CN101564824A - 一种磁流变斜轴抛光方法及装置 - Google Patents

一种磁流变斜轴抛光方法及装置 Download PDF

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一种磁流变斜轴抛光方法及装置,涉及精密光整加工技术领域;抛光工具头和工件轴向方向成一定的角度,使得抛光工具头工作圆弧法线与工件抛光表面法线重合。抛光工具头外壳旋转,而且该外壳中的轴后端穿过调速电机空心轴并同机体固定连接;固定轴装有励磁装置,抛光工具头外壳较小前端区域一部分有磁场,另一部分无磁场或弱磁场,便于磁流变液更新;工件与磁流变体的接触点始终是工件抛光区域的法向方向,抛光工具头外壳旋转,磁流体在抛光工具头与工件间隙处产生高剪切力,从而使材料微量去除。采用斜轴抛光,防止产生干涉,通过路径规划与控制相关参数,能对微小非球面光学零部件及其模具以及常规尺寸的工件表面进行确定性超精密抛光加工。

Description

一种磁流变斜轴抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及精密光整加工技术,进一步是指适于对微小非球面光学零部件 及其模具进行研磨抛光的精密抛光工具。 背景技术
在高精度的光学系统中,高质量的非球面镜被广泛地运用,这些光学零部 件及其模具的加工和制造的要求非常高。光学零部件及其模具的加工主要通过 磨削,车削等超精密工艺来完成,但是这些加工表面在磨削、车削后会产生亚 表面损伤,因此,必须经过后续的延性抛光工艺消除其亚表面损伤,以提高光 学成像质量。目前主要的光学研磨抛光可以通过传统的抛光模进行,也可以利 用磁流变液抛光轮抛光,或者采用磁射流抛光。
传统的抛光模对光学玻璃进行抛光,它存在一些缺点:不同材料需要采用 不同硬度的抛光模;会产生亚表面损伤,从而影响光学零件的表面质量;缺乏 柔性,使得工件表面发生面形误差。美国Rochester大学采用的磁流变抛光轮 进行超精密抛光,其基本方法是将电磁铁放于磁流变液抛光轮内部,工件置于 上方,旋转的抛光轮输送磁流变液到电磁铁上方时,磁流变液在磁场作用下形 成柔性抛光模,以剪切的方式实现材料的确定性去除。由于受抛光轮半径尺寸 限制,不能抛光微小零部件。美国QED公司目前采用这种方式也只能抛光8 毫米以上的光学零部件及其模具。另外一种磁射流抛光装置是,将磁流变液通 过具有磁场的线圈内部高速射出,由于受到磁流变效应,磁射流射出喷口时被 集束控制,具有一定的粘度。通过调整射流的入射角及其粘度,对工件进行确 定性的材料去除。这种方式由于采用流体集束进行冲击抛光,精度不高,难以 控制,也难以用于微小部件的抛光。对于尺寸在8毫米以下的微小球面、非球 面零件的超精密研磨加工,由于加工空间的狭小,采用传统的粘弹性抛光头结 合游离磨料的抛光工艺,难以实施,且抛光表面质量不均匀,还会破坏前工序 所得到的形状精度。
专利03153996.3提出的电磁方式磁流变抛光头与QED公司采用的抛光轮 方式相似,难以准确地控制,且无法加工微小的部件。发明内容
本发明要解决的技术问题是,针对现有技术存在的不足,提出一种磁流变 斜轴抛光方法及装置,它特别适于对微小非球面光学零部件及其模具进行精密 抛光,抛光时可防止干涉,且抛光效果好。
本发明的技术方案之一是,所述磁流变斜轴抛光方法为:
采用旋转的抛光头且该抛光头顶端周边为圆弧角,所述抛光头前端沿径向 为一部分有磁场而另一部分无磁场或有较弱磁场;
所述抛光头同工件轴向方向成一定角度而使得抛光工件时抛光头圆弧 角的圆弧法线始终与工件抛光表面法线重合,所述工件与磁流变体的接触点始 终是工件抛光区域的法向方向。
本发明的技术方案之二是,所述磁流变斜轴抛光装置为:它有有装在支座 上的调速电动机,其特征是,所述调速电动机的主轴为空心轴,抛光头外壳的 后端同所述空心轴固定连接,抛光头外壳中的固定轴的后端穿过所述空心轴且 同调速电动机机体固定连接;所述固定轴上装有励磁装置,固定轴前端经隔磁 环固定连接有易磁化体;位于所述抛光头外壳的较小前端中的所述易磁化体的 前部相对该易磁化体的圆柱体后部为不完全圆柱体,该不完全圆柱体的顶端为 平底而周边为圆弧角;所述抛光头外壳较小前端的顶端为平底而周边为圆弧 角;抛光头外壳和隔磁环为非铁磁质材料制成。
以下对本发明做出进一步说明。
参见图1至图3,所述磁流变斜轴抛光方法为:
采用旋转的抛光头4且该抛光头4顶端周边z为圆弧角53,所述抛光头4 前端沿径向为 一部分有磁场而另 一部分无磁场或有较弱磁场;
所述抛光头4轴向同工件8轴向成一定角度而使得抛光工件8时抛光头 圆弧角53的圆弧法线始终与工件8抛光表面法线重合,所述工件8与磁流变 体(磁流变液)5的接触点始终是工件抛光区域的法向方向。
所述抛光头4的磁场强度可以调节,从而调节抛光头和工件区域的磁场强度。
参见图4至图6,所述磁流变斜轴抛光装置为:它有装在支座(1)上的
调速电动机(2),其特征是,所述调速电动机(2)的主轴为空心轴(42),抛光头外壳(44)的后端同所述空心轴(42)固定连接,抛光头外壳(44)中的 固定轴(3)的后端穿过所述空心轴(42)且同调速电动机(2)机体固定连接; 所述固定轴(3)上装有励磁装置(43),固定轴(3)前端经隔磁环(45)固 定连接有易磁化体(46);位于所述抛光头外壳(44)的较小前端(47)中的 所述易磁化体(46)的前部(49)相对该易磁化体(46)的圆柱体后部(48) 为不完全圆柱体(49),该不完全圆柱体(49)的顶端为平底(50)而周边为 圆弧角(51);所述抛光头外壳较小前端(47)的顶端为平底(52)而周边为 圆弧角(53);抛光头外壳(44)和隔磁环(45)为非铁磁质材料制成。
