CN102275096A - 一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光方法与装置，属于光整加工领域。包括确定刀位位置及抛光间隙，注入磁流变液，由抛光区域的面形信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均匀去除率时的抛光压力分布，由压力分布反求磁场分布，获得与之近似之磁极、电压分布模型，抛光作业。本发明利用磁流变液的流变特性，构造各点硬度不均匀的柔性抛光头，配合抛光速度，得到均匀的抛光去除率，以刀具的硬度改变适应面型的变化。通过均匀去除率的获得减少后续轨迹规划的工作量，是本发明的重要创新之处。

Description

一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光方法与装置

技术领域

涉及一种新的抛光方法及其装置，属于光整加工领域。

背景技术

磁流变液是一种智能材料。它是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。它在常态下是液体，当加载磁场时，能够发生液—固相变，变为类固体，其表观黏度有很大提高，表现出抗剪的性质。当除去磁场时，又发生固—液相变，变为液体。在一定的磁场强度范围内，磁流变液的表观黏度与磁场强度有关，这种现象称为磁流变效应。

磁流变液可用于抛光加工领域。方法是在磁流变液中混入磨料颗粒，置于磁场中，当发生磁流变效应时，形成软磨头，依靠与工件之间的相对运动对工件进行抛光作业。与普通的抛光方法相比，磁流变抛光有以下优点：

（1）面型贴合好，不改变工件面形精度。

（2）磨料为离散磨料，具有自锐能力，去除函数稳定，适用于数字化加工。

（3）磨头的硬度可调。只需调节磁场强度即可调节磨头硬度。

（4）非接触式抛光，不会产生下表面破坏层。

（5）磨头无磨损。

美国Pochester大学推出了Q22型磁流变抛光装置，可以抛光中小口径非球面元件。国内开展磁流变抛光的研究比较早，研究单位很多。目前主要有清华大学，长春光机所，哈尔滨工业大学等单位在进行深入的研究。目前在研的磁流变抛光机多用于抛光凸球面工件表面，而不能抛光自由曲面。抛光类似于挤压抛光，抛光去除率服从Preston经验公式，抛光压力和相对转速对其去除率有直接影响。

一般来说，对于特定的抛光工具，其去除率模型是固定不变的，为了获得较高的表面质量，需要依据去除模型及抛光区域的曲面信息进行轨迹规划。在该技术路线中，最关键，最复杂的工作就是轨迹规划。由于常规抛光工具抛光去除率在抛光区域是不均匀的，一次抛光后工件表面去除不匀，具有较大误差。常用的解决办法是多次反复抛光，依靠概率获得较优的面形及表面质量。但该方法致使抛光时间长，效果差，难以获得超高精度表面。目前提高研抛精度的主要途径是对抛光轨迹规划的研究，但由于原理上的局限，很难获得可控的高精度的表面质量。

磁流变抛光技术所使用的抛光头由智能材料—磁流变液构成。抛光头的硬度可以通过改变磁场强度的方法控制，而磁场强度又可以通过改变电磁线圈电压的方法方便调节控制。由于磁流变液的这种性质，在抛光过程中主动改变抛光区域磁场分布，使其在抛光区域内具有均匀的去除率模型，就可以获得抛光区域的均匀去除。基于这种考虑，发明了一种逆构磁极的磁流变均匀抛光方法及其抛光装置。

发明内容

本发明提供一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光方法与装置，以解决很难获得可控的高精度的表面质量的问题。

本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：

（1）、已知平面面型信息；

（2）、确定刀位位置及抛光间隙；

（3）、注入磁流变液；

（4）、由抛光区域的面形信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均匀去除率时的抛光压力分布；

已知平面抛光时抛光速度                                                

，则在抛光区域半径方向的抛光速度分布，圆心处线速度最低，沿半径方向线速度逐渐增大，在边缘处线速度最大，抛光去除率服从Preston方程

，若使去除率在抛光区域均匀，则抛光压力在半径方向的分布是：与抛光速度成反比，才能保证抛光压力与抛光速度的乘积为常数；

 （5）、由压力分布反求磁场分布

由于磁流变抛光压强：

P

=

d=3

H

抛光压力P=P

*S

式中

、、

、S均为定值，则抛光压力与磁场强度H成正比；

（6）、由磁场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之磁极、电压分布模型；

（7）、由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各磁极移动至预定位置，控制各电源输出，使各电磁线圈加载所需电压；

（8）、抛光作业。

一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光装置，其结构是：

主轴电机由支架固连于z轴工作台上，齿轮通过联轴器与主轴电机相连，齿轮上的同步带与磁极相连，支架通过滚动轴承将磁极固连于z轴工作台上，集电环一端固定在悬梁臂上，悬梁臂与z轴工作台固定连接。

