气-液-固三相抛光磨粒动力学规律及加工试验研究

摘要

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。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题的来源

1．2 研究背景及研究现状

1．3 气-液-固三相磨粒流抛光方法研究概述

1．3．1 气-液-固三相磨粒流抛光原理

1．3．2 多相流空化理论研究概述

1．3．3 多相流磨粒抛光原理概述

1．3．4 多相流磨粒运动观测方法概述

1．4 论文研究意义及主要内容

1．4．1 论文研究意义

1．4．2 论文主要研究内容

第2章 气-液-固三相磨粒流数学描述与单磨粒动力学分析

2．1 引言

2．2．1 湍流模型描述

2．2．2 湍流模型选择

2．2．3 湍流模型修正

2．2．4 混合相模型选择

2．3 气-液-固三相抛光磨粒动力学规律分析

2．3．1 单磨粒动力学及受力分析

2．3．2 抛光磨粒抛光原理分析

2．4 本章小结

第3章 气-液-固三相磨粒流数值模拟分析

3．1 引言

3．2 几何模型建立

3．3 网格划分

3．4 参数设置

3．5 数值模拟分析及优化

3．5．1 三相磨粒流速度场分析

3．5．2 三相磨粒流压力场分析

3．5．3 三相磨粒流湍动能分析

3．5．4 三相磨粒流磨粒体积分数分析

3．5．5 三相磨粒流流体温度分析

3．6 抛光工具模型改进

3．7 本章小节

第4章 气-液-固三相磨粒流测量试验研究

4．1 引言

4．2 PIV技术概述

4．2．1 PIV测量技术组成

4．2．2 PIV测量技术流程

4．2．3 PIV光源选择

4．2．4 示踪粒子选择

4．2．5 成像算法分析

4．3 气-液-固三相磨粒流测量试验

4．3．1 可视化流道设计

4．3．2 PIV观测试验平台搭建及试验

4．3．3 PIV测量试验结果分析

4．4 本章小结

第5章 气-液-固三相磨粒流加工系统及试验研究

5．1 引言

5．2 微气泡补偿系统设计

5．2．1 系统设置思路及技术路线

5．2．2 微应变片的选择

5．2．3 信号放大电路的设计

5．2．4 上、下位机的设计

5．2．5 三相磨粒流微气泡补偿系统的搭建

5．3 气-液-固三相磨粒流加工试验研究

5．3．1 三相磨粒流加工试验平台搭建

5．3．2 气-液-固三相磨粒流加工实验

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果