CN102785131A - 基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，包括转轴、基底、十字万向节、电流线圈、铁芯、机械密封部件、磁流变液、抛光层和外围电路，基底中心对称于转轴；十字万向节连接转轴；电流线圈连接电刷；在铁芯的外部绕设电流线圈并置于基底内部；机械密封部件的内部嵌设基底且形成密封结构；磁流变液密封于机械密封部件和基底之间；抛光层位于机械密封部件的外底部和被抛光工件的上表面之间紧密贴合；电刷固接在转轴上；外围电路与电刷连接，用于调节电流线圈中电流大小，控制磁流变液弹性模量。本发明还公开基于磁流变液的刚度可控小磨具的抛光方法，解决刚性磨盘加工中压力分布不均匀及无法吻合被加工工件面形等问题，提高加工效率和精度。

Description

基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘及抛光方法

技术领域

本发明属于先进光学制造领域，具体涉及的是一种基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘及抛光方法。 

背景技术

现代光学系统对光学元件表面质量提出了极其严格的要求，武器装备、空间观测、激光核聚变、极紫外光刻等不仅要求光学元件具有极高的面形精度，同时也要对全频段误差分布做出严格的控制。目前的计算机控制光学表面成形技术(CCOS)与传统技术相比能大大提高加工效率，且具有设备简单、造价低廉等优势，逐渐成为加工非球面的主要方法。但是由于其采用的刚性小磨头与被加工零件表面不吻合及其子口径修磨加工特性等原因，导致CCOS技术加工出的光学元件表面通常带有明显的中频误差即波纹度误差。这种误差会使光线发生小角度散射，从而使成像产生耀斑，严重影响像的对比度。因此研究抑制CCOS技术产生的中高频误差的方法便成为光学加工界普遍关注的课题。 

20世纪70年代初，Itek公司的W.J.Rupp率先提出CCOS技术思想，并由R.A.Jones设计完成了世界上第一台计算机控制抛光机。这种技术采用比被加工元件尺寸小得多的柔性抛光工具(一般是工件的1/8-1/15)，根据干涉仪等光学表面面形检测仪器测得的面形数据，建立加工过程的控制模型，选择合适的抛光参数，在计算机控制下按照一定的路径和相应的磨头驻留时间来加工工件表面，使其面形向理想形状收敛。正是在这种技术思想的引导下，世界各个发达国家开始研究不同形式的CCOS技术，目前主要有气囊抛光(air sac polishing)、射流抛光(fluent jet polishing)、磁流变抛光(magnetorheological finishing)、离子束抛光(ion beam finishing)。在实际加工非球面光学元件的过程中，这几种加工技术能大大提高加工效率，但同时也存在中高频误差，以刚性小磨具抛光最 为严重。 

自CCOS技术诞生之初，研究人员就已经意识到该技术在抛光加工中带来的中高频误差。1990年Pravin K.Mehta等发表文章提出flexible polishing tools(柔性抛光工具)，以弹性力学为理论基础分析了柔性抛光工具的受力分布和弹性变形情况，拟解决传统刚性小磨头与抛光工件面形不吻合及受力不均匀等问题。其论文中大量的理论分析、有限元仿真为研究新型抛光小磨具做了开创性的工作。基于Pravin K.Mehta等人的研究，亚利桑那大学的Michael T.Tuell和James H.Burge等人进一步提出semi-flexible tool(被动半刚性盘)。这种被动半刚性盘由刚性基底、变形层、金属薄板以及抛光层构成，之所以采用这种特殊的夹层式结构，是为了使磨盘在具有足够的刚度的同时，又能按照抛光的面形被动变形，这样才能在尽量不破坏原有面形的同时，尽可能去除中频误差。在被动半刚性磨盘中，刚性基底用于传递外加载荷，变形层则保证了金属薄板被动变形的可达性。利用这种抛光盘对镜面进行平滑处理，对中频误差由一定抑制作用。但磨盘本身无法主动控制变形、弹性模量等参数，限制了其进一步广泛应用。近年来，亚利桑那大学的Dae Wook Kim等在前人工作基础上，从材料力学角度出发采用一种非牛顿流体材料，设计出一种新型抛光工具visco-elastic polishing tool(粘弹性抛光工具)。这种抛光工具采用和被动半刚性磨盘类似的结构，只是将变形层的材料改为非牛顿流体。该非牛顿流体对作用时间长的力可以保持其流体的柔性，而对于作用时间短的力则表现出类似薄板一样的刚性。以此非牛顿流体为变形层，抛光盘能对中高频误差保持较高的刚性，从而实现特定频率误差去除，对于低频面形抛光盘又具有很好的变形能力，从而保持镜面原有面形不变。 

