集群磁流变平面抛光加工技术

基于磁流变效应和集群原理提出集群磁流变效应平面抛光技术,对磁极排布方式、端面形状及其尺寸的磁场特性进行静磁场有限元分析优化,结果表明,选取圆柱平底磁极进行同向规律排布时容易形成由多个独立"微磨头"组成的柔性抛光膜,能实现加工表面与"微磨头"的实际接触面积最大化。通过设置"微磨头"尺寸及数量与工件的接触状态,对K9玻璃、单晶硅和单晶6H-SiC三种硬脆材料基片加工出弧形抛光带,试验验证集群磁流变效应抛光膜的集群特性。对加工表面与抛光盘表面之间的间隙、加工时间、磁感应强度和转速等集群磁流变平面抛光工艺参数进行试验优化,并采取优化工艺对三种硬脆材料进行30 min抛光,K9玻璃表面粗糙度从Ra0.34μm下降到Ra1.4 nm,单晶硅从Ra57.2 nm下降到Ra4 nm,单晶SiC从Ra72.89 nm下降到Ra1.92 nm,均能获得纳米级粗糙度表面。     

动磁场磁流变效应抛光垫抛光力特性试验研究

基于动磁场磁流变效应抛光方法,采用微型压电式传感器测试分析动磁场磁流变效应抛光垫法向抛光力特性,研究磁极转速、加工间隙、工件运动方式对动磁场磁流变效应抛光力的影响。结果表明,动磁场磁流变效应平面抛光法向力在抛光垫中心区域最大,pv值在抛光垫的半径6 mm处最大;相对静磁场,在磁极转动的动磁场作用下磁流变抛光力和扭矩呈现大幅度波动的动态行为;动磁场磁流变效应抛光力受到磁极转速影响,大于15 r/min开始产生动磁场,在试验所测得的范围内,磁极转速30 r/min左右有最好效果;工件运动方式是影响磁流变抛光作用力的因素,当工件沿抛光盘径向往复偏摆时扭矩剧烈变化,沿抛光盘法向运动加工间隙减小时抛光法向力会瞬间急剧增大,最大峰值达到稳态值的25倍。     

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。     

磁流变抛光的材料去除数学模型

对磁流变抛光液在抛光区域的固态核分布进行了理论分析。在这基础上,以Preston方程为根据,即被加工工件表面材料去除率与压力参数p成正比的关系,该压力由磁化压力和流体动压力组成,建立磁流变抛光的材料去除数学模型。在自研的试验装置上利用磁流变抛光方法加工BK7平面镜工件,验证了数学模型的合理性。     

磁流变变间隙动压平坦化加工力特性研究

磁流变变间隙动压平坦化加工利用工件的轴向低频振动使磁流变液产生挤压强化效应,可以有效提高加工效果并使光电晶片快速获得纳米级表面粗糙度。通过旋转式测力仪试验研究不同变间隙参数对磁流变变间隙动压平坦化加工过程中抛光正压力的影响规律,结果表明,在工件轴向低频振动作用下,抛光正压力形成脉冲正值和负值周期性的动态变化过程;将工件轴向低频振动过程分解为下压过程与拉升过程,下压速度和拉升速度对动态抛光力有不同的响应特性;随着最小加工间隙的减小抛光正压力会急剧增大;设置最小加工间隙停留时间观察抛光正压力变化,可以发现在工件最小加工间隙停留期间抛光力从峰值逐渐衰减并趋于平稳;挤压振动幅值对抛光正压力影响较小。建立了磁流变变间隙动压平坦化加工材料去除模型,弄清了在动态压力作用下,磨料更新及其附加运动机制,研究了磁流变变间隙动压平坦化加工过程中磨料颗粒对工件表面柔性划擦和微量去除的作用机理,为磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺优化提供了理论依据。     

