CN101579833B - 高效率可控多磨头磁流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁流变抛光装置，尤其是涉及一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置。该装置主要包括主轴及其夹具装置、回转台装置、数控装置、磁场发生装置和液体循环装置。根据抛光的需求，可将工件以单环或多环的圆周阵列结构安装，并且可控制磁场形成与工件相匹配的单环或多环圆周阵列结构。此装置具有效率高，多磨头可控，抛光垫表面磁流变液分布均匀，可同时加工多种工件，方便操作的优点。

Description

高效率可控多磨头磁流变抛光装置

技术领域

本发明涉及磁流变抛光技术领域，特别涉及一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置。

背景技术

现代科学技术的不断发展对光学零件的表面质量提出了越来越高的要求，要求光学零件的表面不但有完美的几何形貌，还要有良好的物理力学性能。因此，作为终极加工工序的表面光整加工技术得到了很快的发展，它是集机械加工、材料学、物理学、电磁学、化学等多学科为一体的新型边缘学科，正日益受到人们的重视。

磁流变抛光是由美国Rochester大学在上世纪90年代提出的一种精整加工技术，他们和QED公司研发制造出的磁流变抛光机床在光学零件的精密抛光方面取得了很好的效果，中国专利ZL96198445.7公开了美国罗切斯特大学发明专利的详细说明，它主要叙述了一种磁流变流体精整加工的方法，是通过转动的抛光头侧面带动磁流变液到加有磁场的抛光区域，通过磁化后的磁流变液体形成瞬时加工磨头对光学零件进行抛光，它主要是通过形成一个可控的小魔头去除工件部分材料，达到所需的面形精度和表面粗糙度。中国专利ZL03124557.9公开了一种确定性磁射流精整加工方法，它主要是在喷嘴外面施加磁场，磁流变液通过喷嘴形成射流喷射到工件上，通过控制利用磁流变液的粘度和喷射角度来保证具有稳定的去除函数，实现光学零件表面的定量研抛。中国专利200410044076.0公开了一种超声波磁流变复合抛光的方法，它主要是在柔性抛光工具头上同时施加超声振动，达到材料去除的目的。中国专利200610043079.1公开了一种磁流变柔性精磨抛光的设备和方法，它主要采用了环带状的柔性精磨抛光磨具，工件被加持在主轴装置上并由主轴带动运动，实现工件表面与柔性精磨抛光磨具自适应吻合的加工方法。中国专利200610132495.9公开了一种基于磁流变效应的研磨抛光方法，在磁场作用下磁流变液中的铁磁粒子成串排列将磨料微粒包裹、约束在磁性体端面，形成磁性研磨刷，对工件表面进行研磨抛光加工。

综上所述，现有的磁流变抛光装置及抛光方法存在主要问题如下：

1.抛光效率低

2.采用单一磁场控制，因此抛光过程中，不能同时选择多个磨头的不同硬度。

3.采用大平面抛光盘，转动中磁流变液受离心力作用，造成磁流变液在抛光盘表面分布不均匀

4.抛光过程中，只能同时对一种工件进行加工

因此研究能解决以上问题的磁流变抛光装置及其方法具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够具有高效率，可控多磨头，抛光垫表面磁流变液分布均匀，可同时加工多种工件，操作方便的高效率可控多磨头磁流变抛光装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，包括主轴及其夹具装置、回转台装置、数控装置、磁场发生装置和液体循环装置，所述的主轴及其夹具装置与数控装置固连，其中主轴及其夹具装置包括夹具和工件，工件安装于夹具上，形成圆周阵列，夹具与机床数控主轴固连；所述的回转台装置固定于底座上，其中安装有抛光垫的抛光盘和传动轴通过销连接在一起，传动轴通过套筒安装与轴承中，电动机通过联轴器与传动轴固连在一起，动力源带动电动机转动，其转动通过联轴器传动传给传动轴，进而带动抛光盘转动；所述的磁场发生装置由一个环形屏蔽装置和电磁铁组成，每个电磁铁单元包括铁芯以及缠绕在铁芯上的线圈，电磁铁单元固定在屏蔽装置上，绕屏蔽装置阵列一周，屏蔽装置固定于底座上；所述的液体循环装置与喷嘴和数控工作台连接，包括含有温度控制装置和搅拌装置的储液缸及与其相连的液体循环用导管，将液体输入或输出储液缸的蠕动泵；控制液体粘度的粘度控制装置；补充缺失液体的液体补给装置；用于回收经过抛光区域的磁流变液体的液体收集装置。

