CN102962733B - 一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。为解决现有的电流变抛光装置去除效率低，结构复杂以及参数不可调节等问题，设计使用了两片互相平行的形状相似半径相同的轮状极板作为抛光轮，并可通过将阳极抛光轮沿主轴滑动的方式调节极板间距；工作时，阳极抛光轮固定不动，步进电机通过传动齿轮和主轴驱动阴极抛光轮相对阳极抛光轮转动，带动柔性抛光模相对工件表面运动，切削工件表面的材料实现抛光。该装置结构简单精巧，阴阳极抛光轮间距灵活可调，抛光轮易更换，抛光范围广，抛光效率高，适用于小型自由曲面光学元件的超光滑加工。

Description

一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置

技术领域

本发明涉及一种电流变抛光工具，特别涉及一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。

背景技术

电流变抛光技术是一种新兴的光学表面加工技术。该技术利用电流变液的粘度随电场强度的变化而变化的性质，将微细磨料混入电流变液并在电场的作用下形成柔性抛光模，基于普林斯顿方程对光学元件表面进行抛光。该技术是一种结合电动力学、流体力学以及固体物理学的新型光学表面加工技术。

电流变液由具有高介电常数的电流变粒子和低介电常数的基础液组成。在不施加电场的情况下，电流变液会保持良好的流动性，类似于牛顿流体；而在电场的作用下，电流变液的表观粘度会急剧增加，当电场强度超过某一临界值时，电流变液将变为粘塑性固体，具有了一定的抗剪切屈服强度，即具有了宾汉液体的性质；随着电场强度的增加，电流变液的抗剪切屈服强度还会进一步增加，直到达到最大值为止。

日本东北大学的厨川长源(T.Kuriyagawa)于1999年提出了“电流变液辅助抛光技术”，首次将“电流变效应”应用于光学加工领域。他在电流变液中混入微细磨料制成电流变抛光液，并且在抛光工具头附近施加较高的电压，磨料粒子被粘度增加的电流变抛光液束缚在工具头附近，形成柔性抛光模，与工件表面进行相对运动去除元件表面的材料实现抛光。电流变液辅助抛光技术是一种微量的去除技术，更适合于小型镜面的高精度抛光。在计算机的辅助下，可以实现高精度的确定性抛光，其具有以下几个技术特点：1、工具头体积较小，可以对小型光学元件进行抛光；2、柔性抛光模与工件表面吻合的同时可避免硬性接触，消除了光学表面被工具头划伤，及由于摩擦生热导致抛光模变形改变去除函数的隐患；3、可以有效抑制边缘效应和亚表面损伤。4、柔性抛光模可控性强，电流变液对电场强度变化的相应十分灵敏，在毫秒量级。

目前已有的电流变抛光工具存在抛光效率低，结构复杂，参数调节困难的问题。早期的点接触式电流变抛光装置虽然结构相对简单，但是抛光接触面积很小，抛光区域线速度很低并且抛光区域中心处线速度为零，由普林斯顿方程可知，该结构材料去除效率低，抛光区域中心位置材料去除量为零。近年来出现的新结构在一定程度上改善了去除效率低的现象，但是结构复杂，通常需要多组齿轮或者皮带轮传动；采用电刷供电有可能造成电场不稳定；工具头参数固定无法调节，工具头不易更换。

发明内容

本发明为了解决已有的电流变抛光装置抛光效率低，结构复杂，工具头参数无法调节，工具头更换困难等问题，设计了一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置。该装置结构简单精巧，阴阳极抛光轮间距灵活可调，抛光轮易更换，抛光效率高，供电方式稳定、安全。

本发明采用的技术方案是：

一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置，包括紧固螺栓、垫片、阴极抛光轮、阳极抛光轮、导线、轴承端盖、顶丝、轴承、阳极支架、主轴、长螺栓、转接架、套筒、齿轮、电机座和步进电机。

上述部件的连接关系为：主轴通过第三轴承固定于电机座；主动齿轮通过平键连接固定于步进电机轴，从动齿轮套在主轴上与主动齿轮啮合；利用第二轴承将主轴与转接架连接，第二轴承和从动齿轮之间放置套筒，转接架固定于电机座；阳极支架通过第一轴承与主轴连接，轴承端盖将轴承和阳极支架固定，整体可沿主轴滑动；长螺栓穿过阳极支架旋入转接架的内螺纹孔内；利用顶丝结构通过阳极支架上固定孔将阳极支架相对于长螺栓固定；阳极抛光轮通过过盈配合套在阳极支架上，阴极抛光轮通过螺栓穿过垫片固定于主轴的下端，并与阳极抛光轮保持平行。

