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工件旋转磨削磨粒切深解析模型分析

更新时间:2009-03-28

随着科学技术的不断发展,硬脆材料如各种光学玻璃、单晶硅、微晶玻璃及陶瓷等在航空、航天及军用设备中应用得越来越广泛,而且对零件表面质量要求极高[1-5]。为了获得高质量的硬脆材料零件加工表面,常采用超精密磨削、珩磨、研磨及抛光等方法。近年来,超精密磨削加工技术得到了极大发展,极大地提高了零件的加工精度和加工效率[6-7]

工件旋转磨削技术广泛应用于集成电路领域,可超精密磨削加工衬底基片并满足厚度均一性的要求。磨削基片的亚表面损伤深度会显著影响后续工艺的加工效率。因此,表面/亚表面损伤是磨削工艺研究的核心问题,而磨削表面/亚表面损伤很大程度上由磨粒切削深度决定。磨粒的切削深度是指砂轮表层的有效磨粒去除工件表面材料的厚度[8],它直接影响单个磨粒磨削力的大小,进而对加工工件表面的完整性有重大影响[9];并与砂轮尺寸、砂轮粒度、砂轮转速、工件转速和砂轮进给速度等因素均有关,是反映磨削加工条件综合作用的磨削参数[10]。因此,在研究磨削工艺的过程中,磨粒切削深度是一个重要的分析参数。

多年来,很多学者一直致力于超精密磨削工艺的研究并且建立了若干磨粒切深模型[11-13]。这类模型通过磨粒切削深度计算来判断材料的去除形式,在材料脆塑去除模式转变点的预测上发挥了重要作用,有效提高了磨削工艺的优化周期。然而,通过已有模型预测的磨粒切削深度和试验结果存在不合理的偏差。以采用磨粒粒径约1.4 μm或磨粒粒径约1.1 μm砂轮进行磨削时的情况为例,使用已有模型得到的磨粒切削深度极小,甚至小于1 nm,这明显不符合产生塑性变形或切削的基本条件。

(3)短时间停车,可使发动机在小油门下急速运转,长时间停车应使发动机熄火,但在熄火之前应急速运转一会儿。

我们基于已有的工件旋转磨削磨粒切深模型,将理论计算得到的磨粒切削深度及磨削表面粗糙度Ra与试验结果进行对比,分析了存在的偏差及其原因。针对较大的偏差,考虑现有模型中采用的有效磨粒计算公式和实际有效磨粒数偏差[14-15],分析了考虑有效磨粒数修正后的预测结果。根据现有单颗粒划擦试验研究结论,提出了超精密磨削条件下,磨粒切深模型进一步完善的方向。

1 模型及试验方法

1.1 磨粒切削深度模型

在推导过程中,假设金刚石砂轮的磨粒都是具有相同直径的刚性球体,且不考虑工件表面的实际轮廓,只考虑工件表面相对于砂轮表面的平均位置,如图1所示。其中:Ag为单颗磨粒与工件的干涉面积,砂轮表面在z=0,工件表面在z = zs处,磨粒半径为R,磨粒切削深度为ap;磨粒底部位于z位置,且zszzmax,则磨粒切削深度ap=R-z

  

图1 磨粒切削深度几何分析模型

根据砂轮每转一圈在工件表面一定径向位置处切削面积相等原理,得到磨粒切削深度公式[13]

 

(1)

其中:L为杯型砂轮磨料层的周长,W为杯型砂轮磨料层的尺宽,Fv为砂轮磨料层中磨料的体积分数,v为砂轮进给速度,r1为工件表面任意点的半径值,w1为工件转速,w2为砂轮转速,β为磨粒切削重合系数。

1.2 实际有效磨粒数修正

已有模型中,有效磨粒数是根据砂轮磨料层中磨粒的分布密度计算得出的。然而在磨削过程中,磨粒不断脱落,砂轮最大静态有效磨粒分布密度C远小于理论磨粒分布密度G0,二者之间的关系可表示为

C=β0G0

大型综合性医院门诊科室众多,如果门诊科室布局不当,会大幅降低医护人员的工作效率,进而增加求诊者就医的时间,甚至引发局部的冲突和混乱等不良后果。对于患者和患者家属来讲,他们的心理负担可能原本就比较沉重,比较容易产生焦躁不安的情绪。复杂难懂的交通路径,繁琐冗长的就医流程可能会为病人和家属带来极大的不便,从而引致患者和家属更多的负面情绪,造成医患关系更为紧张。所以,清晰的功能布局不但能够提高医院运作的效率,而且还能缓解紧张的医患关系。

