超精密磁流变复合抛光技术研究进展
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磁流变抛光技术的国内外研究现状国外研究方面,英国、德国等国家的一些研究机构在磁流变抛光技术上取得了一些突破。
比如,英国利物浦大学的研究人员通过对磁流变液体的流变性能进行优化,实现了对金属材料的高效抛光。
他们采用了一种增强磁场的技术,使磁流变液体的粘度和摩擦系数得到了大幅增加,从而提高了抛光效率。
同时,他们还研究了磁流变液体与工件表面之间的作用力,通过优化作用力的调整,实现了对不同材料的加工和抛光。
在国内方面,磁流变抛光技术的研究虽然起步较晚,但也在近几年取得了一些进展。
例如,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究人员通过磁场控制技术实现了对玻璃材料的高精度抛光。
他们采用了一种新型的磁流变液体,该液体在磁场作用下可以实现由液体到固体的相变,从而在抛光时形成均匀的压力分布。
研究人员还利用超声波技术改善了抛光的效果,进一步提高了加工精度。
此外,我国的一些高校和科研机构也在磁流变抛光技术的研究方面发表了一些研究论文。
例如,清华大学的研究人员通过电磁场反馈控制技术,实现了对硬脆材料的微纳米级抛光。
他们设计了一种新型的磁流变闪烁抛光器,并对其进行了详细的电磁场优化设计和流体动力学分析。
实验结果表明,该装置可以实现对光学元件表面的微纳米级抛光。
综上所述,磁流变抛光技术在国内外都得到了广泛的关注和研究。
尽管目前在国内的研究还相对较少,但随着我国科技水平的不断提高和高精度制造需求的增加,磁流变抛光技术在国内的研究和应用前景将会更加广阔。
希望本文的综述能够对磁流变抛光技术的进一步研究提供一些参考和启示。
磁流变抛光技术研究进展
戴立达;张争艳;乔国朝
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】表面质量是精密零部件最重要的性能之一,零件的表面质量主要是由加工过程中不同的工艺参数和方法决定的。
传统的磨抛工艺由于作用在工件上的力很大、嵌入的磨料颗粒、对工艺的控制有限等原因很难使表面粗糙度降低到精密零部件的要求精度。
磁流变抛光(MRF)提供了一种新型高效的方法使工件加工质量达到预期的精度水平。
MRF对工艺控制具有更大的灵活性,并且可以在不破坏表面形貌的情况下完成加工。
综述了磁流变抛光液组分对加工效果的影响、材料去除模型的建立和发展、不同的MRF加工方式和未来磁流变抛光技术发展的新方向,最后总结了目前MRF技术存在的问题总结,并提出了MRF技术未来可能的发展方向。
【总页数】7页(P254-260)
【作者】戴立达;张争艳;乔国朝
【作者单位】河北工业大学机械工程学院;国家技术创新方法与实施工具工程技术
研究中心;中国电子科技集团公司第五十三研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH161.14
【相关文献】
1.双抛光头磁流变抛光技术与装备研究进展
2.超精密磁流变复合抛光技术研究进展
3.基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述
4.磁流变抛光技术的研究进展
5.磁流变抛光关键技术及工艺研究进展
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基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述磁流变抛光(MRF)是一种基于磁流变流体的技术,用于光学元件的抛光和表面改善。
它以其高效、精确和可控的特点,成为光学加工中不可或缺的一种手段。
本文将对磁流变抛光法的相关专利技术进行综述。
磁流变抛光法的原理是利用磁流变流体的流变特性实现对光学元件表面的精密抛光。
磁流变流体是一种可以根据外加磁场的强度和方向改变其流变特性的流体。
当磁场施加到磁流变流体上时,它的黏度和流动性会发生变化,从而可以实现对光学元件表面的精细抛光。
这种抛光方法既可用于玻璃、陶瓷等硬质材料的抛光,也可以用于软性材料的抛光。
磁流变抛光法的专利技术主要包括以下几个方面:1. 磁流变流体的制备技术:磁流变流体是磁流变抛光法的核心。
专利技术中涉及了磁流变流体的成分、比例和制备方法等。
一些专利技术提出了采用特定的胶体颗粒和稳定剂来制备高性能的磁流变流体。
2. 磁流变抛光机械装置:磁流变抛光需要一定的机械装置来施加磁场和控制磁流变流体的流动。
专利技术中提出了各种不同的磁流变抛光机械装置,如采用永磁体或电磁铁制造的磁极等。
3. 光学元件的抛光方法:磁流变抛光法可以用于不同类型的光学元件的抛光,如透镜、棱镜、反射镜等。
专利技术中介绍了不同的抛光方法,包括逐点抛光、逐面抛光、全表面抛光等。
这些方法在实际加工中可以根据元件的形状和要求进行选择。
4. 磁流变抛光工艺参数的优化:专利技术中还涉及了磁流变抛光的工艺参数的优化方法。
这些参数包括磁场强度、磁场方向、磁流变流体流量和压力等。
通过优化这些参数,可以实现对光学元件表面的高效、精确抛光。
磁流变抛光法的专利技术不仅应用于光学元件的抛光,还可以用于其他领域的表面改善。
磁流变抛光法可以用于金属材料的抛光、半导体材料的抛光和微机电系统(MEMS)器件的抛光等。
这些应用拓宽了磁流变抛光法的应用领域,也促进了磁流变抛光技术的持续发展和改进。
磁流变抛光技术的发展及应用摘要:阐述了磁流变抛光技术的原理,综述了磁流变抛光技术的国内外研究现状与研究进展,并详细介绍了磁流变液的性能评价标准,及依据这一标准选取磁流变液的各组分,配置出标准的光学用磁流变抛光液。
然后,介绍了磁流变抛光技术的研究方向。
最后对磁流变抛光技进行了前景展望。
关键词:磁流变抛光;磁流变液;光学加工The Development and Application of Magnetorheological Finishing (The Institute of Mechanical and Electrical Engineer, Xi'an Technological University,Xi’an710032,China)Abstract: This paper first introduces the principle of magnetorheological finishing, then its research status and progress at home and abroad are reviewed. A standard is also suggested for evaluation of fluid finishing of optical glass. The elements of MR fluid were chosen according to the standard and MR fluid was prepared for optical finishing. Finally, the prospect of the MFR technique is discussed.Key words:magnetorheological finishing; magnetorheological fluid;optical machining1引言:随着现代科学技术的发展,对应用于各种光学系统中的光学元件提出了越来越高的要求。
