[doc] 磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺

[doc] 磁流变抛光消除磨削亚 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面损伤层新工艺 磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺 第l8卷第1期 2010年1月 光学精密工程 OpticsandPrecisionEngineering Vo1.18NO.1 Jan.2010 文章编号1004—924X(2010)01—0162—07 磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺 石峰,戴一帆,彭小强,王卓 (国防科学技术大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073) 摘要:针对传统光学加工技术难于精确测量和控制亚表面损伤的特点,提出用磁流变抛光替代研磨工序并直接衔接磨削 的新工艺流程.采用自行研制的磁流变抛光机床KDMRF-1000和水基磁流变抛光液KDMRW一2进行了磁流变抛光去 除磨削亚表面损伤层的实验研究.结果显示,直径为100mm的K9 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 平面玻璃,经过156min的磁流变粗抛,去除了 50m深度的亚表面损伤层,表面粗糙度R值进一步提升至0.926nm,经过17.5min磁流变精抛,去除玻璃表面 200am厚的材料,并消除磁流变粗抛产生的抛光纹路,表面粗糙度R 值提升至0.575am.由此表明,应用磁流变抛光 可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层,提出的新工艺流程可以实 现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光两个工艺目标. 关键词:磁流变抛光;亚表面损伤;光学加工 中图分类号:TQ171.684文献标识码:A Removalofsubsurfacedamageingrindingby magnetorheologicalI-imshing?ll-…… SHIFeng,DAIYi—fan,PENGXiao—qiang,WANGZhuo (CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation, NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China) Abstract:Astraditionalopticalmach~ingtechnologiescannottestandcontrolthesubsurfacedamage ingrindingprecisely,anewopticalmachiningprocesswasintroduced,inwhichaMagnetorheological Finish(MRF)wasusedtoreplacethelappingandtofollowthegrindingprocessing.Aexperimentto removethesubsurfacedamagecausedbygrindingwascarriedOutbyusingaKDMFR一1000Fpolishing machineandKDMRW一 2waterbasedMR.Theexperimentalresultsindicatethatafterroughpolishing for156minfirstly,the50m(depth)subsurfacedamageoftheK9flatglasshasbeenremovedand thesurfaceroughnessis0.926nm.Furthermore,,withafinepolishingfor17.5min,the200nm (depth)glasssurfacecanberemovedandtheripplescausedbyroughpolishingarealsoeliminated, whichimprovesthesurfaceroughnessto0.575nm.Theseresultsshowthattheproposeopticalma— chiningprocessingwithMRFcanremoveeffectivelythesubsurfacedamagecausedbygrindingandcan provideahighsurfaceroughnessbelow1nm. Keywords:MagnetorheologicalFinishing(MRF);subsurfacedamage;opticalmachining 收稿日期:2009—03—06;修订日期:2009—04—18. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50775215~No.50875256); 部委级基金资助项目(9140A18070108KG0147) 第1期石峰,等:磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺163 1引言 光学玻璃是无机高分子凝聚态物质,内部呈 现短程有序长程无序的非晶态结构.