CN101284367B - 直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具 - Google Patents

Abstract

本发明为直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，属于光学表面加工工具领域。本发明的目的是为了设计一种点接触式、一体化的小型确定性研抛工具，该抛光工具由紧顶螺母，外壳，电池，电路板和电极组成。本发明通过振荡电路系统，输出脉冲高压至两针状正负电极，正负电极之间的高压场致电流变液体发生流变效应，表观粘度显著增强并且发生聚集，具有研磨抛光能力的散粒磨料离散分布在两针状电极之间形成链状结构，结合工具和被加工工件之间的相对运动，实现工件表面的材料去除，达到微细研磨和抛光的目的。本发明适用于小口径光学异型曲面的超精密加工。

Description

直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具

技术领域

本发明涉及一种基于电流变效应的直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，属于光学表面加工工具领域。

背景技术

光学元器件在光纤通信、国防、医疗、办公自动化等领域的应用越来越广泛，随着信息电子化、光电信号传输的高速化和大容量化，融合电子技术和光学技术的电子图像传输处理技术越来越重要，为适应今后多媒体网络通信技术发展的需要，必须在光学元器件的制造技术方面寻求新突破。光学非球面微透镜即是一个典型例子，非球面镜具有校正像差、改善像质、扩大视场等优点，并可使光学系统分辨率提高、结构简化、重量减轻。然而，和传统的球面镜相比，非球面的加工和检测更为困难，主要因为：

(1)大多数非球面只有一根对称轴，而球面有无数根对称轴，所以非球面不能采用球面加工时的对研方法来完成；

(2)非球面各点的曲率半径不同，而球面则各点相同，所以非球面面形不易修正；

(3)非球面对零件另一面的偏斜无法用球面透镜所采用的定心磨边方法来解决。

传统的光学加工方法远不能满足非球面加工的要求。传统手工研抛方法人为因素较多，存在很大的盲目性，并且在研抛过程中各种工艺参数容易发生变化，因此它是一种非确定量的加工手段。基于Preston方程的计算机控制光学表面成形(Computer ControlledOptical Surfacing，CCOS)法，是加工非球面及自由曲面光学零件的重要的确定量研抛技术，它的出现给非球面光学零件的加工带来了革命性变化。计算机控制小工具抛光采用数控系统，按照所编制的加工程序自动驱动抛光模在工件表面上进行抛光，数控机床为抛光模提供需要的运动。对于小口径至微小口径关键光学元件，由于待加工的区域小，要求工具与工件间点对点的对应关系更加确定，其技术进步的目标是实现光学元件表面残余误差的确定性(Deterministic)去除。

基于电流变效应的电流变液体辅助抛光技术是一种新兴的微量研磨抛光技术。电流变液(Electrorheological Fluids，ERF)是一种在外加电场作用下，其流变学特性会发生迅速、明显、可逆和低能耗转变的流体。借助于电场施加方式的灵活性，设计结构精巧的电流体抛光工具，通过外电场对电流体的硬度和形状实时控制，创造一个更小接触区域的压力斑点，也就是一个能够与被加工光学表面相吻合的“柔性抛光斑”。电流体抛光不再需要沥青抛光模，并且由于抛光斑点尺寸更小，从而提供了一种可以准确控制去除量的确定性抛光策略方法的可能性，同时保证低粗糙度的加工表面质量。技术实现关键之一是：适于抛光加工的化学、物理性能稳定的电流体抛光液的配制；关键之二是工具装置的精巧设计，要充分考虑外电场施加方式、电场强度矢量等参数的优化匹配，设计出集成正负电极于一体的点接触式加工工具。

发明内容

本发明的目的是为了设计一种点接触式、一体化的小型确定性研抛工具，解决电流变研抛技术中存在的工具正负电极一体化方案难度大、安全性低的问题，提供一种结构精巧、集成度高、工作区域小型化、实现确定性抛光的专用工具。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

本发明的一种直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，包括紧顶螺母、外壳、电池、电路板和电极；底盖、上盖、电池盖、锥形套通过螺母连接形成圆柱型锥头状壳体，电极夹板通过螺母固定于圆柱型锥头状壳体锥头端内部，电极夹板一端夹持两个针状电极并使所述的针状电极从圆柱型锥头状壳体锥头端穿出，电极夹板的另一端与电路板的一端连接，电路板另一端接电池，电极夹板、电路板、电池均在圆柱型锥头状壳体内部，且电极夹板、电路板通过螺母固定于底盖和上盖上，紧顶螺母通过定位槽固定于圆柱型锥头状壳体电池盖一端的顶部。

所述的电路板为低压直流电源到高压脉冲的转换电路，由逆变器，脉冲产生电路和脉冲升压变压器构成；所述的针状电极与电极夹板连接的一端为扁四方体状，另一端为探针状圆锥体，锥体尖端直径为0.1mm，两个针状电极的尖端间距为0.3mm。

