CN101774150A - 一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，包括阳极和阴极抛光盘、自转轴、公转轴、自转和公转电机、齿轮组、轴承、螺栓、支架、电刷、绝缘片等。阳极和阴极抛光盘之间用绝缘片隔开，正对放置组成抛光轮，并通过过盈配合固定在自转轴上；自转轴通过轴承安装在支架上；公转轴底部与支架固定。自转和公转电机分别通过控制自转轴和公转轴的转动来控制抛光轮作公自转组合式运动。通电时，电流变液聚集在抛光轮表面，形成柔性抛光头，当它与工件接触并发生相对运动，即可实现抛光。本发明提及的抛光工具的抛光轮能实现公自转运动，可有效克服抛光轨迹效应以及提高抛光区域中心的去除率，适用于复杂光学表面的加工。

Description

一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具

技术领域

本发明涉及一种抛光工具，尤其涉及一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，属于超精密光学表面加工工具领域。

背景技术

目前，代表国际研究热点的先进光学制造技术主要有：使用旋转抛光盘的小工具数控抛光技术(CCOS)、采用磁场来改变散粒磨料粘度的磁流变抛光技术(MRF)和离子束抛光技术(Ion Polishing)等。其中，小工具数控抛光技术采用计算机控制一个小磨头对光学元件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间和相对压力来控制材料的去除量，因此，其加工过程中存在局部的机械应力，无法加工超薄的元件。磁流变抛光技术是一种不存在工具磨损的面型加工技术，没有亚表面缺陷，加工精度高，但由于细微磁性颗粒的存在，限制了磁流变技术在强激光领域的应用。离子束抛光技术基于原子或离子量级的材料去除，其抛光精度非常高，但抛光过程非常耗时，其在进行离子束抛光之前，需要对被加工工件进行预抛光处理，且抛光装置结构非常复杂。

电流变液辅助抛光(Electrorheological Fluid-assisted Polishing)技术作为一项革命性的技术，是一种将电磁学、流体动力学与分析化学相结合而提出的新型光学加工方法。电流变液通常是具有高介电常数的固体颗粒均匀分散于低介电常数的绝缘液体介质中所形成的一类稳定的悬浮液，在高强度的梯度电场中，悬浮在基础液中的磨料颗粒由于受到粒子间的相互作用，聚集在工具电极的附件，在抛光区域内形成微小的“柔性抛光头”，随着“柔性抛光头”和工件接触并发生相对旋转，实现工件表面材料的柔性去除。

实现电流变液辅助抛光技术的关键之一是：适于抛光加工的化学、物理性能稳定的电流变抛光液的合理配制；关键之二是：工具装置的设计要充分考虑外加电场施加方式、电场强度矢量等参数的优化匹配。然而，采用传统的点接触式电流变抛光工具进行抛光时，由于抛光区域中心处的线速度为零，根据Preston方程可知，中心位置材料去除量也为零；同时，由于传统工具正负电极都是采用分离式安装(即正极旋转，负极固定不动；或正极不动，负极旋转)，导致正负电极之间的电力线会因电极的高速旋转而发生断裂，从而影响电流变效应的稳定性；且传统工具头在抛光过程中会存在抛光轨迹效应。

发明内容

本发明的目的是为了克服点接触式电流变抛光工具材料去除率低，且存在抛光轨迹效应以及工具正负电极一体化难度大等缺陷，提供一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具。该抛光工具的抛光轮可实现公自转组合式运动，在抛光区域可获得较高的相对速度，从而提高材料去除率，并且该抛光装置的正负极实现了整体旋转，有效避免了旋转过程中电力线断裂的问题，以及能有效降低抛光轨迹效应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，包括阳极抛光盘、阴极抛光盘、自转轴、绝缘片、自转电机、公转电机、公转齿轮组、自转齿轮组、公转轴、自转传动轴、轴承、带绝缘垫的螺栓、工具头支架、阳极导电圆环、阴极导电圆环、阳极导电板、阴极导电板、电刷、弹簧、锁紧盖、外壳、支架侧盖和上盖。

