集群磁流变效应研磨刷研抛工具加工机理研究

论文摘要

随着光电技术的发展,超光滑表面零件的需求越来越多。由光学玻璃、树脂等硬脆材料制成的光学元件要有良好的光学性能,其表面必须达到一定的加工精度和表面质量,因而需要有先进的加工方法给予保障。传统的光学零件加工方法效率低下、加工质量不易控制,难以适应社会发展的需求。而磁流变抛光技术(MRF)作为一种先进的光学精密加工方法在近年来发展了起来。它将电磁学、流体动力学、分析化学等学科理论与机械加工理论相结合,可以有效控制材料去除,提高材料去除效率、表面加工质量,降低工件亚表面层损伤。为了提高加工效率和改善加工质量,基于集群磁流变效应研抛加工原理,对集群磁流变效应研磨刷研抛工具的加工机理进行深入研究。本文主要进行了以下几个方面的研究：1、集群磁流变效应研抛加工实验装置的设计根据集群磁流变效应研抛加工原理和精细加工的需要,提出了集群磁流变效应研磨刷研抛加工装置的设计方案,完成了各功能部件的设计。重点设计了研抛工具,单点磁流变效应研磨刷研抛工具选用电磁铁作为磁场发生装置,利用铁芯的端部产生磁流变效应研磨刷；集群磁流变效应研磨刷研抛工具是在基体盘面上布置多点永磁体磁极阵列,在磁极端部形成集群磁流变效应研磨刷。2、集群磁流变效应研抛工具的仿真与分析采用Maxwell3D电磁场有限元分析软件对研抛工具的多点阵列磁极磁场分布仿真分析,分析磁极形状、大小、间距、交互作用及阵列方式等磁极特性对研磨刷性能的影响,从而优化研抛工具结构。用Matlab软件对研抛工具的研磨刷的运动进行仿真分析,分析研磨刷的运动轨迹和运动速度的分布对加工效果的影响规律,进一步优化磁极阵列排布。3、磁流变效应研磨刷的磨粒半固着机理研究根据在磁流变效应下磨粒的加工特征介于游离磨粒和固着磨粒之间,提出了磁流变效应研磨刷的磨粒半固着理论。磁流变效应研磨刷是利用磁流变液中磁粒在磁场作用下形成链状结构来夹持磨粒,使磨粒处于半固着状态。在加工过程中,半固着磨粒通过弹性压陷自适应切深,克服工件表面形貌和磨粒尺寸等造成的不利影响,使加工过程平稳,从而提高加工效果。通过建模分析在磁流变效应下磨粒半固着性能受磨粒特性的影响,当非磁性磨粒介在于磁粒链串之间使之产生畸变,产生既消弱了磁流变效应也消弱了磁粒链串对磨粒的约束强度两个方面作用机理。4、磁流变效应下磨粒的运动状态及加工行为研究为进一步探讨集群磁流变效应研磨刷加工机理,在部分假设的前提下,通过建模对磨粒受力和运动进行了分析。磁流变效应研磨刷研抛加工是磨粒在磁链的约束下实现二体研抛加工,磨粒在外力作用下表现出不同的运动姿态和加工行为。磨粒的运动姿态和加工行为主要受磁场作用下磁粒的约束作用的影响,但要提高磁流变效应研磨刷中磨粒对材料的去除作用,必须合理配制磁流变液,要合适选择磁粒和磨粒。通过对磨粒运动姿态和加工行为的有效控制可以提高集群磁流变效应研磨刷的加工效果。5、集群磁流变研抛加工实验研究利用研制的实验装置对光学玻璃进行了单因素研抛加工实验。磁流变效应研磨刷的磨粒半固着的材料去除作用实验结果与理论分析的结论相吻合,表明提出的磁流变效应研磨刷的磨粒半固着理论是可信的,通过建模分析磨粒的运动姿态和加工行为对加工效果影响的方法是有效的。集群磁流变效应研磨刷研抛工具的加工效果实验结果与仿真分析的结论一致,验证了磁极特性及工艺参数等对研抛工具加工性能的影响。本文在集群磁流变效应研磨刷研抛工具的机理方面进行了基础性研究,理论分析和实验结果是一致的。本文的研究成果为进一步研制集群磁流变效应研抛加工装备、研究对硬脆材料的集群磁流变效应研抛加工机理和加工工艺提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 磁流变抛光技术的国内外研究现状
