基于曲面永磁鐵的磁流變拋光加工工藝

沈君忻, 高 源*, 潘永剛

(1.長春工業大學 電氣與電子工程學院, 吉林 長春 130012;2.長春理工大學 中山研究院, 廣東 中山 528437)

0 引 言

近幾年,隨著光學技術和光電信息技術的發展,光學玻璃的研究也取得了長足的發展[1]。傳統拋光后光學玻璃的表面會產生亞表面損傷,因此表面精度、折射系數和抗激光損傷閾值等都會受到影響,進而影響光學玻璃的性能和壽命。擁有高精度、高效率、高表面質量、無亞表面損傷且便于計算機控制等多類優點的磁流變拋光法,其可適用于曲面、球面、平面和棱面等加工,并獲得很高的表面質量。Wang Y Y等[2]提出公自轉磁流變拋光加工方法,拋光輪在自轉的同時可以實現公轉,增加拋光的紋理復雜性。戴鎮源[3]開發了一種環帶旋轉式的磁流變拋光加工方法,通過范成法實現工件的拋光。湖南大學尹韶輝等[4]針對光學零件拋光發生干涉問題,研發了斜軸磁流變拋光技術。廣東工業大學閻秋生團隊提出集群磁流變拋光方法,通過工件和拋光盤的相對運動實現對工件表面材料的去除[5-8]。 Arora K等[9]使用半球形工具頭通過磁流變液對超高分子量聚乙烯難加工材料進行拋光。Sirwal S A等[10]開發了一種基于磁流變拋光的新型永磁工具,用于圓柱形盲孔表面和底面的納米加工。Kumar A等[11]、Zafar A等[12]為了改善3D打印零件的表面粗糙度,提出球頭磁流變精加工的新的拋光工藝。Singh M等[13]為了對外圓柱表面進行納米精加工,設計了不同形狀的刀芯尖端表面,發現刀芯尖端表面的矩形設計在提高當前工藝的有效性方面十分有效。Kanthale V S等[14]開發一種新的拋光工藝,使用磁流變液拋光模具鋼材料。Zhai K等[15]提出一種通過結合超聲振動輔助磁流變拋光的新方法。對硅片進行拋光,分別選取磁場輔助化學機械拋光和傳統化學機械拋光,并進行粗拋光和精拋光實驗。與傳統的化學機械拋光相比,磁場輔助化學機械拋光材料去除率提高了約15%～25%。

綜上所述,合適的加工工藝能有效提高工件的表面質量和拋光效率,因此研究實現K9玻璃的超精密加工工藝具有重要意義。文中設計了拋光裝置和基于永磁鐵的磁場發生裝置,通過對永磁鐵不同表面曲率設計,運用Maxwell16.0軟件仿真優化,與未優化的磁場分布進行比較。對K9玻璃進行加工,驗證優化的有效性。

1 磁流變拋光裝置設計及優化

1.1 磁流變拋光原理

基于自主開發的磁流變拋光機構實現磁流變加工,其包含四坐標機床、磁場發生器和拋光盤,振動輔助偏擺切削機構如圖1所示。

圖1 振動輔助偏擺切削機構示意圖

不同磁場強度下的磁流變液將生成硬度不等的拋光膜,適應不同材料。通過機床驅動使工件和硬化拋光膜接觸實現材料去除,采用控制工件的移動、擺動和旋轉等運動方式實現平面與曲面的精加工。因此磁鐵排列形成的磁場分布更加均勻,拋光膜分布及硬度也會更加均勻,對精加工工件表面粗糙度和表面形貌也就愈加有利。

1.2 磁流變拋光裝置設計

針對光學元件的質量要求,拋光過程中出現紋路單一和拋光效率低下等問題,結合磁流變拋光工藝提出一種往復集群磁流變拋光裝備,對裝備的運動機構進行設計,編寫控制程序實現裝備的加工控制。

拋光運動機構由以下幾部分組成,分別是主軸電機、伺服電機、回轉臺、水平絲杠、膜片聯軸器、導軌、軸承固定座和安裝架。

拋光運動機構各部件均采用不導磁材料,防止影響磁場的分布和穩定性。拋光運動機構主要控制工件的旋轉、往復運動和曲面工件的擺動。拋光運動機構如圖2所示。

圖2 拋光運動機構示意圖

在安裝架上方裝有導軌和絲杠,絲杠通過軸承固定座固定,與膜片聯軸器相連,通過伺服電機帶動絲杠旋轉,進而控制工件實現往復移動。同時主軸電機安裝在回轉臺上,回轉臺與伺服電機相連,控制主軸電機實現一定角度的擺動。

