Способ гидродинамического полирования

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(73) Патентообладатель Кордонский Вильям Ильич(57) Способ гидродинамического полирования, при котором обрабатываемую деталь погружают в слой абразивной жидкости, расположенный на твердой поверхности, перемещая последнюю относительно детали для генерирования гидродинамического давления в зазоре между деталью и поверхностью, отличающийся тем,что в качестве абразивной жидкости используют абразивную магнитореологическую жидкость, а твердую поверхность выполняют из немагнитного материала, воздействуют магнитным полем на магнитореологическую жидкость в зоне полирования, образуя в зазоре между обрабатываемой поверхностью детали и перемещаемой поверхностью твердообразное ядро и разжиженную прослойку магнитореологической жидкости,при этом толщину прослойки устанавливают 100 мкм. 2895 1 Изобретение относится к области изготовления оптических деталей и, в частности, касается способа полирования поверхности оптических деталей. Изобретение может быть использовано в оптической промышленности при обработке оптических линз. Изобретение может быть также использовано в электронной промышленности (например при обработке полупроводниковых материалов) в лазерной технике (например, в процессе изготовления оптических элементов лазеров) в машиностроении (например, при изготовлении керамических деталей двигателей, седел клапанов) в ювелирной промышленности (например, для обработки драгоценных камней). Наиболее целесообразно использование изобретения в оптической и электронной отраслях промышленности. Изобретение относится к методам бесконтактного гидродинамического полирования. Известен способ бесконтактного полирования оптических деталей с использованием магниточувствительной жидкости, содержащей абразивные частицы 1. Этот способ состоит в погружении вращающейся обрабатываемой детали в коллоидную феррожидкость, содержащую немагнитные абразивные частицы и расположенную над полюсами постоянного магнита. Неоднородное поле магнита, воздействующее на (феррожидкость, индуцирует силу, выталкивающую немагнитные абразивные частицы по направлению к поверхности детали и, таким образом, создается усилие для съема материала. Недостаток данного способа заключается в том, что магнитная выталкивающая сила, действующая на абразивную частицу, слишком мала,чтобы обеспечить приемлемую скорость уноса материала с поверхности полируемой детали, и кроме того способ не позволяет контролировать равномерность съема материала по поверхности и точность формы детали в процессе обработки. Наиболее близким к предлагаемому является способ бесконтактного гидродинамического полирования 2, выбранный в качестве прототипа. Он базируется на гидродинамическом принципе или, более конкретно,на явлении гидродинамической смазки. Согласно данному способу, деталь и расположенный под ней плоский диск погружаются в жидкость, содержащую абразивные частицы. При вращении диска и течении жидкости в зазоре между деталью и диском, в зазоре генерируется гидродинамическое давление, при этом деталь всплывает над поверхностью диска. Деталь полируется абразивными частицами, которые движутся через зазор вместе с жидкостью. Механизм съема материала связан с упругим ударом абразивных частиц о поверхность детали, ведущим к контактному взаимодействию частиц с атомами поверхности детали и удалению слабо связанных атомов с поверхности. В этом способе очень важно выдерживать точное и стабильное расстояние между диском и деталью. Величина зазора самоустанавливается за счет баланса сил, создаваемых гидродинамическим давлением жидкости и весом детали с необходимыми принадлежностями. К недостаткам данного способа относится то, что для обеспечения значительной скорости уноса материала с поверхности детали скорость течения жидкости в зазоре должна быть достаточно большой, что достигается очень маленькой толщиной зазора, которая на практике должна быть порядка 10 мкм. Таким образом, успешное гидродинамическое полирование требует дополнительно организации поддержания заданной величины зазора с высокой точностью. Из-за исключительно малой величины зазора, этот способ очень чувствителен к вариациям вязкости и поверхностного натяжения жидкости. Поверхностное натяжение,возрастающее с увеличением вязкости, усиливает притяжение детали к диску. Если первоначальный баланс нарушится, т.