基于非牛顿流体剪切增稠效应抛光方法的研究

为实现复杂曲面高效、高质量、低成本的超精密抛光，提出了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的抛光方法：以非牛顿流体作为基液配制抛光液。抛光过程中，抛光液和工件表面之间形成的相对运动，使非牛顿流体受到剪切作用发生剪切增稠现象（可逆变化），其粘度急剧增大，瞬间呈现类似"固体"的特性，增强了对磨粒的把持力，在加工位置形成一个柔性"固着磨具"，可实现工件表面高效、高质量的抛光；非牛顿流体抛光液的流动特性保证了所形成的"固着磨具"能与不同曲率的曲面都保持良好的吻合度，从而能用于复杂曲面的抛光；同时，非牛顿流体易于获得，使用成本低。本项目通过理论分析、数值模拟和实验研究，揭示非牛顿流体抛光液剪切增稠的机理，研究剪切增稠作用定量控制的关键因素和方法，分析工件材料的去除特性；构建加工实验平台，探索该抛光方法应用的关键技术，有望发展一种高效、高质量、低成本的新型复杂曲面抛光方法。

复杂曲面是航空航天、光学、模具等领域关键零件的重要工作面。针对传统复杂曲面抛光过程中抛光工具很难适应复杂曲面多变的曲率特征、抛光效率低等问题，提出了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的复杂曲面高效抛光技术：采用非牛顿剪切增稠流体和微细磨粒构成抛光液；抛光液在与工件接触位置受到剪切应力作用，非牛顿流体的体系粘度急剧增大，瞬间呈现固体特性，形成柔性的“固着磨具”。 剪切增稠流体具有流动性，可使形成的“固着磨具”与不同曲率的曲面都具有良好的吻合度，从而实现复杂曲面的高效抛光。本研究通过理论分析、仿真数值模拟和实验研究，筛选和确定了剪切增稠抛光基液，分析了其流变特性；配制了不同类型抛光液，掌握了磨粒种类、浓度、粒度等参数对抛光液剪切增稠特性的影响规律，并确定了配制方法；推导了工件所受宏观作用力的算方法，建立了材料微观去除模型、抛光过程有限元模型、材料去除数学模型、表面粗糙度轮廓演化模型，分析了抛光液中磨粒的运动学与力学特性以及工件材料的去除特性，揭示了剪切增稠抛光的机理，探索剪切增稠作用定量控制的关键因素和方法；构建加工、测试实验平台，研究分析了工艺参数对抛光效率与抛光质量的影响规律，进行了工艺参数的优化；实现了模具钢、硅片、氮化硅陶瓷等材料抛复杂曲面、球面、圆柱面以及平面的超光滑表面(Ra 5nm以下）的抛光加工。针对圆柱曲面抛光进行了对比，剪切增稠抛光方法的效率是双平面加工方法(包括机械研磨和化学机械抛光两个工序)的2倍以上。在剪切增稠抛光方法的基础上，发展了声波辅助剪切增稠抛光方法和剪切增稠与电解复合抛光方法，将能进一步提高难加工材料复杂曲面的加工效率。以上研究结果表明剪切增稠抛光是一种应用前景良好的复杂曲面高效抛光新方法。项目研究已授权发明专利2项，实用新型专利5项，申请发明专利11项；发表期刊论文13篇，其中SCI论文3篇，国内一级学术期刊及EI论文10篇；已录用论文3篇。协助主办国际会议1次，并参与编辑《Advanced in Abrasive Technology XVI》；培养博士生2名，硕士生5名（已毕业3名）。