加工平面工件時,工件在主軸電機帶動下旋轉,在伺服電機帶動下往復運動,可以實現平面工件均勻的材料去除。加工曲面工件時,回轉臺帶動工件擺動實現曲面拋光,但是擺動角度過小無法使工件與磁流變液有效接觸,擺動角度過大時會導致工件與拋光盤相碰撞。在結合往復運動后,磨粒的運動會增加直線運動,磨粒的運動軌跡就會變得更加復雜且雜亂無章。隨著時間的增加,工件表面均勻性會更好,可使磁力鏈斷裂重組,磨粒能及時更換并重新分布,促進了拋光效率,并且碎屑會隨著磁力鏈的更新被排出。

文中設計的拋光運動裝置不僅能滿足平面工件的拋光,還能滿足一定曲率半徑的曲面加工。根據實驗需要設置合適的往復行程,跟隨工件尺寸的大小做出合適的調整。

2 磁場發生裝置仿真與優化

2.1 磁場仿真過程

對于復雜曲面的三維模型,文中通過軟件Solidwork2018進行3D建模,經模型導入Maxwell 16.0軟件進行仿真。

仿真模式設置為靜磁場,由于在磁場上方隨著間隙的增大,磁場強度會逐漸減弱,因此,為了使磁流變液具有足夠的強度,拋光區域的位置設置為磁鐵上方2 mm處。銣鐵硼永磁鐵作為最強的磁性材料被廣泛使用,它具有加工成本低、磁場穩定、有極高的矯頑力和磁極能等優點,N35永磁鐵具體參數見表1。

表1 N35永磁鐵具體參數

因此將磁鐵類型設置為銣鐵硼,更改材料屬性。將其他區域設置為真空。為了減少占用內存的同時還能準確并快速地進行計算,邊界選取為氣球邊界條件,并對銣鐵硼進行網格劃分,將網格尺寸定為2 mm。

銣鐵硼永磁鐵仿真結果如圖3所示。

(a) 平面永磁鐵

文中銣鐵硼模型為高50 mm、直徑為50 mm的圓柱體(見圖3(a)),普通圓柱形永磁鐵具有邊緣效應,即磁場強度由磁鐵邊緣向圓心處減小,并且永磁鐵直徑越大,邊緣效應就越明顯(見圖3(b))。通過仿真發現,改變圓柱形永磁鐵的表面曲率半徑可以有效改善邊緣效應。

2.2 不同曲面磁鐵磁場分布的優化

普通平面永磁鐵的磁通密度由外向圓心靠近過程中,磁通密度減小。磁性顆粒會被牢牢地固定在普通圓柱形永磁鐵的外邊緣上,磨粒也會大量聚集在永磁鐵的外邊緣上,但是永磁鐵中心部位磁場強度較弱,磨粒容易脫落,因此磁通密度分布不均會導致磁力鏈強度和磨粒分布不均,并導致加工效率下降。為了研究不同曲率半徑下永磁鐵磁場的分布,通過軟件模擬不同幾何形狀的永磁鐵對磁場強度和磁場分布的影響。分析最優磁場的曲率半徑,以便對實際加工永磁鐵提供設計方案。

設計了表面曲率半徑分別為30,60,90,120 mm的曲面永磁鐵,如圖4所示。

(a) 30 mm

從仿真結果可以看出,表面曲率半徑為60 mm的曲面永磁鐵相較于其他曲率半徑的曲面永磁鐵在永磁鐵上方2 mm處產生的磁通密度更加均勻。同時整個永磁鐵的磁場強度滿足現有理論要求的300 mT,因此能有效實現材料去除。曲率半徑為60 mm的曲面永磁鐵的磁通密度由外向圓心靠近的過程中,磁通密度增加,磁力鏈強度較大,磨粒分布多。在磁場作用下,鐵粉會形成磁力鏈,產生一種磁力將磨粒推到磁力鏈的上方,使磨粒與工件表面進行接觸,接觸的磨粒稱為活性磨粒,活性磨粒能將工件表面的粗糙度峰值去掉,進而使工件表面粗糙度降低。

2.3 磁場強度磁流變拋光去除機理

活性磨粒受到的磁場法向壓力可以通過下式進行計算。

(1)

式中:μ0----真空磁導率;

B----磁通密度;

m----羰基鐵粉的質量;

xm----羰基鐵粉的質量磁化率;