е. вес детали в совокупности с силой поверхностного натяжения превысят гидродинамическую силу, то деталь садится на поверхность диска, что приводит к ее повреждению. Таким образом, для обеспечения данного способа необходима сложная аппаратура и тщательный контроль гидродинамических параметров в процессе полирования. Задача изобретения заключается в оптимизации процесса полирования, его воспроизводимости и создании программного управления выходными характеристиками (качество и форма поверхности отполированной детали) на базе известных входных характеристик заготовки. Иными словами задача состоит в создании автоматизированной технологии полирования деталей. В соответствии с настоящим изобретением, параметры процесса, необходимые для качественного и эффективного гидродинамического полирования (такие как давление, толщина зазора, высокая скорость абразивных частиц) могут быть просто и очень точно управляемы посредством использования течения магнитореологической жидкости в зазоре при воздействии магнитного поля. Предлагаемый способ полирования деталей реализуется путем использования слоя магнитореологической жидкости, нанесенной на твердую немагнитную поверхность. Поверхность детали, которую необходимо отполировать, вводят в контакт со слоем магнитореологической жидкости, а твердую немагнитную поверхность перемещают относительно детали. В зоне контакта жидкости с деталью на жидкость воздействуют магнитным полем, под влиянием которого жидкость переходит в пластичное состояние, характеризующееся пределом текучести. Вследствие наличия предела текучести жидкость в зазоре между деталью и движущейся поверхностью разделяется на два слоя. В области, прилегающей к движущейся поверхности, где сдвиговые напряжения минимальны образуется твердообразное ядро, присоединенное к движущейся поверхности, а между ядром и деталью, где сдвиговые напряжения максимальны, происходит сдвиговое течение тонкой разжиженной прослойки жидкости. Твердообразное ядро и разжиженная прослойка образуют полирующую 2 2895 1 зону. Твердообразное ядро перемещается со скоростью движущейся поверхности. В разжиженной прослойке имеет место сдвиговое течение жидкости в тончайшем зазоре между твердообразным ядром и поверхностью детали. Размеры твердообразного ядра могут варьироваться для увеличения или уменьшения толщины разжиженного слоя и, следовательно, скорости течения жидкости вблизи поверхности детали с целью контроля и оптимизации скорости уноса материала с поверхности детали. При этом, размеры твердообразного ядра зависят от состава жидкости, напряженности магнитного поля в полирующей зоне, величины зазора между деталью и движущейся поверхностью, а также скорости движения этой поверхности. В связи с тем, что гидродинамическое полирование, базирующееся на использовании магнитореологической жидкости, совместимо с компьютерным управлением процесса, то предлагаемое изобретение позволяет легко оптимизировать процесс полирования путем выбора и поддержания оптимальных значений многочисленных рабочих параметров. Сущность изобретения поясняется рисунками. Рис. 1 - схематичное изображение поперечного сечения варианта устройства, реализующего предлагаемый способ рис. 2 - общий вид полирующей зоны, разрез А-А на рис. 1 рис. 3 - график зависимости предела текучести магнитореологической жидкости от состава и напряженности магнитного поля рис. 4 - схематическое изображение сдвигового течения между двумя поверхностями рис. 5 - схематическое изображение формы рабочего полирующего зазора рис. 6 - график, иллюстрирующий геометрию зазора, образованного твердообразным ядром. Магнитореологическая жидкость (МРЖ) это неколлоидная суспензия ферромагнитных частиц в текучей дисперсионной среде. Она представляет собой материал, в котором, под воздействие магнитного поля, происходит резкое и обратимое изменение внутренней микроструктуры и, как следствие, реологических параметров, таких как пластичность, эффективная вязкость и упругость. При этом МРЖ загустевает, приобретая в определенных