所述的抛光盘和抛光垫用于抛光整个工作表面，形成端面抛光，大大提高抛光效率。抛光垫采用非导磁的复合纤维材料，表面具有多孔特征，能够缓解抛光盘旋转造成的离心力，使磁流变液分布均匀，并且可吸附磁流变液中的杂质。

所述的主轴及其夹具装置通过夹具，将工件安装与主轴上，形成圆周阵列，主轴带动工件在环形磁场区域上方旋转，夹具由隔磁材料制成。

所述的磁场发生装置由一个环形屏蔽装置和至少1个独立可控的电磁铁单元组成，每个电磁铁单元包括铁芯以及缠绕在铁芯上的线圈，电磁铁单元固定在屏蔽装置上，绕屏蔽装置阵列一周，屏蔽装置固定于底座上，在磁场发生装置上方形成一环形磁场区域，区域内磁流变液变硬，并形成一环多磨头对上方的环形阵列工件进行高效抛光。根据不同抛光要求，可选择控制各区域的磁场强度，形成梯度不同的环形多磨头阵列对工件进行高效抛光。电磁线圈材料为漆包线，由直流电源控制磁场，铁芯采用相对磁导率为6000的DT4型电工纯铁制成。

所述的温度控制装置包括环绕储液缸的调温水套和计算机控制装置，温度检测装置将温度值反馈到计算机系统，通过计算机控制调温水套来改变液体温度。

所述的蠕动泵包括驱动器、泵头和外控接口，外控接口与计算机连接；流量要求增大时，可串联两个泵头。

所述的液体循环用导管采用中流量型的硅胶软管。

所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光方法，包括下列步骤：

(1)在具有温度控制装置和搅拌装置的储液缸中加入用于抛光的磁流变液体，并启动电机进行混合搅拌；

(2)将工件固定于主轴上，形成环形阵列；

(3)启动蠕动泵，磁流变液体经泵加压以后，通过旋转接头和导管进入安装于抛光盘上的抛光垫中，充满抛光垫和工件之间的间隙，在外加电磁场的作用下使磁流变液体变成半固体状态的柔性抛光磨头进行抛光；

(4)经过抛光区域的磁流变液体由液体收集装置回收，经蠕动泵抽取送回储液缸中。

被加工光学零件位于抛光垫的上方，并与抛光垫的顶面(即端面)形成一个很小的固定不变(可调)的距离，于是在被加工的工件与抛光垫端面之间形成了一个很小的间隙。磁场发生装置位于工件及抛光盘下方，并固定于底座上，在工件与抛光垫所形成的狭小空隙中形成一个环形磁场区域。处在该环形区域的磁流变液体在磁场的作用下凝聚、变硬，在该环形区域形成一系列柔性突起磨头，成为粘性的Bingham介质，这种具有较高运动速度的介质在狭小空隙运动时，对工件表面与之接触的区域产生较大的剪切应力，从而使工件的表面材料被去除，达到对工件的多磨头高效抛光的目的。

抛光磨头的大小和强度主要由磁场的强度控制，磁场发生装置主要由一个环形屏蔽装置和至少1个独立可控的电磁铁单元组成，电磁铁单元绕环形屏蔽装置阵列一周。所产生的磁场分布在工件下方，形成环形磁场区域，电磁铁单元固定在屏蔽装置中。电磁铁单元磁路结构如图7所示。为了使电磁铁效率更高，铁芯(1)利用高磁导率材料纯铁制造，线圈(2)缠绕在铁芯(1)上，形成串联磁路结构。为了能形成多磨头抛光区域，电磁铁单元采用环形阵列结构，如图8所示。

除电主轴带动工件主轴的转动和上下移动外，数控平台还具有移动装置，并可控制其移动的距离，成功解决了工件空间的三维运动，保证工件上各点与磁流变液体充分接触，通过抛光主轴的转动和上下移动、工作台的移动有效的实现了光学零件表面的抛光加工。

本发明的实现还在于抛光装置具有保证磁流变液体循环稳定可靠的系统，它主要由储液缸、液体循环用导管、蠕动泵、粘度控制装置、温度控制装置、液体补给装置、液体收集装置和搅拌装置组成，从储液缸中流出的磁流变液体，经蠕动泵加压以后，通过粘度控制装置，由旋转接头进入抛光垫，然后充满抛光垫和工件之间的间隙，在外加电磁场的作用下使磁流变液体变成半固体状态进行抛光，由工作台运动带动磁流变液体经加工区域后由收集器回收，经蠕动泵抽取送回储液缸中，完成整个液体循环过程。

