液動壓懸浮拋光壓力場的數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、納米薄膜具有各種特殊的力、電、光、磁、熱效應(yīng)以及化學(xué)活性，因而在微電子、光學(xué)、生物、能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。襯底具有支撐薄膜和改善薄膜特性的作用，襯底的表面粗糙度、位錯形態(tài)和殘余應(yīng)力等都將影響納米薄膜的厚度及其均勻性，并決定了其最終產(chǎn)品的性能。因此制備出原子級超光滑的高質(zhì)量襯底是納米薄膜研究領(lǐng)域迫切需要解決的難題之一。
　　為獲得高質(zhì)量的襯底，本課題組結(jié)合各種非接觸方法的優(yōu)點，提出了液動壓懸浮拋光方法。這種新型拋光技術(shù)在動壓

2、浮離微結(jié)構(gòu)流道的基礎(chǔ)上增加約束邊界和蓄流槽，用以改善加工區(qū)域的動壓力大小和分布。本文主要研究液動壓懸浮拋光工具盤下的液動壓力均勻分布形成的基本規(guī)律。本文的主要研究工作有:
　　(1)闡述了微結(jié)構(gòu)流道下的流體動力學(xué)方程和動壓潤滑理論，分別討論了動壓浮離拋光基盤和液動壓懸浮拋光工具盤在結(jié)構(gòu)模型上的差異性，根據(jù)設(shè)計手冊和推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型初步確定了拋光工具盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，依據(jù)Preston方程分析拋光區(qū)域的壓力與工件表面的材料去除率之間的關(guān)系。

3、
　　(2)研究拋光工具盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對拋光區(qū)域壓力的顯著性影響?；诮⒌膾伖夤ぞ弑P結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交試驗表，應(yīng)用ANSYS/FLUENT CFD軟件對液動壓懸浮基盤的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　通過分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)下的動壓力大小和均勻性分布情況，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)對動壓力大小的影響關(guān)系依次為:楔形長度、約束高度、楔形角度、約束長度;對動壓力均勻分布的影響關(guān)系依次為:約束高度、楔形角度、楔形長度、約束長度。
　　利用多元非線性回歸和

4、遺傳算法對正交試驗樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分形，得到拋光工具盤的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。再次運用CFD數(shù)值模擬方法，對比研究優(yōu)化前、后的拋光工具盤的流場中的壓力大小和均勻性分布，結(jié)果表明優(yōu)化后的拋光工具盤相比于優(yōu)化前的拋光工具盤，產(chǎn)生的動壓力大小和均勻性分別都提升了30％。
　　同時，以優(yōu)化后的拋光工具盤結(jié)構(gòu)為研究對象，使用單一變量法分析了工藝參數(shù)（加工轉(zhuǎn)速、加工間隙）對動壓力的影響，結(jié)果表明:加工轉(zhuǎn)速越大，流體動壓力越大，均勻性越差;加工間隙越小，流

5、體動壓力越大，均勻性變化不大。
　　(3)應(yīng)用研制的壓力采集系統(tǒng)，測量不同加工轉(zhuǎn)速和不同加工間隙下的流體壓力。結(jié)果表明，測量得到的壓力數(shù)值及變化趨勢與數(shù)值模擬得到的結(jié)論一致。以流體動壓力為紐帶，建立了拋光工藝參數(shù)（加工轉(zhuǎn)速、加工間隙）和試樣表面質(zhì)量之間的關(guān)系，進(jìn)一步驗證了數(shù)值模擬得到的結(jié)論。
　　對比研究機(jī)械拋光和液動壓懸浮拋光的加工效果。結(jié)果表明液動壓懸浮拋光加工新方法可以將機(jī)械拋光得到的表面粗糙度，從6.71 nm(63