上述组成部分的连接关系为：

阳极抛光盘和阴极抛光盘之间放置绝缘片并正对放置，由此组合成抛光轮，抛光轮通过过盈配合固定在自转轴上，并用锁紧盖固定。自转轴通过与轴承连接，从而固定在工具头支架上。公转轴通过轴承和外壳连接。公转轴底部与工具头支架连接，作为一个整体。公转齿轮组中的公转副齿轮和公转轴固定在一起；公转电机通过驱动公转齿轮组，带动公转轴和工具头支架旋转，从而控制抛光轮做公转运动。自转传动轴和公转轴用轴承连接。自转电机通过控制自转传动轴旋转，带动自转齿轮组和自转轴运动，以实现抛光轮的自转运动。最终抛光轮在自转和公转电机的驱动下，具有公自转组合式运动。

阳极导电圆环和阴极导电圆环均镶嵌在公转轴底部，三者相互间均用绝缘片隔开。阳极导电板和绝缘片通过带绝缘垫的螺栓固定在工具头支架左侧的支架侧盖上，而支架侧盖固定在支架上。阳极导电板的两端通过弹簧分别连接有2个电刷，2个电刷分别与阳极导电圆环和阳极抛光盘接触，实现阳极抛光盘与电源正极连接；阴极导电板和绝缘片通过带绝缘垫的螺栓固定在工具头支架的右侧；阴极导电板的两端通过弹簧分别连接有2个电刷，2个电刷分别与阴极导电圆环和阴极抛光盘接触，实现阴极抛光盘与电源负极连接。

所述阳极导电板、阳极抛光盘、阳极导电圆环可以采用不锈钢或铁中的一种制成，与电源正极连接，作为阳极；

所述阴极导电板、阴极抛光盘、阴极导电圆环可以采用不锈钢或铁中的一种制成，与电源负极连接，作为阴极；

所述绝缘片由硬质绝缘材料制成。

本发明所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具的工作过程如下：

首先，为抛光轮的阳极抛光盘和阴极抛光盘通电。阳极抛光盘和阴极抛光盘通电后，即在抛光轮表面产生强梯度电场分布。由于电流变液中粒子间的相互作用力，磨料颗粒将聚集在抛光轮表面附近，形成微小的“柔性抛光头”，此时电流变液的流动性具有Bingham介质的性质。

此时，启动自转电机和公转电机。自转电机带动自动自转传动轴、自转齿轮组和自转轴作自转运动。公转电机带动公转齿轮、公转副齿轮、公转轴和整个工具头支架作公转运动。由此实现抛光轮带动电流变液进行公自转组合式运动。当“柔性抛光头”与工件表面接触并发生相对运动时，对工件表面产生一定的剪切力，实现对工件表面材料的去除，从而达到抛光效果。

有益效果

本发明的优点在于解决了点接触式电流变抛光方法效率低、工具正负电极一体化难度大的问题。该抛光工具的正负极实现了公自转组合式整体旋转，有效避免了旋转过程中电力线断裂的问题，抛光轮的自转运动保证在抛光区域获得高的线速度，从而提高材料去除率，公转运动实现去除函数的回转对称分布，配合加工轨迹规划，降低抛光轨迹效应。由于本发明是按照设定的运动轨迹，结合多自由度的数控机床，能够实现对复杂光学表面材料的去除。

