CN103269828A - 用于基材磁流变抛光的系统 - Google Patents

Abstract

用于基材的磁流变抛光的系统。集成流体管理模块(IFMM)提供了在常规MR抛光装置上的MR流体的流变流体性能的动态控制，并将流体分配到轮。充有MR流体的磁屏蔽腔室与承载轮接触。当带状物离开加工区域时，横向线从所述轮上去除使用过的MR流体。补充流体通过滴头加入到所述腔室中，以及优选地，电动混合器搅拌所述腔室内的MR流体。当所述轮转动时，在所述腔室的出口处的槽磁屏蔽插入物在所述承载轮上形成了抛光带。对磁性粒子浓度敏感的传感器提供了用于控制MR流体性质，尤其是在所述MR流体中水含量的信号。在所述腔室内提供了用于冷却流体的装置。

Description

用于基材磁流变抛光的系统

技术领域

本发明涉及用于基材的磁辅助的磨蚀性抛光和磨光的系统；更特别地涉及，采用磁流变(MR)抛光流体的系统；以及最特别地，涉及改善的和低成本的系统，其中抛光操作不需要MR流体输送系统，和该抛光操作由通过新型集成管理模块(IFMM)形成的磁性硬化抛光带来执行，所述新型集成管理模块装有MR抛光流体，并具有传感器，以及提供MR流体性能的适当动态控制的MR流体调节装置。

背景技术

使用磁性硬化的磁流变流体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该流体在磁场存在下呈现出磁感应触变行为。所述流体的表观粘度能够磁性地增加多个量级，使得所述流体的稠度从几乎水状改变至非常稠厚的膏。当将这种膏适当地施加至待成型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。

Kordonsky等人的于1995年09月12日授权的美国专利No.5449313以及1996年11月26日授权的美国专利No.5577948公开了磁流变抛光设备和方法。

Kordonsky等人的于1996年06月11日授权的美国专利No.5525249公开了磁流变流体及其制造方法。

Jacobs等人的于1998年11月24日授权的美国专利No.5839944以及2000年08月22日授权的美国专利No.6106380公开了用于基材的确定性磁流变抛光的方法和装置。

Kordonski等人的于1999年09月14日授权的美国专利No.5951369(其公开内容在此引入作为参考)公开了用于基材的确定性磁流变抛光的系统，该专利在本文称为“'369”。

在示例性MR抛光界面中，待抛光的凸透镜(这里也称为“工件”)被安装在距移动壁的一定距离处，使得所述透镜的表面和壁形成收敛缺口。典型地，所述透镜被安装成可绕着其轴旋转。放在所述移动壁下方的电磁铁在所述缺口附近产生非均匀磁场。磁场梯度正交于所述壁。将所述MR抛光流体输送到在所述电磁铁磁极片正上方的所述移动壁，以形成抛光带。随着所述带在所述磁场中移动，它获取了塑性宾汉姆(Bingham)属性，以及由于响应磁场梯度的非磁性磨料颗粒的悬浮，所述带的顶层充满磨料。此后，被所述磁场梯度压靠在所述壁上的所述带被拖动通过所述缺口，导致了在所述透镜的接触区中从透镜上除去材料。这个区域被称为“抛光点”或“工作区”。在所述抛光点中的材料除去的速率可以通过控制所述磁场的强度、界面的几何参数，以及所述壁速度来进行控制。

抛光过程采用计算机程序来确定用于改变通过所述抛光点的旋转工件的位置以及速度(停留时间)的CNC机床进度。由于其一致性和亚孔性质，该抛光工具可以抛光复杂表面形状，如具有不断变化局部曲率的非球体。

相较于竞争技术，MRF的基础优点是抛光工具不会磨损，因为再循环的流体是被连续监测和维护的。抛光碎片和热量被连续移除。该技术不需要专用工具或特殊设备。所述MFR工艺的集成元件是MRF软件、带有可编程逻辑控制的CNC平台、MR流体输送和再循环/调节系统、以及具有一体化托架表面的磁性单元。例如，可通过旋转轮的轮缘、通过旋转盘的水平表面或通过连续移动带而形成所述托架表面。

