磁性剪切增稠超精密光整加工技术

第1章 绪论 随着科技发展与社会进步，航空航天、精密机械、生物医疗、国防军事、轨道交通、光学工程、5G通信、船舶制造等领域对零部件精度、功能结构以及表面质量等方面的要求日趋严格。传统机械加工后的零部件常存在表面粗糙度低、表面锈蚀、表面烧伤、表面划伤、表面裂纹、边缘断裂、棱边、毛刺等缺陷，这些缺陷不仅影响零部件的疲劳强度、耐磨性以及耐腐蚀性，还影响零部件的定位精度和安装精度，甚至影响产品的使用寿命和服务性能，难以满足应用要求。因此，以提高零部件精度与表面质量为目的的精密与超精密加工技术成为发展急需。 光整加工技术作为精密与超精密加工领域应用广泛的一种加工工艺，是现代制造技术的重要组成部分。光整加工技术是精密机械加工后零部件表面完整性进一步提高的延续，通过不切除或仅切除极薄的材料表面层实现表面微瑕疵、微裂纹、拉伸残余应力层的去除，从而降低工件表面粗糙度、增强压缩残余应力，以强化表面强度、提高零部件寿命等。传统光整加工技术主要包括磨削、研磨、珩磨、喷丸等。随着现代制造业的发展，对加工效率、加工精度、适用范围及自动化程度等方面提出了更高的技术要求，一些非传统光整加工技术应运而生，如磁场辅助光整加工技术、离子束抛光技术、激光束抛光技术、等离子体喷射加工技术和电化学抛光技术等。 非传统光整加工工艺对精密与超精密光整技术的发展尤为重要，对提高零部件表面完整性具有重要意义。深入系统地研究与开发新型高效高质非传统光整加工工艺，有助于丰富精密与超精密光整加工理论与技术，促进现代制造技术的发展。非接触式的离子束抛光技术、激光束抛光技术、等离子体喷射加工技术具有加工精度高、表面粗糙度低等优势，但材料去除效率低，设备昂贵，对加工条件要求苛刻。电化学抛光技术具有效率高的显著优点，但是存在化学腐蚀液污染环境的问题。磁场辅助光整加工技术具有游离磨料自适应性强、不受零部件表面复杂结构特征限制、光整介质易于控制等优势，适用于螺旋结构、微细结构、自由曲面等复杂结构的表面光整加工，可使表面粗糙度达到纳米至几十纳米量级，使材料以延性域加工方式去除，且能够有效去除工件表面微缺陷，使光整后的表面完整性良好。因此，磁场辅助光整加工工艺具有广阔的应用前景，是现代制造技术的重要加工工艺之一。但是，由于磁场辅助光整加工面临着光整周期长、自动化程度低、材料去除均一性差、尺寸精度不易控制、磁性介质光整性不稳定等共性难题，特别是在高剪切应力场作用下，磁性介质流变特性变差，磁场对磨粒的把控能力变弱，故磁场辅助光整加工技术的应用范围受到了极大的限制，迫切需要研究新型磁场辅助光整加工方法、介质和装置。 1.1 磁场辅助光整加工技术简介 磁场辅助光整加工指利用磁场对高磁导率磁性介质的控制实现工件表面的光整加工。磁性介质沿磁力线方向自适应聚集于工件表面，形成“柔性粒子簇”，磁性介质的把持力度和运动轨迹通过调控磁场方向与强度来控制，磁性介质与工件接触并相对运动时，其中的微/纳磨粒在工件表面产生滑擦、滚动、切削运动，实现工件表面微凸峰去除，具有典型的游离磨料的适应性强、可控性好等优势。因此，磁场辅助光整加工技术广泛应用于航空航天、精密机械、生物医疗、光学工程、船舶制造等领域复杂结构零部件的精密与超精密加工[1]。 磁场辅助光整加工技术主要包括磁力研磨、磁流变光整、磁射流抛光、磁性浮体抛光、超声辅助磁力研磨等。其中，磁力研磨与磁流变光整应用*为广泛，它们的主要区别是使用的磁性介质与光整机理不同。磁力研磨使用的磁性介质为磁性磨料，磁流变光整使用的磁性介质为磁流变液。磁流变液包含基液、添加剂等成分。磁流变光整研究磁流变液在流体动力、磁场等复合场作用下的力学行为，而磁力研磨研究主要涉及磁性磨料在磁场下的力学行为。磁力研磨中，游离磁性磨料在磁场的作用下形成具有一定柔性和黏弹性的“柔性粒子簇”，并自适应贴合加工表面，因此不仅可以加工外表面平面，还可以加工自由曲面、螺旋结构表面等。磁场的穿透能力可以调控光整介质对内表面、螺旋结构、微细结构进行加工，且加工轨迹不需要数控磨削的严格控制[2]。