ(E)，整理可以设K₂＝K_e×E(r,z)，其中，E1表示复合材料的第1个混合相的弹性模量占比，E_i表示复合材料的第i个混合相的弹性模量占比，ρ₁表示复合材料的第1个混合相的体积占比，ρi表示复合材料的第i个混合相的体积占比。

滞留时间函数由粘磨层组成成分的耐磨性决定，在任意位置工件滞留的时间超过T(r，z)，上一层的粘磨层就会磨损，同时所需加工材料将会与下一层的研磨层表面接触。

Z₁、Z₂、Z₃表示的是研抛盘在轴向方向z上的三个厚度层。

由步骤3制成的研抛盘在轴向和径向上都存在着弹性模量的梯度式分布。

所述研抛盘的所有的粘磨层均为事先制备好，在需要的时候直接粘结在研抛盘上形成整体的研抛盘即可。

根据一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法所制备的研抛盘，确定其中两组弹性模量梯度分布的序列，分别将其定义为第一梯度功能粘磨层和第二梯度功能粘磨层，再取一组无梯度功能粘磨层，假设第一梯度功能粘磨层的粘磨层弹性模量为上层1.7MPa，中层1.9MPa，下层2.1MPa；假设第二梯度功能粘磨层的粘磨层弹性模量为上层1.9MPa，中层1.0MPa，下层1.9MPa；假设无梯度功能粘磨层的粘磨层弹性模量始终为1.9MPa，同时无梯度功能粘磨层、第一梯度功能粘磨层和第二梯度功能粘磨层的厚度均为5mm，工件下压量均为0.5mm，所要加工材料理论接触压力P＝0.3MPa，由此可以得到如图4所示的仿真曲线拟合图，通过图4可以发现作用于工件上的应力沿径向方形变化幅度大；第一梯度功能粘磨层应力分布较均匀，且可随弹性模量分布变化获得预期的应力分布曲线，为制备梯度功能研抛盘提供了理论依据。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)首先根据Preston方程，确定所要加工材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E(r,z)；其中，r为研抛盘的径向方向，z为研抛盘的轴向方向；

确定所要加工的材料在研抛盘上加工时研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E(r,z)的方法步骤如下：

a)确定所要加工材料在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)、与研抛盘在任意位置的相对速度V(r，z)和接触压力P(r，z)；

b)根据研抛盘的粘磨层制备材料的组成成分，确定滞留时间函数T(r，z)，并确定Preston函数参数K_P：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)；

c)根据Preston方程dH＝K_P×P_i×V_i×dt得到所要加工材料在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)的计算公式：

H(r,z)＝K₁×K_e×E(r,z)×P(r,z)×V(r,z)×T(r,z)；

其中，K₂为研抛盘的材料因素，K₁为研抛盘材料以外的所有环境因素；

将上式整理获得任意位置的弹性模量分布函数：

E(r，z)＝G{H(r，z)，P(r，z)，V(r，z)，T(r，z)}；

令K_P＝K₁×K₂，令其中ρ为磨粒在粘磨层混合物的体积占比，由复合材料的弹性模量公式可以得到ρ＝φ(E)，整理可以设K₂＝K_e×E(r,z)；

(2)根据研抛盘理论上的弹性模量梯度分布E进行仿真，并将仿真结果中的接触应力和理论值进行对比，并进行曲线拟合；

(3)以曲线拟合后最终得到的效果最好的弹性模量梯度分布E(r,z)制备研抛盘。

2.根据权利要求1所述的一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，其特征在于：根据步骤c中得到的任意位置的弹性模量分布函数制备具有相应弹性模量分布的研抛盘，研抛盘在轴向上由多层粘磨层组成。

3.根据权利要求2所述的一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，其特征在于：滞留时间函数由粘磨层组成成分的耐磨性决定，在任意位置工件滞留的时间超过T(r，z)，上一层的粘磨层就会磨损，同时所需加工材料将会与下一层的研磨层表面接触。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，其特征在于：由步骤3制成的研抛盘在轴向和径向上都存在着弹性模量的梯度式分布。

5.根据权利要求2所述的一种基于函数拟合的具有梯度功能研抛盘的制备方法，其特征在于：所述研抛盘的所有的粘磨层均为事先制备好，在需要的时候直接粘结在研抛盘上形成整体的研抛盘即可。