磁性复合流体抛光机理及其使用寿命研究

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近年来,现代科学技术的高速发展对光学元器件的表面粗糙度、面形精度的要求不断提高,抛光工艺是得到超光滑表面的有效加工方法之一。然而传统抛光工艺在加工过程中易产生亚表面损伤层,且材料去除不易控制,并不满足高精度零件的需求。因此,多学科互补融合的超精密抛光工艺应运而生,超精密抛光工艺是获取高表面质量、高形状精度、高表面完整性的有效手段,主要包括磁场辅助抛光、电泳抛光、射流抛光、磨粒流抛光、化学抛光、化学机械抛光、超声抛光、水合抛光等。其中磁场辅助抛光工艺因其可实现确定性抛光,且面形精度高,表面粗糙度低,材料去除可控及不产生亚表面损伤层等优点,迅速受到各国的关注与研究。磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)具有较大的粘度,同时具有良好的颗粒分散性,是一种有着良好工业应用前景的磁性流体。然而,在磁性复合流体抛光过程中,MCF抛光液的组分损失会导致其抛光性能下降,使用寿命缩短,严重制约着磁性复合流体抛光工艺的工业化应用。首先,本文设计制造了一种可定量添加MCF抛光液组分的磁性复合流体抛光装置,以期延长MCF抛光液的使用寿命。依据抛光原理,利用Maxwell软件对所使用的永磁铁进行磁场分析,研究磁性复合流体抛光的加工机理,构建材料去除模型和表面粗糙度模型。之后,通过实验中各参数(MCF抛光液供应量、永磁铁偏心距、加工间隙、MCF载液板转速及永磁铁转速)对表面粗糙度和材料去除量的影响,研究各实验参数对抛光性能的影响程度,探究不同参数对工件表面的影响机理。最后,针对抛光过程中MCF抛光液所损失的组分种类进行分析,探究所添加组分的最优配比。研究结果表明,当MCF供应量为1 m L、磁铁偏心距为4 mm时,可以获得理想的MCF抛光工具,此时,MCF抛光工具的成形时间为960 ms,底部直径为27.4 mm,最大高度为8.05 mm,最大高度距中心线1 mm;当偏心距为4 mm、加工间隙为1 mm、磁铁转速为600 rpm及MCF载液板转速为500 rpm时,该磁性复合流体抛光装置可获得较好的抛光性能;在最优实验参数下,使用该装置对PC板加工10 min,抛光后的表面粗糙度由0.446μm降低到10 nm,相较于抛光前降低了97.75%,大幅度提升了工件的表面质量;MCF抛光液在抛光过程中损失了磨粒、α-纤维、水分及MF中的纳米级颗粒,添加12 wt.%的磨粒溶液和2 wt.%的α-纤维溶液有助于延长MCF抛光液的使用寿命,以水基MF为基液配制溶液可以更好的延长MCF抛光液的使用寿命。实验证明,该装置具有稳定的可靠性,验证了通过添加MCF抛光液所损失的组分,可以有效的提高MCF抛光液的使用寿命,提高磁性复合流体抛光的加工效率,对磁性复合流体抛光的工业化应用具有重要意义。
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