（机械工程专业论文）碳化硅镜面材料的磁流变抛光工艺研究.pdf

国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 摘要 现代光学制造业的迅猛发展已经成为军事、航天、电子等领域的迫切需求， 越来越多的光学元件广泛应用于与这些领域相关的复杂系统中，提高光学元件的 超精密加工能力，寻求适合光学材料的加工方法是为关键。磁流变抛光技术作为 国内外新兴的超精密加工技术，是广泛采用的确定性加工与特有的加工机理相结 合的产物，在各种光学材料( 硅酸盐玻璃、碳化硅等) 和多种加工方式( 平面、 球面、非球面、自由曲面等) 中逐渐显现出其它超精密加工技术不可比拟的优势。 本文针对目前广泛应用于航天、材料等领域的新型材料碳化硅，利用磁流变 抛光技术对其工艺进行深入研究，主要进行了以下几方面的工作： 1 s i c 的磁流变抛光去除机理研究。总结抛光的材料去除机理的几种基本理 论，对比研究s i c 材料的结构特性，分析磁流变抛光液相关特性的基础上得出磁 流变抛光的材料去除是机械作用的结果，并在研究去除模型、表面粗糙度理论的 基础上讨论磁流变抛光去除机理的若干影响因素。 2 s i c 的磁流变抛光去除函数模型研究。建立磁流变抛光去除函数评价指标， 分析去除函数峰值去除率、体积去除量、几何尺寸的关系，分析去除函数在加工 过程中短期与长期的稳定性等特性。 3 s i c 的磁流变抛光工艺参数实验研究。建立磁流变抛光工艺参数评价指标， 对主要的工艺参数进行理论分析，指出影响趋势，并与实验进行对比，得到各主 要工艺参数对加工过程的影响程度，提出工艺参数选择依据。 4 s i c 的磁流变抛光面形控制技术研究。综合应用以上研究结果，根据磁流 变抛光机理，选择适合的磁流变液，建立稳定准确的去除模型，选择恰当的工艺 参数，改变了以往研磨一传统粗抛一磁流变精抛的加工模式，形成了研磨一磁流 变粗抛一传统半精抛一磁流变精抛的新型加工模式，实现了高精度、超光滑的s i c ( d 2 0 2 m m 平面光学元件的磁流变加工( p v0 1 3 9 i n ，r m s1 2 r i m ) ，并大大缩短了 加工时间，提高了工作效率。 主题词：碳化硅，磁流变抛光，去除机理，工艺参数，面形控制方法 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h ed e m a n df o rc o m p l e xo p t i c a ls y s t e m sh a si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ， d r i v e nb yg r o w t hi nt e r r e s t r i a la n ds a t e l l i t e b a s e da s t r o n o m y ，a n dd e f e n s ea n ds e c u r i t y a p p l i c a t i o n s p r o p e ro p t i c a lm a t e r i a la n df a b r i c a t i o nt e c h n i q u ei st h ek e yp r o b l e m m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ( m r f ) c a nd e t e r m i n i s t i c a l l yp r o d u c eb e t t e r ，f a s t e r , a n dc h e a p e rh i g h - p r e c i s i o no p t i c s ，a n dh a v eg a i n e db r o a da c c e p t a n c eb ym o s to ft h e w o r l d sl e a d i n go p t i c sf a b r i c a t o r s m r fc a nm a k es u r f a c e s ：e x t r e m e l yf l a t ，e x t r e m e l y s p h e r i c a l ，a s p h e r i c a l ，c y l i n d r i c a lo ra n yo t h e rm a t h e m a t i c a l l yd e f i n e ds h a p e ，a n d e x t r e m e l yu n i f o r mi nt h i c k n e s so ro p t i c a lt h i c k n e s s m r fc a na l s oi m p r o v et h es u r f a c e i n t e g r i