【摘 要】
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蓝宝石材料因其优异的光学性能在光学、航天等众多领域被广泛应用,蓝宝石器件的光学质量和使用寿命在很大程度上依赖于其表面质量,因此如何有效地改善蓝宝石的表面质量是提升蓝宝石器件品质的关键。然而,蓝宝石材料硬度高、脆性大,工业应用中无亚表面损伤且纳米级表面粗糙度的超精密加工面临着巨大挑战,从而极大限制了蓝宝石的应用。磁流变抛光（Magnetorheological Polishing）是一种基于电磁学、
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蓝宝石材料因其优异的光学性能在光学、航天等众多领域被广泛应用,蓝宝石器件的光学质量和使用寿命在很大程度上依赖于其表面质量,因此如何有效地改善蓝宝石的表面质量是提升蓝宝石器件品质的关键。然而,蓝宝石材料硬度高、脆性大,工业应用中无亚表面损伤且纳米级表面粗糙度的超精密加工面临着巨大挑战,从而极大限制了蓝宝石的应用。磁流变抛光（Magnetorheological Polishing）是一种基于电磁学、流体力学、分析化学等理论的综合先进表面加工技术,兼具抛光精度高、不产生亚表面损伤等优点,往往可作为蓝宝石材料超精密加工的最后一道工艺步骤。然而,在目前的磁流变抛光加工中,存在着去除速率低等问题,无法短时间内获得超光滑的平面。基于此,本文提出结合磁性复合磨粒和硅溶胶提高磁流变抛光的去除速率,主要包括以下几方面内容:（1）励磁装置的设计与磁场仿真。根据电磁场理论分析了永磁体的磁场空间分布特点,运用有限元软件的磁场模块对永磁体进行仿真分析,得到抛光区域的磁感应强度和分布。并根据仿真结果对相应励磁装置进行设计、安装与测试。（2）磁流变抛光机理仿真与分析。根据光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）原理,基于单颗金刚石磨粒抛光蓝宝石过程中的材料去除方式,结合有限单元法（Finite Element Method,FEM）和SPH相关算法的特点,利用LS-DYNA软件构建FEM/SPH耦合模型。运用有限元软件对磨粒平面切削的下压深度、运动速度等因素进行了仿真分析,从而获得磁流变抛光的去除规律。（3）磁流变化学抛光液的制备与性能测试。为了提高磨粒的磁致效应,本文使用粘结法制备了基于环氧树脂基体的（金刚石/铁）磁性复合磨粒,该复合磨粒不仅具有抛光功能,还具有较强的导磁性能,在励磁装置的作用下,抛光时具有更大的磁致剪切应力。此外,为进一步提高抛光效率,将复合磨粒溶于硅溶胶制备磁流变化学抛光液,通过对比实验得到硅溶胶最佳配比。并将上述磁流变化学抛光液经流变仪进行测试,测试结果表明:当磁感应强度达到400m T时,抛光液的剪切屈服应力最大可达20.42k Pa。（4）蓝宝石晶片的磁流变化学抛光实验研究。本文通过设计五组单因素正交实验,分别研究了不同工艺参数对蓝宝石晶片抛光去除速率的影响。使用最佳工艺参数进行蓝宝石晶片磁流变化学复合抛光实验,抛光时间75min时可获得最佳表面抛光质量,蓝宝石晶片表面粗糙度(（6）值由1258nm收敛至1nm,(（6）去除速率达到16.76nm/min。综上,本文开展的磁流变化学抛光方法研究可得到亚纳米级的表面质量和较大的材料去除速率,对提升蓝宝石等高精度光学元件进行超精密加工中的关键技术具有指导意义。
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