单晶碳化硅的电磁场励磁大抛光模磁流变抛光

目的 研发一种高精高效单晶碳化硅表面抛光技术。方法 采用电磁场励磁的大抛光模磁流变抛光方法加工单晶碳化硅,利用自制的电磁铁励磁装置与磁流变抛光装置,进行单因素实验,研究电流强度、工作间隙和抛光时间等工艺参数对单晶碳化硅磁流变抛光加工性能的影响,并检测加工面粗糙度及其变化率来分析抛光效果。结果 在工作间隙1.4 mm、电流强度12 A的工艺参数下,加工面粗糙度值随着加工时间的增加而降低,抛光60 min后,加工面粗糙度值Ra达到0.9 nm,变化率达到98.3%。加工面粗糙度值随通电电流的增大而减小,随着工作间隙的增大而增大。在工作间隙为1.0 mm、通电电流为16 A、加工时间为40 min的优化参数下抛光单晶碳化硅,可获得表面粗糙度Ra为0.6 nm的超光滑表面。结论 应用电磁场励磁的大抛光模盘式磁流变抛光方法加工单晶碳化硅材料,能够获得亚纳米级表面粗糙度。     

微小非球面碳化钨光学模具的磁流变抛光特性研究

超精密加工是光学模具获得高形状精度、表面精度和表面完整性的必要手段。通过实验比较抛光前后工件面形精度的PV值及RMS值来研究微小非球面碳化钨光学模具的磁流变抛光特性。结果表明:磁流变抛光技术对提高微小非球面碳化钨光学模具形状精度、表面精度等有较显著的作用。     

氮化铝基片的集群磁流变抛光加工

本文进行了氮化铝基片的集群磁流变抛光加工研究,分析了主要工艺参数的影响和加工表面形貌特征.实验结果表明:集群磁流变抛光加工氮化铝基片可以实现高效率超光滑抛光,原始表面Ra1.730 2μm抛光60 min后可以达到Ra0.037 8μm.选用碳化硅磨料,磨料质量浓度为0.05 g/mL,工件与抛光盘转速比为5.8左右,...     

磁流变抛光光学表面加工面形控制技术研究

磁流变抛光是一种新型超精密光学表面加工方法。由于其抛光过程可控,磁流变抛光过程可以有效去除表面及亚表面破坏层,提高表面质量,修正元器件表面面形误差。抛光过程容易实现计算机数控,通过数控过程的合理设计,磁流变抛光过程可以有效地对球面及非球表面进行抛光加工。研究了实现面形修正的驻留时间算法,并对光学球面器件进行了试验加工,抛光后其表面面形误差2点峰谷值从0.17μm降低到0.07μm。     

氧化锆陶瓷大抛光模磁流变抛光试验研究

目的研发一种高效、高质量氧化锆陶瓷超光滑表面加工技术。方法采用大抛光模磁流变抛光方式加工氧化锆陶瓷,利用自主研发的磁流变平面抛光装置,配制含有金刚石磨粒的磁流变抛光液,通过设计单因素实验,研究抛光时间、工作间隙、工件转速和抛光槽转速等主要工艺参数对氧化锆陶瓷平面磁流变加工性能的影响,并对材料去除率和表面粗糙度进行分析。结果在工作间隙为1.4 mm、工件转速为100 r/min、抛光槽转速为25 r/min的工艺条件下,表面粗糙度在达到饱和之前随时间的增加而降低。抛光30 min达到饱和,表面粗糙度Ra达到0.7 nm。继续延长抛光时间,表面粗糙度不再改善。氧化锆陶瓷的材料去除率随着工件转速和抛光槽转速的增加而增大,随着工作间隙的增大而减小。当工件转速为300 r/min时,材料去除率可以达到1.03 mg/min;抛光槽转速为25 r/min时,材料去除率可以达到0.80 mg/min;工作间隙为1.0 mm时,材料去除率最高可达0.77 mg/min。结论采用大抛光模磁流变抛光方法可以提高氧化锆陶瓷的材料去除率,同时获得纳米级表面粗糙度,实现氧化锆陶瓷的高效超光滑表面加工。     

