（光学工程专业论文）面接触式磁流变抛光方法的研究.pdf

学科：光学工程研究生签字：指导教师签字：面接触式磁流变抛光方法的研究摘要近年来，随着光学和微电子学及其相关技术的发展，现代光学系统对光学零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度提出了很高的要求。相应的表面加工技术也成为现代光学加工技术的重要研究部分。磁流变抛光技术以其高加工质量、高效率，小的亚表面损伤等一系列优点成为目前竟相研究的热点。目前，国内外现有的磁流变抛光以及其相关技术都是基于。点接触”式抛光思想，该种方法在大规模应用时，效率相对较低，实用性还受到限制。本文研究了一种基于“面接触”式抛光思想的磁流变抛光技术，试图在磁流变抛光技术实用性方面有所研究。通过研制合适的磁场，并在实验室原有仪器机械结构的基础上，设计出相应的机械结构和两套独立的磁流变液循环系统和抛光液循环系统，进一步完善了实验样机。并利用该实验样机对口径为中6 0 的平面k 9 玻璃工件的进行了抛光实验。使工件表面粗糙度r a 值从经过w 1 4 金刚石微粉精磨后的3 0 0 n m 左右，降低到了ln m 左右。并在此基础上进行了正交实验，分析了抛光过程中主轴转速，磁场强度，磁极平摆速度，磁极与工件的间隙等工艺因素对表面粗糙度和材料去除量的影响，给出了表面粗糙度和材料去除量与上述工艺参数的关系曲线图，揭示了其之间的规律，得到了最佳工艺参数组合。并分析了影响表面粗糙度的其他因素。此外，本文还在实验现象的基础上，结合古典抛光理论，对磁流变的抛光机理做了初步的分析，认为磁流变抛光是由于抛光液的流动使抛光颗粒对工件材料进行了剪切去除，同时认为，该过程也是一种机械、化学的综合作用。并在除量函数的假设理论- - p r e s t o n方程的基础上，根据磁极与工件之间的相对运动轨迹，初步分析了材料去除量公式。关键词：面接触；磁流变液：磁流变抛光；正交实验；表面粗糙度；材料去除率s t u d yo na r e a - c o n t a c tm a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n gs u b j e c t ：o p t i c a le n g i n e e r i n gs t u d e n ts i g n a t u r e ：t e a c h e rs i g n a t u r e ：比ivw 渺炒a b s t r a c tt h em o d e r no p t i c a ls y s t e ms e t sah i g h e rr e q u e s tt ot h ep r o f i l ea c c u r a c y , r o u g h n e s s , a n ds u b s u r f a c ed a m a g eo fo p t i c a lp a r t sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do fo p t i c sa n dm i c r o e l e c t r o n i c sr e c e n t l y a c c o r d i n g l y , t h et e c h n o l o g yo f s m o o t h s u r f a c eh a sb e e na l li m p o r t a n tr e s e a r c hw o r ki nm o d e mo p t i c s t h em a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fm a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n gh a sb e e naf o c u sb e c a u s eo fi t sh i 曲p r o c e s s i n gq u a l i t y , h i g h - e f f i c i e n c y , s l i g h ts u b s u r f a c ed a m a g e o nt h eb a s i co fi n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yo nm r ean e wi d e a , a r e a - c o n t a c t - m r f ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mp o i n t - e o n t a c t - m r f , i si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s , a n dan e wm a g n e t i cf i e l da n dt h er e l e v a n tm e c h a n i c a ld e v i c e ，a r cd i s e n s s e da sw e l l b e s i d e s ，t h e r ea r et w os e t so fc i r c u l a t o r ys y s t