根据上述方法，其抛光步骤如下：选择合适的装夹方法定位并夹紧光学零件，将光学零件安装到主轴上，调整工件位置；关闭截止阀，将磁流变液体添加到储液缸中，打开截止阀并启动输送蠕动泵，磁流变液体通过硅胶软管和旋转接头进入抛光垫，然后进入回收装置，启动回收蠕动泵回收到储液缸，实现磁流变液体循环；调节数控平台各移动轴，使磁流变抛光液到达初始加工位置，并调节抛光垫到工件之间的距离；启动电主轴，通过带轮带动抛光主轴旋转；开启电磁铁电源，电磁铁被磁化，产生一定强度的环形磁场抛光区域，使处于该区域的磁流变液体磁化变成半固体状态，并在工件和抛光垫之间形成一系列柔性小磨头，通过抛光主轴和抛光盘的旋转带动这些系列小磨头与工件接触摩擦抛光，实现工件的多磨头高效抛光；调节改变数控平台各运动轴的位置，适应不同位置和形状光学零件的抛光，重复以上步骤进行抛光，最终达到要求的加工精度。

有益效果

本发明的抛光系统和方法采用多磨头抛光加工，由多点接触代替单点接触，所有工件同时进行抛光，大大提高了工件的加工效率，并且保证了所有工件表面质量的稳定性。装置与数控平台相结合，具有三维空间运动形式，该装置具有结构简单、工件装夹方便、加工效率高、操作方便和加工精度高等特点。

附图说明

图1是本发明的磁流变高效精密抛光装置与方法的原理示意图；

图2是本发明的磁流变高效精密抛光装置立体图；

图3是本发明液体循环装置的示意图；

图4是本发明液体存储装置示意图；

图5是本发明液体搅拌装置示意图；

图6是本发明粘度控制系统流程图；

图7是本发明电磁铁单元结构简图；

图8是本发明电磁铁阵列示意图；

图9是本发明夹具示意图

图10是本发明具体实施例高效抛光示意图

图11是本发明具体实施例磁场区域扇形分布抛光示意图

图12是本发明具体实施例磁场区域环形分布抛光示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1，如图1、图2所示，高效率可控多磨头磁流变抛光装置，主要由主轴及其夹具装置、回转台装置、数控平台装置、磁场发生装置和液体循环装置组成，主轴及其夹具装置通过机体与数控平台固连，而工件通过夹具被安装于抛光主轴上，动力源带动主轴转动，其转动带动工件旋转，根据转速要求选择升速还是降速，主轴及其夹具装置沿Z轴方向移动调整工件与抛光垫之间的相对距离，而环绕在抛光垫下方的磁场发生装置固连在底座上，电磁线圈与可控直流电源连接，通电后在抛光垫上方形成环形磁场抛光区域，通过调整电流强度大小控制磁场强度，所述的抛光主轴旋转速度≥1000转/分，磁场强度≥0.2特斯拉。液体循环装置与抛光主轴和数控工作台连接。

液体循环系统主要由储液缸1、液体循环用导管2、蠕动泵3、粘度控制装置5、温度控制装置30、液体补给装置9、液体收集装置20和搅拌装置25组成，如图3所示，从储液缸中流出的磁流变液体，经蠕动泵加压以后，通过粘度控制装置，由旋转接头进入抛光垫，然后充满抛光垫和工件之间的间隙，在外加电磁场的作用下使磁流变液体变成半固体状态进行抛光，由抛光盘旋转带动磁流变液体经加工区域后由回收装置回收，经蠕动泵抽取送回储液缸中，完成整个液体循环过程。两个串联压力传感器测得的压力信号由A/D模块进行转换，转换后的结果送控制系统做压差比较后，由计算机判断两差值信号是否已超过预先设定值，当超过预定的粘度控制范围上限时，控制系统给电磁计量泵发信号，注入经计算的补充载液到液体存储缸中，液体进行混合生成新的再生磁流变液。当目标粘度恢复时，补充率减少到一个平衡值，低速稳定的补充液被提供到混合室来补充磁流变液在工作循环时因蒸发造成流体损失。当预定的粘度超过控制范围下限时，补充率减少或完全停止，使磁流变液进行工作诱发载液蒸发来增加粘度，这样使目标粘度恢复。参见图6的流程图，其中DF是根据压力传感器求得的平均差值电压，DFH、DFL为确定的差值上下限。当压差值与极限值比较，设定每超出极限值DFH为0.001时，计量泵注入1ml流体。

机体平台及数控装置主要由机架31、X轴工作台32、Y轴工作台33和Z轴工作台34组成，如图2所示，工件安装在Z轴工作台上，主轴及其夹具装置与Z轴工作台配合，通过它与X工作台和Y工作台的联动，可实现工件空间任何位置的抛光加工。

