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。     

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。     

单晶SiC基片的磁流变化学复合抛光

基于芬顿反应的磁流变化学复合抛光加工原理,对单晶SiC基片进行磁流变化学复合抛光试验,研究工艺参数对其抛光效果的影响。结果表明：随着金刚石磨粒粒径的增大,材料去除率先增大后减小,而表面粗糙度先减小后增大;随着磨粒质量分数的增大,材料去除率增大,而表面粗糙度先减小后增大;当羰基铁粉质量分数增大时,材料去除率增大,而表面粗糙度呈先减小后增大的趋势;随着氧化剂质量分数增大,材料去除率先增大后减小,而表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势;加工间隙对材料去除率的影响较大,加工间隙为1.0 mm时,加工表面质量较好;随着工件转速和抛光盘转速增大,材料去除率均先增大后减小,表面粗糙度均先减小后增大。获得的优化的工艺参数为：磨粒粒径,1.0μm;磨粒质量分数,5%;羰基铁粉质量分数,25%;过氧化氢质量分数,5%;加工间隙,1.0 mm;工件转速,500 r/min;抛光盘转速,20 r/min。采用优化的工艺参数对表面粗糙度约为40.00 nm的单晶SiC进行加工,获得表面粗糙度为0.10 nm以下的光滑表面。     

磁流变效应即效微磨头平面抛光研究

利用磁流变效应即效微磨头对光学玻璃进行了抛光试验,研究了磁感应强度、加工间隙、工具转速、加工时间等参数对工件表面粗糙度值的影响.研究发现,磁感应强度、加工间隙、工具转速等对抛光质量的影响规律相似,都是随着参数值的增大,表面粗糙度呈现先减小、后增大的趋势;但加工时间的影响略有不同,随着加工时间的延长,表面粗糙度迅速下降,然后趋于稳定.研究结果表明,合适的参数选择是提高磁流变效应即效微磨头抛光质量的关键.     

医用钛合金动态磁场集群磁流变抛光加工研究

目的 获得超光滑表面且无毒性残留的医用钛合金.方法 采用半固着磨料的新型动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用TC4钛合金,研究磨料种类、粒径、抛光时间、加工间隙和抛光盘转速等工艺参数,对医用钛合金表面形貌和表面粗糙度的影响规律,使用扫描电镜对抛光前后的医用钛合金表面进行成分分析.结果 医用TC4钛合金表面形貌受磨料形状和硬度的综合影响,Al2O3磨料相对SiC、SiO2和B4C磨料能获得更高质量的表面.随着Al2O3磨料粒径的增大,表面粗糙度先减小、后增大,5μm的Al2O3抛光效果最佳.加工间隙从0.8 mm增大到1.2 mm,表面粗糙度先减小、后增大,在1 mm时加工效果最优.抛光盘转速从15 r/min增大到35 r/min,表面粗糙度先减小、后增大,在25 r/min时加工效果最优.当使用粒径为5μm的Al2O3磨粒,在1 mm的工作间隙和25 r/min的抛光盘转速下抛光4 h时,医用钛合金表面粗糙度Ra从原始的110 nm降低到2.87 nm,表面粗糙度的下降率为97.39％.结论 应用动态磁场集群磁流变抛光方法加工医用钛合金,能够获得无异质成分残留的超光滑表面.     

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。     

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,...     

磁流变抛光技术的工艺试验

本文研究了利用自行配制的水基磁流变抛光液和抛光样机,进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验,试验中所用工件为直径12mm的BK7玻璃零件,其初始表面粗糙度的均方根值为RMS1．41nm,经抛光后得到理想的表面粗糙度的均方根值为RMS0．61nm的玻璃工件,结果表明：随着磁流变抛光磁场强度的增加,抛光去除效率逐渐提高,但表面粗糙度的值随之降低;抛光盘转速的提高能促进抛光效率的提高,降低表面粗糙度值;抛光盘与工件间的间隙的减小有利于提高抛光效率但同时使表面粗糙度变差。     