工作时，松开顶丝，沿主轴方向调节阴阳抛光轮间距，间距调节合适后旋紧顶丝，固定阳极极板的位置；阴极抛光轮通过主轴等金属零件与电机外壳相连接地；高压电源正极通过长螺栓和导线接通阳极抛光轮；通过多自由度精密数控机床将抛光装置移至抛光区域，将混有磨料的电流变液体加入抛光区域，其会在电场作用下变为粘塑性固体；步进电机通过齿轮驱动主轴转动，进而带动阴极抛光轮相对阳极抛光轮转动，阴极抛光轮转动时与阳极抛光轮平行；电流变抛光液随着抛光轮相对工件表面运动产生切削，实现抛光。

可以为该装置加工一系列直径不同的抛光轮，针对形状不同的工件，选择大小合适的抛光轮。

根所述抛光装置的抛光轮部分由两片相互平行的形状相似半径相同的轮状极板组成，阳极抛光轮固定，阴极抛光轮相对于阳极抛光轮转动。

所述阳极抛光轮、阳极支架、第一轴承和轴承端盖组成的整体可通过沿主轴滑动的方式来调节阴阳极抛光轮间距。

所述抛光装置使用与主轴平行的长螺栓以保证阳极抛光轮固定并与阴极抛光轮平行。

所述长螺栓、导线、主轴和电机座须采用高电导率的硬质材料制成。

所述阳极支架和转接架采用绝缘硬质材料制成。

本发明有如下优点：

该装置阴阳极抛光轮间距可调，可以灵活改变场强分布和抛光的接触面积；抛光轮易更换，可根据工件形状选择大小合适的抛光轮；结构简单精巧，在保证了加工效率的同时减小了体积，从而增强了加工能力；抛光区域内，轮状抛光工具头与工件相对速度较大，加工效率有了很大提高；集成阴阳电极于一体，无需辅助电极，电场施加方式安全简便；相互平行的抛光轮兼做电极使用，发挥了抛光轮面积较大的优势，使得电场的广度不再局限于微小的区域，而是广泛分布在抛光轮的周围，电场相对于主轴旋转对称，可以在抛光轮外圈产生大面积电流变效应，即电场施加的位置不再限制抛光装置的加工能力，这一改进带来了抛光轮灵活使用的空间。

该抛光装置适用于小型自由曲面的高精度抛光。

附图说明

图1为本发明装置的抛光装置整体的剖面结构示意图；

图2为本发明装置的电机座结构示意图；

图3为本发明装置的转接架结构示意图；

图4为本发明装置的阳极支架结构示意图；

图5为本发明装置的轴承端盖结构示意图；

图6为本发明装置的阴极抛光轮结构示意图；

图7为本发明装置的阳极抛光轮结构示意图；

图8为本发明装置的抛光轮附近电场矢量示意图；

图9为本发明装置的抛光过程示意图；

其中，1-紧固螺栓，2-垫片，3-阴极抛光轮，4-阳极抛光轮，5-导线，6-轴承端盖，7-顶丝，8-第一轴承，9-阳极支架，10-主轴，11-长螺栓，12-第二轴承，13-转接架，14-套筒，15-主动齿轮，16-从动齿轮，17-电机座，18-第三轴承，19-步进电机，20-内螺纹孔，21-内螺纹孔，22-内螺纹孔，23-通孔，24-顶丝孔，25-阳极支架上固定孔，26-内螺纹孔，27-通孔，28-电流变抛光液，29-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作具体说明。

一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置，如图1所示，步进电机19安装于电机座上方，电机座示意图如图2所示；主动齿轮15通过平键连接方式固定于步进电机19的转子端头；主轴10上端通过第三轴承18固定于电机座17；从动齿轮16固定于主轴10轴环下侧，与主动齿轮15啮合；套筒14，第二轴承12，转接架13依次由主轴10下端穿入；转接架13固定于电机座17；轴承端盖6，第一轴承8，阳极支架9依次由主轴10下端穿入，轴承端盖6将第一轴承8与阳极支架9固定，整体可沿主轴上下滑动；长螺栓11穿过阳极支架9的上固定孔，旋入转接架13上的内螺纹孔内，顶丝7旋入阳极支架9的内螺纹孔内使阳极支架9与长螺栓11相对固定；阳极抛光轮4由主轴10下端穿入，通过过盈配合固定于阳极支架9；紧固螺栓1穿过垫片2与阴极抛光轮3旋入主轴10下端的内螺纹孔内，将阴极抛光轮3固定于主轴10下端；导线5将长螺栓11与阳极抛光轮4导通。

