[发明专利]基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其是一种针对平面、柱面、非球面、异形面等各种曲面的高效、高质量的超精密抛光方法。

背景技术

抛光作为曲面超精密加工的最重要的工序，主要作用就是去除前期加工工序产生的表面破坏层，修正面型误差，减小工件表面粗糙度。曲面零件广泛应用于天文、航天航空、航海、汽车零部件、模具等领域。如在天文观测领域使用非球面光学零件能够提高观测设备的鉴别能力、简化设备结构；大量的模具型腔及汽车零部件采用复杂的自由曲面。复杂曲面的加工质量对设备性能有重要影响，如光学系统中的反射镜，其面型误差会给系统成像带来各种像差，而其表面粗糙度则会使光线发生大角度散射，降低镜面反射率及系统分辨率；美国太阳动力学观测站中AIA望远镜，其反射镜经超精密加工后表面粗糙度达到0.44nm，可使仪器分辨率在13.1～30.4nm波段仅产生约0.42″的误差；航空发动机的压气机转子叶片在经过精加工其面型误差由60μm降至12μm、表面粗糙度由0.5μm降至0.2μm后，则发动机的压缩效率将由87％提高至94％。

目前开发的曲面工件精密加工或抛光技术主要包括计算机控制表面成型、磁场辅助抛光、磨粒流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，但抛光工具曲率与被加工曲面曲率吻合差，影响了加工精度。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。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，工件抛光效率较低，表面质量对磨粒尺寸差异敏感。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加工中-大口径曲面，并对工件边缘抛光质量控制较差。

电解抛光利用金属表面微观凸点在特定电解液中和适当电流密度下，发生阳极溶解的原理进行抛光，可以保证良好的加工精度和表面质量，获得较高的加工效率，成本较低，适用于金属工件。然而，电解抛光存在以下不足：对表面有序化组织敏感性较大；较难保持零件尺寸和几何形状的精确度；；抛光后工件表面易存有斑点。

专利(CN201210192915.8)公开了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。基于非牛顿流体剪切增稠效应的抛光方法，主要是利用抛光液与工件接触部分受剪切而增稠，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。

发明内容

针对目前的超精密抛光过程中抛光效果差、成本高的问题，本发明提出了一种适用范围广、效率高、质量高、成本低、装置结构与控制简单的一种基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工方法。

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与电解复合效应的超精密加工方法，实现所述超精密加工方法的设备包括抛光工具、抛光工具夹具、工件夹具和抛光池，所述抛光工具位于抛光池内，所述抛光池内放置抛光液，所述工件夹具上的工件位于抛光池内且与所述抛光工具之间存在间隙，所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具夹具与抛光工具驱动机构连接，所述工件夹具的导电件与电源阳极连接，所述抛光工具夹具的导电件与电源阴极连接，所述加工方法包括如下步骤：

(1)电源的阳极与工件连接，电源的阴极与抛光工具连接，使得工件作为电解对象；

(2)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出抛光液，并添加电解液成分，使抛光液即具有电解作用又具有剪切增稠效果；

(3)工件与所述的抛光工具之间留有间隙，所述的抛光液中有电解液成分，工件、抛光液、抛光工具与电源构成电解回路，工件表面微凸处在电解作用下发生阳极融解或形成一层氧化膜，而凹处不易发生阳极融解或形成氧化膜；氧化膜与工件本体材料结合较弱，更容易被去除；同时工件与抛光工具做相对运动，从而使所述抛光液在工件与抛光工具间隙处受剪切作用发生剪切增稠现象，磨粒去除所述工件表面微凸处氧化膜；工件在电解与磨粒共同作用下对工件表面凸点的选择性去除，实现了抛光加工。

进一步，所述设备还包括循环系统，循环系统与所述抛光池连接，抛光液在经循环系统中抛光池的底部抽出并从抛光池上部输入。