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固结硅基聚集体金刚石磨料垫的研磨性能

光学精密工程 2023年第6期31卷 839-848页

作者：盛鑫朱永伟任闯任泽董彦辉南京航空航天大学机电学院江苏省精密与微细制造技术重点实验室江苏南京210016

磨粒的微破碎是影响固结磨料垫研磨性能的主要因素,结合剂的组成与强度影响其微破碎行为。为实现高效研磨加工,探索不同组份的硅基结合剂聚集体磨粒的制备工艺及其研磨加工性能。在840℃,880℃,920℃温度下采用硅含量不同的结合剂制备... 详细信息

磨粒的微破碎是影响固结磨料垫研磨性能的主要因素,结合剂的组成与强度影响其微破碎行为。为实现高效研磨加工,探索不同组份的硅基结合剂聚集体磨粒的制备工艺及其研磨加工性能。在840℃,880℃,920℃温度下采用硅含量不同的结合剂制备聚集体金刚石磨粒,观察其微观形貌,并用其制备固结磨料垫,比较其在7 kPa,14 kPa,21 kPa研磨压力下固结硅基聚集体磨料垫研磨K9玻璃的研磨性能。结合剂中硅含量越高、烧结温度越高,结合剂填充越均匀、孔隙分布越合理,聚集体磨粒研磨加工时微破碎越明显,加工性能随之提升;在21 kPa研磨压力下,结合剂中硅含量最高、烧结温度为920℃制得的硅基聚集体金刚石磨料所制成的亲水性固结磨料垫研磨K9玻璃效率最高,材料去除率达到63.32μm/min,表面粗糙度Ra值为0.515μm。采用固结硅基聚集体金刚石磨料垫可以实现K9光学玻璃的高效研磨。

关键词：高效研磨固结磨料垫聚集体金刚石硅基结合剂

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硅基聚集体金刚石磨粒的制备与性能评价

硅基聚集体金刚石磨粒的制备与性能评价

作者：唐超南京航空航天大学

学位级别：硕士

聚集体金刚石磨粒是由微米级的单晶金刚石和结合剂烧结而成,聚集体金刚石因结合剂疲劳断裂实现自锐,具有出色的加工稳定性。本文创新性地提出硅基材料作为结合剂,利用硅脆性大的特点,使聚集体磨粒具有更好的自锐性。本文根据硅基结合剂... 详细信息

聚集体金刚石磨粒是由微米级的单晶金刚石和结合剂烧结而成,聚集体金刚石因结合剂疲劳断裂实现自锐,具有出色的加工稳定性。本文创新性地提出硅基材料作为结合剂,利用硅脆性大的特点,使聚集体磨粒具有更好的自锐性。本文根据硅基结合剂的特点提出新的聚集体金刚石制备工艺;通过硅基聚集体金刚石的制备试验分析工艺参数对其制备得率和微观形貌的影响;进行研磨试验探索工艺参数对硅基聚集体金刚石加工性能的影响,优化硅基聚集体金刚石的制备工艺参数。研究内容和结果如下:(1)开展了硅与金刚石反应的热力学分析,计算结果表明在烧结温度下硅与金刚石存在发生化学反应的可能性。通过工艺探索试验,成功制得了硅基聚集体金刚石磨粒,并将其制成亲水性FAP进行研磨试验,在14k Pa压力下研磨石英玻璃去除率稳定在16μm/min以上,表明硅基聚集体金刚石具有出色的加工性能。研究了硅基聚集体金刚石的烧结机理,烧结过程中结合剂对金刚石既有化学作用产生的化学键合也有物理作用产生的机械镶嵌。(2)探索了烧结温度、结合剂比例和一次粒径三个工艺参数对硅基聚集体金刚石磨粒特性的影响。试验结果表明工艺参数改变,结合剂的流动性,硅基聚集体金刚石的孔隙、单晶金刚石间的粘结状态都会受到影响,从而影响硅基聚集体金刚石的制备得率和微观形貌。(3)硅基聚集体金刚石磨粒的加工性能评价。试验结果表明一次粒径越大,由硅基聚集体金刚石磨粒制备的亲水性固结磨料垫的加工材料去除率越大,表面粗糙度越大。而烧结温度与结合剂比例两个因素之间存在交互作用,800℃的烧结温度,“中”结合剂比例是比较合理的工艺参数。一次粒径可以根据加工需求进行选择,若对表面质量要求更高可以选择较小的一次粒径,若对材料去除效率要求更高,则选择较大的一次粒径。

