磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究

针对深孔零件光整加工技术的难题,提出了基于针式抛光头的磁性复合流体（MCF）深孔抛光的加工方法。首先利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立不同的永磁铁磁场组合模型,根据仿真结果设计磁场分布均匀且强度较强的针式抛光头;再建立MCF深孔抛光的磁流场耦合模型,分析MCF的流动特性;以黄铜H62的深孔零件为加工对象,进行磁性复合流体的深孔抛光工艺试验研究。仿真结果与试验结果吻合,结果表明,当针式抛光头采用纵向单列磁芯结构,转速为800 r/min,抛光间隙为3 mm,羟基铁粉粒径为48 μm时,表面粗糙度为0.13 μm,材料去除率为0.025 mg/min,从而获得了最理想的MCF深孔抛光效果。     

剪切增稠抛光加工Si_3N_4陶瓷的试验研究

基于剪切增稠抛光(STP)的加工原理分析Si3N4陶瓷超精密加工的控制策略,考察所制备的含有立方氮化硼(CBN)磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为,分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态,研究其抛光特性.结果表明:抛光液具有可逆的剪切增稠与稀化效应,可达到STP加工工艺用抛光液的要求;改变磨粒粒径,可以控制Si3N4加工效率与表面质量,且材料去除量和表面粗糙度的理论值能够反映试验值的变化;STP加工Si3N4为持续微切削的"柔性抛光",初期为脆性剪切、粘着磨损去除,后期为塑性去除;当磨粒粒径达到纳米级时,表层应力状态由初始残余拉应力变为压应力,说明STP不仅能高效去除原有表面损伤层而且新引入的损伤小;随着抛光时间的延长,去除量先快速增大而后趋缓;抛光90 min后,去除率由初期的5.00~2.40μm/h降至3.24~2.04μm/h,表面粗糙度Ra由108.9~111.1nm降至22.0~10.7nm;抛光150min后,Ra可降至9.6~7.2 nm,实现了Si3N4陶瓷粗抛后的精密抛光.     

微槽的超声振动辅助磁性复合流体抛光工艺研究

针对微通道制氢反应器的微槽底部光整加工难题,开展超声振动辅助磁性复合流体(UMCF)抛光工艺研究。根据表面接触理论分析微槽底部气膜对磁性复合流体(MCF)抛光的影响,引入超声振动改善MCF抛光微槽底部的表面质量;通过试验探究UMCF抛光对微槽底部的抛光效果;研究不同参数下MCF抛光和UMCF抛光对微槽的表面形貌、表面粗糙度和去除率的变化规律,获得最佳的抛光参数。研究结果表明：当羰基铁粉粒径为48 μm,抛光时间为5 min,抛光轮转速为500 r/min,抛光间隙为2 mm,振幅为5 μm时抛光效果最佳,微槽顶部表面粗糙度Ra达到0.217 μm;槽底表面粗糙度Ra达到0.403 μm,去除率为4.74 mg/min。     

曲面抛光的材料去除模型与摆线轨迹控制

基于柔性盘抛光的材料去除模型,提出了沿摆线轨迹的曲面抛光参数控制方法.首先确定柔性盘与表面的接触状态,采用支持向量机方法建立下压力预测模型,确定接触区的压力分布规律,并依据Preston方程建立材料去除模型,进而依据摆线半径和步距的相对关系,将摆线分为单周期内存在2个交叠区与3个交叠区两种情况,在去除模型基础上将单道摆线分为两部分单独叠加,再根据交叠区宽度作总叠加,控制摆线轨迹参数实现最优去除率分布效果.去除率仿真实验和工业机器人抛光实验结果表明,精抛后工件表面粗糙度达0.57μm,说明提出的摆线轨迹参数控制方法适用于高精度曲面抛光.     

光学元件气囊抛光去除效率影响因素研究

基于Preston方程分析了气囊抛光特性,确定去除函数的三个重要特征,即抛光斑尺寸、形状以及去除量,得到影响光学元件气囊抛光材料去除效率的主要参数.通过定点抛光实验,分析气囊充气压强、压缩量、主轴转速对BK7光学元件去除函数和材料去除效率的影响.结果表明:充气压强与压缩量对于气囊抛光去除函数的形状影响较大,去除效率随气囊充气压强增大先升高到2.08mm3/min后逐渐降低然后又升高,压缩量与气囊转速的提高增大了材料的去除效率,分别可以达到6.84mm3/min和5.04mm3/min.     

