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冰盘纳米抛光金属材料的研究

刘薇娜  
【摘要】:由于现代高新科技产品对零件表面质量要求越来越高,如:激光检测用的金属扫描转镜、激光核聚变用的金属反射镜加工、激光陀螺系统中反射镜基片、光学镜片镀膜基面加工、磁头加工、人造卫星的仪器仪表轴承加工等,其精度及表面粗糙度均需达到纳米级标准,所以有专家预测机械制造业的发展趋势正在向着高精度、高效率、微型化方向发展,21世纪初十年,将是超精密加工技术达到纳米、亚纳米加工技术的关键十年。在这种前景下,国内外许多研究机构的专家学者正在积极开展这方面的研究工作,在传统的机械干式、湿式抛光基础上,提出了弹性发射加工法、浮法抛光、磁流变抛光、机械化学抛光、固着磨料抛光等新的抛光方法,可以使被加工零件的表面粗糙度达到纳米级。这些方法的共同特点:一是使用磨料,二是靠减小磨粒尺寸实现表面粗糙度的进一步降低。但是若使表面粗糙度达到原子级或更高的标准,则很难实现。冰盘纳米抛光技术正是近年来在先进制造领域应运而生的一种全新的、超精密加工方法,它是以不含任何磨料的冰盘作为抛光工具对试件进行抛光。无磨料抛光是一个极大的创新,它冲破了传统的抛光或研磨少不了磨料的思想束缚。 在前期研究已经证实了冰盘抛光对于光学材料获得超光滑表面是十分有效的方法基础上,论文又针对工程上常用的金属材料进行了冰盘纳米抛光技术的研究工作。 首先,对金属材料冰盘抛光技术进行了理论研究。由于冰盘抛光是纳米加工,微观加工物理实质与传统加工宏观物理实质有很大不同,传统宏观的加工规律都已不能正常描述纳米级的加工现象和力学规律。所以,论文首次将微观理论应用于金属材料冰盘抛光加工机理的探索中,从金属材料内部原子结构出发,根据量子力学基本动力学方程求出金属固体内电子的费米能进而得出LY12、YG6、45号钢的原子结合能;分析确定了所选试件的晶体结构,并对试件表面存在的各种缺陷进行了分析,计算出三种试件的表面能、晶格畸变能、位错能、晶界缺陷能;对冰盘抛光中工件受力与机械能进行了分析, 吉林大学博士研究生学位论文 里里月里绝粤里里只口月里口绝县里口里里里里里里里里里里组 计算出冰盘抛光过程中作用在试件表面抛光的机械能的大小;对实际冰盘抛光过程中冰 的熔化热进行了分析,计算出消耗能量的大小。在对冰盘抛光中各种能量如原子结合能、 表面缺陷能、抛光加工机械能与冰溶化消耗能进行详尽理论分析的基础上,研究了实际 冰盘抛光过程中,外部作用的机械能、内部原子结合能及各种类型的缺陷能以及冰盘熔 化消耗能的能量之间相互作用。建立了冰盘抛光过程中的能量方程。根据该能量方程, 用MATLAB编程进行了三种典型金属试件:硬铝LY 12、硬质合金YG6、45钢原子结 合能、缺陷能、冰盘熔化热消耗能与抛光加工机械能的能量分析与计算。根据计算结果, 在理论上提出了冰盘抛光机理之一是原子被去除。 在理论分析的基础上,对硬铝LY 12、硬质合金YG6、45钢金属试件冰盘抛光实现 纳米级去除机理的理论结果进行了验证性实验研究。经过在长春应用化学研究所《国家 电化学和光谱研究分析中心》,利用美国TJA公司生产的POEMs型等离子体发射质谱 仪,采用等离子体光谱法和质谱法(ICP-一人ES加s)对去离子水、LY12、YG6、45钢 四种材料水样质谱仪检测与等离子体光谱和质谱分析,证实了冰盘抛光过程中确实存在 着试件表面原子被去除的事实,理论分析与实验验证结果是一致的。 其次,从原子的运动特征出发,将原子扩散理论运用于冰盘抛光机理的研究中。根 据对冰盘抛光机械能和表面原子迁移能的理论计算,提出冰盘抛光机理除了存在原子被 去除的现象外,还存在着表面金属原子发生的迁移的情况。首次提出冰盘抛光机理是表 面原子去除与表面原子迁移综合作用的结果。 为了进一步验证对金属材料冰盘抛光的可行性与作出的理论分析研究的正确性、分 析研究冰盘抛光过程的主要因素对金属材料表面粗糙度的影响规律。论文展开了金属材 料冰盘抛光的实验及抛光工艺研究,使用平面高速研磨机,工件与冰盘之间的压力可调、 冰盘转速可调、工件旋转中心与冰盘旋转中心之间的偏心距可调,使用自来水、矿泉水、 纯净水、去离子水四种不同水质,针对工程上常用的金属材料硬铝LY12、硬质合金YG6、 45钢进行了无磨料冰盘抛光实验,得出不同水质的冰盘抛光对试件表面粗糙度影响较 大,使用去离子水抛光效果最好;抛光过程工艺参数:主轴压力、冰盘转速、J二件盘偏 心量等均存在最佳值,本实验中认为冰盘抛光金属材料时,主轴压力取为0.oo1MPa、冰 盘转速取为400r/min,、冰盘旋转中心与工件盘旋转中心的偏心量取为smm、一次抛光 的时间取为50 min时,抛光效果最好。在抛光均匀性方面,冰盘抛光能够使YG6硬质 合金、45钢和LY12硬铝试件的表面Ra值分布均匀性得到显著改善。在抛光时间方面, LY12硬铝累积抛光时间不宜过长。较长时间冰盘抛光后,虽然试件表面粗糙度Ra值下 降显著,但在改善表面粗糙度Ra值分布均匀性方面并不显著。YG6硬质合金和45钢(较 吉林大学博士研究?


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