CN112980333A

CN112980333A - 保持磁流变抛光液抛光效率的方法、稳定剂及其制备方法

Info

Publication number: CN112980333A
Application number: CN202110147742.7A
Authority: CN
Inventors: 李晓媛; 叶敏恒; 叶作彦; 董会; 王利利; 田东; 刘佳保; 王超
Original assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Current assignee: Institute of Mechanical Manufacturing Technology of CAEP
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明公开了保持磁流变抛光液抛光效率的方法、稳定剂及其制备方法，解决了现有的磁流变抛光液的抛光效率稳定性较差，无法满足长时间的使用要求的技术问题。本发明的稳定剂由磨粒、润湿剂、分散剂、抗氧化剂和水组成，各组分的质量百分比为：磨粒：12％‑30％，润湿剂：0.5％‑5％，分散剂：0.05％‑5％，抗氧化剂：0.2％‑3％，水：余量。本发明具有稳定剂加入后磁流变抛光液的抛光效率稳定，满足长时间使用等优点。

Description

保持磁流变抛光液抛光效率的方法、稳定剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁流变抛光技术领域，具体涉及保持磁流变抛光液抛光效率的方法、稳定剂及其制备方法。

背景技术

随着现代光学技术的不断发展，大型光学装置、深空测绘装备以及各种光学扫描系统等对光学零件需求量不断上升，这些元件不仅数量多，结构复杂，对面型精度和表面粗糙度也提出了很高的要求。传统的光学研抛加工方法，去除量小，加工效率低，精度低，显然难以满足大型光学工程及现代光电系统对高精度学元件的批量化生产要求。

磁流变抛光在光学微纳制造方面是公认的革命性技术，能快速获得数十纳米以下的面形精度(PV)和1nm以下的表面粗糙度(Rq)。磁流变抛光液在抛光机床中循环流动，流经抛光轮时在磁场作用下形成“柔性磨头”，对光学元件表面进行材料去除。在抛光过程中维持“磨头”去除量的稳定可控，对于保持抛光过程的稳定性，实现确定性抛光，加工出高精度、低缺陷的光学元件具有非常重要的作用。

但是目前不论是美国QED公司生产的抛光液，还是其他研究机构研制的抛光液，在使用中都会出现抛光效率随着时间增加大幅下降的情况。如果不能稳定抛光效率，那么在长时间抛光过程中最终会给面形误差的收敛带来不良影响，难以发挥确定性抛光的优势。科研人员在研究中发现磁流变抛光液作为与加工相关的直接载体其稳定性与加工效果密切相关。在抛光过程中，一方面由于环境的湿度，温度以及抛光液与工件表面摩擦发热等原因，抛光液中水分挥发，粘度不断发生变化；另一方面，抛光粉在抛光过程中持续磨损消耗，不仅单个抛光粉的去除作用减弱，而且参与抛光的颗粒数量减少，降低了去除效率。

为了解决这些问题，文献提供了两类调节方式：一是通过添加水分，稳定水含量从而控制抛光液粘度。一般采用离线方式测定磁流变液的水分含量，再根据经验手动控制磁流变液的补水量来控制粘度。该方式耗时较长，且根据经验估算补水量，控制精度较差。而且仅仅依靠水分补充忽略了抛光液的损耗，对于长时间加工中去除效率的稳定作用有限。二是通过定时定量地补充过饱和磁流变抛光液弥补抛光粉的损耗。所谓过饱和抛光液即抛光粉含量过饱和的同类型磁流变抛光液。由于该方式添加的过饱和磁流变抛光液粘度大，累积添加量增大可能会导致系统内液体黏度增加，进而影响液体的流动性和流变性，因此暂无长时间效率稳定的实验数据，当前文献报道的连续加工稳定时间仅为12h。

鉴于现有大口径光学元件加工时间长，精度要求高，上述方法均不能得到效率稳定的磁流变抛光液，无法满足长时间使用要求。

因此，有必要开发一种新的能保持磁流变抛光液抛光效率的方法及外加剂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的磁流变抛光液的抛光效率稳定性较差，无法满足长时间的使用要求。

