电流变抛光.docx

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电流变抛光

2014年春季学期研究生课程考核

（读书报告、研究报告）

考核科目

:

现代光学加工技术

学生所在院（系）

:

xx

学生所在学科

:

xx

学生姓名

:

xxx

学号

:

13Sxx

学生类别

:

考核结果

阅卷人

第1页（共页）

电流变抛光简介

一、基本原理

1.1、抛光

抛光是利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工，以得到光亮而无磨痕的镜面为目的一种手段。

抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的，有时也用以消除光泽（消光）。

通常以抛光轮作为抛光工具。

抛光轮一般用多层帆布、毛毡或皮革叠制而成，两侧用金属圆板夹紧，其轮缘涂敷由微粉磨料和油脂等均匀混合而成的抛光剂。

常见抛光有机械抛光、化学抛光、电解抛光、超声波抛光、流体抛光、磁研磨抛光等。

镜面加工中所说的抛光与其他行业中所要求的表面抛光有很大的不同，。

它不仅对抛光本身有很高的要求并且对表面平整度、光滑度以及几何精确度也有很高的标准。

表面抛光一般只要求获得光亮的表面即可。

镜面加工的标准分为四级：

AO=Ra0.008μm，A1=Ra0.016μm，A3=Ra0.032μm，A4=Ra0.063μm。

由于电解抛光、流体抛光等方法很难精确控制零件的几何精确度，而化学抛光、超声波抛光、磁研磨抛光等方法的表面质量又达不到要求，所以精密模具的镜面加工还是以机械抛光为主。

1.2电流变

电流变液（Electrorheologicalfluids，ERF）是一种悬浮液,其流变特性在外加电场的作用下会发生明显变化,粘度、剪切强度等随外加电场强度的提高而增大,响应迅速,在毫秒级。

电流变液的剪切强度可以在很大范围内通过电场快速的、连续可调的变化。

电流变液是由介于纳米与微米尺度之间的介电颗粒与高绝缘液体混合而成的复杂流体,在施加电场时,介电颗粒在感应偶极矩的作用下,沿着电场线的方向形成链状、柱状结构,这些链状、柱状结构改变了电流变液体的流变特性。

图1-1.2为加电场前后的微观变化,在外加电场作用下,当剪切速率较低时,电流变液的表观粘度等流变特性可比无电场下增大几个数量级,并具有明显的屈服应力,成为强度可以与一般固体相比较的类固态（弱固态）物质,这种特殊的物理现象称为电流变效应。

电流变效应具有以下特点:

1、外加电场控制；2、响应速度快,一般在毫秒级;3、连续可控性;4、可逆性;5、能耗低。

图1-1.2电流变特性的机理示意图

电流变液通常由3部分构成:

1、分散相,可分为固体材料的异质电流变液和液体材料的均质电流变液。

分散相决定了电流变液性能的好坏,因此又被称为电流变材料。

2、分散介质,又叫基础液,是分散相的载体。

基础液的作用是把分散相均匀地分散在其中,在外加电场下产生电流变效应。

对电流变液的性质有重大影响。

3、添加剂。

能够改善电流变液性能的任何极性材料。

1.3电流变抛光

电流变抛光技术是利用电流变液的电流变效应进行抛光的一种新型光整加工方法。

该技术出现于本世纪初，是由日本学者T.Kuriyagawa提出的，把超精细的研磨剂混入到电流变液中,在电场作用下,悬浮于电流变液中的研磨剂连同电流变颗粒一起被极化,形成链状结构,研磨剂被固定于成链分布的电流变粒子之间。

电流变抛光原理如图1-1.3所示。

图1-1.3电流变抛光原理

电流变抛光时，将尖锥状的微型工具与电源的负极相连，放置于工件表面的环形电极与电源的正极相连，工具与工件之间的间隙约为3μm。

加工过程中,以刀具和导电工件作为电极,把混入研磨剂的电流变液填充到工件和刀具之间。

加上电场后,电力线从刀具到工件表面排布,研磨剂颗粒也沿着电力线排布。

因为刀尖附件场强最大,电力线也最密集,研磨剂沿着电力线被集聚到了刀尖附近,形成球形微小砂轮。

当刀尖与工件相对转动时,研磨剂随之转动就可以产生微切削作用,形成抛光加工。

抛光时所用的抛光工具系统由环形电极与工具电极两部分组成，工具电极为尖锥状结构，因此把这种抛光工具称为尖锥状分离电极工具。

这种抛光方法与传统抛光方法不同之处是可以通过控制电压来控制去除量，可以实现对平面、球面、非球面以及复杂曲面导体（金属）零件和非导体（光学玻璃）零件的抛光加工，可以获得表面粗糙度为纳米级的光滑表面。

