CN102225517A - 一种复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具 - Google Patents
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Abstract
复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，属于超精密光学表面加工工具领域。它主要包括抛光轮自转装置、抛光轮公转装置、抛光液传输装置、抛光液回收装置以及磁场发生装置五部分。由于本发明采用的是场致流变辅助抛光，柔性抛光模对工件表面不会产生内部应力，因而可实现工件表面的超光滑，高精度制造。本发明的抛光轮具有同时公转、自转的复合式运动功能，抛光液可以循环利用，因此，可以获得稳定的回转对称型去除函数，具有结构精巧、集成度高、去除率快、加工能力强、去除函数稳定等优点，适用于光学平面、球面、非球面等光学元件的加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁流变抛光工具，特别是一种复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，属于精密光学加工技术领域。
背景技术
随着光电信息技术的发展，非球面光学元件已经开始广泛应用于现代各种光电产品、图像处理产品。如高品质数码相机的光学镜片、电子显微镜镜片、摄像机的取景器、变焦系统、医疗行业的眼底镜、内窥镜片等等。与光学平面镜、球面镜相比，非球面光学零件具有诸多优点，例如：非球面透镜能够消除光线传播过程中的球差，提高聚焦和校准的精度，在不增加独立像差个数的前提下，增加自变量个数，从而增加了像差校正的自由度，可校正高分辨率透镜的像差。非球面镜的应用，带来出色的锐度和更高的分辨率，采用非球面镜设计的光学系统，能够矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离、降低镜头内的光线反射，使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更准确、减少光能量损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性，同时使镜头的小型化设计成了可能。近二十多年来，随着光学仪器设备的不断现代化与智能化，对非球面零件的需求不断增加，对其表面形状及表面精度也提出了更高的要求，这同时促进了抛光技术的不断发展以及抛光工具的不断革新与完善。
磁流变抛光技术是将电磁学、流体动力学、分析化学、计算机控制等多门学科相结合并应用于光学加工的一种新技术。磁流变抛光技术是指磁流变液在梯度磁场中发生磁流变效应而形成的具有粘塑性的柔性抛光模。在电机的驱动下，抛光模与工件表面接触区域产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。磁流变抛光技术具有抛光效率高，去除函数稳定，边缘效应小，不会造成工件亚表面破坏等优点。
