光学玻璃磁性复合流体抛光应力与材料去除率的实验研究

根据光学玻璃元件超精密加工技术的需求,研究自旋转式和行星旋转式磁性复合流体(MCF)抛光的应力分布和材料去除率。首先,设计可实现自旋转和行星旋转抛光装置,搭建抛光实验平台;然后,进行自旋转式和行星旋转式MCF抛光实验,通过自行设计抛光应力分布测试实验分析了两种抛光方式的应力分布规律;最后,通过定点抛光实验,对抛光前后的工件表面轮廓进行检测,计算并分析两种抛光方式的材料去除率。实验结果表明,立式的两种抛光方式,正应力均明显大于剪切应力,工件外侧受到的剪切应力大于中心受到的剪切应力,行星式抛光的材料去除率明显大于自旋转式抛光的材料去除率。     

磁性复合流体抛光过程中水分对抛光性能的影响

磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)具有优异的抛光性能,然而MCF抛光液中的水分在抛光过程中流失,抛光性能随之降低,这将增加抛光成本并严重影响MCF抛光的工程应用。针对磁性复合流体抛光液在抛光过程中水分流失的问题,探究了抛光过程中MCF水分含量对MCF形貌特征、抛光区域温度、正压力与抛光质量的关系,构建MCF中水分对抛光质量的影响机理。首先,分析了抛光过程中不同水分占比抛光液对抛光性能的影响规律,采用工业相机观察MCF抛光液抛光前后的形貌特征。然后,通过总结抛光过程温升-磁流体状态-抛光作用力-抛光质量的内在联系,构建不同水分含量MCF的抛光机理。最后,通过向MCF抛光液中定量补充水分,有效地缓解了MCF抛光液抛光效果降低的问题。实验结果表明：(1)当MCF抛光液水分占比为45%时初始抛光效果较好,抛光10 min内工件的表面粗糙度由0.410μm下降到0.007μm;而使用已持续抛光50 min的MCF加工10 min后工件的表面粗糙度由0.576μm下降到0.173μm。MCF随着抛光时间的增加MCF抛光性能大幅下降;(2)随着抛光液中含水量的降低...     

立、卧式磁性复合流体抛光对比实验研究

针对磁性复合流体(MCF)抛光的两种抛光头,进行MCF抛光特性对比实验研究。开展了黄铜H26的平面抛光实验,调查立式和卧式抛光头分别对工件材料去除率、表面形貌与粗糙度以及MCF水分损耗等抛光特性的影响。实验结果表明,卧式MCF抛光能够较快地降低表面粗糙度,获得较高的材料去除率,MCF水分损失相对较快;立式MCF抛光能够在相对较长时间内获得稳定的材料去除率和表面粗糙度,MCF水分损失也较为平稳。     

超声波磁流变复合抛光中几种工艺参数对材料去除率的影响

提出了一种光学抛光的新方法——超声波磁流变复合抛光。介绍了该抛光方法的基本原理和实验装置,进行了超声波磁流变复合抛光实验,采用轮廓仪实测了光学玻璃超声波磁流变抛光材料去除轮廓曲线。通过该项工艺实验,研究了五种工艺参数(磁场强度、超声振幅、抛光工具头与工件的间隙、抛光工具头转速、工件转速)对光学玻璃材料去除率的影响。在一定实验条件下,获得的材料去除率为0.139 μm/min,并获得了超声波磁流变复合抛光工艺参数与材料去除率的关系曲线,得出了光学玻璃超声波磁流变复合抛光的材料去除规律。     

硅油基磁性复合流体斜轴抛光特性研究

根据磁流体和磁流变体在流体性能方面各自特点,制备了硅油基磁性复合流体并对不锈钢材料进行了斜轴抛光试验,以研究硅油基磁性复合流体斜轴抛光特性。硅油基磁性复合流体由纳米级的Fe3O4,微米级的金刚石磨粒,微米级的铁粒子和α纤维素以及硅油等组成。测试了磁性复合流体的磁场流变特性,分析了磁性复合流体在磁场作用下形成磁链的质量和长度。在斜轴抛光设备上利用硅油基磁性复合流体进行抛光不锈钢表面试验,并测量了不锈钢表面微观形貌,获得R a0.020μm的表面粗糙度。     