磁流变抛光技术的研究进展

磁流变抛光技术具有加工面形精度高、表面粗糙度小、加工过程易于控制、表面损伤小、加工过程中不产生新的损伤等优秀特点,因此多应用于加工要求高的精密和超精密领域,最常应用于光学加工方面。综述了磁流变抛光技术材料去除数学模型的建立进展,论证了该模型的正确性,总结出该基本模型具有通用性,模型能够适用于平面和凸球面等形面加工中,此外,对实现计算机控制抛光过程的准确性具有指导意义。概述了磁流变抛光工艺实验进展,总结磁流变抛光影响抛光效果的主要因素是磁场强度和磁场发生装置,在优化工艺参数组合下能够达到纳米级表面,能够消除亚表面损伤,还能够用以加工各种复杂形面等。就目前磁流变抛光技术的发展新方向作以总结,包括集群磁流变抛光技术、组合磁流变抛光技术以及磁流变-超声复合抛光技术,介绍这几种加工方法的工作原理以及能够达到的实验效果。最后对现阶段磁流变抛光技术中存在的问题做出总结,并针对各个问题提出相对应的思考和展望。     

金刚石研磨液抛光高硬度不锈钢工艺研究

研究了11Cr17不锈钢的抛光工艺。通过考察抛光液理化指标参数以及抛光工艺条件对不锈钢去除速率、反射率、表面粗糙度值Ra的影响,确定了合适的抛光工艺:抛光时间60min、系统压力150N、磨盘转速50r/min。经此条件抛光后的不锈钢表面平整光亮,去除速率0.047 7mm/min,反射率为47%,表面粗糙度值Ra为21nm。     

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。     

陶瓷球高效超光滑磁流变柔性抛光新工艺研究

目的为实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,提出一种集群磁流变抛光陶瓷球的新工艺。方法在传统V型槽抛光陶瓷球的基础上增加集群磁极和上盘旋转动力,配制适当的磁流变抛光液,通过在上下抛光盘的集群磁极,形成磁流变抛光垫包覆陶瓷球,进行研磨抛光加工。然后,基于陶瓷球工件几何运动学和动力学分析得到球体各运动参数的影响关系,利用机械系统分析软件ADAMS对成球过程进行动态仿真,可以看出该抛光方法能够主动控制球体的运动,实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络。最后,根据仿真结果,通过调整上下抛光盘的转速比、偏心距和加工间隙等参数,控制陶瓷球的自转角,实现球面的快速高效超光滑抛光。结果用自行设计的陶瓷球集群磁流变抛光实验装置,对氮化硅陶瓷球进行抛光2.5 h,表面粗糙度Ra从60 nm左右下降到10 nm左右,球形误差为0.13μm,达到了陶瓷球轴承氮化硅球的国家标准(G5水平)。结论集群磁流变抛光方式可以实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络,实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,值得进一步深入探讨研究。     

磁流变动压复合抛光基本原理及力学特性

目的探究磁流变动压复合抛光基本原理及抛光力学特性。方法通过建立磁流变动压复合抛光过程中流体动压数学模型,分析抛光盘面结构化单元对抛光力学特性的影响规律,并优化其结构。搭建磁流变动压复合抛光测力系统,探究工作间隙、抛光盘转速、工件盘转速和凸轮转速对抛光力的影响规律,基于正交试验,优化抛光效果。结果抛光盘面结构化单元的楔形区利于流体动压效应的产生,且流体动压随楔形角和工作间隙的增大而减少,随楔形区宽度的增大而增大。结构化单元较为合理的几何参数为:楔形角3°~5°,工作间隙0.2~1.0 mm,楔形区宽度15~30 mm。法向力Fn随工作间隙的增大而减小,随工件盘转速的增大而增大,随抛光盘和凸轮转速的增大而先增大后减小;剪切力Ft随工作间隙的增大而减小,随工件盘、抛光盘和凸轮转速的增大均呈现先增大后减小的规律。通过正交试验获得优化工艺参数为:抛光盘转速60 r/min,工件盘转速600 r/min,凸轮转速150 r/min。在羰基铁粉(粒径3μm、质量分数35%)、SiC磨料(粒径3μm、质量分数5%)、工作间隙0.4 mm和磁感应强度0.1 T工况下,抛光2 in单晶硅基片4 h后,表面粗糙度Ra由20.11 nm降至2.36 nm,材料去除率为5.1 mg/h,初始大尺度纹理被显著去除。结论磁流变动压复合抛光通过在抛光盘面增设结构化单元,以引入流体动压效应,强化了抛光力学特性,并利用径向往复运动的动态磁场实现柔性抛光头的更新和整形,最终达到了提高抛光效率和质量的目的。     