目前，国内多个科研单位都对磁流变抛光技术展开了研究。根据磁场施加方式的不同，主要分为采用电磁铁供应磁场的电磁式抛光装置与采用汝铁硼供应磁场的稳磁式抛光装置两种。前者抛光头结构简单，采用磁极两端的漏磁产生鼓包状的磁场，有利于抛光液缎带的形成，抛光轮只能单轴自转，抛光液可以循环利用。后者采用汝铁硼磁铁镶嵌于抛光轮内腔中，抛光轮可以同时公转、自转，但抛光液无法回收，磨屑与加工余热不能及时被带走，抛光液工艺参数不可控，此装置不利于去除函数的长时间稳定性。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，该工具的抛光轮具有同时公转、自转的复合式运动功能，抛光液可以循环利用，获得稳定的回转对称型去除函数，且具有结构精巧、集成度高、去除率快、加工能力强、去除函数稳定等优点，适用于光学平面、球面、非球面等光学元件的加工。
本发明的技术解决方案：一种复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具包括：抛光轮自转装置、抛光轮公转装置、抛光液传输装置、抛光液回收装置及磁场发生装置五个部分组成，以下对它们详细叙述。
(1)抛光轮自转装置
抛光轮自转装置包括自转电机、伞齿轮、自转伞齿轮、自转轴芯、支架、轴承、自转平齿轮、传动平齿轮、传动伞齿轮、旋转伞齿轮、旋转轴、主动带轮、同步带、支架板、从动带轮和抛光轮，其中自转轴芯、自转伞齿轮和自转平齿轮的中心均为通孔；自转电机固定在支架上；伞齿轮与自转电机轴芯通过键连接为一体；自转轴芯穿过公转大齿轮、轴承中心通孔装卡于公转壳上；自转轴芯上下两端分别与自转伞齿轮，自转平齿轮通过键相连；旋转轴左右两端分别与主动带轮、旋转伞齿轮通过键相连；旋转轴通过传动伞齿轮实现转动；同步带套设于主动带轮与从动带轮上；抛光轮轴芯与从动带轮通过键相连；平盖通过螺钉与抛光轮拧为一体，平盖转轴固定于轴承上；在自转电机的驱动下，自转轴芯、自转平齿轮通过伞齿轮与自转伞齿轮的齿轮传动实现旋转，自转平齿轮传动平齿轮实现传动伞齿轮水平旋转，旋转轴、主动带轮通过传动伞齿轮与旋转伞齿轮间的伞齿轮传动实现垂直旋转，主动带轮传动同步带实现从动带轮旋转，从动带轮旋转同时带动抛光轮自转，从而实现抛光装置的自转功能。
(2)抛光轮公转装置
抛光轮公转装置包括公转电机、公转小齿轮、公转大齿轮、旋转壳和公转壳；公转电机固定在支架上；公转小齿轮与公转电机轴芯通过键连接为一体；公转大齿轮与公转壳通过螺栓固定为一体；公转壳与旋转壳通过螺栓固定为一体；抛光轮通过轴承定位于旋转壳上；在公转电机的驱动下，公转小齿轮传动公转大齿轮，公转大齿轮依次带动公转壳、旋转壳绕着自转轴芯进行同步旋转，从而达到抛光轮也绕着自转轴芯进行旋转的目的，实现抛光装置的公转功能。
(3)抛光液传输装置
抛光液传输装置包括抛光液、传输管和喷嘴；传输管穿过自转伞齿轮、自转轴芯、自转平齿轮中心通孔并连接到旋转壳凹槽；喷嘴安装于旋转壳中并与凹槽前端垂直相通，喷嘴下端对准抛光轮外缘中心线，间隔约为5mm；在输出泵的带动下，抛光液通过传输管先汇聚于转动壳凹槽里，再穿过喷嘴喷射到抛光轮上。当抛光轮公转时，固定于旋转壳上的喷嘴能与抛光轮保持同步，因此抛光过程中，抛管液能准确地喷射到抛光轮的中心线上。
(4)抛光液回收装置
抛光液回收装置包括回收管、回收装置轴承和吸嘴；回收管穿过自转伞齿轮、自转轴芯、自转平齿轮、旋转壳中心通孔与轴承外缘形成过盈配合；吸嘴与轴承内孔形成过盈配合；吸嘴置于抛光轮顶端，并且回收口与抛光液转动方向一致。在回收泵的作用下，抛光液被吸嘴吸收返回液槽中，实现抛光液的循环使用。
(5)磁场发生装置
磁场发生装置包括轴芯、两个夹板和汝铁硼磁铁；汝铁硼磁铁固定于两个夹板之间，磁铁外环靠近抛光轮内腔底端曲面，夹板固定于轴芯上。抛光时，抛光液中的磁性颗粒在工件接触区域所受的洛伦磁力最强，有利于抛光液发生磁流变效应形成锻带。离开抛光区域后，由于磁场减弱，抛光液返回牛顿流体性质并粘附于抛光轮上转动，在顶端处通过吸嘴回收口返回到液槽中；