附图说明

图1为本发明的抛光工具的剖面结构示意图：

图2为本发明的抛光轮结构图；

图3为本发明的阳极抛光盘左视图；

图4为本发明的公转轴底部示意图；

图5为本发明的工具头支架外部安装示意图；

图6为本发明的工具头支架上盖俯视图；

图7为本发明的公转副齿轮的示意图；

图8为本发明的阳极导电圆环和阴极导电圆环示意图；

图9为本发明的电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具的抛光过程示意图；

图10为采用传统点接触式电流变抛光装置时的理论材料去除率模型；

图11为采用本发明抛光装置时的理论材料去除率模型。

其中，1-自转电机，2-公转电机，3-自转传动轴，4-第一轴承组，5-第一螺栓，6-公转副齿轮，7-公转齿轮，8-公转轴，9-外壳，10-第二轴承组，11-第一绝缘片，12-阴极导电圆环，13-阳极导电圆环，14-第一电刷，15-第二电刷，16-第一弹簧，17-第二弹簧，18-自传组齿轮，19-第二绝缘片，20-阳极导电板，21-第三弹簧，22-第三电刷，23-锁紧盖，24-阳极抛光盘，25-第三绝缘片，26-阴极抛光盘，27-第四电刷，28-第四弹簧，29-阴极导电板，30-第四绝缘片，31-第三轴承组，32-自转轴，33-工具头支架，34-支架上盖，35-支架侧盖，36-第二通孔，37-内螺孔，38-第二螺栓，39-凹陷区，40-过孔，41-第一通孔，42-穿孔，43-第三螺栓。

44-磨料颗粒，45-工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具。如图1所示，为本发明的抛光工具的中心剖面图，包括阳极抛光盘24，阴极抛光盘26，自转轴32，锁紧盖23，自转电机1、公转电机2、自转传动轴3、第一轴承组4、第二轴承组10、第三轴承组31、第一螺栓5、公转副齿轮6、公转齿轮7、公转轴8、外壳9、第一绝缘片11、第二绝缘片19、第三绝缘片25、第四绝缘片30、阴极导电圆环12、阳极导电圆环13、第一电刷14、第二电刷15、第三电刷22、第四电刷27、第一弹簧16、第二弹簧17、第三弹簧21、第四弹簧28、自转齿轮组18、阳极导电板20、阴极导电板29、工具头支架33、支架侧盖35和支架上盖34。

其中，由阳极抛光盘24和阴极抛光盘26之间放置第三绝缘片25并正对放置组合成抛光轮，抛光轮结构图如图2所示。抛光轮通过过盈配合固定在自转轴32上，并用锁紧盖23固定。自转轴32通过与轴承组31连接固定在工具头支架33上。

所述阳极抛光盘24的左视图如图3所示，其结构为圆盘形，阴极抛光盘26与阳极抛光盘24的结构相同。

所述公转轴8底部示意图如图4所示，公转轴8底部开有4个内螺孔37。

所述工具头支架33和支架上盖34作为一个整体，同公转轴8相连接，如图5所示。其中，工具头支架33表面有凹陷区39，作为用于安装螺栓38而预留的空间。

所述支架上盖34表面俯视图如图6所示，支架上盖34开有4个过孔40、4个第一通孔41、一个穿孔42。其中，自转传动轴3从穿孔42穿过，与工具头支架33内部的自转齿轮组18连接。

采用4个第三螺栓43对应穿过4个过孔40，将支架上盖34与工具头支架33固定连接。

采用4个第二螺栓38对应穿过4个第一通孔41以及公转轴8底部的内螺孔37，将公转轴8与工具头支架33、支架上盖34连接成一个整体。

所述公转副齿轮6如图7所示，公转副齿轮6上开有一个第二通孔36，公转副齿轮6通过第二通孔36，并用第一螺栓5固定在公转轴8上。公转轴8通过第二轴承组10和外壳9连接。公转电机2通过驱动公转齿7和公转副齿轮6，带动公转轴8和工具头支架33旋转，从而控制抛光轮做公转运动；自转传动轴3和公转轴8之间用第一轴承组4连接；自转电机1通过控制自转传动轴3旋转，带动自转齿轮组18和自转轴32运动，以实现抛光轮的自转运动；最终抛光轮在自转电机1和公转电机2的驱动下，具有自转和公转两个方向的组合式运动。

