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

Soft-brittle parts are the key ones in large-size display system，optical guidance system and scientific measurement device, whose performance depends greatly on the machined surface quality. To aim at its softness and brittleness, lapping/polishing mechanism of soft-brittle materials based on the hydrophilicfixed abrasive (FA) technology and its key technology will be studied. Some fundamental questions such as particle embedding mechanism and ways to realize zero-embedding, micro contact model between fixed abrasive pad and work-piece, evolution rules of (sub)surface properties of soft-brittle materials on the conditions of micro/nano material removal and its control, the relationship between the structure of FA pad, machining parameters and machining results will be intensively investigated. The design criteria of FA pad for lapping/polishing soft-brittle materials will be proposed. The suggested principle for machining parameters set-up will be put forward. Soft-brittle parts with a super-smooth surface and a very low sub-surface damage will be obtained through optimized lapping / polishing parameters.

软脆材料制成的工件是大屏幕显示、光学制导及科学仪器中的关键器件，其表面质量是制约器件性能的关键因素之一。项目针对工件的软、脆特性，拟开展基于亲水性固结磨料技术的低损伤研抛机理及关键技术研究。主要开展：研磨抛光过程中软脆工件表面的磨粒嵌入机制，探索实现工件表面磨粒零嵌入的方法与工艺；亲水性FAP研抛过程中工件与工具的微接触模型；微/纳去除条件下软脆工件的(亚)表面特性演化规律及其控制；研抛过程中FAP结构特征、工艺参数与加工结果之间的映射关系。提出软脆材料研抛用FAP的设计准则，指导软脆工件研抛加工的工艺参数制订，确保软脆材料研抛过程中“把持牢固、排屑通畅、适度退让、磨损同步”十六字方针的落实，实现软脆材料的超光滑低亚表面损伤的研磨抛光加工。

本项目主要开展了四个方面的研究，分别为：研磨抛光过程中软脆工件表面的磨粒嵌入机制及其对策；亲水性 FAP 研抛过程中工件与工具的微观接触模型；微/纳去除条件下软脆工件的(亚)表面特性演化规律及其控制；亲水性 FAP 结构特征、工艺参数与加工结果之间的映射关系。项目开展过程中建立了磨粒脱落、嵌入工件模型，研究了游离磨粒嵌入工件的临界条件和嵌入工件磨粒的“拔出”机制，并以此为依据探索了FAP结构参数及研抛工艺对磨粒“嵌入”及“拔出”过程的影响。基于磨粒“嵌入”及“拔出”准则，设计出研抛过程中“磨粒零残留”FAP，并对比游离磨料及固结磨料研抛后工件表面粒子残留。根据磨粒受载荷作用时的“退让”趋势建立仅考虑磨粒承力的工具与工件之间的微观接触模型，探究研抛垫表面的基体微突起形貌特征及其分布规律，并进一步建立考虑磨粒与基体微突起共同承力的工具与工件之间的微观接触模型。在不同微观接触模型下，建立工件材料去除速率模型与表面粗糙度模型并验证其合理性。采用离散元模拟软件，对单颗磨粒作用下软脆工件亚表面的裂纹形成状况进行仿真模并通过采用角度抛光法对固结磨料研磨后的亚表面损伤层进行观测，与仿真结果进行对比。探索FAP研抛过程中工件亚表面损伤的形成机制。在此基础上，探索研磨压力、磨粒粒径、研磨速度等参数对软脆材料亚表面损伤层的影响，为固结磨料研磨抛光软脆晶体的亚表面损伤层控制提供指导。根据研抛过程中不同去除作用、变质层的厚度以及变质层深度探究研抛条件下工件表面的变质（影响）层的演变过程和化学及机械作用的耦合机制。利用压痕法测量弹性量和断裂韧性，利用纳米划痕法测量临界切深，探究研抛液对临界切深的影响规律。研究沟槽结构、孔隙结构在排屑过程中的作用，以此为依据设计复合排屑FAP。分析FAP去除机理，探究不同种类的金刚石磨粒在固结磨料研磨垫自修整过程中的作用机理。探索FPA工艺参数对工件研磨抛光过程中的材料去除率和加工表面质量影响规律，建立软脆工件研磨加工工艺智能决策系统，开展软脆工件的高效低损伤研抛工艺优化研究。.项目执行期间，发表学术论文21篇，其中10篇为SCI收录，授权发明专利5项，已毕业研究生7人，其中博士研究生2人，硕士研究生5人。研究成果已应用于苹果、华为等3C等产品的研抛加工。