CN103273385B - 一种匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置及方法。所述装置包括抛光头、固定在主轴上的抛光槽、设于抛光槽下方的磁极，磁极与抛光槽的底部外表面保持一定间隙；所述抛光头包括工件轴、固定在工件轴下端的不导磁夹持器，所述不导磁夹持器与工件轴之间设有软磁板；所述抛光头位于抛光槽上方；磁极与软磁板之间存在匀强磁场；所述抛光槽中装有磁流变液。本发明的装置及方法可实现超光滑大尺寸平面元件的大面积均匀抛光，有效提高抛光效率；可降低工件运动方式的复杂程度，从而简化设备结构；使磁场不易衰减，可获得磁极间隙约30mm匀强磁场；可简单地实现消磁。

Description

一种匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置及方法

技术领域

本发明主要涉及到磁流变抛光的技术领域，尤其涉及一种用于大尺寸平面零件的面接触式磁流变平面抛光装置及方法。

背景技术

随着现代信息电子技术、光学技术以及半导体照明技术的不断进步，超光滑的大尺寸(大于2英寸)平面元件应用越来越多，如光盘模具的表面、蓝宝石衬底片外延表面、单晶硅片表面、各种显示面板等，这类元件的加工批量大，属平面加工，其表面要满足超光滑、残余应力极小、表面损伤层极薄等要求。目前抛光超光滑平面的方法主要有：机械抛光、机械化学抛光、化学机械抛光，这些方法存在（亚）表面损伤重、残余应力大、抛光液污染、返工比率高、报废率高、生产成本高、生产效率低等问题。

磁流变抛光技术是将电磁学、流体动力学、化学等结合在一起形成的一种先进抛光技术，该技术能获得超光滑的表面，且（亚）表面损伤低，可有效解决传统抛光方法存在的问题。

在公开的资料里，美国罗切斯特大学的发明专利（专利ZL96198445.7）是一种磁流变精加工工件表面的方法，该方法将磁流变液置于一转动轮子表面，带动磁流变液进入磁场，工件和磁场保持一定间隙，磁流变液通过间隙是在磁场作用下发生流变反应，形成瞬时抛光工具，可将工件表面与其接触部分的材料去除，这种方法是一种点接触式的抛光方法，虽然加工精度和表面质量很高，但加工效率低，加工成本高，并不适合大尺寸平面元件的非确定性高效批量抛光加工。

美国罗切斯特大学的另一发明专利（专利US5577948）公开了另一种磁流变抛光设备和方法，该方法将磁流变液置于一转动的抛光槽中，抛光槽底部配置各种形式的磁场（单个磁极、多个磁极或者磁轭），磁流变液在抛光槽带动下进入工件和磁场之间的间隙，发生流变反应，实现确定性抛光，这种方法可以实现磁流变液大面积磁化，但磁场强度在磁极表面垂直的方向上衰减很快，抛光槽底部要设计得很薄，制造成本高，而且磁场不均匀，磁流变液硬化后形成的抛光工具硬度不均匀，要实现大尺寸平面元件的大面积均匀抛光，要求工件的运动方式比较复杂，设备结构设计比较复杂。

在国内，广东工业大学的发明专利（专利ZL200620155638.3）公开了一种磁流变效应平面研磨抛光装置，该方法将工件置于旋转工作台上，磁性研磨工具类似于磨床的研磨头，安装在工件上方，可绕主轴旋转，可沿X和Y方向移动，磁性研磨工具可配置点阵式的磁场或环形分布式的磁场，磁流变液用喷嘴加注到磁性研磨工具和工件之间，发生流变反应之后形成阵列磁流变效应研磨刷或连续磁流变效应研磨带，达到高效率研磨加工平面的效果，该方法实现了一种面接触式的抛光，抛光效率高，但所产生的磁场不均匀，要实现大尺寸平面元件的大面积均匀抛光，要求工件的运动方式比较复杂，使得设备的结构复杂化，且加工完成后，不易消磁，磁流变液将粘附在磁性研磨工具上。

西安工业大学的发明专利（专利ZL200820228337.8）公开了一种环带旋转磁流变抛光方法，该方法将磁流变液置于环形磁轭的内外磁极之间，硬化形成一种环带抛光工具，环带抛光工具在内磁极的带动下实现自转，与工件产生相对运动，实现抛光，该方法是一种面接触式的抛光，加工效率与点接触式的抛光比较有了很大的提高，但形成的磁场不是均匀磁场，且工件的尺寸受外磁极尺寸的限制，不适合大尺寸平面元件的大面积均匀抛光。