光学玻璃独 特的内部结构使得其磨削过程中亚表面损伤只有 亚表面裂纹和表面/亚表面残余应力两种形 式I-2].裂纹通常是当工件表层内应力超过材料 的断裂极限产生的,而残余应力是一种内应力,是 由于形变,体积变化不均匀而存留在工件内部并 自身保持平衡的一种应力.残余应力对裂纹的产 生无直接影响,但会影响已有裂纹的扩展,从而降 低元件的使用性能. 传统光学加工采用磨削,研磨,抛光的工艺 路线,其对加工过程中产生的亚表面损伤难于精 确测量与控制,基本依靠加工经验估计亚表面损 伤深度,通常以磨粒平均粒度或表面粗糙度作为 估计的依据[].Menapace[5提到磨削过程引入 的亚表面损伤深度约为磨粒粒度的3倍;Sabia【6 认为对于固着磨料磨削损伤深度为磨粒平均粒度 的5倍,而对于散粒磨料磨削(研磨),损伤深度是 磨粒粒度的1,1.8倍,上述经验值的差异可能是 由加工设备,加工方式或加工参数的不同引起的. 根据加工经验获得的亚表面损伤深度估计值往往 偏于保守,虽然保证了加工质量,却降低了加工效 率.因此,准确测量亚表面损伤层的厚度是高效 去除亚表面损伤层的前提和基础. Iambropoulos提出了利用挠度法 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 K9,石英和微晶玻璃的表面残余应力,并研究了 加工方式和加工参数对表面残余应力的影响规律 以及表面残余应力的分布特点.本文针对传统光 学加工控制亚表面损伤层的局限性和磁流变抛光 的特点.提出了采用磁流变抛光替代研磨工序来 直接衔接磨削工序的新工艺路线.首先,通过磁 流变粗抛去除磨削产生的亚表面损伤层,而后由 磁流变精抛去除粗抛产生的抛光纹路并提升表面 质量,最终实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛 光两个工艺目标. 2磁流变消除磨削亚表面损伤层的 可行性 磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液在磁场 中的流变性对工件进行抛光,基本加工原理如图 1所示].磁流变液进入抛光区前,由于没有外 磁场作用,磁敏微粒的磁矩随机排列,磁流变液对 外不表现出磁性.此时,磁敏微粒和抛光磨粒均 匀分散于基载液中.磁流变液由抛光轮带入抛光 区域后,在高强度的梯度磁场作用下磁敏微粒被 磁化产生偶极矩,为达到能量最小,磁敏微粒连接 成链从而形成”柔性抛光膜”.在磁场的磁性浮力 作用下非磁性抛光颗粒析出磁流变液,”镶嵌”在 “柔性抛光膜”表面.由于磁流变液在磁场中具有 Bingham介质的性质,因此,光学元件压入磁流变 缎带后,Bingham介质形成的刚性”核心”会在抛 光区内产生一楔形区,抛光磨粒在流体动压力作 用下贴合光学元件表面并以很高的速度通过该楔 形区,从而获得较高的抛光效率.磁流变抛光以 其独特的剪切去除机理在保证较高去除效率的同 时不引入亚表面损伤_7],因此,非常适合用于去除 光学镜面的亚表面损伤层. Spindlerotation~ 图1磁流变抛光原理示意图 Fig.1SchematicdiagramofMRFprocess 传统抛光过程中,施加在抛光盘上的力通过 抛光颗粒传递到光学元件表面,单个抛光颗粒对 光学元件表面的正压力约为10N?9],如图2所 示.磁流变抛光过程中,抛光颗粒施加在光学元 件表面的正压力由重力G,磁浮力F和液体动压 力的法向分量F三部分组成,其中重力G可以 164光学精密工程第18卷 忽略不计.根据磁流变抛光参数及实测的抛光区 内的流体动压力,得到磁流变抛光中单个抛光颗 粒对光学元件表面施加的正压力约为10 N”,远小于传统抛光中抛光颗粒施加的正压 力值.因此,磁流变抛光能够有效消除传统抛光 引入的亚表面损伤. 图2抛光颗粒与光学表面间相互作用示意图 Fig.2Interactionbetweenabrasivesandopticalsur face 3磁流变消除磨削亚表面损伤工艺 采用自研的KDMRF一1000磁流变抛光机床 和KDMRW一2水基磁流变抛光液进行了磁流变 抛光去除磨削亚表面损伤层的实验研究,实验材 料为经传统工艺磨削的K9材料平面玻璃,其直 径为100mm. 3.1磁流变抛光液与去除函数 KDMRW一2型水基磁流变抛光液主要由微 米直径的羰基铁粉,金刚石抛光粉和基载液组成, 其中羰基铁粉的扫描电镜图和粒径分布如图3所 示.由图3可见,羰基铁粉表面光滑,分布均匀, 粒径主要分布在3,5ttm.混和抛光粉后的磁流 变抛光液的扫描电镜如图4所示.由图4可见, 经过高速球磨分散后,抛光粉与羰基铁粉颗粒混 合均匀,无结块,团聚现象. 誉 „? 墨 主 Fegranularity/pro 图3羰基铁粉的SEM图和粒径分布图 Fig.3SEManddistributionfigureofCIparticles 图4KDMRW一2水基磁流变抛光液扫描电镜图 .4SEMfigureo{KDMRW一2waterbasedMRfluids 磁流变抛光的去除函数主要采用差动法获 取.