电流变抛光

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1、2014 年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告） 考 核 科 目 : 现代光学加工技术 学生所在院（系）: xx 学 生 所 在 学 科 : x x学生姓名: x x x学号: 1 3 S x x学生类别:考核结果阅卷人电流变抛光简介电流变抛光简介1一、基本原理21.1、抛光21.2 电流变31.3 电流变抛光3二、基本特性与对比42.1 特性42.2 各种抛光方法对比5三、发展现状和关键技术63.1 抛光对象63.2 抛光工艺73.3 抛光设备83.4 抛光工具9四、存在的问题11五、参考文献12一、基本原理1.1、抛光抛光是利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行

2、的修 饰加工，以得到光亮而无磨痕的镜面为目的一种手段。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面 光泽为目的，有时也用以消除光泽（消光）。通常以抛光轮作为抛光工具。抛光 轮一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，两侧用金属圆板夹紧，其轮缘涂敷由 微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。常见抛光有机械抛光、化学抛光、电解抛光、超声波抛光、流体抛光、磁研 磨抛光等。镜面加工中所说的抛光与其他行业中所要求的表面抛光有很大的不同，。它 不仅对抛光本身有很高的要求并且对表面平整度、光滑度以及几何精确度也有很 高的标准。表面抛光一般只要求获得光亮的表面即可。镜面加工的标准分为四级： AO

3、=Ra0.008 口 m, A1=Ra0.016 口 m, A3=Ra0.032 口 m, A4=Ra0.063 口 m。由于电解 抛光、流体抛光等方法很难精确控制零件的几何精确度，而化学抛光、超声波抛 光、磁研磨抛光等方法的表面质量又达不到要求,所以精密模具的镜面加工还是 以机械抛光为主。1.2 电流变电流变液（Electro rheological fluids, ERF）是一种悬浮液，其流变特性在外加电 场的作用下会发生明显变化,粘度、剪切强度等随外加电场强度的提高而增大,响 应迅速,在毫秒级。电流变液的剪切强度可以在很大范围内通过电场快速的、连 续可调的变化。电流变液是由介于纳米与微米

4、尺度之间的介电颗粒与高绝缘液体混合而成 的复杂流体, 在施加电场时, 介电颗粒在感应偶极矩的作用下, 沿着电场线的方 向形成链状、柱状结构, 这些链状、柱状结构改变了电流变液体的流变特性。图 1-1.2 为加电场前后的微观变化, 在外加电场作用下, 当剪切速率较低时, 电流变 液的表观粘度等流变特性可比无电场下增大几个数量级 , 并具有明显的屈服应 力, 成为强度可以与一般固体相比较的类固态（弱固态） 物质, 这种特殊的物理现 象称为电流变效应。电流变效应具有以下特点:1、 外加电场控制；2、响应速度快, 一般在毫秒 级;3、连续可控性; 4、 可逆性;5、 能耗低。0O0CO00Ca）谨加电

5、城Z前伍）诫加电城之图1-1.2电流变特性的机理示意图电流变液通常由 3 部分构成: 1、 分散相, 可分为固体材料的异质电流变液 和液体材料的均质电流变液。分散相决定了电流变液性能的好坏, 因此又被称为 电流变材料。2、分散介质, 又叫基础液, 是分散相的载体。基础液的作用是把分 散相均匀地分散在其中, 在外加电场下产生电流变效应。对电流变液的性质有重 大影响。3、添加剂。能够改善电流变液性能的任何极性材料。1.3 电流变抛光电流变抛光技术是利用电流变液的电流变效应进行抛光的一种新型光整加 工方法。该技术出现于本世纪初，是由日本学者T.Kuriyagawa提出的，把超精细 的研磨剂混入到电流

6、变液中,在电场作用下, 悬浮于电流变液中的研磨剂连同电 流变颗粒一起被极化, 形成链状结构, 研磨剂被固定于成链分布的电流变粒子之 间。电流变抛光原理如图 1-1.3 所示。电流变抛光时，将尖锥状的微型工具与电源的负极相连，放置于工件表面的 环形电极与电源的正极相连，工具与工件之间的间隙约为3 口 m。加工过程中, 以刀具和导电工件作为电极, 把混入研磨剂的电流变液填充到工件和刀具之间。 加上电场后, 电力线从刀具到工件表面排布, 研磨剂颗粒也沿着电力线排布。因 为刀尖附件场强最大, 电力线也最密集, 研磨剂沿着电力线被集聚到了刀尖附近, 形成球形微小砂轮。当刀尖与工件相对转动时, 研磨剂随之