e m ，w h i c ha l ei n d e p e n d e n tt ot h ew h o l es y s t e m w ed i ds o m ep o l i s h i n ge x p e r i m e n t s 磁逊t h i ss y s t e m t h ew o r k p i e c e sw eu s e di st h ep l a n ei og l a s s ，a n dt h ed i a m e t e ri s6 0 m m t h er ar o u g h n e s so ft h ew o r k - p i e c ef r o ma b o u t3 0 0 h mt oa b o u ti r m at h r o u g h8 0m i n u t e sp o l i s h i n g ，s o m ep a r a m e t e r st oe f f e c tt h es u r f a c eq u a l i t ya n dm a t e r i a lr e m o v er a ta r ea n a l y z e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t , w h i c hi n c l u d em a i na x l er o t a t i o n a lv e l o c i t y , t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ,t h em a g n e t i cp o l e a tl a s t ，s o m ec u l v e sf o rs u r f a c er o u g h n e s sa n dm a t e r i a lr e m o v er a t ev e r s ea b o v ep a r a m e t e r sa r eg i y e n , a n dg e tb e s tc o m b i n a t i o np a r a m e t e r s a n do t h e rf a c t o r st h a ti n f l u e n c e dt h es u r f a c er o b g h n e s sa 鹋t o oa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h em e c h a n i s mo ft h em r fi sb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n dt h et h e o r yo fc l a s s i c a lp o l i s h i n g i ts h o wt h a tt h er e m o v a li nm r fi sd u et ot h es h e a rs t r e s s m e c h a n i s mo fm a t e r i a lr e m o v a la l s oi n v o l v e sh y d r a t i o no ft h eg l a s ss u r f a c e t h er e m o v a le q u a t i o ni se s t a b l i s h e do nt h eb a s i co fp r e s t o ne q u a t i o na n dt h em o v i n gb e t w e e nt h ew o r k - p i e c ea n dt h ep o l e 。k e yw o r d s ：a r e a - c o n t a c t ；m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ；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 g0 小心) ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；s u r f a c er o u g h n e s s ；m a t e r i a l s r e m o v a lr a t e学位论文知识产权声明学位论文知识产权声明本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍是西安工业大学。学校有权保留送交的学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)学位论文作者签名：王弗指导老师签名：1 7 1 一以_ 卅日期：w 叼7 三s学位论文猿餐瞧声鞠学位论文独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师揆导下避行的磷完工作及取褥的磺究成祭。尽我所知，除了文中特别搬以标注和致谢的地方外，学位论文不包含其他人已经发表域撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一间工作的老师和围学对本研究所傲的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。