電流變拋光教材

12/122014年春季學(xué)期研究生課程考核（讀書(shū)報(bào)告、研究報(bào)告）考核科目:現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)學(xué)生所在院（系）:xx學(xué)生所在學(xué)科:xx學(xué)生姓名:xxx學(xué)號(hào):13Sxx學(xué)生類別:考核結(jié)果閱卷人第1頁(yè)（共頁(yè)）電流變拋光簡(jiǎn)介電流變拋光簡(jiǎn)介 1一、 基本原理 21.1、拋光 21.2電流變 31.3電流變拋光 3二、基本特性與對(duì)比 42.1特性 42.2各種拋光方法對(duì)比 5三、發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù) 63.1拋光對(duì)象 63.2拋光工藝 73.3拋光設(shè)備 83.4拋光工具 9四、存在的問(wèn)題 11五、參考文獻(xiàn) 12基本原理1.1、拋光拋光是利用柔性拋光工具和磨料顆粒或其他拋光介質(zhì)對(duì)工件表面進(jìn)行的修飾加工，以得到光亮而無(wú)磨痕的鏡面為目的一種手段。拋光不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的，有時(shí)也用以消除光澤（消光）。通常以拋光輪作為拋光工具。拋光輪一般用多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，兩側(cè)用金屬圓板夾緊，其輪緣涂敷由微粉磨料和油脂等均勻混合而成的拋光劑。常見(jiàn)拋光有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、電解拋光、超聲波拋光、流體拋光、磁研磨拋光等。鏡面加工中所說(shuō)的拋光與其他行業(yè)中所要求的表面拋光有很大的不同，。它不僅對(duì)拋光本身有很高的要求并且對(duì)表面平整度、光滑度以及幾何精確度也有很高的標(biāo)準(zhǔn)。表面拋光一般只要求獲得光亮的表面即可。鏡面加工的標(biāo)準(zhǔn)分為四級(jí)：AO=Ra0.008μm，A1=Ra0.016μm，A3=Ra0.032μm，A4=Ra0.063μm。由于電解拋光、流體拋光等方法很難精確控制零件的幾何精確度，而化學(xué)拋光、超聲波拋光、磁研磨拋光等方法的表面質(zhì)量又達(dá)不到要求，所以精密模具的鏡面加工還是以機(jī)械拋光為主。1.2電流變電流變液(Electrorheologicalfluids，ERF)是一種懸浮液,其流變特性在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生明顯變化,粘度、剪切強(qiáng)度等隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度的提高而增大,響應(yīng)迅速,在毫秒級(jí)。電流變液的剪切強(qiáng)度可以在很大范圍內(nèi)通過(guò)電場(chǎng)快速的、連續(xù)可調(diào)的變化。電流變液是由介于納米與微米尺度之間的介電顆粒與高絕緣液體混合而成的復(fù)雜流體,在施加電場(chǎng)時(shí),介電顆粒在感應(yīng)偶極矩的作用下,沿著電場(chǎng)線的方向形成鏈狀、柱狀結(jié)構(gòu),這些鏈狀、柱狀結(jié)構(gòu)改變了電流變液體的流變特性。圖1-1.2為加電場(chǎng)前后的微觀變化,在外加電場(chǎng)作用下,當(dāng)剪切速率較低時(shí),電流變液的表觀粘度等流變特性可比無(wú)電場(chǎng)下增大幾個(gè)數(shù)量級(jí),并具有明顯的屈服應(yīng)力,成為強(qiáng)度可以與一般固體相比較的類固態(tài)(弱固態(tài))物質(zhì),這種特殊的物理現(xiàn)象稱為電流變效應(yīng)。電流變效應(yīng)具有以下特點(diǎn):1、外加電場(chǎng)控制；2、響應(yīng)速度快,一般在毫秒級(jí);3、連續(xù)可控性;4、可逆性;5、能耗低。圖1-1.2電流變特性的機(jī)理示意圖電流變液通常由3部分構(gòu)成:1、分散相,可分為固體材料的異質(zhì)電流變液和液體材料的均質(zhì)電流變液。分散相決定了電流變液性能的好壞,因此又被稱為電流變材料。