熔石英元件磁性复合流体抛光去除特性研究

基于磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)抛光技术开展了熔石英元件抛光工艺研究,对比了传统MCF和超声辅助MCF(以下简称UMCF)抛光对熔石英材料去除特性的影响,探究了不同抛光时间下MCF和UMCF抛光对熔石英材料去除量/去除率和表面粗糙度的影响,并构建了与抛光应力和抛光时间有关的材料去除率模型。研究结果表明,相较于传统MCF,UMCF在提高材料去除率和降低表面粗糙度方面均有优势。两种抛光方式下材料去除机制均为弹塑性去除,UMCF抛光获得的表面粗糙度相比于MCF抛光优化了68.88%。由于流体动压力和超声振动压力的联合作用,UMCF抛光材料去除率最高可达5.74×10^(-3)mm^(3)/min,相比于MCF抛光提升了4.04倍。MCF和UMCF抛光材料去除率与抛光应力和抛光时间均呈现幂函数相关性,且在UMCF抛光中抛光应力对去除率的影响权重大于MCF抛光。

磁性复合抛光体配制及其抛光性能试验研究

介绍一种新的磁性复合抛光体(M PT)的配制及检测方法.新的磁性抛光体是将磁性复合流体和磨粒、植物纤维素均匀混合,通过外加磁场压缩制成的,在磁场作用下为半固态.M PT的主要成分及规格:煤油基纳米直径F e3O4的磁流体(M F)、微米级直径的铁粉、微米级直径的纯A l2O3磨粒.对几种混合比例的M PT分别进行了SEM的显微观察和抛光作用力的三维检测,在给定压力下对M PT的剪切力和抛光性能进行了试验.结果表明:磁性复合抛光体的配比影响着M PT最大剪切力,具有承受剪切力大的磁性抛光体的抛光效果较好.该研究为复杂曲面的高效、高质量抛光提供了应用依据.

光学元件磁性复合流体抛光特性研究

采用磁性复合流体(MCF)对BK7玻璃进行定点抛光实验,对抛光斑进行三维模型重构,并对磁场空间分布进行仿真与实验分析,阐明抛光材料去除机理,确定材料去除率、表面粗糙度及硬度随抛光时间的变化规律,建立了材料去除量与磁通密度的关系曲线。实验结果表明:抛光形成的抛光斑表面轮廓为蝶形,其沿抛光轮轴向的截面轮廓呈“W”形;材料去除量与磁场强弱及抛光时间密切相关,抛光深度去除率最高可达553 nm/min;表面粗糙度随抛光时间的增加先上升后下降,MCF抛光可获得表面粗糙度Ra<6 nm的光滑表面,且粗糙度与硬度呈现一定的正相关关系。

磁场分布对磁性复合流体抛光材料去除率的影响

针对光学玻璃抛光效率和抛光精度不断提高的需求,提出采用磁性复合流体(Magnetic compound fluid,MCF)抛光轮进行抛光加工的方法,并自行研制出相应的抛光试验装置。运用标量磁位法、矢量叠加原理,建立MCF抛光轮外部空间磁场分布的解析表达式,通过对比分析磁铁磁场强度的解析计算结果和实际测量结果,说明解析表达式能较好地反映抛光轮外部空间磁场的分布规律。以Preston方程为依据,分析磁场产生的磁化压力对被加工工件表面材料去除率的影响规律;在自行研制的试验装置上利用磁性复合流体对熔融石英玻璃进行120 min的往复抛光加工,当两个环形磁铁采用NS-SN和NS-NS磁极布置方式时,最大材料去除深度分别为13 m和8 m,而且采用NS-NS磁极布置方式时,在工件中部的材料去除量几乎为零,因此NS-SN磁极布置方式由于其产生的磁场强度较大,从而导致其材料去除率也较大,验证不同磁场分布对熔融石英玻璃材料去除率的影响。

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。

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。

磁力电解复合抛光片的研制

根据磁力电解复合抛光对抛光片的特殊要求,本文利用TPU材料强度高、耐磨性好的特点,以TPU为基体,添加磨料和各种助剂,并对其进行微孔处理和合理配方,采用注射成型工艺,研制出了一种硬度和拉伸强度高、耐磨性和开孔性好的磁力电解复合抛光片.并且通过对不锈钢材料工件的磁力电解复合抛光试验,验证了该磁力电解复合抛光片的良好性能.