• 1.2.1 磁流变抛光原理
• 1.2.2 国外磁流变抛光技术发展状况
• 1.2.3 国内磁流变抛光技术发展状况
• 1.3 集群磁流变效应研抛加工技术
• 1.3.1 磁流变效应微磨头研抛加工技术原理
• 1.3.2 集群磁流变效应微磨头平面研抛加工原理
• 1.4 课题来源
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 集群磁流变效应研抛加工实验装置
• 2.1 引言
• 2.2 集群磁流变效应研抛装置结构及工作原理
• 2.2.1 实验装置的功能要求
• 2.2.2 实验装置的工作原理
• 2.2.3 实验装置的功能设计
• 2.3 研抛工具的设计优化
• 2.3.1 单点磁流变效应研磨刷
• 2.3.2 集群磁流变效应研抛工具
• 2.4 本章小结
• 第三章 集群磁流变效应研抛工具仿真与分析
• 3.1 引言
• 3.2 研抛工具的磁极特性仿真与分析
• 3.2.1 磁极端部形状优化设计
• 3.2.2 磁极的尺寸优化分析
• 3.2.3 磁极的交互作用
• 3.2.4 磁极的阵列
• 3.3 研抛工具研抛运动分析
• 3.3.1 研磨刷运动轨迹分析
• 3.3.2 研磨刷运动速度分析
• 3.4 研抛工具结构改进设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 磁流变效应研磨刷的磨粒半固着机理
• 4.1 引言
• 4.2 磁流变液组成及其特性
• 4.2.1 磁流变液国内外研究状况
• 4.2.2 磁流变液的组成
• 4.2.3 磁流变液的性能
• 4.3 磁流变效应研磨刷的磨粒半固着作用原理
• 4.3.1 磁流变效应研磨刷的形成
• 4.3.2 磨粒半固着作用原理
• 4.3.3 半固着磨粒弹性压陷自适应切深分析
• 4.4 磁流变效应研磨刷的磨粒半固着机理建模分析
• 4.4.1 磨粒种类
• 4.4.2 磨粒形状
• 4.4.3 磨粒大小
• 4.4.4 磨粒含量
• 4.5 本章小结
• 第五章 磁流变效应研磨刷中磨粒加工行为建模
• 5.1 引言
• 5.2 磨粒加工模型的建立
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 磨粒二体研抛的约束模型
• 5.2.3 集群磁流变效应研磨刷的二维模型
• 5.3 磨粒的受力分析
• 5.3.1 磁粒的受力模型
• 5.3.2 磨粒的受力模型
• 5.4 磨粒的运动分析
• 5.4.1 磁粒和磨粒的运动形式
• 5.4.2 磨粒的运动姿态
• 5.4.3 磨粒的加工行为
• 5.4.4 工艺参数影响的定性分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 集群磁流变效应研抛加工实验
• 6.1 引言
• 6.2 实验方案设计
• 6.2.1 磨粒半固着加工的材料去除作用实验
• 6.2.2 集群磁流变效应研抛工具的加工效果实验
• 6.3 磨粒半固着加工的材料去除作用实验分析
• 6.3.1 磨粒特性的影响
• 6.3.2 磁场强弱的影响
• 6.3.3 磁粒特性的影响
• 6.4 集群磁流变效应研抛工具的加工效果实验分析
• 6.4.1 工艺参数的影响
• 6.4.2 磁极特性的影响
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