差动法的主要步骤包括:测量用于制作去除 函数的材料样片(要求与目标工件的材料严格一 致)的初始面形,样片采用传统抛光的方法制备, 一 般要求其面形误差峰谷值<1/4波长,表面粗 糙度R值优于1nm;控制磁流变抛光模在不同 位置依次驻留一定时间;再次测量材料样片的面 形,并与初始面形测量数据进行差动法处理.实 验中采用的工艺参数分别为:工艺参数一,抛光 轮转速60r/rain,流量180l/rain,磁场电流3A, 抛光轮压入深度0.8mm;工艺参数二,抛光轮转 速150r/rain,流量300I/mm,磁场电流5A,抛 光轮压入深度0.8mm;工艺参数三,抛光轮转速 60r/min,流量1501/min,磁场电流3A,抛光轮 压入深度0.3mm.获得的去除函数详细性能如 表1所示,主要包括,长度×宽度(L×w),峰值 去除效率(PRR),体积去除效率(VRR)和表面粗 糙度R值. 表1磁流变抛光去除函数性能表 Tab.1ParametersofMRFpolishingspots „ 如图5(a)所示,去除函数一外形尺寸较大, 去除效率居中,去除函数内部变化趋势平缓,可用 于制造测量亚表面损伤层厚度的磁流变斑点.如 图5(b)所示,去除函数二体积去除效率高达2.51 mm./rain,可用于磁流变粗抛,高效地去除磨削 产生的亚表面损伤层.如图5(c)所示,去除函数 三的表面粗糙度R值为0.414nm,可用于磁流 变精抛,去除粗抛产生的抛光纹路提升表面质量. 第1期石峰,等:磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺165 g g (c)为工艺参数三 (e)ParametersNo.3 |2-0 1.5 1.O 图5磁流变抛光的去除函数 Fig.5PolishingspotsofMRFprocess 3.2确定亚表面损伤层的深度 磁流变斑点法可用于确定磨削过程产生的亚 表面损伤层厚度.利用磁流变抛光不产生附加 亚表面损伤的特性,在磨削表面制造磁流变抛光 斑点,以暴露试件的亚表面裂纹层,酸蚀后根据试 件亚表面裂纹延伸的水平距离及磁流变斑点的中 心线轮廓可以确定亚表面裂纹层的深度.首先, 在K9玻璃磨削表面试抛几个磁流变斑点以调整 磁流变工艺参数,确保斜面最深处刚好穿过亚表 面裂纹层.然后,如图6所示,采用去除函数一, 在磨削表面制造3个斑点(每个斑点驻留15 min),抛光斑点的起始线为S线,终止线为E线, 中心线分别为C,C,C.. 图6磨削表面的磁流变抛光斑点 Fig.6PolishingspotsofMRFonopticalsurfaceaf tergrinding 根据干涉仪测出的去除函数一的去除效率, 可以计算出磁流变抛光斑点中心线处的轮廓图, 如图7所示.将制造斑点后的表面浸入HF酸蚀 刻液(5HF,腐蚀2min)中进行蚀刻以打开裂 纹使其易于观测.试件经超声波清洗后置于微动 平台,使用光学显微镜沿中心线C观测损伤(S 线开始,E线终止),见图8,图中(a),(o)距离表 面分别为:0.5,5.6,10.2,l4.0,20.6,22.3,25.8, 28.4,32.2,34.0,37.1,41.7,44.9,48.5, 49.6m.记录损伤消失时的平台移动距离,对 应斑点沿抛光方向的轮廓即可获得亚表面裂纹深 度,取3个斑点测量值的平均值,即得到该K9玻 璃磨削亚表面裂纹深度约为50肚m. 图7磁流变抛光斑点中心线轮廓图(沿抛光方向) Fig.7ProfileofcenterlineinMRF(alongpolishing direction) ll98765432lO墨羞 166光学精密工程第18卷 图8磨削后K9玻璃亚表面裂纹光学显微图像(1000×) Fig.8MicroscopefiguresofsubsurfacecracksofK9 flataftergrinding(1000×) 3.3磁流变粗抛去除磨削亚表面损伤层 利用体积去除效率为2.51mm./min的去除 函数二,去除直径为100mm的K9玻璃由磨削 产生的50ttm亚表面损伤层.磁流变抛光机床 KDMRF-1000采用光栅扫描路径,扫描间隔为 1mm,扫描时间为156min.磁流变粗抛后的表 面粗糙度如图9所示,表面粗糙度R值为0.926 nm.由图9可见,由于磨削表面对磁流变抛光过 程的影响,使得粗抛后磁流变抛光纹路明显,并且 表面粗糙度低于去除函数二在样片表面上获得的 表面粗糙度(R一0.827nm). 图9磁流变粗抛后表面粗糙度 Fig.9SurfaceroughnessafterroughMRFpolishing 内包括浅表面流动层,塑性划痕和抛光过程嵌入 的浓度沿深度递减的抛光杂质,王卓检测出的 传统抛光表面水解层深度约为76,105nm,磁流 变抛光的水解层深度约为46.3,55.5nm;亚表 面缺陷层可能包括研磨过程残留的亚表面裂纹, 脆性划痕和残余应力及抛光过程自身引入的塑性 划痕.Carr[1]检测出传统抛光缺陷层深度为100 , 5O0nm.磨削后的表面直接经过磁流变粗抛, 未经历研磨过程,亚表面缺陷层内主要为抛光过 程自身引入的塑性划痕.王卓[7检测出磁流变抛 光产生的塑性划痕深度约为3,5nm.参考上述 数据,为充分去除粗抛后玻璃表面的亚表面损伤 层,利用去除函数三去除玻璃表面200am厚度 的材料.磁流变抛光机床KDMRF一1000采用光 栅扫描路径,扫描间隔为1mm,扫描时间为17.5 min,扫描时将镜面旋转90.,使精抛的抛光纹路 与粗抛的抛光纹路相互垂直.