图8给出了阳极导电圆环13和阴极导电圆环12的分布示意图，两者均为圆环形。其中，阳极导电圆环13和阴极导电圆环12镶嵌在公转轴8底部，三者用第一绝缘片11隔开，阳极导电圆环13与电源正极连接，阴极导电圆环12与电源负极连接；阳极导电板20和第二绝缘片19可采用4个带绝缘垫的螺栓固定在工具头支架33左侧的支架侧盖35上，而支架侧盖35则固定在工具头支架33上。阳极导电板20的两端分别通过第一弹簧16、第三弹簧21，与第一电刷14、第三电刷22连接，第一电刷14与阳极导电圆环13接触，第三电刷22与阳极抛光盘24接触，实现阳极抛光盘24与电源正极的连接；阴极导电板29和第四绝缘片30通过可采用4个带绝缘垫的螺栓固定在工具头支架33的右侧，阴极导电板29的两端分别通过第二弹簧17、第四弹簧28，与第二电刷15、第四电刷27连接，第二电刷15与阴极导电圆环12接触，第四电刷27与阴极抛光盘26接触，实现阴极抛光盘26与电源负极连接。

所述阳极导电板20、阳极抛光盘24、阳极导电圆环13可以采用不锈钢或铁中的一种制成，与电源正极连接，作为阳极；

所述阴极导电板29、阴极抛光盘26、阴极导电圆环12可以采用不锈钢或铁中的一种制成，与电源负极连接，作为阴极；

所述第一绝缘片11、第二绝缘片19、第三绝缘片25、第四绝缘片30均采用硬质绝缘材料制成。

其工作过程如下：

首先，为抛光轮的阳极抛光盘25和阴极抛光盘26通电。将阳极导电圆环13接在高压直流电源的正极，电流经阳极导电圆环13、第一电刷14、阳极导电板20、第三电刷22，传输至阳极抛光盘24，使其带上正电，作为抛光轮的阳极。同理，将阴极导电圆环12接在高压直流电源的正极，电流经阴极导电圆环12、第二电刷15、阴极导电板29、第四电刷27，传输至阴极抛光盘26，使其带上负电，作为抛光轮的阴极。

阳极抛光盘25和阴极抛光盘26通电后，即在抛光轮表面产生强梯度电场分布。由于电流变液中粒子间的相互作用力，磨料颗粒44将聚集在抛光轮表面附近，形成微小的“柔性抛光头”，此时电流变液的流动性具有Bingham介质的性质。

接着，启动自转电机1和公转电机2。自转电机1带动自动自转传动轴3、自转齿轮组18和自转轴32作自转运动。公转电机2带动公转齿轮7、公转副齿轮6、公转轴8和整个工具头支架33作公转运动。由此实现抛光轮带动电流变液进行公自转组合式运动。当“柔性抛光头”与工件45表面接触并发生相对运动时，对工件45表面产生一定的剪切力，实现对工件45表面材料的去除，从而达到抛光效果。

上述过程中，第一弹簧16、第二弹簧17是为了保证抛光轮在作自转运动时，第三电刷22、第四电刷27与阳极抛光盘24、阴极抛光盘26能够始终保持紧密接触。第三弹簧21、第四弹簧28是为了保证整个工具头支架33在作公转运动时，第一电刷14、第二电刷15与阳极导电圆环13、阴极导电圆环12能够始终保持紧密接触。

电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具的抛光过程如图9所示。由于抛光工具的抛光轮采用公自转组合式运动，在抛光区域中心处可获得较高的相对速度，从而提高材料去除率。

采用传统的点接触式电流变抛光装置时，材料去除率模型如图10所示，从图10中可以看出，中心处材料去除率明显比周围的要低，理论上因为中心处的线速度为零，所以此处的材料去除率为零；