图2为该发明装置的电机座结构示意图，步进电机19通过普通螺栓固定于内螺纹孔20；转接架13通过普通螺栓固定于内螺纹孔21。

图3为该发明装置的转接架结构示意图，长螺栓11旋入内螺纹孔22；转接架13通过普通螺栓穿过通孔22固定于内螺纹孔21。

图4为该发明装置的阳极支架结构示意图，长螺栓11穿过阳极支架上固定孔25并旋入转接架13的内螺纹孔22；顶丝7旋入顶丝孔24将阳极支架9固定于长螺栓11；轴承端盖6通过普通螺栓固定于内螺纹孔26。

图5为该发明装置的轴承端盖结构示意图，轴承端盖6通过普通螺栓穿过通孔27固定于内螺纹孔26。

图6为该发明装置的阴极抛光轮结构示意图。

图7为该发明装置的阳极抛光轮结构示意图。

图8为该发明装置的抛光轮附近电场矢量示意图。从微观的角度来看，电流变粒子会沿电场线形成许多具有一定抗剪切屈服强度的链状结构，并将磨料粒子束缚在内。这些粒子链与工件表面接触并有相对运动时，就会切削去除工件表面材料，达到抛光的目的。

工作时，根据工件形状选择大小合适的抛光轮，按上述步骤组装抛光装置，挂载于多自由度高精度数控机床或机械手；拧松顶丝7，使阳极支架9可以沿长螺栓11和主轴10自由滑动；调节阳极抛光轮4与阴极抛光轮3之间的间距，旋紧顶丝9；将高压电源正极与长螺栓11相连；接通机床电源，将抛光装置移至工件29的抛光区域，加入电流变抛光液28；旋开高压电源，调节电压大小，通过数控系统驱动步进电机19带动主轴10与阴极抛光轮3旋转，进行抛光。

该抛光装置的工作过程如图9所示，该装置在计算机的控制下可以对小型光学元件进行确定性的高精度抛光。

Claims (6)

1.一种极板间距可调的轮式电流变抛光装置，包括阴极抛光轮、阳极抛光轮、轴承、主轴、齿轮，其特征在于装置还包括紧固螺栓、垫片、导线、轴承端盖、顶丝、阳极支架、长螺栓、转接架、套筒、电机座和步进电机；上述部件的连接关系为：主轴通过第三轴承固定于电机座；主动齿轮通过平键连接固定于步进电机轴，从动齿轮套在主轴上与主动齿轮啮合；利用第二轴承将主轴与转接架连接，第二轴承和从动齿轮之间放置套筒，转接架固定于电机座；阳极支架通过第一轴承与主轴连接，轴承端盖将轴承和阳极支架固定，整体可沿主轴滑动；长螺栓穿过阳极支架旋入转接架的内螺纹孔内；利用顶丝结构通过阳极支架上固定孔将阳极支架相对于长螺栓固定；阳极抛光轮通过过盈配合套在阳极支架上，阴极抛光轮通过紧固螺栓穿过垫片固定于主轴的下端，并与阳极抛光轮保持平行；工作时，松开顶丝，沿主轴方向滑动阳极抛光轮，位置调节合适后旋紧顶丝，固定阳极抛光轮的位置；阴极抛光轮通过主轴、紧固螺栓、轴承、电机座与电机外壳相连接地；高压电源正极通过长螺栓和导线接通阳极抛光轮；通过多自由度精密数控机床将抛光装置移至抛光区域，将混有磨料的电流变液体加入抛光区域，其会在电场作用下变为粘塑性固体；步进电机通过齿轮驱动主轴转动，进而带动阴极抛光轮相对阳极抛光轮转动，阴极抛光轮转动时与阳极抛光轮平行；电流变抛光液随着阴极抛光轮相对工件表面运动产生切削，实现抛光。

2.根据权利要求1所述的极板间距可调的轮式电流变抛光装置，其特征在于所述抛光装置的抛光轮部分由两片形状相似半径相同的平行轮状极板组成，阳极抛光轮固定，阴极抛光轮相对于阳极抛光轮转动。

3.根据权利要求1所述的极板间距可调的轮式电流变抛光装置，其特征在于所述阳极抛光轮、阳极支架、第一轴承和轴承端盖组成的整体可通过沿主轴滑动的方式来调节阴阳极抛光轮间距。

4.根据权利要求1所述的极板间距可调的轮式电流变抛光装置，其特征在于所述抛光装置使用与主轴平行的长螺栓以保证阳极抛光轮固定并与阴极抛光轮平行。

5.根据权利要求1所述的极板间距可调的轮式电流变抛光装置，其特征在于所述长螺栓、导线、主轴和电机座须采用高电导率的硬质材料制成。

6.根据权利要求1所述的极板间距可调的轮式电流变抛光装置，其特征在于所述阳极支架和转接架采用绝缘硬质材料制成。