综上所述，现有的面接触磁流变抛光技术由于磁场没有采用对向磁极配置难以形成均匀磁场，难以实现均匀抛光，同时还存在磁场衰减快，不易消磁等问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足提供一种应用匀强磁场励磁的面接触磁流变平面抛光装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述应用匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置包括抛光头、固定在主轴上的抛光槽、设于抛光槽下方的磁极，磁极与抛光槽的底部外表面保持一定间隙；所述抛光头包括工件轴和固定在工件轴下端的不导磁夹持器，所述不导磁夹持器与工件轴之间设有软磁板；所述抛光头位于抛光槽上方；磁极与软磁板之间存在匀强磁场；所述抛光槽中装有磁流变液。

其中，所述抛光槽内侧底部设有抛光垫，以增加磁流变液和抛光槽之间的粘附力。所述磁极为永磁石或电磁铁。所述工件轴固定于竖直移动平台上。所述软磁板由软磁材料制备而成，软磁材料优选为纯铁或坡莫合金。

一种基于上述抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

（1）    将工件安装在不导磁夹持器下表面，启动主轴，使主轴带动抛光槽转动；

（2）    调整软抛光头与磁极之间的距离，使工件与磁流变液接触；当抛光头靠近磁极时软磁板靠近磁极，软磁板被磁极磁化，在软磁板与磁极之间形成磁场强度为2000—5000高斯、磁极间隙为15—32mm，优选为30mm的匀强磁场，该匀强磁场是大面积的磁场强度均匀的磁场区域，是不易衰减的匀强磁场；匀强磁场使流经工件与磁极之间的磁流变液发生流变反应，硬化形成硬度均匀的大面积硬化区（即，类固态宾汉姆体），硬化区在加工时可作为抛光工具；

（3）    调整匀强磁场强度，启动工件轴，工件则随抛光头一起相对于硬化区转动，使工件在硬化区内被抛光，实现工件的均匀抛光加工；

（4）    工件抛光结束后，启动工件轴，调整调整软抛光头与磁极之间的距离，使工件离开磁流变液，使软磁板远离磁极从而失去磁性，达到消磁的目的。

其中，当磁极为永磁石时，所述步骤（3）是通过调整永磁石与软磁板之间的距离来调整匀强磁场强度；若永磁石向上移动，则减小永磁石与软磁板之间的间隙，使匀强磁场强度增强，使硬化区的硬化程度增强；若永磁石向下移动，则增大永磁石与软磁板的距离，使匀强磁场强度减弱，使硬化区的硬化程度减弱。

当磁极为电磁铁时，所述步骤（3）是通过调整电磁铁的线圈电流来调整匀强磁场强度；若增加电磁铁的线圈电流，则使匀强磁场强度增强，使硬化区的硬化程度增强；若减少电磁铁的线圈电流，则使匀强磁场强度减弱，使硬化区的硬化程度减弱。

另外，在抛光过程中，磁流变液和硬化区受抛光垫的摩擦力作用，随抛光槽转动，实现流体的更新。

下面结合设计原理对本发明作进一步说明：

本发明采用对向磁极配置形成均匀磁场，在抛光槽下面安装磁极，在抛光头上安装软磁板，从而在抛光区形成一种匀强磁场，实现面接触磁流变平面均匀抛光方法。本发明的抛光装置由包括抛光头、抛光槽和磁极组成。抛光头由不导磁夹持器、软磁板和工件主轴组成，软磁板安装在不导磁夹持器和工件轴之间，抛光头配置在磁极的上方。工件安装在不导磁夹持器的下表面，与抛光槽的底部内表面维持一定间隙。抛光槽安装在主轴上，可随主轴旋转，磁流变液置于抛光槽中，抛光槽的底部内表面贴有一层绒毛状或多孔的抛光垫，以增加磁流变液和抛光槽之间的粘附力。磁极配置在抛光槽的下方，与抛光槽的底部外表面保持一定间隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的装置及方法可实现超光滑大尺寸平面元件的大面积均匀抛光，有效提高抛光效率；可降低工件运动方式的复杂程度，从而简化设备结构；使磁场不易衰减，可获得磁极间隙约30mm匀强磁场；可简单地实现消磁。

附图说明

图1为本发明装置工作状态时的结构示意图；

图2为本发明装置工作状态时形成的匀强磁场的示意图；

图3为本发明装置消磁状态的结构示意图；

图4为本发明装置采用电磁铁作为励磁装置的结构示意图。

其中：1-抛光槽；2-磁流变液；3-不导磁夹持器；4-工件；5-软磁板；6-工件轴；7-硬化区；8-主轴；9-抛光垫；10-磁极；11-匀强磁场。

具体实施方式：

实施例1

参见图1和图3，所述应用匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置包括抛光头、固定在主轴8上的抛光槽1、设于抛光槽1下方的磁极10；所述抛光头包括工件轴6、固定在工件轴6下端的不导磁夹持器3，所述不导磁夹持器3与工件轴6之间设有软磁板5；所述抛光头位于抛光槽1上方；磁极10与软磁板5之间存在匀强磁场11，即，磁极10与软磁板5是对齐的；所述抛光槽1中装有磁流变液2。