所述励磁装置43采用电磁铁或永磁体,或电节兹铁与永磁体复合。
所述不完全圆柱体49之结构有利磁流变液更新。该不完全圆柱体49是指 轴向为柱体结构而径向截面为不完整圆或非圆之结构。
参见图1至图3,本发明的工作原理为,抛光头4和工件8轴向方向成一 定的角度。工件8与磁流变体5的接触点始终是工件抛光区域的法向方向。接 通调速电动机2的工作电源,则该电动机驱动抛光头外壳44旋转而固定轴3 固定不动;可通过调节调速电动机2的转速来对抛光头4进行调速,通过调节 励磁装置对抛光头的磁场进行调整。励磁装置43产生的磁场使得易磁化体46 磁化,抛光头外壳较小前段区域一部分有磁场存在,另一部分无磁场或相对所 述磁场为较弱磁场,在抛光头4外缘工作圆弧法线与工件法线方向相重合的部 分就存在了磁场分布。
图1至图3表示出了本发明的工作应用情况。将本发明所述的磁流变抛光 头以一定角度安装在超精密数控机床的运动台上,按照一定的运动形式,对工 件8表面进行斜轴式的研磨抛光。加工时,抛光头4倾斜一定的角度,使得抛 光头工作圆弧法线与工件抛光表面法线重合。调速电动机2驱动抛光头外壳 44旋转。磁力线7分布在抛光头抛光头外缘的圆弧倒角处,从喷嘴6喷出的 磁流变液(即磁流变体5 )沿抛光头外壳44旋转方向进入抛光区域时,受到 磁场的作用,被吸附在抛光头上,粘度集聚增大,成为具有粘塑性的Bingham 体,并在抛光头圆弧处的外缘形成凸起缎带;这种缎带和工件8表面接触并相 对运动:工件8以速度"i旋转,抛光头外壳44以速度"旋转,所述磁流变体 随抛光头运动,与工件8法线方向表面接触,并产生相对运动,在工件8法 线方向表面产生剪切力,达到材料去除的目的。当被吸附的磁流变体随拋光头旋转到另一半无磁场或弱磁场区域时,则磁流变体重新具有液态特性,从而可 以达到磁流变体的连续更新。通过计算机控制抛光工具头工作圆弧法线与工件
抛光表面法线始终重合,即工件8与磁流变体的接触点始终是工件抛光区域的
法向方向。可以实现任意形状与材料的光学零部件及其模具的抛光加工,特别 是对于微小的光学零部件的加工。由于加工路径韵可控性,可以获得很高的工 件表面质量。实验证明,本发明能够应用于超精密抛光各种形状的光学零部件
及其模具,也能够用于直径小于8毫米的微小非球面的光学抛光。
由以上可知,本发明为一种磁流变斜轴拋光方法及装置,它与现有技术相
比的有益效果有:
a. 采用斜轴抛光,降低了工件的尺寸要求,防止加工时产生干涉,适合加 工微小的非球面光学零部件及其模具,也可以对常规尺寸的工件表面加工;
b. 通过路径规划与控制相关参数,能进行确定性的超精密抛光加工;
c. 结构简单紧凑,减少中间传动环节,传动精度高。 附图说明图
图1为本发明方法的一种实施例原理示意图; 图2为本发明的抛光头处磁流变更新原理图; 图3是图2中A—A向剖视结构示意图;
图4是本发明所述装置的一种实施例结构示意图(带局部剖图); 图5是图4中易磁化体的一种实施例结构示意图; 图6是图4中抛光头外壳较小前端的结构示意图;
图7是图4中易磁化体的第二种实施例主视图(其中剖面线部分为不完全 圆柱体部分);
图8是图7所示构件的左视图(其中剖面线部分为不完全圆柱体部分); 图9是图4中易磁化体的第三种实施例主视图(其中剖面线部分为不完全 圆柱体部分);
图10是图5中易磁化体的第四种实施例的不完全圆柱体横截面(图5中 B—B剖面)为半圆形之结构;
图11是图5中易磁化体的第五种实施例的不完全圆柱体横截面(图5中 B—B剖面)为四分之一圆之结构;
图12是图5中易磁化体的第六种实施例的不完全圆柱体横截面(图5中2—调速电动机,
5—磁流变体(液), 8—工件, 43—励磁装置, 46—易磁化体, 49一不完全圆柱体,
3—固定轴, 6—喷嘴,
41—电磁线圈电源线, 44一抛光头外壳, 47—较小前端, 50、 52—平底,
B—B剖面)结构;
图13是图5中易磁化体的第七种实施例的不完全圆柱体横截面(图5中 B—B剖面)结构;
图14是图5中易磁化体的第八种实施例的不完全圆柱体横截面(图5中 B—B剖面)结构。 在图中: 1—支座, 4一抛光头, 7—磁力线, 42—空心轴, 45—隔磁环, 48—圆柱体后部, 51、 53—圆弧。 具体实施方式
参见图1、图2、图3,本发明的磁流变抛光头支座1以一定角度安装在 超精密机床运动台上,使得抛光头工作圆弧法线与工件抛光表面法线重合,对 工件8进行斜轴研磨抛光。
所述斜轴抛光装置有装在支座1上的调速电动机2,该调速电动机2的主 轴为空心轴42,抛光头外壳44的后端同所述空心轴42固定连接,抛光头外 壳44中的固定轴3的后端穿过所述空心轴42且同调速电动机2机体固定连接; 所述固定轴3上装有励磁装置43,固定轴3前端经隔磁环45固定连接有易磁 化体46;参见图5和图6,位于所述抛光头外壳44的较小前端47中的所述易 磁化体46的前部49相对该易磁化体46的圆柱体后部48为不完全圆柱体49, 该不完全圆柱体49的顶端平底50且其周边为为圆弧角51;参见图6,所述抛 光头外壳较小前端47的顶端为平底52且其周边为圆弧角53;抛光头外壳44 用不锈钢制作,支座l用铝合金材料制作,隔磁环45用石墨制作。
不完全圆柱体49为图5和图10所示的半圆柱体。该不完全圆柱体49也 可以是图11至图14所示不同径向(横)截面的柱体之一,如横截面为四分之 一圆、小于四分之一圆、三角形或其它各种适宜的截面形状,还可以是图7至 图9所示结构或其它各种适宜的结构。