7、转动就可以产生微切 削作用, 形成抛光加工。抛光时所用的抛光工具系统由环形电极与工具电极两部分组成，工具电极为 尖锥状结构，因此把这种抛光工具称为尖锥状分离电极工具。这种抛光方法与传 统抛光方法不同之处是可以通过控制电压来控制去除量，可以实现对平面、球面、 非球面以及复杂曲面导体(金属)零件和非导体(光学玻璃)零件的抛光加工， 可以获得表面粗糙度为纳米级的光滑表面。二、基本特性与对比2.1 特性电流变抛光技术与磁流变抛光技术原理类似，都是利用智能材料的流变效应 进行抛光加工的。电流变抛光与磁流变抛光有很多相同点，主要表现在以下几个 方面：(1) 流变抛光的磨头具有自我更新能力，抛光过程中不需要

8、修形，因此可以 保持稳定的去除率，特别适合数控加工。(2) 由于是软接触，不会破坏工件的亚表面层，可以获得较高的表面质量。(3) 抛光过程中柔性抛光头贴合工件表面，去除均匀，对抛光对象的面型、 尺寸没有限制。(4) 具有较高的柔性，磨头硬度可调，抛光过程可控。电流变抛光与磁流变抛光也有一些不同之处，具体表现在以下几个方面：(1) 材料的剪切应力。一般来说，磁流变液的剪切应力可以达到 80KPa 以上， 而电流变液的剪切应力一般小于15KPa,远远小于磁流变液，这也是近年来磁流 变技术发展远远快于电流变技术的原因。2003 年，香港科技大学的温维佳等发 明了一种能够产生巨电流变效应的电流变液，它

9、的剪切应力可以达到 100KPa 以 上，电流变技术的发展开始出现曙光。(2) 使用的方便性。电流变技术电场产生方便，只需要两电极即可，磁流变 技术所需设施复杂，从而限制了它的应用领域。(3) 适用范围。电流变抛光可以抛光任何材料，磁流变抛光由于磁极的存在， 在抛光铁磁材料时多有不便。电流变抛光技术作为一种新型的抛光工艺，可以实现非接触式抛光，以柔性 抛光模的形式自适应抛光复杂曲面，通过对电压、工具电极转速、抛光路径的控 制可以实现对复杂曲面进行抛光以提高加工质量。电流变抛光技术的产生为微小型非球面光学元件及硬质合金模具的高精度 表面处理提供了一种新的手段。由于它适用面广，加工成本低，也可用于

10、常规工 件的加工，具有很高的实用价值。综上所述，电流变抛光使用方便，适用范围广，具有很好的发展前景。2.2 各种抛光方法对比表二为各种抛光方法对比名称抛光原理优点不足超声波抛光利用工具端面的超声频振动， 迫使磨料悬浮液对硬脆的材 料表面进行加工。可抛各种面型，各种材 料工件，适用面广。工具制作及安装困 难，工具易磨损，加 工速度慢。液体喷射 抛光由小喷管咼速喷出的混有 磨料粒子的抛光液冲击工 件表面,在磨料粒子动能 作用下完成对工件表面材 料的去除。可用于任何材 料，加工效率较高。喷射物呈泥浆状， 工件清洗和喷射 剂的净化比较麻 烦。离子束抛 光利用高速粒子束冲击工件 表面，使工件表面受力区

11、的分子或原子获得动能， 脱离内部晶格的束缚，从 而达到微量去除的目的。适用于各种尺 寸，各种面型工件， 加工范围广工艺复杂。需要有 一套复杂的离子 束产生设备和真 空系统，加工过 程不易控制、材料 去除速率极低，加 工材料有限激光抛光利用激光的热效应，熔融、 蒸发工件表层材料，从而 达到光滑平整。可加工难以加工的 材料，无污染，加工 变形小、速度快、成设备成本高，过程 要求精密控制本低。液流悬浮 抛光运动的悬浮液通过工件与 聚亚胺酯轮之间形成的微 小间隙时产生的剪切力， 对工件表面材料进行去 除。加工效率较咼， 不产生亚表面破 坏层，易于数控适用面型较窄，不 适用于微小，复杂 面型。磁流变抛