以上所述的各种不同小磨具抛光磨盘设计方法，旨在小磨具的柔性和刚性之间寻求一个平衡点，以达到去除镜面中频误差的同时又能很好的保持其原始面形不变。然而无论是采用被动半刚性盘或是使用非牛顿流体，小磨具磨盘自身的刚性都不是可控变化的，从而降低了小磨具对各种不同面形的适应能力，限制了其抑制中频误差能力。 

发明内容

为了解决小磨具抛光时与工件表面不吻合、受力不均匀的问题，有效抑制传统刚性小磨具抛光带来的严重的中频误差或称波纹度误差，本发明的目的是提供一种基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘及实现抛光的方法。 

为实现本发明的目的，本发明的第一方面是提供一种基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，包括： 

一转轴，具有一输出端； 

一基底，具有一容置部、多个凸台、外上部、外下部和侧壁；多个凸台对称位于外上部和侧壁的外侧，每个凸台上具有一固接孔，每个固接孔中心对称于转轴； 

一十字万向节，具有第一连接端和第二连接端，第一连接端与外上部的中心位置固定连接，第二连接端连接在转轴的输出端上； 

一组电流线圈，具有电流输入端，一组电流线圈的输入端与电刷的电流输出端连接，用于将电刷输出的电流引入一组电流线圈； 

一铁芯，在铁芯的外部绕设一组电流线圈组成一体结构并置于容置部中； 

一机械密封部件，具有多个凸缘部、上端口、内底部及外底部；每个凸缘部对称设于上端口的外侧；每个凸缘部上设有孔，每个凸缘部的孔与每个凸台的固接孔通过螺丝固定连接，机械密封部件的内部嵌设有基底且形成密封的一体结构； 

磁流变液，密封于外下部与内底部之间，电流线圈产生的磁场用于将磁流变液从液态到固态连续变化生成可控变形层； 

一抛光层，其上表面固接在机械密封部件的外底部；抛光层的下表面与被抛光工件的上表面紧密贴合； 

一电刷，具有电流输出端和固定部，固定端固接在转轴上； 

一外围电路，与电刷连接，用于控制电流线圈中电流的大小，调节控制磁流变液的弹性模量。 

为实现本发明的目的，本发明的第二方面是提供一种基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘的抛光方法，其步骤包括如下： 

步骤S1：在刚度可控小磨具抛光盘的外底部接触工件表面被抛光区域A处时，转轴夹持在机床的动力转轴上获得驱动力，驱动所述抛光盘的基底旋转； 

步骤S2：由外围电路控制电流线圈中磁场大小，调节磁流变液弹性模量，所述磁流变液弹性模量表示刚度G＝3φu_rM_s·NI，其中u₀为真空磁导率，u_r为铁芯的相对磁导率，N为线圈匝数，I为线圈中电流大小，φ为磁流变液磁性颗粒的体积含量，M_s为磁性颗粒的饱和磁化强度； 

步骤S3：在转轴的压力控制下，抛光层与被抛光工件上表面的A位置紧密接触，对被抛光工件的A位置进行抛光，A位置处的材料去除量Δz(x，y)满足如下方程： 

$\mathrm{\Δz}(x,y)=k{\∫}_0^{\∞}P(x,y,t)V(x,y,t)\mathrm{dt},$

以被抛光工件上中心点或对称点为原点建立直角坐标系，其中x，y表示A位置在被抛光工件表面的坐标位置，k是除了压力、速度因素影响外的加工过程的比例常数，P(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对压力，V(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对运动速度，t表示时间； 

