CN108500741B - 一种定点释放化学作用的力流变抛光方法 - Google Patents

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Abstract

一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，在具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液中加入含有化学抛光液的包裹体；在抛光过程中，随着抛光液与工件相对运动速度的增大，工件对抛光液造成的剪切力不断增大，抛光液产生流变现象，粘度迅速增加；由此，抛光液对分散在其中的包裹体作用力也相对增强，包裹体在与工件接触面受挤压破碎，包裹体中的化学物质释放到工件被抛光表面；所述化学物质受到高速、高压的作用，与工件表面快速发生化学反应，在工件表面形成的化学反应物，由抛光液中磨粒高效去除且不会对工件本体材料产生机械损伤，从而提高工件材料的抛光效率与和质量。本发明高效、低成本并且对环境友好。

Description

一种定点释放化学作用的力流变抛光方法
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，高质量的力流变抛光方法。
背景技术
近年来，科学技术的众多应用领域里，出现了诸如特种光学玻璃、单晶硅、蓝宝石、钽酸锂及各种功能性陶瓷等硬脆或软脆性难加工材料；此外，各类科技产品的表面形状也越来越向曲面甚至复杂曲面延伸，进一步增加了其超精密加工的难度。
抛光加工技术一直以来作为超精密加工技术的主要方法，其目的是为了降低工件表面的粗糙度、去除加工中产生的损伤层，可用于加工复杂曲面。对于具有复杂曲面形状的零件，高表面质量的抛光要求抛光用的工具要与工件的曲面良好的吻合；为实现高效率的抛光，在同样的抛光工艺因素条件下(主要是抛光时的速度及压强因素)要求抛光工具与工件表面接触区域即抛光面积要大。因此，怎样解决抛光效率和抛光质量的矛盾，同时考虑加工经济性的问题，已经成为了超精密加工技术领域的一项重要课题。一些先进的抛光技术，如弹性发射加工(EEM)、化学机械抛光(CMP)、磁流变抛光(MRF)和磁流变磨粒流抛光(MRAFF)及磁力研磨理论的超声波振动辅助复合加工等，已经成为获得超精密光滑表面的重要手段其中，EEM可获得超光滑无损表面，但材料去除量仅为几个到几十个原子级，加工效率受到一定的限制；MRF作为一种基于计算机控制光学表面成型技术(CCOS)的柔性抛光方法，已成功应用于各类形面超精密加工中，但其起关键作用的磁流变液(MR液)的成本昂贵；CMP依靠磨粒—工件—环境三者之间的机械与化学作用，实现工件表面材料的微量去除，甚至能获得表面粗糙度埃级的超光滑、少/无损伤加工表面，且无需精度很高的抛光设备。但是CMP技术也存在着一定的局限性，主要是加工精度对磨粒尺寸差异敏感造成表面损伤，且化学成分的抛光液不利于环境保护、处理成本也较高。随着对超精密工件需求量的增加以及对性能和加工要求的不断提高，科研人员不断探索高效、高质量的新型抛光方法，能够高效去除工件材料、面形适应性好并融入环保理念的柔性抛光技术具有很大的发展潜力。
为满足高效高质量，低成本，环境友好型的超精密加工要求，浙江工业大学吕冰海等提出的一种新型抛光技术——剪切增稠抛光 (STP)。STP是基于非牛顿流体剪切增稠效应的新型抛光方法，以具有剪切增稠特性的非牛顿流体作为基液配置抛光液，应用抛光液的剪切增稠特性实现曲面的高效抛光。该方法解决了复杂加工设备，成本高，一致性加工差的传统加工工艺技术难题，满足各种曲面特殊复杂形状表面的高效高品质加工要求。但是该抛光方法是以磨粒机械去除为主，对于一些难加工材料，需要添加化学物质来提高抛光效率，但是直接添加化学物质会对STP抛光基液流变特性造成不利影响，并且抛光液中化学成分会对设备造成化学腐蚀，不利于抛光液的后期处理。
发明内容
为了避免直接添加化学物质对STP抛光基液流变特性造成不利影响，减轻抛光液化学成分对设备化学腐蚀，克服现有的化学抛光液的处理成本高的不足，本发明提供一种高效、低成本并且对环境友好的定点释放化学作用的力流变抛光方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，在具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液中加入含有化学抛光液的包裹体；在抛光过程中，随着抛光液与工件相对运动速度的增大，工件对抛光液造成的剪切力不断增大，抛光液产生流变现象，粘度迅速增加；由此，抛光液对分散在其中的包裹体作用力也相对增强，包裹体在与工件接触面受挤压破碎，包裹体中的化学物质释放到工件被抛光表面；所述化学物质受到高速、高压的作用，与工件表面快速发生化学反应，在工件表面形成的化学反应物，由抛光液中磨粒高效去除且不会对工件本体材料产生机械损伤，从而提高工件材料的抛光效率与和质量。
进一步，非牛顿流体抛光液中所加入的包裹体的胶囊受到设定大小的剪切力作用才会破碎。
再进一步，通过调节包裹体的胶囊壁厚来适应抛光过程不同材料去除所需要的剪切力大小。
更进一步，所述的包裹体粒径为10-1000μm，所述包裹体的材料为以下材料之一：玻璃、氧化硅、金属或非金属涂层，所述的化学物质为：弱酸物质、弱碱物质、金属或非金属氧化物、碳酸化合物或金属盐化合物。
优选的，当所述工件为不锈钢材料时，选用氧化硅材料或非金属涂层来包裹弱酸性物质，所述弱酸性物质溶于水后呈酸性；当所述工件为铝合金材料时，选用玻璃、非金属涂层来包裹弱酸或弱碱的化学物质；所述工件为无机非金属材料时，选用玻璃来包裹氧化铁或氧化铈。
