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确定性磁流变抛光的关键技术研究

彭小强  
【摘要】:随着科学技术的发展,现代光学系统对光学零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求越来越高。尤其是非球面光学零件具有矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离的优点,并且一个或少数几个非球面镜能够代替较多的球面镜,从而简化光学系统结构、降低成本、减轻重量,因而在现代光学系统中得到越来越多的应用。但是,传统的光学零件加工方法由于效率低下、加工质量难以控制已经难以适应科技发展的需求。为了解决这些技术困难,本文研究了一种新型的光学零件抛光成形工艺——确定性磁流变抛光技术。确定性磁流变抛光技术将电磁学、流体动力学理论、分析化学与光学零件加工理论相结合,它提供了一种可以准确控制去除量的确定性抛光策略,通过计算机控制,可以精确的控制抛光后的光学零件面形,同时保证低粗糙度的表面加工质量、微小的工件亚表面损伤和高的加工效率。本文研究工作包括以下几个部分: 1.根据磁流变抛光技术的特点,研制出一台磁流变抛光实验样机。对抛光实验样机中磁流变抛光所需的磁场进行了理论分析,并对该磁场内的磁流变液中的磁敏粒子所受的磁场力进行了分析,推导出磁流变抛光液在抛光区内形成单一稳定缎带凸起即“柔性抛光模”的必要条件。经过实际加工验证,该实验样机可以实现光学零件的磁流变成形抛光。 2.适合光学零件抛光的磁流变抛光液的配制研究。根据磁流变液的性能评价指标和光学零件的磁流变抛光具体要求,对磁流变抛光液的各组成成分进行了选择,确定了其各自最佳成分类型,成功的配制出合格的水基磁流变抛光液。利用自研的新型磁流变仪对其测试,该磁流变仪不但具有传统磁流变仪的功能,而且能测量磁流变抛光下磁流变液的性能,结果表明其性能完全能够符合磁流变抛光的要求。 3.建立了磁流变抛光材料去除数学模型。根据抛光的传统解释和磁流变抛光的实验现象,对磁流变抛光材料去除机理进行了研究,认为磁流变抛光是由于磁流变抛光液的流动使抛光颗粒对工件材料进行了剪切去除,同时认为,该过程也是一种机械、化学的综合作用。在这个基础上,根据Bingham介质的流体动力学润滑模型,利用超松弛迭代数值算法,建立了磁流变抛光的材料去除的数学模型。 4.对磁流变抛光工艺参数进行了实验研究。进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验,得到表面粗糙度为rms0.66nm的玻璃工件。应用正交实验法分析了磁流变抛光中主要工艺参数(磁场强度、抛光粉浓度、抛光盘的转速、抛光盘与工件间的间隙)对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律,总结出工艺参数优化选择原则。最后,在一种基于矩阵的驻留算法基础上,对一φ60mm的回转对称面形的BK7玻璃零件进行了磁流变抛光面形修整,使该工件面形精度从8um提高到0.5um以内。


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