为保证研磨工具的轻巧和绝缘性，所述底盖，上盖，电池盖，锥形套和电极夹板由聚四氟乙烯制成。

本发明的有益效果是基于电流变效应的直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，可以按照设定的运动方式，结合多自由度数控机床，实现对微小工件表面材料的确定性去除。在电流变液中加入游离态磨料(如氧化铝、氧化铈、金刚石微粉等)作为抛光液施加于工具与工件之间，由碱性电池供电，通过所述电路板，输出高压脉冲至电极，电流变液与磨料混合液在电极间约2000伏特/毫米的电场作用下磨粒被约束于成链分布的电流变粒子之间，形成锥尖局部亚毫米尺寸具有粘弹性的类固体Bingham介质柔性微磨头，作用于工件表面实现材料的去除，并在这一过程中，通过工具与工件之间运动轨迹的控制，达到对工件全口径范围的确定性抛光加工并将加工中产生的热量进行充分释放。实际使用结果表明，本发明的微量研抛工具对改善小口径工件表面微观质量可以达到优良的效果。

附图说明

图1为直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具外部结构三维图；

图2为直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具内部结构三维图；

图3为直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具尖端电场分布有限元分析图；

图4为直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具电路板电路系统框图；

图中：1-紧顶螺母，2-底盖，3-上盖，4-电池盖，5-锥形套，6-电池，7-电路板，8-电极夹板，9-针状电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

本发明提出一种探针状脉冲电流变效应微量研磨工具如图1和图2所示，所述的底盖(2)，上盖(3)，电池盖(4)，锥形套(5)通过螺母连接形成圆柱型锥头状壳体，电极夹板(8)通过螺母固定于圆柱型锥头状壳体锥头端内部，电极夹板(8)一端夹持两个针状电极(9)并从圆柱型锥头状壳体锥头端穿出，另一端与电路板(7)连接，电路板(7)另一端接电池(6)，电极夹板(8)、电路板(7)、电池(6)均在圆柱型锥头状壳体内部，且电极夹板(8)、电路板(7)通过螺母固定于底盖(2)和上盖(3)上，紧顶螺母(1)通过定位槽固定于圆柱型锥头状壳体电池盖(4)一端的顶部。所述的电路板(7)为低压直流电源到高压脉冲的转换电路，由逆变器，脉冲产生电路和脉冲升压变压器构成；所述的针状电极(9)与电极夹板(8)连接的一端为扁四方体状，另一端为探针状圆锥体，锥体尖端直径为0.1mm，两个针状电极的尖端间距为0.3mm。为保证研磨工具的轻巧和绝缘性，所述底盖(2)，上盖(3)，电池盖(4)，锥形套(5)和电极夹板(8)由聚四氟乙烯制成。

紧顶螺母(1)将研磨工具固定于驱动设备上，带动工具自转运动。图3为本发明的电场分布特征有限元分析结果，在工具头尖端电力线分布密集，其携带电流变液体的能力最强。加工中，整个研磨工具转动，利用电流变液体特有的Winslow效应，即电场作用下表观粘度显著增强特性，携带具有抛光能力的散粒磨料，在两个针状电极之间形成链状结构，结合工具和被加工件之间的运动，实现工件表面的微量材料去除，达到微细加工和抛光的目的。

本发明适用于小口径光学异型曲面的抛光加工。

Claims (3)

1.一种直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，包括紧顶螺母、外壳、电池、电路板和电极，其特征在于：底盖(2)、上盖(3)、电池盖(4)、锥形套(5)通过螺母连接形成圆柱型锥头状壳体，电极夹板(8)通过螺母固定于圆柱型锥头状壳体锥头端内部，电极夹板(8)一端夹持两个针状电极(9)并使所述的针状电极从圆柱型锥头状壳体锥头端穿出，电极夹板的另一端与电路板(7)的一端连接，电路板(7)另一端接电池(6)，电极夹板(8)、电路板(7)、电池(6)均在圆柱型锥头状壳体内部，且电极夹板(8)、电路板(7)通过螺母固定于底盖(2)和上盖(3)上，紧顶螺母(1)通过定位槽固定于圆柱型锥头状壳体电池盖(4)一端的顶部；

其中，所述的电路板为低压直流电源到高压脉冲的转换电路，由逆变器、脉冲产生电路和脉冲升压变压器构成。

2.根据权利要求1所述直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，其特征在于：所述底盖(2)、上盖(3)、电池盖(4)、锥形套(5)和电极夹板(8)由聚四氟乙烯制成。

3.根据权利要求1所述直流脉冲式双电极微小型研磨抛光工具，其特征在于：所述的针状电极(9)与电极夹板(8)连接的一端为扁四方体状，针状电极的另一端为探针状圆锥体。

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