1 兰州理工大学 机电工程学院,甘肃兰州730000
2 兰州理工大学 有色金属先进加工与再利用国家重点实验室,甘肃兰州730000
3 大连理工大学 机械工程学院,辽宁大连116024
4 大连理工大学 宁波研究院,浙江宁波315016
磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)具有优异的抛光性能,然而MCF抛光液中的水分在抛光过程中流失,抛光性能随之降低,这将增加抛光成本并严重影响MCF抛光的工程应用。针对磁性复合流体抛光液在抛光过程中水分流失的问题,探究了抛光过程中MCF水分含量对MCF形貌特征、抛光区域温度、正压力与抛光质量的关系,构建MCF中水分对抛光质量的影响机理。首先,分析了抛光过程中不同水分占比抛光液对抛光性能的影响规律,采用工业相机观察MCF抛光液抛光前后的形貌特征。然后,通过总结抛光过程温升-磁流体状态-抛光作用力-抛光质量的内在联系,构建不同水分含量MCF的抛光机理。最后,通过向MCF抛光液中定量补充水分,有效地缓解了MCF抛光液抛光效果降低的问题。实验结果表明:(1)当MCF抛光液水分占比为45%时初始抛光效果较好,抛光10 min内工件的表面粗糙度由0.410 μm下降到0.007 μm;而使用已持续抛光50 min的MCF加工10 min后工件的表面粗糙度由0.576 μm下降到0.173 μm。MCF随着抛光时间的增加MCF抛光性能大幅下降;(2)随着抛光液中含水量的降低,抛光时磁性颗粒形成的链状结构恢复能力变差,进而影响其抛光性能;(3)在抛光过程中向MCF抛光液补充水分后,抛光结束时工件的表面粗糙度下降率由无添加时的69.97%提高至86.69%,材料去除率由0.95×108 μm3/min提升到1.45×108 μm3/min,抛光正压力由3.7 N提升到4.2 N。当抛光过程中补充水分,使MCF的水含量占比维持在45%左右时,可以保持其长效稳定的抛光能力,有效地延长MCF的使用寿命。
磁性复合流体 抛光温度 抛光性能 表面粗糙度 材料去除率 magnetic compound fluid polishing temperature polishing performance surface roughness material removal rate 光学 精密工程
2023, 31(24): 3559
光学 精密工程
2023, 31(16): 2362
1 中国科学院合肥物质科学研究院,安徽光学精密机械研究所,安徽省光子器件与材料重点实验室,合肥 230031
2 中国科学技术大学,合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室,合肥 230037
YAG晶体是一种典型硬脆材料,莫氏硬度达8.5,常温下不溶于任何酸碱,加工难度较大。针对YAG晶体研磨加工,本工作提出一种分步研磨工艺。基于游离磨料研磨的方法,在研磨过程中逐级减小碳化硼(B4C)磨料粒径,选用磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7分步骤研磨,4种磨料的粒度范围依次为:40~28 μm、28~20 μm、14~10 μm、7~5 μm。通过研磨参数试验研究了每个步骤中研磨压力、研磨盘和摆轴转速、研磨液中B4C质量分数等参数对研磨效果的影响,得出最佳研磨参数;通过截面显微法测量出YAG晶体研磨后亚表面损伤的深度,确定后续抛光去除量,并探究了亚表面损伤深度hSSD与研磨后表面粗糙度Ra的关系。研究表明:当研磨压力为44.54 kPa、研磨盘和摆轴转速为60 r/min、研磨液中B4C质量分数为15%时,每个研磨步骤均取得最好研磨效果:磨料W40、磨料W28、磨料W14、磨料W7研磨的材料去除率分别为83.12、57.32、27.54、9.53 μm/min,研磨后表面粗糙度Ra分别为0.763、0.489、0.264、0.142 μm。截面显微法测量得出分步研磨后产生的亚表面损伤深度为3.041 μm,需要在后续抛光中去除; 此研磨参数下YAG晶体研磨后亚表面损伤深度与表面粗糙度的关系为:hSSD=41.46×Ra4/3,该研究可为YAG晶体元件的实际加工生产提供指导。
钇铝石榴石晶体 研磨 亚表面损伤 材料去除率 表面粗糙度 yttrium aluminum garnet crystal lapping subsurface damage material removal rate surface roughness
1 激光加工国家工程研究中心,湖北 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院,湖北 武汉 430074
高功率纳秒光纤激光器已经被广泛应用于激光雕刻中。以碳钢作为研究材料,使用主振荡功率放大(MOPA)光纤激光器系统研究了脉冲宽度、能量密度和脉冲重复频率(PRF)对激光雕刻结果的影响,且每组参数作用下的材料去除率(MRR)和平均表面粗糙度(Sa)使用三维(3D)轮廓仪进行测量。研究发现:使用较长的脉冲宽度和较高的能量密度会得到较大的MRR和Sa;使用较短的脉冲宽度和较高的能量密度也能得到较大的MRR和Sa,这是较高的脉冲重叠率造成的;存在临界PRF,该值在使得MRR较大的同时,可使得Sa较小。最后,使用优化的工艺参数得到了高质量、高MRR的雕刻效果。
