目前生物材料領域已經(jīng)成為一個至關重要的領域,鈦合金（TC4）以其良好的機械綜合性能及生物相容性被廣泛應用于生物醫(yī)用植入物,但鈦合金的機械加工性能較差,想要獲得高的表面質量及尺寸精度仍然是一項難題,本文通過設計實驗機,研究球頭球窩的接觸力學特性、球面工具摩擦磨損、拋光流體薄膜流體特性。首先,由于鈦合金球頭拋光的面為球面,自主設計拋光實驗機,該拋光實驗機能夠實現(xiàn)自轉和擺動的復合運動對工件進行加工,對TC4鈦合金球頭拋光機進行仿真分析,驗證了試驗臺力學方面的可靠性,且在拋光過程中,能夠有效的避免共振現(xiàn)象,同時能夠實現(xiàn)拋光過程中摩擦扭矩的實時采集,分析拋光過程中的摩擦磨損特性。然后,以實驗機模型為原型,建立了球頭-工具球窩模型,探究了載荷、工具球窩厚度等因素對接觸力學的影響。在施加載荷后,應力的最大值分布在球頭與球窩的亞表層;隨著載荷的增加,球頭球窩的應力分布區(qū)域逐漸增大,最大接觸壓力也不斷增大但載荷與接觸應力的關系并非線性關系;隨著球窩厚度的增加,截面處的最大應力在不斷減小且逐漸平緩;在考慮球頭-球窩之間摩擦時,隨著摩擦系數(shù)的增加,接觸壓力在不斷增加,但增加的并不顯著;球頭-球窩間隙對截面應... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

電解拋光實驗裝置

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文4現(xiàn)工件的全局平坦化。典型的CMP結構如圖1-2。圖1-2化學機械拋光結構示意圖整個系統(tǒng)主要是由旋轉的拋光頭，裝有拋光墊的拋光盤和拋光液三大部分組成。將拋光工件固定到拋光旋轉頭上，拋光墊與拋光旋轉頭在一定壓力下作用下相接觸，同時將拋光液輸送到工件與拋光墊之間，隨著拋光工件與拋光墊發(fā)生相對運動，拋光液到達工件的各個位置，含有微納米磨粒的拋光液與工件表面發(fā)生化學反應，生成一層容易被去除的反應膜，然后生成的化學反應膜在磨粒與拋光墊的共同作用下被去除[17]。RoopeshM.Kaushik等[18]采用了一種環(huán)保型拋光液對VT20鈦合金進行無磨粒的化學機械拋光，拋光前，試件的表面粗糙度為Ra0.1μm，經(jīng)過十分鐘的化學機械拋光后，試件的表面粗糙度Ra變?yōu)?.04μm，對得到的拋光試件繼續(xù)拋光，最終試件的表面粗糙度為Ra0.96nm。ZhenyuZhang等[19]采用了一種環(huán)保型拋光液對鈦合金進行化學機械拋光實驗，拋光液采用PH為4的酸性拋光液，成分為40wt.%SiO2、8.3wt.%H2O2、蘋果酸和去離子水，在CMP過程中，工件和拋光墊的轉速分別為60rpm和53rpm，拋光壓力為50kpa，拋光時間為20min，拋光后試件的表面粗糙度為Ra0.68nm，測量面積為70*53μm2。實驗發(fā)現(xiàn)隨著H2O2的加入，腐蝕電流也不斷增加，表明鈦合金在拋光過程中發(fā)生了氧化反應。梁晨亮等人[20]對采用了化學機械拋光的方法對Ti-6Al-4V進行拋光，獲得了平坦度為納米級的鏡面狀的表面，拋光后得到試件表面粗糙度為Ra1.899nm，并通過電化學方法結合X射線光電子能譜(XPS)研究了CMP過程中可能發(fā)生的反應，發(fā)現(xiàn)拋光后的表面主要是鈦和鋁這兩種元素的氧化物。戴婧媛等人[21]采用化學機械拋光的方法對鈦基片進行了化學機械拋光實驗，經(jīng)過化學機械?

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文5速率為156.5nm/min，并且發(fā)現(xiàn)二氧化硅顆粒和乳酸在鈦表面有不同程度的吸附緩蝕作用，氨水和氟離子的絡合、擴散的中間平衡狀態(tài)才能得到最佳拋光效果，采用XPS測試拋光后的鈦基片表面，發(fā)現(xiàn)其表面形成了疏松氧化層。CMP過程涉及的學科眾多，作用機理非常復雜，目前主要有4種建模方法，包括基于化學拋光過程的維象方法[22]、基于流體動力學的方法[23]、基于接觸力學理論上的方法[24]及基于接觸力學和流體力學上的方法[25,26]。1.2.4激光拋光激光拋光技術是20世紀90年代中期在全球范圍內興起的，是一種非接觸式的拋光技術，到如今，已經(jīng)有大量的學者參與了研究。激光拋光技術是用含有高能量密度的激光束照射工件的表面，利用光化作用與熱作用使表面材料熔化、蒸發(fā)，從而達到材料的去除以及表面質量的提高。如圖1-3所示為激光拋光原理圖。影響激光拋光效果的因素眾多，主要包括工件的材料、激光的波長、激光能量密度、激光光束入射角等。圖1-3激光拋光結構示意圖Wang[27]等人研究了激光拋光對增材制造的CoCr合金表面組織與耐腐蝕性的影響，通過實驗及觀察發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內，高的激光功率和較小的物距（激光透鏡與試件表面的高度差）可以促進復雜氧化膜的形成，這種氧化膜具有較高的耐腐蝕性，同時，在激光拋光熔體凝固過程中，物距對冷卻速率有明顯的影響，快速冷卻會產(chǎn)生較大的缺陷，將導致晶體相由相轉向相。Ma等人[28]對增材制造的Ti-6Al-4V和TC11鈦合金進行了激光拋光實驗，表面粗糙度由原始的5.226μm降低至0.375μm，這兩種合金在拋光后，在表層形成了相鈦合金，由于相鈦合金的形成，使得他們的硬度得到了顯著的提高，分別增加了32%和42%，


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