基于磁流变抛光法的光学元件抛光专利技术综述随着光电子科技的迅猛发展,光学元件的制造技术也在不断向前发展。
在光学元件的制造过程中,抛光是一个非常重要的工艺步骤,影响着光学元件的表面质量、形状精度和光学性能。
传统的光学元件抛光方法存在着一定的局限性,而磁流变抛光法则是一种新型的抛光技术,其基于磁流变效应,可以实现对光学元件的高效抛光。
本文将从磁流变抛光技术的基本原理、应用现状以及相关专利技术进行综述,以期为相关领域的研究提供一定的参考和借鉴。
一、磁流变抛光技术的基本原理磁流变效应是指在磁场的作用下,磁流变材料的流变应力发生变化的效应。
磁流变材料是一类特殊的材料,当它处于磁场中时,可以通过改变磁场的强度和方向来控制其流变应力的大小和方向。
磁流变材料具有较高的灵活性和可调节性,因此在光学元件抛光中引入磁流变材料可以实现对抛光过程的精确控制。
磁流变抛光技术主要包括以下几个步骤:首先是将磁流变材料与磨削磨粉混合物混合,形成磨削液;然后将光学元件与磨削液放置在磁场中进行抛光,通过改变磁场的强度和方向来调节磁流变材料的流变应力,从而控制抛光过程中磨损的形态和速度;最后是清洗和表面处理,以获得最终的光学元件。
磁流变抛光技术的核心在于对磁流变材料的流变特性进行精确控制,在磁场的调节下实现对光学元件表面的高效抛光。
这种技术不仅可以有效减小表面的粗糙度,提高光学元件的光学性能,而且可以实现对光学元件形状的精确修整,满足不同光学器件对表面质量和形状精度的要求。
目前,磁流变抛光技术已在光学元件制造领域得到了较为广泛的应用。
以抛光镜片为例,磁流变抛光技术可以用于调整镜片的表面形貌、提高其光学性能,使得镜片在激光器、望远镜、测量仪器等领域具有更为优越的应用价值。
磁流变抛光技术还可用于对光学晶体的表面进行抛光。
晶体制品由于材料本身的特殊性,通常具有较强的吸湿性和易溶性,采用传统的抛光方法往往难以获得理想的抛光效果,而磁流变抛光技术的可控性可以在一定程度上解决这一难题,使得晶体表面的抛光更为精细。
超精密加工技术的发展现状自从中国将“装备制造业”列为国家发展战略后,中国的装备制造业取得了突飞猛进的发展,很多大型装备的制造能力都已经跃居世界先进水平,甚至成为世界的顶级水平,但中国制造业总体还是落后的,其落后就在于精密制造的落后。
超精密加工技术是现代高技术战争的重要支撑技术,是现代高科技产业和科学技术的发展基础,是现代制造科学的发展方向。
现代科学技术的发展以试验为基础,所需试验仪器和设备几乎无一不需要超精密加工技术的支撑。
由宏观制造进入微观制造是未来制造业发展趋势之一,当前超精密加工已进入纳米尺度,纳米制造是超精密加工前沿的课题。
世界发达国家均予以高度重视。
超精密加工的发展阶段目前的超精密加工,以不改变工件材料物理特性为前提,以获得极限的形状精度、尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性(无或极少的表面损伤,包括微裂纹等缺陷、残余应力、组织变化)为目标。
超精密加工的研究内容,即影响超精密加工精度的各种因素包括:超精密加工机理、被加工材料、超精密加工设备、超精密加工工具、超精密加工夹具、超精密加工的检测与误差补偿、超精密加工环境(包括恒温、隔振、洁净控制等)和超精密加工工艺等。
一直以来,国内外学者围绕这些内容展开了系统的研究。
超精密加工的发展经历了如下三个阶段。
1)20世纪50年代至80年代,美国率先发展了以单点金刚石切削为代表的超精密加工技术,用于航天、国防、天文等领域激光核聚变反射镜、球面、非球面大型零件的加工。
2)20世纪80年代至90年代,进入民间工业的应用初期。
美国的摩尔公司、普瑞泰克公司,日本的东芝和日立,以及欧洲的克兰菲尔德等公司在政府的支持下,将超精密加工设备的商品化,开始用于民用精密光学镜头的制造。
单超精密加工设备依然稀少而昂贵,主要以专用机的形式订制。
在这一时期还出现了可加工硬质金属和硬脆材料的超精密金刚石磨削技术及磨床,但其加工效率无法和金刚石车床相比。
3)20世纪90年代后,民用超精密加工技术逐渐成熟。
表面技术第52卷第12期钛合金结构件磁流变电解复合抛光试验研究梁志强1,2,苏志朋1a,胡雨童1b,冯铭3,杜宇超1a,刘宝隆2,李兵2,周天丰1(1.北京理工大学 a.机械与车辆学院 b.医工融合研究院,北京 100081;2.北京理工大学珠海学院,广东 珠海 519088;3.温州大学 机电工程学院,浙江 温州 325000)摘要: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NaNO3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15 nm,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。
关键词:钛合金;磁流变;电解;抛光;表面质量中图分类号:TG580.692文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)12-0102-10DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.009Experimental Study on Magnetorheological Electrolysis CompositePolishing of Titanium Alloy Structural PartsLIANG Zhi-qiang1,2, SU Zhi-peng1a, HU Yu-tong1b, FENG Ming3, DU Yu-chao1a,LIU Bao-long2, LI Bing2, ZHOU Tian-feng1(1. a. School of Mechanical Engineering, b. School of Medical