本發(fā)明涉及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，尤其涉及一種基于函數(shù)擬合的具有梯度功能研拋盤的制備方法。

背景技術(shù)：

隨著尖端科技的迅猛發(fā)展，藍(lán)寶石、單晶硅、光學(xué)玻璃等硬脆材料在航空航天、光學(xué)及電子等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。藍(lán)寶石具有優(yōu)良的光電性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能、高耐磨性、高熔點(diǎn)和高硬度等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光電子、通訊、國防等領(lǐng)域。藍(lán)寶石材料是氮化物半導(dǎo)體襯底的首選材料，在特殊環(huán)境要求下，還沒有替代產(chǎn)品。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石基片的市場(chǎng)需求越來越強(qiáng)烈。

作為襯底材料，藍(lán)寶石基片表面的加工精度和完整性要求特別高。藍(lán)寶石基片的加工，研磨和拋光占有非常重要的工序地位，應(yīng)在注重加工效率的同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注表面粗糙度、表層損傷、殘余應(yīng)力、平坦度(面型精度)等技術(shù)指標(biāo)。目前，針對(duì)藍(lán)寶石基片，可采用化學(xué)機(jī)械拋光、流體拋光等傳統(tǒng)或新興的超精密加工技術(shù)，在已經(jīng)取得相關(guān)技術(shù)突破的同時(shí)，也存在一些不容忽視的問題。

Preston方程是廣泛應(yīng)用在磨削加工中的經(jīng)驗(yàn)公式，此方程是由PRESTON在1927年提出的，在一定的條件下，可以用Preston方程描述磨粒加工對(duì)工件去除量與各種工藝參數(shù)以及磨粒特性的關(guān)系。根據(jù)Preston方程可知，基于與研拋盤接觸壓強(qiáng)的分布不均和相對(duì)速度分布的非均勻性以及研拋盤自身磨料選擇、工藝參數(shù)控制等問題所引起的材料去除非均勻、材料表面損傷等是基片加工質(zhì)量差的重要根源。因磨料分布不均和材料去除不均等因素，使研磨后的藍(lán)寶石基片面型精度較差，增加了后續(xù)工序的去除量，生產(chǎn)耗時(shí)耗力，且難以控制，維護(hù)成本較高；同時(shí)，在研磨和拋光不斷轉(zhuǎn)換的工序中，所能達(dá)到的加工效率較低，且很多經(jīng)過加工之后的藍(lán)寶石片由于表面劃痕較重，批量加工的藍(lán)寶石基片很大一部分表面有粗、深劃痕，需重新研磨拋光，從而導(dǎo)致返工，效率難以提高。

因此，采用梯度式分布的研拋一體盤對(duì)工件進(jìn)行加工是研磨拋光加工發(fā)展的必然趨勢(shì)。安徽工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在2014年發(fā)表的SiO₂/CeO₂復(fù)合磨料的制備及在藍(lán)寶石晶片拋光中的應(yīng)用中提出了一種采用均相沉淀法制備了SiO₂/CeO₂復(fù)合磨料，并用于藍(lán)寶石晶片的化學(xué)機(jī)械拋光，研究結(jié)果表明，采用復(fù)合磨料拋光雖然材料去除速率略低于單一SiO₂磨料，但拋光后的藍(lán)寶石晶片表面質(zhì)量得到明顯的改善，能滿足藍(lán)寶石作發(fā)光二極管襯底的工藝要求。中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所研究團(tuán)隊(duì)在2014年發(fā)表的功能梯度材料的制備技術(shù)及其研發(fā)現(xiàn)狀中提出了功能梯度材料的研究進(jìn)展，重點(diǎn)總結(jié)了功能梯度材料的制備方法和性能評(píng)價(jià)，其中特別指出功能梯度材料的彈性模量、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)及成分在厚度方向上呈連續(xù)變化，并具有可設(shè)計(jì)性，可針對(duì)性地改變各組分材料體積含量的空間分布規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布。西安理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在2014年發(fā)表的增強(qiáng)鐵基梯度復(fù)合材料的原位生成及其磨粒磨損特性中提出了采用原位反應(yīng)法在HT300表面制備了碳化鉭增強(qiáng)表面梯度復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合層的微觀結(jié)構(gòu)、物相組成、顯微硬度以及磨粒磨損性能進(jìn)行了表征，從表面致密層到基體，其組織、成分、硬度分布均呈梯度變化。同時(shí)，授權(quán)公告號(hào)CN103432948B的中國發(fā)明專利一種用于軟固結(jié)磨粒群生產(chǎn)的封閉式攪拌裝置提出了一種為更好的均勻攪拌高聚物、磨料、固化劑、引發(fā)劑等混合物，保證了制備具有梯度功能研磨盤的實(shí)現(xiàn)。

