CN102341216B - 用于基材的磁流变抛光的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于基材的磁流变抛光的系统。用于承载磁流变抛光流体的球形轮容纳可变磁场永磁体系统，所述可变磁场永磁体系统具有被主间隙和副间隙分开的南北铁磁极片，并在中心贯穿有一圆柱形空腔。在所述空腔中可旋转地设置有沿圆柱轴线的法线磁化的圆柱形永磁体。一致动器允许永磁体旋转至任何角度，该旋转通过磁极片改变磁通量在磁路中的分布。因此，能够通过使永磁体定位在提供所需磁场强度的任何角度，来控制间隙中的磁场强度。因为磁场还经过在轮面外部限定出杂散场的磁极片上方，可变磁场延伸穿过轮上的磁流变流体层，因此改变磁流变流体的硬化，正如抛光控制所期望的。

Description

用于基材的磁流变抛光的系统

技术领域

本发明涉及用于浆基磨蚀性抛光和磨光基材的系统，特别涉及采用磁流变流体和在球形承载轮附近的磁体以磁性地硬化轮上加工区域中的流体的系统；更具体地说，涉及硬化磁体设置在承载轮本身内的系统；再具体地说，涉及硬化磁体是可变磁场永磁体组件的改善的系统。

背景技术

使用磁性地硬化的磁流变流体(MRF)来磨蚀性抛光和磨光基材是众所周知的。包含分散在液体载体中的软磁磨蚀性颗粒的这种流体在有磁场存在时呈现出磁致塑性行为。磁流变流体的表观粘度能够磁性地增加多个量级，使得磁流变流体的稠密度从几乎水状改变至非常浓的膏状。当将这种膏适当地施加至待加工或磨光的基材表面例如光学元件时，能够获得非常高水平的抛光质量、精度和控制。

1999年9月14日授予Kordonski等人的美国专利No.5,951,369公开了基材的确定性磁流变抛光的方法、流体和装置。该专利在本文称为“′369”。

在例如′369专利中所公开那样的典型磁流变抛光系统中，加工表面包括垂直地取向的非磁性轮，该轮具有绕轮毂对称地底切的沿轴向延伸的轮缘。特殊形状的磁极片在底切轮缘下方朝轮的两相反侧延伸，以在轮的表面上提供磁加工区域，优选在大致上死点位置处。轮的表面优选是球体的中纬部分。

安装在加工区域上方的是基材接收器，例如可旋转的夹盘，以向加工区域中延伸待抛光的基材。夹盘能够以多种运动模式被可编程地操作，并且优选受控于可编程控制器或计算机。

磁流变流体从作为带状物的成形喷嘴以非磁化状态挤出到旋转轮的加工表面上，所述旋转轮将流体携带至加工区域，流体在加工区域中磁化成糊状稠密度。在加工区域中，糊状磁流变流体对基材进行磨蚀性加工，称作磁流变磨光或抛光。离开加工区域后，轮上的流体再次变成非磁化状态，并被刮刀从轮的加工表面刮离，以进行再循环和再利用。

向轮供给且从轮回收的流体由一封闭的流体供给系统管理，正如′369文献中公开的那样。磁流变流体被抽吸泵从刮刀取出，将送至一容器中，磁流变流体的温度在该容器中被测量并调节至目标值。例如，通过设定加压泵(通常为蠕动或离心泵)的旋转速度，能够实现以指定流量从容器向喷嘴进行再循环，从而通过加工区域。因为蠕动泵呈现出脉动流，在这种用途中在泵的下游需要脉动缓冲器。

向加工区域供给的磁流变流体的流量受到高度控制。一在线流量计设置在流体再循环系统中，并经由控制器连接以调控泵。

一毛细管粘度计设置在流体供给系统中到轮表面上的出口处。来自流量计和粘度计的输出信号输入给计算机中的算法，其计算向轮供给的磁流变流体的表观粘度，并控制承载流体向粘度计前方的混合室中的再循环磁流变流体(其在使用期间通过蒸发损失承载流体)的补给速率，以将表观粘度调节至目标值。