Technology, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081, China; 2. Beijing Institute of Technology, Zhuhai, Guangdong Zhuhai 519088, China;3. School of Mechanical Engineering, Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325000, China)ABSTRACT: Titanium alloy has the advantages of high strength, good ductility, strong corrosion resistance and elastic modulus close to human bone, which is suitable for making human lower limb joints. According to the requirements of pharmaceutical收稿日期:2023-11-15;修订日期:2023-12-19Received:2023-11-15;Revised:2023-12-19基金项目:国家自然科学基金(51975053);基础科研项目(JCKY2021208B046,DEDPCL);转化应用项目(D44F9A65,2B0188E1)Fund:National Natural Science Foundation of China (51975053); Basic Research Program (JCKY2021208B046, DEDPCL); Conversion Application Project (D44F9A65, 2B0188E1)引文格式:梁志强, 苏志朋, 胡雨童, 等. 钛合金结构件磁流变电解复合抛光试验研究[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 102-111.LIANG Zhi-qiang, SU Zhi-peng, HU Yu-tong, et al. Experimental Study on Magnetorheological Electrolysis Composite Polishing of Titanium第52卷第12期梁志强,等:钛合金结构件磁流变电解复合抛光试验研究·103·industry standards, the surface roughness Ra of joint implants generally does not exceed 0.1 μm, and the surface should be free of defects such as oxide skin, cracks, pits, edges, burrs and so on. Therefore, the high efficiency and high quality preparation of nano-scale ultra-smooth surface is the premise of achieving the wide application of titanium alloy in medicine. In order to further improve the polishing efficiency and polishing quality of titanium alloy, this article combined the high efficiency of electrolytic polishing and the high quality characteristics of magnetorheological polishing, and proposed a magnetorheological electrolytic composite polishing method for titanium alloy structural parts. The effects of electrolyte mass fraction, machining voltage, machining gap, tool speed and other polishing parameters on the surface quality of titanium alloy were discussed. The effects of different polishing parameters on the surface morphology of the titanium alloy were analyzed. The formation mechanism of the titanium alloy surface under electrolysis and magnetorheological polishing was elucidated. The feasibility of magnetorheological electrolytic composite polishing of titanium alloy artificial joint prostheses was verified. The experimental results show that with the increase of NaNO3 mass fraction in the electrolyte, the surface roughness of titanium alloy first decreases and then increases. Under the conditions of 1.0wt.%-2.5wt.