2、分散介質(zhì),又叫基礎(chǔ)液,是分散相的載體?；A(chǔ)液的作用是把分散相均勻地分散在其中,在外加電場(chǎng)下產(chǎn)生電流變效應(yīng)。對(duì)電流變液的性質(zhì)有重大影響。3、添加劑。能夠改善電流變液性能的任何極性材料。1.3電流變拋光電流變拋光技術(shù)是利用電流變液的電流變效應(yīng)進(jìn)行拋光的一種新型光整加工方法。該技術(shù)出現(xiàn)于本世紀(jì)初，是由日本學(xué)者T.Kuriyagawa提出的，把超精細(xì)的研磨劑混入到電流變液中,在電場(chǎng)作用下,懸浮于電流變液中的研磨劑連同電流變顆粒一起被極化,形成鏈狀結(jié)構(gòu),研磨劑被固定于成鏈分布的電流變粒子之間。電流變拋光原理如圖1-1.3所示。圖1-1.3電流變拋光原理電流變拋光時(shí)，將尖錐狀的微型工具與電源的負(fù)極相連，放置于工件表面的環(huán)形電極與電源的正極相連，工具與工件之間的間隙約為3μm。加工過(guò)程中,以刀具和導(dǎo)電工件作為電極,把混入研磨劑的電流變液填充到工件和刀具之間。加上電場(chǎng)后,電力線從刀具到工件表面排布,研磨劑顆粒也沿著電力線排布。因?yàn)榈都飧郊?chǎng)強(qiáng)最大,電力線也最密集,研磨劑沿著電力線被集聚到了刀尖附近,形成球形微小砂輪。當(dāng)?shù)都馀c工件相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),研磨劑隨之轉(zhuǎn)動(dòng)就可以產(chǎn)生微切削作用,形成拋光加工。拋光時(shí)所用的拋光工具系統(tǒng)由環(huán)形電極與工具電極兩部分組成，工具電極為尖錐狀結(jié)構(gòu)，因此把這種拋光工具稱為尖錐狀分離電極工具。這種拋光方法與傳統(tǒng)拋光方法不同之處是可以通過(guò)控制電壓來(lái)控制去除量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)平面、球面、非球面以及復(fù)雜曲面導(dǎo)體（金屬）零件和非導(dǎo)體（光學(xué)玻璃）零件的拋光加工，可以獲得表面粗糙度為納米級(jí)的光滑表面。二、基本特性與對(duì)比2.1特性電流變拋光技術(shù)與磁流變拋光技術(shù)原理類似，都是利用智能材料的流變效應(yīng)進(jìn)行拋光加工的。電流變拋光與磁流變拋光有很多相同點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)流變拋光的磨頭具有自我更新能力，拋光過(guò)程中不需要修形，因此可以保持穩(wěn)定的去除率，特別適合數(shù)控加工。(2)由于是軟接觸，不會(huì)破壞工件的亞表面層，可以獲得較高的表面質(zhì)量。(3)拋光過(guò)程中柔性拋光頭貼合工件表面，去除均勻，對(duì)拋光對(duì)象的面型、尺寸沒(méi)有限制。(4)具有較高的柔性，磨頭硬度可調(diào)，拋光過(guò)程可控。電流變拋光與磁流變拋光也有一些不同之處，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)材料的剪切應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，磁流變液的剪切應(yīng)力可以達(dá)到80KPa以上，而電流變液的剪切應(yīng)力一般小于15KPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁流變液，這也是近年來(lái)磁流變技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于電流變技術(shù)的原因。2003年，香港科技大學(xué)的溫維佳等發(fā)明了一種能夠產(chǎn)生巨電流變效應(yīng)的電流變液，它的剪切應(yīng)力可以達(dá)到100KPa以上，電流變技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始出現(xiàn)曙光。(2)使用的方便性。電流變技術(shù)電場(chǎng)產(chǎn)生方便，只需要兩電極即可，磁流變技術(shù)所需設(shè)施復(fù)雜，從而限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。