小口径非球面小球头接触式抛光及磁流变抛光组合加工

目的 为了提高非球面光学模具的表面质量和加工效率。方法 分析当前非球面超精密抛光方式及其特点,针对小口径非球面光学模具,提出一种小球头接触式抛光及磁流变抛光的组合加工方法,对小球头进行设计,并抛光碳化钨圆片,对比小球头接触式抛光及轴向、径向、水平方向磁极的永磁体球头的磁流变抛光的加工性能。分别对编号为1^#、2^#、3^#等3个相同轮廓形状的碳化钨非球面模具进行单一方式抛光试验和组合加工试验。结果 通过对小球头抛光碳化钨圆片的加工性能进行分析发现,接触式抛光小球头的去除率为926.5 nm/h,表面粗糙度达到4.396 1 nm;轴向、径向、水平方向磁极的永磁体小球头磁流变抛光的去除率分别为391.7、344.3、353.7 nm/h,表面粗糙度分别为1.425 2、1.877 6、1.887 5 nm。对采用组合加工方法抛光碳化钨非球面的有效性进行验证时发现,非球面1^#在单一接触式抛光60 min后表面粗糙度从8.786 6 nm降至3.693 2 nm;非球面2^#在单一磁流变抛光60 min后表面粗糙度从8.212 1 nm降至1.674 5 nm;非球面3^#在组合抛光方法下先进行15 min接触式抛光,再进行15 min磁流变抛光,表面粗糙度从8.597 2 nm降至1.269 4 nm,面形精度由175.2 nm提高到138.4 nm。结论 组合加工方法可以弥补单一抛光方法的缺陷,并能有效地提高工件的面形精度。与单一接触式抛光方法相比,组合加工方法获得的表面质量更好,抛光后表面粗糙度为1.269 4 nm,远小于单一接触式抛光下的3.693 2 nm;与单一磁流变抛光方法相比,组合加工方法更高效,将样件抛光到同等级别粗糙度所需时间从60 min减少至30 min。     

钛合金结构件磁流变电解复合抛光试验研究

目的 针对钛合金结构件高质高效抛光需求，提出了磁流变电解复合抛光新方法，探究不同抛光参数对钛合金表面质量的影响，以实现钛合金构件的高质高效抛光。方法 深入探究了加工电压、加工间隙、电解质质量分数和抛光转速等参数对钛合金抛光表面粗糙度以及粗糙度变化率的影响，分析了不同抛光参数下的钛合金表面形貌变化，验证了磁流变电解复合抛光钛合金的可行性。结果 随着电解液中Na NO3质量分数的提高，钛合金表面粗糙度先减小后增大，质量分数为1.0%～2.5%时，得到了优于单磁流变抛光加工的抛光效果。不同加工电压下的表面粗糙度对比结果表明，在加工电压为0.1 V时，钛合金加工后表面粗糙度达到最小，而后随着加工电压的增大，加工区域表面粗糙度呈现增大趋势；随着加工间隙的增大，钛合金抛光表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势；随着抛光工具转速增大，钛合金加工后表面粗糙度先减小后增大。相比于单一的磁流变抛光，磁流变电解复合抛光钛合金90 min，可使表面粗糙度从初始323 nm降低至15nm，加工效率提高了62.5%。结论 磁流变电解复合抛光工艺能够用于钛合金人工关节假体高效高质量的抛光。     

钴铬钼合金磁流变抛光工艺研究

目的 去除难加工材料钴铬钼合金车削后形成的规则性螺旋刀痕并获得超光滑表面。方法 采用磁流变抛光方法,对车削后的钴铬钼合金表面进行抛光加工。研究了磁体排布方式、加工间隙、抛光装置、转速和磨料粒径等工艺参数对钴铬钼合金表面形貌和表面粗糙度的影响规律,寻找获得超光滑表面的工艺参数组合,并对抛光后的钴铬钼合金表面使用表面轮廓仪进行测量。结果 钴铬钼合金表面形貌受各方面因素的综合影响,双磁体异向排布的磁通密度向工件集中,使得磁性羰基铁颗粒与金刚石磨料在抛光过程中结合力更强,增大了有效工作区域;表面粗糙度随着加工间隙的增加(从1 mm增大到4 mm)先减小后增大,在2 mm时得到优化的加工效果;表面粗糙度随着抛光装置转速的增加(从400 r.min^–1增大到1 000 r.min^–1)先减小后增大,在600 r.min^–1时得到优化的加工效果;相比于0.5、1.5、2.5 µm粒径的金刚石磨料,使用2 µm的金刚石磨料进行抛光时表面粗糙度最小。当使用双磁体异向排布,在工作间隙为2 mm、抛光装置转速为600 r.min^–1、金刚石磨料粒径为2 μm的工艺参数组合下对钴铬钼合金采用磁流变抛光加工120 min时,其表面粗糙度从初始的640 nm 降低至5 nm。结论 应用磁流变抛光方法抛光钴铬钼合金可以得到超光滑表面。     