% mass fraction of NaNO3, the titanium alloy surface quality of magnetorheological electrolysis composite polishing is better than that of magnetorheological polishing. The effects of different machining voltages on the polishing quality of titanium alloy are analyzed, and the results show that when the machining voltage is 0.1 V, the surface roughness of the titanium alloy after polishing reaches 18 nm, and the surface quality is better than that of magnetorheological polishing. Then, as the machining voltage increases, the surface roughness of the polished surface shows an increasing trend. The effect of different machining gaps on the polishing quality of titanium alloy was compared. The results show that as the machining gap increases, the surface roughness of magnetorheological electrochemical composite polishing shows a trend of first decreasing and then increasing. The effect of different machining gaps on the polishing quality of titanium alloy was compared. The results show that as the tool speed increases, the surface roughness of the titanium alloy after polishing first decreases and then increases. When the tool speed is 300 r/min, the surface roughness of the surface polishing is reduced to the minimum. A comparative experiment was conducted on the magnetorheological and magnetorheological electrochemical composite polishing of titanium alloy artificial joint prostheses. The results showed that, compared with magnetorheological polishing, the efficiency of magnetorheological electrochemical composite polishing was improved by 62.5%. At the same polishing time, the polishing quality of the magnetorheological electrolytic composite polishing process is better. The magnetorheological electrolysis composite polishing method can be used for the high efficiency and high quality polishing of titanium alloy joint prosthesiss.KEY WORDS: titanium alloy; magnetorheological; electrolysis; polishing; surface quality随着人均寿命显著延长,骨关节疾病的发生率越来越高,严重影响了患者日常生活质量,人工关节置换术是极为有效的治疗方法,其疗效无法用药物替代[1]。
磁流变抛光工艺优化及关键技术研究与应用一、引言磁流变抛光工艺作为一种新型的表面加工技术,在材料加工领域取得了广泛的应用。
它利用磁流变液体的流变特性,结合磁场作用,实现对工件表面的精密抛光。
本文将就磁流变抛光工艺的优化及关键技术进行深入探讨,并探讨其在实际应用中的研究和发展。
二、磁流变抛光工艺概述磁流变抛光是一种集机械、液压、磁力于一体的新型表面处理技术,其基本原理是在磁流变液的作用下,通过控制磁场的变化,调节磁流变液的粘度,实现对工件表面的抛光。
研究表明,磁流变抛光工艺能够显著提高工件表面的光洁度和精度,并且具有能耗低、加工成本低等优点。
三、磁流变抛光工艺优化1. 工艺参数优化磁流变抛光工艺中,工艺参数的选择对抛光效果起着至关重要的作用。
磁场强度、磁流变液的粘度、工件的转速等参数的选择都会直接影响抛光效果。
通过对这些工艺参数进行优化,可以有效提高磁流变抛光工艺的效率和质量。
2. 磁流变液的选择和优化磁流变液作为磁流变抛光的重要工作介质,其性能直接关系到抛光效果。
对磁流变液的选择和优化是磁流变抛光工艺优化的关键之一。
在实际应用中,需根据工件的材料特性和抛光要求,选择合适的磁流变液,并通过磁流变液的稳定性、粘度、流变特性等性能进行优化。
4. 抛光头设计与优化抛光头是磁流变抛光设备中的关键部件,其设计与优化直接影响着抛光效果。
通过合理设计抛光头的结构和参数,可以实现对工件表面的精密抛光,提高抛光效率和质量。
四、磁流变抛光工艺关键技术研究与应用1. 磁流变抛光的自动化控制技术为了提高磁流变抛光的生产效率和稳定性,磁流变抛光设备需要具备自动化控制技术。
通过对磁场、磁流变液流量、工件转速等参数进行智能控制,可以实现抛光过程的自动化和精密控制。
2. 磁流变抛光的在线检测技术在线检测技术是磁流变抛光工艺中的关键技术之一,通过对抛光过程中工件表面质量的实时监测和检测,可以及时发现问题并进行调整,保证抛光效果的稳定和一致性。
【磁流变抛光技术的研究现状及其发展】1. 引言磁流变抛光技术是一种新兴的抛光加工技术,利用磁流变液体的独特性能,结合磁场控制的方法,对工件进行抛光和表面处理。
它能够实现高效、精密、环保的加工,受到了广泛关注和研究。
本文将深入探讨磁流变抛光技术的研究现状及其未来发展。
2. 磁流变抛光技术的原理磁流变抛光技术是基于磁流变液体的特性,利用外加磁场改变磁流变液的流变性能来实现对工件表面的加工。
通过控制磁场的强度和方向,可以实现对抛光压力和速度的精确调节,从而实现不同表面质量的加工。
3. 研究现状目前,磁流变抛光技术已经在微机械加工、光学元件加工、航空航天加工等领域得到了广泛应用。
国内外的研究机构和企业纷纷投入到磁流变抛光技术的研究中,不断推动着该技术的发展。
磁流变抛光技术已经取得了一系列突破,不仅在加工效率上有了显著提高,而且在工件表面质量和加工精度上也取得了革命性的进展。
