CN115203844A - 一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法，属于磨粒加工技术领域。该方法包括：首先根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；然后根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；最后根据参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。本发明明确了不同载荷下的固结磨料垫与工件接触状态，强调了参与加工的磨料实际作用，相比只关注磨料出露概率的有效磨料数量计算方法更能全面、准确。通过准确的有效切削磨料数量可以预测固结磨料垫研抛脆性工件的材料去除率，进而根据加工要求反向设计固结磨料垫。

Description

一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法

技术领域

本发明涉及磨粒加工技术领域，特别涉及一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

背景技术

结磨料研抛加工的优点在于磨料均匀分布，运动轨迹基本确定，磨料受力较为均匀，能实现材料均匀去除；磨料不完全出露，划伤小；磨料利用率高、环保。固结磨料垫已经成为金属、玻璃、陶瓷等材料光整加工的常用工具，有望取代传统游离磨料。其中，固结磨具能切削工件并引起材料去除的有效磨料数量直接决定了加工效率和表面质量。但是，由于固结磨料形状、尺寸不一，出露高度不等，导致参与切削的有效磨料数量难以计算。目前，通常只计算固结磨料垫与工件接触区域实际接触并不脱落的磨料数量作为有效磨料数。但是，这些计算方法没有考虑固结磨料与工件的实际接触情况，存在部分磨料只是与工件发生纯弹性接触，无法去除材料的问题，计算值偏大。

发明内容

针对现有固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料数量计算方法不完善，忽略磨料垫与工件接触状态导致计算结果误差大的问题，本发明提出了一种全面、准确的固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料数量的计算方法。

为达到以上目的，本发明提出一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料数量的方法，应用于电子装置，包括以下步骤：

(1)根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；

(2)根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；

(3)根据所述参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。

进一步的，所述步骤1中根据磨粒划刻工件深度δ_w确定磨料垫基体中的退让量d_p公式为：

其中：

为基体的当量弹性模量，E_a为基体的杨氏弹性模量，v_a为基体的泊松比；

为工件的当量弹性模量，E_w为工件的杨氏弹性模量，v_w为工件的泊松比；R为磨粒半径；σ_y,w为工件的屈服强度；δ_w为磨粒划刻工件深度，δ_y,w为工件初始屈服变形量，当所述磨粒划刻工件深度达到δ_y,w时，工件表面发生不可恢复变形；

为工件的屈服应变系数；

当所述磨粒划刻工件深度为δ_y,w时，所述磨料垫基体中的退让量d_y,p具体为：

进一步的，所述步骤2具体为：

(2.1)工件几何表面与磨料垫基体几何基准间距为s，磨料垫表面磨粒出露高度为h_p，根据所述磨粒划刻工件深度δ_w和所述磨料垫基体中的退让量d_p确定两者关系满足：δ_w＝h_p-s-d_p；

(2.2)不考虑磨料脱落，磨粒出露高度h_p在0～D上服从均匀分布，故其出露高度概率密度函数f(h_p)：

(2.3)工件半径为R_w，磨料垫凸起面积占其总面积比例为λ，磨料垫与晶片名义接触面积A_w-p：

(2.4)根据定量金相学可知磨料垫中磨料的体积分数V_V和面积分数A_A相等：

其中：M_p、M_a分别为磨料和基体的质量，ρ_p、ρ_a分别为磨料和基体的密度；

(2.5)研抛过程中磨粒的出露高度h_p≥kR时，磨粒从基体表面脱落，s≤h_p﹤kR为参与划刻的磨粒出露高度，由步骤2.1至2.4可得出参与划刻的有效磨料数量N_pr：

进一步的，所述步骤3包括：

(3.1)磨粒实际出露高度h_p在s～kR上服从均匀分布，磨粒出露高度概率密度函数g(h_p)：

(3.2)参与加工的有效磨料刻划工件切深不超过脆性材料初始屈服变形量δ_y,w＝kR-s-d_y,p时，工件表面只发生弹性变形，所以，磨料与工件最大纯弹性总接触载荷F_petotalmax：

(3.3)参与加工的有效磨料刻划工件切深超过脆性材料初始屈服变形量δ_y,w＝kR-s-d_y,p时，引起工件表面弹-塑/弹-塑-脆性变形，因此有效切削磨料数量N_pp：

本发明还提供了一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的装置，包括：

退让量确定模块：用于根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；

有效磨料数确定模块：用于根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；

有效削切磨料数确定模块：用于根据所述参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。

本发明还提供了一种设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能在存储器上执行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现上述确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行上述确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

