CN110270892A - 一种复杂曲面叶轮叶片的超声震动辅助cmp方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂曲面叶轮叶片的超声震动辅助CMP方法，该方法在超声震动装置的辅助下，通过化学抛光液对叶片进行软化腐蚀，再加上叶轮的旋转，使磨料对叶片进行快速高频的撞击、刮擦，从而实现对叶片表面残料的去除，完成其化学机械抛光。本发明加工方法可实现对任何复杂曲面叶轮叶片的自动精密抛光，代替进口专用设备和人工抛光。

Description

一种复杂曲面叶轮叶片的超声震动辅助CMP方法
技术领域
本发明涉及一种叶轮的加工方法，尤其涉及一种复杂曲面叶轮叶片的超声震动辅助CMP方法。
背景技术
化学机械抛光(CMP)是通过抛光液中的化学试剂化学作用与磨粒的机械力耦合作用，对被抛光零件表面进行平滑处理的一种抛光方式，目前主要应用于平面小零件，比如蓝宝石衬底、硅片、铜片等。超声震动加工是通过超声波震动驱使溶液中的磨粒快速高频的撞击被加工零件表面，该方法常用于清洗零件，或与机床结合，再对工件进行切削加工，比如玻璃、石英等材料的打孔、切割加工。
叶轮叶片尺寸相对较大，并且叶片型面复杂，通常其抛光方式包括磨料流抛光、数控电解抛光和手工抛光等方式。但磨料流抛光和数控电解抛光需要专门的高端装备，操作复杂，抛光过程中影响因素非常多，对抛光质量难以控制，而手工抛光不仅效率低、抛光质量难以保证，并且危害操作者的身体健康、成本高。
综上可知，传统的CMP与超声震动加工基本无法加工大尺寸的复杂曲面零件，而复杂曲面叶轮叶片的现有加工方式存在加工装备复杂、加工成本高、加工质量和加工效率均难以保证等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种新的化学机械抛光方法，并与超声震动加工相结合，以实现复杂曲面叶轮叶片的自动精密抛光加工。
本发明的技术方案如下：
一种复杂曲面叶轮叶片的超声振动辅助CMP方法，包括以下步骤：
(1)配制化学抛光液
化学抛光液包括65wt％硝酸溶液，其在抛光液中的体积含量为3～8％；还包括40wt％氢氟酸溶液，其在抛光液中的体积含量为0.5～2％；还包括85wt％磷酸溶液，其在抛光液中的体积含量为4～10％；还包括30wt％双氧水溶液，其在抛光液中的体积含量为2～5％；还包括10wt％壬基酚聚氧乙烯醚溶液，其在抛光液中含量为2.8～5g/L；还包括六偏磷酸钠晶体，其在抛光液中含量为3.8～6.5g/L；
(2)配制混合磨料
所述混合磨料为碳化硅，粒径大小为45μm、150μm、1000μm中的一种或两种以上混合；
(3)驱动叶轮开始低速旋转，旋转速度为8～15rpm，并开启超声震动装置，调节其功率为300～500W；
(4)将化学抛光液与磨料混合，直至将叶轮完全浸没，其中化学抛光液与混合磨料的体积比为1:1～3；
(5)将容器密封好，然后提高叶轮转速，转速范围为130～200rpm；
(6)抛光70～95min后，停止叶轮转动，关闭超声震动装置；
(7)清洗并擦干叶轮叶片表面，然后对其表面粗糙度进行检测。
所述超声震动装置，为超声波震动板、超声波震动棒、超声波震子中的一种或两种以上结合使用，超声震动装置安装在容器的侧壁或/和底部。
所述超声震动装置功率大小可调，范围为1～600W，频率为28～80KHZ。
本发明的有益效果：利用超声震动装置的超声波震动辅助化学机械抛光液中的磨粒高速高频的对复杂曲面叶轮表面各部分的撞击，同时抛光液中的化学试剂对其进行化学腐蚀，在化学和机械耦合作用的交替进行下，实现叶轮叶片表面的光滑自动抛光加工。
附图说明
图1为叶轮叶片的超声震动辅助CMP示意图；
图2为叶片某点处的粗糙度测量曲线；
图中：1盖板；2容器；3整体叶轮；4混合抛光液；5超声震动装置；W整体叶轮转速。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种复杂曲面叶轮叶片的超声震动辅助CMP方法，其具体实施步骤如下：
1)选用功率大小可调，且最大功率为600W，固定频率为48KHZ的超声波震动板5，并粘贴于容器2内侧壁上；
2)向容器2中分别添加硝酸溶液(65wt％)，在抛光液中的体积含量为3.5％；氢氟酸溶液(40wt％)，在抛光液中的体积含量为0.7％；磷酸溶液(85wt％),在抛光液中的体积含量为5％；双氧水溶液(30wt％)，在抛光液中的体积含量为4％；壬基酚聚氧乙烯醚溶液(10wt％)，在抛光液中的含量为4.2g/L；六偏磷酸钠晶体，在抛光液中的含量为5.3g/L；
3)将粒径大小为45μm、150μm、1000μm的三种碳化硅磨粒按体积比1:3:2均匀混合；
3)使叶轮3开始低速旋转，旋转速度为8.7rpm，并开启超声震动装置，将功率调为450W。
4)同时向容器2内添加配制好的化学抛光液与混合磨料，直至将叶轮3完全浸没，其中化学抛光液与混合磨料的体积比例为2:3，组成化学机械抛光液4。
5)通过盖板1将容器2密封好，然后将叶轮3的转速调节为165rpm。
6)抛光75min后，停止叶轮3转动，关闭超声震动装置5。
7)清洗并擦干叶轮叶片表面，然后对其表面粗糙度进行检测，检测结果表明叶片表面粗糙度Ra低于0.8μm，图2为某点粗糙度检测结果曲线图，Ra0.701微米。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种复杂曲面叶轮叶片的超声振动辅助CMP方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配制化学抛光液
化学抛光液包括65wt％硝酸溶液，其在抛光液中的体积含量为3～8％；还包括40wt％氢氟酸溶液，其在抛光液中的体积含量为0.5～2％；还包括85wt％磷酸溶液，其在抛光液中的体积含量为4～10％；还包括30wt％双氧水溶液，其在抛光液中的体积含量为2～5％；还包括10wt％壬基酚聚氧乙烯醚溶液，其在抛光液中含量为2.8～5g/L；还包括六偏磷酸钠晶体，其在抛光液中含量为3.8～6.5g/L；
(2)配制混合磨料
所述混合磨料为碳化硅，粒径大小为45μm、150μm、1000μm中的一种或两种以上混合；
(3)驱动叶轮开始低速旋转，旋转速度为8～15rpm，并开启超声震动装置，调节其功率为300～500W；
(4)将化学抛光液与磨料混合，直至将叶轮完全浸没，其中化学抛光液与混合磨料的体积比为1:1～3；
(5)将容器密封好，然后提高叶轮转速，转速范围为130～200rpm；
(6)抛光70～95min后，停止叶轮转动，关闭超声震动装置；
(7)清洗并擦干叶轮叶片表面，然后对其表面粗糙度进行检测。
2.根据权利要求1所述的复杂曲面叶轮叶片的超声振动辅助CMP方法，其特征在于，所述超声震动装置，为超声波震动板、超声波震动棒、超声波震子中的一种或两种以上结合使用，超声震动装置安装在容器的侧壁或/和底部。
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