(3)適用范圍。電流變拋光可以拋光任何材料，磁流變拋光由于磁極的存在，在拋光鐵磁材料時(shí)多有不便。電流變拋光技術(shù)作為一種新型的拋光工藝，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式拋光，以柔性拋光模的形式自適應(yīng)拋光復(fù)雜曲面，通過(guò)對(duì)電壓、工具電極轉(zhuǎn)速、拋光路徑的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行拋光以提高加工質(zhì)量。電流變拋光技術(shù)的產(chǎn)生為微小型非球面光學(xué)元件及硬質(zhì)合金模具的高精度表面處理提供了一種新的手段。由于它適用面廣，加工成本低，也可用于常規(guī)工件的加工，具有很高的實(shí)用價(jià)值。綜上所述，電流變拋光使用方便，適用范圍廣，具有很好的發(fā)展前景。2.2各種拋光方法對(duì)比表二為各種拋光方法對(duì)比名稱拋光原理優(yōu)點(diǎn)不足超聲波拋光利用工具端面的超聲頻振動(dòng)，迫使磨料懸浮液對(duì)硬脆的材料表面進(jìn)行加工。可拋各種面型，各種材料工件，適用面廣。工具制作及安裝困難，工具易磨損，加工速度慢。液體噴射拋光由小噴管高速噴出的混有磨料粒子的拋光液沖擊工件表面,在磨料粒子動(dòng)能作用下完成對(duì)工件表面材料的去除?？捎糜谌魏尾牧?，加工效率較高。噴射物呈泥漿狀，工件清洗和噴射劑的凈化比較麻煩。離子束拋光利用高速粒子束沖擊工件表面，使工件表面受力區(qū)的分子或原子獲得動(dòng)能，脫離內(nèi)部晶格的束縛，從而達(dá)到微量去除的目的。適用于各種尺寸，各種面型工件，加工范圍廣工藝復(fù)雜。需要有一套復(fù)雜的離子束產(chǎn)生設(shè)備和真空系統(tǒng)，加工過(guò)程不易控制、材料去除速率極低，加工材料有限激光拋光利用激光的熱效應(yīng)，熔融、蒸發(fā)工件表層材料，從而達(dá)到光滑平整?？杉庸るy以加工的材料，無(wú)污染，加工變形小、速度快、成本低。設(shè)備成本高，過(guò)程要求精密控制液流懸浮拋光運(yùn)動(dòng)的懸浮液通過(guò)工件與聚亞胺酯輪之間形成的微小間隙時(shí)產(chǎn)生的剪切力，對(duì)工件表面材料進(jìn)行去除。加工效率較高，不產(chǎn)生亞表面破壞層，易于數(shù)控適用面型較窄，不適用于微小，復(fù)雜面型。磁流變拋光利用混有磨料顆粒的磁流變液發(fā)生磁流變效應(yīng)時(shí)形成的類固體磨頭，與工件表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到拋光的目的。無(wú)亞表層破壞，磨頭硬度可調(diào)，磨頭永不磨損，加工成本低，可適用于各種面型設(shè)備具有電磁裝置，不方便進(jìn)行鐵磁類材料的拋光。機(jī)械化學(xué)拋光拋光劑中混有化學(xué)溶液，機(jī)械作用和化學(xué)作用的合力對(duì)工件進(jìn)行拋光結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單加工成本高，效率低，有振動(dòng)，加工精度低。水合拋光利用工件表面上產(chǎn)生的水合反應(yīng)進(jìn)行高效，精密拋光方法。加工效率高設(shè)備復(fù)雜，拋光材料有限制，適用面窄。表二各種拋光方法對(duì)比三、發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)1939年，美國(guó)學(xué)者W.M.Winslow發(fā)現(xiàn)了電流變效應(yīng)，他于1949年申請(qǐng)專利并發(fā)表了論文，這標(biāo)志著電流變技術(shù)的誕生。電流變技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過(guò)八九十年代的沉寂，近幾年正處于高速發(fā)展時(shí)期，一個(gè)電流變技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期即將到來(lái)。由于電流變技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，有專家預(yù)言，電流技術(shù)將超越半導(dǎo)體技術(shù)，引起又一次的工業(yè)革命。