微型氮化硅陶瓷球研磨工艺的基础研究

摘要

该文主要对微型Si<,3>N<,4>陶瓷球研磨工艺基础进行了研究.Si<,3>N<,4>陶瓷属硬脆难加工材料,微型陶瓷球还具有加工余量小,绝对尺寸精度要求高的特点,增加了研磨的难度.研磨效率和研磨质量(主要是球度及表面质量)是这一加工过程的主要指标.陶瓷球加工效率低、成本高是目前限制陶瓷球轴承应用的主要原因;陶瓷球的球度和表面质量是影响陶瓷球轴承工作性能和稳定性的主要因素.该文主要从研磨方式、工艺因素以及最终的化学机械抛光(CMP)等对氮化硅陶瓷球的研磨效率及研磨质量起主要影响作用的几个方面进行了研究.文章采用理论分析和实验相结合的方法.在分析现有研磨方式局限性的基础上提出了一种新的陶瓷球研磨方式,提高陶瓷球的球度和加工效率;确定了较为合理的研磨工艺及加工参数,较好地兼顾了加工效率和加工质量;最后文章探讨了Si<,3>N<,4>陶瓷球的化学机械抛光技术,并通过实验验证了其效果,获得表面粗糙度Ra优于5nm,球度达到0.2μm的高质量的微型氮化硅陶瓷球(φ3.147mm).

目录

文摘

英文文摘

符号说明

前言

第一章陶瓷球轴承及其应用

1.1先进工程陶瓷材料的发展

1.2陶瓷球轴承国内外的开发状况

1.3陶瓷球轴承的技术特点及其应用

1.4微型陶瓷球轴承在硬盘中的应用前景

1.4.1计算机硬盘驱动器的发展趋势

1.4.2目前HDD主轴轴承存在的一些问题

1.4.3微型陶瓷球轴承在硬盘驱动器中的应用前景

第二章微型Si3N4陶瓷球的加工过程及工艺特点

2.1陶瓷球轴承研制的关键技术

2.2典型的陶瓷球材料

2.2.1 Si3N4陶瓷的晶体结构

2.2.2 Si3N4陶瓷的物理机械性能

2.2.3 Si3N4陶瓷的化学稳定性

2.2.4 Si3N4陶瓷的热学性质

2.3 Si3N4陶瓷球毛坯的制造

2.3.1 Si3N4陶瓷粉末的制取方法

2.3.2陶瓷球坯的烧结方法

2.4微型Si3N4陶瓷球的加工特征

2.5 Si3N4陶瓷球的研磨加工过程

第三章陶瓷球球度及表面质量对轴承工作性能的影响

3.1基本概念

3.2陶瓷球球度及表面质量对轴承工作性能的影响

3.2.1对轴承振动及噪声的影响

3.2.2对轴承接触疲劳损坏的影响

3.2.3对轴承摩擦力矩的影响

3.2.4对轴承NRRO值的影响

3.3陶瓷球球度及表面质量的测量技术

3.3.1球度误差的测量

3.3.2球体表面粗糙度的测量

3.3.3球体表面缺陷的检测

3.4结论

第四章陶瓷球超精密研磨的技术基础

4.1超精密研磨及其特点

4.1.1微量切削

4.1.2多刃多向切削

4.1.3按创成原理成形

4.1.4化学作用

4.2陶瓷球材料的研磨机理

4.3陶瓷球材料的抛光机理

4.4陶瓷球表面形成过程

4.5陶瓷球研磨的主要工艺因素

4.5.1研磨方式

4.5.2加工参数

4.5.3研具

4.5.4磨料和研磨剂

第五章陶瓷球研磨方式的分析

5.1球面研磨的基本原理

5.2传统的研磨方式及其局限

5.2.1陶瓷球研磨运动的分解

5.2.2磁悬浮研磨法

5.2.3同轴两盘研磨方式

5.2.4锥形盘研磨方式

5.2.5同轴三盘研磨方式

5.3新型研磨方式的分析

5.3.1新型双自转研磨盘研磨方式

5.3.2双自转研磨盘研磨装置的系统构成

5.3.3双自转研磨盘研磨轨迹仿真

5.3.4加工量与θ的关系

5.3.5研磨动力学分析

5.3.6新型研磨方式小结

5.4结论

第六章微型Si3N4陶瓷球的研磨实验及分析

6.1实验装置的建立

6.2实验条件

6.3实验过程及工艺因素的分析

6.3.1研磨压力的影响

6.3.2研磨速度的影响

6.3.3研磨方式的影响

6.3.4研磨剂浓度的影响

6.3.5磨料粒度及硬度的影响

6.3.6研磨基液及添加剂的影响

6.3.7微型陶瓷球的半精加工实验

6.4结论

第七章微型Si3N4陶瓷球的化学机械抛光

7.1陶瓷球传统精加工方法及其局限

7.2化学机械抛光的原理

7.3化学机械抛光中的磨料

7.4磨料与工件之间的化学机械作用

7.5抛光环境的影响

7.6微型Si3N4陶瓷球的化学机械抛光实验

7.6.1抛光条件

7.6.2化学机械抛光对表面粗糙度的影响

7.6.3化学机械抛光对加工速度的影响

7.6.4化学机械抛光后的Si3N4陶瓷球表面

7.7结论

总结与展望

1.微型Si3N4陶瓷球研磨工艺的总结

2.微型Si3N4陶瓷球超精密加工技术的后续研究设想

2.1研究内容

2.2研究目标

2.3研究方案

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文

研究生期间所获奖励