磁流变光整是利用磁流变液的磁流变效应，在特定磁场的作用下使表观黏度在毫秒内迅速增大，在光整区域内形成半固体状的“柔性粒子簇”，用“固结”的微/纳磨粒切削工件表面微凸峰，以实现光整加工。 磁场辅助光整加工技术相对于传统的光整加工技术具有独*的优势，主要包括：①“柔性粒子簇”具有较高的柔性与黏弹性，磁场有较强的穿透能力，对加工对象形态适应性强，可以适用于外表面、内表面、螺旋结构、微细结构、自由曲面等复杂结构表面的加工；②提高被加工工件的物理性能，微/纳磨粒对工件表面进行微切削和碾压作用，改变表面应力的分布状态，消除表面变质层，提高工件表面的硬度和疲劳强度；③微/纳磨粒具有良好的切削调整能力，微/纳磨粒在被加工表面产生滑擦、滚动、切削作用，不断调整微/纳磨粒切削刃的切削角度，保证切削性能，提高光整加工效率；④被加工工件表面产生的塑性变形小，热量低，残余应力小，工件光整后变形量小，形状精度高；⑤加工材料广泛，可适用于加工导磁和非导磁材料，对镍合金、钛合金、先进陶瓷等难加工高温合金与硬脆性材料有较好的加工效果；⑥磁性介质对环境无污染，成本低，可重复利用，符合绿色制造的主旨。 1.2 磁场辅助光整加工技术发展 作为一种非传统光整加工工艺，磁场辅助光整加工技术受到了国内外学者的广泛关注，产生了丰富的研究成果。该技术*早可追溯到20世纪30年代。1938年，苏联工程师?Kargolow?将磁场引入光整加工中，提出了磁性磨粒研磨(magnetic abrasive finishing)的磁场辅助光整加工工艺，国内学者称之为“磁力研磨”；20世纪60年代初，苏联学者致力于磁场辅助光整加工工艺的研究与推广应用；70年代中期，Mekedonski等对磁力研磨加工工艺开展大量的研究，将其应用于工件毛刺去除；80年代初期，日本宇都宫大学的Shinmura对磁场辅助光整加工技术展开了深入的研究，将旋转磁场引入磁力研磨中，设计并制造了具有实用价值的磁力研磨设备[3]。 20世纪80年代后期，我国许多科研院所与高等院校开始对磁场辅助光整加工技术展开研究与推广。湖南大学尹韶辉等在在线电解修锐磨削中引入了磁力研磨光整加工工艺，以三轴立式加工中心为平台，提出了对复杂曲面加工的控制方法，分析了刀具磨损产生的形状误差，讨论了避免加工干涉的方法[4]。南京航空航天大学左敦稳等制备了用于硬脆材料研磨的金刚石磁性磨料，分析了金刚石磨粒的浓度、铁磁性金属合金的含量、机械搅拌速度对磁性磨粒光整性能的影响，针对石英玻璃进行了光整加工实验，获得了*优的制备工艺[5]。太原理工大学杨胜强等基于旋涡气流光整技术及磁力研磨技术，提出了旋涡气流磁场复合光整加工工艺，通过数值模拟证明了该工艺的有效性；搭建了针对细长孔、交叉孔、难加工材料表面的光整实验平台，进行了工艺实验[6，7]。山东理工大学赵玉刚等研究了自由降落双极混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备技术与设备，以金刚石、碳化硅、氧化铝粉末为硬质磨料材料，以铁磁性金属合金为基体材料，制备出了理想球形结构、粒度均一、研磨性能优异的磁性磨料，搭建了磁力光整加工自动化设备，解决了超细长血管支架管材内壁镜面加工的难题[8，9]。辽宁科技大学陈燕等将超声技术与磁力研磨技术相结合，提出了超声辅助磁力研磨加工技术，对其加工机理进行了深入系统研究，针对航空发动机涡轮叶片、医疗器械的细长管、异形外圆表面、自由曲面、弯管内表面、微细零件表面研发了相应的磁力研磨光整工艺和设备[10，11]。 20世纪90年代，美国Rochester大学光学制造中心的Kordonski等结合电磁学、流体力学、分析化学等理论将磁流变液应用到精密机械加工过程中，提出了磁流变光整加工(magnetorheological finishing)技术[12]。