4865字开题报告磁流变抛光液的研制及去除功能的稳定性研究

磁流变抛光液的研制及去除功能的稳定性研究

开幕报告

内容

一、选题背景

二.研究的目的和意义

第三，本研究涉及的主要理论

第四，本文的主要内容和研究框架

(一)本研究的主要内容

(2)本文的研究框架

五、写作大纲

六、本文的研究进展

七、读过的文学作品

一、选题背景

随着现代科学技术的发展，光学系统和光学元件已广泛应用于空照相机、空目标检测、航空空照相机、医疗设备、跟踪和指向设备以及光刻系统[1-5]。由于非球面光学元件在不增加独立像差的情况下增加了自由变量的数量，光学系统的成像质量明显提高。同时，在相同的约束条件下，光学元件的数量减少，光学系统的尺寸和质量降低。因此，非球面光学元件广泛应用于现代光学系统[6，7]。高精度非球面光学元件制造技术一直是光学制造的难点和热点，尤其是离轴非球面制造技术被公认为“瓶颈”技术。随着传统加工方法的进步，磨头会磨损，导致磨头与加工元件不一致，去除效率也会发生变化。去除函数不够稳定，导致过程无法控制，甚至导致表面形状不收敛和重复加工。传统的加工方法已经不能满足[8-10]对高精度非球面应用日益增长的需求。磁流变抛光技术作为新一代光学加工技术，具有去除功能稳定、材料去除效率高、加工过程可控、抛光后表面精度高等特点，能够满足非球面加工的要求。然而，由于国外对磁流变抛光关键技术和设备引进的封锁，我国迫切需要突破关键技术，在此基础上掌握磁流变抛光技术，使其在实际工程中得到广泛应用。

二.研究的目的和意义

本文通过对磁流变抛光液的制备、循环控制系统和实际加工中工件受力的研究，获得了稳定的去除功能，并对非球面光学元件进行了实际加工，取得了理想的效果，突破了国外的技术封锁，形成了具有自主知识产权的核心技术，为国防建设和科技发展提供了技术支持。

第三，本研究涉及的主要理论

CCOS技术是采用数控技术形成和加工非球面的一类技术的总称。其核心思想是由鲁普在20世纪70年代提出的。其基本原理是根据干涉仪等测量仪器获得表面形状数据。远小于工件直径的抛光磨头(通常小于工件直径的1/5)沿着工件表面上的计划路径移动。研磨头和工件表面接触区域之间的相互作用可以通过调节研磨头的转速和正压来控制，[12-15]。在实际加工过程中，磨头与工件之间的相对线速度和正压通常保持恒定，磨头在工件上每个停留点的停留时间由计算机控制，实现表面误差的定量消除。小磨头技术(磨头尺寸约为工件尺寸的1/25~1/40)是CCOS应用最广、发展最早的技术之一。其结构简单，广泛应用于中小口径非球面加工。因为小磨头和非球面光学元件在每个表面上具有较高的曲率半径匹配度，所以其材料去除相对稳定。此外，与传统的依靠工人经验的非球面加工方法相比，CCOS采用计算机控制技术，具有执行速度快、加工重复精度高、效率高的优点，可以大大缩短大口径非球面光学元件的加工周期。

应力盘抛光技术由安吉尔和帕克斯于1984年提出。其原理是利用主动变形技术，在磨头边缘施加力和力矩，使磨头在计算机控制下，在不同坐标的不同位置符合非球面的表面形状，然后通过计算机控制每个驻点的停留时间，实现表面形状误差的定量消除。20世纪90年代，亚利桑那大学斯图尔特天文台实验室开发了一种应力盘抛光技术(图1.2)。目前，SOML已经通过应力盘抛光技术制造了许多大型非球面反射镜[24-29]。中国的一些研究机构也开展了应力盘抛光技术的研究工作，其中南京天文台研制了直径为450毫米的应力盘，并将其应用于直径为910毫米的抛物面镜的加工，同时研究了应力盘的变形精度。成都光电研究所还开发了一种直径为420毫米的应力板，用于加工φ1300毫米的F/2抛物面。同时，对曲面形状控制算法进行了研究。长春光机所还研究了应力盘的抛光技术，开发了一种直径为400毫米的应力盘，应力盘80%以内的变形精度可达1μ以内，并应用于[14，30大口径非球面反射镜的加工。

