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超硬复杂形状表面的化学机械复合磨料流加工

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磨料流加工(Abrasive flow machining, AFM)是一种采用含硬质磨料颗粒的粘弹性/粘塑性磨料对工件表面或边缘进行加工的非传统加工方法，其显著优点是适用于加工复杂形状表面。对于薄膜类硬质材料而言，AFM的加工作用力较小，这一方面有利于保护膜基界面、避免薄膜脱落，另一方面却会导致加工效率低下。多物理场耦合加工是机械加工领域近年来国内外研究的热点，在超硬材料加工领域，重点针对金刚石材料的平面加工，化学机械抛光(chemo-mechanical polishing, CMP)及摩擦化学抛光(tribo-chemical polishing, TCP)等方法已经得到了深入研究和普遍应用。将磨料流机械加工与化学反应相结合，有望实现超硬复杂形状表面精密加工，但需要针对化学反应的类型和机理进行合理选择，比如，TCP常用温度高达数百摄氏度，在该温度条件下，大多数含有高分子物质的磨料流性质会发生严重劣化，丧失其粘弹性特性及加工性能。

本文提出了一种将磨料流机械加工与低温氧化反应相结合的、适用于超硬复杂形状表面（尤其是加工余量和膜基结合强度有限的薄膜表面）精密加工的复合精密加工方法，即化学机械复合磨料流加工(chemo-mechanical AFM, CM-AFM)方法，在传统商用AFM设备基础上，通过添加加热系统和氧化溶液可控间歇注入系统，搭建了CM-AFM实验原型机，确定了相应加工过程的工序图，并针对金刚石薄膜涂层拉拔模具进行了应用试验。由于机械和化学协同作用机理，CM-AFM相比于传统AFM表现出明显更高的抛光能力和抛光效率，尤其是对于传统AFM已经无法进行进一步加工的部分抛光的微米晶粒金刚石表面，采用CM-AFM可以获得更高的表面光洁度。此外，本文还系统分析了关键因素及工艺参数（包括金刚石薄膜类型、内孔区域和孔径、压力、温度和磨料流种类的组合、氧化溶液注入体积与频率的组合）对于加工过程的影响。