集群磁流变效应抛光垫特性及其加工机理研究

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1、万方数据分类号：UDC：密级：学校代号：学号：118451111201005广东工业大学博士学位论文(工学博士)集群磁流变效应抛光垫特性及其加工机理研究白振伟指导老师姓名：学科分类：专业名称：申请学位级别：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：阎秋生教授工学机械工程博士2014年10月2014年12月广东工业大学万方数据ADissenationSubmittedtoGuangdongUniVersi够ofTechn0109yfortheDegreeofDoctorofPhilosophyResearchontheproperty

2、andprocessingmechanismofclustermagnetorheologicalef．fectpadPhD．Candidate：BaiZhenweiSuperVisor：Prof．YanQiusheng0ctober2014SchoolofElectromechaIlicalEngineeringGuangdongUniVers时ofTecllllologyGuallgzhou，GuaIlgdong，P．R．China，510006万方数据摘要随着光电子／微电子器件应用的日益广泛，对相关元件的质量提出了更高的要求需

3、要在加工过程中最大限度地提高加工质量，其中对以单晶硅／碳化硅为代表的硬脆材料晶片的形状精度、表面粗糙度及表面完整性要求愈来愈高，抛光是实现硬脆材料超光滑平坦化加工的关键工艺。磁流变液作为一种智能材料，在磁场的作用下发生磁流变效应可以由牛顿流体转变为Bin曲am粘弹性体，将抛光磨料混入磁流变液制成磁流变抛光工作液，在抛光盘内阵列多个磁性体则在磁场作用下在抛光盘面形成粘弹性集群磁流变效应抛光垫，在抛光过程中产生磨粒“容没”效应，使不同尺寸磨粒均等作用于被加工表面，避免大尺寸磨粒对加工表面的损害，可以实现硬脆材料表面高效平坦化加工。本文针

4、对集群磁流变效应抛光垫的性能特性及其加工机理进行了系统性研究，提出磨粒“容没”效应模型，设计相应的试验及测试装置进行分析，深入研究了集群磁流变效应抛光力特性及其材料去除机理。通过优化设计集群磁流变效应抛光盘磁极点阵结构及磁场分布，改造集群磁流变效应抛光试验加工装置，实现集群磁流变效应抛光垫性能及厚度精确控制。在对集群磁流变抛光加工过程中磨粒加工行为分析基础上，基于集群磁流变效应抛光垫的Bingham体粘弹性，提出了集群磁流变效应抛光垫的磨粒“容没”效应模型。对比实验分析在磁流变抛光工作液中人为掺杂大尺寸磨粒的抛光加工表面粗糙度和表面

5、形貌，验证了磨粒“容没”效应作用效果。实验研究了大尺寸磨粒粒径、浓度，磁流变粒子(羰基铁粉)粒径、浓度以及抛光磨料种类与工件材料对抛光垫磨粒“容没”效应作用效果的影响，通过正交试验优化分析，获得了最佳的工艺参数。集群磁流变效应抛光垫的性能对抛光过程中磨粒“容没”效应具有决定性影响，实验测试分析以及优化控制集群磁流变效应抛光垫的性能尤为重要。利用环氧树脂胶固化不同条件下形成的集群磁流变效应抛光垫，通过超景深显微镜检测固化后的集群磁流变效应抛光垫的结构形貌特征以及采用邵氏硬度计测量固化后的抛光垫表面硬度，分别从定性和定量两个方面分析集群

6、磁流变效应抛光垫的粒子分布特点。提出了一种集群磁流变效应抛光垫性能(硬度、弹力)测试方法及其装置，实现准确测量集群磁流变效应抛光垫的正压力和剪切力，获得正压力和剪切力沿抛光垫径向(x轴)与法向(z轴)的变化曲线，实验研究得到的粒子分布与力场分布的测量结果与磁场仿真分析结果具有一致性。基于搭建的集群磁流变效应抛光三向测力平台对模拟状态的集群磁流变效应万方数据广东工业大学博士学位论文抛光加工过程抛光力(法向力Fn和切向力Ft)进行了系统实验研究，探讨了加工过程中主要工艺参数和工件材料对抛光力的影响。结果表明，实验条件下2英寸单晶硅片集群

7、磁流变平面抛光法向力Fn最大达到62．35N，抛光切向力Ft最大达到32．25N，切向力Ft与法向力Fn之比为0．46～0．77；抛光力随着加工间隙的增大而减小、随着磁场强度和羰基铁粉浓度的增大而增大；随着磨料浓度的增大而增大当磨料浓度达到5％wt后随着磨料浓度的增大而减小；随着抛光盘转速、磁流变液流量、工件摆动幅度与摆动速率的增大而连续增大并逐渐趋于稳定。对集群磁流变平面抛光力影响最大的工艺参数是磁场强度与加工间隙，其次是羰基铁粉与磨料的浓度、磁流变液流量、抛光盘转速；集群磁流变平面抛光力大小以及切向力与法向力比值随着工件材料硬度

8、的增大而增大，集群磁流变效应抛光对高硬度的工件材料的抛光力表现出低正压力高剪切力的特征，这有利于提高硬脆材料超光滑平坦化抛光加工效果。采用集群磁流变效应抛光方法对硬脆材料进行系统性抛光加工实验，分析在抛光过程中磨粒“容没”效应的作用效