因此分析拋光過程中工件表面的等效應(yīng)力分布，對(duì)分析材料去除的均勻性有著重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述問題，針對(duì)硬脆材料，特別是藍(lán)寶石平坦化、無損傷和高質(zhì)量表面的加工需求，提供了一種高效的、相關(guān)性極強(qiáng)的、加工精度高的基于函數(shù)擬合的具有梯度功能研拋盤的制備方法。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：一種基于函數(shù)擬合的具有梯度功能研拋盤的制備方法，包括如下步驟：

(1)首先根據(jù)Preston方程，確定所要加工材料在研拋盤上加工時(shí)研拋盤理論上的彈性模量梯度分布E＝(r,z)；

(2)根據(jù)研拋盤理論上的彈性模量梯度分布E進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果中的接觸應(yīng)力和理論值進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行曲線擬合；

(3)以曲線擬合后最終得到的效果最好的梯度分布E′(r,z)制備研拋盤。

進(jìn)一步的，確定所要加工的材料在研拋盤上加工時(shí)研拋盤理論上的彈性模量梯度分布E的方法步驟如下：

1)確定所要加工材料在研拋盤上任意位置上的去除量H(r，z)、與研拋盤在任意位置的相對(duì)速度V(r，z)和接觸壓力P(r，z)；

2)根據(jù)研拋盤的粘磨層制備材料的組成成分，確定滯留時(shí)間函數(shù)T(r，z)，并確定Preston函數(shù)參數(shù)K_P：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)；

3)根據(jù)Preston方程dH＝K_P×P_i×V_i×dt得到所要加工材料在研拋盤上任意位置上的去除量H(r，z)的計(jì)算公式：

H(r,z)＝K₁×K_e×E(r,z)×P(r,z)×V(r,z)×T(r,z)；

將上式整理獲得任意位置的彈性模量分布函數(shù)：

E(r，z)＝G{H(r，z)，P(r，z)，V(r，z)，T(r，z)}。

進(jìn)一步的，根據(jù)步驟3中得到的任意位置的彈性模量分布函數(shù)制備具有相應(yīng)彈性模量分布的研拋盤，研磨盤在軸向上由多層粘磨層組成。

進(jìn)一步的，令K_P＝K₁×K₂，其中K₂為拋光盤的材料因素，K₁為除了拋光盤材料因素外的其他所有因素，令其中ρ為磨粒在粘磨層混合物的體積占比，由復(fù)合材料的彈性模量公式可以得到ρ＝φ(E)，整理可以設(shè)K₂＝K_e×E(r,z)。

進(jìn)一步的，滯留函數(shù)由粘磨層組成成分的耐磨性決定，在任意位置工件滯留的時(shí)間超過T(r，z)，上一層的粘磨層就會(huì)磨損，同時(shí)所需加工材料將會(huì)與下一層的研磨層表面接觸。

進(jìn)一步的，由步驟4制成的研磨盤在軸向和徑向上都存在著彈性模量的梯度式分布。

進(jìn)一步的，所述研拋盤的所有的粘磨塊均為事先制備好，在需要的時(shí)候直接粘結(jié)在研拋盤上形成整體的研拋盤即可。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的研拋盤是由工件來決定的，因此使得加工本身更具有針對(duì)性；在研拋盤上存在梯度式分布，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)研磨和拋光兩道工序的加工，減少了換盤的時(shí)間，提高了加工效率；由于研拋盤在軸向和徑向上都存在著彈性模量的梯度式分布，因此可以實(shí)現(xiàn)工件的按需去除；研拋盤是通過多個(gè)粘磨塊組合而成，方便更換，增加研拋盤的使用壽命，并方便將其適用于不同的工件；通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，較大程度上的額減少了理論值計(jì)算的誤差，提高了研拋盤制備的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是一種基于函數(shù)擬合的具有梯度功能研拋盤的制備方法的流程示意圖。