(2)

由于超精密磨削条件下,磨粒切削深度一般处在纳米尺度范围,切屑的厚度难以测定。我们根据磨粒切削深度与磨削表面粗糙度之间的关系,通过磨削表面的粗糙度来间接验证磨粒切削深度模型的正确性。

同时,为简化仿真过程,已有模型将砂轮内部磨粒等效成大小相同的刚性球,但实际砂轮内部的磨粒大小不尽相同。体积与磨粒分布密度相同的砂轮块,磨粒粒径差异越大,单位体积砂轮内部的有效磨粒数越小,通常会减小到计算有效磨粒数的一半[15]。因此,需要修正已有模型中的有效磨粒数才能提高模型的预测精度。

1.3 表面粗糙度模型

其中:β0为常数,与砂轮结合剂的把持强度有关,取值范围为[0,1][14]

在预测工件磨削表面粗糙度方面有大量的研究工作[16-22]:现有的表面粗糙度理论预测公式分为经验型和解析型2种。由于磨削过程的随机性,近年来的解析模型多根据磨粒切深概率分布函数,预测工件表面的表面粗糙度。AGARWAL[22]等考虑磨粒重叠后得到的磨粒切深与表面粗糙度Ra的解析关系如公式(3)所示,并通过试验验证了其合理性。我们根据公式(3)计算基于磨粒切深的表面粗糙度Ra的预测值:

E(Ra)=0.396(1-φ)E(t)

(3)

其中,φ表示磨粒重叠系数;t表示未变形切屑厚度,在本文中可视为磨粒切削深度ap

1.4 磨削试验方法和设备

磨削工件为200 mm×0.725 mm的(100)单晶抛光硅片,硅片磨削试验在VG401MK II 型超精密磨床(Okamoto, 日本)上进行。磨床具有精度1 μm在线厚度测量装置,可精确控制硅片的去除厚度。使用陶瓷结合剂杯型金刚石砂轮(编号1~3),磨粒平均颗粒尺寸分别为24.6、9.0和2.4 μm,磨削过程中的冷却液采用去离子水,具体加工参数如表1所示。

[4] CAO J, WU Y, LI J, et al. A grinding force model for ultrasonic assisted internal grinding (UAIG) of SiC ceramics [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 81(5-8): 1-11.

 

表1 硅片磨削试验参数

  

砂轮编号齿宽Wgmm砂轮转速ωo/(r/min)工件转速ωw/(r/min)进给速度vf/(μm/min)132399120502323991205033239912030

磨粒半径计算公式[8]

 

(4)

其中,M是砂轮型号对应的筛网尺寸,M1M3分别为600、1500、5000;R单位为mm。

2 结果分析

2.1 现有模型分析结果

按表1所示的磨削条件,计算工件旋转磨削后硅片边缘处磨粒的切削深度,其结果见表2。

 

表2 硅片边缘处磨粒切削深度的计算值

  

砂轮编号进给速度vf/(μm/min)径向距离l/mm磨粒切削深度ap/nm1509947.52509917.4330994.6

参考文献:

为进一步对比确认仿真结果与试验结果,对比了二者在表面粗糙度Ra方面的计算/测量结果。

[14]LI K, LIAO W. Modelling of ceramic grinding processes - Part I: Number of cutting points and grinding forces per grit [J]. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 65(1-3): 1-10.

 

表3 硅片表面粗糙度测量值和计算值对比

  

砂轮编号进给速度vf/(μm/min)径向距离l/mm试验结果Ra(e)/nm预测结果Ra(p)/nm15010302.76.915040316.911.815070328.414.815099342.317.025010100.72.525040109.24.325070119.65.425099125.36.83301016.20.53304017.50.93307018.31.23309919.21.4

2.2 有效磨粒数修正后的分析结果

为修正预测模型,通过修正有效磨粒数调整预测结果,使其更接近试验结果。图2为不同算法或试验所得的表面粗糙度对比。

综合上述分析,借鉴国外的经验,我国可以将有假释的裁量终身监禁作为死刑的替代刑。但是,需要注意的是,设立一项制度与废除一项制度同样艰难,况且,我国现有的刑罚制度——无期徒刑同样可以发挥出与有假释的裁量终身监禁同样的效果。死刑一旦被废止,无期徒刑的适用范围自动扩大,不仅包括本就适用无期徒刑的犯罪,还包括了之前应当适用死刑的罪行。对于一些特殊的犯罪,如若采取无期徒刑不符合罪责刑相适应的原则,可以在确定适用无期徒刑的同时,规定服刑的最低年限。