二、基本特性与对比

2.1特性

电流变抛光技术与磁流变抛光技术原理类似，都是利用智能材料的流变效应进行抛光加工的。

电流变抛光与磁流变抛光有很多相同点，主要表现在以下几个方面：

（1）流变抛光的磨头具有自我更新能力，抛光过程中不需要修形，因此可以保持稳定的去除率，特别适合数控加工。

（2）由于是软接触，不会破坏工件的亚表面层，可以获得较高的表面质量。

（3）抛光过程中柔性抛光头贴合工件表面，去除均匀，对抛光对象的面型、尺寸没有限制。

（4）具有较高的柔性，磨头硬度可调，抛光过程可控。

电流变抛光与磁流变抛光也有一些不同之处，具体表现在以下几个方面：

（1）材料的剪切应力。

一般来说，磁流变液的剪切应力可以达到80KPa以上，而电流变液的剪切应力一般小于15KPa，远远小于磁流变液，这也是近年来磁流变技术发展远远快于电流变技术的原因。

2003年，香港科技大学的温维佳等发明了一种能够产生巨电流变效应的电流变液，它的剪切应力可以达到100KPa以上，电流变技术的发展开始出现曙光。

（2）使用的方便性。

电流变技术电场产生方便，只需要两电极即可，磁流变技术所需设施复杂，从而限制了它的应用领域。

（3）适用范围。

电流变抛光可以抛光任何材料，磁流变抛光由于磁极的存在，在抛光铁磁材料时多有不便。

电流变抛光技术作为一种新型的抛光工艺，可以实现非接触式抛光，以柔性抛光模的形式自适应抛光复杂曲面，通过对电压、工具电极转速、抛光路径的控制可以实现对复杂曲面进行抛光以提高加工质量。