4. 技术挑战与解决方案然而,磁流变抛光技术在实际应用中还存在一些挑战,如磁场控制精度、磁流变液稳定性、工艺参数优化等方面仍有待提升。
针对这些挑战,研究人员提出了一系列解决方案,包括新型磁流变液体的研发、先进的磁场控制技术、智能化的加工系统等,为磁流变抛光技术的发展提供了新的动力。
5. 未来发展趋势随着科技的不断进步和市场需求的不断扩大,磁流变抛光技术有望迎来更广阔的发展空间。
未来,研究人员将继续加大对磁流变液体性能的研究和开发,不断提升磁场控制技术的精度和稳定性,并探索磁流变抛光技术在新领域的应用,如医疗器械、新能源材料等领域。
相信在不久的将来,磁流变抛光技术将会成为制造业新的突破口。
6. 个人观点作为一种新兴的抛光加工技术,磁流变抛光技术具有巨大的潜力。
我对其发展充满信心,并期待它能够为工件加工带来全新的革命性改变。
相信随着科技的不断进步,磁流变抛光技术将会成为未来制造业的重要发展方向之一。
7. 总结磁流变抛光技术在取得显著成就的也面临着一些挑战和问题。
精密和超精密加工技术现状和发展趋势1.引言国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、德国和日本发达国家中,美国、日本、德国等在高技术领域(如国防工业、集成电路、信息技术产业等)之所以一直领先,与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。
由于加工技术水平的发展,精密和超精密加工划分的界限逐渐向前推移,但在具体数值上没有确切的定义。
被加工零件的尺寸精度在 1.0~0.1μm,表面粗糙度Ra在0.1~0.03μm之间的加工方法称为精密加工。
超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm,表面粗糙度Ra小于0.025μm,以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术,亦称之为亚微米级加工技术,且正在向纳米级加工技术发展超精密加工技术主要包括:超精密加工的机理,超精密加工的设备制造技术,超精密加工工具及刃磨技术,超精密测量技术和误差补偿技术,超精密加工工作环境条件。
2.发展现状美国是开展研究最早的国家,也是迄今处于世界领先地位的国家。
早在50年代末,由于航天等尖端技术发展的需要,美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术,并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床,用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面、非球面大型零件。
20世纪80年代后期,美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”,对超精密金刚石切削机床的开发研究,投入了巨额资金和大量人力,实现了大型零件的微英寸超精密加工。
如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经研制出一台大型光学金刚石车床(Large Op tics Diam ond Turn ing Machine, LODTM ), 是一台最大加工直径为1.63m的立式车床,定位精度可达28nm,借助在线误差补偿能力,它已实现了距离超过1m而直线度误差只有±25nm 的加工。
在美国能源部支持下,LLI实验室和Y-12工厂合作,与1983年成功地研制出大型超精密金刚石车床(DTM—3型)。
高效率磁流变抛光技术的研究与应用【摘要】随着激光核聚变、航空、航天、宇宙探测、军事侦察等高科技领域的发展,人们对光学零件的表面精度要求越来越高。
在常规光学玻璃加工中,研磨、抛光是最常用的制造光滑镜面的方法,但是传统的抛光技术存在着效率低、精度不能满足现代光电技术发展的要求的问题。
在过去的几十年里,磁流变液已被广泛的应用于各种工程领域,其性能也逐步提高。
磁流变抛光技术(MRF)正是在磁流变液发展的基础上被提出的,是一种新兴的光学表面精密加工技术。
随着人们对超精密抛光技术的深入研究和超光滑检测技术水平的提高,磁流变抛光技术以其优越的性能越来越受到广泛重视。
本文主要做了以下几个方面的研究工作:1.研制磁流变抛光液。
根据磁流变抛光的机理和特点,提出了适用于K9光学玻璃抛光的磁流变液的要求。
根据这一标准,分析了磁流变抛光液各组成成分的作用原理及特性要求,由此确定了磁流变抛光液的各组成成分和配置工艺路线,成功研制了性能良好的磁流变抛光液。
2.材料去除率实验研究。
利用制备的磁流变抛光液进行材料去除实验,根据正交实验法以及单因素法的补充,得到了各因素对材料去除率的影响主次关系和影响规律,为材料去除的定量控制和磁流变抛光液的性能改良打下了基础... 更多还原【Abstract】 With the laser fusion, aviation, aerospace, space exploration, military reconnaissance and other high-tech developments in the field, requirements of people on the surface of precision optical components increasing. In conventional optical glass machining, grinding and polishing are most commonly used method of manufacturing smooth mirror. However, there are issues that the traditional low efficiency polishing technology, accuracy can not meet the requirements of modern opticaltechnology.In the... 