1997年4月1日授予Jacobs等人的美国专利5,616,066(′066)公开了一种磁流变抛光系统，其包括永磁环形磁体，该环形磁体在非磁鼓内的非磁性底座上固定地设置有南北软铁环形磁极片，所述非磁鼓在其外表面上提供承载表面。

′066系统的一个严重缺点是由于圆柱形承载轮表面而不能抛光凹面。

另一缺点是永磁体只提供一个磁场值，因此不能实现通过改变磁场强度进行取出速率的控制。

再一缺点是永久磁场使得用于流体切换的系统清洗和维持困难。

2001年10月30日授予Kordonski等人的美国专利No.6,506,102(′102)，其通过引用并入本文，改善了′066的系统，并公开了包括具有水平轴线的垂直取向的承载轮的磁流变抛光用系统。承载轮优选是球体的中纬部分，使得承载表面是球面。该轮大体呈碗状，包括一圆形板，该圆形板连接至旋转驱动器件并支承从板横向延伸的球面。一具有平坦的南北磁极片的电磁体设置在轮内，在球体的壳体内，且优选在构成轮的球面部分的壳体内。磁体延伸跨越约120°的中心轮角度，使得磁流变流体在加工区域的远前方和远后方维持在部分硬化状态。随着硬化松弛，磁刮刀从轮去除磁流变流体，并将之返回至常规的流体供给系统，以进行调节并重新挤出到轮上。将磁体配置在轮内在承载表面的两侧提供了不受妨碍的空间，使得在抛光期间肯定延伸超过轮面边缘的大凹状基材能够被容纳。磁体的角度使磁流变流体保持在轮上跨越其延伸的中心角度，允许在轮的下死点位置处或附近的加工区域中进行取向和抛光。

′102系统的好处是使用电磁体而不是永磁体就能实现通过改变向电磁体供给的电流强度来改变其它控制参数，即磁场强度。

′102系统的缺点是电磁体的增加的尺寸(与相等强度的永磁体相比)对球形轮的最小尺寸施加了限制，因此限制了待抛光凹状基材的最小曲率半径。

本领域所需的是一种具有较小半径的球形抛光轮的磁流变流体系统。

本发明的一个主要目的是为比迄今为止使用现有技术磁流变流体系统能够实现的更小半径的凹部进行抛光。

本发明的另一目的是提供一种用于磁流变抛光凹状基材的系统，其中工件凹部的半径并不受限于磁系统的尺寸。

本发明的再一目的是提供一种采用永磁体来进行基材的磁流变抛光的系统，其中抛光能够以任何期望的磁场强度进行。

本发明的再一目的是降低维修成本和磁流变抛光中的电能消耗。

发明内容

简要地说，本发明的用于基材的磁流变抛光的改善的系统包括具有水平轴线的垂直取向的碗状球形承载轮。该轮包括一圆形板，该圆形板连接至旋转驱动器，并支承从板横向延伸的球面。一具有南北磁极片的可变磁场永磁体系统设置在所述轮内，优选在由所述轮限定出的球形部分的壳体内。磁极片延伸跨越约120°的中心轮角度。一磁刮刀从轮去除磁流变流体。永磁体组件的比较小的尺寸允许使用小型轮，来在承载表面的任一侧上提供不受妨碍的空间，以使陡峭的凹状基材(其在抛光运动期间必须延伸超过轮缘)能够被容纳以进行抛光。磁极片的角度使磁流变流体保持在轮上，跨越其延伸的中心角度。

