磁流变抛光液的研制及去除函数稳定性研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
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间相机、空间目标探测、航空相机、医疗设备、跟瞄设备、光刻系统当中[1-5]。由于非球面光学元件在不增加独立像差数的前提下增加了自由变量个数，明显改善了光学系统的成像质量，同时，在同等约束条件下，减少了光学元件的数量，降低了光学系统的尺寸和质量，因此，广泛应用于现代光学系统当中[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，尤其是离轴非球面的制造技术更是公认的“瓶颈”技术。传统加工方式随着加工过程的进行，磨头会出现磨损，导致磨头与加工元件变得不吻合，去除效率也会发生变化，去除函数不够稳定，导致过程的不可控，甚至导致面形的不收敛和加工的反复，传统加工方法已经无法满足日益增长的高精度非球面应用需求[8-10]。作为新一代光学加工技术，磁流变抛光技术具有去除函数稳定、材料去除效率高、加工过程可控、抛光后的面形精度高等特点，可以满足非球面加工需求。但是，由于外国对磁流变抛光关键技术和设备引进的封锁，国内迫切需要突破关键技术，从基础上掌握磁流变抛光技术，使其在实际工程当中得到广泛应用。
二、研究目的和意义
本文通过开展对磁流变抛光液配制、循环控制系统以及实际加工中工件所受的力的研究，获得了稳定的去除函数，并对非球面光学元件进行了实际加工，取得了理想效果，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技术支持。
三、本文研究涉及的主要理论
CCOS 技术是对采用数控技术对非球面表面成型和加工的一类技术的总称，它的核心思想是由 W.J.Rupp 二十世纪七十年代提出的，它的基本原理是根据干涉仪等测量仪器获得面形数据，利用远小于工件口径的抛光磨头（通常小于工件直径 1/5）沿着规划的路径在工件表面运动，磨头与工件表面接触区域的相互作用可通过调整磨头转速和正压力来控制[12-15]。实际加工过程中，通常是保持磨头与工件间的相对线速度和正压力一定，通过计算机控制磨头在工件上各驻留点的驻留时间实现面形误差的定量去除。小磨头技术（磨头尺寸约为工件尺寸的1/25~1/40）是 CCOS 技术中应用最广泛、发展最早的一种，其结构简单、在中小口径的非球面加工当中广泛使用，由于小磨头与非球面光学元件表面各处的曲率半径吻合度更高，其材料去除相对稳定，而且与传统的依靠工人经验进行非球面加工的方法相比，CCOS 采用计算机控制技术具有执行速度快、加工重复精度高和效率高等优点，可以大大缩短大口径非球面光学元件的加工周期。
应力盘抛光技术是由 Angel 和 Parks 与 1984 年提出的，其原理是利用主动变形技术，通过在磨头边沿施加力和力矩，在计算机控制下使磨头在不同坐标下与非球面不同位置的面形相吻合，然后通过计算机控制个各驻留点的驻留时间实现对面形误差的定量去除[14]。二十世纪九十年代，美国亚利桑那大学迪瓦天文台大镜实验室（Steward ObservatoryMirror Lab）开发了应力盘抛光技术（图 1.2）。目前，SOML 已应力盘抛光技术加工出多块大型非球面反射镜[24-29]。国内也有多家研究单位开展了应力盘抛光技术研究工作，其中南京天文台研制直径为450mm 的应力盘，并应用于加工直径为 910mm 的抛物面镜当中，同时对应力盘的变形精度进行了研究。成都光电所都也研制了口径为 420mm 的应力盘，并用于一块 φ1300mm f/2 的抛物面的加工，同时对面形控制的算法进行了的研究。长春光机所也对应力盘抛光技术进行了研究，研制了直径为 400mm 的应力盘，应力盘在 80%范围内的变形精度可以达到 1μmRMS 以内，并应用于多块大口径非球面反射镜的加工[14,30]。