t yb y ：r e m o v i n gm i c r o - c r a c k sa n ds u b s u r f a c ed a m a g e ，r e m o v i n gr e s i d u a ls t r e s s e s ， a n di m p r o v i n gg l a s sr e s i s t a n c et ol a s e rd a m a g e i nt h i sw o r kw ef o c u so nb u i l d i n gab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h em r f p r o c e s sf o r t h en e x t g e n e r a t i o no p t i c a lm a t e r i a ls i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) t h em a i nr e s e a r c hi n c l u d e s ： 1 m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi nm r f p r o c e s sf o rs i c c o m b i n es e v e r a lm a t e r i a l r e m o v e dt h e o r i e sw i t hs t r u c t u r eo fs i c ，w ea n a l y z em r f l u i d s ，r e m o v a lf u n c t i o n sm o d e l sa n ds u r f a c er o u g h n e s st h e o r y t h e nw ed i s c u s ss e v e r a l i n f l u e n c e df a c t o r so nm e c h a n i s m s 2 m a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n d “p o l i s h i n gs p o t ”i nm r f p r o c e s sf o rs i c w ee s t a b l i s ht h ee v a l u a t i v et a r g e t so nr e m o v a lf u n c t i o n s ，a n ds t u d yt h ep e a k r e m o v a lr a t e 、v o l u m er e m o v a lr a t e 、g e o m e t r i c a ls i z e 3 p r o p e r p o l i s h i n gp a r a m e t e r si nm r fp r o c e s sf o rs i c w ee s t a b l i s ht h ee v a l u a t i v et a r g e t so np o l i s h i n gp a r a m e t e r s ，a n ds u m m a r i z et h e i n f l u e n c e dd e g r e eo fp a r a m e t e r so np o l i s h i n g 4 a c t i v ec o n t r o lm e t h o do fs u r f a c eq u a l i t yi nm r f p r o c e s sf o rs i c b a s e do nm e c h a n i s m si nm r fp r o c e s sf o rs i c ，w ed e v e l o pah i g hp r e c i s i o na n d m o r ee f f i c i e n tf a b r i c a t i o nt e c h n i q u ef o ro p t i c a ls u r f a c eo fs i cu s i n gm r f b ys e l e c t i n g p r o p e rm rf l u i d s ，e s t a b l i s h i n gs t a b l er e m o v a lf u n c t i o n sa n dc h o o s i n gp r o p e rp o l i s h i n g p a r a m e t e r s ，w es u c c e e di nt h ef a b r i c a t i o no fas i cp l a n e ( 2 0 2 m mi nd i a m e