学傲论文与资料若肖不实之处，本人承担一切相关黉任。学位论文作者签指导老师簦名：酲鬻：名：王哆阳7 王s7参华1 绪论1 1 课题来源及意义1 绪论1 1 1 课题来源课题来源：陕西省教育厅科研项目“磁流变抛光装置研制”；项目编号：0 5 j s 0 3 。1 1 2 课题的研究意义近年来，随着光学领域和微电子学领域及其相关技术的发展，对所需元件的表面质量的要求越来越高【l 】。如大规模和超大规模集成电路技术对所用衬底材料的表面精度提出了很高的要求，现代光学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻。这类表面作为功能元件应具有高可靠性、高频响、高灵敏性；作为光学元件应具有高反射率、高面形精度、低粗糙度及高强度。作为功能元件时，因多为脆硬或脆软晶体材料，相对于表面粗糙度而言，更注重表面的晶格完整性；作为光学元件时，为获得最高反射率，特别强调表面低散射特性或极低粗糙度值。这类高质量光滑表面在现代科学技术中有着重要而广泛的应用。具体应用有：激光陀螺，高密度波分复用器，高能激光工程，功能光电器件，光学窗口等。在这些应用中，对它们的表面粗糙度和面形有着近乎苛刻的严格要求。因此，相应的高质量光滑表面的加工技术也成为现代光学加工技术的重要研究部分。实现高质量光滑表面的手段主要是抛光，其中磁流变抛光技术由于具有：1 磁流变“抛光头”不会变钝或变形；2 作为一种柔性介质，磁流变“抛光头”适合复杂形面的加工；3 磁流变抛光的加工效率高等一系列优点，因此近两年吸引了科研界极大的关注，成为竞相研究的热点。在这方面，美国和德国走在了世界前列，其合作研制的商业用磁流变抛光机已经面世。目前，磁流变抛光技术中所采用的方法都是基于“点接触”的思想，即通过控制磁流变液形成的“小磨头”在工件表面的运动轨迹和驻留时间来完成对工件的抛光和面形修正，该种方法的缺点是对抛光机床的机械结构的精度要求非常高，并且在进行磁流变抛光前，还要对被抛光表面进行预抛光处理，给实际应用造成了很大的不便。我国目前对于磁流变抛光技术已有较多研究，但是技术水平还比较低，都是基于上述“小磨头”的“点接触”式研磨思想。一些其他思路的磁流变抛光方法也有见报导，但尚都处于起步阶段。本文受古典抛光法的启发，研究了一种基于“面接触”抛光思想的磁流变抛光方法，即利用磁流变液在磁场作用下形成的具有粘塑性的b i n g h 锄介质作为“抛光模”来完成对工件的抛光。与“点接触”法相比，该技术具有更高的加工效率、对机床的机械结构的精度要求相对较低等优点，是一种向实用性迈进的技术，具有非常重要的意义。两安t 业大学硕十学位论文1 2 现代抛光技术在光滑表面加工中，抛光一般都是在精研磨后进行的一个主要工序，工件在经过精研磨工序之后，虽具有一定的光洁度和规则的表面形状，但它还不完全透明而且表面形状和精度也还达不到要求，所以需经过抛光才能达到满足使用要求的粗糙度和面形精度。目前，光滑表面的抛光有许多具有不同特点的方法。根据在加工过程中工件和抛光盘之间的接触状态可分为3 种类型f 2 j ：直接接触、准接触和介质接触。在各种抛光方法中的接触状态均只属于其中一种，并在抛光过程中基本保持不变。1 2 1 直接接触法抛光直接接触抛光是指抛光盘和工件在抛光过程中直接发生接触，依靠抛光盘的运动和压力使抛光磨料对工件产生的机械磨削作用和抛光盘对工件的摩擦作用去除材料。古典抛光法【3 j ，浅低温抛光法 4 1 、浴法抛光吲、t e f l o n 法抛光【6 】，柔性研磨抛光7 1 等都属于这种接触方式。古典抛光法是一种历史悠久的光学抛光方法，它采用抛光柏油制成的抛光模和散粒抛光剂来加工精磨后的光学零件。抛光模由抛光模层和抛光模基体构成。抛光模层直接与被抛光零件表面紧密接触，除承载抛光粉颗粒外，还参与抛光过程的物理化学作用。浅低温抛光技术是利用低温冷冻技术将抛光液冷冻在抛光盘上，形成一个冰的抛光模层，这样我们可以得到一个形状准确的抛光模层，例如一个平面的抛光模层，即和铸铁盘沥青模层完全一样的抛光模，它本身含有磨料类似固着磨料磨盘，当冰模层和工件相接触并做相对运动时，就产生切削运动，从而实现抛光。同时，可根据加工材料的不同调整冷冻深度来调整冰模层的硬度。冰模层和工件相接触并作相对运动产生切削作用，不断的去除工件材料。另一方面冰模层和工件接触摩擦生热，冰模层不断熔化，在冰和工件之间形成一层水膜，从而对玻璃表面产生水解作用，有利于抛光的进行。同时，未熔化的冰中所含的磨粒还有固着磨料的切削作用，直到磨粒脱落。所以，低温抛光的切削作用大于普通沥青盘抛光的去除作用。所以，冰模层抛光效果和去除率都比较好。此外，冰模表面在抛光过程中能主动适应工件表面的形状，因此具有普通沥青盘抛光无法比拟的优势。在传统抛光设备和方法的基础上rd i e t z 提出的浴法抛光改变了抛光液的供给方式，采用浸液抛光，使抛光盘和工件的接触更柔和，在熔石英上获得了粗糙度为o 3 n m ( r m s )的超光滑表面。在浴法抛光的基础上，a j l c i s t n e r 等人使用聚四氟乙烯( t e f l o n ) 抛光模。与沥青抛光模相比，t e f l o n 抛光模不仅可以保持工件的面形精度，而且可以在许多材料上加工出粗糙度小于o 4 n m ( r m s ) 的超光滑表面，同时还可以有效地降低材料表面的波纹度和亚表面损伤。