光学非球面磁性复合流体抛光运动控制算法设计

为了实现高精度光学非球面元件超精密抛光加工的需要,设计了光学非球面磁性复合流体抛光运动控制算法。通过分析光学非球面磁性复合流体抛光加工原理,建立抛光头在加工过程中相对非球面表面的位态变换关系,采用D-H法建立抛光试验台运动学模型,求解抛光过程中抛光头位姿量,运用逆向运动学求解方法计算试验台运动量;开展工艺实验,对该运动控制算法进行验证。实验结果表明,所设计的抛光运动控制算法能够准确指导光学非球面元件抛光加工。     

磁场分布对多磨头磁流变抛光材料去除的影响

为研究磁场分布对材料去除的影响,设计轴向充磁异向排布、轴向充磁同向排布、径向充磁异向排布、径向充磁同向排布4种磁铁充磁和排布方式,利用有限元软件Maxwell仿真不同磁场的磁力线分布及抛光轮表面的磁感应强度分布,并采用数字特斯拉计测量实际磁感应强度。对单晶硅基片进行定点抛光试验,检测抛光斑沿抛光轮轴向的去除轮廓及峰值点的表面形貌。仿真和实际磁感应强度检测结果表明,不同磁场分布方式对抛光区的磁场分布有很大影响,磁铁轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布时,具有较高的磁场强度和较好的多磨头效果。定点抛光试验表明,采用轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布这两种方式时,能实现多点加工,其中轴向充磁同向排布时加工效率较高;但采用径向充磁同向排布时,由于抛光区磁感应强度较低,磁流变微磨头无法对工件进行有效地抛光。峰值点表面形貌检测结果表明,采用不同磁场分布方式时,对工件表面均是以塑性去除方式去除。研究表明,通过优化磁铁充磁和排布方式,可实现多磨头磁流变抛光的加工原理。     

Ni-P镀层的磁性混合流体抛光

采用磁性混合流体(Magnetic compound fluid,MCF)对光学镜头模具的镍-磷(Nickel phosphorus,Ni-P)镀层表面进行抛光研究。试验中使用两种构成成分的MCF:常用的BASF制HQ铁粉(Carbonyl-iron-particles,CIPs)和Al2O3磨粒基MCF1以及新型的表面ZrO2磨粒(50~100 nm)涂层铁粉基MCF2。两种成分的MCF都消除了Ni-P镀层表面单晶金刚石车削残留的螺旋状切削痕。但使用MCF1,由于Al2O3磨粒相对于ZrO2磨粒较大且较硬,易引入抛光痕及铁粉粒子的嵌入,难以进一步改善Ni-P镀层的表面质量。采用新型ZrO2磨粒涂层铁粉基MCF2,则没有引入抛光痕及粒子的嵌入,实现Ni-P镀层表面粗糙度方均根值(Root mean square,RMS)和Ra的改善。通过在x轴和y轴方向设计抛光路径,使粒子均具有相对运动速度,同时改善了Ni-P镀层的表面粗糙度及平坦度。初步证明了磁性混合流体抛光亦可用于较软的磁性材料表面的纳米级光整加工。     

脉冲磁场辅助磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种脉冲磁场辅助新型磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在脉冲磁场辅助作用下,实现磨粒尺寸对硬质抛光盘微观形貌依赖性小、磨粒易进入抛光区域、材料去除率较高的抛光。设计了“之”字形的对位式结构电磁铁,模拟计算表明其磁感应强度沿抛光平面分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。磁性微球在抛光系统中的受力分析表明：磁性微球受磁力作用时有利于复合磨粒从近抛光区进入抛光区,以二体磨损的方式去除加工表面;磁性微球不受磁力作用时,复合磨粒随抛光液的流动而移动,避免大量聚集形成磁链。以表面粗糙度Ra=1.1μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加不同频率和占空比的脉冲磁场前后,硅片的去除率从137nm/min提高到288nm/min,频率5Hz、占空比50%时获得最大值,硅片表面粗糙度由抛光前Ra=405nm减小到Ra=0.641nm。     