所述抛光轮自转装置还包括平盖，平盖通过螺钉与抛光轮拧为一体，平盖转轴固定于轴承上。
所述抛光轮为圆筒型。目的是为了避免抛光轮的自转与磁场发生装置产生干涉，即汝铁硼磁铁的位置不会随着抛光轮的自转而改变，因此能在抛光轮底端面提供稳定的磁场。
所述旋转壳上表面铣出“凸”字型环形凹槽，并在凹槽前端连接喷嘴。“凸”字型环形凹槽旨于防止从传输管中流入的抛光液溅射；凹槽前端连接喷嘴是为了保证喷嘴与抛光轮能同步公转，抛光液能准确喷射到抛光轮中心位置。
所述喷嘴和吸嘴均为双层结构，内层为非铁磁金属材料，外层为铁磁材料，吸嘴还具有回收口。喷嘴和吸嘴外层采用铁磁材料(如：铁、硅钢)能对内腔进行磁场屏蔽，因此，抛光液在喷嘴和吸嘴内层(材料为铝，铜等)流动时不会受到磁场的吸附作用而改变粘度，能保证抛光液很好的流动性。
所述汝铁硼磁铁为扇型，其圆心角为30°，外环曲率半径比抛光轮内腔曲率半径小。经过有限元磁场仿真分析，汝铁硼磁铁的圆心角为30°时，磁力线在抛光轮底端位置的分布最有利于磁流变液发生流变效应时形成缎带，同时，抛光轮顶端位置的磁场较弱，抛光液能返回牛顿流体状态，有利于抛光液的回收。
所述抛光轮、平盖、轴芯和夹板均为非铁磁金属材料；抛光轮采用铁磁材料会造成磁场屏蔽，磁力线无法穿梭抛光轮，不能促使抛光液发生流变效应；为了不影响磁力线的空间分布，平盖、轴芯和夹板采用非铁磁金属材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明工具充分结合了电磁式及稳磁式两种磁流变抛光装置的优点，与现有的磁流变抛光工具相比，具有以下优势：
(1)本发明的抛光轮具有同时公转、自转的复合式运动功能，抛光液可以循环利用，因此，可以获得稳定的回转对称型去除函数；而且具有结构简单、集成度高、去除率快、加工能力强、去除函数稳定等优点，适用于光学平面、球面、非球面等光学元件的加工。
(2)现有的电磁式装置中电磁线圈会产生焦耳热，影响抛光液磨料的稳定性。而本发明采用汝铁硼磁铁产生磁场，空间磁力线分布稳定，没有热量梯度变化，去除函数更加稳定。
(3)现有的电磁式装置中电磁线圈需要外接直流稳压电源，导致抛光轮碍于绕线而无法公转。本发明采用汝铁硼磁铁产生磁场，磁场施加方式灵活，抛光轮具有复合式双轴旋转运动功能，因此，可以获得回转对称型去除函数模型；
(4)此外，目前，稳磁式抛光装置中磁流变抛光轮大多为“工”字形，多组磁铁镶嵌抛光轮的筋之间，抛光轮与自转轴芯通过键连接，因此，无法实现抛光液的喷射与回收；而本发明采用抛光轮为圆筒形，磁铁夹于夹板之间，磁铁外环靠近抛光轮底端内腔。当抛光液转动到镜面抛光区域时发生磁流变效应变成类固体，其它位置时由于磁场较弱而恢复牛顿流体性质并粘附于抛光轮上旋转。抛光轮外环顶端磁场最弱，抛光液被吸嘴吸附可进一步循环利用。
附图说明
图1为本发明实施例的基本结构示意图；
图2为本发明的抛光液传输系统示意图；
图3为本发明的旋转壳结构图；
图4为本发明的自转轴芯结构示意图；
图5为本发明的喷嘴结构图；
图6为本发明的回收装置结构图；
图7为本发明的回转对称去除函数模型图；
图中标号：1、自转电机；2、伞齿轮；3、自转伞齿轮；4、自转轴芯；5、支架；6、轴承；7、自转平齿轮；8、传动平齿轮；9、传动伞齿轮；10、旋转伞齿轮；11、旋转轴；12、主动带轮；13、同步带；14、旋转壳；15、支架板；16、从动带轮；17、抛光轮；18、汝铁硼磁铁；19、轴承；20、轴芯；21、平盖；22、夹板；23、螺钉；24、公转电机；25、公转小齿轮；26、公转大齿轮；27、螺栓；28、公转壳；29、回收管；30、传输管；31、抛光液；32、喷嘴；33、回收装置轴承；34、吸嘴；35、螺栓。