本发明可通过下述技术方案实现：

一种磁流变抛光用性能稳定剂，由磨粒、润湿剂、分散剂、抗氧化剂和水组成，各组分的质量百分比为：

磨粒：12％-30％

润湿剂：0.5％-5％

分散剂：0.05％-5％

抗氧化剂：0.2％-3％

水：余量。

本发明通过简单的配方组合，得到了磁流变抛光液的性能稳定剂，该稳定剂配方简单，无需专门的PH值调节剂，且对磁流变抛光液的抛光效率的稳定性好。

进一步地，各组分的配比如下：

磨粒：12％-13％

润湿剂：2.4％-2.5％

分散剂：1.6％-1.7％

抗氧化剂：1.3％-1.4％

水：余量。

本发明优选一种磁流变抛光用性能稳定剂，所述磨粒为二氧化铈、金刚石微粉、氧化铝、碳化硅或二氧化硅中的一种或多种。

所述稳定剂中磨粒种类的添加与原磁流变抛光液中的磨粒种类一致。

本发明优选一种磁流变抛光用性能稳定剂，所述磨粒的粒径10-1000nm。

本发明优选一种磁流变抛光用性能稳定剂，所述的润湿剂为丙二醇、聚氧乙烯或聚乙二醇中的一种，质量百分比为0.5％-5％。

本发明优选一种磁流变抛光用性能稳定剂，所述分散剂为六偏磷酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的一种，质量百分比为0.05％-5％。

本发明优选一种磁流变抛光用性能稳定剂，所述的抗氧化剂为碳酸钠或亚硝酸钠中的一种，质量百分比为0.2％-3％。

一种磁流变抛光用性能稳定剂的制备方法，包括如下步骤：向水中先后加入分散剂、润湿剂和抗氧化剂并分别混合溶解形成基载液，再向所述基载液中加入磨粒混合均匀得到所述稳定剂。

一种保持磁流变抛光液抛光效率的方法，将稳定剂加入到磁流变抛光液体系中，对元件进行抛光。

本发明将磁流变抛光用性能稳定剂加入到磁流变抛光液中，既能弥补由于磨粒的损耗导致的抛光效率下降，又能保持抛光体系的流变性和流动性基本不变，从而始终保持较好的抛光效率，满足磁流变抛光液的长时间使用。

本发明优选的保持磁流变抛光液抛光效率的方法，将所述稳定剂保持均匀分散，再通过蠕动泵将所述稳定剂加入到磁流变抛光液体系中。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的磁流变抛光用性能稳定剂，组成简单，无需专门的调节PH值调节剂，操作方便，在保持磁流变抛光液的抛光效率稳定性上具有显著效果。

2、本发明通过将磁流变抛光用性能稳定剂加入到磁流变抛光液中，既能弥补由于磨粒的损耗导致的抛光效率下降，又能保持抛光体系的流变性和流动性基本不变，从而始终保持较好的抛光效率，满足磁流变抛光液的长时间使用，保证了整个抛光工艺的稳定性和抛光精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明保持磁流变抛光液抛光效率稳定性的方法流程图。

图2是本发明实施例1的稳定剂加入后的磁流变抛光液去除效率随时间变化曲线图。

图3是本发明实施例2的稳定剂加入后的磁流变抛光液去除效率随时间变化曲线图。

图4是本发明实施例3的稳定剂加入后的磁流变抛光液去除效率随时间变化曲线图。

图5是本发明磁流变抛光液中水分随时间变化曲线图。

图6是本发明添加稳定剂与未添加稳定剂的磁流变抛光液峰去除效率对比图。

图7是本发明添加稳定剂与未添加稳定剂的磁流变抛光液体去除效率对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