t e r ) t h e f i n i a lp vv a l u ei s0 13 “ma n dr m sv a l u ei s12 n m k e yw o r d s ：s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) ，m a g n e t o r h e o i o g i c a if i n i s h i n g ( m r f ) ， m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m p o l i s h i n gp a r a m e t e r s ， a c t i v ec o n t r o lm e t h o do fs u r f a c eq u a l i t y 第i i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 表目录 表1 1 几种光学镜面材料性能参数l 表3 1 两种磁流变抛光液沉降性对比2 2 表3 2 主要工艺参数在各抛光阶段的参考范围3 4 表4 1 传统工艺j j n - r - 参数3 9 第1 v 页 国防科学技术人学研究生院硕十学仲论文 图目录 图1 1 同本m g s i c 深紫外照相设备2 图1 2 镜坯、抛光装置及抛光后效果图4 图1 3m 3 6 0 m m 反射镜坯与e l i d 精磨后的镜面( 在线测量) 4 图1 40 1 0 0 m m c v ds i c 样件及磁流变抛光后面形精度5 图1 52 2 5 m m 1 6 1 m m 非规则椭圆s i c 平面摆镜样件及加工结果5 图1 6 美国q e d 公司q 2 2 - 7 5 0 p 型磁流变机床6 图1 7 哈尔滨工业大学研制的m r f 抛光实验装置6 图1 8 清华大学研制的公自转形式的m r f 抛光工具6 图2 1“挤压断裂”模型9 图2 2 “剪切刮擦”模型9 图2 3 水解作用示意图1 0 图2 4s i c 四面体l l 图2 5 磁流变抛光液静置效果图( 照片) 1 3 图2 6 磁流变抛光液经过抛光区示意图1 4 图2 7 磁流变抛光剪切作用引起塑性形变示意图1 5 图2 8s i c 表面的塑性形变( 轮廓仪) 1 5 图2 9 实验得到的去除函数二维模型、去除率曲线1 6 图3 1去除函数的尺寸参数示意图1 8 图3 2 加工方式示意图l9 图3 3 测量方式示意图2 0 图3 4d e k t a k6 m 探针式台阶仪实物图2 0 图3 5 z y g o 干涉仪实物图。2 0 图3 6 z y g on e w v i e w2 0 0 轮廓仪实物图2 0 图3 7 两种磁流变抛光液流变性对比图2 1 图3 8l 号羰基铁粉配制的磁流变抛光液s e m 图像2 2 图3 9 不同粒径金刚石微粉的磁流变抛光液加工光学元件表面粗糙度对比2 4 图3 1 0 短驻留时间下去除函数的线性2 5 图3 1 1 长驻留时间下去除函数的线性2 5 图3 1 2 短期去除函数p 、v 稳定性2 6 图3 1 3 短期去除函数l 、w 稳定性2 6 图3 1 4 长期去除函数p 、v 重复性与稳定性。2 6 图3 1 5 长期去除函数l 、w 重复性与稳定性2 6 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 图3 1 6k 9 玻璃上除函数1 0 人的变化情况2 7 图3 1 7 磁流变抛光液温度变化曲线2 8 图3 1 8 去除函数沿垂直方向表面半日糙度变化拟合曲线2 8 图3 1 9 峰值去除率p 、表面粗糙度r m s 与抛光轮转速关系曲线3 0 图3 2 0 峰值去除率p 、表面粗糙度r m s 与间隙关系曲线3 0 图3 2 1 峰值去除率p 、表面粗糙度r m s 与磁场强度关系曲线3l 图3 2 2 磁场强度变化对缎带形状的影响3 2 图3 2 3 磁流变抛光三个阶段示意图3 3 图4 1c c o s 技术加工流程图3 6 图4 2 磁流变抛光机床示意图3 8 图4 3 子孔径拼接示意图4 0 图4 49 5 口径( 0 1 9 0 m m ) 初始面形误差4 0 图4 5 工件初始表面粗糙度4 0 图4 6 磁流变粗抛后9 5 口径( 0 1 9 0 m m ) 面形误差4 1 图4 7 磁流变粗抛后工件表面卡r 糙度4 l 图4 89 5 口径( m 19 0 m m ) 最终面形误差4 2 图4 9 工件最终表面粗糙度4 2 图4 1 0t 1 ) 2 0 2 m mh i ps i c 实物图( 照片) 4 2 图4 11 材料表面划痕( z y g o 轮廓仪) 4 3 图4 1 2 产生划痕示意图4 3 第v l 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：毯焦壁毽亘挝挝煎鲎速变挝光王艺盈窒 学位论文作者签名： 壶l 圣至 日期：复泐年i 月，d 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：毯丝壁氲亘盐拄煎壁述变地左王艺盈窀 学位论文作者签名： 量! l 至：! 