условиях свойства твердого материала. При прочих равных условиях количественные изменения в свойствах жидкости в значительной степени зависят от состава жидкости (например, от концентрации ферромагнитной дисперсной фазы). В свою очередь, магнитное поле легко управляется посредством изменения электрических сигналов, подаваемых на обмотку электромагнита. Абразивная МРЖ, используемая для полирования, как правило представляет собой взвесь частиц ферромагнитного карбонильного железа ( 1-3 мкм) и немагнитных абразивных частиц ( 1-3 мкм) в водоглицериновом растворе. Приведенный состав хорошо зарекомендовал себя при полировке деталей из оптического стекла. В общем случае, тип абразивных частиц, их содержание, также как и тип дисперсионной среды выбирается в соответствии с физико-химическими особенностями материала полируемой детали. Согласно предлагаемого способа, полируемую деталь погружают в слой абразивной МРЖ, расположенной на твердой поверхности и поверхность вместе с жидкостью перемещают относительно детали. Затем магнитное поле прикладывают к МРЖ в области ее контакта с деталью для образования полирующей зоны, ответственной за съем материала с поверхности детали. Магнитное поле придает МРЖ пластические свойства, характеризующиеся пределом текучести, зависящим от напряженности магнитного поля и состава МРЖ. В зазоре между движущейся поверхностью и поверхностью детали на МРЖ действуют сдвиговые напряжения, причем в области зазора, где сдвиговые напряжения меньше предела текучести, образуется твердообразное ядро, перемещающееся заодно с движущейся поверхностью, а в области зазора, где сдвиговые напряжения больше предела текучести реализуется сдвиговое течение разжиженной МРЖ, имеющее место в слое между твердообразным ядром и непосредственно поверхностью детали. Толщина разжиженного слоя также как и скорость МРЖ под поверхностью детали определяется скоростью движения поверхности со слоем МРЖ, величиной зазора между поверхностью и деталью и пределом текучести МРЖ. Оптимальным соотношением перечисленных параметров создаются условия для эффективного, т.е. высококачественного и производительного, полирования. Вследствие того, что эти параметры легко регулируются посредством компьютерного управления, то предлагаемый способ позволяет достаточно просто осуществлять эффективное полирование деталей в широком диапазоне изменения их формы и материалов. На рис. 1 схематично представлен пример одного из возможных вариантов магнитореологического полирующего устройства, реализующего предлагаемый способ. (Следует отметить, что способ полирования, согласно настоящего изобретения, может быть реализован и в различных других вариантах устройств не рассматриваемых здесь). Устройство содержит движущуюся поверхность, выполненную в виде кюветы 1, в которой расположен слой абразивной МРЖ 2. Кювета 1 изготовлена из немагнитного материала и прозрачна по отношению к магнитному полю. На рисунке кювета имеет плоское дно 3 и вертикальную стенку 4, однако ее форма может быть модифицирована в соответствии с требованиями и условиями полирования деталей различной формы. Полируемую деталь 5 закрепляют на вращающемся шпинделе 6 из немагнитного материала. Шпиндель 6 может быть снабжен механизмом вертикального перемещения шпинделя (не показан). Приводом механизма вертикального перемещения шпинделя может служить обычный электропривод (не показан), управляемый электрическими сигналами от программной контролирующей системы (не показана). Шпиндель 6 может быть также снабжен поворотным механизмом вокруг горизонтальной оси (не показан) для качания детали 5 относительно МРЖ. Кювета 1 может вращаться вокруг ее центральной оси 7 и приводом вращения может служить обычный двигатель (не показан), управляемый также от программной контролирующей системы. 