硬脆材料微小零件化学机械微细磨削机理及关键技术研究

The demand for micro-parts and micro-structured elements is growing fast in the field of aerospace, biological engineering and micro-electronics. Such parts and elements are normally made on micro-grinding machines with micro-tools. Micro-grinding has thus become a hot topic for research. However, micro-grinding can cause damage in the edge and corner of a micro-part, resulting in a paradox between machining quality and efficiency...A novel chemo-mechanical micro-grinding (CMMG) method is proposed for micro-parts and micro-structured elements made of hard-and-brittle materials, such as the single crystalline silicon and silicon carbide. The CMMG method can chemically modify the surface properties of a micro-part to suppress or eliminate machining damage during a micro-grinding process. The mechanisms of material removal and property modification will thoroughly be investigated in terms of the matching up between grinding fluid and micro-part material, which will lead to developing a chemically-correct grinding fluid for the micro-part material. Through experimental study and simulation analyses, both damage type and size in the edge and corner will be detected. Subsequently, optimization will be carried out on the CMMG process to minimize wear and deflection of the micro-grinding tool. The project will have both intellectual and societal impacts because fundamental knowledge will be obtained for enhancing our understanding of CMMG and for teaching our students and young engineers; value-added micro-part products will be developed for industrial applications.

微细磨削是实现航空航天、生物工程、微电子等领域微小零件超精加工的重要途径和研究热点，但该技术目前仍难解决硬脆材料微小零件微结构棱角边刃裂纹、崩边、缺角等损伤缺陷及加工质量与加工效率间的突出矛盾。本项目提出一种通过主动增强磨削液对材料可控化学改性，克服机械力去除造成加工损伤的化学机械微细磨削（CMMG）复合加工方法。针对典型单晶Si和SiC微小零件微结构，研究磨削液与工件的化学作用机制，制备出应用于CMMG加工专用磨削液；重点研究CMMG化学机械协同去除加工机理，揭示微结构表面及棱角边刃的损伤类型及尺度，建立微小零件高表面质量、高边刃精度的CMMG加工可控条件；分析微磨具磨损变形及其影响，优化CMMG工艺，形成具有自主知识产权的CMMG加工理论及技术，实现硬脆材料微小零件的高表面质量、高边刃精度及高效率加工。本项目对于促进微细磨削技术的推广应用、提升微小零件制造水平具重要理论意义和应用价值。

本项目针对硬脆材料微小零件，采用微细磨削技术已能实现纳米级表面粗糙度加工水平，但是还难以突破微结构棱角边刃的裂纹、崩边、缺角等加工损伤缺陷以及加工精度、加工效率与实际需求日益凸显的矛盾。借鉴化学机械加工技术原理，提出针对硬脆材料微小零件的化学机械微细磨削(Chemo-Mechanical Micro-grinding, CMMG)复合加工方法。在微细磨削过程中利用化学改性液的催化改性作用，对机械应力作用下的工件材料进行化学改性。通过改性层材料物理机械性能的变化，软化工件材料，增大脆-延性域去除转变临界切深条件，以此减小甚至消除单一机械应力去除造成的加工损伤，并提高材料的去除率，实现硬脆材料微小零件的高精高效微细磨削加工。.选取典型硬脆材料单晶硅（Si）为对象，研究了液固反应环境下单晶硅向硅酸盐改性的化学改性机理。探讨了化学改性液添加剂的成分、浓度和pH值对单晶硅改性速率和改性程度及可控性的影响规律。在化学改性液理化特性测试和纳米压痕、划痕力学性能评价基础上，制备出了适合单晶硅CMMG加工的高效能专用化学改性液。从模拟单颗磨粒去除硬脆材料的材料去除机理研究入手，以圆锥、球形、三棱锥、四棱锥四种单颗磨粒模型为对象，建立了基于单一磨粒模型和基于综合磨粒模型的微细磨削力模型。结合摩擦磨损试验，讨论了化学机械协同作用下单晶硅的材料去除机理。实验研究了微细磨削单晶硅的边刃损伤类型及尺度，建立了微细磨削质量评价方法。研究了金刚石微磨棒磨损对微细磨削质量的影响程度，建立了硬脆材料微小零件高表面质量、高边刃精度的CMMG加工可控条件。在化学改性液作用机制研究、CMMG加工机理及其高精加工可控条件研究的基础上，研究了紫外光复合加热单晶硅化学改性策略，并提出了一种光催化高能场辅助化学机械微细磨削方法，形成了具有自主知识产权的CMMG加工理论及技术。.研究表明，项目提出的化学机械微细磨削方法能提高单晶硅微细磨削边刃质量，进一步增加复合能场能提升化学改性效率，加大化学改性区域和改性程度的可控性。