【摘 要】
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蓝宝石衬底研磨加工中存在加工效率低和工艺稳定性差等问题,制约了蓝宝石应用产业的发展。本研究以实现蓝宝石高效稳定研磨加工为目标,将固结磨料加工技术、游离磨料加工技术和模式识别方法有机结合。主要开展了固结单晶/聚集体金刚石磨料垫研磨加工机理及性能、单晶/聚集体金刚石磨粒磨损对研磨加工的影响机制、固结金刚石磨料垫研磨加工性能智能监测技术和游离磨料辅助固结金刚石磨料垫研磨加工技术的研究。首次应用了自研的高
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会,面上项目,51675276,基于亲水性固结磨料技术的软脆工件低损伤研磨抛光机理；
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蓝宝石衬底研磨加工中存在加工效率低和工艺稳定性差等问题,制约了蓝宝石应用产业的发展。本研究以实现蓝宝石高效稳定研磨加工为目标,将固结磨料加工技术、游离磨料加工技术和模式识别方法有机结合。主要开展了固结单晶/聚集体金刚石磨料垫研磨加工机理及性能、单晶/聚集体金刚石磨粒磨损对研磨加工的影响机制、固结金刚石磨料垫研磨加工性能智能监测技术和游离磨料辅助固结金刚石磨料垫研磨加工技术的研究。首次应用了自研的高自锐聚集体金刚石磨料于蓝宝石研磨加工,阐明了固结单晶/聚集体金刚石磨料垫研磨蓝宝石材料去除机理,提出了固结金刚石磨料垫研磨加工状态快速智能识别方法和游离氧化铝磨料辅助固结聚集体金刚石磨料垫研磨加工方法。着力解决了材料去除模型欠缺、磨粒自锐能力差、加工状态监测智能化水平低和磨料垫易釉化等关键问题,为实现蓝宝石高效稳定固结磨料研磨加工提供了理论和技术支持。本研究完成的主要工作和取得的成果如下:1)固结单晶/聚集体金刚石磨料垫研磨加工机理及性能研发了新型聚集体金刚石磨料,结合修正后的球冠模型和脆塑转变机制,首次建立了固结单晶/聚集体金刚石磨料垫研磨蓝宝石晶片过程中磨粒刻划晶片弹-塑-脆性动态接触模型和磨料垫基体微凸体与晶片的弹-塑性接触模型。考虑磨粒在磨料垫基体中退让和基体微凸体分载对磨料垫与晶片接触状态的影响,建立了固结金刚石磨料垫研磨蓝宝石材料去除模型。对比了单晶与聚集体金刚石磨料垫加工性能,揭示了固结单晶/聚集体金刚石磨料垫研磨蓝宝石材料去除机理。研究结果表明:卸载后的蓝宝石变形区平均弹性恢复量约为加载时磨料平均切深的50%,磨料实际切深小是固结单晶金刚石磨料垫研磨蓝宝石材料去除率低的最主要原因;相同条件下,与单晶金刚石磨料相比,聚集体金刚石磨料在基体中退让量更小、参与研磨加工的数量更多、更容易引发蓝宝石屈服和脆塑转变,加工效率提高。2)单晶/聚集体金刚石磨粒磨损对研磨加工的影响机制基于单颗磨粒摩擦磨损试验对比了单晶金刚石和聚集体金刚石的磨损形式,阐述了磨粒磨损情况下单晶/聚集体金刚石磨粒刻划蓝宝石材料的去除行为。研究结果表明:聚集体金刚石磨粒具有更强、更稳定微切削能力的原因是其具有多切削刃微观结构和微破碎特性。3)固结金刚石磨料垫研磨加工性能智能监测技术首次提出了基于小波变换和自开发的具有自识别聚类中心功能的点密度模糊C均值聚类模式识别方法,实现了对固结金刚石磨料垫研磨蓝宝石加工状态的快速智能识别和实时在线监测。研究结果表明:固结金刚石磨料垫研磨蓝宝石过程中磨料对晶片的滑擦、耕犁和切削作用同时存在,固结单晶金刚石磨料垫研磨加工前期切削阶段占主导,后期滑擦和耕犁阶段取而代之;固结聚集体金刚石磨料垫整个研磨过程中切削阶段占比始终较高。4)游离磨料辅助固结金刚石磨料垫研磨加工技术提出了游离氧化铝磨料辅助固结聚集体金刚石磨料垫研磨加工新方法,实现了高效稳定的蓝宝石材料去除。研究结果表明:氧化铝磨料主要起到修整固结聚集体金刚石磨料垫的作用,进而提高磨料垫的加工能力;游离氧化铝磨料尺寸越接近聚集体磨粒中金刚石颗粒粒径,加工效率的提高越明显,加工效率相比传统固结磨料研磨方法提升一倍,被加工后蓝宝石表面粗糙度降低50%。
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