流体二维振动超光滑表面加工振动场分析与实验研究

论文摘要

随着光学与微电子学等技术的不断发展,对其中关键零件表面精度的要求越来越高。近年来集成电路的规模越来越大,其所用芯片的特征尺寸越来越小,为保证后续加工的质量,对表面精度的要求是非常严格的。而现代短波光学和强光光学系统,对器件表面精度的要求则更为苛刻,不仅要求表面粗糙度低,而且对表面损伤程度也有严格的要求。在另外的一些技术领域,如高密度磁记录器件和光记录器件等的制造方面,也存在着对超光滑表面的需求。 本文针对超光滑表面的需求,提出了一种基于流体二维振动的超光滑表面加工方法。该抛光方法采用流体为抛光工具,在水平方向和垂直方向附加二维高频振动作为抛光作用力,使流体分子或微细磨料粒子能以一定的速度不断冲击工件表面,利用抛光液与工件之间的物理-化学作用完成材料去除,从而获得超光滑表面。论文基于该原理,对实验装置进行了设计,并通过有限元模态分析方法分析了装置的固有频率和模态振型。本文还对装置进行了有限元谐响应分析,找出在激振器的作用下抛光槽的响应状态,找出了响应比较好,振动状态平稳的频率段。 通过实验发现不同的流场状态以及工件的安装方式对抛光表面质量有着重要影响。实验观察到在稳定流场中,工件采用水平安装方式时,工件表面存在凹坑等缺陷:采用垂直安装方式时,抛光后得到的工件表面比较光滑。而在非稳定流场中,采用水平安装和垂直安装方式都发现了凹坑等缺陷。采用区域跟踪检测来评价加工的效果,验证了流体二维振动抛光方法的有效性和可行性,并总结相关规律。 抛光的时候振动体中流体振动场的振动状态对于加工效果有着很大的影响,本文采用有限元方法对二维高频振动下的振动体进行流固耦合分析,分析了该振动场中流体的运动轨迹和规律。同时对单个磨料粒子在二维振动耦合作用下的轨迹也进行了仿真,以研究抛光加工的机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究意义
• 1.2 国内外超光滑表面加工技术的研究现状
• 1.2.1 机械抛光
• 1.2.2 化学抛光
• 1.2.3 特种抛光和复合抛光方法
• 1.3 本课题的研究概况
• 1.3.1 研究意义及研究目标
• 1.3.2 课题来源及研究内容
• 第二章 装置的设计及有限元分析
• 2.1 二维流体振动物理-化学复合抛光的基本原理
• 2.2 抛光试验装置的设计
• 2.2.1 装置的功能分析
• 2.2.2 装置的设计
• 2.2.3 振动源与抛光槽的结合方式
• 2.3 装置的有限元分析
• 2.3.1 基本理论
• 2.3.2 有限元分析的基本步骤
• 2.3.3 单元类型的选择
• 2.3.4 有限元模态分析
• 2.3.5 动力学谐响应分析
• 2.4 初步抛光加工实验
• 2.5 小结
• 第三章 振动场的流固耦合分析
• 3.1 超声波的原理和特性
• 3.2 流固耦合分析
• 3.2.1 流固耦合分析的基本理论
• 3.2.2 流固耦合分析的基本步骤
• 3.2.3 单元类型的选择
• 3.3 ANSYS流固耦合分析结果
• 3.3.1 双超声抛光槽流体轨迹分析
• 3.3.2 机械振动-超声振动方式有限元流固耦合分析
• 3.4 抛光液中磨料粒子运动轨迹的初步研究
• 3.5 小结
• 第四章 流体二维振动超光滑抛光实验研究
• 4.1 石英玻璃的特点
• 4.2 WYKO非接触表面轮廓仪
• 4.3 流场对工件表面质量的影响
• 4.3.1 稳定流场对抛光效果的影响
• 4.3.2 非稳定流场对抛光效果的影响
• 4.3.3 不同流场对表面质量影响的机理
• 4.4 石英玻璃抛光实验研究
• 4.4.1 区域跟踪检测法抛光实验
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 独创性说明
• 致谢