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磁流变抛光技术的研究

作　者: 张峰
导　师: 余景池
学　校: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
专　业: 光学
关键词: 磁流变抛光标量磁位磁偶极子磁流变抛光液抛光区磁化压力流体动压力间隙流体动力润滑
分类号: O37
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

磁流变抛光（MRF）是近十年新兴的一种先进光学制造技术，它特别适合中、小口径（φ50mm以下）光学元件的快速抛光。目前，国外只有美国Rochester大学的一些研究人员在做这方面的工作，国内未见这方面的报道。本论文对磁流变抛光的研究工作在国内是首次进行的，属于国内开创性工作。磁流变抛光的原理是这样的：在磁场中，发生流变的磁流变抛光液流经工件与运动盘形成的小间隙时，会对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。磁流变抛光与传统抛光相比最显著的优点是：在抛光过程中，不存在“磨头”磨损的问题。这样，抛光去除函数始终是恒定不变的。这对控制抛光以至实现数控磁流变抛光是十分有利的。磁流变抛光能够顺利进行的两个前提条件是：1提供适合于磁流变抛光的梯度磁场；2配制出具有良好流变性的磁流变抛光液。本文立足于磁流变抛光技术的基础研究，首先在对磁流变抛光技术进行综述的基础上，对进行磁流变抛光所必需的两个前提条件进行了研究。在磁场的研制方面，设计了与分析式铁谱仪的磁路相类似的磁路结构。以该磁场中磁性微粒的受力分析为基础，从理论上分析了磁流变抛光液可以形成抛光所需的缎带凸起，并以实验进行了验证。在磁流变抛光液的研制方面，通过对磁流变抛光液的成分、特性以及流变机理的研究，研制出流变性好、初始粘度低、流动性好的磁流变抛光液。这种磁流变抛光液用于磁流变抛光效果很好。其次研究了磁流变抛光的机理。磁流变抛光机理是这样的，当发生流变的磁流变抛光液流经工件与运动盘之间形成的小间隙时，会在流出区域（抛光区）形成一个附着于运动盘表面上的核心。该核心上表面与工件表面又形成一个更小的间隙，在这个更小间隙内流动的剪切流会对工件表面产生很大的压力（或剪切力），从而使这个区域内工件表面上的材料被高效率地去除。在研究磁流变抛光机理的基础上，根据光学加工中为人们所普遍接受的Preston方程，建立了磁流变抛光的数学模型。从该模型得出的结论与磁流变抛光的实验结果符合得较好。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博土学位论文最后在实验的基础上，研究了抛光时间、运动盘的速度、工件与运动盘形成的间隙大小、磁场强度、工件硬度、磁性微粒的浓度、非磁性抛光粉的浓度等参数对磁流变抛光去除函数的影响。同时研究了抛光后的工件表面粗糙度和下表面破坏层的情况。阐述了今后如何根据磁流变抛光规律来控制被加工工件的面形。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-7
图表索引  7-13
第一章绪论  13-27
  1．1 常用的几种抛光方法  13-15
    1．1．1 传统的研磨及沥青抛光法  13
    1．1．2 浸液抛光  13
    1．1．3 计算机数控抛光  13
    1．1．4 化学抛光法  13-14
    1．1．5 离子束抛光法  14
    1．1．6 流体抛光法  14-15
  1．2 磁流变抛光方法的提出与发展过程  15-20
    1．2．1 磁介质辅助光学加工方法  15-18
      1．2．1．1 磁性液体抛光  15-16
      1．2．1．2 磁场辅助精密抛光  16-17
      1．2．1．3 磁力研抛法  17-18
    1．2．2 磁流变抛光技术的提出与发展  18-20
  1．3 磁流变液研究和应用概述  20-23
  1．4 论文研究的意义及立项背景  23-24
  1．5 论文的主要内容  24-26
  本章小结  26-27
第二章磁流变抛光中所用磁场的分析  27-44
  2．1 磁流变抛光装置  27-28
  2．2 磁流变抛光采用的磁路结构  28-30
  2．3 磁流变抛光磁场分析  30-35
    2．3．1 磁场标量磁位方程的推导  30-34
    2．3．2 磁场强度推导  34-35