3 2895 1 Электромагнит 8 расположен непосредственно возле кюветы 1 таким образом, чтобы воздействовать на МРЖ 2 в зоне ее контакта с деталью 5. Электромагнит 8 индуцирует магнитное поле достаточное для проведения полирования и как правило это поле должно быть напряженностью не менее 100 кА/м. Магнитное поле создается за счет пропускания по обмотке 9 электрического тока от источника (не показан), соединенного с программной контролирующей системой. Обмотка 9 может быть любой традиционной намагничивающей обмоткой. Электромагнит 8 может быть установлен на механизме горизонтального перемещения электромагнита (не показан) и может двигаться в горизонтальном направлении, преимущественно в радиальном направлении относительно центральной оси 7. Приводом механизма горизонтального перемещения магнита может служить любой обычный привод (не показан), управляемый электрическими сигналами от программной контролирующей системы. На МРЖ 2 воздействует неоднородное магнитное поле, создаваемое электромагнитом 8, в области контакта жидкости с деталью 5. Градиент магнитного поля направлен нормально к поверхности детали 5 в сторону дна 3 кюветы. Возникающая магнитная сила прижимает (присоединяет) МРЖ к дну. Под воздействием магнитного поля МРЖ загустевает, причем наиболее сильно в ограниченном пространстве, а именно в полирующей зоне 10, в которой происходит процесс полирования материала детали. Форма полирующей зоны 10 определяется конфигурацией полюсных наконечников электромагнита 8 и величиной зазора между ними. Давление частиц абразивной МРЖ 2 на поверхность детали 5 наиболее значительно в полирующей зоне 10. В процессе полирования и деталь 5 и кювета 1 могут вращаться. Кювета вращается вокруг центральной вертикальной оси 7 с постоянной скоростью. Вращение кюветы 1 организует непрерывную доставку свежей МРЖ 2 к месту, где расположена деталь 5, а также обеспечивает постоянное приведение МРЖ 2 в контакт с поверхностью полируемой детали в полирующей зоне 10 для создания сдвигового течения в зазоре. Шпиндель 6 преимущественно вращается со скоростями вплоть до 2000 об/мин. Вращение шпинделя создает условия для непрерывного приведения свежих участков поверхности детали 5 в контакт с полирующей зоной 10 так,чтобы съем материала по поверхности детали был равномерным. При контакте частиц, преимущественно абразивных частиц, МРЖ 2 с деталью 5 происходит полирование поверхности детали в кольцевой зоне, толщина которой равна толщине полирующей зоны 10. Полирование может осуществляться за один или более циклов с определенным количеством удаляемого с поверхности детали материала за один цикл. Полирование всей поверхности детали 5 достигается за счет радиального перемещения электромагнита 8 механизмом горизонтального перемещения и наклона детали поворотным механизмом шпинделя, которые вызывают движение полирующей зоны 10 по поверхности детали. В результате, программное управляемое сканирование полирующей зоны по поверхности детали обеспечивает высокоэффективное качественное полирование. Из экспериментов и/или из теоретического анализа обнаружен ряд факторов, оказывающих значительное влияние на съем материала в процессе полирования с использованием МРЖ. Среди них определяющими являются давление, оказываемое частицами МРЖ на полируемую поверхность состав МРЖ, т.е. наличие и тип немагнитных абразивных частиц и насыщение ими разжиженного слоя, а также концентрация ферромагнитной дисперсной фазы МРЖ скорость относительного перемещения движущейся поверхности и поверхности детали напряженность магнитного поля образование и структура твердообразного ядра в МРЖ. Величина давления со стороны полирующей зоны на поверхность детали оказывает значительное влияние на скорость уноса материала с поверхности в процессе полирования. В общем случае чем больше давление, тем выше скорость уноса. Установлено, что величина давления изменяется вдоль полирующей зоны с пиком в центре зоны, при этом что пик давления уменьшается с увеличением зазора. Как показано на рис. 1, градиент магнитного поля, генерируемого электромагнитом направлен по нормали к дну кюветы. При движении абразивной МРЖ в неоднородном магнитном поле, последнее выталкивает немагнитные абразивные частицы в сторону, прямо противоположную направлению градиента поля. Таким образом абразивные частицы концентрируются в верхнем слое жидкости, в области контакта поверхности детали с разжиженной прослойкой МРЖ и увеличивают скорость уноса материала детали. Скорость уноса материала возрастает с увеличением скорости перемещения МРЖ относительно поверхностью детали и, соответственно скорости течения МРЖ, т.