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蓝宝石非接触超声研抛系统设计与实验研究

蓝宝石非接触超声研抛系统设计与实验研究

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作者：邹夏翰广州大学

学位级别：硕士

随着半导体、新能源、以及人工智能等领域的高速发展,各行业对硬脆材料表面质量的要求也逐渐提高。蓝宝石材料属于典型的硬脆材料,其具有硬度高、透光性好、耐腐蚀等优异的物理和化学性能。但由于蓝宝石材料是一种难加工材料,传统研磨... 详细信息

随着半导体、新能源、以及人工智能等领域的高速发展,各行业对硬脆材料表面质量的要求也逐渐提高。蓝宝石材料属于典型的硬脆材料,其具有硬度高、透光性好、耐腐蚀等优异的物理和化学性能。但由于蓝宝石材料是一种难加工材料,传统研磨抛光技术很难大幅改善其表面质量以满足行业要求。超声辅助加工技术作为一种新型的复合加工技术,在硬脆材料表面超精密加工方面应用广泛。然而,目前大多数研究都是建立在一维超声纵振辅助下的研磨抛光加工,随着超声振动系统研究的不断深入,纵扭复合超声振动系统以多样的振动模式和优质的加工质量而展现出更好的性能。鉴于此,本文设计了一种纵扭复合超声振动系统,基于超声空化和磨粒冲击作用研究了超声磨料加工中的材料去除机理,并对蓝宝石材料进行了非接触超声振动辅助抛光实验。具体研究内容如下:(1)分析了非接触超声磨料加工中的材料去除模式,包括超声空化效应和磨粒冲击作用下的材料脆性去除模型。通过理论计算得到了微射流速度及其冲击到工件表面产生的水锤压力;研究了磨粒冲击作用下,工件材料由于脆性断裂所去除的体积。(2)设计了超声振动系统的基本结构。基于设计频率20 k Hz和半波长设计理论得到了夹心式压电换能器和纵扭复合变幅杆的结构模型。基于模态退化原理在变幅杆上设计螺旋槽结构实现了纵扭复合振动模态的输出,研究了变幅杆螺旋槽数量和深度对系统振动频率与输出性能的影响。(3)对超声振动系统进行仿真分析与性能测试。首先,通过特征频率分析确定了系统工作端面输出纵扭振动模态时的振动频率。其次,通过频域分析得到了系统工作端面输出的纵扭振动幅值、速度幅值、加速度幅值以及系统的位移节点。最后,对系统样机进行阻抗特性测试和纵扭振幅测试,得到了样机的谐振频率与系统工作端面输出振幅的大小,并研究了输出振幅与激励电压之间的关系。(4)对蓝宝石晶片进行研磨抛光实验研究。利用控制变量法进行固结磨料研磨实验,以提高工件材料去除率为目标,确定了最优的工艺参数组合,研究了工件表面粗糙度与研磨时间的关系。设计了四因素三水平的正交实验方案进行非接触超声振动辅助抛光实验,以降低工件表面粗糙度为目标,确定了最优的工艺参数组合。并设置相同工艺参数下的一维超声纵振辅助抛光实验进行对比。实验结果表明,纵扭复合超声振动辅助抛光加工在降低工件表面粗糙度、改善表面形貌方面更具优势。

关键词：蓝宝石材料超声振动纵扭模态超声辅助抛光表面形貌

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