  2．4 磁流变抛光液中磁性微粒所受磁场力的计算  35-37
  2．5 磁性微粒受力分析及缎带凸起位置的确定  37-42
  2．6 磁流变抛光液所形成缎带凸起  42-43
  本章小结  43-44
第三章磁流变抛光液的研制  44-60
  3．1 磁流变液的组成  44-45
    3．1．1 磁流变液的磁性微粒  44-45
    3．1．2 磁流变液的基载液  45
    3．1．3 磁流变液的稳定剂  45
  3．2 磁流变液的特性  45-52
    3．2．1 磁流变液的初始粘度  46
    3．2．2 磁流变液的磁特性  46-47
    3．2．3 磁流变液的流变性  47-49
    3．2．4 磁流变液的稳定性  49-51
      3．2．4．1 磁流变液的凝聚稳定性  49-50
      3．2．4．2 磁流变抛光液的沉淀稳定性  50-51
    3．2．5 磁流变液与电流变液的比较  51-52
    3．2．6 磁流变液与磁性液体（铁磁流体）的比较  52
  3．3 磁流变抛光液的研制  52-59
    3．3．1 水基磁流变抛光液  54-55
    3．3．2 油基磁流变抛光液  55-59
      3．3．2．1 油基磁流变抛光液的配制  55-57
      3．3．2．2 油基磁流变抛光液的流变性  57-58
      3．3．2．3 油基磁流变抛光液的稳定性  58-59
  本章小结  59-60
第四章磁流变抛光机理及数学模型  60-79
  4．1 磁流变抛光机理  60-66
    4．1．1 磁流变抛光液的场致微观结构  60-62
    4．1．2 磁流变抛光机理  62-66
      4．1．2．1 Bingham介质与轴承润滑简介  62-64
      4．1．2．2 磁流变抛光机理  64-66
  4．2 磁流变抛光的数学模型  66-78
    4．2．1 Rochester磁流变抛光数学模型  67-69
    4．2．2 磁流变抛光数学模型的建立  69-78
      4．2．2．1 流体动压力P_d的求解  70-72
      4．2．2．2 磁化压力P_M的求解  72-74
      4．2．2．3 磁流变抛光凸球面的去除函数  74-75
      4．2．2．4 磁流变抛光凸球面的去除函数的实验  75-78
  本章小结  78-79
第五章磁流变抛光实验及规律  79-103
  5．1 各种参数对磁流变抛光的影响规律  79-86
    5．1．1 抛光时间对磁流变抛光去除函数的影响  79-80
    5．1．2 运动盘的转速对磁流变抛光的去除函数的影响  80-81
    5．1．3 磁场强度对磁流变抛光的去除函数的影响  81-82
    5．1．4 工件与运动盘形成的间隙大小对磁流变抛光的去除率的影响  82-83
    5．1．5 工件的硬度对磁流变抛光的去除率的影响  83-84
    5．1．6 浓度对磁流变抛光的去除率的影响  84-86
      5．1．6．1 稀释磁流变抛光液对去除率的影响  84
      5．1．6．2 磁性微粒的浓度对去除率的影响  84-85
      5．1．6．3 氧化铈浓度对去除率的影响  85-86
  5．2 抛光区的研究  86-92
    5．2．1 磁流变抛光的标准抛光区形状  86-88
    5．2．2 工件曲率半径对抛光区的影响  88-89
    5．2．3 工件浸入磁流变抛光液中的深度对抛光区的影响  89-90
    5．2．4 工件轴摆角对抛光区的影响  90-92
  5．3 磁流变抛光后光学元件表面粗糙度的研究  92-96
    5．3．1 水基磁流变抛光液抛光后工件的表面粗糙度  92-94
    5．3．2 油基磁流变抛光液抛光后工件的表面粗糙度  94-96
  5．4 磁流变抛光后光学元件下表面破坏层的研究  96-97
  5．5 磁流变抛光后光学元件高频表面粗糙度的研究  97-100
  5．6 磁流变抛光工件面形的控制  100-101
  本章小结  101-103
第六章结论  103-106
参考文献  106-115
致谢  115-116
作者简介  116
攻读博士学位期间发表论文  116

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