微小非球面纳米抛光工艺研究

针对微小非球面斜轴镜面磨削时存在的表面/亚表面缺陷、表面粗糙度均匀性差以及传统抛光工艺难以抛光微小非球面等一系列难题,开发一种利用磁性复合流体和斜轴抛光方式进行微小凹非球面超精密抛光的新工艺。以口径在10mm以下的超精密微细透镜及微细模具中的各种微小球面、微小凹非球面为主要加工对象,展开磁性复合流体抛光工艺研究。分析磁性复合流体工艺参数对加工质量和表面去除率的影响,优化工艺参数,解决了微小非球面纳米抛光的关键技术问题。

磁力电解复合抛光中电解液的选配

磁力电解复合抛光工艺在难加工材料的精加工中被广泛使用,电解液的选配是影响该工艺的一个重要因素。文中对磁力电解复合抛光工艺中电解液的选配进行了研究,对磁力电解复合抛光中电解液的基本要求进行了分析,对常见电解液的性能进行了归纳和比较,并根据抛光过程中电解液的使用,得出了磁力电解复合抛光中电解液的选配原则。

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。

磁场方向往复变化的磁力电解复合抛光头的研制

为了提高磁力电解复合抛光的效果和效率,通过分析磁力电解复合抛光机理,施加了一个和电场方向平行且能往复变化的磁场,并设计了一种新型的磁力电解复合抛光头。通过实验表明,这种抛光头能方便地安装在数控机床上,并能有效地提高磁力电解复合抛光的效果和效率。

基于双磁场磁性复合流体的抛光性能

目的针对微结构抛光过程中形貌精度损伤的问题,开发一种环状MCF(Magnetic Compound Fluid,MCF)抛光工具,探究在双磁场作用下MCF工具的抛光性能。方法采用工业相机观察不同条件下MCF抛光工具的成形特征,通过定量分析MCF抛光工具的成形参数,构建最优MCF抛光工具特征参数;通过分析双磁场作用下工件表面的磁场强度,建立磁场矢量模型,探究磁场分布与MCF宏观形貌的内在联系;观察磁簇微观形貌,分析MCF抛光工具的内部特征;试验研究MCF组分、磁铁转速n_(m)、载液板转速n_(c)和加工间隙Δ对工件表面粗糙度Ra的影响规律,探究最优的抛光参数。结果当磁铁偏心距r=2 mm,MCF供应量V=1.5 mL时,MCF抛光工具的成形特征相对最优,得到了MCF抛光工具的参数,a=28.70 mm,b=26.90 mm,c_(1)=1.58 mm,c_(2)=1.30 mm,d_(0)=48.60 mm,h=7.20 mm,d_(i)=26.50 mm;磁簇分布方向与磁场矢量方向一致,铁粉沿着磁力线方向分布,磨粒分布在铁粉外部,α–纤维穿插于磁簇内部或磁簇与磁簇之间;通过抛光试验获得了较低表面粗糙度的最佳工艺参数,最佳MCF组分配比(均以质量分数计)为羰基铁粉40%、磨粒12%、α–纤维3%、水基磁流体45%,最佳载液板转速n_(c)=300 r/min,最佳磁铁转速n_(m)=400 r/min,最佳加工间隙Δ=1 mm。结论在抛光20 min后,工件的表面粗糙度由0.578μm降至0.009μm,下降率约为98.44%,证明在双磁场作用下环状MCF抛光工具具有稳定且高效的抛光能力。

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。

磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究

针对深孔零件光整加工技术的难题,提出了基于针式抛光头的磁性复合流体(MCF)深孔抛光的加工方法。首先利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立不同的永磁铁磁场组合模型,根据仿真结果设计磁场分布均匀且强度较强的针式抛光头;再建立MCF深孔抛光的磁流场耦合模型,分析MCF的流动特性;以黄铜H62的深孔零件为加工对象,进行磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究。仿真结果与试验结果吻合,结果表明,当针式抛光头采用纵向单列磁芯结构,转速为800 r/min,抛光间隙为3 mm,羟基铁粉粒径为48μm时,表面粗糙度为0.13μm,材料去除率为0.025 mg/min,从而获得了最理想的MCF深孔抛光效果。

