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。

磁流变抛光的研究进展综述

随着自动化、智能化技术的发展,对零件表面的精度要求越来越高,这给精密加工提出了越来越高的要求。磁流变液作为一种新型的智能材料,主要由磁性颗粒、基载液、添加剂等组成,通过磁性颗粒在磁场下的磁流变效应来实现各种功能。磁流变抛光是以磁流变抛光液为介质,通过磁链把持着磨料,实现对工件的表面去除。通过介绍磁流变抛光的原理及特点,综述近几十年磁流变抛光装置的发展。同时,结合磁流变抛光组成成分及特点,总结各组成成分对抛光效果的影响,进一步分析各组成成分对磁流变液沉降稳定性的影响。最后,提出了磁流变抛光在之后发展的建议。

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。

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。

磁性复合流体抛光氧化锆陶瓷的工艺优化

为提高氧化锆陶瓷工件的表面质量,采用磁性复合流体(由包含纳米级铁磁颗粒的磁流体与包含微米级羰基铁颗粒的磁流变液混合而成)对氧化锆陶瓷进行抛光,以达到降低材料表面粗糙度和减少表面与亚表面损伤的目的。利用田口方法设计3因素3水平正交试验,着重分析磁铁转速、加工间隙和抛光液磨粒粒径对表面粗糙度和材料去除率的影响规律,并采用方差分析法分析各因素对2个评价指标的影响权重。可达到最低表面粗糙度的工艺参数组合为:磁铁转速,300 r/min;加工间隙,0.5 mm;磨粒粒径,1.25μm。可达到最高材料去除率的工艺参数组合为:磁铁转速,400 r/min;加工间隙,0.5 mm;磨粒粒径,2.00μm。根据优化的工艺参数进行抛光,表面粗糙度最低可达4.5 nm,材料去除率最高可达0.117μm/min,优化效果显著。利用遗传算法优化BP神经网络建立抛光预测模型,预测误差为3.9484%。

TA1纯钛毛细管化学辅助磁性复合流体抛光实验研究

对医用TA1纯钛毛细管内表面进行镜面抛光,有助于减小检测样本残留、提高毛细管移液精度,从而提高体外诊断设备的检测精度与可靠性。针对纯钛毛细管内表面质量差、材质难抛光的问题,提出一种新型化学辅助磁性复合流体抛光方法,将化学氧化与机械去除相结合,实现对毛细管内表面的高效精密抛光。采用单因素实验探究抛光液中的铁粉质量、过氧化氢质量分数与苹果酸质量分数对毛细管内表面材料去除率和粗糙度的影响,获得最佳抛光参数;检测在抛光过程中毛细管内表面的材料去除与元素变化,分析该技术用于纯钛毛细管内表面的综合抛光效果。结果表明:在铁粉质量为2 mg、过氧化氢质量分数为7.2%、苹果酸质量分数为6%的条件下抛光90 min后,纯钛毛细管内表面粗糙度由R_(a)675 nm降至R_(a)75 nm,无原始裂隙的平整抛光区域粗糙度低至R_(a)19.5 nm,材料去除深度达28μm,原始表面的细微裂痕被基本去除,粗壮裂隙减小;抛光过程没有引入其他元素。

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.

磁流变抛光技术

对磁介质辅助抛光技术２０ 年来的发展作了简要的回顾，进而介绍了磁流变抛光技术的产生和发展背景、抛光机理及微观解释、数学模型，同时提出了这种抛光技术的关键所在，并对其发展未来进行了展望。

对磁流变抛光技术中磁场的分析

本文对磁流变抛光 (magnetorheological finishing)过程中所采用的梯度磁场 ,以及磁流变抛光液 (MRP fluid)中的磁性颗粒在磁场中的受力情况进行了分析 ,进而证明了该磁场满足磁流变抛光的要求。

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。

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。

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。

磁性液体的传感特性及原理应用研究

该文介绍了磁性液体应用在传感领域的独特性能,分析了磁性液体在传感器方面的各种应用研究。利用磁性液体的电磁响应和粘度等特性可开发出各种新型传感器。分析了各种磁性液体新型传感器的工作机理和应用方向,并对其应用前景进行了分析展望,指出其中有待研究的方向和意义。