磨料流微去除力学分析与可控因素影响

研究了磨料流抛光中磨粒微去除力学建模方法以及可控因素影响抛光效果的问题。以力为纽带,提出磨粒去除工件表面微凸材料的动力来源于三个方面--介质作用力、磨粒挤压载荷和磨粒冲击载荷。利用建立的力学模型,分析了磨料流加工的内在因素,其中可控因素包括：加工温度、加工压力、活塞的移动速度、磨料黏度、磨粒物理性质（如尺寸、硬度）等;研究了各可控影响因素与工件表面抛光质量及效率的关系;量化了可控因素的大小对磨粒作用在工件表面的力的影响程度;将磨粒作用在工件表面的力合成并分解为与活塞运动方向相同的轴向力和垂直于工件壁面的切向力,指出微去除效果随轴向力与径向力的比值改变而发生变化,设计出简易的测量轴向力和径向力的方案。用试验验证了所建模型和可控因素对抛光效果影响,以及工件表面的加工纹理方向直接影响工件表面粗糙度的减小率和材料去除率的正确性。     

锡磨盘定偏心平面研抛中材料去除模拟

本文使用超精密平面研磨机及锡磨盘进行超光滑表面的抛光研究,平面抛光中,锡磨盘表面的形貌和加工状况直接影响被加工工件的表面平面度。本文基于Ｐｒｅｓｔｏｎ方程,建立了在定偏心抛光条件下,被加工材料的去除模型,。针对锡盘开有同心圆等沟槽的表面加工状况,提出了一种计算材料有效去除的算法,计算了工件的表面去除误差,对抛光后工件表面形貌提出理论预测。     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。     

电磁流变效应微磨头加工的电磁耦合协同作用机理实验

采用正交试验方法比较了锥形工具旋转和工作台旋转两种状态下的定点加工效果,实验研究了微磨头加工过程中的电磁耦合协同作用机理。在电磁耦合场中,固相粒子被极化形成电偶极子。当锥形工具旋转时,旋转的电偶极子由于洛伦兹力引起的自旋力偶的作用发生原位振动,对工件表面产生有规律的冲击,促进了材料去除,相对于工作台旋转模式其材料去除深度明显加大;但在电磁场较弱的微磨头外围,原位振动会对链串结构造成破坏,从而减小材料去除范围。电磁场耦合方式对电磁流变协同效应有很大影响,磁场励磁电压对材料去除的影响程度最大,其次是电场电压和旋转速度。在本文试验条件下,当锥形工具旋转且励磁电压较低(5V)时具有较好的电磁流变协同加工效果。     

磁流变抛光技术及其质量控制的研究

阐述了磁流变抛光原理,依据Preston方程分析了影响磁流变抛光效果的因素,根据实际加工的工件特点,对Preston方程进行了修正;在自制的磁流变抛光实验机上进行抛光加工试验,结果表明,采用修正的磁流变抛光材料去除方程,可以有效控制工件的抛光质量、提高抛光效率。     

光学玻璃磁性复合流体抛光应力与材料去除率的实验研究

根据光学玻璃元件超精密加工技术的需求,研究自旋转式和行星旋转式磁性复合流体(MCF)抛光的应力分布和材料去除率。首先,设计可实现自旋转和行星旋转抛光装置,搭建抛光实验平台;然后,进行自旋转式和行星旋转式MCF抛光实验,通过自行设计抛光应力分布测试实验分析了两种抛光方式的应力分布规律;最后,通过定点抛光实验,对抛光前后的工件表面轮廓进行检测,计算并分析两种抛光方式的材料去除率。实验结果表明,立式的两种抛光方式,正应力均明显大于剪切应力,工件外侧受到的剪切应力大于中心受到的剪切应力,行星式抛光的材料去除率明显大于自旋转式抛光的材料去除率。     

立、卧式磁性复合流体抛光对比实验研究

针对磁性复合流体(MCF)抛光的两种抛光头,进行MCF抛光特性对比实验研究。开展了黄铜H26的平面抛光实验,调查立式和卧式抛光头分别对工件材料去除率、表面形貌与粗糙度以及MCF水分损耗等抛光特性的影响。实验结果表明,卧式MCF抛光能够较快地降低表面粗糙度,获得较高的材料去除率,MCF水分损失相对较快;立式MCF抛光能够在相对较长时间内获得稳定的材料去除率和表面粗糙度,MCF水分损失也较为平稳。     