关键词：固结磨料加工硅基结合剂聚集体金刚石加工性能工艺参数优化

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研磨压力对固结聚集体磨料垫自修正影响

光学精密工程 2020年第2期28卷 372-381页

作者：牛凤丽朱永伟沈功明王子琨王科荣南京航空航天大学机电学院江苏省精密与微细制造技术重点实验室江苏南京210016

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料... 详细信息

固结磨料研磨过程中磨料的微破碎是实现固结磨料垫自修正特性的主要途径,研磨压力是影响磨粒微破碎的关键参数。选用单晶金刚石和聚集体金刚石作为磨粒制备固结磨料垫,在15 kPa压力下以石英玻璃为加工对象进行研磨实验,比较两者的材料去除率及加工稳定性;制备了4种陶瓷结合剂含量的聚集体金刚石,并制备成固结聚集体金刚石磨料垫,探索了不同压力下的固结聚集体金刚石磨料垫的自修正性能;分析了研磨后的工件表面粗糙度和表面微观形貌。结果表明:采用固结聚集体金刚石磨料垫,研磨后工件表面粗糙度低,去除效率稳定;在15~21 kPa的压力下,结合剂含量次高的聚集体金刚石研磨效率高,材料去除率达到8.94~12.43μm/min,加工性能较稳定,研磨后的工件表面粗糙度R a在60 nm左右;在3.5~7 kPa压力下,结合剂含量次低的聚集体金刚石研磨性能较稳定,材料去除率在2.67~3.12μm/min,研磨后的表面粗糙度R a在40 nm左右。高结合剂含量的聚集体金刚石磨粒更适合高研磨压力条件,而低结合剂的聚集体金刚石磨粒更适合于低研磨压力。

关键词：固结磨料垫聚集体金刚石陶瓷给合剂含量材料去除率自修正

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固结磨料垫高效研磨氟化钙晶体研究

金刚石与磨料磨具工程 2019年第5期39卷 67-72页

作者：沈功明顾群飞王科荣唐超牛凤丽朱永伟南京航空航天大学机电学院江苏省精密与微细制造技术重点实验室

氟化钙晶体的高效精密研磨加工是实现其超精密抛光加工的前提。采用单晶金刚石和聚集体金刚石磨料制备固结磨料垫(FAP),对比研究其研磨加工性能,探索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。结果表明:采用聚集体... 详细信息

氟化钙晶体的高效精密研磨加工是实现其超精密抛光加工的前提。采用单晶金刚石和聚集体金刚石磨料制备固结磨料垫(FAP),对比研究其研磨加工性能,探索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。结果表明:采用聚集体金刚石磨料制成的FAP研磨效率明显高于单晶金刚石FAP的,且其材料去除率更稳定,同时聚集体金刚石FAP的自修整能力要优于单晶金刚石FAP的。在10kPa压力下,采用初始粒径为3~5μm的聚集体金刚石FAP研磨氟化钙晶体,其材料去除率达13.0μm/min,表面粗糙度值Ra为130.0nm。

关键词：聚集体金刚石固结磨料研磨垫高效研磨自修整

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烧结碳化硅工件的固结磨料高效研磨工艺

烧结碳化硅工件的固结磨料高效研磨工艺

作者：金振弘南京航空航天大学

学位级别：硕士

碳化硅具有良好的力学、化学、热学性能,同时有良好的光学性能,成为空间反射镜首选材料之一。在航空航天、国防等尖端技术领域对碳化硅反射镜材料制备工艺以及其表面质量的要求极高,加工后的工件表面要获得纳米级的表面质量,因此对于碳... 详细信息

