氮化硅陶瓷某典型零件化学机械抛光工艺实验研究

论文摘要

氮化硅陶瓷材料以其强度高、耐高温、耐化学腐蚀等优良性能在工业和国防领域得到广泛应用。目前，氮化硅材料的超精密加工主要通过超硬精细磨料的研磨和精密磨削来实现。这两种精密加工方式主要以脆性崩裂的形式实现氮化硅材料的去除。由于氮化硅陶瓷自身的硬、脆特性，磨削和研磨加工易在氮化硅陶瓷表面产生划痕和残余应力等表面缺陷，难以获得高质量的氮化硅陶瓷加工表面，影响着零件的使用性能。化学机械抛光（Chemo-mechanical polishing,CMP）是机械磨削和化学腐蚀的组合技术。它借助微粒子的研磨作用以及抛光研磨液的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁、几乎无损伤的加工表面。化学机械抛光主要用于平面或球类零件的加工，对复杂型面零件的抛光工艺和加工设备鲜有报道。本文针对航空航天、国防武器领域内氮化硅陶瓷某典型复杂型面零件的加工要求，在高精度数控坐标磨床MK2945C上搭建该氮化硅陶瓷零件的化学机械抛光工艺平台，并进行了超精密化学机械抛光工艺的实验研究；根据氮化硅材料的特性选用氧化铈（CeO2）作为抛光介质，并配置了抛光液。为了获得高质量的加工表面，以及揭示化学机械抛光工艺参数对表面粗糙度和加工效率的影响，采用单因素法分别对抛光液浓度、抛光液流量、抛光轮转速和抛光时间进行实验研究；通过测量抛光后表面粗糙度值，具体分析每个工艺参数在粗抛和精抛的情况下对其表面粗糙度的影响规律，并提出了降低表面粗糙度的具体措施，为后续工艺优化提供实验参考。根据粗抛和精抛中各工艺参数对氮化硅陶瓷加工表面粗糙度的影响规律，本文设计了正交实验方案，分别对粗抛和精抛的化学机械抛光加工工艺参数进行优化，从而获得了较合理的加工工艺参数。并对优化工艺进行了实验验证，得到了光洁、几乎无损伤的氮化硅陶瓷加工表面，其表面Ra值达10nm以下。实验表明该工艺稳定可靠，具有一定的实用价值。通过实验发现化学机械抛光过程中化学作用和机械作用是密不可分的，单个因素不能对表面加工质量做出一个比较全面的反应。将加工工艺参数进行优化组合，使得化学作用和机械作用达到某种平衡，从而获得低粗糙度、表面几乎无损伤的加工表面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 插表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 化学机械抛光技术原理
• 1.2.1 化学机械抛光技术原理
• 1.2.2 化学机械抛光加工质量影响因素
• 1.3 化学机械抛光过程中材料去除机理
• 1.3.1 CMP 机械作用去除机理
• 1.3.2 不同材料 CMP 化学作用去除机理
• 1.4 CMP 技术主要研究内容及进展
• 1.4.1 化学机械抛光液
• 1.4.2 化学机械抛光垫
• 1.4.3 化学机械抛光设备
• 1.4.4 CMP 无磨料抛光工艺
• 1.5 论文主要研究目的意义、内容及论文结构安排
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究目的和意义
• 1.5.3 论文结构安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 化学机械抛光实验平台及装置设计
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 MK2945C 数控坐标磨床简介
• 2.2.2 数控坐标磨床的特点及主要功能
• 2.2.3 数控坐标磨床的运动控制方式
• 2.2.4 自旋工作台
• 2.3 抛光装置设计要求
• 2.4 零件夹持部件
• 2.5 抛光液配制
• 2.5.1 氧化铈性能
• 2.5.2 氧化铈抛光原理
• 2.5.3 氧化铈抛光液配制
• 2.6 抛光轮设计
• 2.6.1 抛光垫性能
• 2.6.2 抛光轮设计
• 2.6.3 抛光轮的修整
• 2.7 本章小结
• 第三章 化学机械抛光工艺实验方案
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料
• 3.4 抛光工艺实验方案
• 3.4.1 零件抛光运动方式选择
• 3.4.2 抛光工艺路线
• 3.4.3 抛光工艺参数
• 3.4.4 抛光工艺数控代码
• 3.5 抛光后表面粗糙度与形貌的检测设备
• 3.5.1 表面粗糙度的检测
• 3.5.2 表面形貌的检测
• 3.6 本章小结
• 第四章 实验结果及其分析
• 4.1 引言
• 4.2 抛光后表面清洗
• 4.2.1 氮化硅陶瓷清洗液的选择
• 4.2.2 超声波清洗原理
• 4.2.3 氮化硅陶瓷表面清洗方法
• 4.3 工艺参数的影响
• 4.3.1 抛光液浓度对表面粗糙度的影响
• 4.3.2 抛光液流量对表面粗糙度的影响
• 4.3.3 抛光轮转速对表面粗糙度的影响
• 4.3.4 抛光时间对表面粗糙度的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 化学机械抛光工艺优化
• 5.1 引言
• 5.2 正交设计原理及基本概念
• 5.2.1 正交实验设计的原理
• 5.2.2 正交实验设计基本概念与特点
• 5.3 正交实验设计
• 5.3.1 参数水平的选择
• 5.3.2 正交表的设计
• 5.4 实验数据评价与分析方法
• 5.4.1 数据评价
• 5.5 实验结果与分析
• 5.5.1 优化工艺实验数据计算
• 5.5.2 方差分析
• 5.5.3 实验验证
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 附录 B 攻读硕士学位期间参与的研究课题