激光器 深度雕刻 MOPA光纤激光器 材料去除率 平均表面粗糙度 光学学报
2022, 42(20): 2014001
光学 精密工程
2022, 30(15): 1857
1 盐城工学院机械工程学院,盐城 224051
2 北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081
本文利用单因素及正交试验探究磨粒种类、抛光液pH值、表面活性剂种类、磨粒粒径对C面蓝宝石化学机械抛光材料去除率的影响, 试验结果表明: 采用二氧化硅作为磨粒能得到较高的材料去除率及较好的表面形貌; 材料去除率随抛光液pH值的增大呈现先增大再减小的趋势, 其中pH值在9附近能得到较好的去除率; 材料去除率还随着磨粒粒径的增大而增大; 使用三乙醇胺(TEA)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作表面活性剂能得到较高的材料去除率; 各试验因素对蓝宝石晶片材料去除率的主次顺序为磨粒粒径、表面活性剂、抛光液pH值; 其中当磨粒粒径为50 nm, 表面活性剂选CTAB, 抛光液pH值为9既能得到较高的材料去除率又能获得较好的表面质量。
抛光液 单因素试验 正交试验 材料去除率 化学机械抛光 表面活性剂 蓝宝石加工 polishing slurry single factor test orthogonal test material removal rate chemical mechanical polishing(CMP) surfactant sapphire processing
安徽建筑大学机械与电气工程学院,安徽 合肥 230601
通过改变飞秒激光的重复频率、聚焦光斑的能流密度及扫描速度,研究了不同的激光加工参数对纳米金刚石涂层表面去除率的影响规律。利用白光干涉仪的观测结果,结合数值拟合的方法,建立了材料去除率函数模型。试验结果分析表明:在不同的重复频率下,涂层表面单位时间内累积的激光能量保持稳定,材料的去除率无明显变化;聚焦光斑的能流密度越大,刻蚀强度越大,材料的去除率越大;不同激光扫描速度下的加工结果不同,材料的去除率随扫描速度的增大呈先增大后减小的变化趋势。
激光光学 超快光学 飞秒激光 刻蚀 纳米金刚石涂层 材料去除率 激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1114001
1 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海201210
2 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
3 中国科学院中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
为了改善氧化铈抛光液的性能,在不破坏钕玻璃表面质量的前提下提高钕玻璃的抛光效率,选择在氧化铈抛光液中加入阴离子表面活性剂雷米邦A,并研究了改性后的抛光液对氧化铈抛光液中粒子粒径、钕玻璃的材料去除率和抛光后钕玻璃表面质量的影响,分析了加入不同质量分数雷米邦A的抛光液在不同pH值下对钕玻璃抛光速率和抛光质量的影响。结果表明:雷米邦A能够抑制抛光液中纳米粒子的团聚,降低氧化铈的中位粒径,提高抛光效率。当二氧化铈质量分数为3%、pH为6.5、雷米邦A质量分数为0.30%时,材料去除率达到最大值169 nm/min;当二氧化铈质量分数为3%、pH为7、雷米邦A质量分数为0.20%时,钕玻璃的表面粗糙度达到最小值0.9 nm。
材料 化学机械抛光 磷酸盐激光钕玻璃 阴离子表面活性剂 材料去除率 表面粗糙度 中国激光
2020, 47(10): 1003001
南京航空航天大学 机电学院 江苏省精密与微细制造技术重点实验室, 江苏 南京 210016
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。
固结磨料垫 聚集体金刚石 陶瓷给合剂含量 材料去除率 自修正 fixed abrasive pad agglomerated diamond ceramic binder concentration material removal rate self-conditioning
中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心, 上海 201800
全口径环形抛光中方形元件的材料去除率存在从中心到边角位置越来越大的现象,致使抛光工件出现塌角的面形,影响了方形光学元件的面形质量。基于Preston方程,通过改变元件的多种运动轨迹,计算了方形光学元件全口径的材料去除率分布。通过分析发现:使方形光学元件在保持原有自转的同时沿抛光模径向或与径向有一定夹角的方向摆动,且附加在元件整个抛光面上的运动速度保持一致时,可使方形元件的材料去除率分布得更均匀。通过附加这种运动方式可以有效控制方形元件的塌角现象。
光学制造 抛光 面形 材料去除率