圣 作者指导教师签名：孟垒盈竺 日期：寸君年- 1 月，d 日 日期： 。莎年f 月似日 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 第一章绪论弟一早三百v 匕 本章介绍了课题的来源、背景及意义，针对目前应用较广泛的多种大型天文 反射镜材料，根据特性选择碳化硅作为研究对象，并从碳化硅的国内外超精密加 工方法中选择磁流变抛光技术作为加工手段，最后介绍了论文的主要内容。 1 1 1 课题的来源 1 1 课题来源及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目“复合材料s i s i c 两相结构的硬脆光学 涂层超精密研抛”，项目编号：n o 5 0 7 7 5 2 1 6 。 1 1 2 课题研究的背景及意义 随着航天、材料、电子、军事的发展，光学技术已深入到各个专业领域中， 发挥着越来越重要的作用，各领域对光学元件的要求也从单一的关注尺寸向关注 高精度、良好表面质量转变。其中，对光学元件的尺寸、质量、精度等指标要求 较高的大型天文反射镜来说，传统的光学材料显然已经不能满足大尺寸、轻量化、 宽口径、非球面的加工需求，研究新型材料和与之相适应的加工方法显得尤为重 要。 考虑到太空环境的严酷性与反射镜的上述特点，用于制造光学反射镜的材料 性能要求较高，应具有高弹性、低密度等力学特性，这样能最大限度的减少自重 引起的变形，并且宜选用高热导率、低热膨胀系数的材料以消除温度梯度的影响 【1 1 ，表1 1 例举了几种制造大型天文反射镜的材料性能参数【2 1 。 表1 1儿种光学镜面材料性能参数 密度p 热导率k 热膨胀系数c t e比热c p 弹性模量e 材料 k g m 3 w ( m 。k 1 1 k j ( k g 。k ) g p a 铝a l2 7 1 01 7 l2 3 e 69 6 06 9 铍b e 1 8 5 02 1 6 1i 4e 击1 8 8 0 3 0 3 镍n i 8 9 1 38 6 0 8 6 4e - 6 5 22 1 4 2 c v ds i c3 2 0 03 6 04e 。71 4 64 6 0 r bs i c3 1 6 0l8 00 6 5e 由1 3 51 2 0 硅s i 2 2 0 0 1 3 85 5e 。77 4 57 2 石英 2 2 0 01 45 5 e 。76 7 07 2 4 上述几种光学镜面材料，各有优劣，金属铝和铍已经制成多个大型天文望远 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 镜，但山于钳的光学加上性能较差，向铍的毒性和高成本使得其他材料迅速为人 们所重视，其中碳化硅( s i c ) 的热膨胀系数最低，非常适合工作在剧烈变化的外 界环境，此外鉴于碳化硅材料的超硬耐磨，良好的抗氧化性能和耐化学腐蚀性能， 高热传导率，以及优良的耐热冲击性等特性【引，各国针对大型反射镜的碳化硅材 料的研究从二十世纪八十年代丌始不断深入，并最终成功制成多座大型天文反射 镜胚体。 i ，蛔 ， ；= 二2 堕= 1 2 0 _ 图1 1 日本m g s i c 深紫外照相设备 美国的h d o s 公司研制了0 8 m 1 1 m 、重2 7 k g 的s i c 反射镜，俄罗斯 s i v a v i l o v 国家光学协会空间光学科研所加工了直径1 2 m 、表面粗糙度r m s l 0 2 0 a 的s i c 反射镜【引，欧洲航天局的h e r s c h e ls p a c eo b s e r v a t o r y 拟造直径3 5 m 的 s i c 空f 、日j 望远镜，由1 2 块长1 3 5 m 的扇形部分焊接而成【5j 。同本也证在研制用于 卫星上的深紫外照相设备的镜头，材料是m g s i c 复合材料( 图1 1 ) p 引。此外， 美国、俄罗斯、德国、法国等国家在制成大型反射镜的同时也在其它复杂光学系 统如高能激光器中找到了s i c 广阔的应用前景。 随着技术的不断发展，既有工艺的成本高、光学性能差、变性显著等问题同 益突出，越来越多的碳化硅制备工艺不断涌现，到目前为止，已有不同形态碳化 硅的数十种加工方法应用于各个领域。我国在碳化硅制备工艺上的起步较晚，但 经过最近二十年的发展，也越来越趋于成熟。 中科院长春光机所在反应烧结制取s i c 方面作了一定研究，并磨制过 1 0 0 m m 及0 2 5 0 m m 的平面、球面s i c 镜，中科院南京天文光学技术研究所在磨制s i c 镜 方面也取得了相当进展，0 5 年成功加工了0 5 2 0 m m 及0 11 7 m m 的非球面主镜及副 镜【5 1 。