其集电环的结构是由导电环，绝缘棒，导线构成，12条导电环嵌于中空绝缘棒外壁上，各导电环的导线从内壁引出，与外部电源相连。

其磁极结构是由三根嵌于绝缘中空圆柱中的尖锥状磁极构成，磁极上部为电致伸缩材料，下部为尖锥状铁芯，线圈绕在铁芯上，线圈及电致伸缩材料的电极各由导线引出，与内壁周围上的电刷相连，电刷安装在内壁上的电刷孔中；当磁极为三根时，三根电磁线圈各引出2根导线，每个电致伸缩材料引出2根导线，共12根导线。

其尖锥状磁极的数量不限于3根，可以为任意根，磁极数量越多，可以构建更为精确的磁场分布。

本抛光方法的核心思想是，在一抛光区域内，已知工件的曲面信息及各点上的抛光线速度，通过改变作用于抛光区域各点的抛光压力，获得各点均匀去除率，也相当于构造一个完全贴合工件表面的磨刀，可使各点获得均匀的材料去除。

为达到抛光区域内各点去除率均匀分布的目的，在已知抛光区域内曲面信息及抛光速度分布的情况下，由Preston经验公式计算抛光压力分布。利用磁流变效应对磁场的依赖，通过改变抛光工具的磁极分布及电磁线圈上电压大小，使抛光区域内磁场分布发生改变，从而改变抛光压力在抛光区域内的分布，当工件面型发生改变时，磁极分布实时调整，使其在抛光区域内始终具有均匀的去除率。这样一来，抛光区域内材料的去除是均匀的，连续抛光时简单的轨迹规划即可得到较好的表面质量。对于磁流变抛光来说，只需调整磁极的分布即可改变其磁场分布，是磁流变抛光特有的优势之一。

本发明最大的特色是利用磁流变液的流变特性，构造各点硬度不均匀的柔性抛光头，配合抛光速度，得到均匀的抛光去除率，以刀具的硬度改变适应面型的变化。通过均匀去除率的获得减少后续轨迹规划的工作量，是本发明的重要创新之处。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明集电环的示意图；

图3是本发明磁极的内部结构示意图；

图4是本发明磁极的外部结构示意图；

图5是本发明均匀去除时抛光速度与半径关系曲线图；

 图6是本发明均匀去除时抛光压力与半径关系曲线图。

具体实施方式

包括下列步骤：

（1）、已知平面面型信息；

（2）、确定刀位位置及抛光间隙；

（3）、注入磁流变液；

（4）、由抛光区域的面形信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均匀去除率时的抛光压力分布；

已知平面抛光时抛光速度

，则在抛光区域半径方向的抛光速度分布如图7a所示，圆心处线速度最低，沿半径方向线速度逐渐增大，在边缘处线速度最大；抛光去除率服从Preston方程

，若使去除率

在抛光区域均匀，则抛光压力

在半径方向的分布应如图7b所示，与抛光速度

成反比，才能保证抛光压力与抛光速度的乘积为常数；

（5）、 由压力分布反求磁场分布

由于磁流变抛光压强：

P

=

d

=3

H

抛光压力P=P*S

式中

、、

、S均为定值，则抛光压力与磁场强度H成正比；

（6）、由磁场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之磁极、电压分布模型；

（7）、由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各磁极移动至预定位置，控制各电源输出，使各电磁线圈加载所需电压；

（8）、抛光作业。

在该步骤中，每次移动时，面形信息、各磁极位置、电磁线圈电压都要进行改变。由于抛光作业速度较慢，磁极位置的变化速度远大于抛光速度，因此位置变化时间可以忽略不计，近似认为能实时变化。

本发明提出的逆构磁极的磁流变均匀抛光方法的理论依据是：

磁电流变抛光近似于挤压抛光，抛光去除率服从Preston方程：

式中：k为Preston系数，在相同的工艺参数下，k为常数。在磁流变抛光中，相同工艺主要指抛光液的配方一定，抛光工件材料相同。

为抛光区域内工件表面所受压力。

为抛光区域内磁电流变抛光头与工件表面的相对速度，这里指线速度。

在主轴旋转的抛光模式下，抛光区域内沿半径方向，各点角速度相同，线速度不同。线速度

式中：

为角速度，

为抛光半径。

磁流变液对工件的压力包括磁化压力和磁致伸缩压力，由于磁流变液具有不可压缩性，因此磁致伸缩压力近似为零，可只考虑磁化压力,即有：

P= P

+P

.