电流变抛光技术的产生为微小型非球面光学元件及硬质合金模具的高精度表面处理提供了一种新的手段。

由于它适用面广，加工成本低，也可用于常规工件的加工，具有很高的实用价值。

综上所述，电流变抛光使用方便，适用范围广，具有很好的发展前景。

2.2各种抛光方法对比

表二为各种抛光方法对比

名称

抛光原理

优点

不足

超声波抛光

利用工具端面的超声频振动，迫使磨料悬浮液对硬脆的材料表面进行加工。

可抛各种面型，各种材料工件，

适用面广。

工具制作及安装困难，工具易磨损，加工速度慢。

液体喷射抛光

由小喷管高速喷出的混有磨料粒子的抛光液冲击工件表面,在磨料粒子动能作用下完成对工件表面材料的去除。

可用于任何材料，

加工效率较高。

喷射物呈泥浆状，工件清洗和喷射剂的净化比较麻烦。

离子束抛光

利用高速粒子束冲击工件表面，使工件表面受力区的分子或原子获得动能，脱离内部晶格的束缚，从而达到微量去除的目的。

适用于各种尺寸，各种面型工件，加工范围广

工艺复杂。

需要有一套复杂的离子束产生设备和真空系统，加工过

程不易控制、材料去除速率极低，加工材料有限

激光抛光

利用激光的热效应，熔融、蒸发工件表层材料，从而达到光滑平整。

可加工难以加工的材料，无污染，加工变形小、速度快、成本低。

设备成本高，过程要求精密控制

液流悬浮抛光

运动的悬浮液通过工件与聚亚胺酯轮之间形成的微小间隙时产生的剪切力，对工件表面材料进行去除。

加工效率较高，

不产生亚表面破

坏层，易于数控

适用面型较窄，不适用于微小，复杂面型。

磁流变抛光

利用混有磨料颗粒的磁流变液发生磁流变效应时形成的类固体磨头，与工件表面发生相对运动，从而达到抛光的目的。

无亚表层破坏，磨头硬度可调，磨头永不磨损，加工成本低，可适用于各种面型

设备具有电磁装置，不方便进行铁磁类材料的抛光。

机械化学抛光

抛光剂中混有化学溶液，机械作用和化学作用的合力对工件进行抛光

结构简单

加工成本高，效率低，有振动，加工精度低。

水合抛光

利用工件表面上产生的水合反应进行高效，精密抛光方法。

加工效率高

设备复杂，抛光材料有限制，适用面窄。

表二各种抛光方法对比

三、发展现状和关键技术

1939年，美国学者W.M.Winslow发现了电流变效应，他于1949年申请专利并发表了论文，这标志着电流变技术的诞生。

电流变技术的发展经过八九十年代的沉寂，近几年正处于高速发展时期，一个电流变技术发展的黄金时期即将到来。

由于电流变技术具有广阔的应用前景，有专家预言，电流技术将超越半导体技术，引起又一次的工业革命。

近年来，电流变技术也被引入了传统的光整加工领域，诞生了一种新颖的抛光技术—电流变抛光技术。

目前对电流变抛光技术的研究主要集中在日本、韩国和中国，尚处于实验室研究阶段，研究重点主要集中于抛光对象、抛光工艺、抛光设备以及抛光工具等方面。

3.1抛光对象

目前电流变抛光技术可以进行导体工件和非导体工件的抛光，使用的工具主要是尖锥状抛光工具，尖锥状抛光工具抛光导体工件和非导体工件时原理相同，方法各异。

尖锥状抛光工具抛光导体工件的原理如图1-1.3（a）所示。

把工具电极作为负极，工件作为正极，分别与直流高压电源两极相连时，在工具电极与工件表面之间产生一个非均匀的梯度电场。

在电场作用下，电流变抛光液在工具电极附近发生电流变效应，形成柔性抛光头。

当工具旋转时，工具带动柔性抛光头与被加工工件的表面发生相对运动，产生的摩擦作用，磨料颗粒与工件表面的摩擦产生微量的去除，从而完成对导体工件的抛光加工。

当抛光非导体时，由于工件不能单独作为一极，因此需要在工件上附加一个辅助电极，如图1-1.3（b）所示，这样也产生一个非均匀的梯度电场，使电场中的电流变液发生电流变效应，从而完成对非导体工件的抛光。