国防科技大学新型陶瓷纤维及复合材料国防科技重点实验室正在丌展空间 第2 页 国防科学技术人学韧f 究生院硕十学何论文 相机s i c 反射镜材料的研究，制备c s i c3 艺成熟【4 j 。 目前，s i c 材料光学镜面的超精密加工技术分为接触式、非接触式、准接触式 等形式，包含超精密磨削与抛光技术，e l i d 磨削技术等多种加工方式，这些技术 能够高效的加工微米、亚微米级精度的光学元件，但受到自身技术条件限制，对 于s i c 材料的适应性和大尺寸、高精度、高效率的加工要求，以上技术很难满足， 因此，寻找能够加工s i c 光学元件的超精密技术方法称为各科研机构的研究重点。 本文紧紧围绕碳化硅材料的磁流变抛光去除机理，结合传统抛光材料去除理 论，对磁流变抛光的去除方式、去除模型、工艺参数进行了理论和实验分析，通 过分析工艺参数对材料表面去除率与粗糙度的关系，揭示磁流变抛光特性，寻求 抛光以碳化硅材料为主的光学镜面的最优参数，实现高效、高精度、高表面质量 的加工目标，为目前用途f 1 益广泛的碳化硅材料加工工艺研究提供具有一定价值 的参考依据。 1 2 碳化硅的超精密加工技术现状 碳化硅光学镜面的超精密加工技术随着对碳化硅材料的研究而逐渐发展成 熟，目前大致可以分为三类：非反应接触式加工技术，以传统机械抛光、浴法抛 光( w e t p o l i s h i n g ) 、高精度磨削为主；反应接触式加工技术，包括在线电解修整 ( e l e c t r o l y t i ci n - p r o c e s sd r e s s i n g ，e l i d ) 磨削技术、磁流变抛光( m a g n e t o r h e o l o g i c a l f i n i s h i n g ，m r f ) 等；非接触式加工技术，主要包含离子束加工( i o nb e a mp o l i s h i n g ) 垒奎【7 】 可 o 1 2 1 浴法抛光 浴法抛光是美国在上世纪六十年代为发展深紫外光学而研究的一种超精密加 工方法，过程中将抛光膜浸入到抛光液中，通过磨料的自锐去除工件表面材料， 不会令抛光温度过高或力过大，可以获得较高精度的表面。这种抛光工艺能够减 小温度对加工过程的影响，但基于工艺本身特点，无法加工大尺寸光学元件，应 用受限。 中科院成都光电所通过研磨、传统粗抛光后运用浴法抛光对对角线为110 r a m 六边形反应烧结( 1 m ) s i c 平面反射镜进行超光滑表面光学加工，如图1 2 ，左图 是( r b ) s i c 镜坯，由三角形单元构成，中图是浴法抛光的加工过程，右图是抛 光后的效果图，结果表明，加工精度控制在面形r m s 值约7 n m ，表面粗糙度约 0 7 5 r i m s l 。 第3 页 q 阱科学技术人 研究巾院硕+ 学付沧定 蚓i2 镜坯、抛光盐置厦抛光肝敞m h 122 在线电解修整磨削 e l i d 摩i _ i l j 技术由奉理化学研究所大森整等学肯j 一】9 8 7 提忆利肿乜解 作h 土除砂轮 联金属皋体，露出锋利的磨粒，使得砂轮始终以城伸状态进 亍磨 削。返项睹训新i 岂能够将表面籼糙度加j 到纳米级精度，效，* ，适用j ：硬质 脆性材料，如篱l t l i 、陶瓷、品体砟、填质会属等，近年来i i g , i d l | j s i c 材料光 学镜i f | i 的磨削玎h 似- 殳需成水较高。 本删化# 研究所与k y o c e r a ( 京陶) 株式会社利h je l i d 脐削技术_ ! l ji 了 0 3 6 0 m m 的碳化胙球mj 反射镜，酸反射镜背部为= f j 彤多，纳构f 【蚓13 ， 阍) ， 中心断f n 】早梯形，中心孔径1 1 0 r a m ，加】过程使州机拽触针j 1 0 堪器在线面彤榆 洲拄制山j 彤精度( 阿13 ，右阁) ，反复检测与补偿肌l ，域终将形精度控制往 p v 位08 m 以f ，戒面粗糙度r a 值78 n m h 。 囝麟 h l3 0 3 6 0 m m 反射镜坯，e l i d 桔癜历的镜曲( “线洲 0 123 磁流变抛光 磁流娈的概念早在j i 个1 u ：纪血f 年代已经提出，七h # 代i i f m 、j | j ：化热传质 研究所的w ik o r d o n s k i 将硅流j 叟液刚f 机械加工中，几十印代肜成磁流，史抛光技 术川r 球加i ，加i 过程足利用磁流变抛光液n 岛梯皮融场f 彤成的“柔忡 抛光脞”束上除光学，l 什袁向材料。磁流变抛光能够实现纳水级耥发的光学兀件 加l ，对符种材料的适应惟强适台加1 ：大，弘光学元什，订j 阔的心用莳景。 