一、磁流变抛光用性能稳定剂的制备

实施例1

制备磁流变抛光用性能稳定剂

步骤1：将10.0g分散剂聚乙烯醇加入500ml去离子水中，搅拌至分散剂完全溶解；

步骤2：继续加入15.0g润湿剂丙二醇，搅拌至均匀混合；

步骤3：继续加入8.0g抗氧化剂碳酸钠，搅拌均匀后形成基载液；

步骤4：称取75.0g氧化铈磨粒，缓慢加入搅拌中的基载液中，持续搅拌10min得到磁流变抛光用性能稳定剂。

实施例2

步骤1：将5.5g分散剂聚丙烯酰胺加入500ml去离子水中，搅拌至分散剂完全溶解；

步骤2：继续加入15.0g润湿剂丙二醇，搅拌至均匀混合；

本实施例与实施例1的区别在于，使用聚乙烯醇作为分散剂制备氧化铈稳定剂。

实施例3

步骤2：继续加入15.0g润湿剂丙二醇，搅拌至均匀混合；

步骤4：称取50.0g氧化铈磨粒，缓慢加入搅拌中的基载液中，持续搅拌10min得到磁流变抛光用性能稳定剂。

本实施例与实施例1的区别在于，氧化铈磨粒的含量有所减小。

二、磁流变抛光用性能稳定剂对磁流变抛光效率的影响

将上述实施例1-3配制好的稳定剂用于以下试验：

1、将已经配制好的磁流变抛光用性能稳定剂放入1000ml容量瓶内，采用搅拌作用保持均匀分散；

2、通过蠕动泵将稳定剂按照10滴/分钟将稳定剂加入磁流变抛光液体系中，所述磁流变抛光液的配方为，按照质量分数计，磁性颗粒80％，磨粒5％，六偏磷酸钠0.05％，碳酸钠0.1％，丙二醇0.1％，余量去离子水。

3、使用磁流变抛光液对Φ50mm的熔石英进行抛光，在另一块熔石英上按照每4小时采一次，每次2个斑的速度进行采斑，对抛光液的去除效率进行计算，得到实施例1-3的实验结果见图2、图3和图4，从图2-图4可以看出，实施例1的去除率效果最好且去除率最稳定。

具体地，本实施例1中添加了稳定剂的磁流变抛光液初始峰去除率和体去除率分别为9.80λ/min和0.177mm³/min，连续抛光50h后峰去除率和体去除率保持了较好的稳定性，波动率均小于10％。

对实施例1的稳定剂加入到磁流变抛光液后的水分变化进行测量，其随时间变化曲线如图5所示，从图5可以看出，实施例1的稳定剂加入到磁流变抛光液中后，磁流变抛光液的水分变化不大，比较稳定。

针对实施例1做如下对比试验：

使用未添加稳定剂的磁流变抛光液进行同样的抛光实验，对Φ50mm的熔石英进行抛光，在另一块熔石英上按照每4小时采一次，每次2个斑的速度进行采斑，对抛光液的去除效率进行计算，对比例与实施例1的对比实验结果见图6和图7。

对比例当中的磁流变抛光液的连续抛光50h后，峰去除率和体去除率分别降低44％和39％。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，由磨粒、润湿剂、分散剂、抗氧化剂和水组成，各组分的质量百分比为：

磨粒：12％-30％

润湿剂：0.5％-5％

分散剂：0.05％-5％

抗氧化剂：0.2％-3％

水：余量。

2.根据权利要求1所述的一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，所述磨粒为二氧化铈、金刚石微粉、氧化铝、碳化硅或二氧化硅中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，所述磨粒的粒径10-1000nm。

4.根据权利要求1或2所述的一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，所述的润湿剂为丙二醇、聚氧乙烯或聚乙二醇中的一种，质量百分比为0.5％-5％。

5.根据权利要求1或2所述的一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，所述分散剂为六偏磷酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的一种，质量百分比为0.05％-5％。

6.根据权利要求1或2所述的一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，所述的抗氧化剂为碳酸钠或亚硝酸钠中的一种，质量百分比为0.2％-3％。

7.根据权利要求1或2所述的一种磁流变抛光用性能稳定剂，其特征在于，各组分的质量百分比为：

磨粒：12％-13％

润湿剂：2.4％-2.5％

分散剂：1.6％-1.7％

抗氧化剂：1.3％-1.4％

水：余量

所述磨粒为氧化铈，所述润湿剂为丙二醇，所述分散剂为聚乙烯醇，所述抗氧化剂为碳酸钠。

8.一种磁流变抛光用性能稳定剂的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1-7任一项所述的稳定剂，包括如下步骤：向水中先后加入分散剂、润湿剂和抗氧化剂并分别混合溶解形成基载液，再向所述基载液中加入磨粒混合均匀得到所述稳定剂。

9.一种保持磁流变抛光液抛光效率的方法，其特征在于，将权利要求1-7任一项所述的稳定剂加入到磁流变抛光液体系中，对元件进行抛光。

10.根据权利要求9所述的保持磁流变抛光液抛光效率的方法，其特征在于，将所述稳定剂保持均匀分散，再通过蠕动泵将所述稳定剂加入到磁流变抛光液体系中。