在例如'369中所公开那样的典型现有技术磁流变抛光系统中，在垂直取向的非磁性轮上形成托架表面，所述非磁性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所述轮的相对侧面延伸，以在所述轮的表面上提供磁加工区域，优选在大致上顶-中心死点位置处，所述特殊形状磁极片环绕包含所述轮的旋转轴的垂直平面而对称。所述轮的托架表面可以是平的，即圆柱形部分等，或者是凸的，即球面赤道部分，或者是凹的。所述凸形状是特别有用的，因为它允许具有比轮的半径大的半径的凹面的磨光。

安装在所述加工区域上方的是工件接收器，例如卡盘，以向所述加工区域中延伸待抛光的工件。所述卡盘能够以多种运动模式被编程操作，以及该夹盘最好是由一个可编程控制器或计算机进行控制。

具有预定浓度的非磁性的磨料颗粒和软磁性的磁性颗粒的磁流变抛光流体，典型地从成型喷嘴作为带状物以非磁化状态挤出到所述轮的加工表面上，所述轮将流体携带至所述加工区域，流体在加工区域中变为磁化成膏状稠度。在所述加工区域中，所述膏状MR抛光流体在基材上进行磨蚀性加工。将MR流体暴露在空气中导致了承载流体的部分蒸发和随之而来的所述MR流体的浓缩。离开所述加工区域，所述浓缩流体再次变成非磁化状态，并被从所述轮的加工表面刮离，以进行再循环和再利用。

向所述轮供给流体和从所述轮回收流体由如'369文件中所公开的封闭流体供给系统，或由如美国专利NO.6955589中公开的改善系统进行管理。MR流体被抽吸泵从刮刀取出，并被送至传输泵槽罐中，在该传输泵槽罐中测量并调节其温度至目标值。通过经由使用电磁阀控制输送泵的流速，实现以指定流速的从所述输送泵至喷嘴，并从而通过所述加工区域的再循环，其中液压阻力通过来自流量计的反馈信号控制。

排放到所述轮上的MR流体中的固体浓度是控制所述加工区域中的材料去除速率的重要因素。浓度控制是通过流体粘度的测量和监控完成的，所述流体粘度与其浓度直接相关。通过在线毛细管粘度计进行粘度测量。在恒定的流体流速下，通过毛细管的压力降，也就是说，两个压力传感器之间的压力差与所述流体的粘度成比例。压力降的增加被推断为意味着粘度的增大，并且用来引起承载流体补充至调温泵罐中的MR流体中，以降低表观粘度到目标值。

在使用美国'369和'589公开内容来抛光基材时遇到了多个问题。

现有技术MR抛光系统的操作需要使用传送系统，所述传送系统包括输送泵、抽吸泵、流量计、粘度计、喷嘴、压力换能器、脉冲阻尼器、电磁阀、冷却器和管。该传送系统的成本为相当数量的，并可构成所述MR流体抛光系统总成本的四分之一。

所述输送系统的再填装是一个耗时过程，需要完全拆卸、清洗所有部件、重新组装，以及在装入新鲜流体后试运转，这漫长的过程对生产率和技术的灵活性产生负面影响。

所述输送系统必须在机器中的MR流体的“寿命”期间以不停歇制度进行操作。为了避免由于固体的沉降而引起的MR流体性质的改变，甚至在抛光之间的中间期间，也需要磨蚀性MR流体的连续再循环。这种连续再循环导致了输送系统部件的磨损加快以及额外能量的消耗。

由于任何几个原因引起的在所述输送系统中的MR流体流速的不稳定性(脉动)导致了在基材表面上的不稳定去除速率和误差。

为了提供MR流体的合适循环以及与所述输送系统不同部件的相容性，所述流体必须具有特定的流变/粘性性质和适当的化学性。例如，对于所述去除速率的增大而需要的更大固体浓度而言，这限制了流体组分的选择以及限制了流体组成。

