[发明专利]一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法

说明书

技术领域

本发明属于精密超精密加工技术，涉及一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的高效高质量抛光方法，特别涉及非球曲面、异形曲面等各种复杂曲面的高效、超精密抛光方法。

背景技术

复杂曲面已经成为航空航天、天文、汽车零部件、模具和生物医用植入等领域众多零件的重要工作面。非球面光学零件能够很好地矫正多种像差，提高仪器鉴别能力，简化仪器结构；复杂曲面反射镜可有效减少反射次数和功率损失，提高精度以及稳定性；复杂曲面的发动机缸提高了其工作效能。同时，随着产品外形设计日趋复杂、高精度、微细化，生物医用植入物、模具、汽车零部件越来越多的应用了复杂曲面外形。据统计，有30%左右的模具型腔采用了复杂的自由曲面。

随着对复杂曲面类零件性能要求的不断提高和需求量的增加，对其抛光一方面要求高的表面质量，另一方面又要求高效、低成本。高效的抛光，需要抛光工具与工件曲面有较大的接触面积（在相同转速和压强下可获得较大的材料去除量）；精密的抛光则需要工具曲面与工件曲面有良好的接触吻合度。但由于复杂曲面曲率的多变性，导致抛光工具曲率很难和被抛光曲面曲率一致，传统技术一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求。因此，如何解决以上矛盾，实现复杂曲面高质量、高效、低成本的抛光已经成为超精密加工领域的一项重要的课题。目前，在我国的实际生产中，很多复杂曲面抛光仍采用传统的手工方式完成，加工过程长，稳定性和重复性差，加工成本高。因此，研究、开发一种新的适合复杂曲面高效、高质量、低成本的抛光方法尤为必要。

目前开发的曲面抛光技术主要包括计算机控制表面成型、磨粒流抛光、电解抛光、磁场辅助抛光以及气囊抛光等。计算机控制表面成型属于传统的接触式抛光技术，一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求，但接触式抛光中抛光工具曲率与被加工曲面曲率吻合差，影响了抛光的精度；加工效率较低，且表面质量对磨粒尺寸差异敏感。磨粒流抛光是通过载有磨料的黏弹体在压力下反复通过工件表面实现抛光加工，其需要复杂的磨粒流推动系统，且工件抛光效率较低；电解抛光加工表面质量好，加工效率高，但其仅适用于部分金属工件，且电解液易对环境造成不利影响。磁场辅助抛光方法是利用磁场控制磁性磨粒或磁流变抛光液对工件表面进行抛光，是一类高效、柔性的抛光方法，能够获得很好的加工效果，但较为复杂的磁场辅助设备和较高的加工介质使用成本制约了这类抛光方法的应用。气囊抛光是使用一个气压可控的充气气囊作为抛光工具进行抛光加工，由于加工工具尺寸的限制仅可抛光中-大口径曲面，且对工件边缘抛光质量控制较差。

综上所述，现有的曲面抛光技术难以在抛光表面质量、抛光效率、加工成本以及环境友好性等方面达到均衡，很难满足各种复杂曲面加工的高效高精密加工要求。因此，对于各种曲面尤其是复杂异形曲面的高效高精密加工而言，迫切需要一种既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备低成本及环保的新型曲面抛光方法。

发明内容

为了克服现有技术存在的加工设备复杂成本高、加工效率低、加工一致性差、难以满足各种曲面尤其是复杂异形曲面的高高效高质量加工要求的不足等，本发明提出一种高效、低成本的基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；其中，非牛顿流体占抛光液质量的50%~90%，磨粒或微粉占抛光液质量的10%~50%，磨粒或微粉的粒径范围为：0.05-50μm；

抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。