具体实施方式
如图1，2所示，本发明的复合式回转对称去除函数的磁流表抛光工具主要是由抛光轮自转装置、抛光轮公转装置、抛光液传输装置、抛光液回收装置以及磁场发生装置五个部分组成。
如图1，2所示，抛光轮自转装置包括自转电机1、伞齿轮2、自转伞齿轮3、自转轴芯4、支架5、轴承6、自转平齿轮7、传动平齿轮8、传动伞齿轮9、旋转伞齿轮10、旋转轴11、主动带轮12、同步带13、支架板15、从动带轮16和抛光轮17，其中自转轴芯4、自转伞齿轮3和自转平齿轮7的中心均为通孔。自转电机1固定在支架5上；伞齿轮2与自转电机1轴芯通过键连接为一体；自转轴芯4穿过公转大齿轮26、轴承6中心通孔装卡于公转壳28上；自转轴芯4上下两端分别与自转伞齿轮3，自转平齿轮7通过键相连；旋转轴11左右两端分别与主动带轮12、旋转伞齿轮10通过键相连；旋转轴11通过传动伞齿轮9实现垂直转动；同步带13套设于主动带轮12与从动带轮16上；抛光轮17轴芯与从动带轮16通过键相连；平盖21通过螺钉23与抛光轮17拧为一体，平盖21转轴固定于轴承19上。在自转电机1的驱动下，自转轴芯4、自转平齿轮7通过伞齿轮2与自转伞齿轮3间的齿轮传动实现旋转，自转平齿轮7传动平齿轮8实现传动伞齿轮9水平旋转，旋转轴11、主动带轮12通过传动伞齿轮9与旋转伞齿轮10间的伞齿轮传动实现垂直旋转，主动带轮12传动同步带13实现从动带轮16旋转，从动带轮16旋转同时带动抛光轮17自转，从而实现抛光装置的自转功能。
如图1，2所示，抛光轮公转装置包括公转电机24、公转小齿轮25、公转大齿轮26、旋转壳14、公转壳28，其中旋转壳14的中心为通孔。公转电机24固定在支架5上；公转小齿轮25与公转电机24轴芯通过键连接为一体；公转大齿轮26与公转壳28通过螺栓27固定为一体；公转壳28与旋转壳14通过螺栓35固定为一体；抛光轮17通过轴承19定位于旋转壳14上。在公转电机24的驱动下，公转小齿轮25传动公转大齿轮26，公转大齿轮26依次带动公转壳28、旋转壳14绕着自转轴芯4进行同步旋转，从而达到抛光轮17也绕着自转轴芯4进行旋转的目的，实现抛光装置的公转功能。
如图1，2所示，抛光液传输装置包括抛光液31、传输管30和喷嘴32。抛光液传输管30穿过自转伞齿轮3、自转轴芯4、自转平齿轮7中心通孔并连接到旋转壳14凹槽；喷嘴32安装于旋转壳14中并与环形凹槽前端垂直相通，喷嘴32下端对准抛光轮17外缘中心线，间隔约为5mm；在输出泵的带动下，抛光液31通过传输管30先汇聚于转动壳14凹槽里，再穿过喷嘴32喷射到抛光轮17上。当抛光轮17公转时，固定于旋转壳14上的喷嘴32能与抛光轮17保持同步，因此，抛光过程中，抛管液31能准确地喷射到抛光轮17的中心线上。
如图1，2所示，抛光液回收装置包括回收管29、回收装置轴承33和吸嘴34。抛光液回收管29穿过自转伞齿轮3、自转轴芯4、自转平齿轮7、旋转壳14中心通孔与轴承33外缘形成过盈配合；吸嘴34与轴承33内孔形成过盈配合；吸嘴34置于抛光轮17顶端，并且回收口与抛光液31转动方向一致。在回收泵的作用下，抛光液31被吸嘴34吸收返回液槽中，实现抛光液31的循环使用。