更多还原【关键词】光学零件;磁流变抛光;磁流变抛光液;材料去除率;表面粗糙度;去除深度;【Key words】Optical Components;Magnetorheological Finishing;MR Fluids for Finishing;Material Removal Rate;Surface Roughness;Removal Depth;摘要5-7ABSTRACT 7-8目录9-11第一章绪论11-171.1 前言11-121.2 磁流变抛光技术国内外发展及研究现状12-151.3 高效率磁流变抛光技术的研究背景及意义151.4 论文的主要研究内容及章节安排15-17第二章磁流变抛光机理分析及其装置实现17-242.1 光学零件的传统加工方法17-192.2 磁流变抛光机理19-212.3 磁流变抛光装置实现21-232.4 本章小结23-24第三章磁流变抛光液的研究24-383.1 磁流变液的研究与发展24-263.2 磁流变抛光液的性能要求26-273.3 磁流变抛光液的组成选取27-333.3.1 磁敏微粒选取27-293.3.2 基载液选取29-313.3.3 添加剂选取31-323.3.4 抛光磨粒选取32-333.4 磁流变抛光液的制备工艺路线33-343.5 磁流变液本构模型比较34-373.5.1 Bingham粘塑性模型34-353.5.2 双粘度模型353.5.3 Herschel-Bulkley模型35-363.5.4 其他模型研究36-373.6 本章小结37-38第四章磁流变抛光液的初步应用及实验38-634.1 磁流变抛光的实验目的及实验条件38-394.2 实验工艺参数的选定39-404.3 材料去除实验及结果分析40-574.3.1 实验方案设计及结果40-424.3.2 对材料去除率影响的显著性水平分析42-444.3.3 抛光磨粒浓度对材料去除率的影响规律分析44-464.3.4 抛光磨粒粒径对材料去除率的影响规律分析46-484.3.5 磁敏微粒含量对材料去除率的影响规律分析48-504.3.6 材料去除深度微观形貌的初步研究50-574.4 表面粗糙度实验及结果分析57-614.4.1 实验方案设计及结果57-604.4.2 对表面粗糙度影响的显著性水平分析60-614.5 本章小结61-63第五章总结与展望63-665.1 研究工作总结63-645.2 进一步的展望64-66参考文献【索购全文】Q联系Q:138113721 1030850491全文提供服务费:25元RMB 即付即发支付宝账号:xinhua59168@【说明】1、本站为中国学术文献总库合作代理商,作者如对著作权益有异议请与总库或学校联系;2、为方便读者学习和引用,我们可将图片格式成WORD文档,费用加倍。
磁流变弹性体制备及其在精密加工应用研究进展*龙浩天1, 路家斌1, 胡 达1, 邓家云2, 付有志3, 阎秋生1(1. 广东工业大学 机电工程学院, 广州 510006)(2. 昆明理工大学 机电工程学院,昆明 650031)(3. 广东技术师范大学 机电学院 ,广州 510665)摘要 磁流变弹性体(magnetorheological elastomer ,MRE )是一种磁控智能材料,可通过调节外加磁场强度对其机械性能(如刚度、弹性模量、固有频率、阻尼能力等)进行连续、可逆的控制,在振动控制、机械工程、土木工程等领域得到了广泛的研究和应用。
将MRE 作为一种磨抛工具,利用磁场改变其刚度等性能来控制磨抛过程的机械去除,有望在精密加工领域得到广泛的应用。
本文介绍了MRE 的制备材料、制备方法和工艺,分析了外场(磁场和温度场)对MRE 性能的影响规律,阐述了基于磁偶极子理论和宏观力学的本构模型,为MRE 制备研究和实际工程应用提供指导,综述了MRE 在精密加工领域的应用状况和未来发展方向。
利用MRE 的磁控性能变化可以较好地应用于精密加工,具有很好的发展前景。
关键词 磁流变弹性体;磁流变效应;磁控性能;精密加工中图分类号 TG580.61 TQ330 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)02-0218-15DOI 码 10.13394/ki.jgszz.2022.0096收稿日期 2022-06-23 修回日期 2022-07-26磁流变弹性体(magnetorheological elastomer ,MRE )是将微米级的磁性颗粒加入高分子聚合物中固化而成的磁控智能材料[1]。
在外加磁场的作用下,MRE 中的磁性颗粒与基体之间会产生一个相互作用力,在宏观上表现为刚度、弹性模量等机械性能的变化。
利用该特性,MRE 已被广泛应用于振动控制、仪器仪表、机械工程、土木建筑等领域[2],如可调谐隔振器[3]、智能基础隔振系统[4]和自适应刚度敏感显示面板[5]。
超精密磁流变复合抛光技术研究进展肖晓兰;阎秋生;潘继生;于鹏;梁华卓;陈润【摘要】对超精密磁流变复合抛光技术的国内外研究进展进行了评述,介绍了当前主要应用的几种超精密磁流变复合抛光技术的加工原理和发展现状。
重点介绍了磁流变射流复合抛光、超声波磁流变复合抛光、化学机械磁流变复合抛光以及集群磁流变复合抛光的加工技术内涵,从加工效率、加工表面均匀性、加工精度、加工适合的材料与形状等方面对上述几类超精密磁流变复合抛光方法进行比较和评述。
最后对超光滑无损伤超精密磁流变抛光技术的发展方向进行了预测。
%Research on magnetorheological finishing technology at home and abroad is reviewed .Accord-ing to the development of magnetorheological finishing technology , the current main application of ultra-precision machining principle and progress of magnetorheological compound polishing technology are elab -orated , mainly focusing on Magnetorheological Jet Polishing , Ultrasonic-magnetorheological Compound Polishing, Chemo-mechanical Magnetorheological Finishing and Cluster of MRF processing methods and mechanism of material removal .Then the MRF method is compared in terms of surface precision machi-ning , surface integrity and processing efficiency .Finally , a discussion is conducted on how to improve the precision polishing efficiency , forecasting the development of ultra-precision magnetorheological fin-ishing and pointing out the key research direction in the future .