抛光垫特性对硬质合金刀片CMP加工效果的影响

目的研究不同种类的抛光垫对硬质合金刀片表面化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing/Planarization,CMP)加工过程的影响,为实现硬质合金刀片高效精密CMP加工提供有效参考。方法利用Nanopoli-100智能抛光机,通过自制的Al2O3抛光液,分别采用9种不同种类的抛光垫对牌号为YG8的硬质合金刀片进行CMP实验,将0~40、40~80、80~120 min三个加工阶段获得的材料去除率和表面粗糙度进行对比,同时观察最佳的表面形貌,分析抛光垫特性对CMP加工效果的影响。结果在抛光转速60 r/min,抛光压力177.8 k Pa的实验条件下,9种不同类型的抛光垫中仅有5种适合用于YG8硬质合金CMP加工。而且抛光垫的表面粗糙度在YG8刀片CMP加工过程中的影响最为显著,抛光垫表面粗糙度越高,CMP加工的材料去除率越高。此外,抛光垫的使用时间对CMP过程也有影响,抛光垫使用时间越长,CMP的材料去除率越小。结论 YG8硬质合金刀片经5种不同类型抛光垫CMP加工后,其表面的烧伤、裂纹等缺陷均得到了极大改善。当使用细帆布加工40 min时,材料去除率最高,为47.105 nm/min;当使用细帆布加工80min时,表面粗糙度最低,为0.039μm。     

–50 ℃冷风条件下抛光硬质合金刀片加工TC4钛合金的表面粗糙度分析

目的提高硬质合金刀片加工TC4钛合金的表面质量。方法利用化学机械抛光技术对传统磨削的硬质合金刀片分别进行粗抛、半精抛和精抛处理,运用正交试验法,在常温干切和–50℃冷风条件下,分别采用传统磨削的硬质合金刀片(磨削刀片)与化学机械抛光的硬质合金刀片(抛光刀片)进行切削TC4钛合金正交试验,利用方差分析法分析切削参数对已加工表面粗糙度Ra的影响。运用多元线性回归方法建立磨削刀片、抛光刀片在常温干切和–50℃冷风条件下切削TC4钛合金已加工表面粗糙度Ra的经验预测模型。结果硬质合金刀片前刀面通过粗抛、半精抛和精抛后,刀片前刀面的表面粗糙度Ra为19 nm。当切削参数相同时,磨削刀片在–50℃冷风条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度,比常温干切条件下平均降低了35.9%;抛光刀片在–50℃冷风条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度,比常温干切条件下平均降低了43.5%。在常温干切条件下,抛光刀片比磨削刀片切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度平均降低了19.2%;在–50℃冷风条件下,抛光刀片比磨削刀片切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度平均降低了28.7%。抛光刀片在–50℃冷风条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度Ra,比磨削刀片在常温干切条件下切削TC4钛合金的已加工表面粗糙度Ra平均降低了54.4%。结论采用对硬质合金刀片表面进行化学机械抛光技术和以–50℃冷风为切削介质的组合工艺,可有效降低TC4钛合金已加工表面粗糙度。     

硒化锌晶体精细雾化抛光液及去除机理研究

目的配制适合硒化锌雾化施液化学机械抛光的最优抛光液。方法选取氧化铝磨粒、pH调节剂四甲基氢氧化铵、氧化剂过氧化氢、表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮为主要活性成分,以材料去除速率和表面粗糙度为评价指标,通过正交试验对硒化锌晶体进行精细雾化抛光,分析材料去除机理,并与传统抛光对比。结果氧化铝质量分数为9%、pH值为11、过氧化氢含量为3.5%、聚乙烯吡咯烷酮含量为0.75%时,材料去除率较高,为923.67 nm/min,同时表面粗糙度较小,为2.13 nm。在相同工况条件下,传统抛光材料的去除率和表面粗糙度分别为965.53 nm/min和2.27 nm。结论抛光液各组分对试验结果影响最大的为氧化铝磨粒,然后依次为氧化剂、pH值、表面活性剂。精细雾化抛光效果与传统抛光相近,但抛光液用量仅为后者的1/8。     

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。