磁场和磁流变液对磁流变抛光的影响研究

摘要

磁流变抛光（Magnetorheological Polishing，MRP）是制造高精度光学仪器的重要工具，适用于各种表面类型的工件。MRP不仅具有去除函数稳定、修形精度高、抛光头不磨损、材料去除效率高等优点，而且还不会引入亚表面损伤。本文结合实际工程需求，对MRP工艺参数开展了相关的研究工作。主要包括以下几个方面内容：
　　首先对MRP进行了抛光去除理论分析。根据MRP去除理论分析工件加工时的受力与去除过程，建立材料去除模型。运用ANSYS Workbench软件对抛光磨粒的浸入深度、球径大小和速度大小等工艺参数进行仿真分析，得到了材料表面的去除量、抛光磨粒受力以及支撑平面的受力情况。仿真结果表明：随着磨粒浸入深度的减小，对材料表面凸起的去除量也减小，磨粒的受力几乎不变，而凸起所在平面的支撑受力增大；随着磨粒球径和速度的增大，对材料表面凸起的去除量、磨粒的受力和支撑受力都增大。
　　在理论计算和仿真分析的基础上对励磁装置的梯度磁场进行了研究。基于静磁场理论对励磁装置产生的梯度磁场进行了计算，运用ANSYS Workbench有限元分析工具对磁场进行仿真分析。探讨永磁励磁方式下的磁场分布规律，以及该分布规律对柔性抛光模的影响；研究磁极头的厚度、气隙宽度和磁轭宽度在不同尺寸下对磁流变液的磁通密度和抛光模的影响规律，并对其尺寸进行优化。优化后的励磁装置上方产生的磁通密度增强，磁场宽度增加，形成的磁流变抛光模变宽，抛光面积增大。
　　搭建了MRP实验台，并对其抛光性能进行了测试和分析。根据正置式MRP装置搭建了整个MRP实验系统，分别测试了不同抛光轮转速、浸入深度和磁场强度下对K9玻璃的抛光效果，利用超景深三维显微镜对抛光后的工件进行微观观察，并用三坐标测量仪对其去除深度进行测量，计算其去除量。结果表明，材料的去除量随着浸入深度、抛光轮转速和磁场强度的增大而增大，测试结果与仿真结果基本吻合。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的和意义

1.2 磁流变抛光的研究现状

1.2.1 磁流变抛光基本原理

1.2.2 磁流变抛光技术的研究现状

1.3 主要研究内容

2 磁流变抛光的去除机理及仿真分析

2.1 磁流变液的流变效应

2.2 抛光去除机理

2.2.1 传统抛光去除机理

2.2.2 磁流变抛光去除机理

2.3 颗粒的受力分析

2.4 磁流变抛光去除有限元仿真分析

2.4.1 抛光粉磨粒受力模型

2.4.2 氧化铈磨粒的浸入深度对材料去除的影响

2.4.3 氧化铈磨粒的球径大小对材料去除的影响

2.4.4 氧化铈磨粒的速度对材料去除的影响

2.5 本章小结

3 励磁装置的总体设计和仿真分析

3.1 励磁装置的结构设计

3.1.1 磁场源的选择

3.1.2 磁轭的形状设计

3.2 理论分析

3.3 励磁装置的磁场有限元分析

3.4 励磁装置的磁场分布

3.4.1 不同路径方向上的磁通密度

3.5 励磁装置的优化

3.5.1 磁轭尺寸优化

3.5.2 仿真分析

3.5.3 尺寸优化

3.5.4 优化前后的磁场分布

3.5.5 优化后的磁流变抛光模

3.6 本章小结

4 磁流变抛光装置的实验研究

4.1 实验台总体设计

4.2 实验台设备选型计算

4.2.1 机械传动装置的设计及选型计算

4.2.2 液体循环装置的选型计算与设计

4.2.3 工件夹紧装置的结构设计

4.3 实验测试与结果分析

4.3.1 抛光痕

4.3.2 浸入深度对抛光去除的影响

4.3.3 抛光轮的转速对抛光去除的影响

4.3.4 磁场强度对抛光去除的影响

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要成果