步骤S4：对电流线圈不通电流，磁流变液呈现液态，抛光层产生变形并与被抛光工件的A位置处的面形吻合； 

步骤S5：对电流线圈通以电流，磁流变液从液态变为粘稠状或固态，则抛光层表面形状被固定下来，抛光层记录被抛光工件局部面形，利用抛光层的仿形记录功能保证抛光盘和被抛光区域的局部面形吻合，而通过在线控制电流线圈的电流大小调节磁流变液弹性模量能灵活控制被抛光工件的材料去除量；所述抛光盘位置继续移动到被抛光工件表面B位置处重复执行步骤S1，直至所述抛光盘按照N个位置的抛光轨迹移动，实现对整个工件的抛光。 

本发明与现有技术相比的优势表现在： 

1)通过控制线圈电流大小改变磁流变液弹性模量(刚度)的方式实 现了小磨具抛光盘刚度可控； 

2)控制线圈电流，可以控制抛光盘的刚度，实现抛光层与工件接触面积可控，抛光效率高； 

3)通过控制线圈电流，可以精确控制所述抛光盘的材料去除量，进行局部面形精确修正，可以得到高的抛光品质。 

4)控制线圈电流，可以保证整个抛光区域的受力分布均匀且稳定，有效解决了机床扫描抛光时由于压力分布不均匀及不稳定带来被抛光工件的材料去除量的不稳定性。 

附图说明

图1a是本发明基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘设计的截面图。 

图1b是本发明十字万向节的结构示意图。 

图1c是本发明机械密封部件的结构示意图。 

图2是本发明抛光方法的流程图。 

部件标记号说明 

转轴1、            基底2、 

电流线圈3、        铁芯4、 

螺母5、            机械密封部件6、 

磁流变液7、        抛光层8、 

被抛光工件9、      十字万向节10、 

电刷11。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。 

参照图1a示出的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘在传动轴可夹持的任何机床的动力转轴上获得驱动力，从而驱动所述抛光盘旋转；通过对电流线圈中电流的控制可以调节磁流变液的弹性模量(刚度)，使其从液态到固态连续可变，使得小磨具抛光盘的抛光层具有仿形和记录功能：抛光层在转轴压力控制下与被抛光工件表面紧密接触时，若线圈 中不通电流，磁流变液呈现液态，抛光层则变形以吻合工件面形，这一过程称为仿形；若对线圈通以适当大小电流，磁流变液变为粘稠状或固态，抛光层表面形状被固定下来，这一过程实现了所述抛光盘抛光层对工件局部面形的记录，抛光层的这种仿形记录功能有助于保证抛光曲率半径恒定区域的面形精度。而通过在线控制电流大小调节磁流变液弹性模量(刚度)，可以灵活控制小磨具抛光的材料去除量，有效解决了机床扫描抛光时由于压力分布不均匀及不稳定带来的材料去除量的不稳定性。 

本发明基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘的一种实施例，包括转轴1、基底2、电流线圈3、铁芯4、螺母5、机械密封部件6、磁流变液7、抛光层8、十字万向节10、电刷11； 

转轴1带动本发明整个小磨具抛光盘旋转，其中： 

转轴1，具有一输出端； 

基底2，具有一容置部21、多个凸台22、外上部23、外下部24和侧壁25；多个凸台22对称位于外上部23和侧壁25外侧，每个凸台22上具有一固接孔26，两个固接孔26中心对称于转轴1； 

如图1b示出本发明十字万向节的结构，其中： 

十字万向节10，具有第一连接端101和第二连接端102，第一连接端101与基底2的上外部23的中心位置固定连接，第二连接端102连接在转轴1的输出端上。 

电刷11，具有电流输出端和固定部，固定端固接在转轴1上； 

一组电流线圈3，具有电流输入端，一组电流线圈3的输入端与电刷11的电流输出端连接，用于将电刷11输出的电流引入一组电流线圈3； 

铁芯4，在铁芯4的外部绕设一组电流线圈3组成一体结构并置于容置部21中； 

如图1c示出本发明机械密封部件的结构，其中： 

机械密封部件6，具有多个凸缘部61、上端口62、内底部63及外底部64；多个凸缘部61对称凸设于机械密封部件6的上端口62的外侧； 每个凸缘部61上设有孔，每个凸缘部61的孔与每个凸台22的固接孔26固定连接，机械密封部件6的内部嵌设有基底2且形成密封的一体结构。 