【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2016(033)006【总页数】6页(P28-33)【关键词】超精密;加工;磁流变;复合抛光;技术发展【作者】肖晓兰;阎秋生;潘继生;于鹏;梁华卓;陈润【作者单位】广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006;广东工业大学机电工程学院,广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TH709精密光学、核能、大规模集成电路、激光和航空航天等尖端技术中所用的硬脆性材料元件常常需要非常高的表面精度以及非常小的加工损伤层.高表面精度及表面完整性可以保证光学元件良好的成像质量, 较小的加工损伤层可以减少光学元件在高能应用中的损坏.超精密加工对工件的材质、加工设备与加工工具、测量和环境等条件都有特殊的要求,需要综合应用精密机械、精密伺服系统、计算机控制技术、精密测量以及其他先进技术才能获得良好的加工效果.超精密加工技术主要有超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工和超精密抛光,而超精密抛光是最终得到超光滑表面的有效加工方法(当被加工表面的尺寸波动范围在0.1~0.2 nm之间,具有这种特征的表面称为“超光滑表面”).超精密抛光以获得极限的形状尺寸精度、表面粗糙度以及极少的表面损伤(残余应力、组织变化、微裂纹缺陷等)为目标,利用微细磨粒的机械作用和化学作用,在软质抛光工具或电/磁场、化学抛光液等辅助作用下,减少或完全消除加工变质层,获得高表面质量[1].世界各国都在积极研究超精密抛光加工技术,提出了许多新的抛光方法,比如悬浮抛光、电泳抛光、水合抛光、超声抛光、化学机械抛光、应力盘抛光、离子束抛光、射流抛光、气囊抛光、磁流变抛光等.本文对能够实现确定量抛光、加工效率高、表面粗糙度低并且不产生亚表面损伤层的超精密磁流变抛光技术进行评述,介绍几种常见的超精密磁流变复合抛光技术的加工原理及加工实例,从加工效率、加工表面均匀性、加工精度、加工适合的材料与形状等方面对上述几类超精密磁流变复合抛光方法进行比较,并预测今后的重点研究方向.磁流变抛光(Magnetorheological Finishing,MRF)技术的创始人是苏联科学家W.I.Kordonski,他与合作者们将流体动力学理论与电磁学理论结合起来,开创了磁流变抛光这一新的技术领域,其加工原理如图1所示.在磁极3所产生的高强度梯度磁场作用下,磁性粒子被磁化产生偶极矩成链状分布,形成半固体状的Bingham体柔性抛光膜;微细磨料颗粒因为非磁性会受到磁场的排斥而从抛光液中析出来,镶嵌在柔性抛光膜的表层.当含有微细磨料的磁流变抛光液2被抛光轮1带入由工件5表面与抛光盘4所构成的狭小收缩区域时,会对工件表面产生较大的剪切力,从而实现对工件表面的抛光.磁流变体(Bingham体)具有黏弹性,能有效约束磨粒对工件表面的材料进行抛光去除.磨粒在抛光时处于半固着状态,Bingham体能使粒度分布不均匀的大、小磨粒均匀作用于加工表面,避免了由于磨粒不均匀导致的划痕和亚表面损伤.另外,由于磁链串对磨粒的柔性夹持作用,即便抛光时选用去除效率较高的硬磨粒(如金刚石粉),也能产生高质量的抛光表面.因此,磁流变抛光技术是一种非常好的光学材料精密加工方法,具有抛光效果好、不产生亚表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点,广泛应用于大型光学元件、半导体晶片、LED基板、液晶显示面板等材料.Rabinow[2] 在1948年将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体中形成悬浮液.在零磁场情况下,该悬浮液与普通流体相似,表现为流动性良好的液体,但在强磁场作用下可于短时间(毫秒级)内将表观黏度增加两个数量级以上并呈现类固体特性(迅速变硬).这种变化连续且可逆可控,即去掉磁场后又恢复成原来可以流动的流体状态.人们把这种悬浮液称为磁流变液,但是此后的三十多年间由于没有认识到它的剪切应力特性,其发展一直非常缓慢.20世纪90年代,前苏联学者Kordonski与美国罗切斯特大学光学制造中心的Golini、Jacobs等人一起将磁流变抛光(MRF)理论逐步完善与实用化.他们于1994年制作出第一台MRF机床样机,对磁流变抛光液在抛光过程中的特性作了微观解释,用流体动力学润滑理论对磁流变抛光进行了初步的理论分析,并通过大量的实验将工件轴在各个角度抛光不同面形和材料的工件所形成的抛光区编成代码储存起来,为实现数控加工打下基础.1998年4月,他们与QED公司合作,将快速文本编辑程序(QED)技术引入磁流变抛光机中,研制出了第一台磁流变抛光机Q22-X,使MRF技术走向了商业化.我国从20世纪90年代末期逐步开始磁流变抛光的加工研究.中科院长春光学精密机械与物理研究所、国防科技大学、中国科技大学、中国工程物理研究院、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、大连理工大学、湖南大学、东北大学以及广东工业大学等高校及科研院所对磁流变抛光技术进行了深入的研究,研制出各具特色的磁流变抛光实验装置,并不断深入探索磁流变抛光的加工机理.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所的唐小会等人[3]根据磁流变抛光工艺特点,设计了缎带标定和工件位姿测量等自动化工艺过程,并基于华中数控系统实现了缎带标定和端面测量等工艺过程固定循环G代码.广东工业大学的阎秋生等人自主研制了集群磁流变平面抛光加工试验装置,并在集群磁流变平面抛光加工试验装置的基础上提出了集群磁流变-化学机械复合抛光加工方法和基于动态磁场的集群磁流变抛光方法.初始表面粗糙度Ra为107 nm的单晶碳化硅基片,在经过60 min的集群磁流变-化学机械复合抛光后,基片的表面粗糙度Ra降至0.71 nm,材料最高去除率(MRR)达到98 nm/min[4].在磁流变抛光加工机理方面,长春光学精密机械研究所张峰等人[5]建立了磁流变抛光的材料去除模型,并研制出一种具有优良流变性和较高抛光效率的新型磁流变抛光液以及一种适合大口径非球面反射镜加工的带式磁流变抛光机,还提出一种基于矩阵代数运算模型的磁流变抛光驻留时间求解算法.国防科技大学石峰等人进行了磁流变抛光去除磨削亚表面损伤层的实验研究.