к. в этом случае частицы жидкости ударяют по поверхности детали с большей энергией. Твердообразное ядро. При течении МРЖ через зазор между движущейся поверхностью (дном кюветы) и деталью в присутствии магнитного поля образуются два отдельных слоя в полирующей зоне твердообразное недеформируемое ядро 1, присоединенного к дну кюветы 2 и деформируемая разжиженная (существенно маловязкая) прослойка 3, расположенная между деталью 4 и твердообразным ядром 1. На рис. 2 изображена схема образования двух слоев. Твердообразное ядро 1 - это квазитвердый, существенно пластичный, структурированный магнитореологический материал. При его образовании, ядро притягивается магнитными силами, создаваемыми полем электромагнита 6, к дну кюветы 2 и движется заодно с ним с той же скоростью. В процессе полирования напряжения сдвига в ядре меньше предела текучести МРЖ. Предел текучести МРЖ, как показано на экспериментальном графике (рис. 3) зависит от ее состава и напряженности магнитного поля. 4 2895 1 С образованием ядра возникает новый рабочий зазор, величина которого значительно меньше, чем зазор между дном кюветы и деталью. При этом в области между ядром и деталью напряжения сдвига превышают предел текучести МРЖ. В этой области образуется деформируемая, подверженная сдвиговому течению, разжиженная прослойка 3 (рис. 2), скорость течения жидкости в которой определяется толщиной твердообразного ядра и скоростью движения дна кюветы (и ядра) относительно детали. Чем выше скорость движения кюветы и чем толще ядро (и следовательно тоньше прослойка), тем выше скорость течения у поверхности детали и тем большей энергией обладают абразивные частицы МРЖ, сталкивающиеся с поверхностью детали, и, следовательно, тем большая скорость уноса материала с поверхности детали имеет место. Ряд факторов оказывают определяющее влияние на образование и геометрию твердообразного ядра. Среди них состав МРЖ, и как следствие ее предел текучести скорость движущейся поверхности (кюветы) напряженность магнитного поля. Изменением любого из этих факторов или их комбинацией может регулироваться геометрия, в частности толщина, твердообразного ядра. Управлением толщиной ядра контролируется скорость течения жидкости в разжиженной прослойке, насыщенной абразивными частицами. Вследствие того, что унос материала с поверхности детали в полирующей зоне сильно зависит от скорости частиц, в частности абразивных частиц МРЖ, ударяющихся о поверхность детали, то скорость уноса материала таким образом может управляться и оптимизироваться. Считаем, что течение в зазоре между поверхностью полируемой детали и подвижной поверхностью соответствует схеме, изображенной на рис. 4, где представлено течение простого сдвига между неподвижной поверхностью или пластиной 1 и подвижной поверхностью или пластиной 2. Кроме того выполняются условия отсутствия проскальзывания на пластине 2, и прилипания на пластине 1, т.е. скорость жидкости на неподвижной пластине равна нулю. В этом случае скорость жидкости возле неподвижной пластины (поверхности детали) определяется градиентом скорости, а это означает, что величина скорости жидкости в данном месте увеличивается с уменьшением толщины зазора между пластинами. Далее рассмотрим случай, когда сдвиговые напряжения в части слоя жидкости не превышают предела текучести. При таком режиме течения образуется твердообразное ядро недеформируемого материала возле неподвижной стенки на входе в зазор и возле подвижной стенки - на выходе. В результате дросселирующего действия искусственных границ потока, образуемых ядром, создается новая структура течения. Можно предположить, что градиент давления тесно связан с образованием ядра, поскольку распределение сдвиговых напряжений по зазору определяется величиной градиента давления /. Если локальная величина напряжений сдвига на неподвижной стенке меньше предела текучести или/2/2, то ядро образуется и присоединяется к поверхности. Толщина деформируемого слоя жидкости равна где- пластическая вязкость МРЖ,- скорость движения поверхности. Используя подобные основные положения течения МР жидкости и экспериментальные данные по распределению давления в полирующей зоне, далее проанализируем течение, которое имеет место в условиях реального полирования, при этом схема рабочего зазора принимается такой, которая показана на рис. 5. Распределение давления и градиента давления в полирующей зоне получены из экспериментов. Экспериментальные условия были следующими 0,6 м/с 01 мм 0,5 Па.