水合抛光【8 】( h y d r a t i o n p o l i s h i n g ) 也是一种利用界面反应的加工方法a 在加工过程中工2西安工业大学硕士学位论文件与抛光盘产生相对摩擦，在局部真实接触点产生高温高压，激活工件表层上的原子或分子，同时用过热水蒸气分子和水作用其表面，使之在界面上形成水合层，再利用抛光盘的摩擦力将其去除，从而实现镜面加工。其主要特点是不使用磨料和加工液，加工装置与普通抛光机相同，在水蒸气环境中进行加工。一般硬脆性材料的加工是利用硬质磨料的机械抛光，这直接影响工件表面质量而且存在亚表层损伤，导致产品性能和加工成品率降低。而化学抛光又会造成形状精度降低。为了克服上述缺点，产生的机械化学抛光是利用固相反应的加工方法。通过使用软质抛光磨料和适当的抛光液，在工件与磨粒的接触点上，由于磨擦产生的高温高压，在极短的接触时间内发生固相反应，并由摩擦力去除反应物，实现纳米级微小单位的材料去除。河西敏雄( t k a s a i ) 提出的进行式机械化学抛光【9 j f p m a c , p r o g r e s s i v e a n dc h e m i c a l ) ，能自动地从抛光初始的直接接触变化为非接触，从而将机械去除作用移至化学去除作用。实现p - m a c 抛光的关键在于变化工件表面和抛光盘之间的接触状态，可以通过改变抛光液的供给方式或抛光液的粘度，随时调整间隙来实现。也可以通过使用一种不同硬度的材料作为样件，利用两者之间的不同加工量进行间隙调整。采用后一种方法时，可在普通抛光设备上实现p m a c 抛光。研磨抛光是使用比被加工材料稍硬的磨料以每一磨料微粒的微小切削作用进行切削的机械去除法达到抛光表面。目前，较为先进的研磨方法是计算机数控小工具研磨抛光技术【7 1 ( c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ，简称c c o s ) 。这是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用于加工中、大尺寸的非球面光学零件。在加工时，磨削工具受计算机控制，在工件表面进行磨削去除加工。磨削工具根据工件的不同加工余量，在工件表面停留的时间不同来实现非球面加工。1 2 2 准接触抛光准接触抛光是直接接触抛光法与介质接触抛光法的一种中间状态，在抛光过程中抛光盘和工件之间存在合适的间隙。化学机械抛光便是典型的准接触抛光。化学机械抛光【l 州( c m p ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 最初是由i b m 公司于8 0 年代中期开发的一项新技术，这是目前能够提供超大规模集成电路制造过程中全面平坦化，而且具有低斜率的整体形貌平坦化技术，用这种方法可以真正使整个硅圆晶片表面平坦化。c m p 技术主要应用于半导体工业中硅圆晶片的最终加工以及精密光学系统的制造。c m p 技术所采用的设备及消耗品包括：c m p 设备、研浆、抛光垫、后c m p 清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、研浆分布系统、废物处理和检测设备等。其中研浆和抛光垫为消耗品，其余为抛光及辅助设备。c m p 工艺是摩擦学、流体力学和化学的结合，因此会受到来自工件材料本身和抛光机械等因素的影响。c m p 中材料的去除是机械磨削和化学腐蚀的组合，它借助超微粒子的磨削作用以及浆料的化学腐蚀作用在被加工材料表面3西安工业大学硕十学位论文形成光洁平坦表面。在加工过程中，首先通过抛光浆料腐蚀工件的表层材料，再通过抛光布和抛光磨料的机械作用去除腐蚀产生的生成物，这样再对暴露出的新鲜表面进行腐蚀。这种化学作用和机械作用不断地反复进行，以获得超光滑的加工表面。目前，c m p 技术已经成为半导体工业中的主导技术之一，并在不断地扩展其应用领域。但目前人们对c m p 技术还缺少定量方面的知识，需要进一步研究c m p 工艺的过程参数( 包括抛光压力、转速、温度等) 对表面质量的影响，抛光布、磨料、加工表面三者之间的相互作用关系，以及抛光浆料的化学性质对抛光的影响等。以建立更完善的c m p 理论模型，从而确定最佳的c m p 工艺。c m p 中要求抛光料的粒径在1 - 1 0 0l l m ，分布越窄越好。目前应用最为广泛的抛光料是纳米s i 0 2 ，此外也有使用纳米舢2 0 3 抛光料的报道。工业上和实验室广泛采用的制备方法多为液相法( 沉淀法、溶胶一凝胶法等) ，以均相的溶液出发，通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，既是所需粉体的前驱体，热解后便可得到纳米微粒。液相法具有反应条件温和，易控制，制得的纳米粉体组成均匀、纯度高等优点。1 2 3 介质接触抛光介质接触抛光是指使工件与抛光盘在抛光时不发生接触，仅用抛光介质接触工件表面，以获得完美结晶性和精确面型的加工表面的抛光方法。弹性发射加工【“】、浮法抛光【1 2 】、等离子束抛光【1 3 】、磁流变抛光【1 4 】等都属于这种接触方式。该方法的去除量极小，可用于加工功能晶体材料元件( 强调表面的晶格完整性) ，也可用于加工光学元件( 强调高面形精度和极低的粗糙度值) 。