他们将直径为100 mm的K9材料平面玻璃经过156 min的磁流变粗抛,去除了50 μm深度的亚表面损伤层,表面粗糙度Ra提升至0.926 nm;再经过17.5 min磁流变精抛,去除玻璃表面200 nm厚的材料,并消除磁流变粗抛所产生的抛光纹路,表面粗糙度Ra提升至0.575 nm[6].东北大学的孙百万等人[7]提出并设计了一种往复式动磁场磁流变抛光试验方法,试验结果证明了往复式动磁场磁流变抛光方法的有效性.湖南大学的尹韶辉等人[8]分析了磁流变化学抛光的加工机理,对蓝宝石基片的磁流变化学抛光进行了试验研究,利用磁流变化学抛光方法加工蓝宝石基片可获得Ra为0.3 nm的超光滑表面.美国罗切斯特大学的光学制造中心(Center for Optics Manufacturing, COM)最先提出磁流变射流抛光(Magnetorheological Jet Polishing, MJP)技术,用来抛光高陡度的深凹面或内腔表面.其加工原理如图2所示,混有微细磨料的磁流变液在喷嘴出口附近的外加局部轴向磁场作用下,在毫秒量级的时间内转化为黏塑性的Bingham流体,形成准直的硬化射流束,喷射到一定距离外的工件表面进行抛光加工.外加局部轴向磁场主要起到汇聚射流束的作用,射流束的直径在较长距离内基本保持不变,如图3所示.抛光加工时,根据试验获得的射流聚束曲线选择相应的聚束磁场.射流速度越大材料去除率越高,但表面粗糙度也会增大,需要选择适当大小的射流速度,以使表面粗糙度达到最优.COM的研究人员Tricard M等人对熔石英平面工件用MJP方法抛光后的表面面形P-V值为13 nm,表面粗糙度RMS为2 nm,其加工效果如图4所示.国防科技大学戴一帆等人使用MJP技术加工直径48.8 mm、顶点曲率半径25.45 mm的凹形光学表面,面型P-V值由0.57 μm收敛至0.25 μm[9].哈尔滨工业大学的张飞虎等人首先提出了超声波磁流变复合抛光技术(Ultrasonic-magnetorheological Compound Polishing).他们研制了一套五轴四联动的超声波磁流变复合抛光装置,其加工原理如图5所示.利用插补算法在该装置上对光学玻璃K9进行抛光加工实验,可以稳定地获得表面粗糙度小于1 nm的K9玻璃表面[10].超声波磁流变复合抛光方法的材料去除率是普通磁流变抛光的3.1倍[11] ,将超声波磁流变复合抛光技术与计算机数字控制技术相结合,可望实现精度和效率都较高的小曲率半径非球面及自由曲面元件的数控加工.Jain V K等基于磁流变效应与化学效应提出了化学机械磁流变复合抛光(Chemo-mechanical Magnetorheological Finishing,CMMRF)技术.将氧化剂、催化剂、磨料等混入磁流变液作为抛光液,在外加磁场作用下使抛光盘表面形成黏弹性抛光垫以约束游离磨料.化学机械磁流变复合抛光的加工原理如图6所示.抛光过程中,工件表面与抛光液会发生化学反应,加工表面的反应物不断被磨粒机械剥离并随抛光液带走,新裸露的被加工表面又被氧化和去除.Jain V K以硅片为实验材料,在自主研制的CMMRF平台上进行实验加工,原始工件的表面粗糙度Ra由13.4nm最终降至0.5 nm[12].广东工业大学的阎秋生团队为了实现高效率超光滑平坦化加工,提出了集群分布式磁性体构成抛光工具形成集群磁流变效应抛光(Cluster Magnetorheological Polishing)的新方法.他们将多个小磁性体有规则地排列在非磁性体圆盘上,形成集群磁流变效应平面抛光盘,其加工原理及加工实验装置如图7所示[13].研制了集群磁流变效应平面试验装置并进行了K9光学玻璃和硅片的抛光加工试验.结果表明,集群磁流变效应平面抛光加工方法可以实现高精度抛光,K9玻璃最终表面粗糙度Ra可以达到0.005 μm,硅片可以达到0.016 μm.同时具有高效率,利用10 min 时间可以实现表面粗糙度下降一个数量级,50 min可以实现K9玻璃降低表面粗糙度3个数量级、硅片降低表面粗糙度1个数量级[14].在磁流变抛光工作液中掺杂大尺寸磨粒对K9光学玻璃与硅片进行抛光加工实验,发现在粒径为0.6 μm的磨粒中掺杂粒径为1.8 μm的金刚石粉进行抛光后的表面质量优于粒径为1.1 μm的磨粒加工的表面质量,且发现随着掺杂磨粒尺寸的增大,加工表面的Ra、Rv值虽有增大,但增长幅度远小于同等状况下游离磨粒加工的增长幅度[15].集群磁流变柔性抛光垫的“容没”效应,可以容许粒径不一致的大、小磨粒均匀作用于加工表面,不易导致加工表面的划伤和亚表面损伤,可选择硬度高的磨粒以增加其材料去除效率.为获得原子级的超光滑平坦表面,需要磨粒对工件表面的切入深度足够小并做到塑性状态去除,就要采用超细的亚微米/纳米级磨粒和磁性粒子进行磁流变抛光,但是这样会导致磁流变效应急剧减弱,对加工表面的抛光压力减小,使抛光效率显著降低.另外,由于磁流变液的黏弹性,工件经过集群磁流变抛光垫后会把凸起的柔性抛光垫压下而无法恢复,从而失去了对工件的压力,使得工件边缘与其他区域的材料去除率相差极大,并且磨料在黏弹性抛光垫中难以更新,进一步降低了加工效果.基于以上问题,阎秋生团队提出了基于动态磁场的集群磁流变抛光方法,其抛光原理如图8所示[16].当主轴电机带动偏心主轴旋转,会驱使同步旋转的偏心轴固定盘发生转动,偏心轴固定盘的转动使各柔性偏心转动轴同步转动,进而带动各磁极在磁铁转动偏心距下转动,实现磁极端面的静态磁场向动态磁场转变.通过调节偏心套筒的旋转角度,可以调节磁铁的转动偏心距,进而调节动态磁场.该抛光方法通过使磁极阵列有规律地偏心转动,形成动态磁场,可以实现集群磁流变柔性抛光垫的形状修复以及磨料向柔性抛光垫表面富集自锐,从而改善磁流变柔性抛光垫的加工性能,进一步提高集群磁流变的抛光效率,实现工件表面材料的高效率超光滑平坦化抛光.综上分析,从加工表面精度、加工效率、加工表面均匀性和加工适合的材料与形状等方面将上述的超精密磁流变复合抛光技术进行比较,归纳如表1所示.超精密磁流变抛光技术在近年来得到迅速发展,纳米水平的加工精度使其占有越来越重要的地位.但是针对磁流变抛光的微观尺度加工机理的研究仍然处于定性分析阶段,目前的加工方案主要是经验性的总结,还缺乏系统性的理论研究,对实现新一代半导体材料的高效率平坦化加工和超光滑无损伤表面抛光的研究尚未建立起完整的超精密加工体系,还需要进一步创新理论和加工方法.后续将从磁场产生和作用机理方面、磁流变液的动态微观结构方面、磁流变加工过程的作用力(抛光力)、磨粒的作用机制和运动轨迹等方面来进行深入系统地研究,从而定量寻求超光滑无损伤超精密磁流变抛光技术的加工工艺方案.YUAN 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