径向磁化的双筒永磁轴承轴向磁力研究

为了解决径向磁化的双筒永磁轴承轴向磁力数值计算复杂及缺乏计算轴向磁力的工程化解析模型等问题,该文在分析磁筒气隙磁导的基础上,结合磁通连续性原理和稀土永磁材料特性,通过电磁场理论中的虚位移法得到了该型轴承工程化轴向磁力解析数学模型。模型表明:该型轴承轴向磁力与磁筒剩磁的平方成正比;轴向磁力随磁筒间隙半径、轴向长度及磁路总磁导的增大而增大,随磁筒间隙的增大而减小。在轴承正常轴向工作范围内,该模型计算值与实验值相当吻合。     

液体磁性磨具光整加工的参数选择

液体磁性磨具光整加工技术是用磨具本身的流变特性对工件表面进行光整加工的新技术.在实际加工试验研究的基础上,分析了磁场强度、工件转速、加工时间工艺参数对加工表面质量的影响规律;为进一步研究液体磁性磨具的加工机理和加工装置的改进提供了依据.     

脉冲磁场辅助磁性复合磨粒化学机械抛光技术及其加工试验研究

提出一种脉冲磁场辅助新型磁性复合磨粒化学机械抛光技术。该技术利用磁性聚合物微球与SiO2磨粒组成的复合磨粒抛光液,在脉冲磁场辅助作用下,实现磨粒尺寸对硬质抛光盘微观形貌依赖性小、磨粒易进入抛光区域、材料去除率较高的抛光。设计了“之”字形的对位式结构电磁铁,模拟计算表明其磁感应强度沿抛光平面分布均匀,磁性微球受到的磁力一致性好。磁性微球在抛光系统中的受力分析表明：磁性微球受磁力作用时有利于复合磨粒从近抛光区进入抛光区,以二体磨损的方式去除加工表面;磁性微球不受磁力作用时,复合磨粒随抛光液的流动而移动,避免大量聚集形成磁链。以表面粗糙度Ra=1.1μm的硬质抛光盘进行硅片抛光试验,施加不同频率和占空比的脉冲磁场前后,硅片的去除率从137nm/min提高到288nm/min,频率5Hz、占空比50%时获得最大值,硅片表面粗糙度由抛光前Ra=405nm减小到Ra=0.641nm。     

叶序排布磨粒对砂轮的磨削温度场效应

在砂轮磨削过程中,磨削热影响工件表面完整性,而磨粒排布是影响磨削温度场的重要因素之一。针对磨粒叶序排布的砂轮,采用有限元法对磨削温度场进行了计算模拟分析,获得了叶序系数对工件磨削温度场的影响规律。研究结果表明,随着叶序排布系数的增大,被磨工件的表面温度和温度梯度减低。     

非一致曲率表面下的气压砂轮磨粒剪胀及加工试验研究#br#

针对软固结磨粒气压砂轮在加工异形曲面时,工件所受的切削力以及接触区内磨粒速度因工件曲率发生变化,导致工件不同曲率处材料去除量不均匀的问题, 基于修正的Rowe剪胀理论建立砂轮切削力模型,提出了非一致曲率表面下修正的气压砂轮材料去除模型。通过EDEM软件建立了软固结磨粒气压砂轮模型,分析了砂轮下压量为1.5 mm时工件曲率对接触力以及接触区内磨粒速度的影响。搭建气压砂轮加工试验平台,通过光整加工试验验证修正的材料去除模型。研究结果表明：修正的材料去除模型平均绝对值误差为0.095,而原始的材料去除模型平均绝对值误差为0.291,说明修正的材料去除模型可以用于气压砂轮抛光过程中的定量分析,且工件加工表面划痕明显减少。     

Magnetic field-assisted polishing — application to a curved surface

Magnetic field-assisted polishing using a magnetic fluid was applied to a curved surface. As a polishing test material, a single crystal of LiNBO₃, a hard and brittle material, was examined; it was previously machined to a spherical surface by diamond turning. The results of polishing experiments show that surface roughness of 0.01 μm R_max can be easily obtained by this method. It is also clarified that the magnetic field intensity is closely related to the polishing pressure and the removal rate. Therefore, to finish curved surfaces precisely, the magnetic field distribution must be kept uniform.