с 58,3 мм, 050 кПа. Имея распределение градиента давления легко рассчитать распределение сдвиговых напряжений в слое жидкости, которое показывает, что области сдвиговых напряжений, меньших чем предел текучести 0, расположены на входе в полирующую зону и выходе из полирующей зоны. Это означает, что два ядра недеформируемой жидкости образуются в этих областях слоя жидкости. При этом недеформируемое ядро (где напряжения меньше предела текучести) присоединяется к движущейся поверхности на выходе из рабочего зазора (полирующей зоны) и к поверхности детали - на выходе. На рис. 6 приведены размеры ядра, образующегося на выходе из полирующей зоны. Здесь пунктирной линией показана граница ядра, а сплошной образующая детали. Рисунок наглядно иллюстрирует тот факт, что твердое ядро, присоединенное к движущейся поверхности, образует некоторую искусственную поверхность, форма которой приблизительно повторяет форму детали. Граница этой искусственной поверхности располагается на некотором расстоянии от детали и в образующемся тонком зазоре имеет место сдвиговое течение жидкости и минимальная толщина зазора 0 в этом случае равна 0.1 мм для указанных выше экспериментальных условий. В новом искусственном зазоре происходит обычное сдвиговое течение жидкости. Основной вывод, который может быть сделан из проведенного анализа, заключается в том, что индуцируемые магнитным полем пластические свойства магнитореологической жидкости обеспечивают возможность резкого уменьшения эффективного рабочего зазора благодаря образованию твердообразного ядра,присоединенного к движущейся поверхности. В результате значительно увеличивается скорость жидкости вблизи поверхности детали. 5 2895 1 Таким образом процесс полирования с использованием МРЖ осуществляется следующим образом. Слой магнитореологической жидкости (например жидкость, содержащую 48 объемныхводоглицериновой смеси, 49.3 объемныхчастиц карбонильного железа и 3.7 объемныхчастиц диокиси кремния) наносят на твердую немагнитную поверхность (например, на дно кюветы) и приводят кювету во вращение со скоростью(например, 0.6 м/с). Движением кюветы жидкость вводят в зазор (например, толщиной 1 мм) между выпуклой поверхностью полируемой детали (например, сферической линзы из кварцевого стекла радиусом 58.3 мм) и дном кюветы. Магнитным полем воздействуют на МРЖ в области полирующей зоны, что преобразует изначально маловязкую магнитореологическую жидкость в пластичную среду. Такое течение в зазоре приводит к образованию слоя недеформируемого материала (твердообразного ядра), присоединенного к движущемуся дну кюветы. В результате вблизи поверхности полируемой детали образуется искусственная подвижная граница, определяющая рабочий зазор, и в этом новом зазоре имеет место сдвиговое течение маловязкой (разжиженной) МРЖ. Геометрия нового зазора определяется распределением сдвиговых напряжений в МРЖ и контролируется интенсивностью магнитного поля. Например, при напряженности магнитного поля 400 кА/м и параметрах отмеченных выше толщина искусственного зазора становится равной 100 мкм, что обеспечивает достаточно высокую для интенсивного полирования скорость жидкости в непосредственной близости от полируемой поверхности. Твердые частицы магнитореологической жидкости (магнитные частицы и немагнитные абразивные частицы) бомбардируют поверхность детали в полирующей зоне,производя съем материала. При этом за время обработки, равное 29 минутам средняя скорость уноса материала со всей поверхности детали составила 1.3 мкм/мин., а параметры, характеризующие качественный уровень процесса полирования соответствовали следующим значениям. Исходная деталь (после шлифовки)- максимальное отклонение от заданной сферы 0.2548 мкм- среднеквадратичное отклонение от заданной сферы 0.045 мкм- микрошероховатость поверхности а 290 А. Деталь после полирования предлагаемым способом Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.