超声空化泡溃灭冲击波作用固壁面的实验研究

对抛光后的6061铝进行超声振动空蚀实验,发现当超声振动头与材料表面的距离低于1 mm左右材料表面会有明显的空蚀效果。通过实验研究空蚀时间和超声振幅对材料表面粗糙度以及硬度的影响,发现:材料表面粗糙度和硬度先随着空蚀时间的增加而增大;在一定时间后出现平缓过渡期,这是由于材料表面波峰被空化泡溃灭冲击波作用后坍塌所致;继续增加空蚀时间,材料表面粗糙度和硬度会缓慢增大;材料表面粗糙度和硬度随着超声振幅的增大先增大后减小,在超声振幅为10.8μm左右达到最大空蚀效果。     

单晶碳化硅磁流变抛光工艺实验研究

针对传统光学加工中碳化硅表面质量精度低和难于加工的特点,提出用磁流变直接加工碳化硅表面的工艺流程。采用自行研制的磁流变抛光机对Φ40×2mm的6H-SiC进行了抛光实验研究。结果表明,直径为40mm的碳化硅材料圆柱体,硅面经过20min的磁流变粗抛,表面粗糙度Ra提升至5.9nm,亚表面破坏层深度降至35.764nm,经过磁流变精抛和超精抛,表面粗糙度最终提升至0.5nm,亚表面破坏层深度降至1.4893nm,表面变得非常平坦,无划痕。由此表明,所采用的工艺流程可以实现碳化硅表面的纳米级抛光和非常小的亚表面破坏层深度。     

磨粒和抛光垫对铝合金化学机械抛光性能的影响

磨粒和抛光垫为化学机械抛光(CMP)提供了重要的机械磨削作用。为了探讨磨粒和抛光垫对铝合金化学机械抛光的磨削作用,研究了不同种类磨粒和抛光垫对材料去除率和表面形貌的影响。结果表明:在pH=12～13时,氧化铝抛光液去除率为910 nm/min,远大于二氧化硅与氧化铈抛光液,且获得较为理想的光滑表面。3种不同抛光垫抛光后的铝合金表面,阻尼布抛光垫表面将不会出现划痕与腐蚀点,表面粗糙度较低,为10.9 nm。随着氧化铝浓度的增大,材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)均增加。当氧化铝含量为4wt%时,抛光垫使用阻尼布抛光垫适宜铝合金化学机械抛光,在获得高去除率的同时铝合金表面精度高。     

磨粒和抛光垫对铝合金化学机械抛光性能

磨粒和抛光垫为化学机械抛光(CMP)提供了重要的机械磨削作用。为了探讨磨粒和抛光垫对铝合金化学机械抛光的磨削作用,研究了不同种类磨粒和抛光垫对材料去除率和表面形貌的影响。结果表明：在pH=12-13时,氧化铝抛光液去除率(MRR)为910nm/min,远大于二氧化硅与氧化铈抛光液,且获得较为理想光滑表面。3种不同抛光垫抛光后的铝合金表面,呢子抛光垫表面将不会出现划痕与腐蚀点,表面粗糙度较低为10.9nm。随着氧化铝浓度的增加,材料去除率(MRR)和表面粗糙度(Ra)均增加。当氧化铝含量为4wt%时,抛光垫使用呢子抛光垫适宜铝合金化学机械抛光,在获得高去除率的同时铝合金表面精度高。     

超声振动辅助抛光BK7过程中聚氨酯抛光垫磨损行为

抛光光学玻璃等硬脆材料时常选用聚氨酯抛光垫,其微观形貌和磨损直接影响抛光精度和效率.本文对不同抛光时长下聚氨酯抛光垫微观形貌和磨损行为及其对材料去除率和表面粗糙度的影响进行了实验研究.结果表明：当主轴转速为8 000 r/min,进给速度为0.015 0 mm/s,轴向超声振幅为5μm时,材料去除率和表面粗糙度分别为0.977μm/min和153.67 nm.聚氨酯抛光垫在30 min内磨损量较小,随着抛光时长的增加,抛光垫表面孔隙逐渐被磨粒和玻璃碎屑填充,破坏抛光垫表面的疏松多孔结构,导致抛光垫表面硬化,失去弹性.同时,侵入抛光垫表面的磨粒会阻止抛光接触区域内的磨粒更新,导致抛光质量降低.     

氮化镓晶片的化学机械抛光工艺

研究了抛光工艺参数对氮化镓(GaN)化学机械抛光(CMP)表面形貌和材料去除率的影响。通过精密分析天平和原子力显微镜对其材料去除率和表面形貌进行分析,采用单因素及正交实验法探究压力、抛光盘转速和氧化剂浓度对GaN材料去除率和表面形貌的影响。结果表明:在下压力为14.1×10~4 Pa、抛光盘转速为75 r/min、H_2O_2浓度为0.8%、SiO_2磨粒为30%、抛光液流量为20 mL/min、抛光时间为15 min的条件下,GaN晶片表面材料去除率最大达到103.98 nm/h,表面粗糙度最低为0.334 nm。可见,在优化后的工艺参数下采用化学机械抛光,可同时获得较高的材料去除率和高质量的GaN表面。     