十二烷基苯磺酸钠对磁性复合流体分散性及抛光质量的影响

目的针对磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)中磨粒易团聚的问题,提出通过阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate,SDBS)来提高MCF的分散性,进而提升抛光表面质量。方法在MCF中添加不同质量分数的SDBS,采用激光粒度分布仪,测试抛光液中颗粒的粒径分布及中位粒径。利用Zeta电位分析仪,观察抛光液的Zeta电位分布,验证分散效果。使用SDBS含量不同的MCF对304不锈钢工件表面进行抛光,研究SDBS含量对MCF抛光材料去除率和表面粗糙度的影响规律。结果当SDBS质量分数从0%增至3%时,MCF的中位粒径从6.845μm降低至1.640μm,Zeta电位的绝对值从13.2 mV升高至53.8 mV,抛光材料的去除率从3.11 mg/min增加至3.25 mg/min,表面粗糙度Ra从0.27μm降低至0.09μm,抛光表面质量显著提升。当SDBS质量分数继续增加至5%~7%时,分散效果趋于饱和,抛光质量保持稳定。结论在MCF中添加适当质量分数的SDBS,可以有效解决磨粒团聚问题,提高MCF的分散性,抛光后表面质量明显改善。

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,抛光时磁性颗粒形成的链状结构恢复能力变差,进而影响其抛光性能;(3)在抛光过程中向MCF抛光液补充水分后,抛光结束时工件的表面粗糙度下降率由无添加时的69.97%提高至86.69%,材料去除率由0.95×10^(8)μm^(3)/min提升到1.45×10^(8)μm^(3)/min,抛光正压力由3.7 N提升到4.2 N。当抛光过程中补充水分,使MCF的水含量占比维持在45%左右时,可以保持其长效稳定的抛光能力,有效地延长MCF的使用寿命。

微槽的超声振动辅助磁性复合流体抛光工艺研究

针对微通道制氢反应器的微槽底部光整加工难题,开展超声振动辅助磁性复合流体(UMCF)抛光工艺研究。根据表面接触理论分析微槽底部气膜对磁性复合流体(MCF)抛光的影响,引入超声振动改善MCF抛光微槽底部的表面质量;通过试验探究UMCF抛光对微槽底部的抛光效果;研究不同参数下MCF抛光和UMCF抛光对微槽的表面形貌、表面粗糙度和去除率的变化规律,获得最佳的抛光参数。研究结果表明:当羰基铁粉粒径为48μm,抛光时间为5 min,抛光轮转速为500 r/min,抛光间隙为2 mm,振幅为5μm时抛光效果最佳,微槽顶部表面粗糙度Ra达到0.217μm;槽底表面粗糙度Ra达到0.403μm,去除率为4.74 mg/min。

旋转磁场下非球面工件的磁性混合流体抛光

针对非球面光学元件的结构特点及其表面质量要求,在磁性混合流体抛光基础上,设计并制作以径向充磁永磁体为旋转磁场源的半球头抛光头。首先,通过Ansoft Maxwell磁场仿真,分析对比不同形状、不同尺寸磁体和偏心距下各磁体周围磁场的分布状况,选定直径为10.0 mm、高度为5.0 mm、偏心距为2.5 mm、径向充磁的圆柱形磁体。其次,通过观测并比较不同组成、配方和供应量的磁性混合流体在抛光头上的行为,确定磁性混合流体抛光液成分。最后,采用制备的磁性混合流体抛光液及自制的抛光头对非球面PMMA工件进行抛光试验。经过15 min抛光后,PMMA工件表面质量明显改善,其面型精度Rq由0.703μm下降到2.433 nm,表面粗糙度Ra由0.545μm下降到1.786 nm,说明研制的抛光头能实现非球面工件的纳米级抛光。

石英玻璃管内表面的复合光整试验研究

目的探究超声磁粒复合研磨与超声振动复合抛光两个试验阶段对石英玻璃管内表面加工的可能性,寻求最优的工艺参数组合。方法在石英玻璃管内添加柱形径向充磁辅助磁极,并添加超声振动,组成复合光整装置。在辅助磁极表面包裹一层研磨粒子,构成超声磁粒研磨装置,在辅助磁极外表面包裹一层聚氨酯,构成超声振动抛光装置。结果对上述的超声磁粒复合研磨阶段进行响应面优化,在主轴转速、振动频率、粒径三个变量中,保持其中一个变量不变,另外两个变量组合,使表面粗糙度值达到最低。选用最优的工艺参数组合作为第一阶段主要参数,经40 min研磨,表面粗糙度值从原始的4.40μm下降到0.19μm。在第一阶段基础上进行第二阶段抛光,经5 min抛光,表面粗糙度值从0.19μm进一步下降到0.07μm。结论通过响应面优化得到最优超声磁粒复合研磨组合为:主轴转速1000 r/min、粒径250μm、振动频率20 k Hz。经超声磁粒复合研磨与超声振动复合抛光两个阶段加工后,玻璃管内表面存在的凹坑、突起及划痕均得到有效去除,表面更加均匀、平整。