光学非球面磁性复合流体抛光运动控制及误差分析

针对精密光学系统中对高精度光学非球面元件的加工需求,设计磁性复合流体抛光的直线光栅式运动轨迹,并通过运动轨迹和非球面方程计算出各抛光加工点坐标。根据工件表面形貌和抛光头运动姿态设计了抛光加工路径,建立各抛光加工点间的弓高误差模型,通过模型对工件表面弓高误差变化规律进行仿真分析。仿真结果表明,弓高误差会随着Y轴上步长的增大而增大。这对非球面超精密加工具产生了深远的影响,促进了光学元件超精密高效制造技术的发展。     

平行于电场的磁场对磁力电解复合抛光的影响

在传统的磁力电解复合抛光中,外加磁场的方向与电场方向垂直。通过给电解抛光外加一个平行于电场的磁场,对带电离子的运动状况进行分析,建立了带电离子运动的数学模型。并求出了带电粒子的速度方程和轨迹方程,分析了磁场在磁力电解复合抛光中的作用。由于所加磁场的作用,减小了电化学反应的浓差极化,加速了电化学反应速度和效率。通过实验,验证了该模型的合理性和对磁场功能分析的正确性。     

非球面磁性复合流体抛光路径误差分析与仿真

针对光学系统中对非球面元件的精度要求,设计了直线光栅式的抛光轨迹,并用磁性复合流体以这一抛光轨迹抛光非球面。根据抛光轨迹和非球面方程计算出每个抛光点的坐标;根据抛光点坐标和抛光头的抛光姿态计算出对应的抛光头中心点的坐标;建立相邻两抛光点的弓高误差模型,仿真出弓高误差模型并分析弓高误差的变化规律;根据弓高误差变化规律,用等弓高误差变步长控制算法实现弓高误差的一致性,提高加工质量。     

磨料射流抛光中各工艺参数对材料去除率及抛光区形貌的影响

介绍了磨料射流抛光的工作原理,并从试验出发,针对射流抛光技术的主要工艺参数(入射角度、射流速度、入射距离、抛光液浓度和工作时间等)对抛光特性的影响进行了试验研究.分析了各工艺参数与抛光效率和抛光点形貌的影响关系,从而获得了最佳工艺参数.在此基础上,对一平面K9光学玻璃进行了抛光试验,抛光速率约为30nm/min,抛光区粗糙度小于2.5nm.研究结果为磨料射流抛光加工的进一步研究提供了一定的帮助.     

磁性复合液的性质及其在抛光中的应用

详细介绍了磁性复合液的概念和性质，并与磁性液体和磁流变液的性质作了对比。最后概述了磁性复合液在抛光中的工业应用前景。     

磁力电解复合抛光中磁场作用的分析

通过对磁力电解复合抛光中垂直、平行、往复交替的磁场对带电粒子运动轨迹的分析,发现磁场并不能显著提高带电粒子的速度,而是改善电化学的条件;另外,通过比较平行电场的磁场和垂直与电场的磁场,发现在磁力电解复合抛光中有更好的效果。     

约束磨料流体抛光材料去除模型研究

为了研究约束磨料流体抛光的材料去除模型,使用Matlab软件对加工区流场进行压力和速度仿真。压力场仿真结果表明,最大压力峰值出现在限控轮与工件的最小间隙区域,并且该区域的压力梯度变化很大;速度场仿真表明,流体速度在x轴方向上占主导地位,在y轴方向上出现了侧泄,在z轴方向上速度很小。建立了冲击侵蚀去除模型,结合Finnie塑性剪切磨损去除模型建立了约束磨料流体抛光材料去除模型,模型表明,冲击角度为45°时材料去除量最高。对K9玻璃进行的约束磨料流体抛光实验表明,建立的材料去除模型与实验结果基本吻合。     