碳化硅具有良好的力学、化学、热学性能,同时有良好的光学性能,成为空间反射镜首选材料之一。在航空航天、国防等尖端技术领域对碳化硅反射镜材料制备工艺以及其表面质量的要求极高,加工后的工件表面要获得纳米级的表面质量,因此对于碳化硅的加工提出了高效、高精度、低损伤的加工要求。本文基于亲水性固结磨料垫(Fixed Abrasive Pad,FAP)研磨的优点,利用其对反应烧结碳化硅进行研磨加工,主要研究FAP研磨碳化硅时磨粒磨损以及FAP自修整性能的影响,提出砂浆辅助聚集体FAP研磨加工碳化硅材料的工艺路线,并获得优化工艺参数,为FAP研磨碳化硅反射镜提供参考和指导。论文主要研究内容和获得的结果如下:1.运用单因素试验的方法探索了基体硬度、砂浆粒径和浓度以及聚集体金刚石一次粒径对亲水性FAP研磨碳化硅性能的影响。实验发现:基体越硬、砂浆粒径越大、浓度越大,材料去除率越高,表面粗糙度变化不大;聚集体金刚石FAP的研磨效果优于单晶金刚石FAP;一次粒径越大,材料去除率越高,表面粗糙度变化不大。2.通过添加铜粉来增加FAP的硬度,利用铜粉与三乙醇胺反应提高FAP的自修整性能,改善FAP的研磨效果。通过正交实验探索聚集体金刚石的一次粒径、砂浆浓度、研磨压力、研磨盘/工件转速对碳化硅研磨的影响,实验发现:研磨压力、一次粒径、研磨盘/工件转速对研磨效果影响显著。采用砂浆浓度为3wt%、压力为21kPa、研磨盘/工件转速为65/60 r/min、一次粒径为5-10μm的聚集体金刚石FAP研磨碳化硅的效果相对最佳,其平均材料去除率为3.354μm/min,表面粗糙度Ra为82.1nm。3.通过材料去除率模型分析聚集体金刚石FAP高效加工的机理。基于弹塑性力学和接触力学理论,建立工件、磨粒、FAP基体三者的力学关系,获得了FAP研磨碳化硅的材料去除率模型,通过引入修正系数,阐述了聚集体金刚石FAP高效加工的机理。经过理论分析发现:材料去除率随着砂浆粒径、浓度、研磨盘转速、研磨压力、一次粒径的增加而增加;聚集体金刚石的自锐特性和砂浆的辅助作用有利于提高FAP自修整性能,获得更好的加工效果。

关键词：反应烧结碳化硅固结磨料研磨碳化硅砂浆聚集体金刚石材料去除率模型

磨粒尺寸对固结聚集体磨料垫研磨加工性能的影响

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磨粒尺寸对固结聚集体磨料垫研磨加工性能的影响

作者：凌顺志南京航空航天大学

学位级别：硕士

固结磨料加工技术是现阶段光学元件精密超精密加工的主要手段,亲水性固结磨料研磨抛光垫(FAP)是现阶段的研究热点,磨粒是亲水性FAP能否实现自修正的关键因素之一。传统的亲水性FAP研磨加工过程中,随着研磨垫使用时间的增加,FAP表面会出... 详细信息