使用以上两种抛光模式，国内外学者进行了光学玻璃，硅酸盐玻璃，硬质合金等材料的抛光实验。

由电流变抛光原理可知，电流变技术还可以用于其他材料的抛光，而这还需要进一步的拓展研究。

图1-1.3

3.2抛光工艺

抛光工艺涉及的内容很多，目前研究热点主要集中于电流变抛光效果的影响因素，去除规律，抛光区域等方面。

影响抛光效果的因素很多，主要有电源种类、电压、转速、抛光时间、磨料种类、磨料浓度、抛光间隙等。

研究发现随着电压、转速、磨料浓度和抛光时间的增加，工件表面的粗糙度呈现下降趋势。

基本上明晰了影响电流变抛光的各个因素及它们对电流变抛光效果的影响规律。

以上各因素也对电流变抛光的材料去除有较大的影响。

韩国W.B.Kim教授研究了电场类型，明晰了发生电流变效应时的表观现象，研究了电场强度与材料去除的关系，得到了电场强度越大，去除效率越高的结论。

3.3抛光设备

目前对电流变抛光的研究主要集中在抛光微小非球面工件及硬质合金模具上，这两个方面也是电流变抛光的优势所在，因此许多抛光装置的开发都是围绕这两个方面进行的。

对电流变抛光装置的研究主要有日本东北大学，韩国延世大学，广东工业大学，吉林大学等，其中日本东北大学发展较快。

日本东北大学精密机械研究所研制的电流变抛光微小非球面加工系统，主要用于对微小非球面的研磨、抛光。

图（a）是抛光装置图，图（b）是抛光原理图。

韩国延世大学机械工程学院研制的电流变抛光非球面装置如下图所示。

我国，对电流变抛光的研究刚刚起步。

据文献所知，国内现在有吉林大学、广东工业大学、北京理工大学等单位在进行电流变抛光方面的研究。

广东工业大学的电流变抛光装置是对显微镜进行了巧妙改造，能够实现对简单零件的定点抛光，其实验装置如下图。

该抛光装置的优点在于巧妙的利用了显微镜的调焦方法，以简单、廉价、有效的方法实现了位移的精确调节。

定位精度达到了微米级，满足了电流变抛光的实验需求。

但该装置只能进行定点抛光，不能进行连续抛光，且是手动调节，效率低下，难以投入实用。

鉴于以上问题，广东工业大学又开发了如图（b）的电磁流变精密研抛装置，不但可以实现电流变抛光，也可以实现磁流变抛光。

X轴、Y轴、Z轴使用精密电机驱动，实现了自动进给，可以研抛平面工件。

吉林大学的电流变抛光研究所使用的抛光装置如下图所示。

3.4抛光工具

抛光工具是电流变抛光设备中的核心部件，不同的抛光工具适用于不同的抛光对象，并对抛光效率具有很大的影响。

目前已知的电流变抛光工具有针状电极、环形电极、多层同轴集成电极、平行板集成电极、环形集成电极、单侧图形电极等。

每种电极都表现了它们不同的功用和特点，针状电极适合加工导体类工件。

针状电极和环形电极的配合使用最初应用于非导体类工件的抛光，例如光学玻璃等。

针状电极在抛光导体类工件时由于间隙难于控制，往往产生放电产生火花对工件表面产生破坏。

为了克服针状电极这一缺点，在电极端部涂上一层厚为10um的半球形绝缘涂层。

一种在AC电场下的，多层同轴集成电极。

如图所示，电极共有五层。

每层电极通过电刷提供不同的电压，相邻的铜环为不同电极。

磨料颗粒在电场的作用下聚集在电极间的缝隙内形成团簇状。

吉林大学研发了两种新型的集成电极工具，平行板集成电极和环形集成电极。

针状电极在加工中易于产生击穿和放电，而集成电极工具可以克服了针状电极的缺点适于加工导体和非导体类工件。

四、存在的问题

电流变抛光的研究还处于实验室验证阶段，抛光机理还不清楚，现有的设备及工具还不能满足实用化需要。

在电流变抛光设备的研制上，日本和韩国发展较快，已经实现了对微小非球面的抛光。

虽然国内吉林大学和广东工业大学都拥有自己的抛光装置，但都是对其它设备的改造，难以胜任复杂曲面工件的抛光。

在实验中发现，使用现有抛光装置抛光时具有以下问题：

（1）现有抛光装置控制精度较低，当抛光导体工件时，工具与工件间隙难以精确控制，经常短路，发生击穿现象。

（2）现有抛光装置自由度有限，只能抛光平面工件，不能抛光复杂曲面。

（3）现有抛光装置不能够实现各轴的平滑联动，自动抛光时误差较大。

研究中还发现，电流变抛光技术发展到现在，虽然能完成导体工件和非导体工件的定点抛光，但其抛光工具都是尖锥状抛光工具，只能抛光微小工件，抛光对象单一。

经过多年的发展，尖锥状抛光工具得到不断的改进，在抛光微小型工件时优势明显，但在实用化上也突显出一些不足：

（1）尖锥状抛光工具不能同时抛光导体和非导体工件。

抛光导体工件时直接以工件作为一极，较为方便，抛光非导体工件时需要添加辅助电极。

由于工件面型多变，辅助电极逐一设计，成本过高。

特别是当抛光大中型工件表面时，辅助电极在工件表面添加不便，这就增加了抛光的复杂性。

（2）由于尖锥状抛光工具定位于抛光微小区域，不能满足中大型工件的抛光，使得电流变抛光的适用范围大受限制。

（3）尖锥状工具抛光导体工件时，工具与工件表面间隙极小，要求控制在微米级，太远则电场较弱，不能产生电流变效应，太近则容易发生击穿现象。

虽然可以在工具头上用等离子蒸发沉淀的工艺涂脂10微米的方法来避免击穿现象的发生，但由于涂脂工艺较为复杂，也不能完全避免击穿现象的发生，因此工具位置仍需要精确控制。

这就对抛光设备的定位精度提出了很高的要求，也提高了电流变抛光的使用门槛，不利于这项技术的大众化。

五、参考文献

1.贺新升.电流变抛光设备开发与关键技术研究[D].吉林大学,2009.

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4.陈松涛,赵云伟,张伟今.电流变抛光工艺研究[J].科海故事博览,2008（6）.

5.张雷,贺新升,张莹,等.新型电流变抛光工具开发及其抛光实验[J].吉林大学学报:

工学版,2010（4）:

1009-1014.