液動(dòng)壓懸浮拋光壓力場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)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(cuò)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(jí)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(diǎn)，提出了液動(dòng)壓懸浮拋光方法。這種新型拋光技術(shù)在動(dòng)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(dòng)壓力大小和分布。本文主要研究液動(dòng)壓懸浮拋光工具盤下的液動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程和動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，分別討論了動(dòng)壓浮離拋光基盤和液動(dòng)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(jì)手冊(cè)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(duì)拋光區(qū)域壓力的顯著性影響。基于建立的拋光工具盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交試驗(yàn)表，應(yīng)用ANSYS/FLUENT CFD軟件對(duì)液動(dòng)壓懸浮基盤的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　通過分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)下的動(dòng)壓力大小和均勻性分布情況，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)壓力大小的影響關(guān)系依次為:楔形長(zhǎng)度、約束高度、楔形角度、約束長(zhǎng)度;對(duì)動(dòng)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(zhǎng)度、約束長(zhǎng)度。
　　利用多元非線性回歸和

4、遺傳算法對(duì)正交試驗(yàn)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(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)比研究?jī)?yōu)化前、后的拋光工具盤的流場(chǎng)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(dòng)壓力大小和均勻性分別都提升了30％。
　　同時(shí)，以優(yōu)化后的拋光工具盤結(jié)構(gòu)為研究對(duì)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(duì)動(dòng)壓力的影響，結(jié)果表明:加工轉(zhuǎn)速越大，流體動(dòng)壓力越大，均勻性越差;加工間隙越小，流

5、體動(dòng)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(cè)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(cè)量得到的壓力數(shù)值及變化趨勢(shì)與數(shù)值模擬得到的結(jié)論一致。以流體動(dòng)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(yàn)證了數(shù)值模擬得到的結(jié)論。
　　對(duì)比研究機(jī)械拋光和液動(dòng)壓懸浮拋光的加工效果。結(jié)果表明液動(dòng)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