▽B----磁場梯度。

普雷斯頓在1927年提出預測光學表面拋光中材料去除的理論基礎。以線性方程表示材料去除率,與拋光相對速度和拋光壓力成正比

d(x,y)=k·p(x,y)·v(x,y)·dt,

(2)

式中:d(x,y)----拋光接觸點處的材料去除深度;

k----普雷斯頓系數;

p(x,y)----磁流變拋光膜壓力分布;

v(x,y)----磁流變拋光膜和光學元件之間的相對速度。

基于水平旋轉的集群磁流變拋光原理,磁流變液隨著拋光盤旋轉,工件自轉同時與磁流變液接觸實現材料去除。工件在拋光過程中受到磨粒的法向力和剪切力。工件越靠近圓心處,拋光力越大,越靠近邊緣,拋光力越小,但是工件越靠近圓心處轉速越小,而靠近邊緣處轉速越大,因此,60 mm的弧面永磁鐵的高磁通密度可以增加羰基鐵粉形成磁力鏈的強度,同時均勻的磁場分布可使磁力鏈分布更加均勻,磨粒也能更加均勻地分布在拋光膜的上方,從而在更短時間內獲得更好的表面,提高拋光效果。

3 K9玻璃拋光實驗

3.1 磁流變拋光實驗方案設計

實驗利用設計的磁流變拋光裝置,并結合優化后的磁場發生裝置、可編程控制器進行K9光學玻璃的拋光實驗,如圖5所示。

圖5 K9玻璃初始表面形貌圖

加工的光學元件初始表面,白光干涉儀下K9玻璃表面,初始表面粗糙度值Ra為305.42 nm。

首先,將K9光學玻璃安裝在主軸中心的夾具上;其次,在計算機上設置實驗參數,并通過控制手輪進行快速定位;最后,將磁流變液放置在拋光盤上進行拋光實驗。K9光學玻璃的過程中,需要對磁流變液添加去離子水,防止溫度過高影響磁流變液的性能。

3.2 優化前后對拋光效果的影響

為了比較平面和曲面永磁鐵的精加工實驗,分別對K9玻璃進行三次實驗,如圖6所示。

圖6 K9玻璃初始表面粗糙度變化圖

K9玻璃加工的實驗條件,工件表面和拋光盤分別以1 000 r/min和100 r/min進行旋轉,加工間隙為2 mm,水平擺動速度5 mm/s。從300 nm和303 nm的初始研磨通過90 min拋光,實驗數據顯示,曲率半徑60 mm的弧面永磁鐵精加工的K9玻璃表面粗糙度值Ra僅為51 nm,而平面永磁鐵精加工的K9玻璃表面粗糙度值Ra為69 nm。

平面永磁鐵拋光30 min,K9玻璃下降到122 nm,粗糙度下降率達到59%,精加工90 min后,最終表面粗糙度下降率達到73%。通過曲率半徑60 mm的曲面永磁鐵拋光30 min,K9玻璃下降到88 nm,粗糙度下降率達到70%,精加工90 min后,最終表面粗糙度下降率達到82%。

因此,優化后的永磁鐵具有更大的有效拋光面積和更高的拋光效率。

3.3 加工時間對拋光效果的影響

在實際拋光過程中,加工時間對拋光效果有顯著的影響。不同加工時間的拋光效果如圖7所示。

圖7 不同加工時間的拋光效果

K9玻璃材料去除率與拋光時間成反比。這是由于初始玻璃表面粗糙度值較高,表面存在許多的峰值和峰谷,并且峰值處受到磨粒的切削力較大,因此工件表面去除材料較多。30 min后,由于峰值的減少,受到磨粒的切削力降低,去除的材料較少,故材料去除率減小。120 min后,材料去除變化不大。K9玻璃的粗糙度變化率與拋光時間成正比。初始表面粗糙度凸起的峰值較多,通過與磁流變液的相對運動,使磨粒去除的數量較多。同時,磨粒也會對拋光后的表面發生劃擦與擠壓,導致粗糙度值提升,粗糙度變化率減慢。綜上所述,合適的加工時間能夠節約加工成本,并提高拋光效率,本裝備加工K9玻璃的最佳加工時間為120 min。