Claims (3)

1.一种磁流变斜轴抛光方法,其特征是,该方法为: 采用旋转的抛光头且该抛光头顶端周边为圆弧,所述抛光头前端沿径向为一部分有磁场而另一部分无磁场或有较弱磁场; 所述抛光头同工件轴向方向成一定角度而使得抛光工件时抛光头的圆弧法线始终与工件抛光表面法线重合,所述工件与磁流变体的接触点始终是工件抛光区域的法向方向。
2. 根据权利要求1所述磁流变斜轴抛光装置,其特征在于,所述所述抛 光头的磁场强度可以调节,从而调节抛光头和工件区域的磁场强度。
3. 一种磁流变斜轴抛光装置,有装在支座(1)上的调速电动机(2),其 特征是,所述调速电动机(2)的主轴为空心轴(42),抛光头外壳(44)的后 端同所述空心轴(42)固定连接,抛光头外壳(44)中的固定轴(3)的后端 穿过所述空心轴(42)且同调速电动机(2)机体固定连接;所述固定轴(3) 上装有励磁装置(43),固定轴(3)前端经隔磁环(45)固定连接有易磁化体(46);位于所述抛光头外壳(44)的较小前端(47)中的所述易磁化体(46) 的前部(49)相对该易磁化体(46)的圆柱体后部(48)为不完全圆柱体(49), 该不完全圆柱体(49)的顶端为平底(50)而周边为圆弧(51);所述抛光头 外壳较小前端(47)的顶端为平底(52)而周边圆弧(53)的;抛光头外壳(44) 和隔磁环(45)为非铁磁质材料制成。
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