气-液-固三相抛光磨粒动力学规律及加工试验研究

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气-液-固三相磨粒流光抛光方法以微气泡溃灭形成的空化冲击效应驱动磨粒对工件表面进行抛光,在提升抛光效率的同时,减少了亚表面损伤的概率。目前对该方法的研究重点主要集中在磨粒流边界条件的控制上,如磨粒入射角、入射速度等,但都未对抛光磨粒在流场中的动力学规律进行深入挖掘和直接测量。诚然通过探究气-液-固三相近壁流场中空化冲击磨粒的动力学规律对空化冲击磨粒可控性的形成及抛光效率的提升具有重大意义。在此思路下通过修正湍流模型对三相磨粒流进行数学描述,利用PIV技术对抛光流场进行测量,提出微气泡补偿气-液-固三相磨粒流抛光方法并进行加工试验。基于此,本文的主要工作如下:  (1)以大平面电子信息材料抛光技术为研究背景,分析了现有加工方法的利弊。对国内外相关研究进行了综述,提出了气-液-固三相磨粒流抛光方法。对该方法所涉及的理论及技术进行了重点论述,确定了本文的主要研究内容和后序工作任务。  (2)以可实现k-ε湍流模型为基础,分析三相流场特性,并结合Mixture模型对可实现k-ε湍流模型进行修正,使其对气-液-固三相磨粒流流场运动规律的描述更为准确。探究空化冲击磨粒在近壁端的动力学规律,并分析单磨粒在流场中的受力情况。  (3)综合分析现有抛光模型的缺陷后优化几何模型并进行网格划分、参数设置及数值模拟。基于流场特性数值模拟抛光工具入口数对流场特性和磨粒运动规律的影响,确定最佳入口数抛光工具,并在流场低湍动能、动压力区域设置微气泡补偿,完善抛光圆盘,提出微气泡补偿气-液-固三相磨粒流抛光方法。  (4)PIV系统能够在不干扰流场运动形态的同时对流场进行整体测量,有利于分析三相磨粒流的动力学规律,设计气-液-固三相磨粒流PIV测量试验平台,对四入口抛光盘形成的流场进行观测,并通过图像处理算法计算流场的速度矢量、涡量等参数,试验验证数值模拟的正确性及抛光方法的可行性。  (5)设计气-液-固三相磨粒流微气泡调节试验平台,并进行抛光试验。结果表明:在微气泡补偿下的气-液-固三相磨粒流抛光4h后,B区域测量点硅片表面最大粗糙度Rz从10.4μm下降到1.3μm,平均粗糙度达到0.7μm,且基本不存在加工痕迹,数值模拟、PIV测量和实际抛光效果相一致,最终证明了该抛光方法的有效性。
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