化j 炎| i ：】岁彻斯特的q e d 公司研发- i 心利川q 2 2y p 础流变机床刘 中】0 0 r a m 的c v ds i c 进行r 加工而形精度p v 值从7 9 6 n m ( r m s 觚2 1 2 n m ) 提 高刮6 4 n mf r m s 值76 r i m ) ，丧面柑糙度从5 73 25 n m 挺l ： 刮18 o6 n m 【i o l ( 如 第4 豇 【i 4 防8 1 娃水j 、学研究生皖敞十学似论文 i 翎14 ) 。 一 一_ ! ji 剀i4 m 10 0 m m c v ds i c 样仆及磁 ； c 变抛光后面形精度 124 离子束加工 对离子束抛光技术的研究从_ 二十世纪七 年代丌始，是种新酗超精密加上 技术。加上时，i 惰性气体组成的离子柬轰击工什表面，离子与i i 件表面的麒r 碰撞，传递能量，使部分工什表面的原子脱落，达到去除材料的目的。离子束 抛光精度高能够达到纳米、证纳米绒i ，光学兀件小会产生j j 、力变形，适l i 火 型光学元什的加上，但去除量小，适合加工已有定面形精度的材料，兀秘产牛 热变形不用束加丁热膨胀系数夫的脆性材料，应用范围受到限制。 困防科技大学精密i 程实验室利用离子求技术刘外形尺、j 为2 2 5 m m 1 6 1 m l1 1 规则椭圆c v ds i c 平面摆镜( 罔i5 ，先罔) 进行了加工，最终将全口径而形涅 差r m s 快速收敛到5 0 n m l 4 “。 。 。二” 。d 酗i52 2 5 m m 1 6 1忻规则椭圆s i c 、r 面摆镜样们及加i 。站粜 1 3 光学镜面磁流变抛光技术发展 磁流变抛光技术( m r f ) 从概念的提出刘机床的成熟，先后鲐历r 搬多阶段， 最早是利州场敛心进行光学加j ，仃磁干4 液体抛光、磁力抛光、磁场辅助炎鼯 刹 抛光技术等i 真i e 彤戚确定h 磁流娈抛光挫术原理厦戍用已经到了f 纪儿 t 年代。 荧幽罗彻斯特大学光学制造l 心( c e n t e r l o r o p t i c s m a n u f a c t o r i n g ，c o m ) 从 第5 舡 _ 防科学控术人羊 究生境倾1 # p 论上 1 9 9 3 年起北蕾m r f 试验系统先后对磁流娈抛光液、磁流变抛光特眦磁流变试 骑装营等进 r 研究，待到实验装置摹本成形后悝刘_ - 她破璃进行初步加工，涉披 刮、r 丽、球r i l l 并取得了重人突破，后来的快速文本编辑柑 ( q e d ) 的j j 丌八为磁 流变抛光机眯的制造提供了r 叮能。 1 9 9 8 年，荚冈q e d 公司0c o m 菇同t i | = 发出第 台磁流变抛光机床q 2 2 x 删，l 复帆昧能够加1 苴羟存2 0 0 m m 以f 的光学儿什；随后推的q 2 2 - y 型磁流 j 叟机床改导了q 2 2 - x 型机床的加i 路径，能够加i 棱t l 刑恻 i ：状光学元件：q 2 2 - 4 0 0 x 犁哑址将可加工光学元件的尺寸扩大到4 0 0 r a m ：蛙近新推的q 2 2 - - 7 5 0 p 弘机床( 立_ _ _ 纠16 ) 将加工光学元件的能力提高到7 5 0 m m x l 0 0 0 m m 目前为t l ：， q e d 公r d l 绎成功组装超过1 0 ( ) 台各种型弓的磷湍娈机床，术束诬将研艇能够加 t 、j 为l 4 m 和n 山岫m 1 光学l 件的巨型机珠“，磁流娈技术得刮丁逊猛发 堆。 函幽 盔函 hi7l a ：滨i 业人学g f s q 的 幽 m r f 抛光史验盐翟 8 ir 华人学州制的公口转j br 的 m r f 抛光ih 第6 豇 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 清华人学在分析r o c h e s t e r 大学磁流变工作机理的基础上，自主创新发明了公 自转形式的磁流变抛光工具( 如图1 8 ) 。该新型工具可以进行公转和白转结合的 运动方式，用以产生中心对称的抛光斑，并达到光学零件修形的目的。清华大学 利用该抛光工具进行了基本工艺试验和修形抛光实验，但还没有真正实用化。 国防科技大学精密工程实验室建造了国内第一台已形成加工能力的大型光学 镜面磁流变抛光机床，由数控系统和循环控制系统组成，在确定性加工平面、球 面、非球面多种光学元件的同时涵盖了硅酸盐玻璃、微晶玻璃、s i c 等多种材料。 其中在加工s i c 光学镜面方面的研究卓有成效，化学气相沉积( c v d ) s i c 、热( 等 静) 压烧结( h i p ) s i c 平面镜精度可以达到p v 0 1 3 9 m ，r m s 2 5 0 0 ) 高压 ( 5 0 m p a ) 下材料才能够达到理论致密度的问题。在略低的温度与压强下，采用添 加烧结剂与s i 粉，使得s i 熔融后包裹s i c ，抑制s i c 晶粒长大，以减小孔隙，增 大密度。 