日本大阪大学森勇藏( ym o r i ) 等人发展的弹性发射加i ( e e m ，e l a s t i ce m i s s i o nm a c h i n i n g ) 技术，采用浸液工作方式，利用在工件表面高速旋转的聚氨酯小球带动抛光液中粒度为几十纳米的磨料，以尽可能小的入射角冲击工件表面，使工件表层材料被弹性地去除。e e m 以原子级的加工单位去除工件材料，工件表层无塑性变形，不产生晶格转位等缺陷，对加工功能晶体材料极为有利。日本的yn a m b a 等技术人员为n t 抛光磁头材料，提出了浮法抛光( f l o a tp o l i s h i n g )工艺。使用高平面度平面并带有同心圆或螺旋沟槽的锡抛光盘，将抛光液覆盖在整个抛光盘表面上，使抛光盘及工件高速旋转，在两者之间抛光液呈动压液体状态，并形成一层液膜，再利用液膜里的磨料高速冲击工件表面，从而实现材料的去除。该工艺可获得的表面粗糙度小于o 1 n m ( r m s ) ，平面度小于”2 0 的超光滑表面。浮法抛光类似于e e m 抛光法，不同之处在于浮法抛光使用的是硬质锡盘作为磨具，而e e m 法抛光以聚氨酯胶轮作为磨具。渡边纯二( w a t a n a b ej u n j i ) 利用动压轴承的原理开发了动压浮离抛光【1 4 】m y d r o d y n a m i c t y p e p o l i s h i n g ) 技术，通过在抛光盘沿其圆周方向制有若干倾斜平面，利用抛光盘转动时产生的液动压，使工件浮离抛光盘表面，通过浮动间隙中的抛光料微粒对工件进行抛光。因为没有摩擦热和磨具磨损，标准面不会变化，因此可重复获得精密的工件4西安工业大学硕士学位论文表面。j g o m l e y 提出的水面滑行抛光1 8 1 ( h y d r o p l a np o l i s h i n g ) 是一种介质接触化学抛光，借助流体压力使工件从抛光盘上浮起，利用具有腐蚀作用的抛光液进行加工。该方法适用于g a a s 和i n p 等化合物半导体基片的加工。l b o l l i n g e r 从化学的角度出发，提出了等离子体辅助抛光( p l a s m aa s s i s t e dc h e m i c a le t c h i n g ) 技术，利用等离子体与工件表层材料发生作用去除材料。p a c e 技术最大的问题是加工成本高。从9 0 年代中期以来，在美国、俄罗斯、德国、日本等国家广泛地开展激光抛光研究，在金刚石薄膜上已经得到纳米级的表面粗糙度。目前，激光抛光技术正在金刚石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半导体、金属和绝缘体等材料上进行广泛的应用研究。激光抛光( l a s e rp o l i s h i n g ) 是利用激光与材料表面相互作用进行加工，它遵循激光与材料作用的普遍规律。激光与材料间的作用方式有：热作用和光化学作用，可把激光抛光分为热抛光和冷抛光。热抛光是利用激光的热效应，通过熔化、蒸发等过程去除材料。因此只要材料的热物理性能好，都可以用它来进行抛光，但由于温度梯度大而产生的热应力大，易产生裂纹，因此热抛光的效果不是很好。冷抛光是利用材料吸收光子后，表层材料的化学键被打断或者是晶格结构被破坏，从而实现材料的去除。利用光化学作用时，热效应可以被忽略，因此热应力很小，不产生裂纹，也不影响周围材料，且容易控制材料的去除量，特别适合于硬脆材料的精密加工。u d r e a 等人利用c 0 2 激光器对光纤的端面进行抛光，得到的l o o n m ( p a )表面粗糙度 1 6 , 1 7 , 1 8 1 。激光抛光是一种非接触抛光，不仅能对平面进行抛光，还能对各种曲面进行抛光。而且对环境的污染小，可以实现局部抛光，特别适用于超硬材料和脆性材料的精抛，具有良好的发展前景。但目前激光抛光作为一种新技术还处于发展阶段，还存在着设备和加工成本高、加工过程中的检测技术和精度控制技术要求高等缺点。近年来场效应辅助抛光技术发展很快。利用和控制电场、磁场的强弱，使磁流体带动磨料对工件施加压力，从而获得高面形精度、低表面粗糙度的表面。适用于高性能功能陶瓷元件材料的加工，也可用于加工复杂工件表面。n u m e h a r a 发展了m f p 【l 卅( m a g n e t i cf l u i dp o l i s h i n g ) 技术，将非磁性磨料混入磁流体并置于磁场中时，由于磁流体中强磁性微粒的作用，磁流体被吸向高磁场一侧，同时非磁性磨粒与磁流体的运动方向相反，被推向低磁场一侧。磨粒在磁流体浮力作用下压向旋转的工件而进行抛光。进村武男( t s h i n m u r a ) 发展了m a f 2 川( m a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n g ) 技术，其原理是在磁场中( n 极和s 极之间) 填充磁性细微磨料，在磁场作用下形成磁力抛光刷，工件在其中边旋转边振动，从而实现抛光。该方法不仅可以加工磁性材料，也可加工非磁性金属材料，以及陶瓷、硅片等非金属材料。t a n i 等人开发的电泳抛光【2 l 】( m i g r a t i o np o l i s h i n g ) 是利用胶体磨粒在溶液中存在的电泳现象进行抛光的加工方法，可用于加工功能陶瓷、结构陶瓷和金属材料，是一种高效高5两安t 业大学硕十学位论文质量的新型抛光方法。