固结磨料加工技术是现阶段光学元件精密超精密加工的主要手段,亲水性固结磨料研磨抛光垫(FAP)是现阶段的研究热点,磨粒是亲水性FAP能否实现自修正的关键因素之一。传统的亲水性FAP研磨加工过程中,随着研磨垫使用时间的增加,FAP表面会出现“釉化”现象,材料去除率下降,影响了加工效率的稳定性和加工后工件的表面质量。因此,本文采用金刚石聚集体磨粒,它具有自锐性好、利用率高、被加工工件表面质量好等优良的加工特性,将其应用于亲水性FAP中,探索聚集体磨粒对固结磨料垫研磨加工性能的影响。主要完成的工作如下:(1)根据垂直式湿法分级原理,选择水分级工艺参数,得到指定粒径金刚石聚集体磨粒的制备工艺路线。研究表明:由无压烧结制备的聚集体磨粒形状饱满圆润,多呈椭球状;在满足分级介质的流态为层流、颗粒自由沉降的前提,微粉分级精度高。(2)单因素法探索磨料属性(单晶金刚石、聚集体金刚石)、聚集体磨粒二次颗粒尺寸对固结磨料研磨垫研磨加工性能影响。实验表明:固结金刚石聚集体磨料垫研磨加工稳定性好,能够兼顾材料去除率、表面粗糙度同时优化;在聚集体磨粒二次颗粒尺寸为150μm时,工件材料去除率最高。(3)采用混合水平正交实验的方法,探索金刚石聚集体磨粒一次颗粒尺寸、二次颗粒尺寸、研磨压力、研磨液流量等因素对固结聚集体磨料垫研磨加工性能的影响。实验表明:聚集体金刚石的原料粒径和二次粒径的综合选择对固结磨料研磨垫的加工性能影响最显著,聚集体磨粒的二次颗粒尺寸为205μm、一次颗粒尺寸为1μm,研磨压力为14 kPa、研磨液流量为60 ml/min时,得到石英玻璃最优的精研加工效果。(4)提出亲水性固结聚集体磨料垫的加工模型。分析固结聚集体磨料垫的微观接触模型,建立FAP表面有效磨粒数目、切入深度、材料去除率数学模型,探讨聚集体磨粒FAP研磨的材料去除机理。研究表明:金刚石聚集体磨粒自锐性好,研磨过程高效且稳定。

关键词：固结聚集体磨料垫聚集体金刚石原料粒径二次颗粒尺寸分级精度材料去除率模型

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强微破碎特性聚集体磨粒的制备与性能评价

强微破碎特性聚集体磨粒的制备与性能评价

作者：丁聪南京航空航天大学

学位级别：硕士

磨粒的微破碎行为,使磨粒始终具有锋利的棱角和出色的切削能力,磨粒的性能直接影响工具的加工效果。聚集体金刚石是由单晶金刚石微粉和结合剂烧结而成,聚集体金刚石在固结磨料加工中因结合剂疲劳断裂实现微破碎,展示了良好的自锐特性。... 详细信息

磨粒的微破碎行为,使磨粒始终具有锋利的棱角和出色的切削能力,磨粒的性能直接影响工具的加工效果。聚集体金刚石是由单晶金刚石微粉和结合剂烧结而成,聚集体金刚石在固结磨料加工中因结合剂疲劳断裂实现微破碎,展示了良好的自锐特性。本文利用硅基材料易破碎的特性,将其作为结合剂制备了聚集体金刚石,研究了聚集体金刚石制备工艺参数、强度与加工特性三者之间的关系。研究内容和结果如下:(1)建立了硅基聚集体金刚石磨粒强度预测模型。通过建立理论模型发现在结合剂含量较高时,硅基聚集体金刚石的抗拉强度、抗压强度与一次粒径的平方成反比。(2)探索了工艺参数对聚集体金刚石强度的影响规律。通过单轴压缩试验和巴西拉伸试验获取聚集体金刚石的抗压强度与抗拉强度。结果表明:当结合剂含量较低时,随着一次粒径的增大,聚集体金刚石的强度先下降后上升;当结合剂含量较高时,随着一次粒径的增大,聚集体金刚石的强度逐渐下降;结合剂比例和烧结温度通过改变结合剂流动性进而影响聚集体金刚石的强度。(3)探索了工艺参数对聚集体金刚石加工性能的影响规律。实验表明:一次粒径越大,材料去除速率越大,表面粗糙度越大,可以根据加工需求选取合适的一次粒径;而结合剂比例、烧结温度通过影响聚集体金刚石的强度来影响加工性能。随着强度增加,结合剂对金刚石较强的粘结能力使金刚石能够保持稳定有效地切削,材料去除速率先增加后减小。在本研究中,“高”结合剂比例、800℃烧结温度下的聚集体金刚石加工性能较优。(4)研究了硅基聚集体金刚石较强的微破碎特性。实验表明,对比陶瓷基聚集体金刚石,由于硅基结合剂具有更高的脆性,并且通过化学作用和物理作用粘结金刚石,使硅基聚集体金刚石具有更强的微破碎特性。