第1 2 页 凼防科学技术人1 学研究牛院顾i 忙论殳 通过热( 等静) 压烧结方法制取的s i c ，断裂韧h 1 ，埘裂纹强耻的敏感件低， 材料内韶mj 娃余应力的影响，品棉部分产生穿- 诮断裂，甜凸吼晰裂，品界的裂 纹能够扩腥节相邻品界，俏办消耗了卡裂纹的能 捉r ：i 了材料的韧t n ，f 问此 在划h i ps i c 抛光的过程中，抛光粉颗粒足纳米绌粒件运动方式足跟随“缎带” 祚材料袁i 自】的滑动，在材料内部的孔隙、缺陷等心边舰力集f t 区域发生材料脱落、 j | j j 塌的r ，能性较人，而在正常组织中则是塑性变形去除 r 学。 2 3 碳化硅的磁流变抛光机理研究 以l 我 f 3 x 4 抛光的材料玉除机理及相关的影响幽素i 韭 i 了归纳与总结，并结 合本文所要研究的h i ps i c 的结构特性对i - r 能发生的作川方式作，简单分析。在绪 论巾我们知道，抛光工艺有根多利喽，在抛光方式一，加工尺度方面也干差月别， j 然所形成的材料去除机理也不尽相同，因此研究磁流变的抛光材料去除机理要 从磁流变抛光的去除方式、模型出发，通过一系列】艺实骑群 h 结论。 231 磁流变抛光材料去除机理 磁流变抛光液i 要由基载液和分敞于基载液r 1 1 的同态成份两部分组成，其中 塾载液包括水和表面活性剂：田卷成份则由磁敏颗粒、1 f 磁性抛光粉颗粒等组成， 磁流变液。f | 的各组分得到允分均匀混台和分散。 静止状态下，非磁性抛光粉颗粒的密度远远小于磁敏颗托的癣度，冈此将磁 流变澉静胃一段时问后，非碰忖_ 抛光粉颗粒将浮十基载液表i | ，如| 5 f | 25 所不，i l l i 种小同的磁流变抛光液静簧一段日j 问后会有所沉降，h 体参打32i 节。 蚓25 磁流变抛光液静置效泉幽f 燃j 徉高梯腰磁场作用f ，磁流变抛光液会形成微结构为链状的缎带n 起( i 刳2 6 ) ， 1 # ，揿碰流体力学理论，高强度磁场对非磁性抛光粉顿牲打浮力作用，闺此在具 第13 贝 讣i【吕：。量量l_霸犁出 冈防科7 。技术人究，：七院硕 ：学忙论文 有高强度磁场的抛光区中，非磁性抛光粉颗粒从磁流变抛光液中析出并浮于表面 形成“柔性抛光盘”。k o r d o n s k i 证明，磁流变抛光液在抛光区的形态类似丁轴 承润滑l | j 涧# ，脂( b i l l g h a m 介顺) ，方程如f ： f = r l o y + r o ( h ) s i g n ( r ) ，h h ( h ) ( 21 ) ，= o ，h 5 i t o ( h ) i ( 2 2 ) r 为磁流变抛光液的剪切麻力为磁流变抛光液扫j 始粘度，= 罢竺为剪切率， o y t o ( h ) 为磁流变抛光液的心服戍力，h t o ( h ) 的区域磁流变抛光液近似于n e w t o n 流体，h i t o ( h ) l 磁流变抛光液的剪切率为零，形成刚质核心。 嚣战 工件 图26l ；2 i 流变抛光液经过抛光仄示意目 j e s s i c ae r i nd e g r o o t e 的研究中口“，使用不含有抛光粉颗粒的磁流变抛光液对 光学材料进行去除实验，结果表明材料表面也发生了微量去除，表面粗糙度与实 验前发生了明显变化，这说明磁流变抛光液经过磁场时，其中的羰基铁粉形成的 链状缎带对棚糙的材料表面有机械刮擦作用，铁粉颗粒去除了一些“凸起”，也 制造了一些“凹痕”，尽管这种作用较微弱，但从一个侧面说明机械作用在磁流 变抛光中必不u ，少。 对丁含有抛光粉颗粒的碰流变抛光液对光学材料的抛光过程，很多人做了不 同程度的研究p u ，除了抛光粉小身的去除作用，其粒径大小、尖锐程度对抛光过 程也有影响。 那么，机械作用是怎样影响材料表丽去除的呢，研究表明只要单个磨粒j 的 法向受力超过一临界值，就会产生中何或径向裂纹，住材料表面或亚表面形成损 伤层，并可能在卸载时诱发横向裂纹导致材料去除此时材料的去除模式称为脆 性去除模式；低于此临界值，则磨粒与工件之口j 只会发生弹性或塑件接触，不会 有表面或哑表面裂纹产生，此时通过磨粒与工件之间的滑擦作用实现材料去除， 这种材料去除方式称为塑性去除模式。峻临界力可以表达如f ”6 j ： 第1 4 页 同防科 圭水人学q i ，翻窥项1 学似论文 q = t fi | i ? 1 f t m t 2 3 1 式叶】 足一个无量纲常数，( 们z2 x 1 05 ，k ，为村料的断裂韧性，s i c 材 料的丘z4 m p a 卅“2 ，为材料的维氏硬度，s i c 村料的h = 3 1 0 k g m 舻，根 据式2 3 ，s i c 材料的临界力理沧值为一t08 n ，实际值为0 1 n i 州。相对f 此临 界力，磁流变抛光巾啦个抛光顾粒的受力1 07 、】要小的多，旧此。f 以说明，碰流 变抛光并不像磨削样靠大的f 、力击除材料的。 