随着研究的深入，为了克服一般磁介质辅助光学加工效率较低、面形不易控制或易产生下表面破坏层等缺点，上世纪9 0 年代初，r o c h e s t e r 大学光学制造中心( c o m ，c e n t e ro fo p t i c a lm a n u f a c t u r i n g ) 的k o r d o n s l d 、p r o k h o r o v 等人将电磁学和流体动力学结合于光学加工中，发明了磁流变抛光技术o 讧r f ，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 ) 。1 3 磁流变抛光技术及国内外研究现状1 3 1 磁流变抛光技术磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性进行抛光的。磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i e a lf l u i d ，简称m r 液体) 这一概念最早是由j a c o b r a b i n o w 2 2 1 于1 9 世纪4 0 年代提出的。他发现在外加磁场的作用下，某些流体的表观粘度会迅速发生显著变化，流体的屈服应力增大，从而改变其流变特性。当外加磁场消失时，流体又恢复到原来的状态，其响应时间很短，仅为几毫秒。这种现象称为磁流变效应，能产生磁流变效应的流体称为磁流变液。磁流变液一般由三部分组成【2 3 1 ：弥散颗粒，载液，表面活性剂，如图1 1 所示。传统的磁流变液一般是悬浮液，是由铁磁性颗粒或亚铁磁性颗粒，如羰基铁、铁钴合金等( 直径大约在1 - 1 0 1 a m ) ，在载液，如矿物油、合成油或水中形成的。1 悬浮颗粒2 表面活性剂3 载液图1 1 磁流变液的组成如图1 2 所示为加磁场前后磁流变液的微观变化示意图【2 4 】。m l e _- h 口q m- - 噍1 4t l i p l o - q m 聃缸u(a)未加磁场时(b)加磁场后图i 2 磁流变液加磁场前后的变化示意图现以用磁流变抛光技术加工凸球面光学元件为例，阐述这种抛光方法的抛光机理。磁6西安工业大学硕士学位论文流变抛光过程示意图如图1 3 所示，其中u 表示磁流变液流动方向。被加工工件位于运动盘上方，并与运动盘成一很小的固定不变的距离，于是工件表面与运动盘表面形成了凹图1 3 磁流变液抛光示意图空隙。磁极置于工件和运动盘下方，并且在工件和运动盘所形成的小空隙附近形成一个高梯度磁场。运动盘内盛有磁流变抛光液，当磁流变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成的小空隙附近时，梯度场使之聚结、变硬，形成一凸起缎带，成为具有粘塑性的b i n i 曲a m 介质。这样具有较高运动速度的b i n g h a m 介质通过小空隙时，对与工件表面接触的区域产生很大剪切力，从而使工件表面材料被去除。工件表面被抛光的区域称为抛光区。1 3 2 国内外的研究现状磁介质研磨技术起源于7 0 年代末，日本在这方面发表过少量文章，初步确定了对研磨影响较大的一些因素。1 9 9 5 年，在印度包夫纳加尔举行的第七届国际磁液体会议上，日本介绍了磁性液体研磨过程中两个研磨表面间磁性液体中磨粒的行为。观察到磁场影响研磨性能的两种情况：一是当磁场方向垂直于抛光表面时，抛光痕中的磨粒数随研磨循环次数而增多，接触表面均匀磨光。二是当磁场方向与抛光表面成正切时，抛光痕中的磨粒数随研磨循环次数而减少；接触表面的边角呈现深凹磨痕( 深2 - 3 1 u n ，宽2 0 - 5 0 m ) 。日本还介绍了一种新型的磁性液体研磨法，对内径小于2 0 m m 的长管道内表面进行加工，使用s i c 磨粒和不锈钢锥形工具，达到了0 2 8 , m m i n 的最大去除率。用旋转球抛光小弯管的内表面，获得了0 2 0 1 9 n m i n 的去除率。用粒径小于l i m a 的磨粒和p v a 锥形工具，表面粗糙度达到r a o 0 4 阻- n 。磁性液体研磨技术引起了各国学者的广泛注意，成为研究的一个热点。美国的r o c h e s t e r l 2 5 】大学对于磁流液研抛技术应用于机械研抛加工的研究，取得了非常显著的效果和突破。9 0 年代初，w i l l i a m i k o r d o n s k i ，i p r o k h o r o v 2 6 0 7 1 及其合作者发明了磁流变抛光( 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 i t f ) 技术。1 9 9 4 年，他们对磁流变抛光液进行了研究，得出磁流变抛光液粘度随磁场强度的变化规律，对磁流变抛光液在抛光过程中的特性作了7西安工业大学硕十学位论文微观解释，并在他们研制的磁流变抛光样机上对一些玻璃元件进行了初步的抛光试验。1 9 9 5 年，r o c h e s t e r 大学的光学加工中心( c o m ) 利用m r f 方法对一批直径小于5 0 m m的球面和非球面光学元件进行了加工。结果材料为熔石英的球面元件表面粗糙度降到0 8 n m ( r m s ) ，面形误差为0 0 9 p m ( p v ) 。材料为b k 7 的非球面元件表面粗糙度降到l n m ( r m o ，面形误差为0 8 6 岫( p v ) 这些光学元件都达到了图纸要求。