集群磁流变效应研磨盘的结构优化及研抛加工实验研究

摘要

基于磁流变效应研抛加工原理，本研究提出将若干磁性体按适当的阵列方式排布在研磨盘基体内形成集群磁流变效应研磨刷构成研磨盘，对脆硬材料研磨抛光加工的方法。将混入磨料的磁流变液作为研抛工作液，在单个磁性体端面局部形成磁流变效应研磨刷，而多个磁性体的集群作用使研磨盘面形成由研磨刷集群构成的具有一定厚度及弹性的粘弹性介质层，能有效地俘获和约束磨料微粒，控制磨料的运动轨迹和滞留时间，使研磨盘与加工界面间磨料分布均匀和稳定化，可以实现对脆硬材料高效率研磨和高精度超光滑抛光加工。 本文首先仿真优化了集群磁流变效应研磨盘的磁极方向、磁极端面形状、磁极间距等参数以及分析研究了研磨盘盘面磁场的分布情况，并进行了相关的实验研究。通过对不同磁极阵列方式的研磨轨迹进行仿真优化，结合现有研磨盘结构特点设计了新型的集群磁流变效应研磨盘。在此基础上，实验研究了集群磁流变研抛工作液的组分（磨料种类、粒度、浓度等）以及加工过程参数（磁场强度、研磨压力、研磨速度、加工时间和研磨液流量等）对集群磁流变效应研磨盘加工效果的影响。 实验结果表明：集群磁流变效应研磨盘研抛加工的合适磨料浓度范围在5%～8%，磨料浓度低于传统游离磨料加工的浓度；硬度较低的磨料可以得到较高的表面质量，采用硬度较高的磨料时材料去除率较高；磁性颗粒和磨料的粒度相近时可以得到较好的表面质量和较大的材料去除；当铁粉与磨料体积比为3：4时可以得到较好的研磨效果；工件的材料去除量随着磁感应强度的增大快速增加，当磁感应强度高于60Gs后增长缓慢，粗糙度则是先出现快速的降低，随后有缓慢升高趋势；随着研磨转速的提高，工件的材料去除量随之增大，而粗糙度则随之降低；去除量随着研抛压力的增大近似线性增长，在8595Pa研抛压力时的粗糙度最小；最佳研磨加工时间为6min；下磨盘为铸铁盘时在较低的磁场强度下，粗糙度和去除量都比铝盘好。在以上对工艺参数优化的基础上，得到了集群磁流变效应研磨刷研磨加工比传统游离磨料去除量提高37．8%，粗糙度仅升高7．7%的加工效果。 为了进一步提高研抛加工精度，设计了增加聚氨酯垫的集群磁流变效应抛光盘，将聚氨酯抛光垫的抛光性能和集群磁流变效应研磨盘聚集、约束磨料微粒的技术优势相结合，实验结果表明这种新型的抛光方法有较高的抛光效率和较好的抛光质量，有较好的应用前景。 最后分析了单个磨粒的受力状态并结合前面的实验结果，总结了集群磁流变效应研磨盘的材料去除模式，属于一种介于固着磨料和游离磨料研磨加工的磨料半固着形式的加工方式。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研磨抛光加工研究现状

1.2.1化学机械抛光

1.2.2固着磨料研磨抛光

1.2.3半固着磨料研磨抛光

1.2.4磁流变抛光

1.2.5磁性研磨

1.2.6其它先进的特种工艺与复合抛光方法

1.3集群磁流变效应研磨刷研抛加工原理

1.4本研究的前期工作

1.5课题来源及主要研究内容

1.5.1课题的来源

1.5.2课题研究的主要内容

第二章集群磁流变效应研磨盘的仿真分析

2.1集群磁流变效应研磨盘磁参数的仿真优化

2.1.1磁极排布方向的仿真优化

2.1.2磁极形状的仿真优化

2.1.3磁极间距的仿真优化

2.2研磨盘盘面的磁场仿真分析

2.3本章小结

第三章铝质基体集群磁流变效应研磨盘的加工实验

3.1实验方法及条件

3.2实验结果及分析

3.2.1磁极方向对加工效果的影响

3.2.2磁极端部距研磨盘底面间隙的影响

3.2.3盘面结构对加工效果的影响

3.2.4不同研磨盘材料的对比实验

3.3本章小结

第四章铸铁基体集群磁流变效应研磨盘结构优化设计

4.1磁极阵列方式的优化

4.1.1磁极阵列方式的方案设计

4.1.2研磨盘上单个研磨刷研磨轨迹

4.1.3研磨刷对工件的研磨轨迹分析

4.1.4研磨轨迹仿真结论

4.2研磨工具的结构设计

4.3新型集群磁流变效应研磨盘的验证实验

4.3.1实验条件

4.3.2实验结果及分析

4.4本章小结

第五章集群磁流变效应研磨盘工艺实验

5.1实验条件

5.2研抛工作液组分对研抛效果的影响

5.2.1磨料浓度的影响

5.2.2磨料种类的影响

5.2.3磨料粒度的影响

5.2.4铁粉粒度的影响

5.2.5铁粉与磨料体积比的影响

5.3加工参数对研抛效果的影响

5.3.1磁场强度的影响

5.3.2研磨速度的影响

5.3.3研抛压力的影响

5.3.4研磨时间的影响

5.3.5研磨液流量的影响

5.3.6下磨盘材料的影响

5.4集群磁流变效应研磨刷抛光的探索研究

5.4.1集群磁流变效应研磨刷抛光实验

5.4.2加聚氨酯抛光垫的抛光实验

5.5本章小结

第六章集群磁流变效应研磨刷的材料去除模型

6.1集群磁流变效应研磨刷单个磨粒的受力分析

6.2磁流变效应研磨刷中磨料的约束模型

6.3集群磁流变效应研磨刷的材料去除模式

6.4本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