其中P

为磁场压强、P

.为重力压强，其中重力压强影响较小，可以忽略不计。

磁场压强P

为：

P=

d

=3

H

式中

为真空磁导率，

为载液的磁导率，为磁性微粒的磁导率，H为磁场强度。

上式确定了磁场压强P

后，就可以得到总压强P值。乘以面积就是该面积上所受的抛光压力。

为了获得均匀的去除率模型，要求在抛光区域内各点的去除率为常数，即

为常数。在相同的工艺参数下，

为常数。

的值已知为，则当

时，可以获得均匀的去除率模型。P是需要控制的量，可以通过改变抛光区域内磁场强度分布来实现抛光压力的改变。而磁场强度分布的改变拟通过如下方法解决:

    用n根尖锥状的绕有线圈的导体等间隔排列，各个导体尖端在同一平面上。改变各个导体上线圈的电压或者各个导体的长度，则由其共同作用形成的抛光区域磁场将发生改变。根据抛光区域不同的面型，反求其所需的磁场分布，进而逆构磁极分布，即是本发明所提出的去除率模型可控的磁流变均匀抛光方法。

本抛光方法的实施需要构建磁极分布数据库，磁极分布数据库的构建方法如下：

（1）已知磁极数量、初始分布、伸缩范围及电压可调范围，计算其各种组合下的磁场分布；

（2）对典型面型，计算其参数变化时所需的磁场分布；

（3）经模糊判别，匹配各典型面型所对应的各磁极的伸缩量及加载电压量；

（4）由计算结果建立数据库。

本抛光方法的实施需要一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光装置的支持，具体结构是：

主轴电机8由支架固连于z轴工作台1上，齿轮通过联轴器7与主轴电机相连，齿轮上的同步带6与磁极5相连，支架4通过滚动轴承16将磁极5固连于z轴工作台上，集电环3一端固定在悬梁臂2上，悬梁臂2与z轴工作台1固定连接，抛光时，集电环3固定不动，外部电源通过集电环对电磁线圈及电致伸缩材料供电。

其集电环的结构是由导电环11，绝缘棒10，导线构成，12条导电环嵌于中空绝缘棒外壁上，各导电环的导线从内壁9引出，与外部电源相连。

其磁极结构是，它由三根嵌于绝缘中空圆柱中的尖锥状磁极构成，磁极上部为电致伸缩材料13，下部为尖锥状铁芯14，线圈15绕在铁芯上，线圈及电致伸缩材料的电极各由导线引出，与内壁周围上的电刷12相连，电刷安装在内壁上的电刷孔中。当磁极为三根时，三根电磁线圈各引出2根导线，每个电致伸缩材料引出2根导线，共12根导线。使用时将图2集电环套入图3中空圆柱中，内壁中各电刷分别对应各导电环，通过外部电源对电致伸缩材料及电磁线圈供电。

其尖锥状磁极的数量不限于3根，可以为任意根，磁极数量越多，可以构建更为精确的磁场分布。

Claims (4)

1.一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）、已知平面面型信息；

（2）、确定刀位位置及抛光间隙；

（3）、注入磁流变液；

（4）、由抛光区域的面形信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均匀去除率时的抛光压力分布；

已知平面抛光时抛光速度                                                ，则在抛光区域半径方向的抛光速度分布，圆心处线速度最低，沿半径方向线速度逐渐增大，在边缘处线速度最大，抛光去除率服从Preston方程，若使去除率

在抛光区域均匀，则抛光压力

在半径方向的分布是：与抛光速度

成反比，才能保证抛光压力与抛光速度的乘积为常数；

 （5）、由压力分布反求磁场分布

由于磁流变抛光压强：

P

=

d

=3

H

抛光压力P=P*S

式中

、

、、S均为定值，则抛光压力与磁场强度H成正比；

（6）、由磁场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之磁极、电压分布模型；

（7）、由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各磁极移动至预定位置，控制各电源输出，使各电磁线圈加载所需电压；

（8）、抛光作业。

2.一种用于如权利要求1所述的去除率模型可控的磁流变均匀抛光装置，其特征在于：主轴电机由支架固连于z轴工作台上，齿轮通过联轴器与主轴电机相连，齿轮上的同步带与磁极相连，支架通过滚动轴承将磁极固连于z轴工作台上，集电环一端固定在悬梁臂上，悬梁臂与z轴工作台固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光装置，其特征在于：集电环的结构是由导电环，绝缘棒，导线构成，12条导电环嵌于中空绝缘棒外壁上，各导电环的导线从内壁引出，与外部电源相连。

4.根据权利要求2或3所述的一种去除率模型可控的磁流变均匀抛光装置，其特征在于：磁极结构是由三根嵌于绝缘中空圆柱中的尖锥状磁极构成，磁极上部为电致伸缩材料，下部为尖锥状铁芯，线圈绕在铁芯上，线圈及电致伸缩材料的电极各由导线引出，与内壁周围上的电刷相连，电刷安装在内壁上的电刷孔中；当磁极为三根时，三根电磁线圈各引出2根导线，每个电致伸缩材料引出2根导线，共12根导线。

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