关键词：微破碎特性聚集体金刚石强度模型加工性能工艺参数优化固结磨料

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光学玻璃的低损伤稳定铣磨加工研究

光学玻璃的低损伤稳定铣磨加工研究

作者：李微康南京航空航天大学

学位级别：硕士

目前,采用树脂结合剂金刚石砂轮铣磨光学玻璃时存在砂轮堵塞、加工后工件表面粗糙度大、亚表面损伤严重等问题。针对上述问题,本文将聚集体金刚石作为磨料用于铣磨工具,通过聚集体金刚石磨料良好的自锐特性,以期获得具有持续稳定高锋利... 详细信息

目前,采用树脂结合剂金刚石砂轮铣磨光学玻璃时存在砂轮堵塞、加工后工件表面粗糙度大、亚表面损伤严重等问题。针对上述问题,本文将聚集体金刚石作为磨料用于铣磨工具,通过聚集体金刚石磨料良好的自锐特性,以期获得具有持续稳定高锋利特性的铣磨工具,并加入(6成孔剂制备孔隙结构,以期获得低表面粗糙度和低亚表面损伤的玻璃加工件,对比分析了单晶金刚石铣磨工具和聚集体金刚石铣磨工具的加工性能,探索了(6成孔剂含量对铣磨工具加工性能的影响规律,提出了基于正交实验的工艺参数优化方法。具体研究内容和结果如下:（1）对比分析了单晶金刚石铣磨工具和聚集体金刚石铣磨工具的加工性能,通过实验验证了聚集体金刚石加工性能的优越性。实验结果表明:与单晶金刚石相比,聚集体金刚石铣磨工具不仅锋利性更高、加工稳定性更好,而且加工工件表面粗糙度及亚表面损伤更小。（2）通过理论推导了孔隙率计算公式并进行实验验证,探索了(6成孔剂含量对铣磨工具加工性能的影响规律。结果表明:铣磨工具孔隙率实际值与理论设计值基本一致,偏差在11%左右;随着(6含量的增加,铣磨力和铣磨力稳定性均先下降后上升;当(6含量为30%时,加工工件表面及亚表面质量最好。（3）K9光学玻璃的铣磨加工工艺参数的正交实验优化。由显著性分析可知,铣磨力显著性影响顺序为:一次粒径>进给量>进给速度>金刚石浓度,铣磨力稳定性显著性影响顺序为:一次粒径>进给量>金刚石浓度>进给速度,表面粗糙度显著性影响顺序为:一次粒径>进给量>进给速度>金刚石浓度,亚表面损伤显著性影响顺序为:进给量>一次粒径>进给速度>金刚石浓度。以铣磨力最小和表面粗糙度最小为优化目标,采用综合平衡法对正交实验进行优化分析,获得最优工艺参数组合为:一次粒径W7-10,金刚石浓度为60%,径向进给量2μm,进给速度8mm/min,此时,铣磨力为0.031N,铣磨力稳定性为5.56%,表面粗糙度Ra为0.382μm,亚表面损伤深度为6.797μm。

关键词：光学玻璃铣磨加工聚集体金刚石孔隙结构加工稳定性工艺参数优化