如图1，2所示，磁场发生装置包括轴芯20、两个夹板22和汝铁硼磁铁18；本实施例中，汝铁硼磁铁18的为扇型，其圆心角为30°，外环曲率半径比抛光轮内腔曲率半径小。汝铁硼磁铁18固定于两个夹板22之间，磁铁外环靠近抛光轮17内腔底端曲面，夹板22固定于轴芯20上。抛光时，抛光液31中的磁性颗粒与工件接触区域所受的洛伦磁力最强，有利于抛光液31发生磁流变效应形成锻带。离开抛光区域后，由于磁场减弱，抛光液31返回牛顿流体性质并粘附于抛光轮17上转动，在顶端处通过吸嘴34回收口被吸附到液槽中。
如图2、3所示，旋转壳14中心为通孔，回收管29穿过通孔与轴承33、吸嘴34连接；旋转壳14上表面铣出“凸”字型环形凹槽，抛光液传输管30连接到凹槽中，凹槽前端连接喷嘴32。抛光液31通过传输管30汇聚于凹槽中，再通过喷嘴32中喷射到抛光轮17中心线处；旋转壳14通过螺栓35与公转壳28相连实现公转。
如图4所示，自转轴芯4中心为通孔。
如图3、5、6所示，喷嘴32，吸嘴34都采用双层结构，外层采用铁磁材料(如铁，硅钢等)，内层为非铁磁的金属材料(如铝，铜等)。喷嘴32及吸嘴34的外层结构采用铁磁材料可对内腔进行屏蔽，消除抛光液进入或离开抛光轮时磁场对抛光液磁性颗粒的吸附作用，提高抛光液31的牛顿流动性能。
图7为利用本发明所得到的中心峰值去除的回转对称型去除函数模型，适用于平面、球面、非球面、自由曲面的抛光。
Claims (7)
1.一种复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于包括：抛光轮自转装置、抛光轮公转装置、抛光液传输装置、抛光液回收装置及磁场发生装置；
所述抛光轮自转装置包括自转电机(1)、伞齿轮(2)、自转伞齿轮(3)、自转轴芯(4)、支架(5)、轴承(6)、自转平齿轮(7)、传动平齿轮(8)、传动伞齿轮(9)、旋转伞齿轮(10)、旋转轴(11)、主动带轮(12)、同步带(13)、支架板(15)、从动带轮(16)和抛光轮(17)，其中自转轴芯(4)、自转伞齿轮(3)和自转平齿轮(7)的中心均为通孔；自转电机(1)固定在支架(5)上；自转伞齿轮(2)与自转电机(1)的轴芯通过键连接为一体；自转轴芯(4)穿过公转大齿轮(26)和轴承(6)中心通孔装卡于公转壳(28)上；自转轴芯(4)上下两端分别与自转伞齿轮(3)和自转平齿轮(7)通过键相连；旋转轴(11)左右两端分别与主动带轮(12)、旋转伞齿轮(10)通过键相连；旋转轴(11)通过传动伞齿轮(9)实现垂直转动；同步带(13)套设于主动带轮(12)与从动带轮(16)上；抛光轮(17)轴芯与从动带轮(16)通过键相连；在自转电机(1)的驱动下，自转轴芯(4)、自转平齿轮(7)通过伞齿轮(2)与自转伞齿轮(3)间的齿轮传动实现旋转，自转平齿轮(7)传动平齿轮(8)实现传动伞齿轮(9)水平旋转，旋转轴(11)、主动带轮(12)通过传动伞齿轮(9)与旋转伞齿轮(10)间的伞齿轮传动实现垂直旋转，主动带轮(12)传动同步带(13)实现从动带轮(16)旋转，从动带轮(16)旋转同时带动抛光轮(17)自转，从而实现抛光装置的自转功能；
所述抛光轮公转装置包括公转电机(24)、公转小齿轮(25)、公转大齿轮(26)、旋转壳(14)、公转壳(28)。旋转壳(14)的中心为通孔；公转电机(24)固定在支架(5)上，公转小齿轮(25)与公转电机(24)轴芯通过键连接为一体；公转大齿轮(26)与公转壳(28)通过螺栓(27)固定为一体；公转壳(28)与旋转壳(14)通过螺栓(35)固定为一体；抛光轮(17)通过轴承(19)定位于旋转壳(14)上；在公转电机(24)的驱动下，公转小齿轮(25)传动公转大齿轮(26)，公转大齿轮(26)依次带动公转壳(28)、旋转壳(14)绕着自转轴芯(4)进行同步旋转，从而达到抛光轮(17)也绕着自转轴芯(4)进行旋转的目的，实现抛光装置的公转功能；