可变磁场永磁体磁系统的操作原理在于：在具有主非磁性间隙和副非磁性间隙的磁路中重新分布由永磁体生成的磁通量。可变磁场磁体系统包括两个磁极片，这两个磁极片由例如铁等软磁材料制成，限定出磁体，并在中心贯穿有圆柱形空腔。两个铁半部在主间隙和副间隙处由例如黄铜、铝或塑料等非磁性材料结合在一起。由例如钐-钴、钕-铁-硼、陶瓷或类似物形成且沿圆柱轴线的法线磁化的圆柱形永磁体插入所述空腔中，并且致动器被安装以允许磁体绕其纵向轴线旋转至任何期望的角度。旋转的作用通过铁磁极片使磁通量在磁路中的分布改变；因此，能够通过使永磁体旋转并定位在提供所需磁场强度的任何角度，来控制间隙中的磁场强度。因为两个间隙处的磁场还有效地经过磁极片上方，主间隙处的杂散场在轮外延伸并通过轮表面上的磁流变流体层，因此能够如抛光控制所期望的那样改变磁流变流体的硬化。与主间隙分开180°的副间隙的尺寸和形状影响主间隙处的磁场的强度。

附图说明

现在将参考附图通过示例方式来描述本发明，附图中：

图1是通过计算机化磁建模生成的正视截面图，是通过本发明的可变磁场永磁体系统取得的，并示出了圆柱形永磁体中的磁场垂直取向时在主间隙和副间隙处的零磁场；

图2是与图1所示类似的正视截面图，示出了圆柱形永磁体中的磁场水平取向时在间隙处的最大磁场；

图3是与图1和2所示类似的正视截面图，示出了圆柱形永磁体中的磁场以45°取向时在间隙处的中间强度磁场；

图4是对于各种圆柱形磁体取向的在主间隙处的轮上方的磁通量强度作为抛光轮上方的角度位置的函数的曲线图；

图5是本发明的磁流变流体装置的等距视图；

图6是沿图5中的平面6-6所取的截面图；而

图7是沿图5中的平面7-7所取的截面图。

在整个附图中，相应附图标记指示相应的部分。本文给出的示例以一种形式示出了本发明的一个优选实施例，并且这种示例不应解释为以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

参考图1，本发明的可变磁场永磁体系统10包括由软磁材料优选为铁制成的两个磁极12、14，限定出中心被圆柱形空腔16贯穿的磁体15。磁体半部12、14由例如黄铜、铝或塑料等非磁性材料结合在一起，在半部12、14之间限定出主磁间隙18和副磁间隙19。沿圆柱轴线22的法线磁化的圆柱形永磁体20插入空腔16中，并且致动器110(图5-7所示)被安装以允许磁体20绕轴线22旋转。这种磁体可从例如美国Illinois州Elk GroveVillage的Dexter Magnetic Technologies公司获得。旋转的作用使磁通量24在磁路中的分布改变。当永磁体的磁场26如图1所示垂直地取向时，通量24在用作对立磁分路的两个半部12、14之间均匀地分布。在该情况下，在间隙18、19中不存在净磁场(“零”位置)。

现在参考图2，通过在空腔16内将磁体20从图1所示位置旋转90°到一个新位置，永磁体20内的磁场26水平地取向，使通量24横切磁极片12、14之间的间隙18、19。可看出，磁体20的该位置在间隙18、19中形成最大的磁场强度(“最大”位置)。

现在参考图3，永磁体20的一示例性中间旋转位置(磁场角度＝45°)形成中间磁场强度30、31，其取决于磁场26所取向的角度。因此，能够通过使永磁体20旋转并定位在提供主磁场30所需强度的任何角度，来控制磁场30、31分别在间隙18、19中的强度。

因为磁场30还有效地经过磁极片12、14(杂散场32)上方，所以可变磁场30延伸穿过承载轮(未示出，但在图5-7中可见)上的磁流变流体112的层，因此可控地改变磁流变流体的硬化，正如控制抛光速率所期望的。

注意，副间隙19的几何结构(尺寸和形状)影响主间隙18处的磁场30，因此是在主间隙18处生成期望磁场强度的重要参数。优选地，副间隙19的加工宽度等于或大于主间隙18的宽度。

参考图4，对于磁场26的表示为偏离包含轴线22的平面34且平行于横切间隙18的平面36(如图1所示)的角度的各个角度，示出了沿承载轮周缘的磁强度的代表曲线。因此，曲线40代表图1中的90°取向；曲线42代表图2中的0°取向；曲线44代表图3中的45°取向；而曲线46代表30°取向。

