集群磁流變拋光參數(shù)對亞表面損傷深度的影響

0超導率型超導系統(tǒng)單晶藍基藍的紅外滲透性、耐堿性和硬度。他的硬度達到莫氏硬度9級，是鉆石的倍量大、透明度高、耐熱性好等優(yōu)點。這些優(yōu)良的特點使它應用于晶體、消費電子、科學研究、醫(yī)療設施、航空航天等領域。集群磁流變拋光是在磁流變拋光技術的基礎上發(fā)展而來的一種新型的光學表面加工方法1亞表面損傷深度與磁極數(shù)量的關系單晶藍寶石的研磨位于切片工序之后,其目的是去除切痕、提高基片的平面度,為后續(xù)的拋光工序降低工作量.研磨過程中,由于硬質(zhì)磨料的粒徑、棱角、形狀均不同,介于研磨盤和基片之間的硬質(zhì)磨料在均布載荷的作用下與基片表面的接觸方式也不盡相同,因此當研磨盤與基片發(fā)生相對運動時,磨料對基片的材料去除方式包括兩體脆性去除、兩體延性去除、三體脆性去除和三體延性去除四種.如圖1所示,當材料去除方式為脆性去除時,硬質(zhì)磨料嵌入基片表面,在塑性變形區(qū)域下形成了平行于表面的橫向裂紋和垂直于表面的徑向裂紋,橫向裂紋導致切屑脫落,降低表面粗糙度,徑向裂紋則引起亞表面損傷集群磁流變拋光原理如圖2所示,研磨盤由絕磁材料制成,其中均勻鑲嵌了數(shù)個微小磁極,拋光前,將磁流變液均勻涂抹在磁極上,在磁場作用下,磁流變液中的磁性微粒出現(xiàn)極化現(xiàn)象,形成偶極子,偶極子克服熱運動作用形成沿磁場方向的鏈狀結構,混入其中的非磁性磨粒就被極化鏈“裹挾”著到達基片表面,當磨粒與基片發(fā)生相對運動時,磨料依靠對基片表面產(chǎn)生的剪切力實現(xiàn)材料去除涂抹在磁極上的磁流變液在磁場的作用下,形成一個個“微磨頭”,拋光過程中“微磨頭”與基片的有效接觸總面積越大單位時間內(nèi)的材料去除量越多,然而有效接觸總面積對拋光后基片的面形精度和表面粗糙度影響較小.由于磁極是均勻鑲嵌在研磨盤上,因此拋光過程中單位時間內(nèi)與基片接觸的“微磨頭”數(shù)量是一定的,又因為磁極的規(guī)格相同,所以單位時間內(nèi)“微磨頭”與基片的有效接觸總面積是一定的.研磨盤的面積確定,鑲嵌在其中的磁極數(shù)量是有限的,當增加磁極數(shù)量時勢必將減小磁極頭的面積,即減小了“微磨頭”的面積,因此實際“微磨頭”與基片的有效接觸總面積與未增加磁極數(shù)量時相比是一樣的.因此,磁極數(shù)量不影響拋光質(zhì)量.拋光液和磨粒的存在使得集群磁流變拋光與傳統(tǒng)拋光的材料去除過程在本質(zhì)上基本上是相同的,磨粒同樣有可能嵌入基片表面.因此可利用傳統(tǒng)研磨過程中研磨參數(shù)與亞表面損傷深度的關系研究集群磁流變拋光中拋光參數(shù)與亞表面損傷深度的關系.Lambropoulos式中,C假設亞表面損傷深度等于徑向裂紋深度,單晶藍寶石基片特性參數(shù)式中,SSD為亞表面損傷深度;φ為壓頭銳度角;P為施加在基片表面的壓力.集群磁流變拋光中,作用在基片表面的力主要包括拋光液流過微磨頭與基片間隙所產(chǎn)生的流體動壓力,磁極產(chǎn)生的磁化壓力和磁致伸縮壓力,研磨盤作用在基片表面的拋光壓力,以及拋光液浮力,即式中,P分析可知,流體動壓力和拋光液的黏度和流速密切相關,當拋光液和拋光狀態(tài)確定后,流體動壓力幾乎不變,并且與拋光壓力相比其值較小,因此對亞表面損傷的形成影響較小.磁化壓力與磁場強度和磁流變液有關,集群磁流變拋光中,采用永磁體作為磁場發(fā)生裝置,磁場強度不變,且拋光過程中磁流變液不更換,所以磁化壓力也不變.考慮到磨粒粒徑越大,壓頭銳度角越大,因此式(4)中亞表面損傷深度只與拋光壓力和磨粒粒徑有關,且亞表面損傷深度隨著拋光壓力和磨粒粒徑增大而增大.2實驗2.1單晶藍寶石基片的制備實驗樣品為直徑100mm、厚度0.5mm的C向單晶藍寶石基片,其初始粗糙度在300~350μm之間.每個基片測量前均需在超聲波清洗機中清洗5min,再在干燥皿中烘干.2.2亞表面損傷深度測量實驗采用英國TaylorHobson公司生產(chǎn)的TaylorSurfCCI2000白光干涉儀檢測亞表面損傷深度,其縱向分辨率可達到1nm,最大檢測深度可達400μm,并且可獲得基片表面三維形貌圖,是一種非破壞性檢測方法.在基片表面的中心與邊緣的中間區(qū)域選擇4個點作為測量點,分別測量4個點處的亞表面損傷深度取平均值,測量點分布如圖3所示.2.3單晶藍寶石基片亞表面損傷深度的測量首先對基片精磨,然后再進行集群磁流變拋光實驗.