磁流變拋光技術(shù).pdf

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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)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室長春130022)摘要對磁介質(zhì)輔助拋光技術(shù)20年來的發(fā)展作了簡要的回顧,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,同時提出了這種拋光技術(shù)的關(guān)鍵所在,并對其發(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

2、區(qū)中圖分類號TQ171.684文獻(xiàn)標(biāo)識碼A1引言隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,各個學(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利用磁場輔助拋光對聚丙烯平片進(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極相間的長條形永久磁鐵緊密相連排成一列形成非均勻磁場(磁通密度大約0.1T)。將盛有非磁性拋光粉(碳化硅,直徑4Lm,體積含量40%)和磁性液體(直徑為10～15nm的四氧化三鐵磁性微

3、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磁場中。磁場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,工件與容器同時旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對材料的去除,其材料去除率為2Lm/min。經(jīng)過一小時的拋光[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聚丙烯平片進(jìn)行了拋光。這種方法的缺點是拋光壓力較小,不能對玻璃或其它較硬材料進(jìn)行拋光,并且不能對工件面形進(jìn)行較為有效的控制。*國家自然科學(xué)基金資助項目(批準(zhǔn)號69608006)收稿日期:1999-06-07修稿日期:1999-07-022光

4、學(xué)精密工程7卷Fig.1PolishingofacrylicplateswithSiCabrasivesinamagneticfluidcomposedof15nmdiametermagneticparticles.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

5、工件面形相吻合來實現(xiàn)對工件進(jìn)行拋光的。他們對曲率半徑為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1nm(1.7nmrms),面形誤差從0.4Lm降低到0.3Lm。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,他們又對直徑為40mm的非球面Pyrex玻璃工件進(jìn)行了試驗,[4]其材料去除率為2～4Lm/h,仍沒有實現(xiàn)對工件的邊緣進(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“浮體”,在磁場的作用下,磁性液體給“浮體”以力的作用,使其與工件

6、相接觸來進(jìn)行拋光。這樣,以整個“浮體”所受的力來代替原來單個拋光粉所受的力,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,軸與“磁粉刷”摩擦,從而對軸進(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

7、產(chǎn)生破壞層,有人將流體動力學(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”,它是基于流體動力學(xué)潤滑理[7]論。這種拋光方法是這樣的,當(dāng)一個沿圓周方向具有多個傾斜表面的圓盤在液體中旋轉(zhuǎn)時,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,不斷地撞擊工件表面,從而引起材料的去除。其缺點是拋光[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,小球和工件之間形成一層很薄的潤滑膜,

8、拋光粉隨著流體進(jìn)入潤滑膜引起對工件的去除。有人認(rèn)為其拋光機(jī)理是這樣的,拋光粉顆粒進(jìn)入潤滑膜時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,工件表面上與拋光粉顆粒