1999年，美国Rochester大学光学制造中心与QED公司合作，研制出了Q22系列数控磁流变抛光机，并成功应用于光学非球面零部件的光整加工，实现了磁流变光整技术的商业应用[13]。韩国、德国、日本的学者在磁流变光整加工方面的研究工作，也取得了一定的进展。 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所张学军等将磁流变光整加工技术引入我国，制备了磁流变光整样机，对加工工艺及相关理论进行了改进与创新[14]。近年来，国内学者对磁流变抛光理论与磁流变光整加工实验装置进行了研究。国防科技大学彭小强等[15]建立了基于迭代算法的回转对称非球面计算机控制表面成型的驻留时间算法，将材料去除率映射到材料去除矩阵进行计算。石峰等[16]提出了一种光学零件磁流变加工的驻留时间计算方法，将抛光模对工件上各个控制节点的材料去除能力体现在去除矩阵中，利用非负*小二乘法进行驻留时间向量的求解。张峰等[17]和李龙响等[18]以Preston方程为依据建立了光整材料去除率模型，指出光整过程中的压力主要由流体动压力和磁化压力组成，研制了抛光盘式的磁流变抛光装置。清华大学左巍等[19]设计了具有公转轴的电磁磁流变光整装置，分析了磁流变液性质、循环系统流量和压力等因素对光整质量的影响，开发了五轴联动光整机床，实现了非球面纳米精度抛光。湖南大学尹韶辉等[20]针对小口径非球面光整精度差的问题，研制了直径为6mm的光整工具，开发了超精密复合磨抛机床。哈尔滨工业大学张飞虎等[21]提出了超声磁流变复合光整方法，开发了相应的超声复合光整装置，研究了振幅、磁感应强度、工作间隙等对光学玻璃材料去除率的影响。广东工业大学阎秋生等将集群原理与磁流变效应相结合，提出了集群磁流变效应平面光整技术，针对硬脆材料进行了集群磁流变光整实验，获得了纳米级表面粗糙度[22，23]。此外，中国工程物理研究院、浙江工业大学、太原理工大学等也对磁流变光整加工的实验设备与装置进行了设计与开发。 光整介质是磁场辅助光整加工的“刀具”，高性能磁性介质的制备对磁场辅助光整加工技术的开发具有重要意义。磁性光整介质的制备方法包括传统的机械搅拌、黏结、烧结等方法，以及近几年提出的雾化快凝法[8]、溶胶-凝胶法[24]。磁性光整介质的性能、使用寿命以及自适应性逐步提高。不同形状、不同属性的添加物及其浓度对光整介质的加工特性具有重要的影响。太原理工大学李文辉等[25]基于不同类型的添加物开发了性能优异的磁流变光整介质。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所白杨等[26]对磁流变抛光液的组成、流变特性以及稳定性进行了探究，制备了适用于光学元器件加工的水基磁流变抛光液。基于智能复合材料的新型磁性光整介质具有优异的流变属性、力学性能和切削性能，因此它成为磁性光整介质研究的焦点。 综上所述，磁场辅助光整加工技术独有的魅力吸引着一代代科研工作者、工程师以及精密与超精密领域的工作人员。而面对日益增长的市场需求与技术短板之间的矛盾，需要研究者研发磁场辅助光整加工新理论、新技术，开辟磁场辅助光整加工的新领域。 1.3 磁场辅助光整加工技术分类 磁场辅助光整加工主要通过外源磁场的作用实现对光整介质的控制，进而对工件进行光整加工。磁场辅助光整加工技术主要有磁力研磨、磁流变光整、磁场辅助复合场光整等。根据光整介质的不同，该技术主要分为两种：一种是基于磁性磨料的磁场辅助光整加工技术；另一种是基于非磁性磨料的磁场辅助光整加工技术[3]。对于基于磁性磨料的磁场辅助光整加工技术，磁场直接作用于磁性磨料，其代表性技术为磁力研磨；对于基于非磁性磨料的磁场辅助光整加工技术，需要添加非磁性颗粒以外的微/纳磁性粒子或者磁流变液进行光整加工，其代表性技术为磁流变光整。 1.3.1 磁力研磨 1. 磁力研磨原理 磁力研磨利用磁场对磁性磨料产生的磁化压力，将磁性磨料紧压在工件表面，并带动磨粒对工件表面进行微切削加工。图1-1为圆柱外表面磁力研磨加工原理示意图[27]。如图1.