近年來(lái)，電流變技術(shù)也被引入了傳統(tǒng)的光整加工領(lǐng)域，誕生了一種新穎的拋光技術(shù)—電流變拋光技術(shù)。目前對(duì)電流變拋光技術(shù)的研究主要集中在日本、韓國(guó)和中國(guó)，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，研究重點(diǎn)主要集中于拋光對(duì)象、拋光工藝、拋光設(shè)備以及拋光工具等方面。3.1拋光對(duì)象目前電流變拋光技術(shù)可以進(jìn)行導(dǎo)體工件和非導(dǎo)體工件的拋光，使用的工具主要是尖錐狀拋光工具，尖錐狀拋光工具拋光導(dǎo)體工件和非導(dǎo)體工件時(shí)原理相同，方法各異。尖錐狀拋光工具拋光導(dǎo)體工件的原理如圖1-1.3(a)所示。把工具電極作為負(fù)極，工件作為正極，分別與直流高壓電源兩極相連時(shí)，在工具電極與工件表面之間產(chǎn)生一個(gè)非均勻的梯度電場(chǎng)。在電場(chǎng)作用下，電流變拋光液在工具電極附近發(fā)生電流變效應(yīng)，形成柔性拋光頭。當(dāng)工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，工具帶動(dòng)柔性拋光頭與被加工工件的表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的摩擦作用，磨料顆粒與工件表面的摩擦產(chǎn)生微量的去除，從而完成對(duì)導(dǎo)體工件的拋光加工。當(dāng)拋光非導(dǎo)體時(shí)，由于工件不能單獨(dú)作為一極，因此需要在工件上附加一個(gè)輔助電極，如圖1-1.3(b)所示，這樣也產(chǎn)生一個(gè)非均勻的梯度電場(chǎng)，使電場(chǎng)中的電流變液發(fā)生電流變效應(yīng)，從而完成對(duì)非導(dǎo)體工件的拋光。使用以上兩種拋光模式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了光學(xué)玻璃，硅酸鹽玻璃，硬質(zhì)合金等材料的拋光實(shí)驗(yàn)。由電流變拋光原理可知，電流變技術(shù)還可以用于其他材料的拋光，而這還需要進(jìn)一步的拓展研究。圖1-1.33.2拋光工藝拋光工藝涉及的內(nèi)容很多，目前研究熱點(diǎn)主要集中于電流變拋光效果的影響因素，去除規(guī)律，拋光區(qū)域等方面。影響拋光效果的因素很多，主要有電源種類、電壓、轉(zhuǎn)速、拋光時(shí)間、磨料種類、磨料濃度、拋光間隙等。研究發(fā)現(xiàn)隨著電壓、轉(zhuǎn)速、磨料濃度和拋光時(shí)間的增加，工件表面的粗糙度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?；旧厦魑擞绊戨娏髯儝伖獾母鱾€(gè)因素及它們對(duì)電流變拋光效果的影響規(guī)律。以上各因素也對(duì)電流變拋光的材料去除有較大的影響。韓國(guó)W.B.Kim教授研究了電場(chǎng)類型，明晰了發(fā)生電流變效應(yīng)時(shí)的表觀現(xiàn)象，研究了電場(chǎng)強(qiáng)度與材料去除的關(guān)系，得到了電場(chǎng)強(qiáng)度越大，去除效率越高的結(jié)論。3.3拋光設(shè)備目前對(duì)電流變拋光的研究主要集中在拋光微小非球面工件及硬質(zhì)合金模具上，這兩個(gè)方面也是電流變拋光的優(yōu)勢(shì)所在，因此許多拋光裝置的開(kāi)發(fā)都是圍繞這兩個(gè)方面進(jìn)行的。對(duì)電流變拋光裝置的研究主要有日本東北大學(xué)，韓國(guó)延世大學(xué)，廣東工業(yè)大學(xué)，吉林大學(xué)等，其中日本東北大學(xué)發(fā)展較快。日本東北大學(xué)精密機(jī)械研究所研制的電流變拋光微小非球面加工系統(tǒng)，主要用于對(duì)微小非球面的研磨、拋光。圖(a)是拋光裝置圖，圖(b)是拋光原理圖。韓國(guó)延世大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制的電流變拋光非球面裝置如下圖所示。我國(guó)，對(duì)電流變拋光的研究剛剛起步。