参考图5-7，本发明的用于基材102的磁流变抛光的改善的系统100包括具有水平轴线的垂直地取向的承载轮104。承载轮104优选是球体的中纬部分，以使承载表面106是球面。轮104大体呈碗状，包括一圆形板108，圆形板108连接至旋转驱动器件110并支承从板108横向延伸的球面106。具有南北磁极片12、14的可变磁场永磁体系统10设置在轮104内，在球体的壳体内，优选在由轮限定出的球形部分的壳体内，优选被盖板105封装。优选地，磁极片12、14延伸跨越约120°的中心轮角度，使得磁流变流体112在完全硬化加工区域114的远前方和远后方维持在部分硬化状态。随着硬化松弛，磁刮刀116从轮上去除磁流变流体112，并将之返回常规的流体供给系统(未示出)，以进行调节并重新挤出到轮上。永磁体20的比较小的尺寸允许使用小型轮，来在承载表面的任一侧上提供不受妨碍的空间，以使陡峭的或深凹状基材(其必须延伸超过轮缘)能够被容纳以进行抛光。

如上所述，可变磁场永磁体磁系统的操作原理在于：在包括主间隙18和副间隙19的磁路中重新分布由永磁体20生成的磁通量。致动器118被安装，以允许磁体及其磁化轴线旋转至期望角度。传感器120(例如定位电位计、光学编码器或类似物)被提供，以允许测量磁体角度。优选地，在主间隙18或副间隙19中安装霍尔效应传感器或一些其它适当的探头(未示出)，来测量磁通密度，以经由常规的可编程控制器件(未示出)通过包括传感器120的常规反馈回路来控制致动器118，以设定期望的磁场强度。

虽然参考多种不同的具体实施例描述了本发明，但是应该理解的是，在所述创新概念的范围和精神内可做出若干变化。因此，希望的是本发明并不局限于所述实施例，而是覆盖所附权利要求限定的全部范围。

Claims (9)

1.一种永磁体系统，用于可控地改变磁场的强度，包括：

a)由软磁材料形成的第一和第二磁极片，共同限定出磁体，所述第一和第二磁极片具有形成于它们的相对端部之间的主间隙和副间隙，并且在所述磁体中形成有圆柱形空腔；

b)圆柱形永磁体，沿其纵向轴线的法线磁化并可旋转地设置在所述圆柱形空腔中。

2.如权利要求1所述的永磁体系统，其中，所述软磁材料是铁。

3.如权利要求1所述的永磁体系统，其中，所述圆柱形永磁体由包括稀土元素的材料形成。

4.如权利要求3所述的永磁体系统，其中，所述永磁体包括从由钐、钴、钕、铁、硼和陶瓷组成的组中选出的材料。

5.如权利要求1所述的永磁体系统，其中，位于所述相对的磁极片端部之间的所述副间隙的宽度至少等于所述主间隙的宽度。

6.一种用于基材的磁流变抛光的系统，包括：

a)承载轮；

b)用于驱动所述承载轮的电机器件；

c)设置在所述承载轮附近并由软磁材料形成的第一和第二磁极片，共同限定出磁体，所述第一和第二磁极片具有形成于它们的相对端部之间的主间隙和副间隙，并且在所述磁体中形成有圆柱形空腔；和

d)圆柱形永磁体，沿其纵向轴线的法线磁化并可旋转地设置在所述圆柱形空腔中。

7.如权利要求6所述的系统，还包括致动器件，所述致动器件可操作地连接至所述圆柱形永磁体，以使所述圆柱形永磁体绕所述轴线选择性地旋转，以改变所述第一和第二磁极片内的磁通量的方向和强度，从而改变所述主间隙和副间隙内的磁场强度。

8.如权利要求7所述的系统，还包括：

a)第一传感器件，用于确定所述圆柱形永磁体相对于所述主间隙和副间隙的角度位置；和

b)控制器件，连接至所述致动器件，并响应于来自所述第一传感器件的信号。

9.如权利要求8所述的系统，还包括第二传感器件，连接至所述控制器件，用于确定所述主间隙和副间隙中的至少一个中的磁场强度。

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