[发明专利]基于非牛顿流体剪切流变效应的阶进式磨-抛加工方法

说明书

一种基于非牛顿流体剪切流变效应的阶进式磨‑抛加工方法，包括以下步骤：(1)在具有剪切流变效应的非牛顿流体基液中混入磨料和添加剂，搅拌均匀，制成剪切流变磨抛液，加入机床磨削液站；(2)在完成传统粗磨、半精磨之后的精磨阶段，从砂轮切入端沿砂轮线速度方向对磨削区提供剪切流变磨拋液；(3)设置磨削深度大于零，实现工件表面低损伤磨削；(4)设置磨削深度等于零，对磨削表面进行磨‑抛复合加工；(5)设置砂轮与工件为非接触状态，对磨削表面进行剪切流变抛光，通过调整磨拋液流变特性、砂轮线速度、工件进给速度、砂轮‑工件间隙，控制抛光过程表面各点材料去除率。本发明易于实现，加工效率高、精度高、实用性强。

技术领域

本发明属于精密超精密加工技术，涉及一种能够实现硬脆材料低损伤磨削、原位柔性抛光的阶进式加工方法。

背景技术

磨削、抛光是光学制造工艺链上的两个重要环节，是实现硬脆材料精密及超精密加工的重要技术手段。传统硬脆材料磨削方式不可避免存在表面损伤层，较深的磨削损伤层不仅会增加后续抛光时间，而且对抛光过程中的面形控制也极为不利。

为了减小硬脆材料磨削表面损伤，国内外学者曾采用多种方法抑制硬脆材料在磨削过程中的裂纹萌生与扩展，例如：ELID磨削，超声震动辅助磨削、化学机械磨削、半固着磨具磨削等。ELID磨削技术通过优化磨具磨削性能减小加工表面损伤，该技术解决了微细/超细磨粒金属基金刚石砂轮在硬脆材料磨削过程中的磨损、钝化问题，实现了玻璃、陶瓷等一系列硬脆材料的超精密磨削加工。采用二维超声震动方法能够通过改善砂轮磨损状态、减小磨削力、增大临界切削深度减小磨削表面损伤。然而，ELID磨削用于大深宽比内表面磨削时，难以避免电极与工件内表面干涉；超声震动辅助磨削需要机床附加振动单元，磨削速度受振动周期限制，并且在曲面磨削时振动方向随磨削点法线的偏摆控制过程复杂。化学机械磨削技术利用固结磨粒与被加工材料之间的固相反应，结合磨粒机械去除作用实现无损伤表面加工。半固着磨具磨削一定程度上解决了游离磨粒加工效率低、固结磨粒加工表面损伤大的问题，目前在单晶硅、蓝宝石等材料加工中取得了良好效果。然而，化学机械磨削和半固着磨粒磨削材料去除率仍然较低，约为1～3μm/h，难以达到精密磨削的要求。

对平面、曲面均具有良好适用性的柔性抛光方法中，研究较多的有气囊抛光、磨料射流抛光、磁流变抛光、剪切增稠抛光等。气囊抛光的柔性抛光头可自动适应工件曲面形状，通过调节气囊内部压力控制抛光效率。磨料射流抛光利用磨粒对工件表面的高速碰撞与剪切作用，通过控制喷射压力、角度及时间等参数抛光工件表面。磁流变抛光通过外磁场控制磁流变液在抛光区产生与被加工表面相吻合的柔性“研抛模”进行材料去除。剪切增稠抛光工艺的实现不需要外部辅助场，且对抛光工具形状、材质等要求低，甚至可以在无抛光工具条件下，通过流体动压力和摩擦力实现复杂曲面的超精密加工。上述抛光方法通过气压、磁场、流场、剪切速率等均能够实现“研抛模”柔度变化可控，但剪切增稠抛光不需复杂的设备和附件，且抛光液制备成本低，更有利于实现低损伤磨削后的原位柔性抛光。

传统制造工艺中，磨削、抛光分别在专用机床上进行，磨削机床通过控制磨削深度实现材料去除，而抛光工艺中的材料去除是基于压力控制。在磨削机床上实现抛光过程的运动及材料去除率控制，完成低损伤磨削与原位柔性抛光的结合，能够减少装夹时间，消除二次装夹误差，是进一步提高磨-抛整体加工效率需要解决的关键问题。从目前国内外的各种研究报道来看，尚未发现有利用非牛顿流体剪切流变效应辅助抑制磨削表面损伤，并实现原位柔性抛光的报道。本发明涉及的低损伤磨削、原位柔性抛光是提高磨-抛整体加工效率的可行方法。

发明内容

为了克服已有技术中硬脆材料磨削表面损伤大导致后续抛光时间长的不足，本发明提供一种基于非牛顿流体剪切流变效应的阶进式磨-抛加工方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于非牛顿流体剪切流变效应的阶进式磨-抛加工方法，所述加工方法包括以下步骤：