如图2所示，本实施方式的抛光方法和步骤如下：如图10所示，将平面光学零件安装到夹具上，定位并夹紧光学零件；如图11所示，回转装置位于工件正下方，调节数控平台各移动轴，使抛光盘到达初始加工位置，并通过机体Z轴上下移动，调节工件到抛光垫之间的距离；关闭截止阀，将磁流变液体添加到储液缸中，打开截止阀并启动输送蠕动泵，磁流变液体通过硅胶软管和旋转接头进入抛光垫，然后进入回收装置，启动回收蠕动泵回收到储液缸，实现磁流变液体循环；调节数控平台各移动轴，使磁流变抛光液到达初始加工位置，并调节抛光垫到工件之间的距离；启动动力源带动抛光主轴旋转，进而带动工件旋转；开启电磁铁电源，电磁铁被磁化，产生一定强度的环形磁场抛光区域，使处于该区域的磁流变液体磁化变成半固体状态，并在工件和抛光垫之间形成一系列柔性小磨头，通过抛光主轴和抛光盘的旋转带动这些系列小磨头与工件接触摩擦抛光，实现工件的多磨头高效抛光。根据加工工艺要求调节改变工件与抛光垫之间的间隙，并选择不同的驻留时间，重复以上步骤进行高效率材料去除抛光，最终达到要求的加工精度。

实施例2，本实施例与具体实施例1总体装置与构成相同，不同之处在于根据工件的抛光要求，磁场以扇形区域绕轴心圆周阵列分布。本实施方式的抛光方法和步骤如下：将平面光学零件安装到夹具上，定位并夹紧光学零件；如图10所示，回转装置位于工件正下方，调节数控平台各移动轴，使抛光盘到达初始加工位置，并通过机体Z轴上下移动，调节工件到抛光垫之间的距离；关闭截止阀，将磁流变液体添加到储液缸中，打开截止阀并启动输送蠕动泵，磁流变液体通过硅胶软管和旋转接头进入抛光垫，然后进入回收装置，启动回收蠕动泵回收到储液缸，实现磁流变液体循环；调节数控平台各移动轴，使磁流变抛光液到达初始加工位置，并调节抛光垫到工件之间的距离；启动动力源带动抛光主轴旋转，进而带动工件旋转；磁场发生装置由一个环形屏蔽装置和至少1个独立可控的电磁铁单元组成，开启电磁铁电源，电磁铁被磁化，如图11所示，每个可控的磁场区域以扇形分布，根据工件抛光的加工要求，通过调节各扇形区域内的电磁铁单元的电流，控制每个扇形区域的磁场强度，使各区域内磁场强度不同，形成一定梯度，使每个区域的抛光磨头有不同的软硬度，通过抛光主轴和抛光盘的旋转带动这些系列小磨头与工件接触摩擦抛光，实现对工件的可控多磨头高效抛光。根据加工工艺要求调节改变工件与抛光垫之间的间隙，并选择不同的驻留时间和扇形区域的多少及区域内的磁场强度，重复以上步骤进行高效率材料去除抛光，最终达到要求的加工精度。

实施例3，本实施例与具体实施例1总体装置与构成相同，不同之处在于根据工件的抛光要求，磁场以多环区域分布。本实施例以两环为例，实施方式的抛光方法和步骤如下：将两种不同尺寸或不同材料的平面光学零件安装到夹具上，并夹紧光学零件，分别将其定位于两环形区域的上方，如图12所示；如图10所示，回转装置位于工件正下方，调节数控平台各移动轴，使抛光盘到达初始加工位置，并通过机体Z轴上下移动，调节工件到抛光垫之间的距离；关闭截止阀，将磁流变液体添加到储液缸中，打开截止阀并启动输送蠕动泵，磁流变液体通过硅胶软管和旋转接头进入抛光垫，然后进入回收装置，启动回收蠕动泵回收到储液缸，实现磁流变液体循环；调节数控平台各移动轴，使磁流变抛光液到达初始加工位置，并调节抛光垫到工件之间的距离；启动动力源带动抛光主轴旋转，进而带动工件旋转；磁场发生装置由一个环形屏蔽装置和至少1个独立可控的电磁铁单元组成，开启电磁铁电源，电磁铁被磁化，如图12所示，每个可控的磁场区域以环形分布，根据工件抛光的加工要求，通过调节内外两环形区域内的电磁铁单元的电流，控制每个环形区域的磁场强度，使内外两环区域内磁场强度不同，形成一定梯度，每个区域的抛光磨头有不同的软硬度，通过抛光主轴和抛光盘的旋转带动这些系列小磨头与工件接触摩擦抛光，实现对工件的可控多磨头高效抛光。根据加工工艺要求调节改变工件与抛光垫之间的间隙，并选择不同的驻留时间和环形区域的多少及区域内的磁场强度，重复以上步骤进行高效率材料去除抛光，最终达到要求的加工精度。