12、光利用混有磨料颗粒的磁流 变液发生磁流变效应时形 成的类固体磨头，与工件 表面发生相对运动，从而 达到抛光的目的。无亚表层破坏，磨头 硬度可调，磨头永不 磨损，加工成本低， 可适用于各种 面型设备具有电磁装 置，不方便进行铁 磁类材料的抛光。机械化学 抛光抛光剂中混有化学溶液， 机械作用和化学作用的合 力对工件进行抛光结构简单加工成本高，效率 低，有振动，加工 精度低。水合抛光利用工件表面上产生的水 合反应进行咼效，精密抛 光方法。加工效率高设备复杂，抛光材 料有限制，适用面 窄。表二 各种抛光方法对比三、发展现状和关键技术1939年，美国学者W.M.Winslow发现了电流变效应，他于194

13、9年申请专 利并发表了论文，这标志着电流变技术的诞生。电流变技术的发展经过八九十年 代的沉寂，近几年正处于高速发展时期，一个电流变技术发展的黄金时期即将到 来。由于电流变技术具有广阔的应用前景，有专家预言，电流技术将超越半导体 技术，引起又一次的工业革命。近年来，电流变技术也被引入了传统的光整加工领域，诞生了一种新颖的抛 光技术电流变抛光技术。目前对电流变抛光技术的研究主要集中在日本、韩国 和中国，尚处于实验室研究阶段，研究重点主要集中于抛光对象、抛光工艺、抛 光设备以及抛光工具等方面。3.1 抛光对象目前电流变抛光技术可以进行导体工件和非导体工件的抛光，使用的工具主 要是尖锥状抛光工具，尖锥

14、状抛光工具抛光导体工件和非导体工件时原理相同， 方法各异。尖锥状抛光工具抛光导体工件的原理如图1-1.3(a)所示。把工具电极作为负 极，工件作为正极，分别与直流高压电源两极相连时，在工具电极与工件表面之 间产生一个非均匀的梯度电场。在电场作用下，电流变抛光液在工具电极附近发生电流变效应，形成柔性抛 光头。当工具旋转时，工具带动柔性抛光头与被加工工件的表面发生相对运动， 产生的摩擦作用，磨料颗粒与工件表面的摩擦产生微量的去除，从而完成对导体 工件的抛光加工。当抛光非导体时，由于工件不能单独作为一极，因此需要在工件上附加一个 辅助电极，如图1-1.3(b)所示，这样也产生一个非均匀的梯度电场，使

15、电场中的 电流变液发生电流变效应，从而完成对非导体工件的抛光。使用以上两种抛光模式，国内外学者进行了光学玻璃，硅酸盐玻璃，硬质合 金等材料的抛光实验。由电流变抛光原理可知，电流变技术还可以用于其他材料 的抛光，而这还需要进一步的拓展研究。日抛疋廿体b拋疋非分体1.工具电极2.电力线3.导体工件4.磨料颗粒5.髙压电源6非导体工件7辅助电极图1.3.尖锥状抛光工具图 1-1.33.2 抛光工艺抛光工艺涉及的内容很多，目前研究热点主要集中于电流变抛光效果的影响 因素，去除规律，抛光区域等方面。影响抛光效果的因素很多，主要有电源种类、电压、转速、抛光时间、磨料 种类、磨料浓度、抛光间隙等。研究发现随着电压、转速、磨料浓度和抛光时间的增加，工件表面的粗糙度 呈现下降趋势。基本上明晰了影响电流变抛光的各个因素及它们对电流变抛光效 果的影响规律。以上各因素也对电流变抛光的材料去除有较大的影响。韩国 W.B.Kim 教授研究了电场类型，明晰了发生电流变效应时的表观现象，研究了电 场强度与材料去除的关系，得到了电场强度越大，去除效