磁流变抛光工艺及其装备的关键技术研究与应用

论文摘要

光学零件被广泛应用于工程领域中,传统的光学加工方法无论从生产效率方面还是在加工精度和加工质量的稳定性方面,都无法满足对光学零件提出的加工精度和表面质量的要求,因此研究一种具有高效率和高精度的光学零件加工方法具有重要的实际意义。磁流变抛光作为一种新型的光学零件加工方法,它是通过梯度磁场使载液轮和工件表面之间的磁流变液体的流变性能发生变化,在工件表面与磁流变液接触的区域产生较大的剪切力,从而使工件表面材料被去除。它提供了一种可以精确控制抛光后的光学零件面形,同时保证零件表面低粗糙度和高加工效率的抛光方法。本文主要做了以下几个方面的研究工作:1.研制了磁流变抛光设备。从磁流变抛光原理和材料去除机理出发,确定了磁流变抛光实验设备的总体布局和结构设计,在基于不同机床本体的磁流变抛光装置进行优劣比较的基础上,研制了基于立式数控铣床的磁流变抛光设备;基于Preston方程,提出了磁流变抛光工艺的优化控制方法,通过建立磁流变抛光的材料去除的模型,并对材料的去除函数进行分析,构造了抛光点驻留时间函数的求解方法;经过加工证明,该设备具有便于控制、加工效率高和精度高等优点,可以满足高性能光学零件磁流变抛光要求。2.设计了有效的磁路结构。针对磁流变抛光要求设计了能方便控制抛光区内磁场的电磁铁磁路结构,建立了磁路结构和磁场强度分析模型,并对相关参数进行了优化;通过静态磁路理论和标量磁位分析,获得了相应磁路结构的磁场强度分布状况,并采用有限元分析软件ANSYS进行仿真,进而验证了磁路结构对磁流变抛光工艺的适应性和有效性。3.根据磁流变抛光工艺要求,设计与开发了液体循环系统。从系统的功能性和实用性出发,研制了一套满足磁流变抛光的循环系统;研制了用于磁流变液体循环的搅拌混合装置,对储液缸和搅拌浆的类型和形状进行了确定,通过搅拌功率的计算,确定了电机的功率,计算出搅拌轴的尺寸,并对其进行校核;在对流体粘度对抛光的影响研究的基础上,建立了粘度控制的数学模型,阐明了控制系统工作原理以及硬件组成,提出了在上位机控制下,实现粘度控制系统的软件控制方法;通过实验表明,该循环系统可以保证磁流变液稳定的工作,对磁流变抛光的稳定进行提供了保证。4.对磁流变抛光的工艺进行了实验研究。通过选取对磁流变抛光影响明显的几个主要参数(磁感应强度、载液轮转速、工件转速、载液轮与工件间的间隙)进行工艺实验,应用正交实验方法分析这些参数对磁流变抛光效率和表面质量的影响,总结出各工艺参数对去除率及抛光表面粗糙度的影响规律,提出了光学零件磁流变抛光的阶段划分和各阶段工艺参数选取。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光学零件的传统加工方法
• 1.3 磁流变抛光技术的国内外发展及研究现状
• 1.4 本课题的研究目的及意义
• 1.5 论文的主要研究内容和章节安排
• 第二章 磁流变抛光设备的关键技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 磁流变抛光机理与微观解释
• 2.2.1 磁流变抛光原理
• 2.2.2 传统抛光机理学说
• 2.2.3 磁流变抛光的微观解释
• 2.3 磁流变抛光设备的方案及结构设计
• 2.3.1 磁流变抛光设备的基本要求
• 2.3.2 磁流变抛光设备的对比分析
• 2.3.3 磁流变抛光设备的方案设计
• 2.3.4 磁流变抛光设备的结构设计
• 2.3.5 磁流变抛光设备的结构实现
• 2.4 磁流变抛光路径分析
• 2.5 磁流变抛光中材料去除模型
• 2.5.1 Preston方程
• 2.5.2 磁流变抛光工艺及其优化控制方法
• 2.5.3 磁流变抛光的材料去除模型
• 2.5.4 磁流变抛光驻留时间的求解
• 2.6 本章小结
• 第三章 磁路结构设计及有限元仿真
• 3.1 引言
• 3.2 磁路设计理论分析与结构优化
• 3.2.1 磁路结构设计
• 3.2.2 静态磁路的理论分析
• 3.2.3 磁路结构优化
• 3.3 空间磁场强度计算分析
• 3.3.1 标量磁位分析
• 3.3.2 抛光区域磁场强度计算分析
• 3.4 磁场强度的有限元仿真与分析
• 3.4.1 磁场有限元分析的理论基础
• 3.4.2 磁路结构的有限元仿真
• 3.4.3 磁场有限元仿真分析结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 磁流变抛光液体循环系统的设计与开发
• 4.1 引言
• 4.2 液体循环系统的研制
• 4.2.1 液体循环系统的基本组成
• 4.2.2 喷嘴的设计及磁场屏蔽
• 4.2.3 液体收集器的设计
• 4.2.4 液体循环系统动力装置的配置
• 4.3 搅拌混合系统的设计
• 4.3.1 搅拌混合系统的组成
• 4.3.2 储液缸的设计
• 4.3.3 搅拌混合机理及混合过程
• 4.3.4 搅拌浆的设计
• 4.3.5 搅拌功率的计算
• 4.3.6 电机的选择
• 4.3.7 搅拌轴的设计
• 4.4 粘度控制系统的设计
• 4.4.1 粘度与抛光特性关系
• 4.4.2 粘度控制数学模型
• 4.4.3 粘度控制系统硬件设计
• 4.4.4 粘度控制系统设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁流变抛光工艺的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 磁流变抛光实验条件及抛光过程
• 5.3 磁流变抛光工艺的参数选取
• 5.4 磁流变抛光工艺参数对抛光效果的影响
• 5.4.1 磁流变抛光实验方案设计及实验结果
• 5.4.2 工艺参数显著性水平分析
• 5.4.3 磁感应强度对抛光效果的影响
• 5.4.4 载液轮转速对抛光效果的影响
• 5.4.5 工件转速对抛光效果的影响
• 5.4.6 载液轮与工件之间间隙对抛光效果的影响
• 5.5 磁流变抛光工艺参数优化分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 进一步的展望
• 附录一
• 附录二
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和申请的专利
• 致谢