Claims (8)

1.一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，包括主轴及其夹具装置、回转台装置、数控装置、磁场发生装置和液体循环装置，所述的主轴及其夹具装置与数控装置固连，其中主轴及其夹具装置包括夹具(18)和工件(17)，至少2个工件(17)绕主轴轴心安装于夹具(18)上，形成圆周阵列，夹具(18)与机床数控主轴固连；所述的回转台装置固定于底座(11)上，其中安装有抛光垫(20)的抛光盘(15)和传动轴(23)通过销连接在一起，抛光盘(15)侧面有挡板，防止磁流变液飞溅，挡板上设有漏液孔(16)，传动轴(23)通过套筒安装于轴承(22)中，电动机(25)通过联轴器(24)与传动轴(23)固连在一起，动力源带动电动机(25)转动，其转动通过联轴器(24)传动传给传动轴(23)，进而带动抛光盘(15)转动；所述的磁场发生装置由一个环形屏蔽装置(13)和电磁铁组成，每个电磁铁单元包括铁芯(14)以及缠绕在铁芯上的线圈(14)，电磁铁单元固定在屏蔽装置(13)上，绕屏蔽装置(13)阵列一周，屏蔽装置(13)固定于底座(11)上；所述的液体循环装置与喷嘴(19)和数控工作台连接，包括含有温度控制装置(31)和搅拌装置(26)的储液缸(1)及与其相连的液体循环用导管(2)，将液体输入或输出储液缸(1)的蠕动泵(3)；与蠕动泵(3)相连的控制液体粘度的粘度控制装置(5)；储液缸(1)与补充缺失液体的液体补给装置(9)相连；位于底座(11)上、环形屏蔽装置(13)旁的用于回收经过抛光区域的磁流变液体的液体收集装置(21)。

2.根据权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的主轴及其夹具装置通过夹具，实现工件的安装，夹具由隔磁材料制成；根据抛光的需求，可将工件以单环或多环的圆周阵列结构安装，夹具采用便于调整的柔性结构，使工件处于同一平面内，主轴带动工件在环形磁场区域上方旋转。

3.根据权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的磁场发生装置由一个环形屏蔽装置和至少1个独立可控的电磁铁单元组成，可根据需要通过控制每个电磁铁单元，形成与工件相匹配的单环或多环圆周阵列磁场结构，其中每环还可划分为至少2个绕圆心的扇形区域；每个电磁铁单元包括铁芯以及缠绕在铁芯上的线圈，电磁铁单元固定在屏蔽装置上，形成圆周阵列，绕屏蔽装置阵列一周，屏蔽装置固定于底座上，在磁场发生装置上方形成基于圆周阵列的环形磁场区域，区域内磁流变液变硬，形成磨头对工件进行抛光；根据不同抛光要求，可控制不同圆周阵列区域的磁场强度，形成硬度梯度不同的磨头；电磁线圈材料为漆包线，由直流电源控制磁场，铁芯采用相对磁导率为6000的DT4型电工纯铁制成。 

4.根据权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的抛光盘和抛光垫旋转，带动磁流变液磨头，对工件进行抛光；抛光盘侧面有挡板，防止磁流变液飞溅，挡板上设有漏液孔，可使磁流变液顺利流出，保证了磁流变液的循环过程；抛光垫采用非导磁的复合纤维材料。

5.根据权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的温度控制装置包括环绕储液缸的调温水套和计算机控制装置。

6.根据权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的蠕动泵包括驱动器、泵头和外控接口，外控接口与计算机连接；流量要求增大时，可串联两个泵头。

7.根据权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置，其特征在于：所述的液体循环用导管采用中流量型的硅胶软管。

8.一种采用权利要求1所述的一种高效率可控多磨头磁流变抛光装置的抛光方法，包括下列步骤：

(1)在具有温度控制装置和搅拌装置的储液缸中加入用于抛光的磁流变液体，并启动电机进行混合搅拌；

(2)将工件固定于主轴上，形成环形阵列；

(3)启动蠕动泵，磁流变液体经泵加压以后，通过旋转接头和导管进入安装于抛光盘上的抛光垫中，充满抛光垫和工件之间的间隙，在外加电磁场的作用下使磁流变液体变成半固体状态的柔性抛光磨头进行抛光；

(4)经过抛光区域的磁流变液体由液体收集装置回收，经蠕动泵抽取送回储液缸中。 

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