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1、第7卷第5期光學(xué)精密工程Vol.7,No.51999年10月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGOctober,1999文章編號(hào)1004-924X(1999)05-0001-08磁流變拋光技術(shù)張峰余景池張學(xué)軍王權(quán)陡(中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)春130022)摘要對(duì)磁介質(zhì)輔助拋光技術(shù)20年來的發(fā)展作了簡(jiǎn)要的回顧,進(jìn)而介紹了磁流變拋光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展背景、拋光機(jī)理及微觀解釋、數(shù)學(xué)模型,同時(shí)提出了這種拋光技術(shù)的關(guān)鍵所在,并對(duì)其發(fā)展未來進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞磁介質(zhì)輔助拋光磁流變拋光磁流變拋光液凸緞帶拋光區(qū)中圖分類號(hào)TQ171.684文獻(xiàn)
2、標(biāo)識(shí)碼A1引言隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,各個(gè)學(xué)科交叉發(fā)展,形成了許多新領(lǐng)域,產(chǎn)生了很多新技術(shù)。對(duì)于光學(xué)加工技術(shù),人們也不斷地進(jìn)行探索。80年代初期,日本有人將磁場(chǎng)用于光學(xué)加工,形成了[1]磁介質(zhì)輔助拋光方法。1984年,Y.Tain和K.Kawata利用磁場(chǎng)輔助拋光對(duì)聚丙烯平片進(jìn)行加工。圖1為這種加工方法的原理示意圖。他們將一些N、S極相間的長(zhǎng)條形永久磁鐵緊密相連排成一列形成非均勻磁場(chǎng)(磁通密度大約0.1T)。將盛有非磁性拋光粉(碳化硅,直徑4m,體積含量40%)和磁性液體(直徑為10～15nm的四氧化三鐵磁性微粒均勻地混合在二十烷基萘基液中)的均勻混合液的圓形容器放置在這個(gè)磁場(chǎng)
3、中。磁場(chǎng)梯度使拋光粉浮起來與浸在磁性液體中的工件相接觸。在加工過程中,工件與容器同時(shí)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的去除,其材料去除率為2m/min。經(jīng)過一小時(shí)的拋光[2]工件表面粗糙度降低了10倍。1987年,Y.Satio等人又在水基的磁性液體中對(duì)聚丙烯平片進(jìn)行了拋光。這種方法的缺點(diǎn)是拋光壓力較小,不能對(duì)玻璃或其它較硬材料進(jìn)行拋光,并且不能對(duì)工件面形進(jìn)行較為有效的控制。*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)69608006)收稿日期:1999-06-07修稿日期:1999-07-022光學(xué)精密工程7卷Fig.1PolishingofacrylicplateswithSiCabrasive
4、sinamagneticfluidcomposedof15nmdiametermagneticparticles.Thepolepiecesserveasthereferencelappingsurfacefortheworkpiece.[3]1989年,Suzuki等人用柔性的橡膠墊和聚氨酯將銅盤槽內(nèi)的磁性液體密封。工件浸于聚氨酯上方的拋光液中。在磁場(chǎng)的作用下,磁性液體受力作用到橡膠墊和聚氨酯拋光盤上,柔性的聚氨酯拋光盤受力變形,使其形狀與工件面形相吻合來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行拋光的。他們對(duì)曲率半徑為50mm的硬而脆的晶體進(jìn)行拋光。經(jīng)過30min的拋光,工件表面粗糙度從15nm降到
5、1nm(1.7nmrms),面形誤差從0.4m降低到0.3m。這種方法雖然可以獲得較大的拋光壓R力,但很不容易控制。1993年,他們又對(duì)直徑為40mm的非球面Pyrex玻璃工件進(jìn)行了試驗(yàn),[4]其材料去除率為2～4m/h,仍沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的邊緣進(jìn)行控制。[5]1994年出現(xiàn)一種叫“磁性液體研磨”的光學(xué)加工方法。這種方法是在磁性液體中放一個(gè)“浮體”,在磁場(chǎng)的作用下,磁性液體給“浮體”以力的作用,使其與工件相接觸來進(jìn)行拋光。這樣,以整個(gè)“浮體”所受的力來代替原來單個(gè)拋光粉所受的力,使拋光壓力大大加強(qiáng)。這種方法比較適合陶瓷材料加工。[6]另有一種稱之為“磁微粉拋光”的光學(xué)加工
6、方法。這種方法適合軸的拋光。將軸的周圍放置很多磁性拋光粉,在外磁場(chǎng)的作用下,磁性拋光粉聚結(jié)在一起形成“磁粉刷”。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí),軸與“磁粉刷”摩擦,從而對(duì)軸進(jìn)行拋光。這種方法適合于鋼或陶瓷的加工。這些磁介質(zhì)輔助拋光方法,或者拋光效率太低,或者產(chǎn)生較大的破壞層,或者拋光不易控制,總之都存在一定的缺陷。5期張峰等:磁流變拋光技術(shù)32磁流變拋光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展背景為了獲得高精度面形和不產(chǎn)生破壞層,有人將流體動(dòng)力學(xué)理論引入光學(xué)加工形成一些非接觸拋光方法。較有代表性的一種方法稱之為“水上飛機(jī)拋光”,它是基于流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑理[7]論。這種拋光方法是這樣的,當(dāng)一個(gè)沿圓周方向具有多個(gè)傾斜表面的圓
7、盤在液體中旋轉(zhuǎn)時(shí),液楔產(chǎn)生的流體壓力使圓盤表面上的工件浮起。當(dāng)隨著流體運(yùn)動(dòng)的拋光粉顆粒通過工件由于浮起而與圓盤之間形成的空隙時(shí),不斷地撞擊工件表面,從而引起材料的去除。其缺點(diǎn)是拋光[8～10]壓力小,效率低。另一種方法叫“彈性發(fā)射機(jī)”拋光。工件和放在其上的小球一起浸沒在拋光液中,由于流體效應(yīng),當(dāng)小球旋轉(zhuǎn)時(shí),小球和工件之間形成一層很薄的潤(rùn)滑膜,拋光粉隨著流體進(jìn)入潤(rùn)滑膜引起對(duì)工件的去除。有人認(rèn)為其拋光機(jī)理是這樣的,拋光粉顆粒進(jìn)入潤(rùn)滑膜時(shí)便與工件表面原子相結(jié)合,當(dāng)拋光粉顆粒隨流體流走時(shí),工件表面上與拋光粉顆粒