本发明的有益效果：

本发明明确了不同载荷下的固结磨料垫与工件接触状态，强调了参与加工的磨料实际作用，相比只关注磨料出露概率的有效磨料数量计算方法更能全面、准确。通过准确的有效切削磨料数量可以预测固结磨料垫研抛脆性工件的材料去除率，进而根据加工要求反向设计固结磨料垫。

附图说明

图1是本发明实施例确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法流程图。

图2是本发明实施例固结磨料垫与脆性工件接触示意图。

图3是本发明实施例单颗磨粒与脆性工件接触状态示意图：(a)纯弹性接触、(b)弹-塑性接触和(c)弹-塑-脆性接触。

图4是本发明实施例确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的装置流程图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。如图1所示，本发明实施例提供一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法，包括：

S101、根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；

如图2、图3所示：

(1)低加工载荷时，半径为R的磨粒划刻脆性工件，两者发生纯弹性接触时，接触半径a_w、平均接触应力P_w与磨粒划刻工件深度δ_w关系：

式中，

为工件的当量弹性模量，E_w为工件的杨氏弹性模量，v_w为工件的泊松比。

(2)中加工载荷时，磨粒切入工件表面，接触中心正下方脆性材料发生初始屈服，磨粒与工件发生弹塑性接触，工件初始屈服变形量δ_y,w与平均接触应力P_w：

式中，σ_y,w为工件的屈服强度，C_w为工件的屈服应变系数，与工件材料的v_w相关：

(3)高加工载荷时，接触应力超过P_y,w，平均接触应力P_w：

工件脆塑转变临界切深δ_c,w：

式中，α为脆塑转变系数，一般取0.15，H_w为工件的显微硬度，K_IC为工件的断裂韧性。

磨粒划刻工件的深度达到δ_c,w时，工件表面发生脆性破坏，磨粒对工件施加的平均接触应力P_w＝H_w＝3σ_y,w，引入系数K对P_w修正：

式中δ_w＝δ_c,w

修正系数K：

δ_y,w是是中高载荷下磨粒与工件平均接触应力曲线上的连续点，设置δ_w＝δ_y,w，并联立式(4)和(8)可以建立

进而得到修正后的δ_y,w：

(4)磨粒与工件之间纯弹性(0≤δ_w<δ_y,w)和弹-塑/弹-塑-脆性(δ_w≥δ_y,w)平均接触应力P_w：

磨粒在工件表面动态接触面积A_w：

磨粒刻划晶片表面切深δ_w和磨粒在基体内退让量d_p的关系：

式中，

为基体当量弹性模量，E_a为基体杨氏弹性模量，v_a为基体泊松比。

当所述磨粒划刻工件深度为δ_y,w时，所述磨料垫基体中的退让量d_y,p具体为：

S102、根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；

工件几何表面与磨料垫基体几何基准间距为s，磨料垫表面磨粒出露高度为h_p，两者关系满足：

δ_w＝h_p-s-d_p (14)

不考虑磨料脱落，磨粒出露高度h_p在0～D上服从均匀分布，故其出露高度概率密度函数f(h_p)：

磨粒的出露高度为h_p时，其在基体表面法向投影面积A_p：

A_p＝p(2Rh_p-h_p ²) (16)

进而计算磨料在基体表面法向投影面积的期望E(A_p)：

工件半径为R_w，由于磨料垫为凸起结构，磨料垫凸起面积占其总面积比例为λ，磨料垫与晶片名义接触面积A_w-p：

根据定量金相学可知磨料垫中磨料的体积分数V_V和面积分数A_A相等，磨料的体积分数V_V：

式中，M_p、M_a分别为磨料和基体的质量，ρ_p、ρ_a分别为磨料和基体的密度。

研抛过程中磨粒的出露高度h_p>kR时，由于基体对磨粒的把持力超出极限，磨粒从基体表面脱落，并且参与划刻的磨粒必须接触工件，因此s≤h_p≤kR为参与划刻的磨粒出露高度，联立式(17)、(18)和(19)得到参与划刻的有效磨料数量N_pr：

S103、根据参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。

磨粒实际出露高度h_p在s～kR上服从均匀分布，磨粒出露高度概率密度函数g(h_p)：

单颗磨粒与晶片纯弹性接触载荷F_pe：

参与加工的有效磨料与晶片的纯弹性平均接触载荷E(F_pe)和总接触载荷F_petotal：

参与加工的有效磨料刻划工件切深均不超过脆性材料初始屈服变形量δ_y,w＝kR-s-d_y,p时，工件表面只发生弹性变形，所以，磨料与工件最大纯弹性总接触载荷F_petotalmax：