在本领域中所需要的是一种改进的、低成本、低维护以及技术上灵活的MR抛光系统，其中抛光操作不需要现有技术的常规MR流体输送系统。

本发明的主要目的是简化MR抛光系统，以降低系统的建设和操作成本、增加运行时间的百分比、提高被抛光基材的质量和提高系统的灵活性。

发明内容

简要地描述，根据本发明的用于基材的磁流变抛光的改进系统省却了现有技术必需的MR输送系统。

常规地，通过硬磁性抛光带执行抛光操作，该硬磁性抛光带是由新型集成流体管理模块(IFMM)形成的，所述新型集成流体管理模块被设置成靠着承载轮，装有MR抛光流体，并具有针对铁颗粒浓度和流体温度的传感器，所述传感器用于提供适当的信号，该信号用于在IFMM内和在加工区域中的MR流体的流变流体性质的动态控制。优选地，包括用于对在所述设备内的磁流变流体进行调温的装置。

所述IFMM包括具有磁屏蔽腔室的本体，该腔室装有MR流体。所述MR流体通过所述IFMM的动态磁密封装置与所述承载轮相接触，如美国专利No.7156724(本文中称为“'724”)所公开的那样，其相关公开内容通过引用而并入本文。所述密封装置还具有磁屏蔽的设有槽的插入物，该槽限定了这样的挤出器，当所述轮转动时，所述挤出器在承载轮上形成抛光带。所述带在不受磁场影响的轮表面上形成。如在现有技术中那样，在所述腔室中的MR流体由移动轮表面通过所述槽被抽出，然后所述轮表面将所得到的连续的带输送到磁性加工区域，以形成磁化抛光工具。对所述流体中磁性粒子的浓度敏感的传感器安装在所述空腔内，以提供用于动态控制MR流体性质，特别是控制在所述MR流体中的水含量的信号。所述IFMM进一步包含在带状物离开所述加工区域后，从所述轮上去除所述带状物以及在空腔内搅拌MR流体的装置。

附图说明

通过结合附图阅读下面的说明，本发明中的前述以及其它目的、特征和优点，及其目前优选的实施例，变得更加明显，其中：

图1是根据本发明的用于基材的磁流变抛光的改进系统的等距轴测图。

图2是根据本发明的新型IFMM的第一实施方式的正视剖视图，示出了在操作中抵靠载有MR流体带状物的承载轮的模块。

图3是示于图2中的IFMM的详细正视截面图。

图4是示于图2中的IFMM的等距轴测图。

图5是示于图4中的IFMM的剖视图。

图6是根据本发明的IFMM第二实施方式的等距轴测图，以及

图7是示于图6中的IFMM的剖视图。

具体实施方式

参照附图1，示出了用于基材的磁流变抛光的改进系统10。系统10包括与现有技术一致的基础抛光装置12，以及对本发明进行举例说明的新型IFMM14。

现有技术的抛光装置12可包括，例如，平台16、底座18、电机20、轮驱动单元22、轮轴24、安装在轴24上的承载轮26、和电磁铁28。基材或工件30安装在轮26的表面上方，优选在顶-中心死点位置，而且基材或工件30从轮26隔开，从而形成收敛的加工区32，随着通过电动机20使轮26以顺时针方向36旋转，低粘度的MR带状物34a被轮26连续地载入到加工区域32中。在加工区域32中，电磁铁28产生的磁场将带状物34磁流变地硬化到一个非常高的伪-粘度。所述带状物也被轮26载出加工区域32和磁场并变成低粘度的使用过的带状物34b。

现有技术中的MR抛光装置12还包括包含在底座18内的MR输送系统和用于将带状物34a施加至轮的流体挤出喷嘴，本发明的FMM14消除了对其的需求。现有技术抛光装置的详细布局和布置在引用的参考文件中充分公开，和在此不需要进一步的讨论。

