CN107053027B - 一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法，包括如下步骤：1)假设加工工件在研抛盘上任意位置上的去除量、确定加工工件与研抛盘在任意位置的相对速度和接触压力；2)确定研抛盘的弹性模量的梯度分布函数，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，并计算Preston函数参数K_P，3)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的去除量H(r，z)计算公式。本发明用于加工的研抛盘可以同时完成研磨和抛光工序，研抛盘的径向和轴向都具有弹性模量的梯度分布，可以实现工件的按需去除；用于研抛盘的去除函数的预测模型可以最大程度的利用研抛盘的梯度分布的特点，提高加工效率和加工质量。

Description

一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法。

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。

由于梯度分布的研抛盘是工件研磨抛光发展的必然趋势，而研抛盘去除函数研究对在梯度功能研抛盘上加工的材料的加工质量起着至关重要的作用，因此，设计一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法对制备梯度分布的研抛盘显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供了一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法，该方法适用于具有梯度分布的研抛盘的制备。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法，包括如下步骤：

1)假设加工工件在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)，确定研抛盘的弹性模量的梯度分布函数E(r，z)，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)，并计算Preston函数参数K_P，其计算公式为：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)

2)根据研抛盘的弹性模量的梯度分布函数E(r，z)确定加工材料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)；

3)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)。

进一步的，令K_P＝K₁×K₂，其中K₂为抛光盘的材料因素，K₁为除了抛光盘材料因素外的其他所有因素，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)，整理可得K₂＝K_e×E(r,z)。

根据研抛盘径向和轴向的弹性模量的梯度分布情况特点，对工件在各个弹性模量梯度的去除量建立预测模型。弹性模量梯度对应不同的压力P以及相对速度V可以得到多种去除函数模型，可以遵循粗磨、细磨、精磨和抛光工序，也可以实现粗磨、精磨和抛光。同时，还能决定在哪个梯度完成哪个工序，以及决定去除量。建立去除函数的预测模型提高了研抛盘的利用率、加工的效率、工件的加工质量。

本发明的有益效果在于：本发明用于加工的磨具是具有可以同时完成研磨和抛光工序的研抛盘，提高了加工效率；研抛盘的径向和轴向都具有弹性模量的梯度分布，可以实现工件的按需去除；用于研抛盘的去除函数的预测模型可以最大程度的利用研抛盘的梯度分布的特点，提高加工效率和加工质量。

附图说明

图1是本发明一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法的流程示意图。

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所示，一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法，包括如下步骤：

1)假设加工工件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)；

2)确定研抛盘的弹性模量的梯度分布函数E(r，z)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)，并计算Preston函数参数K_P，其计算公式为：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)；

3)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)。

令K_P＝K₁×K₂，其中K₂为抛光盘的材料因素，K₁为除了抛光盘材料因素外的其他所有因素，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)，整理可得K₂＝K_e×E(r,z)。

根据研抛盘径向和轴向的弹性模量的梯度分布情况特点，对工件在各个弹性模量梯度的去除量建立预测模型。弹性模量梯度对应不同的压力P以及相对速度V可以得到多种去除函数模型，可以遵循粗磨、细磨、精磨和抛光工序，也可以实现粗磨、精磨和抛光。同时，还能决定在哪个梯度完成哪个工序，以及决定去除量。建立去除函数的预测模型提高了研抛盘的利用率、加工的效率、工件的加工质量。

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 (2)

1.一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)假设加工工件在研抛盘上任意位置上的去除量H(r，z)，确定研抛盘的弹性模量的梯度分布函数E(r，z)，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)，并计算Preston函数参数K_P，其计算公式为：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)，

其中，K₁为除了抛光盘材料因素外的其他所有因素；

2)根据研抛盘的弹性模量的梯度分布函数E(r，z)确定加工材料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)；

3)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)。

2.根据权利要求1所述的一种具有梯度分布研磨盘去除函数的计算方法，其特征在于：令K_P＝K₁×K₂，其中K₂为抛光盘的材料因素，K₁为除了抛光盘材料因素外的其他所有因素，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)，整理可得K₂＝K_e×E(r,z)。