磁流变液7，密封于基底2的外下部24与机械密封部件6的内底部63之间，电流线圈3的电流用于使磁流变液7从液态到固态连续变化形成可控变形层； 

抛光层8，其上表面固接在机械密封部件6的外底部64；抛光层8的下表面与被抛光工件9的上表面紧密贴合； 

外围电路(图中未作标记)，与电刷11连接，用于控制电流线圈3中电流的大小，调节控制磁流变液7的弹性模量。 

铁芯4，为实心圆柱体或方柱体铁芯。 

所述凸台22是由多个凸台组成，且多个凸台对称位于外上部和侧壁的外侧2，所述多个凸台是两个凸台、三个凸台、四个凸台、五个凸台及多个凸台中的一种。 

所述凸缘部61是由多个凸缘部组成，且多个凸缘部61对称凸设于机械密封部件6的上端口62的外侧，所述凸缘部61是两个凸缘部、三个凸缘部、四个凸缘部、五个凸缘部及多个凸缘部中的一种。 

基底2与机械密封部件6具有相同的外观且紧密配合形成密封结构，基底2的外观结构尺寸小于机械密封部件6外观结构。基底2为中空圆柱体结构或中空方柱体结构的刚性基底；机械密封部件6为刚性金属薄板制成的中空圆筒形结构或中空方柱体结构；抛光层8是通过树脂粘接在机械密封部件6的外底部。抛光层8为软性抛光层，抛光层材料为沥青、聚氨酯抛光垫或其他材质特性类似的材料中的一种。 

如图2示出本发明基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘抛光方法的流程图，其步骤包括如下： 

步骤S1：在刚度可控小磨具抛光盘的外底部64接触被抛光工件9表面A位置(所述抛光盘接触被抛光工件抛光的区域)处时，转轴1夹持在机床的动力转轴上获得驱动力，用于驱动本发明刚度可控小磨具抛光盘的基底2旋转； 

步骤S2：由外围电路控制电流线圈3中磁场大小，调节磁流变液的弹性模量(刚度)。所述磁流变液弹性模量为G＝3φu_rM_s·NI，其中u₀为真空磁导率，u_r为铁芯的相对磁导率，N为线圈匝数，I为线圈中电流大小，φ为磁流变液磁性颗粒的体积含量，M_s为磁性颗粒的饱和磁化强度； 

步骤S3：在转轴1的压力控制下，抛光层8与被抛光工件9上表面的A位置紧密接触，对被抛光工件9的A位置进行抛光，A位置处的材料去除量满足如下方程： 

$\mathrm{\Δz}(x,y)=k{\∫}_0^{\∞}P(x,y,t)V(x,y,t)\mathrm{dt},$

以被抛光工件上中心点或对称点为原点建立直角坐标系，其中x，y表示A位置在被抛光工件9表面的坐标，Δz(x，y)是材料去除量，k是除了压力、速度因素影响外的加工过程的比例常数，P(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对压力，V(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件9间的相对运动速度，t表示时间； 

步骤S4：对电流线圈3不通电流时，磁流变液呈现液态，抛光层8则产生变形并与被抛光工件9的A位置处的面形吻合； 

步骤S5：对电流线圈3通以电流时，磁流变液从液态变为粘稠状或固态，则抛光层8表面形状被固定下来，抛光层8记录被抛光工件9的局部面形，利用抛光层8的仿形记录被抛光工件9的局部面形功能有助于保证抛光盘抛光区域的面形精度。而通过在线控制电流线圈3的电流大小调节磁流变液7的弹性模量即刚度，可以灵活控制被抛光工件9的材料去除量，有效解决了机床扫描抛光时由于压力分布不均匀及不稳定带来被抛光工件9的材料去除量的不稳定性。刚度可控小磨具抛光盘位置移动到被抛光工件9表面B位置处重复执行步骤S1，直至所述抛光盘按照N个位置的抛光轨迹移动，实现对整个被抛光工件9的抛光。所述抛光盘抛光区域为曲率半径恒定区域。所述B位置是被抛光工件9表面不同于A位置的任意N个位置。 

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。 

Claims (10)