磁流变效应微磨头抛光特性研究

为研究磁流变效应微磨头对玻璃等硬脆材料的抛光性能、考察Fe3O4基电磁流变液的抛光特性,在对微磨头基体的锥台端部的磁感应强度进行仿真分析的基础上,利用Fe3O4基磁流变液添加平均粒度7μm的金刚石微粉对玻璃材料进行了抛光加工实验。实验研究了磁流变效应微磨头抛光玻璃工件时加工间隙、磁感应强度对材料去除的影响,考察了工件表面抛光截面的形状特征。结果显示磁流变效应微磨头定点抛光的加工痕迹呈近似“U”形,工件表面的材料去除主要取决于微磨头与工件表面的研磨压力和磨粒的自我更新能力,材料去除量随着电磁感应器励磁电压的增大而呈线性增大,而随加工间隙的增大呈线性减小。     

集群磁流变抛光加工表面磁轨迹强度建模优化及加工均匀性研究

目的 探究集群磁流变抛光过程中工艺参数和空间磁场分布特征对加工表面粗糙度不均匀性的影响,通过优化工艺参数,改善加工表面粗糙度的不均匀性。方法 提出一种包含有效加工轨迹和磁轨迹特征的磁轨迹强度数值模型,在数值模型基础上分析转速比、偏心距和往复摆动速度等运动参数对工件不同位置上有效加工轨迹和磁轨迹2种特征的影响,优化不同运动条件下的转速比。在集群磁流变抛光装置上进行硅片的抛光加工实验,利用白光干涉仪检测加工表面粗糙度和表面形貌,总结加工表面粗糙度的分布规律。结果 数值计算结果表明,无理数的转速比能避免出现不同周向位置的周期性波动特征,选用合适的转速比能够减小不同径向位置轨迹长度的差异,提高轨迹特征的均匀性。在无理数转速比条件下,通过改变工件偏心距和增加往复摆动会增大有效加工轨迹的覆盖范围,同时会缩短有效轨迹长度,使得加工效率降低。改变偏心距的运动模式可以改变运动轨迹上磁频数的分布规律,在偏心距为115 mm条件下,工件不同径向位置之间的平均磁场差值可以减小至0.019 T。实验结果表明,通过优化工艺参数后,加工表面粗糙度的变异系数相较于对照组平均下降了约37%。对照组在抛光后的不均匀情况与数值计算结果中的磁轨迹强度径向分布规律相吻合,在小转速比下表现为中心光滑、边缘粗糙的分布规律,在大转速比下表现为边缘光滑、中心粗糙的分布规律。在偏心距为115 mm、转速比为223∶60的优化工艺条件下,抛光硅片的粗糙度变异系数最小达到0.309,平均粗糙度为Sa 4.19 nm。结论 对比实验结果与数值模拟结果可知,磁轨迹强度数值模型能有效优化集群磁流变抛光工艺参数,有利于加工轨迹与磁轨迹特征的匹配,改善了工件抛光后的加工不均匀性。     

蓝宝石光学曲面柱形宽缎带磁流变抛光仿真分析及实验研究

目的 针对目前光滑无损伤光学曲面蓝宝石加工成本高、效率低的问题,对加工过程中磁流变抛光缎带进行流体仿真,进而优化抛光轮表面结构。方法 设计并提出3种表面结构柱形宽缎带磁流变抛光轮,介绍了磁流变抛光轮加工的基本原理,建立了磁流变抛光垫Bingham流体特性加工仿真模型,分析了3种抛光轮表面结构对工件表面磁通密度模、流场流速、流场压力分布的影响。同时对3种抛光轮的抛光效果进行了实验探究,探究了抛光轮表面结构对材料去除率和抛光后表面粗糙度的影响规律。结果 仿真结果表明,抛光轮表面槽型结构具有能增强磁通密度模、增大流体流速和流体压力的特性。实验结果表明,螺旋槽抛光轮的抛光效果最好,在螺旋抛光轮作用下,材料去除率为0.22 mg/h,抛光后蓝宝石表面粗糙度为1.08 nm。最终抛光轮近壁区总压力和速度的乘积结果与抛光轮实验去除率结果具有较好的一致性。结论 槽型结构可以提高抛光液在抛光轮表面的固着效果,影响工件表面流场运动状态,增强工件表面受到抛光垫的作用力。相较于光滑和横条槽抛光轮,螺旋槽抛光轮的抛光效率最高,表面粗糙度最低,可有效提高抛光效果。     

磁流变抛光加工中磁场发生装置的设计与实验

目的 研究磁流变抛光加工中磁场发生装置设计对抛光效果的影响。方法 设计三种基于电磁铁的磁场发生装置，分别为圆形阵列、扇形和环形磁场，进行三维静磁场有限元仿真，对比分析不同磁场发生装置的磁场强度、方向云图及5 mm高处磁场强度曲线。为保证加工过程中磁场和磁流变液的稳定性，针对三种磁场结构设计不同的冷却方式。制造环形磁场发生装置，将其集成到自制磁流变抛光平台，使用表面经过阳极氧化的铝合金样件进行抛光实验。结果 圆形阵列磁场极头间隙处形成高磁场区，随着高度的升高，磁场强度迅速下降。在离极头5 mm高处，磁场强度从300 mT下降到约145 mT，抛光区域磁场强度较小。扇形磁场5 mm高处，磁场强度呈抛物线分布，最大可达330 mT，磁场方向单一，有效抛光区域占比较小。环形磁场5 mm高处，磁场强度最大可达240 mT，工件运动整个过程都处于高磁场区域，抛光效率高。 结论 环形磁场发生装置磁场强度和磁场方向都满足抛光要求，有效抛光区域较大，抛光后表面质量明显改善，抛光效果较好。     