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。

磁流变抛光关键技术及工艺研究进展

随着超光滑平面器件的需求越来越大,要求器件表面粗糙度需达到纳米级,面形精度达到微米级,且无表面和亚表面损伤。传统超精密抛光技术效率低、成本高、不易控制,易产生表面、亚表面损伤,难以满足生产的要求。磁流变抛光技术(MRF)是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性对器件表面进行抛光的一种新兴的超精密加工技术,其抛光过程可被有效控制,且能够实现精准抛光,可达到超精密的质量要求。本文对磁流变抛光技术中磁流变液和磁极等关键参数进行了分析和总结,详述了磁流变液的组成部分、常见材料以及三大指标(沉降稳定性、磁力学特性和剪切屈服应力)。研究结果表明,磁流变液的沉降率和稳定性都与磁流变液中的成分密切相关,磁敏微粒不同,磁流变液的沉降率也各有不同,通过使用不同的添加剂改变磁敏微粒的表面活性,从而改变磁流变液的沉降性能;磁流变液的组成部分中磁敏微粒作为唯一有效的导磁材料,影响着磁流变液的磁力学特性;磁场作用下,磁敏微粒逐渐形成链状结构,处于凝聚状态,当磁敏微粒的磁化强度不断增大时,剪切应力也呈现出明显增大的趋势。同时本文综述了磁场发生装置中磁极的不同形态对磁场的影响以及磁极的不同布列方式对磁场和抛光效果的影响,阐述了不同的磁极排列方式对磁场大小和抛光垫均匀性的影响规律。相比其他形状的磁极,圆柱形和方形柱状磁体是最理想的两种永磁体形状。本文总结了目前磁流变抛光技术的工艺研究的新方向,包括集群磁流变抛光技术、可以加工曲面的组合磁流变抛光技术、全球面包络磁流变抛光技术以及超声磁流变复合加工技术,介绍了这几种加工方法的工作原理以及能够达到的工艺效果,最后总结了现阶段磁流变抛光技术研究中存在的问题,并对其今后的发展方向进行了展望。

h形磁性复合流体抛光工具设计及工艺试验

针对深孔内壁光整加工效率与质量较低的技术问题,在传统针式磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)抛光工具头的基础上增加辅助磁场块,提出基于h形抛光工具头的MCF深孔抛光工具及加工方法。利用COMSOL Multiphysics建立永磁铁磁场组合模型,设计磁场均匀的h形抛光工具头结构;建立MCF深孔抛光磁场与流场模型,进行磁流耦合仿真,分析MCF流体流动特性;以黄铜H62材料为样件,展开不同抛光工艺参数实验,对抛光前后样件的表面形貌、粗糙度和材料去除率进行分析,并验证了仿真模型。实验结果表明:当采用h形抛光工具头两磁铁水平间距为8 mm,抛光转速为1 400 r/min,抛光间隙为1 mm,氧化铝磨粒粒径为0.5μm时,表面粗糙度为173 nm,材料去除率为0.84 mg/min,获得最佳抛光效果,且采用h形抛光工具头产生的抛光效果要比针式抛光工具头产生效果更佳。基于h形抛光工具头的MCF深孔抛光方法能有效改善孔内壁表面质量,实验结果证明了方法的有效性,为后续的应用奠定基础。

微流控芯片磁性抛光工艺参数优化

以提高微流控芯片表面质量为目的,进行磁性抛光微流控芯片的关键工艺参数优化研究.首先,设计单因素实验组,根据实验结果,得到磁性抛光关键工艺参数对其抛光质量的影响规律:随着抛光间隙的减小,芯片表面粗糙度由0.327μm增至0.045μm,后又降至0.130μm,其最佳抛光间隙为1.5 mm;主轴转速对抛光质量的影响并不显著,改变转速进行抛光后芯片表面粗糙度保持在0.045~0.055μm,其最佳范围为400~800 r/min;微流控芯片表面粗糙度随着抛光时间增加而提高,最高表面粗糙度为0.018μm,相对而言,最佳抛光时间为30 min.此外,磁性复合流体(magnetic compound fluid,MCF)抛光质量受加工间隙影响最大,受抛光时间的影响略大于主轴转速.实验结果表明,通过对磁性抛光的关键工艺参数进行优化,可以将微流控芯片的表面粗糙度从0.510μm提高到0.018μm,由此可进一步探索磁性抛光技术应用于微流控芯片的确定性抛光.

Si_3N_4陶瓷滚珠的磁流体研磨装置研究与设计

研究并设计了应用于研磨Si3N4 陶瓷滚珠的磁流体研磨试验装置 ,对装置中的主要参数进行了分析和讨论。理论计算表明 ,所设计的参数是合理的。

光学玻璃超声振动维氏压痕中位裂纹的实验研究

为了进一步掌握光学玻璃材料超声振动辅助磨削亚表面损伤机理,设计常规和超声振动条件下维氏压痕实验,调查两种情况下K9光学玻璃压痕形貌特征;采用磁性复合流体抛光方法检测K9光学玻璃压痕区域的中位裂纹深度,对常规压痕系统中位裂纹模型进行两次系数修正,获得超声振动条件下的维氏压痕系统中位裂纹深度模型.通过超声振动维氏压痕实验计算静态和动态断裂韧性,得到两种加载条件的一次修正系数分别为0.08和0.06;结合检测中位裂纹深度实验结果拟合获得的两种条件下二次修正系数数值接近,分别为94.75和94.50.结果表明该模型对超声振动和加工条件具有良好的识别度.