随着磁流变液的研制和理论研究的不断深入，其应用领域的不断拓宽。二十世纪九十年代前苏联传热传质研究所的 William I.kordonsiki 及其合作者发明了利用磁流变液流变性对光学元件进行抛光的磁流变抛光（MagnetorheologicalFinishing）技术，在 1993 年 William Kordonski 研究团队被邀请到美国光学技术中心发展磁流变抛光技术，并于 1996 年成立了 QED，使磁流变抛光技术商业化并在实际工程应用当中得到较好的效果[39]。磁流变抛光作为一种高确定性加工方法，可以抛光多种材料的光学元件和一些金属元件，图 1.8 是磁流变抛光的原理图。喷射泵通过喷嘴将磁流抛光液喷洒在旋转抛光轮上，在抛光轮的带动下通过工件与抛光盘之间的微小间隙时，此处的高梯度磁场使磁流变抛光液发生流变，形成一个瞬时的柔性“抛光磨头”，“抛光磨头”在旋转抛光盘的带动下对工件进行抛光。当磁流变抛光液随抛光轮旋转离开磁场区域后又恢复其流体性质，通过回收装置和回收泵将磁流变抛光液回收到储存磁流变液的搅拌装置中，实现液体的循环。在循环系统搭载冷却机构和相关传感器对液体性能进行实时的监控和成分补给，以确保磁流变抛光液在抛光过程中成分的稳定性，从而实现磁流变的确定性抛光。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
磁流变抛光技术是一种高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函数的稳定。因此，本文结合实际工程需求，围绕影响磁流变抛光去除函数的稳定性因素开展了相关的研究工作。本文主要研究内容包括如下几个方面：
1. 通过对固体分散体系的分散机理研究，结合实际光学加工的需求，提出磁流变抛光液的性能要求，并根据需求对磁流变液的添加成分的进行合理的选择。提出一种新的磁流变抛光液的配制工艺流程，采用滚动搅拌对粉和基液进行混合搅拌，并与采用球磨搅拌得到的磁流变抛光液的抛光性能进行了比较。基于配合化学理论，提出了将磁流变抛光液配制成絮凝体系，提高了材料去除效率，获得了理想的去除函数。采用电位仪和 MCR302 磁流变仪和粘度计检测了所配制磁流变液的分散特性、流变特性和零磁场粘度，结果显示磁流变抛光液具有很好的抗沉降稳定性和流变特性。
2. 分析了几种结构形式磁流变抛光设备的优缺点，采用倒置式磁流变抛光设备，并据抛光轮的尺寸和流量需求，设计了磁流变抛光的喷头和回收机构储液罐，利用蠕动泵构建了磁流变循环控制系统。根据哈根-伯肃叶理论，通过检测系统的压强变化间接实现对液体粘度的控制，并对成分进行实时补给，利用冷却循环系统对温度进行控制。研究了温度和粘度变化对抛光过程中流量、去除函数和粗糙度的影响。最后，利用所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. 选择了工程常用的两种材料 BK7 玻璃和 RB-SiC 陶瓷材料，利用 KISTLER力传感器，测量了不同压入深度下抛光两种材料时工件所受到的正压力和剪切力，分析了压入深度对去除函数面积、材料去除效率以及对有效摩擦系数的影响。同时，通过改变抛光液中铁粉的含量、铁粉的粒径、抛光粉的含量，分别测量抛光 BK7 玻璃和 RB-SiC 陶瓷时工件所受到的正压力和剪切力，并分析其对去除函数面积、材料去除效率、以及摩擦系数的影响，讨论了抛光 BK7 玻璃和 RB-SiC之间工艺参数选择的不同。最后，分析了正压力和压强以及剪切力和剪切应力与材料去除效率的关系。
4. 利用自主研制的磁流变抛光液和抛光设备，研究了应用磁流变抛光RB-SiC 的材料去除机理，并分析了抛光后表面粗糙度。利用磁流变抛光技术对一块非球面 RB-SiC 反射镜进行了实际加工，加工后表面满足了改性前的面形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函数的影响，利用两种抛光液对硅改性后的 RB-SiC 进行了抛光，取得了理想的效果。
5. 总结了本文主要研究内容和创新性工作，展望了有待于进一步完善和深入研究的工作。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 5-7
Abstract 7-9
目录 10-14
第1章 绪论 14-32
1.1 课题研究背景及意义 14
1.2 常用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 磁流变液的发展与应用简介 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 本论文的主要研究内容 30-32