1 9 9 6 年，他们用流体动力学润滑的理论对磁流变抛光进行了初步的理论分析。他们发现m r f 中的流体运动形式类似于轴颈轴承润滑时流体的运动形式，并对m r f 中的剪切应力进行了理论推导。同时，他们建立了一套完整的磁流液循环、搅拌、散热系统。并做了大量的实验，将工件轴在不同角度时，不同面形和材料的试验件形成的抛光区编成代码储存起来，以便实现数控。1 9 9 7 年，c o m 的研究人员对初始面形精度为3 0 n m ( r m s ) 左右的熔石英及其它六种玻璃材料光学元件进行试验，经过5 - 1 0 r a i n 的抛光，面形精度达到了l n m 左右。同时，他们又对磁流变抛光液成分进行了化学分析，通过以氧化铝或金刚石微粉等非磁性抛光粉代替原磁流变抛光液中的非磁性抛光粉氧化铈，较为成功地对一些红外材料进行了抛光。1 9 9 8 年4 月，他们将快速文本编辑程序( q e d ) 技术引入q 2 2 型磁流变抛光机中，研制出了商用磁流变抛光机，可以对光学元件进行确定性加工，大大缩短了抛光时间，提高了抛光效率，使m r f 技术走向了商业化。该机床能够加工直径为1 0 2 0 0 m m 的多种材料光学零件。如图1 4 所示，为其与德国施耐得公司共同研制的q 2 2 x y 型磁流变抛光机。图1 4q 2 2 x y 磁流变抛光机1 9 9 9 年，c o m 的研究员将磁流变研磨应用到红外材料中。由于红外材料不同于玻璃元件及陶瓷器件，对于它们的抛光也不同于其他材料。所以研究员们改变了磁流液中悬浮的抛光粉成分，使其对红外材料也能更好地进行研磨。近年来，c o m 研究人员继续对磁流变抛光的机械和化学原理进行了研究，确定了一系列不同的抛光粉对不同材料的去除系。i r i n a 对单晶蓝宝石的磁流变抛光的材料去除各项异性进行了研究a b s h o r e y 对磁流变抛光的宏观与微观机理进行了研究，设计制作了8西安工业大学硕士学位论文特殊的磁流变仪并对磁流变抛光液进行了测试，得出了不同磁场方向下的屈服应力与磁场的关系，他利用t e k s c a ni - s c a n 压力传感器对抛光区内的工件表面压力进行了测量，将压力测量结果与理论推导所得的工件表面所受剪切应力进行了比较分析，认为磁流变抛光中工件材料的去除是因为磁流变抛光液对其剪切的结果：他还利用微纳压入( n a i l o i n d 即t a t i o n )技术对一磁流变抛光液中的微观粒子的微纳硬度( n a n o h a r d n e s s ) 进行了测试，分析了磁流变抛光液中基铁粉粒子对工件材料去除的影响，初步揭示了磁流变抛光的微观机理。目前，他们正对磁流变抛光过程的化学原理和机械原理进行继续而深入的研究，以便使这项光学加工技术更加趋于成熟。在磁流变液的研制方面，美国的l o r d 2 8 1 公司的取得了很大得进展，目前已经有很多系列的磁流变液面世。白俄罗斯传热传质研究所k o r d o n s k i 2 9 等人在磁流变液的性能以及磁流变抛光、密封等应用研究方面取得了重大进展。德国b a s f a g 3 0 】已研制出了稳定的纳米级磁流变液。法国n i c e 3 i 】大学在磁流变液的机理研究，特别是在微观结构分析方面作了很多工作。美国p i t t s b u r g h 3 2 l 大学对不同浓度、微粒大小不同的磁流变液的流变特性作了研究。美国j m g i n d e r ，l c d a v i s 等人对磁流变液屈服应力进行了有限元分析。在磁流变液生产方面，美国已进入了工业化生产，l o r d 公司已有很多系列的磁流变液进入市场。”我国对磁流变液的研究起步较晚，自1 9 9 6 年之后才有相关文献发表。目前在该领域内的研究工作还仅仅处于起步阶段1 3 3 】。中国科学技术大学唐新鲁对磁流变液的机理进行。了研究，金昀研制了两套磁流变液屈服应力测试系统陈祖耀等人用新方法制各了超细磁性粉末和磁流变液，重庆大学的司鹄、彭向和对磁流变液的流变特性作了研究【筇】。进行磁流变研究的机构还有哈尔滨建筑大学、电子科技大学、西北工业大学等，但是国内的研究仍处于实验室阶段，与国外仍有着一定的距离。总体看来，我国目前在磁流变液的研制与性能研究方面仍与国外有一定差距，应用产品尚属空白。在磁流变抛光机械研制方面，一些光学加工科研机构正在开展此方面的研究，并取得了一定进展。中科院长春光机所对磁流变抛光技术进行过深入地研究，设计了与分析式铁谱仪磁路类似的永久磁铁磁路【3 6 1 ，研制了一套磁流变抛光装置。通过实验分析，他们对磁流变抛光数学模型作了较深入的理论研究，分析了磁流变抛光加工的重要参数，磁场强度以及磁流液成分等对磁流变抛光的影响。同时他们还和复旦大学合作进行了油基磁流变液的研制，将其应用于实际抛光中取得了不错的效果。并对磁流变抛光理论( 抛光区域的形成等)也进行了初步探讨。清华大学的程灏波【3 7 】设计了一种特殊的磁性轮式抛光工具，如图1 5 所示。该种磁性抛光轮在加工工件时，可以同时进行公转和自转，其抛光原理如图1 6 所示。该抛光方法中，在非剪切磁流变液的表面和工件的表面之间形成了一个狭小的间隙，在间隙内形成了一个高梯度的磁场，进入梯度磁场的磁流变抛光液就会发生磁流变效应，成为具有粘塑9西安丁业大学硕士学位论文性的b j n 曲锄介质，并且产生突起，形成柔性磨头。