圖2是制備出的研拋盤沿旋轉(zhuǎn)軸剖面的徑向和軸向彈性模量的分布圖。

圖3是制備出的研拋盤沿徑向彈性模量梯度分布圖。

圖4為實(shí)例中仿真曲線擬合圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1～4所示，本發(fā)明的一種基于函數(shù)擬合的具有梯度功能研拋盤的制備方法，包括如下步驟：

(1)首先根據(jù)Preston方程，確定所要加工材料在研拋盤上加工時(shí)研拋盤理論上的彈性模量梯度分布E＝(r,z)；

(2)根據(jù)研拋盤理論上的彈性模量梯度分布E進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果中的接觸應(yīng)力和理論值進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行曲線擬合；

(3)以曲線擬合后最終得到的效果最好的梯度分布E′(r,z)制備研拋盤。

進(jìn)一步的，確定所要加工的材料在研拋盤上加工時(shí)研拋盤理論上的彈性模量梯度分布E的方法步驟如下：

1)確定所要加工材料在研拋盤上任意位置上的去除量H(r，z)、與研拋盤在任意位置的相對(duì)速度V(r，z)和接觸壓力P(r，z)；

2)根據(jù)研拋盤的粘磨層制備材料的組成成分，確定滯留時(shí)間函數(shù)T(r，z)，并確定Preston函數(shù)參數(shù)K_P：

K_P＝K₁×K_e×E(r,z)；

3)根據(jù)Preston方程dH＝K_P×P_i×V_i×dt得到所要加工材料在研拋盤上任意位置上的去除量H(r，z)的計(jì)算公式：

H(r,z)＝K₁×K_e×E(r,z)×P(r,z)×V(r,z)×T(r,z)；

將上式整理獲得任意位置的彈性模量分布函數(shù)：

E(r，z)＝G{H(r，z)，P(r，z)，V(r，z)，T(r，z)}。

4)根據(jù)步驟3中得到的任意位置的彈性模量分布函數(shù)制備具有相應(yīng)彈性模量分布的研拋盤，研磨盤在軸向上由多層粘磨層組成。

進(jìn)一步的，令K_P＝K₁×K₂，其中K₂為拋光盤的材料因素，K₁為除了拋光盤材料因素外的其他所有因素，令其中ρ為磨粒在粘磨層混合物的體積占比，由復(fù)合材料的彈性模量公式可以得到ρ＝φ(E)，整理可以設(shè)K₂＝K_e×E(r,z)。

滯留函數(shù)由粘磨層組成成分的耐磨性決定，在任意位置工件滯留的時(shí)間超過T(r，z)，上一層的粘磨層就會(huì)磨損，同時(shí)所需加工材料將會(huì)與下一層的研磨層表面接觸。

由步驟4制成的研磨盤在軸向和徑向上都存在著彈性模量的梯度式分布。

所述研拋盤的所有的粘磨塊均為事先制備好，在需要的時(shí)候直接粘結(jié)在研拋盤上形成整體的研拋盤即可。

根據(jù)一種基于函數(shù)擬合的具有梯度功能研拋盤的制備方法所制備的研磨盤，確定其中兩組彈性模量梯度分布的序列，分別將其定義為第一梯度功能粘磨層和第二梯度功能粘磨層，再取一組無梯度功能粘磨層，假設(shè)第一梯度功能粘磨層的粘磨層彈性模量為上層1.7MPa，中層1.9MPa，下層2.1MPa；假設(shè)第二梯度功能粘磨層的粘磨層彈性模量為上層1.9MPa，中層1.0MPa，下層1.9MPa；假設(shè)無梯度功能粘磨層的粘磨層彈性模量始終為1.9MPa，同時(shí)無梯度功能粘磨層、第一梯度功能粘磨層和第二梯度功能粘磨層的厚度均為5mm，工件下壓量均為0.5mm，所要加工材料理論接觸壓力P＝0.3MPa，由此可以得到如圖4所示的仿真曲線擬合圖，通過圖4可以發(fā)現(xiàn)作用于工件上的應(yīng)力沿徑向方形變化幅度大；第一梯度功能粘磨層應(yīng)力分布較均勻，且可隨彈性模量分布變化獲得預(yù)期的應(yīng)力分布曲線，為制備梯度功能研拋盤提供了理論依據(jù)。

上述實(shí)施例只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。