图11为本采用发明的抛光装置时的理论材料去除率模型，从图11中可以看出，材料去除函数是一个去顶的高斯分布，其中心处附近材料去除率明显高于周围，对比传统的点接触式电流变抛光装置，显著的提高了抛光区域的材料去除率，满足抛光要求。

Claims (6)

1.一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，包括轴承、带绝缘垫的螺栓、工具头支架、外壳、支架侧盖和上盖，其特征在于，还包括阳极抛光盘、阴极抛光盘、自转轴、绝缘片、自转电机、公转电机、公转齿轮组、自转齿轮组、公转轴、自转传动轴、阳极导电圆环、阴极导电圆环、阳极导电板、阴极导电板、电刷、弹簧、锁紧盖；

上述组成部分的连接关系为：

阳极抛光盘和阴极抛光盘之间放置绝缘片并正对放置，由此组合成抛光轮，抛光轮通过过盈配合固定在自转轴上，并用锁紧盖固定；

自转轴通过与轴承连接，固定在工具头支架上；

公转轴通过轴承和外壳连接；公转轴底部与工具头支架连接，作为一个整体；

公转齿轮组中的公转副齿轮和公转轴固定在一起：

公转电机通过驱动公转齿轮组，带动公转轴和工具头支架旋转，从而控制抛光轮做公转运动；

自转传动轴和公转轴用轴承连接；自转电机通过控制自转传动轴旋转，带动自转齿轮组和自转轴运动，实现抛光轮的自转运动；抛光轮在自转和公转电机的驱动下，具有公自转组合式运动；

阳极导电圆环和阴极导电圆环均镶嵌在公转轴底部，三者相互间均用绝缘片隔开；

阳极导电板和绝缘片通过带绝缘垫的螺栓固定在工具头支架左侧的支架侧盖上，支架侧盖固定在支架上；阳极导电板的两端通过弹簧分别连接有2个电刷，2个电刷分别与阳极导电圆环和阳极抛光盘接触，实现阳极抛光盘与电源正极连接；

阴极导电板和绝缘片通过带绝缘垫的螺栓固定在工具头支架的右侧：阴极导电板的两端通过弹簧分别连接有2个电刷，2个电刷分别与阴极导电圆环和阴极抛光盘接触，实现阴极抛光盘与电源负极连接；

本发明所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具的工作过程如下：

首先，为抛光轮的阳极抛光盘和阴极抛光盘通电；阳极抛光盘和阴极抛光盘通电后，即在抛光轮表面产生强梯度电场分布；此时，启动自转电机和公转电机；自转电机带动自转传动轴、自转齿轮组和自转轴作自转运动；公转电机带动公转齿轮、公转副齿轮、公转轴和整个工具头支架作公转运动；由此实现抛光轮带动电流变液进行公自转组合式运动；当“柔性抛光头”与工件表面接触并发生相对运动时，对工件表面产生剪切力，实现对工件表面材料的去除，从而达到抛光效果。

2.如权利要求1所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，其特征在于，所述阳极导电板、阳极抛光盘、阳极导电圆环采用不锈钢或铁中的一种制成。

3.如权利要求1所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，其特征在于，所述阴极导电板、阴极抛光盘、阴极导电圆环采用不锈钢或铁中的一种制成。

4.如权利要求1所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，其特征在于，所述绝缘片由硬质绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，其特征在于，所述阳极抛光盘、阴极抛光盘均为圆盘形。

6.如权利要求1所述的一种用于电流变抛光的公自转组合式运动抛光工具，其特征在于，所述公转轴底部开有内螺孔，所述支架上盖开有过孔、第一通孔和穿孔；

其中，自转传动轴从穿孔穿过，与工具头支架内部的自转齿轮组连接；

采用螺栓对应穿过过孔，将支架上盖与工具头支架固定连接；

采用螺栓对应穿过第一通孔以及内螺孔，将公转轴与工具头支架、支架上盖连接成一个整体。

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