基于响应面法的钛合金Halbach阵列增强磁流变抛光工艺参数优化

目的 提高钛合金磁流变抛光的表面质量和抛光效率。方法 用Halbach磁场阵列强化磁场,通过载液盘与磁铁反向旋转来增强磁流变抛光效率,使抛光头拥有更强的恢复性与自锐性。通过仿真模拟和实际测量对比研究Halbach阵列与N-S阵列的磁场分布和磁场梯度。依照试验结果描述抛光剪切力、表面粗糙度与表面微观形貌随时间的变化规律。采用响应面法优化载液盘转速、磁铁转速和加工间距等3个工艺参数,建立剪切力和表面粗糙度的拟合方程数学预测模型,并对其中的不显著项进行优化。结果 在响应面交互作用分析中,工艺参数对剪切力的影响的大小顺序为加工间距、磁铁转速、载液盘转速;对表面粗糙度影响的大小顺序为载液盘转速、磁铁转速、加工间距。根据不同的需求,确定选定范围内的工艺参数组合,需要快速去除材料时,使剪切力趋于最大值的工艺参数组合为载液盘转速227 r/min,磁铁转速64 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为34.911 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.812 N。需要最优表面质量时,使表面粗糙度值趋于最小值的工艺参数组合为载液盘转速300 r/min,磁铁转速150 r/min,加工间距0.1 mm,通过20 min抛光后得到了表面粗糙度Sa为26.723 nm的光滑表面。抛光过程中,钛合金抛光所受剪切力τ为0.796 N。结论 Halbach阵列拥有较高的磁场强度和富有空间变化的磁感线,能够使磁流变液中的磁链呈现出更多的姿态变化。根据响应面法优化后的剪切力和表面粗糙度预测模型,预测结果与验证试验结果相差很小,预测模型的准确度与可信度较高。     

电子束抛光技术的研究进展

随着现代制造业的发展,人们对于工件表面的精密性和质量提出了更高层次的要求,而抛光工艺不但影响产品的使用性能而且也影响产品的档次.传统的抛光工艺存在一些难以克服的问题,已很难满足当前对高质量工件表面性能的需求,作为新型非接触式抛光工艺的一种——电子束抛光,在目前的研究领域展现出显著的优势.本文概述了几种抛光技术的优缺点,并重点介绍了一种新型材料表面处理技术——电子束抛光,阐述了电子束表面抛光的基本原理及国内外电子束抛光的发展.介绍了电子束抛光作为一种新型表面抛光方法 在研究领域中的应用,并综述了近年来电子束抛光研究的发展动态,简述了国内外相关领域的主要研究成果及取得的进展,包括电子束抛光机理的研究、不同材料电子束工艺参数的确定、入射角度对抛光效果的影响、物理模型的建立以及电子束抛光产生的熔坑、裂纹研究,并对电子束抛光技术未来的发展方向和前景做出了展望.电子束抛光技术作为一种极具优势的高能束表面改性技术将占据无法替代的地位.     

磨料射流表面抛光研究综述

作为精密超精密光学制造工艺过程中的一个重要环节,各种新型表面抛光方法与工艺始终吸引着科研人员不断深入研究与探索。磨料射流抛光方法为小型复杂零件的表面抛光提供了一个新思路,成为精密超精密光学加工技术的重要组成部分。对磨料射流表面抛光过程中衍生的磨料水射流抛光、磁射流抛光、负压吸流抛光、磨料气射流抛光、冰粒水射流抛光、纳米胶体射流抛光的抛光原理、方法及特点进行了综述,分析了各射流表面抛光技术材料去除的最新发展;从加工原理、磨料选择、抛光精度、数学模型等方面对上述新型射流抛光技术进行深入分析与比较,其中磁射流抛光、纳米胶体射流抛光、磨料水射流抛光的抛光精度较高,可以实现表面粗糙度纳米级的超精密抛光,而磨料气射流抛光、冰粒射流抛光从加工成本上来讲则相对较低。最后,对磨料射流表面抛光在去除函数优化、精度效率的提高、应用范围扩展、在线检测、商业化应用等方面的发展趋势进行了预测。