第2章 磁流变抛光液研制及性能测试 32-64
2.1 概述 32
2.2 磁流变抛光液的分散稳定机理 32-36
2.2.1 静电排斥理论—DLVO理论 33-34
2.2.2 空间排斥理论—HVO理论 34-35
2.2.3 磁流变抛光液中铁磁颗粒沉降性问题 35-36
2.3 磁流变抛光液的配制研究 36-48
2.3.1 磁流变抛光液的性能要求 36
2.3.2 磁流变抛光液成分的选择 36-42
2.3.3 磁流变抛光液的配制工艺流程 42-48
2.4 磁流变抛光液的性能检测 48-55
2.4.1 磁流变抛光液的分散稳定性检测 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 去除函数实验 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体系特性 56-57
2.5.2 絮凝型磁流变抛光液 57-58
2.5.3 去除函数实验 58-62
2.6 本章小结 62-64
第3章 磁流变抛光循环控制系统及其对去除函数的影响 64-86
3.1 概述 64
3.2 磁流变抛光设备主要结构形式 64-68
3.2.1 平置式磁流变抛光结构 64-66
3.2.2 正置式磁流变抛光结构 66-67
3.2.3 倒置式流变抛光结构 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 控制模块的主要部件 72-73
3.4 温度变化对去除函数的影响 73-77
3.4.1 温度变化对粘度的影响 73-74
3.4.2 温度变化对流量的影响 74-75
3.4.3 温度变化对去除函数的影响 75-77
3.5 粘度变化对去除函数的影响 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 粘度变化对去除函数的影响 79-81
3.6 去除函数稳定性测试 81-85
3.7 本章小结 85-86
第4章 工艺参数对工件受力和去除函数的影响 86-124
4.1 概述 86
4.2 实验细节描述 86-89
4.2.1 测量设备 87-88
4.2.2 抛光材料 88-89
4.3 压入深度与工件受力和去除函数的关系 89-102
4.3.1 BK7 玻璃 91-96
4.3.2 RB-SiC陶瓷材料 96-101
4.3.3 压入深度h0过大对去除函数的影响 101-102
4.4 抛光液成分对工件受力和去除函数的影响 102-119
4.4.1 铁粉颗粒含量的影响 102-107
4.4.2 铁粉粒径的的影响 107-113
4.4.3 抛光粉含量的影响 113-119
4.5 材料去除效率与工件受力的关系 119-123
4.5.1 正压力和压强与材料去除效率关系 119-121
4.5.2 剪切力和剪切应力与材料去除效率关系 121-123
4.6 本章小结 123-124
第5章 碳化硅及改性硅表面的磁流变抛光 124-149
5.1 概述 124
5.2 碳化硅材料的磁流变抛光 124-126
5.2.1 碳化硅的材料特性 124-125
5.2.2 常用碳化硅材料的比较 125-126
5.3 RB-SiC的磁流变抛光 126-138
5.3.1 RB-SiC的材料去除机理 126-130
5.3.2 RB-SiC的粗糙度 130-133
5.3.3 RB-SiC材料的实际抛光 133-138
5.4 RB-SiC基底改性硅表面的磁流变抛光 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 本章小结 148-149
第6章 总结与展望 149-151
6.1 总结 149-150
6.2 论文创新点 150
6.3 工作展望 150-151
参考文献 151-159
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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