均匀梯度磁场作用下的磁性流体摩擦性能试验研究

采用激光微加工技术制作不同孔径与密度的表面织构的摩擦副试样,设计制造一对可产生均匀梯度磁场的亥姆霍兹线圈,将其安置于改造后的UMT3摩擦试验机中,使摩擦副能在均匀梯度磁场内进行摩擦试验。以磁性流体为润滑油,考察不同载荷、运动频率下,不同表面织构的摩擦副试样在均匀梯度磁场作用下的摩擦性能。结果表明:适当孔径与密度的表面织构能提高磁性流体的摩擦性能;摩擦副表面织构在均匀梯度磁场作用下抗磨性能和极压性能明显提高;摩擦因数随均匀梯度磁场强度的增大而显著减小。     

FMA流速对孔光整加工材料去除率影响研究

液体磁性磨具流速是小孔光整加工过程的主要控制参数之一,其选择对光整加工材料去除率有重要影响。由于加工过程复杂,单纯理论分析的结果与实际偏差较大,采用理论与试验相结合的手段则更加合理。通过理论分析得到了材料去除率与壁面剪切力的关系;并提出壁面剪切力的监测方法;通过试验探索了液体磁性磨具流速对壁面剪切力的影响规律,综合分析得到了液体磁性磨具流速变化对材料去除率变化的影响规律,并进行了实验验证。研究发现,施加磁场后,材料去除率随液体磁性磨具流速的变化可分四个阶段,"柱塞流"阶段材料去除率随液体磁性磨具流速的增大快速增大,其他阶段材料去除率极小。研究为液体磁性磨具流速的选择提供了依据。     

小曲率凹面光学玻璃的磁性混合流体精密抛光

为实现小曲率凹球面光学玻璃的高效超精密抛光,充分发挥旋转磁场下磁性混合流体兼具黏度和粒子动态分布的特点,提出了一种新型半球头抛光装置。使用Ansoft Maxwell仿真分析轴向充磁圆柱永磁体及其上方分别加装平面铁块和凹面铁块3种磁源结构下的磁场分布,发现加装凹面铁块能强化“边缘效应”,获得更集中分布的大磁场区,进一步仿真优化磁体尺寸和偏心距。比较不同抛光液组分和磁体偏心距下的磁性混合流体行为,确定了抛光液的最佳组分以及磁体偏心距。最后,对曲率半径为15.4 mm、中心深度为2.24 mm的凹球面K9玻璃进行抛光实验,90 min后,面形精度RMS由0.719μm降低至11.7 nm,表面粗糙度Ra由0.552μm降低至9.656 nm。新型抛光装置能够实现小曲率凹球面工件的高效纳米级抛光。     

直线型磁性流体行波泵实验装置

行波磁场的产生、泵体结构的设计、磁性流体的动力学特性是磁性流体行波泵研究的关键技术。本文根据行波磁场产生的形式设计了直线型磁性流体行波泵,采用解耦计算分析和求解了磁性流体内行波磁场和力场的耦合问题,通过仿真和实验研究验证了设计的合理性和可行性。结果表明,行波磁场作用下的磁性流体流量与磁场的强度有直接关系:在磁性流体行波泵结构和磁性流体饱和磁化强度相同的条件下,磁场强度越强,其流量越大;当磁场强度从25 900 A/m增加到40 000 A/m时,单位时间内从行波泵内流出的磁性流体的体积由1.9 ml增加到3.1 ml;随着磁场强度的不断增加,磁性流体流量的变化率由于磁场对其粘度的影响而减小;而磁性流体的饱和磁化强度越大,其流量也越大。