兰童寝 图2 7 融流变抛光剪切作用0 起氇性7 b 变示意幽 ( h lk 9 削2 8 s i c 丧而的塑性形娈( 轮煽“女) 图2 6 中的磁流变抛光液经过高强崖磁场时，形成剪切应力场( 分朽如图27 ) ， 磁流娈抛光液“缎带”正f 方的剪切应力最大一抛光粉经过s i c 材料丧r t i fn , i 抛光粉颗粒礼小八表面的旧时，靠l 刀向的! l | 力将材料古阶，只足这个过程中， 抛光粉的i t 胍j j 很小，t 耍山人的四切力_ 占除的。7 | _ 回切点除的过鼎巾，埘刷【_ 1 司 第15 哑 国防$ 学技术人q i 究中硫顷1 学位沦文 的材料j “乍影响，引起了蝈p t 变形形成一条条“沟痕”，称z 为“耕犁( 犁削) ” 现象，这种现象在经磁流变抛光后的k 9 玻璃表面也能观察到( 如图28 ) 从理论和实i 斩分析肴来，碳化硅的磁流变抛光材料去除机理足机械怍的结 果，机械作h j 主要体现n 抛光粉颗粒的剪切去除引起的塑性变形、抛光粉颗粒的 粒径火小、抛光过稗中的切深等：礼后而的章肯中，将围绕这些对磁流变抛光液 成分，工艺参数的与表血糊糙度、上除效钲的茂系等方而进行研究，_ ：充分了解 s i c 的磁流变抛光去除机理的堆础上指导s i c 超光滑表而的加工。 232 磁流变抛光材料去除模型 大量烟女汪州，磁流变抛光的上除符合p r e s t o n 方程，材料去除率r 表示为： ，= 如vr 2 4 ) 式中，k 为p r e s t o n 常数( 工艺参数小变) ；p 为抛光区域内： 什表面所受压 力，通常由流体动i j 、力、磁浮力、液体浮力组成，但考虑到磁浮力与液体浮力较 小，故忽略不计；v 为抛光区域内磁流变抛光液与工件的相对速度如果工艺参数 不变，v 值恒定，与抛光轮线速度打关，即v = k , u ，此时r = 触p u = 印u k 为 常系数，u 为抛光轮线速度； 2 4 式表明，材料去除率与流体动压力和抛光轮的线速度冉戈。 根据p r e s t o n 方程，国外的r o c h e s t e r 大学和国内的长光所等都对磁流变的去 除模型进行r 研究，k 光所建立的去除函数力程盘下【i7 1 ： 一叫瓦害赫批孝卷i 脚j 尘v 。s ， 胁为真空磁导率，h 为磁场强度，为磁流变抛光液初始粘度，u 为抛光轮 线速度，h o 。为抛光轮与工件之间的虽小问隙，u ，为磁流变抛光液的磁导苹，f 。为 磁性微粒的碰导率，为碰流变抛光液中磁性微粒的体积比浓度，r 为抛光轮半释。 l _； ( 蓟i ； i l l f 6 h e - m 吲2 9 蛮转得到的上除甬数一维模n 、击除率曲线 i 业抛光轮线述度恒定，p r e s t o n 系数k 不变，h 4 引实骑可以褂f 小川的k 值 筇1 6 豇 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 通过实验，我们得到了磁流变抛光去除函数的二维模型及去除曲线( 如图2 9 ) ， 可以看出不同的模型理论虽然有所差别，但得到的曲线与实际曲线相差不多，趋 势基本一致，可以作为下面工艺参数实验的理论根据。 2 3 3 磁流变抛光表面粗糙度基本理论 在碳化硅的磁流变抛光表面粗糙度方面，很多人做了研究与分槲如】。在前面 例举的三种s i c 中，相同的抛光实验条件下，不同材料的s i c ，其表面粗糙度也有 不同，这是由材料本身的结构特性决定的。此外，抛光粉粒径的大小对粗糙度也 有重要影响，粒径越小，表面粗糙度最小。 在磁流变抛光的工艺条件中，抛光轮转速、磁场强度、抛光轮与工件表面的 间隙对表面粗糙度的改善作用也很明显。抛光轮转速的降低，磁场强度的减小， 抛光轮与工件表面的间隙的增大均能导致表面粗糙度减小。 2 4 本章小结 本章主要围绕磁流变抛光的材料去除机理，从抛光的几种材料去除理论出发， 结合碳化硅的结构特性，分析碳化硅的磁流变抛光去除模型，根据对去除率与表 面粗糙度的影响，得出初步的磁流变抛光去除理论，为后文继续研究做基础，主 要内容包括： 1 抛光的三种材料去除理论( 机械作用理论、化学作用理论和流变理论) 分 别对抛光过程中抛光粉颗粒与材料表面的力学、化学作用进行了分析，这些也是 磁流变抛光去除的基础理论； 2 研究碳化硅的晶体结构，根据不同类型的碳化硅，结合其特性对去除机理 进行分析： 3 根据磁流变抛光液在高强度磁场下的b i n g h a m 性质，分析抛光的去除过程， 得出碳化硅的磁流变抛光去除是机械作用下材料塑性变形的影响，根据已有的材 料去除模型与试验结果做对比，具有良好的一致性；分析了对去除率与表面粗糙 度有影响的若干因素，为后面的实验论证奠定理论基础。 第1 7 页 防科学技术人学研究生院硕i 学位论文 第三章s i c 的磁流变工艺研究 本章围绕磁流变抛光的材料去除机理，从工艺方面进一步研究，定义r 去除 函数和工艺参数评价方法，对比研究磁流变抛光液中两种主要成分的特性，分析 这些特性在s i c 材料去除过程中的作用，并就几个关键的工艺参数对去除牢、表