如下文所述，现参考图1-图5，新型IFMM14取代现有技术的MR流体输送系统和挤出喷嘴。设置IFMM14以从轮26除去用过的带状物34b、对所述使用过的MR流体进行补充和调温，并将经补充的MR流体的带状物34a挤出至所述轮上。

IFMM14包含由磁屏蔽材料形成的通常为圆柱形的杯形壳体40，以防止在所述IFMM内的MR流体的磁化。壳体40在其开口端周围提供有表面42，该表面42优选与轮26的表面相似(conformable)，例如，在其中轮表面是球面的切面的应用中，表面42优选地也是具有与轮26基本上相同半径的球形。壳体40包含腔室44，所述腔室44具有用于进入带状物34b的入口槽46和用于分配所挤出的带状物34a的出口槽48。设置在壳体40中表面42的内侧的是包含多个条形磁体52的局部环50，所述条形磁体52限定除从出口槽48被分配外而防止MR流体离开腔室44的磁性密封装置，基本上如被并入的参考文献’724所公开的那样。滴头管54向腔室44提供了用于将流体55例如MR流体、补充液等分配到其中的通道。在第一和第二标杆(post)58a、58b之间拉紧的带状物导流线56，延伸穿过所述入口槽46的内部端，并与轮26的表面相接触，以使来自轮26的使用过的带状物34b转向进入腔室44中。线56由旋钮60张紧且可以由尼龙、不锈钢、铜等制成。将电动混合器电机62和混合器叶轮64布置在壳体40上并延伸到腔室44中，以将流体55和用过的MR流体34b混合以产生用于再利用的经补充的MR流体34a。传感器66被布置在腔室44的壁中，与混合的和经补充的MR流体34a相接触，以用来测定其中的磁性颗粒的浓度。电导管68允许有分别连接电机62和传感器66的导线70、72的通道。具有特殊形状的槽76的成形插入物74被布置成毗邻出口槽48，以用来通过从腔室44挤出而在轮26上形成经补充的MR流体34a的新带状物。插入物(insert)74和槽76一起限定了带状物挤出器。

在操作中，当轮26转动时，所述(外场)磁屏蔽的IFMM腔室44装入给定体积的MR流体34(例如，通过穿过滴头管54的注射器)。轮26的表面经过与相邻的磁销52磁屏蔽的槽76运载出低粘度的MR抛光流体34a，从而在所述轮表面上形成了带状物34a。所述槽的几何形状限定了所述带状物的形状，所述形状与加工区域32的工件插入深度一起影响了去除功能容积去除率和定点(spot)抛光分辨率(较小的定点就可以解决更小的表面误差)。因此，所述槽的几何形状是控制带状物的形状和系统抛光性能的重要因素。槽74可以是具有不同槽或只有易于更换槽插入物的模块。

传递到加工区域32中时，带状物34a被在该加工区域中的磁场磁化，形成抛光工具。

在通过加工区域32后，所述带状物，现在的34b进入磁屏蔽IFMM腔室44，消磁，并被非磁性带导流线56从轮的表面去除，形成喷流，该喷流和轮表面一起搅拌MR流体并促进与补充载流体如通过滴头管54注入的水的混合。可使用合适装置如由并入到所述模块本体中的电机62驱动的可选旋转混合器叶轮64来提供额外的搅拌/混合(例如，在使用相对粘稠的MR流体的情况下)。

带状物形成的过程以及在所述IFMM腔室中的磁流变抛光流体的回收过程是连续的。典型地，水基MR抛光流体用于光学器件抛光。总体系统稳定性和去除速率稳定性对于受控的、高分辨、确定性抛光是必不可少的。由于发生在所述带状物表面上和在IFMM腔室内的水蒸发，材料去除速率可改变。这进而造成了MR流体固体浓度的不期望改变(增加)，所述浓度由并入到腔壁中的传感器66检测。来自传感器66的信号传送到常规反馈环路(控制器，未示出)中以激活喷水器(未示出)来注入维持固体目标浓度所需的一些特定量水。

