【摘 要】
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近些年来,应用在光学技术、LED照明、半导体集成电路等高端领域的光学镜片、蓝宝石基片、硅片等超精密元件的需求量巨大,这些超精密元件对其表面质量都有极高的要求。传统的超精密加工技术难以对其实现高效率、高精度、无损伤抛光。磁流变抛光是一种可实现超光滑无损伤加工的先进超精密抛光方法。采用静磁场励磁时,磨料容易发生堆积,而采用动态磁场时磁力线进行不断变化,磁性颗粒具有动态的性质,从而促进磨料颗粒的均匀分布
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:大面积匀强磁场励磁的蓝宝石晶片高效磁流变化学平整加工,项目批准号:51675171
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近些年来,应用在光学技术、LED照明、半导体集成电路等高端领域的光学镜片、蓝宝石基片、硅片等超精密元件的需求量巨大,这些超精密元件对其表面质量都有极高的要求。传统的超精密加工技术难以对其实现高效率、高精度、无损伤抛光。磁流变抛光是一种可实现超光滑无损伤加工的先进超精密抛光方法。采用静磁场励磁时,磨料容易发生堆积,而采用动态磁场时磁力线进行不断变化,磁性颗粒具有动态的性质,从而促进磨料颗粒的均匀分布,提高工件表面加工质量。以交流电作为电磁铁激励产生动态磁场,但是高频率时易对工件产生损伤。因此本文提出采用低频交变磁场进行盘式磁流变抛光,开展了如下研究:(1)设计了凹槽型磁极电磁铁励磁装置。根据磁流变抛光的原理,设计了励磁装置的结构,并根据性能要求为各部分选择了合适的材料。基于电磁学理论和磁路定律计算了满足磁场要求的励磁装置线圈匝数。(2)使用Maxwell软件对凹槽型磁极电磁铁励磁装置产生的磁场进行了仿真,并对其结构尺寸进行优化。研究了交变磁场的特性,并对比了凹槽型磁极和平面型磁极的励磁效果。发现在加工区域内两者产生的磁场均能满足抛光要求,且凹槽型磁极能产生更好的励磁效果。为获得最佳结构尺寸,通过单因素法分别对凹槽深度和凹槽宽度两个主要参数进行磁场仿真分析。结果表明:凹槽深度和凹槽宽度对磁感应强度的影响均是先增大后减小,且对磁场的分布形状无影响。(3)搭建了低频交变磁场励磁的磁流变抛光实验平台,并进行了K9玻璃抛光实验。通过单因素实验系统地分析了不同电流频率、工作间隙、抛光槽转速、工件转速、抛光液体积、磨料种类对K9玻璃材料表面粗糙度改善率和材料去除率的影响,结果表明各工艺参数对抛光效果的影响均较为显著。采用最佳工艺参数进行30 min抛光后,表面粗糙度改善率和材料去除率分别为15.21 nm/min和2.03 mg/min,相比工艺参数优化前的最优值分别提高了11%和116%。抛光180min后,加工面粗糙度值由抛光前的Ra 580 nm收敛至Ra 5.04 nm。
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