磁流变抛光工艺优化及关键技术研究与应用

论文摘要

随着科学技术的快速发展,光学零件在航空、航天、宇宙探测、军事侦察以及激光核聚变等高科技领域的应用越来越广泛,对光学零件的加工精度和表面质量要求也越来越高;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,都无法满足现代光学零件提出的加工精度和表面质量的要求和市场的需要,因此迫切需要发展新型的高效率高质量的先进光学抛光技术。磁流变抛光技术(MRF)是近年来发展起来的一种新型的光学加工技术,在光学加工中具有传统加工方法无法比拟的优点。它能够加工出具有超光滑表面,它利用梯度磁场使抛光轮和工件表面之间的磁流变液体的流变性能发生变化,使工件表面与磁流变液接触的区域产生较大的剪切力,以此来去除工件表面材料,同时不会对抛光工件产生亚表层的破坏。磁流变抛光不仅可以确定性地对光学元件的面形进行修正,而且还可以获得较高的抛光效率和纳米级的表面粗糙度。本文针对光学玻璃抛光加工,开展了磁流变抛光技术研究,主要做了以下几个方面的研究工作。(1)建立了磁流变抛光材料去除数学模型及基于矩阵理论的驻留时间算法。为了能够对抛光过程中的去除形态进行研究,基于Preston方程,建立了磁流变抛光的材料去除率的数学模型,修正了压力P的求解方程,并推导了相对速度V的计算公式。针对目前驻留时间算法普遍存在迭代计算繁琐、收敛性差和计算效率低等缺点,提出了矩阵理论的驻留时间算法。(2)构建了磁流变抛光综合效应模型。以磁流变抛光工艺涉及的主要因素为对象,研究了磁流变抛光实验方案、约束条件、工艺参数等问题。在理论与实验研究基础上,探索材料去除规律,基于抛光轮切线方向“磨头”的运动关系和实验数据,推导出了以易于改变和控制的磁流变工艺参数为变量的材料去除函数z(y_i),构建了磁流变抛光综合效应模型。并在工程实验中得到验证,为实现磁流变抛光的精确和稳定控制创造了基本条件。(3)对磁流变抛光工艺参数进行了实验研究。进行了以表面粗糙度和材料去除率为工艺指标的工艺实验,应用正交实验分析了磁流变抛光中主要工艺参数(磁场强度、工件转速、抛光轮转速、抛光间隙)对表面粗糙度和材料去除率的影响规律,并总结出了在单项工艺指标下的抛光工艺参数的组合。(4)基于灰色理论对磁流变抛光工艺参数进行了优化研究。利用正交实验对抛光工艺参数组合进行均衡搭配,通过小样本的有限实验数据分析。采用灰色关联理论实现了对磁流变抛光工艺参数单目标因素和多目标因素的优化,获得了兼顾工件表面质量和材料去除率的最佳抛光工艺参数组合方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁流变抛光研究的背景和意义
• 1.2.1 磁流变抛光技术研究的背景
• 1.2.2 磁流变抛光研究的意义
• 1.3 超精密光学表面的几种主要的加工方法
• 1.3.1 离子束抛光方法
• 1.3.2 在线电解修整磨削抛光
• 1.3.3 等离子体辅助抛光（PACE）
• 1.3.4 液体喷射抛光
• 1.3.5 化学机械抛光
• 1.3.6 磁流变抛光
• 1.4 国内外磁流变抛光技术发展现状
• 1.4.1 国外磁流变抛光技术发展现状
• 1.4.2 国内磁流变抛光技术发展现状
• 1.5 论文主要研究内容及章节安排
• 第二章 磁流变抛光机理及抛光装置的实现
• 2.1 抛光材料的去除机理概述
• 2.1.1 机械作用学说
• 2.1.2 化学作用学说
• 2.1.3 流变学说
• 2.2 玻璃材料的特性概述
• 2.3 磁流变抛光机理研究
• 2.3.1 磁流变液的组成
• 2.3.2 磁流变效应
• 2.3.3 磁流变抛光材料去除机理
• 2.4 磁流变抛光装置的实现
• 2.5 实验设备及仪器
• 2.6 本章小结
• 第三章 磁流变抛光材料去除模型研究
• 3.1 材料去除模型的理论分析
• 3.1.1 压力P的求解
• 3.1.2 相对速度V的求解
• 3.2 磁流变抛光驻留时间算法研究
• 3.2.1 常用的驻留时间求解算法
• 3.2.2 驻留时间求解算法
• 3.3 磁流变抛光材料去除实验
• 3.3.1 材料去除实验流程
• 3.2.2 材料去除形状实验
• 3.4 磁流变抛光工艺综合效应模型的构建
• 3.5 本章小结
• 第四章 磁流变抛光工艺实验研究
• 4.1 磁流变抛光实验前的准备工作
• 4.1.1 磁流变抛光实验目的及条件
• 4.1.2 磁流变抛光轨迹路径分析
• 4.1.3 磁流变抛光工艺参数选取条件
• 4.2 磁流变抛光工艺参数的正交实验分析
• 4.2.1 正交实验设计
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于灰色理论的磁流变抛光工艺优化研究
• 5.1 灰色系统理论概述
• 5.1.1 灰色系统理论的提出
• 5.1.2 灰色关联分析
• 5.2 基于灰色关联分析的磁流变抛光参数优化
• 5.2.1 灰色关联度
• 5.2.2 单目标优势分析
• 5.2.3 多目标优势分析
• 5.3 实验与灰色关联度分析
• 5.3.1 灰色关联度计算
• 5.3.2 单目标因素优化
• 5.3.3 多目标因素优化
• 5.3.4 多目标因素优化实验验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和申请专利
• 致谢