據(jù)文獻(xiàn)所知，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在有吉林大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位在進(jìn)行電流變拋光方面的研究。廣東工業(yè)大學(xué)的電流變拋光裝置是對(duì)顯微鏡進(jìn)行了巧妙改造，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單零件的定點(diǎn)拋光，其實(shí)驗(yàn)裝置如下圖。該拋光裝置的優(yōu)點(diǎn)在于巧妙的利用了顯微鏡的調(diào)焦方法，以簡(jiǎn)單、廉價(jià)、有效的方法實(shí)現(xiàn)了位移的精確調(diào)節(jié)。定位精度達(dá)到了微米級(jí)，滿足了電流變拋光的實(shí)驗(yàn)需求。但該裝置只能進(jìn)行定點(diǎn)拋光，不能進(jìn)行連續(xù)拋光，且是手動(dòng)調(diào)節(jié)，效率低下，難以投入實(shí)用。鑒于以上問(wèn)題，廣東工業(yè)大學(xué)又開(kāi)發(fā)了如圖(b)的電磁流變精密研拋裝置，不但可以實(shí)現(xiàn)電流變拋光，也可以實(shí)現(xiàn)磁流變拋光。X軸、Y軸、Z軸使用精密電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)給，可以研拋平面工件。吉林大學(xué)的電流變拋光研究所使用的拋光裝置如下圖所示。3.4拋光工具拋光工具是電流變拋光設(shè)備中的核心部件，不同的拋光工具適用于不同的拋光對(duì)象，并對(duì)拋光效率具有很大的影響。目前已知的電流變拋光工具有針狀電極、環(huán)形電極、多層同軸集成電極、平行板集成電極、環(huán)形集成電極、單側(cè)圖形電極等。每種電極都表現(xiàn)了它們不同的功用和特點(diǎn)，針狀電極適合加工導(dǎo)體類工件。針狀電極和環(huán)形電極的配合使用最初應(yīng)用于非導(dǎo)體類工件的拋光，例如光學(xué)玻璃等。針狀電極在拋光導(dǎo)體類工件時(shí)由于間隙難于控制，往往產(chǎn)生放電產(chǎn)生火花對(duì)工件表面產(chǎn)生破壞。為了克服針狀電極這一缺點(diǎn)，在電極端部涂上一層厚為10um的半球形絕緣涂層。一種在AC電場(chǎng)下的，多層同軸集成電極。如圖所示，電極共有五層。每層電極通過(guò)電刷提供不同的電壓，相鄰的銅環(huán)為不同電極。磨料顆粒在電場(chǎng)的作用下聚集在電極間的縫隙內(nèi)形成團(tuán)簇狀。吉林大學(xué)研發(fā)了兩種新型的集成電極工具，平行板集成電極和環(huán)形集成電極。針狀電極在加工中易于產(chǎn)生擊穿和放電，而集成電極工具可以克服了針狀電極的缺點(diǎn)適于加工導(dǎo)體和非導(dǎo)體類工件。四、存在的問(wèn)題電流變拋光的研究還處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，拋光機(jī)理還不清楚，現(xiàn)有的設(shè)備及工具還不能滿足實(shí)用化需要。在電流變拋光設(shè)備的研制上，日本和韓國(guó)發(fā)展較快，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小非球面的拋光。雖然國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)都擁有自己的拋光裝置，但都是對(duì)其它設(shè)備的改造，難以勝任復(fù)雜曲面工件的拋光。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用現(xiàn)有拋光裝置拋光時(shí)具有以下問(wèn)題：(1)現(xiàn)有拋光裝置控制精度較低，當(dāng)拋光導(dǎo)體工件時(shí)，工具與工件間隙難以精確控制，經(jīng)常短路，發(fā)生擊穿現(xiàn)象。(2)現(xiàn)有拋光裝置自由度有限，只能拋光平面工件，不能拋光復(fù)雜曲面。(3)現(xiàn)有拋光裝置不能夠?qū)崿F(xiàn)各軸的平滑聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)拋光時(shí)誤差較大。研究中還發(fā)現(xiàn)