本发明的技术构思为：在具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液中加入含有化学抛光液的包裹体。在抛光过程中，随着抛光液与工件相对运动速度的增大，工件对抛光液造成的剪切力不断增大，抛光液产生流变现象，粘度迅速增加(即抛光液剪切增稠作用增强)。由此，抛光液对分散在其中的包裹体作用力也相对增强，包裹体在与工件接触面受挤压破碎，包裹体中的化学物质释放到工件被抛光表面。这些化学物质受到高速、高压的作用，与工件表面快速发生化学反应。工件表面形成的化学反应物，可由抛光液中磨粒高效去除且不会对工件本体材料产生机械损伤，从而提高工件材料的抛光效率与和质量。
本发明可实现对各种曲面尤其是复杂异形曲面的高效高质量抛光，具有极大的经济效益和社会效益：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)能在提高材料去除效率和抛光质量的同时，防止/降低所加入的化学物质对抛光基液流变特性造成不利影响。
(2)本抛光方法中胶囊只能在一定大小的力的情况下才会破碎，能够使化学物质集中释放，并能快速反应，并减轻抛光液化学成分对设备化学腐蚀，有利于抛光液的后期处理。
(3)属于柔性加工方式，加工表面质量好，材料变质层小。
(4)由于非牛顿流体具有流动性，可以便形成的"固着磨具"与不同曲率的曲面都具有良好的吻合度，从而可以实现复杂曲面以及孔壁等各种类型的表面的抛光，加工适用范围广。
附图说明
图1是定点释放化学作用的力流变抛光方法的示意图。
图2是抛光对象为316不锈钢圆柱滚子的示意图。
图3是抛光对象为球顶挡块的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，在具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液中加入含有化学抛光液的包裹体；在抛光过程中，随着抛光液与工件相对运动速度的增大，工件对抛光液造成的剪切力不断增大，抛光液产生流变现象，粘度迅速增加；由此，抛光液对分散在其中的包裹体作用力也相对增强，包裹体在与工件接触面受挤压破碎，包裹体中的化学物质释放到工件被抛光表面；所述化学物质受到高速、高压的作用，与工件表面快速发生化学反应，在工件表面形成的化学反应物，由抛光液中磨粒高效去除且不会对工件本体材料产生机械损伤，从而提高工件材料的抛光效率与和质量。
进一步，非牛顿流体抛光液中所加入的包裹体的胶囊受到设定大小的剪切力作用才会破碎。
再进一步，通过调节包裹体的胶囊壁厚来适应抛光过程不同材料去除所需要的剪切力大小。
更进一步，所述的包裹体粒径为10-1000μm，所述包裹体的材料为以下材料之一：玻璃、氧化硅、金属或非金属涂层，所述的化学物质为：弱酸物质、弱碱物质、金属或非金属氧化物、碳酸化合物或金属盐化合物。
优选的，当所述工件为不锈钢材料时，选用氧化硅材料或非金属涂层来包裹弱酸性物质，所述弱酸性物质溶于水后呈酸性；当所述工件为铝合金材料时，选用玻璃、非金属涂层来包裹弱酸或弱碱的化学物质；所述工件为无机非金属材料时，选用玻璃来包裹氧化铁或氧化铈。
本实施例中，如图1所示，以非牛顿流体作为基液配制抛光液，将磨粒和含有化学物质的包裹体分散在抛光液中。抛光过程中，由于工件1与抛光液2的相对运动，抛光液2与工件1接触部分受到剪切作用发生剪切增稠现象，接触区域抛光液的粘度急剧增大，瞬间呈现固体特性，抛光液中的固态胶状粒子3增强了对磨粒5及包裹体4(胶囊)的把持力，当力达到一定大小，包裹体破碎，包裹体中的化学物质8在工件表面快速反应，结合粒子簇7的微切削作用，达到高效高质量的抛光效果。
可以通过调节包裹体的壁厚来适应抛光过程不同材料去除所需要的剪切力大小。针对不锈钢材料，可以选用氧化硅材料或涂层来包裹呈弱酸性物质(溶于水后呈酸性)；针对铝合金材料，可以选用玻璃、非金属涂层来包裹弱酸或弱碱的化学物质，针对无机非金属材料如氮化硅陶瓷等，可以选用玻璃来包裹氧化铁或氧化铈化合物。
本发明所述的一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，可实现各种曲面的高效、高质量、低成本的加工要求。
参照图2，以非牛顿流体作为基液配置抛光液，并加入2500#氧化铝磨粒和包裹体，抛光对象9为316不锈钢圆柱滚子。圆柱滚子固定在夹具10上，对圆柱滚子的曲面进行抛光。由抛光槽11带动抛光液2在槽内转动，抛光液与圆柱滚子有一个相对运动。抛光具体参数如下表1 所示：
Figure BDA0001627508940000061
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表1
抛光24分钟后轴承表面粗糙度由395nm下降到10nm，达到了曲面的高效高质量抛光。
对球形曲面零件进行抛光，抛光示意图如图3所示，抛光对象9 为球顶挡块，球顶挡块固定在夹具10上，对球顶挡块顶端曲面部分进行抛光，由抛光槽11带动抛光液2在槽内转动，抛光液与球顶挡块顶端曲面部分有相对运动。抛光具体参数如下表2所示。
工件 20CrNi<sub>2</sub>Mo(曲率半径17mm)
抛光槽转速 90rpm
工件转速 30rpm
磨料 3000#Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
包裹材料 非金属涂层
被包裹材料 柠檬酸
包裹体浓度 1％
磨料浓度 20％
工件距离抛光槽中心距离 200mm
表2
抛光10min后，工件表面粗糙度从480nm迅速下降到10nm，得到无损伤、光滑的工件表面。
由上述实施例可见，该新型曲面抛光方法可满足复杂异形由面的高效高质量加工要求。

