固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径, 研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫, 在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验, 比较两者的材料去除率及加工稳定性; 制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石, 并制备成固结聚集体金刚石磨料垫, 探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能; 分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明: 采用固结聚集体金刚石磨料垫, 研磨后工件表面粗糙度低, 去除效率稳定; 在15～21 kPa的压力下, 结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高, 材料去除率达到8.94~12.43 μm/min, 加工性能较稳定, 研磨后的工件表面粗糙度Ra在60 nm左右; 在3.5~7 kPa压力下, 结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定, 材料去除率在2.67~3.12 μm/min, 研磨后的表面粗糙度Ra在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件, 而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。

自修整能力是评价亲水性固结磨料研磨垫加工性能的重要指标。本文选择不同浓度的乙醇水溶液作为研磨介质, 表征了亲水性固结磨料垫基体在研磨介质中的溶胀率与砂浆磨损速率, 探索了亲水性固结磨料垫在不同研磨介质条件下研磨石英玻璃的加工性能, 采用亲水性固结磨料垫在不同阶段的材料去除速率变化(Material Removal Rate Variation, MRRV)衡量固结磨料垫的自修整能力。结果表明: 随着研磨介质中乙醇浓度的增加, 溶胀率与砂浆磨损速率均增大, 分别达到了1.05%与5.5 mg/h, 不仅研磨垫的材料去除率与表面质量得到了提高, 同时, 不同阶段的MRRV大幅减小, 体现了更优的自修整能力。当乙醇浓度为25%时, 平均材料去除率达到11.82 μm/min, 表面粗糙度Ra为75 nm, 磨料垫具备了良好的加工性能。研磨介质中引入乙醇能有效提高固结磨料垫的加工性能。

抛光垫是化学机械抛光的重要组成部分, 其磨损的非均匀性对被加工工件面型精度和抛光垫修整有重要影响。基于直线摆动式抛光方式, 研究了抛光过程中抛光垫与工件的相对运动, 建立了抛光垫磨损模型, 分析了抛光工艺参数对抛光垫磨损及均匀性的影响。研究结果表明, 工件与抛光垫的转速比为1.11, 正弦偏心直线摆动形式, 摆动幅度系数为2, 摆动频率系数在0.1~0.2之间, 抛光垫表面磨损更均匀, 并根据抛光垫表面磨损特性优化了抛光垫形状。优化的抛光垫具有更好的面型保持性, 延长了修整间隔, 为抛光工艺设计提供理论指导。

研磨过程中亚表面损伤层深度的正确预测是研磨工艺参数制定的重要依据。针对固结磨料的研磨特点, 选择两种典型光学硬脆材料(镁铝尖晶石和石英玻璃), 采用离散元仿真技术, 分别建立了两种材料的二维离散元模型, 分析了工艺参数对光学硬脆材料亚表面损伤(裂纹)层深度的影响。而后, 采用角度抛光法测量了镁铝尖晶石和石英玻璃的亚表面损伤层深度, 进行了实验验证。结果表明: 采用固结磨料研磨时, 磨粒粒径对光学硬脆材料亚表面损伤的影响相当显著, 在相同研磨工艺条件下, 随着磨粒粒径的增大, 亚表面损伤层深度和微裂纹密集程度明显增加。离散元仿真结果与实验结果的对比表明: 采用离散元技术可以对光学硬脆材料的亚表面损伤深度进行快速有效的预测, 从而为后续的研磨抛光工艺提供参考与指导。

通过粘结剂将单晶金刚石制成粒径更大的多晶金刚石。采用SEM观察了多晶金刚石的微观形貌, 分别制备了单晶和多晶金刚石固结磨料研磨垫, 比较了单晶与多晶金刚石固结磨料研磨垫的研磨性能。结果表明: 单晶金刚石固结磨料垫与多晶金刚石固结磨料垫精研石英玻璃的表面粗糙度相似; 但多晶金刚石固结磨料垫的材料去除率更高且稳定; 多晶金刚石在研磨过程中的微破碎, 确保了其自修整过程的实现。另外, 多晶金刚石研结磨料垫研磨的石英玻璃亚表面损伤层深度小, 约为原始单晶金刚石粒径的1/2。

针对光学材料研磨过程引入的亚表面损伤层（SSD）深度对工件的抛光工序效率和表面质量的影响，探索了光学材料在研磨过程中的亚表面损伤规律。采用角度抛光的方法测量了软脆材料铌酸锂（LN）晶体的损伤层深度，分析了研磨方式、磨粒粒径和研磨压力对工件亚表面损伤层的影响规律。结果表明：研磨方式对损伤缺陷的影响最为显著，相同研磨条件下游离磨料研磨后的损伤层深度约为固结磨料研磨的3~4倍，游离磨料研磨后工件亚表面存在多处圆弧形裂纹，固结磨料研磨后主要显现细小裂纹和“人”字型裂纹；当磨粒粒径从W28下降到W14后，游离研磨的亚表面损伤层深度下降至原来的45%，而固结研磨的损伤层深度下降至30%；另外，研磨压力的降低有利于减小工件的亚表面损伤。该研究对LN晶体研磨方式及研磨工艺的选择具有指导意义。

探索了三乙醇胺在镁铝尖晶石固结磨料研磨中的作用机理并进行了系列实验。首先，通过显微压痕实验测量了三乙醇胺和去离子水作用下镁铝尖晶石样品的硬度。然后，采用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了三乙醇胺的化学作用机理，研究了在三乙醇胺和去离子水作用下工件表面层化学组分随深度的变化，估算了其表面软化层的厚度。最后，通过研磨实验探索了去离子水和不同浓度的三乙醇胺对材料去除率和表面质量的影响。结果表明: 三乙醇胺研磨液对工件的化学作用降低了其表面层的显微硬度，形成了软化层; 三乙醇胺和去离子水形成软化层的机制是其中的OH-和吸附的CO2与尖晶石基体发生了反应，而三乙醇胺形成的软化层厚度约为2 nm，去离子水形成的软化层厚度小于0.65 nm; 采用三乙醇胺研磨液的材料去除率高于采用去离子水，但表面质量较采用去离子水的差。实验证明，三乙醇胺对工件的化学作用可以显著地提高材料去除效率。

采用不同浓度的三乙醇胺研磨液研磨石英晶体, 基于研磨垫磨损率和工件与研磨垫的磨损比, 分析了三乙醇胺浓度对石英晶体的去除率及其去除稳定性、研磨垫磨损率、磨损比、研磨摩擦系数、声发射信号和研磨后表面质量的影响。结果表明: 随着三乙醇胺浓度的增加, 工件与研磨垫磨损比先增大后减小, 石英晶体的材料去除率和去除稳定性也对应地先增大后减小, 摩擦系数先减小后增大, 声发射信号先增加后减小, 研磨后工件表面质量先变好后变差。当三乙醇胺浓度为5%时, 石英晶体的材料去除率最大, 去除率随时间变化最稳定, 研磨垫使用寿命最长, 表面质量最好。结果表明: 研磨液中添加适量的三乙醇胺, 会稳定石英晶体加工过程, 延长研磨垫使用寿命, 提高工件表面质量, 降低生产成本。