现在参考图6和图7，显示根据本发明的IFMM的第二实施方式110。

在加工区域32中，高粘度MR抛光流体34经历高剪切力，这可能会产生可观的热量。MR流体温度的提高是不希望的，因为它可能会影响到流体性能以及除去速率。为了提供热量去除和保持恒定的流体温度，在腔室44的后部安装有优选为圆筒形的冷却器80。当前优选的冷却器是可获得的热-电帕尔贴(Peltrierer)元件，例如，来自美国密歇根州特拉弗斯城的TE技术公司。显然，根据本发明，也可以完全理解用于对流体调温的其它装置。温度传感器82例如常规的热电偶、热敏电阻等，安装在所述腔室中。元件80的一个壁与腔室44内的流体34接触，且相对的壁与具有散热片86的圆筒形散热器84相接触，所述散热器84安装在腔室44的后部并包含混合电机62a。外部风扇88冷却散热片86。来自温度传感器82的信号通常传送到反馈环路(未示出)来(使用控制器，未示出)调节DC电源(未示出)的输出，所述DC电源提供了通过所述Peltier元件80的电流。为了做到如此，与MR流体34相接触的壁保持一定的温度，这进而又提供了所需的从MR流体34去除热量和特定的恒定流体温度。显然地，如果需要，也可以使用其它的冷却器布置。

虽然通过参考多个特定的实施方式，已经描述了本发明，但可以理解可在所述的发明构思的精神和范围内，做出多种变化。因此，意图是本发明不局限于所描述的实施方式，而是其完整的定义范围将由以下的权利要求的语言来定义。

Claims (12)

1.用于具有承载轮的磁流变抛光系统中的集成流体管理模块，包含：

a)其中具有磁屏蔽腔室的壳体，所述腔室具有通向所述承载轮表面的开口；

b)在所述腔室内的用于接收使用过的磁流变流体和对其进行补充的装置；以及

c)安装到所述壳体的带状物挤出器，其用于从所述腔室将经补充的磁流变流体的带状物挤出到所述轮表面上。

2.根据权利要求1的系统，进一步包括在所述壳体和所述轮表面之间的密封装置。

3.根据权利要求2的系统，其中所述密封装置部分地围绕着所述开口。

4.根据权利要求2的系统，其中所述密封装置包括多个条形磁体。

5.根据权利要求1的系统，进一步包括设置在所述腔室内的混合器叶轮。

6.根据权利要求5的系统，其中所述混合器叶轮由电机提供动力。

7.根据权利要求1的系统，进一步包括设置在所述本体上的带状物导流线，其用于将使用过的磁流变流体从所述轮的表面引导至所述腔室中。

8.根据权利要求1的系统，进一步包含将流体供给到所述腔室的装置。

9.根据权利要求1的系统，进一步包含用于探测在所述腔室内的磁流变流体中的磁性颗粒的浓度的第一传感器。

10.根据权利要求1的系统，进一步包含用于探测在所述腔室内的磁流变流体的温度的第二传感器。

11.根据权利要求1的系统，进一步包含设置在所述壳体上用于冷却在所述腔室内的磁流变流体和用于从其中散热的装置。

12.用于通过磁流体对基材进行磁流变抛光的系统，包含：

a)承载轮；

b)一对基本上镜像的磁极片，其在所述承载轮相对侧被彼此相对设置，用于在其中使所述磁流变流体磁硬化的加工区域内产生磁场；以及

c)集成流体管理模块，包括

其中具有磁屏蔽腔室的壳体，所述腔室具有通向所述承载轮表面的开口；

在所述腔室内的用于接收使用过的磁流变流体和对其进行补充的装置；以及

安装到所述壳体的带状物挤出器，其用于从所述腔室将经补充的磁流变流体的带状物挤出到所述轮表面上。

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