磁流变精抛后的表 面粗糙度如图1O所示,表面粗糙度R值为 0.575nm.由图1O可见,精抛后表面的粗糙度 已大为改善,且粗抛的抛光纹路已被消除.图11 为HF酸洗掉表面水解层后的表面粗糙度测试结 果,表面粗糙度R值为0.764nm.由图l1可 见,酸洗后表面粗糙度有一定程度的恶化,抛光纹 路也更为清晰. 图lO磁流变精抛后表面粗糙度 Fig.10SurfaceroughnessafterfinalMRFpolishing 簿骥繇礴蘩霪I? 壤露蠹I+000491 西舅舅舅胃麓圈鸥艘囊嚣黼 ,鞫阔黼嘲赫… …Ie……一IIr…f…1肺:-I I—fO……1?…llr11t………000…I 3.4磁流变精抛光去除粗抛纹路并改善表面质量 一 苎表rfin洗掉alM表面RF水解polish层后ing 表面水解层和亚表面缺陷层.其中,表面水解层.(f tm.iighydro1ytilyrbyHFid) 第1期石峰,等:磁流变抛光消除磨削亚表面损伤层新工艺l67 4结论 磁流变抛光以其独特的剪切去除机理能够 在保证较高去除效率的同时不引入亚表面损伤, 因此可采用磁流变抛光替代研磨工序来直接衔接 磨削工序,克服传统光学制造技术对亚表面控制 的局限性. 本文分析了磁流变消除磨削亚表面损伤层的 可行性,提出了磁流变粗,精抛相结合的工艺路 线,并采用自研的磁流变抛光机床KDMRF一1000 参考文献: [1] [2] [3] [4] [5] [6] 吴东江,曹先锁,王强国,等.KDP晶体加工表面的 亚表面损伤检测与分析[J].光学精密工程,2007, 15(11):1721-1726. 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SABIAR,STEVENSHJ,VARNERR.Pittingof 和水基磁流变抛光液KDMRW一2进行了实验验 证.针对直径为100mm的K9材料平面玻璃, 首先采用磁流变斑点法精确测定其磨削亚表面裂 纹深度为50m,而后经过156min的磁流变粗 抛,去除50m亚表面损伤层,表面粗糙度R值 提升至0.926nm,而后经过17.5min的磁流变 精抛,去除玻璃表面200nm厚的材料,消除了粗 抛产生的抛光纹路,表面粗糙度.R值提升至 0.575nm,实现了近零亚表面损伤和纳米级精度 抛光的工艺目标. [7] [83 aglass—ceramicduringpolishingwithceriumoxide [J].J.Nowcryst.Solids.,1999,249:123—130. 王卓.光学材料加工亚表面损伤关键技术研究[D]. 国防科学技术大学,2008. WANGZH.Studyonthekeytechniquesofsubsuy一 cedamageinopticalbrication[D].Changsha: NationalUniversityofDefenseTechnology,2008, ERINJ,GOLINID.Surfaceinteractionsbetween nanodiamondsandglassinMagnetorheological Finishing(MRF)[D]. Rochester,2007. [9]HALLOCKB,DUMAS [1O] [11] [12] NewYork:Universityof P,SH0REYA,etal Recentadvancesindeterministic,low—costfinishing ofsapphirewindows[J].SPIE,2005,5786:154一 】64. 张峰,张斌智.磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研 究[J].光学精密工程,2005,13(1):34—38. 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E-mail:pxq@sina.corn.cn ;g 一馨II 钽霹—霸?舞曩曩—蘑嚣 ?下期预告 UV-LIGA和微细电火花加工技术 组合制作三维金属微结构 杜立群h,莫顺培,张余升,刘冲 (1.大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连116024; 2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116O24) 为了制作三维金属微结构,研究了UV—LIGA和微细电火花加工技术组合加工的工艺方法.首先, 使用UV—LIGA技术制作准三维金属微结构.然后,对该微结构进行微细电火花加工制作三维金属微 结构.使用该方法制作出了局部为梯形凸台和锥形凹槽三维微结构的镍模具.梯形凸台的尺寸为:长 584m,高5Om,顶面宽24m,底面宽70/lm,斜面倾角45.;锥形凹槽的尺寸为:长600m,宽 27m,深23m,斜面夹角60..同时分析了微细电火花加工中放电参数对表面粗糙度的影响,在工作 电压为65V,标称电容为100pF时得到Ra为0.08m微细电火花加工表面.研究结果表明,使用该 方法可实现三维金属微结构的制作.通过减小工作电压和标称电容的方法可降低微细电火花加工的表 面粗糙度.