固结磨料研磨工具沟槽-图案设计及其加工机理研究

Tools with fixed abrasives (FA-Tool) are widely used in precision and ultra-presion lapping and polishing process. The groove or pattern structure of FA-Tools has heavy influence on the generation of machined surface, machining efficiency and tool life. Existing groove and pattern structure of FA-Tools is very simple, such as XY groove, circle groove，pellets pattern and etc.. With the range extension of machining processes, workpiece materials and workpiece dimension, problems of the non-uniform material removal and tool blocking wear have become increasingly prominent during lapping and polishing process, the requirements of fluid, trajectory and pressure coordinated control during lapping and polishing process are getting higher and higher. However, the simple groove or pattern structure of FA-Tools is hard to achieve the precision machining requirement. In this study, models of fluid, trajectory and pressure have been built based on the basis of fluid mechanics, elastic and plastic mechanics, kinematics and etc. According to the study of the intrinsic relationship between tool surface groove-pattern structure geometrical parameters and the physical fields, the design principles and methods of tool groove-pattern structure are proposed besides the high efficiency precision forming method for tool surface groove-pattern structure and its material removal mechanism. Finally, the processing performance of the groove-pattern structure tools has been studied and validated by precision and ultra-precision lapping and polishing experiments.

固结磨料研磨抛光工具广泛应用于精密超精密加工，而工具表面的几何结构特征对已加工表面质量、加工效率和工具寿命等具有重要影响。以往结构化工具主要是网格槽、同心圆槽和磨块磨丸均匀排布等结构，工具表面几何结构特征较为简单，没有复杂沟槽-图案结构。然而，随着研磨抛光工具的应用范围和加工对象及其尺寸的不断扩大，材料去除不均和工具堵塞磨损等问题也越来越突出，这对结构化工具研磨抛光过程中的流场、轨迹场和压力场的协调控制提出了更高的要求，而表面结构简单的工具显然难以达到这一目的。本研究基于流体力学、弹塑性力学和运动学等理论为基础，建立反映工具-工件界面间流场、轨迹场和压力场的模型，借助于研磨抛光过程模拟仿真技术研究工具结构几何参数与各物理场的内在关系，提出工具沟槽-图案结构的设计原理和方法，探讨沟槽-图案结构的高效精密成型方法。最后，利用沟槽-图案结构工具研究精密超精密研磨抛光试验的加工性能和加工效果。

固结磨料研磨工具是实现精密超精密加工的关键消耗品，研究工具表面特征是发展高性能研磨工具的基础和关键技术之一。本项目提出了基于流场、压力场和轨迹场研究工具沟槽-图案设计方法和其加工机理；应用流体力学理论研究了界面流场流动特性，提出了抑制堵塞的容排屑模型，分析探讨了沟槽形状、大小和角度对流场性能的影响；应用弹塑性力学理论研究了界面压力特征，提出了基体阻尼环调节压力分布方法，分析了阻尼环设置位置、大小和材料特性对压力调节的影响；应用运动学原理建立了磨粒群轨迹模型，提出了基于轨迹非均匀性约束的工具表面特征优化设计方法，分析了常规图案、仿生图案和自适应图案的轨迹特征和优化方法；基于上述三场理论，提出了材料去除模型及其表征方法，试验对比研究了沟槽-图案研磨工具材料去除特征，确定了理论模型与实验结果的一致性；应用高温钎焊技术、紫外光固化成型技术和溶胶凝胶技术研究了不同沟槽-图案研磨工具的制备方法，并试验研究了研磨蓝宝石的加工效果。研究表明：高性能沟槽-图案工具能够有效打破当前研磨加工面临的挑战和瓶颈，实现加工效率和表面质量双提升。相关成果为发展高性能沟槽-图案研磨工具具有重要的参考价值和推动作用。