1.一种基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于包括：

一转轴，具有一输出端；

一基底，具有一容置部、多个凸台、外上部、外下部和侧壁；多个凸台对称位于外上部和侧壁的外侧，每个凸台上具有一固接孔，每个固接孔中心对称于转轴；

一十字万向节，具有第一连接端和第二连接端，第一连接端与外上部的中心位置固定连接，第二连接端连接在转轴的输出端上；

一组电流线圈，具有电流输入端，一组电流线圈的输入端与电刷的电流输出端连接，用于将电刷输出的电流引入一组电流线圈；

一铁芯，在铁芯的外部绕设一组电流线圈组成一体结构并置于容置部中；

一机械密封部件，具有多个凸缘部、上端口、内底部及外底部；每个凸缘部对称设于上端口的外侧；每个凸缘部上设有孔，每个凸缘部的孔与每个凸台的固接孔通过螺丝固定连接，机械密封部件的内部嵌设有基底且形成密封的一体结构；

磁流变液，密封于外下部与内底部之间，电流线圈产生的磁场用于将磁流变液从液态到固态连续变化生成可控变形层；

一抛光层，其上表面固接在机械密封部件的外底部；抛光层的下表面与被抛光工件的上表面紧密贴合；

一电刷，具有电流输出端和固定部，固定端固接在转轴上；

一外围电路，与电刷连接，用于控制电流线圈中电流的大小，调节控制磁流变液的弹性模量。

2.如权利要求1所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于，基底与机械密封部件具有相同的外观结构且紧密配合形成密封结构，基底的外观结构尺寸小于机械密封部件外观结构。

3.如权利要求1所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于，所述基底为中空圆柱体结构或中空方柱体结构的刚性基底。

4.如权利要求1所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于，所述机械密封部件为刚性薄板制成中空圆柱筒形结构或中空方柱体结构。

5.如权利要求1所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于，所述铁芯为实心圆柱体或方柱体结构铁芯。

6.如权利要求1所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于，所述抛光层是通过树脂粘接在机械密封部件的外底部。

7.如权利要求1所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘，其特征在于，所述抛光层为软性抛光层，抛光层是沥青、聚氨酯抛光垫或其他材质特性的材料。

8.一种使用权利要求1所述基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘的抛光方法，其抛光步骤包括如下：

步骤S1：在刚度可控小磨具抛光盘的外底部接触工件表面被抛光区域A处时，转轴夹持在机床的动力转轴上获得驱动力，驱动所述抛光盘的基底旋转；

步骤S2：由外围电路控制电流线圈中磁场大小，调节磁流变液弹性模量，所述磁流变液弹性模量表示刚度G＝3φu_rM_s·NI，其中u₀为真空磁导率，u_r为铁芯的相对磁导率，N为线圈匝数，I为线圈中电流大小，φ为磁流变液磁性颗粒的体积含量，M_s为磁性颗粒的饱和磁化强度；

步骤S3：在转轴的压力控制下，抛光层与被抛光工件上表面的A位置紧密接触，对被抛光工件的A位置进行抛光，A位置处的材料去除量Δz(x，y)满足如下方程：

$\mathrm{\Δz}(x,y)=k{\∫}_0^{\∞}P(x,y,t)V(x,y,t)\mathrm{dt},$

以被抛光工件上中心点或对称点为原点建立直角坐标系，其中x，y表示A位置在被抛光工件表面的坐标位置，k是除了压力、速度因素影响外的加工过程的比例常数，P(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对压力，V(x，y，t)表示抛光层与被抛光工件间的相对运动速度，t表示时间；

步骤S4：对电流线圈不通电流，磁流变液呈现液态，抛光层产生变形并与被抛光工件的A位置处的面形吻合；

步骤S5：对电流线圈通以电流，磁流变液从液态变为粘稠状或固态，则抛光层表面形状被固定下来，抛光层记录被抛光工件局部面形，利用抛光层的仿形记录功能保证抛光盘和被抛光区域的局部面形吻合，而通过在线控制电流线圈的电流大小调节磁流变液弹性模量能灵活控制被抛光工件的材料去除量；所述抛光盘位置继续移动到被抛光工件表面B位置处重复执行步骤S1，直至所述抛光盘按照N个位置的抛光轨迹移动，实现对整个工件的抛光。

9.如权利要求8所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘的抛光方法，其特征在于，所述B位置是被抛光工件表面不同于A位置的N个位置。

10.如权利要求8所述的基于磁流变液的刚度可控小磨具抛光盘的抛光方法，其特征在于，所述抛光盘抛光区域为曲率半径恒定区域。

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