工件表面发生弹-塑/弹-塑-脆性变形时，其中只引起工件表面纯弹性变形的磨料数量N_pe：

此类磨料与工件的纯弹性平均接触载荷E(F_pe)和总接触载荷F_petotal：

引起工件表面弹-塑/弹-塑-脆性变形，即有效切削磨料数量N_pp：

通过准确的有效切削磨料数量可以预测固结磨料垫研抛脆性工件的材料去除率，进而根据加工要求反向设计固结磨料垫。

根据另一方面的实施例，还提供了一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的装置，如图4所示，包括：

退让量确定模块410：用于根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；

有效磨料数确定模块420：用于根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；

有效削切磨料数确定模块430：用于根据所述参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。

通过准确的有效切削磨料数量可以预测固结磨料垫研抛脆性工件的材料去除率，进而根据加工要求反向设计固结磨料垫。

本发明实施例还提供了一种设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能在存储器上执行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现上述确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行上述确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本说明书实施例所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。

以上结合附图对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (7)

1.一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法，应用于电子装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；

(2)根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；

(3)根据所述参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。

2.根据权利要求1所述的一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法，其特征在于，所述步骤1中根据磨粒划刻工件深度δ_w确定磨料垫基体中的退让量d_p公式为：

其中：

为基体的当量弹性模量，E_a为基体的杨氏弹性模量，v_a为基体的泊松比；

为工件的当量弹性模量，E_w为工件的杨氏弹性模量，v_w为工件的泊松比；R为磨粒半径；σ_y,w为工件的屈服强度；δ_w为磨粒划刻工件深度，δ_y,w为工件初始屈服变形量，当所述磨粒划刻工件深度达到δ_y,w时，工件表面发生不可恢复变形；

为工件的屈服应变系数；

当所述磨粒划刻工件深度为δ_y,w时，所述磨料垫基体中的退让量d_y,p具体为：

3.根据权利要求2所述的一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

(2.1)工件几何表面与磨料垫基体几何基准间距为s，磨料垫表面磨粒出露高度为h_p，根据所述磨粒划刻工件深度δ_w和所述磨料垫基体中的退让量d_p确定两者关系满足：δ_w＝h_p-s-d_p；

(2.2)不考虑磨料脱落，磨粒出露高度h_p在0～D上服从均匀分布，故其出露高度概率密度函数f(h_p)：

(2.3)工件半径为R_w，磨料垫凸起面积占其总面积比例为λ，磨料垫与晶片名义接触面积A_w-p：

(2.4)根据定量金相学可知磨料垫中磨料的体积分数V_V和面积分数A_A相等：

其中：M_p、M_a分别为磨料和基体的质量，ρ_p、ρ_a分别为磨料和基体的密度；

(2.5)研抛过程中磨粒的出露高度h_p>kR时，磨粒从基体表面脱落，s≤h_p≤kR为参与划刻的磨粒出露高度，由步骤2.1至2.4可得出参与划刻的有效磨料数量N_pr：

4.根据权利要求3所述的一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

(3.1)磨粒实际出露高度h_p在s～kR上服从均匀分布，磨粒出露高度概率密度函数g(h_p)：

(3.2)参与加工的有效磨料刻划工件切深不超过脆性材料初始屈服变形量δ_y,w时，工件表面只发生弹性变形，所以，磨料与工件最大纯弹性总接触载荷F_petotalmax：

(3.3)参与加工的有效磨料刻划工件切深超过脆性材料初始屈服变形量δ_y,w时，引起工件表面弹-塑/弹-塑-脆性变形，因此有效切削磨料数量N_pp：

5.一种确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的装置，其特征在于，包括：

退让量确定模块：用于根据磨粒划刻工件深度确定磨料垫基体中的退让量；

有效磨料数确定模块：用于根据固结磨料垫和工件的几何位置关系，确定参与加工的有效磨料数；

有效削切磨料数确定模块：用于根据所述参与加工的有效磨料数，建立固结磨料与工件的全局接触模型，确定参与切削的有效磨料数量。

6.一种设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并能在存储器上执行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行计算机程序时实现如权利要求1-4中任一项所述的确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行权利要求1-4中任一项所述的确定固结磨料研抛脆性工件中有效切削磨料量的方法。

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