具有公自转运动形式的可更新磁流变抛光工具

在光学自由曲面的成形抛光加工当中,加工去除的稳定性对工件加工质量具有重要的影响,而抛光液的更新是保证去除稳定的关键。该文提出了一种具有公自转运动形式的可更新磁流变抛光工具,能够完成磁流变抛光液内部磁链的重组更新,使得加工去除稳定。针对此抛光工具,使用刚体润滑理论获得理论去除轮廓,通过实验获得其在单自转状态下的去除轮廓,与理论分析吻合。峰值去除量时间的实验表明,该抛光头的去除效果受时间的影响很小,抛光去除稳定。     

碳化硅零件氧化辅助抛光超精密加工的研究现状

通过等离子体氧化、热氧化、电化学氧化在碳化硅基材上获得软质氧化层,利用软磨粒抛光实现氧化物的快速去除,有利于提高材料去除效率、提升加工表面质量。研究发现,通过等离子体氧化辅助抛光,表面粗糙度RMS和Ra分别达到0.626nm和0.480nm;通过热氧化辅助抛光,表面粗糙度RMS和Ra分别达到0.920nm和0.726nm;在电化学氧化中,基于Deal-Grove模型计算得到的氧化速度为5.3nm/s,电化学氧化辅助抛光后的表面粗糙度RMS和Ra分别是4.428nm和3.453nm。氧化辅助抛光有助于烧结碳化硅加工工艺水平的提升,促进碳化硅零件在光学、陶瓷等领域的应用。     

Surface roughness and removal rate in magnetorheological finishing of a subsurface damage free surface

Asphericalopticalcomponentsareimportantin modernopticalsystems[1].Thereexistmanytypesof aspheres.Thecommonlyusedonesincludeparabola,ellipsoid,etc.[2]Recently,increasingrequirements forasphericalopticalcomponents(e.g.forlithogra phy)togetherwithgrowingfieldsoftheirapplication(e.g.conformalandfreeformoptics)resultina strongneedforopticalfinishingmethodsthatcanbe appliedlocallytopolishcomplexshapedaspheresin brittlematerials(e.g.glass)[3].However,making high precisionaspheresisstillprimarilyanard…     

Surface roughness and removal rate in magnetorheological finishing of a subsurface damage free surface

Based on computer-controlled optical surfacing, a new technique called magnetorheological finishing (MRF), is presented. The new technique combines the features of conventional loose abrasive machining with a wheel shaped polishing tool. The tool incorporates a host of features and has unprecedented fabricating versatility. The pre-polishing and fine polishing processes can be performed only by adjusting different parameters. The material removal function is studied theoretically and the results of simulation present a Gaussian distribution feature. Based on the established theoretical model, material removal rate experiments involving a parabolic mirror are designed and carried out to determine the effect of controllable parameters on size of the gap between the workpiece and the polishing wheel, rotating speed of the polishing wheel, concentration of volume fraction of non-magnetic particles and polishing time. Further experiments are carried out on the surface microstructure of the workpiece, the final surface roughness with an initial value of 10.98 nm reaches 1.22 nm root mean square (RMS) after 20 min of polishing. The subsurface damage experiment and the atomic force microscopy (AFM) measurement on the polished surface can also verify the feasibility of the MRF technique.     

中等粒度纳米金刚石用于磁头抛光的工艺

采用浮动块研磨抛光机,研究中等粒度纳米金刚石抛光液用于硬盘磁头抛光时其颗粒大小及其悬浮液的分散稳定性与磁头表面质量的关系,以及抛光各工序、运行参数与表面质量的关系.磁头表面质量采用原子力显微镜观测分析.通过对抛光过程运行参数的正交实验,对中等粒度纳米金刚石用于磁头抛光的工艺过程进行优化.实验结果表明:磁头表面粗糙度随着金刚石粒径的减小而减小,但二者并不呈线性关系;抛光液的分散稳定性比抛光液颗粒粒径更能影响表面划痕的深度;精研磨能有效去除表面划痕;而抛光能有效降低表面粗糙度,但其对划痕的消除不如精磨有效;各参数对表面粗糙度和划痕的影响程度不同,但是优化后参数取值相同.     

Viscosity behavior of magnetic suspensions in fluid-assisted finishing

Magnetic fluid-assisted finishing has been verified both theoretically and experimentally as an effective fabrication technology for optical mirrors and lenses. The purpose of this paper is to introduce a novel design of polishing tool and demonstrate the possible applications of this technology. The work includes studying the viscosity of the magnetic suspensions of micrometer-sized Carbonyl iron particles under the influence of a magnetic field. Both the cases of magnetizable suspension with and without abrasive cerium oxide particles are studied for their ensuing polishing effectiveness. Determination of material removal function is conducted using a Wyko Nat1100 interferometer. Experiments to reduce surface roughness with the proposed tool are also performed using a K9 mirror as the work-piece. Results show that the surface accuracy is improved over three times to less than 0.5 nm after two cycles of polishing.