随着磁流变液的发展和理论研究的深入，其应用领域不断拓宽。前苏联传热传质研究所的威廉·科尔东斯基(William I.kordonsiki)和他的合作者发明了磁流变抛光(磁流变抛光)技术，利用磁流变流变学抛光光学元件。1993年，威廉·科尔东斯基(William Kordonski)的研究团队应邀到美国光学技术中心开发磁流变抛光技术，1996年成立QED，将磁流变抛光技术商业化，在实际工程应用中取得更好的结果[39]。磁流变抛光作为一种高度确定性的加工方法，可以抛光光学元件和各种材料的一些金属元件。图1.8是磁流变抛光的示意图。喷射泵通过喷嘴将磁流变抛光液喷射到旋转的抛光轮上，当抛光轮驱动喷射泵通过工件和抛光盘之间的微小间隙时，这里的高梯度磁场使磁流变抛光液流动，形成瞬时柔性“抛光磨头”，在旋转的抛光盘的驱动下抛光工件。当磁流变抛光液随着抛光轮的旋转离开磁场区域时，磁流变抛光液的流体性质恢复，磁流变抛光液通过回收装置和回收泵回收到搅拌装置中储存磁流变液，实现液体循环。循环系统装有冷却机构和相关传感器，对液体性能和成分补充进行实时监控，以保证磁流变抛光液在抛光过程中的成分稳定性，从而实现磁流变的确定性抛光。

第四，本文的主要内容和研究框架

(一)本研究的主要内容

磁流变抛光技术是一种高度确定性的光学加工技术。其高确定性主要体现在抛光过程中去除功能的稳定性上。因此，本文根据实际工程要求，围绕影响磁流变抛光去除功能的稳定性因素开展了相关研究工作。本文的主要内容包括以下几个方面:

1.通过对固体分散体系分散机理的研究和实际光学加工的要求，提出了磁流变抛光液的性能要求，并根据要求合理选择磁流变液的添加组分。提出了一种磁流变抛光液的制备新工艺。通过滚动搅拌将粉末和基液混合搅拌，并将抛光性能与球磨搅拌得到的磁流变抛光液进行比较。基于配位化学理论，提出将磁流变抛光液制备成絮凝体系，提高材料去除效率，获得理想的去除效果。用电位计、MCR302磁流变仪和粘度计测试了制备的磁流变液的分散特性、流变特性和零磁场粘度。结果表明，磁流变抛光液具有良好的抗沉降稳定性和流变特性。

2.分析了几种结构类型磁流变抛光设备的优缺点。采用倒置磁流变抛光设备。根据抛光轮的尺寸和流量要求，设计了磁流变抛光喷嘴和回收机构储液槽。蠕动泵构成磁流变循环控制系统。根据哈根-博须埃(Hagen-Bosseut)理论，液体的粘度通过检测系统的压力变化间接控制，成分实时补充，温度由冷却循环系统控制。研究了抛光过程中温度和粘度的变化对流速、去除功能和粗糙度的影响。最后，利用研制的抛光液和循环控制，研究了抛光过程中去除函数的稳定性。

3.选择了工程上常用的BK7玻璃和RB-SiC陶瓷两种材料。用KISTLER力传感器测量了两种材料在不同压入深度抛光时工件上的正压力和剪切力。分析了压入深度对去除功能面积、材料去除效率和有效摩擦系数的影响。同时，通过改变铁粉含量、铁粉粒径和抛光粉在抛光液中的含量，分别测量了抛光BK7玻璃和RB-SiC陶瓷时工件上的正压和剪切力，分析了它们对去除功能面积、材料去除效率和摩擦系数的影响，并讨论了抛光BK7玻璃和RB-SiC工艺参数选择的差异。最后，分析了正压与压力、剪切力与剪应力和材料去除效率之间的关系。

4.利用自行研制的磁流变抛光液和抛光设备，研究了磁流变抛光碳化硅的材料去除机理，并分析了抛光后的表面粗糙度。采用磁流变抛光技术对一块非球面碳化硅反射镜进行了实际加工，加工后的表面满足表面精度和表面粗糙度的要求。研制了适用于硅改性层抛光的磁流变抛光液。分析了磁流变抛光液中抛光粉含量的变化对去除功能的影响。采用两种抛光液对硅改性碳化硅进行抛光，取得了理想的效果。

5.总结了本文的主要研究内容和创新工作，并期待着需要进一步改进和深入研究的工作。

(2)本文的研究框架

本文的研究框架可以简单表达如下:

五、写作大纲

概要5-7

摘要7-9

目录10-14

第一章导言14-32

1.1课题14的研究背景和意义

1.2常见非球面加工技术简介14-20

1.2.1计算机控制表面成形技术(CCOS) 15-16

1.2.2应力盘抛光技术16-17

1.2.3气囊抛光技术17-18

1.2.4离子束抛光技术18-19

1.2.5磁流变抛光技术19-20

1.3磁流变液的研究和应用现状20-25

1.3.1磁流变液的开发和应用简介20-22

1.3.2磁流变液的研究现状22-25

1.4磁流变抛光技术的研究现状25-30

1.4.1磁流变抛光原理25-26

1.4.2磁流变抛光液的研究现状26-27

1.4.3磁流变抛光设备的研究现状27-28

1.4.4磁流变抛光的材料去除模型28-30

1.5本文的主要研究内容为30-32

第二章磁流变抛光液的研制和性能测试32-64

2.1概述32

2.2磁流变抛光液的分散和稳定机理32-36

2.2.1静电排斥理论-—DLVO理论33-34

2.2.2空排阻理论——HVO理论34-35

2.2.3磁流变抛光液中铁磁颗粒的沉积35-36

2.3磁流变抛光液的制备36-48

2.3.1磁流变抛光液36的性能要求

2.3.2磁流变抛光液成分的选择36-42

2.3.3磁流变抛光液42-48的制备工艺

2.4磁流变抛光液的性能测试48-55

2.4.1磁流变抛光液分散稳定性的检测48-50

2.4.2磁流变抛光液的零磁场粘度检测50-52

2.4.3磁流变抛光液的剪切屈服应力检测52-54

2.4.4去除功能实验54-55

2.5磁流变抛光液的性能优化55-62

2.5.1磁流变抛光液的分散系统特性56-57

2.5.2絮凝磁流变抛光液57-58

2.5.3去除功能实验58-62

2.6本章总结62-64

第三章磁流变抛光循环控制系统及其对去除功能的影响64-86

3.1概述64

3.2磁流变抛光设备的主要结构形式64-68

3.2.1平面磁流变抛光结构64-66

3.2.2正磁流变抛光结构66-67

3.2.3反向流变抛光结构67-68

3.3磁流变抛光循环控制系统68-73

3.3.1磁流变抛光设备的主要结构68-69

3.3.2循环系统的主要部件69-72

3.3.3控制模块72-73的主要部件

3.4温度变化对去除功能的影响73-77

3.4.1温度变化对粘度73-74的影响

3.4.2温度变化对流量74-75的影响

3.4.3温度变化对去除功能的影响75-77

3.5粘度变化对去除功能的影响77-81

3.5.1铁粉颗粒含量对磁流变抛光液粘度的影响77-79

3.5.2粘度变化对去除功能的影响79-81

3.6拆卸功能稳定性测试81-85

3.7本章总结85-86

第四章工艺参数对工件应力和去除函数的影响86-124

4.1概述86

4.2实验细节86-89

4.2.1测量设备87-88

4.2.2抛光材料88-89

4.3压入深度与工件应力和移除函数的关系89-102

4.3.1 BK7玻璃91-96

4.3.2 rb-sic陶瓷材料96-101

4.3.3过度按压深度h0对移除功能101-102的影响

4.4抛光液成分对工件应力和去除功能的影响102-119

4.4.1铁粉颗粒含量的影响102-107

4.4.2铁粉粒度107-113的影响

4.4.3抛光粉含量的影响113-119

4.5材料去除效率和工件应力之间的关系119-123

4.5.1正压和压力与材料去除效率之间的关系119-121

4.5.2剪切力和剪应力与材料去除效率之间的关系121-123

4.6本章概述123-124

第五章碳化硅和改性硅表面的磁流变抛光124-149

5.1概述124

5.2碳化硅的磁流变抛光124-126

5.2.1碳化硅的材料特性124-125

5.2.2普通碳化硅材料的比较125-126

5.3b-sic 126-138磁流变抛光

5 . 3 . 1 RB-SIc 126-130材料去除机理

5 . 3 . 2 Rb-sic 130-133的粗糙度

5 . 3 . 3 RB-SIc材料的实际抛光133-138

5.4铷-碳化硅衬底改性硅表面磁流变抛光138-148

5.4.1碳化硅材料的改性138-140

5.4.2改性硅的磁流变抛光140-148

5.5本章概述148-149

第六章总结与展望149-151

6.1概述149-150

6.2创新150

6.3工作展望150-151

参考文献151-159

六、本文的研究进展(略)

七、读过的主要文献

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