所述抛光液传输装置包括抛光液(31)、传输管(30)和喷嘴(32)；传输管(30)穿过自转伞齿轮(3)、自转轴芯(4)和自转平齿轮(7)的中心通孔并连接到旋转壳(14)的凹槽；喷嘴(32)安装于旋转壳(14)中并与凹槽前端垂直相通，喷嘴(32)下端对准抛光轮(17)外缘中心线；在输出泵的带动下，抛光液(31)通过传输管(30)先汇聚于转动壳(14)凹槽里，再穿过喷嘴(32)喷射到抛光轮(17)上；当抛光轮(17)公转时，固定于旋转壳(14)上的喷嘴(32)能与抛光轮(17)保持同步，使抛光过程中的抛管液(31)能准确地喷射到抛光轮(17)的中心位置；
所述抛光液回收装置包括回收管(29)、回收装置轴承(33)和吸嘴(34)；回收管(29)穿过自转伞齿轮(3)、自转轴芯(4)、自转平齿轮(7)和旋转壳(14)的中心通孔与回收装置轴承(33)外缘形成过盈配合；吸嘴(34)与回收装置轴承(33)内孔形成过盈配合；吸嘴(34)置于抛光轮(17)顶端，并且回收口与抛光液(31)转动方向一致；在回收泵的作用下，抛光液(31)被吸嘴(34)吸收返回液槽中，实现抛光液(31)的循环使用；
所述磁场发生装置包括轴芯(20)、两个夹板(22)和汝铁硼磁铁(18)；汝铁硼磁铁(18)固定于两个夹板(22)之间，汝铁硼磁铁(18)外环靠近抛光轮(17)内腔底端曲面，两个夹板(22)固定于轴芯(20)上；抛光时，抛光液(31)中的磁性颗粒与工件接触区域所受的洛伦磁力最强，使抛光液(31)发生磁流变效应形成锻带；离开抛光区域后，抛光液(31)返回牛顿流体性质并粘附于抛光轮(17)上转动，在顶端处通过吸嘴(34)回收口被吸附到液槽中。
2.根据权利要求1所述的复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于：所述抛光轮自转装置还包括平盖(21)，平盖(21)通过螺钉与抛光轮(16)拧为一体，平盖(21)转轴固定于轴承(19)上。
3.根据权利要求1所述的复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于：所述抛光轮(17)为圆筒型。
4.根据权利要求1所述的复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于：所述旋转壳(14)上表面铣出“凸”字型环形凹槽，并在凹槽前端连接喷嘴(32)。
5.根据权利要求1所述的复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于：所述喷嘴(32)和吸嘴(34)均为双层结构，内层为非铁磁金属材料，外层为铁磁材料，吸嘴(34)还具有回收口。
6.根据权利要求1所述的复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于：所述汝铁硼磁铁(18)为扇型，其圆心角为30°，外环曲率半径比抛光轮(17)内腔曲率半径小。
7.根据权利要求1或2所述的复合式回转对称去除函数的磁流变抛光工具，其特征在于：所述抛光轮(17)、平盖(21)、轴芯(20)和夹板(22)均为非铁磁金属材料。
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