浅谈光学材料的超精密磁流变抛光技术及相关研究进展

发布时间 | 2024-07-02 09:56 分类 | 粉体应用技术 点击量 | 124
磨料 金刚石
导读:20世纪50年代,磁流变抛光加工技术首次使用,后人在其研究的基础上不断进行技术升级,该技术已形成了具有普适性的磁流变液。作为一种大面积平面超光滑平坦化加工的光学材料抛光技术,研究其在磁...

磁流变抛光是基于磁流变液在磁场作用下的粘度和屈服应力变化,而对工件表面进行精确且稳定的研磨抛光技术,它具有抛光精度高、表面粗糙度小、加工过程中不易造成新损伤等优点,经常作为高精度抛光解决方案用于光学材料的超精密加工领域。但是没有绝对完美的技术,磁流变抛光在实际应用中会可能会遇到磁场控制精度、磁流变液稳定性,以及复杂形状工件抛光的磁场设计等问题。

本文将就磁流变抛光的主要参数和影响因素,以及该技术的一些改进完善进行科普介绍,为相关领域从业者提供一些参考。

一、磁流变液

磁流变液(来源:网络)

磁流变液是分散在绝缘液体的微米大小的磁性颗粒形成的非胶态悬浮体,主要由基载液、磁敏微粒和添加剂组成。其在外部磁场的作用下会由液体转变为粘弹性体,撤去磁场后转变为牛顿流体,表现出磁流变效应(过程可逆),而磁流变抛光技术正是利用磁流变液产生的磁流变效应,实现光学材料的精密抛光。作为磁流变抛光技术的主要参数,磁流变液的性能主要受沉降稳定性、磁力学特性以及剪切屈服应力等的影响。

1、磁流变液的组成

基载液:粘度低、性质稳定、耐腐蚀性能好,是磁敏微粒和其他成分的主要载体,能够让磁流变液表现流体特征。

磁敏微粒:具有良好的磁导率、稳定的化学性质,是磁流变液磁化性质的主要物质,在磁场作用下形态由液态转变为类固体。其原理主要是磁敏微粒在磁场作用下沿着磁力线方向形成了偶极矩,磁性物质的磁化作用使其发生团聚,形成稳定的链状结构。

添加剂:是确保磁敏微粒和基载液充分接触的表面活性剂、分散剂、防沉降剂等其他添加剂。

2、磁流变液的性能影响参数

沉降稳定性:磁流变液中处于游离状态的磁敏微粒,会受到分子间的相互作用力的影响从而凝聚,当凝聚的磁敏微粒越来越多就会出现沉降,而磁敏微粒沉降的多少决定着磁流变液的稳定性,也决定着磁流变液的有效使用时间。从而影响抛光的效率和质量。

磁流变液的沉降速率和稳定性都与磁流变液中的成分密切相关,磁敏微粒的不同,磁流变液的沉降率也各有不同,通过使用不同的添加剂改变磁敏微粒的表面活性,可以改变磁流变液的沉降性能。

磁力学特性:磁敏微粒作为磁流变液中组成部分,是唯一有效的导磁材料,其材料本身影响着磁流变液的磁力学特性。在不同的磁场强度下,磁流变液呈现出来的磁化强度特性是一致的,磁敏微粒的粒径和相对磁化率之间成正比。

剪切屈服应力:磁流变液的剪切应力微观表现为:磁场作用下,磁敏微粒逐渐形成链状结构,处于凝聚状态。当磁敏微粒的磁化程度不断增大,剪切应力也呈现出明显增大的趋势。其中,磁敏微粒的粒径和磁场强度对剪切应力的影响都表现出正比关系,但当二者达成到一定程度,即磁敏微粒完全磁化饱和时,剪切应力到达极限。此时的材料去除强度最大。

二、磁场对磁流变抛光的影响及技术改进

传统静态磁场的磁流变抛光工艺由于磁极固定不变,导致抛光垫上磨料颗粒的分布不均匀,使得抛光表面质量的一致性难以保证,在某些区域可能会出现过度抛光或抛光不足的情况。甚至还会在加工过程中会出现磁敏微粒链状结构的断裂,从而导致抛光压力减小、抛光质量下降。

1、动态磁场的进步意义

动态磁场进行磁流变抛光,利用集群布置的磁极同步偏心旋转,形成动态磁场集群磁流变效应,成功解决链状结构被破坏后无法恢复的问题,不仅提升了抛光垫的修复能力,还提高了抛光质量和效率。

不同磁场形式对加工效果的影响


静态磁场和动态磁场的加工效果对比

2、集群磁流变效应抛光垫磨粒“容没”效应

该效应是指在磁流变抛光加工过程中,抛光垫对磨粒产生的一种特殊作用机理——集群磁流变效应抛光垫由沿磁力线排布的磁链串构成,密布的磁链串对磨粒具有束缚、裹挟、夹持等作用,使磨粒半固着于抛光垫中,磁场强度变化导致抛光垫对磨粒固着强度变化,不同尺寸的磨粒能够均等作用于加工表面,实现高效、均匀的抛光效果。

总结而言就是不同尺寸的磨粒能够均匀作用于工件表面,实现高效、均匀的抛光效果。利用这种效应显著提高了抛光加工的质量和效率。

总结

20世纪50年代,磁流变抛光加工技术首次使用,后人在其研究的基础上不断进行技术升级,该技术已形成了具有普适性的磁流变液。作为一种大面积平面超光滑平坦化加工的光学材料抛光技术,研究其在磁场方面及磁流变液中磁敏微粒方面下抛光的效果,对未来磁流变抛光技术的应用将有深远意义。

 

参考来源:

1.白振伟,周旭光,阎秋生. 磨料与工件对集群磁流变效应抛光垫磨粒“容没”效应的影响[J]. 组合机床与自动化加工技术.

2.郭明亮,阎秋生,潘继生,等. 动态磁场集群磁流变抛光加工机理及试验研究[J]. 金刚石与磨料磨具工程.

3.肖强,王嘉琪,靳龙平. 磁流变抛光关键技术及工艺研究进展[J]. 材料导报.

4.易成建.磁流变液:制备、性能测试与本构模型.重庆大学.

 

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