所有精磨實驗在JP350C高速精磨拋光機上完成,集群磁流變拋光實驗在西安工業(yè)大學自行研制的磁流變拋光機上進行.所有基片均使用粒度為W3.5的碳化硼研磨液精磨,研磨液濃度為30%,拋光機轉(zhuǎn)速為20r/min.精磨200min后,測量所有基片亞表面損傷深度,其值在25nm左右.采用正交實驗探究集群磁流變拋光實驗中單晶藍寶石基片亞表面損傷深度與磨粒粒徑和拋光壓力的關系,制定因素水平表如表1,拋光液為α-Al3結果和分析3.1亞表面損傷深度的影響因素實驗結果如表2,根據(jù)表中數(shù)據(jù)以各個因素的水平為橫坐標,以亞表面損傷深度均值為縱坐標,得到集群磁流變拋光亞表面損傷深度的因素與水平關系圖.由表2中極差大小可以看出,單晶藍寶石基片集群磁流變拋光過程中,拋光壓力對亞表面損傷深度的影響大于磨粒粒徑.由圖4可以看出,當拋光壓力不變,磨粒粒徑為280nm時亞表面損傷深度最小;當磨粒粒徑不變,拋光壓力為25kg時亞表面損傷深度最小,本實驗的最佳參數(shù)為磨粒粒徑280nm,拋光壓力25kg.3.2磨粒粒徑對單晶藍寶石基片亞表面損傷深度的影響圖5為當拋光壓力固定時,磨粒粒徑對亞表面損傷深度的影響.由圖中可以看出,隨著磨粒粒徑的增大,亞表面損傷深度緩慢增長,磨料粒徑越大,能夠嵌入基片表面的深度就越大,亞表面損傷就越嚴重.結合正交實驗的結果可知,磨粒粒徑對單晶藍寶石基片亞表面損傷深度的影響較小,為次要影響因素.3.3亞表面損傷.圖6為當磨粒粒徑固定時,拋光壓力對亞表面損傷深度的影響.在不同拋光壓力下,亞表面損傷深度截然不同.當拋光壓力為25kg時,亞表面損傷深度小于初始值,即集群磁流變拋光實現(xiàn)了去除亞表面損傷的目的.而當拋光壓力為45kg和65kg時,亞表面損傷深度均高于初始值,且拋光壓力越大,亞表面損傷深度越大.集群磁流變拋光是一種柔性拋光方法,拋光過程中,磁性微粒形成的極化鏈能夠退讓,當磨粒受到基片的反作用力較大時,磨粒能夠沿著受力方向沒入極化鏈中,避免磨粒嵌入基片表面,造成亞表面損傷.當拋光壓力較小時,磨粒受到的正壓力為磁性微粒受到的磁場力和拋光液產(chǎn)生的流體動壓力,其值較小,無法將磨粒壓入基片表面,因此可以去除亞表面損傷.然而當拋光壓力過大時,集群磁流變的拋光狀態(tài)被破壞,磁性微粒形成的極化鏈被壓潰,磨粒直接與磁極所在的研磨盤相接觸,拋光狀態(tài)如圖7所示,轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的機械研磨,隨著拋光時間的增長,亞表面損傷更加嚴重.圖8為正交實驗中a、b、c號實驗后單晶藍寶石基片表面三維形貌圖,由圖可以看出,拋光壓力增大后,表面粗糙度增大并產(chǎn)生劃痕.3.4亞表面損傷深度的變化由正交實驗結果可知,實驗的最佳參數(shù)為磨粒粒徑280nm,拋光壓力25kg,為驗證集群磁流變拋光能夠去除單晶藍寶石基片亞表面損傷,在最佳參數(shù)下進行實驗.圖9為j號基片拋光后的三維表面形貌圖,圖10為j號基片4個測量點處在不同拋光時刻的亞表面損傷深度,隨著拋光時間的增長,基片上各個點處的亞表面損傷都不斷減小.在前80min的拋光時間內(nèi),亞表面損傷去除速率較快,這是因為亞表面損傷由水解層和亞表面缺陷層組成,而亞表面缺陷層幾乎全部位于水解層以下,水解層的質(zhì)地相對較軟,經(jīng)過短暫拋光后,亞表面損傷深度就會明顯減小.另外,在拋光初期磁流變液形成的微磨頭切削性能良好,能夠快速去除基片表面材料,降低亞表面損傷深度.80min后亞表面損傷深度減小幅度趨于平緩,最終達到最小值.經(jīng)過100min拋光,j號基片4個測量點A、B、C、D處亞表面損傷深度分別為1.05nm、0.9nm、1.23nm和1.3nm,繼續(xù)增加拋光時間,亞表面損傷深度無明顯降低.4單晶藍寶石基片亞表面損傷深度基于亞表面損傷的形成機理,理論分析了運用集群磁流變拋光法對單晶藍寶石基片拋光時,亞表面損傷深度與各拋光參數(shù)的關系,建立了關系模型,并進一步通過正交實驗研究了各拋光參數(shù)對單晶藍寶石亞表面損傷深度的影響規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)集群磁流變拋光過程中,單晶藍寶石基片亞表面損傷深度與拋光壓力和磨粒粒徑密切相關,并且亞表面損傷深度隨著拋光壓力和磨粒粒徑的增大而增大.正交實驗結果表明,拋光壓力對單晶藍寶石基片亞表面損傷深度的影響遠