  

(a)1号砂轮,50 μm/min

  

(b)2号砂轮,50 μm/min

  

(c)3号砂轮,30 μm/min

 

图2 表面粗糙度对比

从图2可以看出:由已有磨粒切深模型预测得到的磨削表面粗糙度Ra值与试验结果相差很大;将1号、2号和3号砂轮原模型中的有效磨粒数分别变为原值的1/3000、1/3000和1/700进行修正后,修正结果才接近试验结果。但是修正后的有效磨粒数与通过磨粒分布密度计算得到的有效磨粒数相差3个量级,明显不符合常理。因此,通过比较由已有模型预测得到的磨削表面粗糙度值Ra与试验结果,也可以证明已有磨粒切削深度模型预测值较试验值相差较大。

为分析、解决上述问题,考虑其他因素对模型预测的影响,如磨粒刃圆半径等。磨粒刃圆半径Rce,沟槽宽度b和沟槽深度h之间存在下列关系[23]

 

(5)

图3所示bh的定义,数据为原子力显微镜测量得到的垂直于磨痕方向的某二维形貌轮廓

  

图3 bh的定义

由此方法计算得到的磨粒刃圆半径与磨粒半径存在明显的差异。因此,在超精密磨削过程中,起材料去除作用的是磨粒刃圆半径而非磨粒半径,磨粒尖端的刃圆半径代表磨削刃的锋利程度和切削能力[24-25]。据此对现有模型进行修正。以磨料平均颗粒尺寸1.6 μm的砂轮为例,砂轮进给速度取10 μm/min,其他磨削参数参考表3。当磨粒刃圆半径Rce=0.1R时,根据已有模型计算得到的硅片边缘距离中心99 mm处的磨粒切削深度dg=1.6 nm。根据赫兹接触相关原理,磨粒对于硅片产生的压强P[26]

 

(6)

其中:E*为等效弹性模量,1/ E*=(1-μ12)/E1+(1-μ22)/E2μ1μ2分别为金刚石磨粒与单晶硅的泊松比,其取值分别为0.07和0.3,E1E2是金刚石磨粒与单晶硅的弹性模量,分别为1141 GPa和169.2 GPa[27],代入公式(6)得P=10.1 GPa。

磨粒对工件产生的压强等于工件硬度时,工件完全塑性变形。已知单晶硅的维氏硬度H=13 GPa[28],大于只考虑磨粒刃圆半径时计算得到的压强,所以在现有模型的基础上只考虑磨粒的刃圆半径是不够的。

夏秋季节温度较高,雨水多,湿度大,水稻秧苗栽插密度过大,并且通风条件和透光条件相继变差,大水深水灌溉,低处积水,增大湿度条件,氮肥再偏高,多年发病较严重的田块均为发病原因。这样水稻从分蘖盛期开始发病,促使病情发展加快,孕穗期前后都是发病高峰期。

术后5周开始给药,卡托普利(14.3 mg/kg)组;钩藤人参合用低剂量组:钩藤0.225 g/kg,人参0.450 g/kg;中剂量组:钩藤0.45 g/kg,人参0.90 g/kg;高剂量组:钩藤0.90 g/kg,人参1.80 g/kg。各组大鼠每天ig 1次,连续4周,按照5 mL/kg体积给药。

最小切削厚度是产生切屑必须超过的临界切削深度[29-31],是影响表面加工质量的主要因素。在磨削过程中,当磨粒切削深度小于最小切削厚度时,磨粒对于工件材料只产生滑擦与耕犁作用,并不产生切屑。只有当磨粒切深大于最小切削厚度时,才可以产生切屑,此时的磨粒才被认为是参与材料去除的有效磨粒。而已有的基于工件旋转磨削方式得到的磨粒切深模型在推导时没有考虑最小切削厚度对于磨粒切深的影响,否则,得到的有效磨粒数会远小于已有模型计算得到的有效磨粒数。因此,在材料去除量相同的条件下,相较于已有模型,考虑最小切削厚度后磨粒切削深度会变大,从而更接近实际情况。

3 结论

针对不同粒度砂轮,通过比较基于现有磨粒切削深度模型得到的预测结果与试验结果,得出以下结论:

(1)根据现有工件旋转磨削磨粒切深模型计算得到的磨粒切削深度数值偏小,特别是模拟细粒度砂轮时磨粒切深会达到亚纳米级别,不符合工件产生塑性变形和切屑的基本条件。

(2)由于砂轮孔隙度、磨粒脱落以及磨粒大小不均等原因,以现有模型计算的有效磨粒数会小于实际有效磨粒数。但简单修正后的有效磨粒数与实际情况相差太大,且修正后的磨削表面粗糙度Ra的径向相关性与试验结果也存在明显的差异。

(1)对比两种方法的检查时间;(2)术前确诊率;(3)误诊率(该检查方法误诊为其他疾病患者);(4)漏诊率(该检查方法未诊出部分患者)。

(3)在超精密磨削过程中,真正起材料去除作用的是磨粒的刃圆半径而非磨粒半径;只有当磨粒切削深度大于工件材料的最小切削厚度时,才能去除工件材料。因此,可在已有模型的基础上考虑磨粒刃圆半径与最小切削厚度对于磨粒切削深度的影响。

从表2可以看出:当使用3号砂轮(磨料平均颗粒尺寸2.4 μm)进行磨削时,磨粒切削深度仅为几纳米。如磨粒尺寸继续减小,则按此模型计算得到的磨粒切削深度会达到亚纳米级别,这已不符合产生塑性变形和切屑的基本条件(在正常磨削过程中,磨粒切深不能小于4 nm,否则会发生烧伤)[11]

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两部影片中的英雄各有风采,前者是铁血男儿略带神性光芒,后者是个个都有铮铮铁骨的英雄群体,具有平凡的真实感和崇高信念的人间英雄。对比之下,可以发现两种不同的英雄塑造模式。

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管理会计的目标是通过运用管理会计工具方法,参与单位规划、决策、控制、评价活动并为之提供有用信息,推动单位实现战略规划。单位应用管理会计,应遵循下列原则:

将表2中得到的磨粒切削深度代入公式(3),可计算出基于已有模型预测的表面粗糙度Ra;使用ZYGO表面轮廓仪和XE-200原子力显微镜测量砂轮磨削后硅片表面不同径向位置处的Ra,每个位置测量5次取平均值(用1号砂轮磨削后,硅片表面有较多的凹坑和破碎,表面粗糙度Ra较大,需使用ZYGO表面轮廓仪测量表面粗糙度)。对比各硅片表面粗糙度的测量结果和计算结果,如表3所示。从表3中可以看出:预测结果相较于试验结果偏差较大。

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“农工并重”论强调农业与工业对于中国经济的发展均具有不可或缺的作用,而且两者是互补的关系。但是这里的农业已不是“以农立国”之下的传统农业,而是在工业发展的基础上积极改良的农业,是机械化、工业化的农业,这与“工业为主”论欲以工业改良农业的观点不谋而合。

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(2)降低了运行成本。改造后,行车仅做检修用,行车电耗减少了;使用洗水去洗涤带式过滤机滤布既可节约用水,也可防止系统内水量膨胀;碱液喷淋淋洗工艺按气量130000Nm3/h、酸雾初始浓度400mg/m3、排放浓度浓度40mg/m3,年消耗NaOH (100%)300t,约为 96 万元。电除雾工艺按同等含酸雾废气条件,电除雾捕收酸雾产生的废酸按全部采用石灰中和方式处理,年需消耗石灰433t,费用约为15万元。综合比较,电除雾工艺每年运行费用要较碱液喷淋淋洗工艺节约80万元。

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运用沿海风塔观测资料和再分析资料,对2009年夏季江苏两类海风锋过程做了详细的对比分析。并对海风锋激发强对流过程进行了时空精细化数值模拟,结论如下:

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(7)加强邮轮专业管理和技术人才引进和培养。目前,我国从事邮轮码头服务、邮轮旅游服务和邮轮市场营销等方面的人才严重不足,有关部门应该尽快制定相关政策,大力挖掘、培养和引进相关人才。在邮轮相关服务教育培训方面,更应立足自身,放眼世界,寻求和国际著名邮轮公司或教育机构合作,共同建设致力于培育邮轮服务人员、邮轮管理人员以及旅游管理人员的邮轮人才培训中心,尽快提高从业人员的素质与水平。

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津巴布韦似乎已意识到多年来农业生产中所犯的错误,Chinamasa说:“新政府领导下的未来是光明的。目前国家正在采取新的努力,稳定土地所有权管理,支持有效利用。”

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林彬,曹治赫,周平,康仁科
《金刚石与磨料磨具工程》2018年第02期文献

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