图1 5 永磁抛光轮结构示意图图1 6 永磁抛光轮工作示意图此外，哈尔滨工业大学和国防科学技术大掣2 3 1 也进行了磁流变抛光技术的初步研究，取得了一定的成果。但是，我国的磁流变抛光技术研究基础薄弱，起步晚，没有能够对一些关键技术，如水基磁流变液的配制与性能研究、抛光设备的开发以及磁流变抛光机理进行进一步探讨，无法使磁流变抛光技术实用化，阻碍了该技术在我国光学超精密加工工业中的进一步发展与应用。厦门大学提出了一套全新的磁流变抛光设备思路，其装置如图1 7 所示。其中1 为抛光头，2 为夹装工件所用的装置。该装置采用的抛光轮为砂轮与磁流变液的结合体，图1 7 磁流变抛光装置图1 8 抛光轮示意图如图1 8 所示，砂轮上有可以贮存磁流变抛光液的小槽。当抛光时，先用砂轮对工件进行修磨，然后通过机械调节装置用磁流变液继续对工件进行抛光。西安工业大学近来研究了一种基于“面接触”式抛光思想的磁流变抛光技术，试图在磁流变抛光技术实用性方面有所研究。该方法与目前在磁流变抛光技术中所普遍采用的。点接触”思想相比具有更高的实用价值。本文的研究工作就是建立在该项研究的基础之上，设计出相应的结构，进一步完善抛光实验平台，并利用该实验平台做一些探讨性的抛光实验。1 0西安工业大学硕士学位论文1 4 本论文主要研究内容和章节安排1 4 1 本文主要研究内容通过前文介绍我们知道了目前磁流变抛光技术的发展状况，除了施耐德公司的q e d系列磁流变抛光机进入商业领域外，其余的研究各有优缺点，都还处于实验室研究阶段，缺乏应用性。所以本文的主要内容就是探索一种全新的、简单易行的磁流变加工方法。本课题的主要任务是在“面接触”磁流变抛光的思想上，研制一套磁流变抛光设备，以获得一种简单易行的加工超光滑光学表面的方法。主要研究内容包括：第一，探讨一种全新的磁流变抛光方法。第二，设计出相应的磁流变抛光平台，包括磁场，机械结构，循环系统等。第三，对磁流变的抛光机理做一些初步的分析，并根据抛光过程中的相对运动轨迹，对该种抛光方式下的抛光去除量公式作初步的推导。第四，根据设计出的实验平台做一些探索性的实验，分析工艺参数对表面粗糙度和去除量的影响。1 4 2 本文的章节安捧。第一章绪论。叙述论文研究、写作的背景、目的及意义，磁流变抛光技术的国内外发展概况。第二章磁场的设计与分析。叙述了所用磁场的设计过程，并用软件模拟了磁场的分布。第三章机械结构与循环系统的设计与组成。详细的叙述了仪器机械结构的组成与设计方案，以及循环系统在抛光过程中的作用和该系统下循环系统的设计方案。第四章磁流变技术的抛光机理及数学模型。探讨了磁流变的抛光机理，并初步探讨与建立了抛光的数学模型。第五章抛光试验与结果分析。利用设计的实验平台进行了一些探索行的试验并对实验结果进行了分析。第六章结论。结论及对以后工作的展望。2 磁场的设计与分析2 磁场的设计与分析磁流变抛光方法可以认为是磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区范围内形成的具有一定硬度的“磨头”代替古典抛光过程中的刚性抛光盘。在磁场的作用下，磁流变抛光液变硬，粘度变大，并且“磨头”的形状和硬度可以由磁场实时控制，因此磁场的形成在磁流变抛光过程中具有重要的意义。对磁场的要求主要体现在对强度和磁场形状的要求上。设计出一种合适的磁场是探索一种全新的磁流变抛光方法的基础。本章将讨论一种符合“面接触”抛光思想的磁场设计。2 1 磁场的设计根据研究发现，当磁场处于一个开放空间的时候其强度衰减得会很快，所以设计中要解决的首要问题就是磁场的强度问题。为了减少磁能损失，增强磁场强度，故应该将磁场设计成一个闭合磁场。只有一个位于两个磁极之间的空间或者距离磁极较近的空间才能形成足够的磁场强度。在磁场的形状方面，我们的设计思想是“面接触式”，因此我们需要设计出满足“面接触式”要求的磁场。此外，由于交流磁场在工作过程中存在交变性和磁滞性，不利于磁流变液形成链式结构，并且交变电流会在软铁磁极中产生涡流效应，从而导致软铁磁极发热，不利于抛光的实现。因此，本设计的磁场是一个直流磁场。所以在结构中还附加一个整流电路，使电磁铁工作在直流状态。整流电路由两个电容( 4 5 0 v ，4 7 1 x f )与硅堆( 6 5 0 v ，2 5 a ) 连接构成。2 1 1 磁场的结构根据要求，初步设计出了6 种不同形式的电磁铁，分别如下所示。1 ) 方案一如图2 1 所示。整个电磁铁构成一个闭合回路，中间突出部分为电磁铁的n 极和s 极，n 极和s 极之间能形成较强的均匀磁场。工作区位于两个磁极之间。图2 1 方案一2 ) 方案二如图2 2 所示。整个电磁铁由外圈磁极与中间柱状磁极构成磁力线闭合1 2西安工业大学硕士学位论文回路。该种结构能在中间柱状磁极的边缘部分与外圈磁极之间形成较强的非均匀磁场，工作区位于该非均匀磁场中。图2 2 方案二3 ) 方案三如图2 3 所示。该方案结构较简单，两个磁极相对放置，之间能形成均匀的磁场，工作区位于两磁极之间。图2 3 方案三”4 ) 方案四如图2 4 所示。本方案类似于方案三，由两个相对放置的磁极构成，两磁极之间能形成较强的均匀磁场。和方案三所不同的是本方案中的磁流变液的承载盘不同，该方案下的承载盘可以转动，实现磁流变液的循环。基 邑厂可一图2 4 方案四5 ) 方案五如图2 5 所示。本方案中整个磁铁由若干块永磁体排列成。各个永磁体的n 极与s 极相间排列。这样在整个磁铁的端部会形成