Claims (5)

1.一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，其特征在于：在具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液中加入含有化学抛光液的包裹体；在抛光过程中，随着抛光液与工件相对运动速度的增大，工件对抛光液造成的剪切力不断增大，抛光液产生流变现象，粘度迅速增加；由此，抛光液对分散在其中的包裹体作用力也相对增强，包裹体在与工件接触面受挤压破碎，包裹体中的化学物质释放到工件被抛光表面；所述化学物质受到高速、高压的作用，与工件表面快速发生化学反应，在工件表面形成的化学反应物，由抛光液中磨粒高效去除且不会对工件本体材料产生机械损伤，从而提高工件材料的抛光效率与和质量。
2.如权利要求1所述的一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，其特征在于：非牛顿流体抛光液中所加入的包裹体受到设定大小的剪切力作用才会破碎。
3.如权利要求2所述的一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，其特征在于：通过调节包裹体壁厚来适应抛光过程不同材料去除所需要的剪切力大小。
4.如权利要求1～3之一所述的一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，其特征在于：所述的包裹体粒径为10-1000μm。
5.如权利要求4所述的一种定点释放化学作用的力流变抛光方法，其特征在于：当所述工件为不锈钢材料时，选用氧化硅材料或非金属涂层来包裹弱酸性物质，所述弱酸性物质溶于水后呈酸性；当所述工件为铝合金材料时，选用玻璃或非金属涂层来包裹弱酸或弱碱的化学物质；所述工件为无机非金属材料时，选用玻璃来包裹氧化铁或氧化铈。
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