3.4 加工間隙對拋光效果的影響

通過控制變量法研究加工間隙,只改變加工間隙的數值,其余參數為定值。不同加工間隙的拋光效果如圖8所示。

圖8 不同加工間隙的拋光效果

加工間隙和材料去除率成反比。由于永磁鐵的磁場是梯度磁場,因此工件和拋光盤之間距離增加,會導致玻璃表面磨粒受到的拋光力減小。由Preston方程得到材料去除率和拋光力成正比,因此,間隙的增大使去除率減小。同時,較小的加工間隙可以擠壓磁流變液,破壞薄弱的磁力鏈,磁性顆粒會在磁場作用下重新組合形成更加緊密的磁力鏈,磨粒受到的拋光力也隨之增加。隨著加工間隙的增加,表面粗糙度的變化率呈現先增加后下降。綜上所述,通過加工間隙對表面粗糙度影響規律和材料去除率的實驗研究與理論分析,為了使工件表面質量更好,且加工效率高,在實際加工中,加工間隙設置為2 mm。

3.5 旋轉速度對拋光效果的影響

通過控制變量法研究工件轉速,只改變工件轉速的數值,其余參數為定值。不同旋轉速率的拋光效果如圖9所示。

材料去除率與工件轉速成正比。由Preston方程和磨粒的運動軌跡方程可知,工件轉速的增加,一方面提高了工件與磁流變液之間的相對速度;另一方面提高了軌跡的均勻性和長度。兩方面因素共同提高了去除峰值的數量,進而提高了材料去除率。但是較大的旋轉速率工件在接觸到拋光膜后會破壞磁力鏈,導致羰基鐵粉不能有效地夾持磨粒,使拋光力不足和拋光效率減小。因此,合適區間的工件轉速有利于提高材料去除。表面粗糙度變化率與工件轉速成正比。綜上所述,在實際加工中,工件轉速應設置為2 000 r/min,但實驗中,當工件轉速超過2 000 r/min時,磁流變拋光膜會產生飛濺。因此,工件轉速設置為1 999 r/min。

3.6 偏擺速率對拋光效果的影響

通過控制變量法研究偏擺速率,只改變偏擺速率的數值,其余參數為定值。不同偏擺速率的拋光效果如圖10所示。

圖10 不同偏擺速率的拋光效果

隨著偏擺速率的逐漸增大,材料去除率先升后降。這是因為隨著偏擺速率的增加,導致工件表面磨粒的運動軌跡變得復雜,工件表面被磨粒去掉的峰值增加。同時,由于偏擺速度與工件轉速的合速度提高了相對速度,因此玻璃的去除率增大。但是較大的偏擺速率會破壞磁力鏈,導致羰基鐵粉不能有效地夾持磨粒,使拋光力不足和拋光效率減小。因此合理范圍內的偏擺有利于材料去除。

隨著偏擺速率的增加,表面粗糙度變化率先增加后下降。當偏擺速率小于10 mm/s時,由運動軌跡方程可知,偏擺速率的增加,運動軌跡的長度增加且更加均勻。當偏擺速率大于10 mm/s時,材料去除率較小,磨粒對工件表面的作用減弱。綜上所述,為了能高效地獲得高精度的玻璃表面,在實際加工中,偏擺速率設置為10 mm/s。

3.7 最佳工藝的拋光效果

通過上述對K9玻璃控制變量的實驗,獲得了不同的加工參數對于K9玻璃拋光質量的影響規律。實驗結果表明,磁流變拋光過程中加工間隙、偏擺速率和工件轉速對于加工后的表面質量和加工效率有較大的影響。實驗確定了往復集群磁流變拋光裝置的最佳工藝參數為:加工間隙1.0 mm、偏擺速率10 mm/s、拋光盤轉速100 r/min和工件轉速1 999 r/min。在此工藝參數下,往復集群磁流變拋光效率較高,且表面精度高。最佳工藝參數的拋光效果如圖11所示。

(a) K9玻璃加工前表面粗糙度

如圖11(a)、(b)所示,采用最佳的加工工藝對兩個K9玻璃進行拋光,經過2 h拋光后。獲得較高的表面精度,最終表面粗糙度值Ra為1.94 nm和1.82 nm,平均表面粗糙度值Ra為1.88 nm。圖10(c)中,K9玻璃樣品拋光前和拋光后的表面形貌實物。

4 結 語

為納米級別的光學元件提供一種高效的拋光方法,得到以下結論:

1)對運動機構進行了設計,有效地解決了磁場分布和材料去除不均等問題,提高了拋光效率和表面精度。

2)對磁場發生裝置進行了系統分析,針對現有的永磁鐵存在的問題進行優化。通過Maxwell仿真得到曲率半徑為60 mm的弧面永磁鐵,磁通密度分布得到有效改善,優化后的磁場呈高斯分布,改善了線速度導致的材料去除不均,提高了材料去除率。結果表明,經過120 min拋光,弧面磁場將最初粗糙度為305.42 nm的K9玻璃拋光至1.88 nm。