其中，所述抛光槽1内侧底部设有抛光垫9。所述磁极10为永磁石。所述工件轴6固定于竖直移动平台上。所述软磁板5由软磁材料纯铁制备而成。

实施例2

参见图1和图3，所述应用匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置包括抛光头、固定在主轴8上的抛光槽1、设于抛光槽1下方的磁极10；所述抛光头包括工件轴6、固定在工件轴6下端的不导磁夹持器3，所述不导磁夹持器3与工件轴6之间设有软磁板5；所述抛光头位于抛光槽1上方；磁极10与软磁板5之间存在匀强磁场11，即，磁极10与软磁板5是对齐的；所述抛光槽1中装有磁流变液2。

其中，所述抛光槽1内侧底部设有抛光垫9。所述磁极10为电磁铁。所述工件轴6固定于竖直移动平台上。所述软磁板5由软磁材料坡莫合金制备而成。

实施例3

参见图1至图3，一种基于实施例1所述抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

（1）    将工件4安装在不导磁夹持器3下表面，启动主轴8，使主轴8带动抛光槽1转动；

（2）    抛光头竖直向下移动，永磁石竖直向上移动，调整软抛光头与永磁石之间的距离，使工件4与磁流变液2接触；当抛光头靠近永磁石时软磁板5靠近永磁石，软磁板5被永磁石磁化，在软磁板5与永磁石之间形成磁场强度为2000—5000高斯、磁极间隙为30mm的匀强磁场11；匀强磁场11使流经工件4与永磁石之间的磁流变液2发生流变反应，硬化形成硬化区7；

（3）    通过调整永磁石与软磁板5之间的距离来调整匀强磁场11强度；若永磁石向上移动，则减小永磁石与软磁板5之间的间隙，使匀强磁场11强度增强，使硬化区7的硬化程度增强；若永磁石向下移动，则增大永磁石与软磁板5的距离，使匀强磁场11强度减弱，使硬化区7的硬化程度减弱；启动工件轴6，工件轴6带动工件相对于硬化区7转动，使工件4在硬化区7内被抛光；

（4）    工件抛光结束后，抛光头竖直向上移动，永磁石竖直向下移动，当抛光头上的软磁板5离永磁石较远时，软磁板5失去磁性，其上粘附的类固态磁流变液2恢复成液态，流入抛光槽1中，同时匀强磁场11消失，又因永磁石距离抛光槽1较远，抛光槽1中的硬化区7也随之消失，抛光槽1中的磁流变液2也全部恢复为液态，从而实现消磁。

实施例4

参见图2和图4，一种基于实施例2所述抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：

（1）    将工件4安装在不导磁夹持器3下表面，启动主轴8，使主轴8带动抛光槽1转动；

（2）    调整抛光头与电磁铁之间的距离，使工件4与磁流变液2接触；当抛光头靠近电磁铁时软磁板5靠近电磁铁，软磁板5被电磁铁磁化，在软磁板5与电磁铁之间形成磁场强度为2000—5000高斯、磁极间隙为30mm的匀强磁场11；匀强磁场11使流经工件4与电磁铁之间的磁流变液2发生流变反应，硬化形成硬化区7；

（3）    通过调整电磁铁的线圈电流来调整匀强磁场11强度；若增加电磁铁的线圈电流，则使匀强磁场11强度增强，使硬化区7的硬化程度增强；若减少电磁铁的线圈电流，则使匀强磁场11强度减弱，使硬化区7的硬化程度减弱；启动工件轴6，工件轴6带动工件4相对于硬化区7转动，使工件4在硬化区7内被抛光；

（4）   工件抛光结束后，电磁铁线圈断电，线圈电流为0，电磁铁失去磁性，软磁板5随之失去磁性，其上粘附的类固态磁流变液2恢复成液态，流入抛光槽1中，同时匀强磁场11消失，又因电磁铁失去磁性，抛光槽1中的硬化区7也随之消失，抛光槽1中的磁流变液2也全部恢复为液态，从而实现消磁。

Claims (10)

1.一种应用匀强磁场的面接触磁流变平面抛光装置，它包括抛光头、固定在主轴（8）上的抛光槽（1）、设于抛光槽（1）下方的磁极（10），其特征在于，所述抛光头包括工件轴（6）和固定在工件轴（6）下端的不导磁夹持器（3），所述不导磁夹持器（3）与工件轴（6）之间设有软磁板（5）；所述抛光头位于抛光槽（1）上方；磁极（10）与软磁板（5）之间存在匀强磁场（11）；所述抛光槽（1）中装有磁流变液（2）。

2.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述抛光槽（1）内侧底部设有抛光垫（9）。

3.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述磁极（10）为永磁石或电磁铁。

4.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述工件轴（6）固定于竖直移动平台上。

5.如权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述软磁板（5）由软磁材料制备而成。

6.如权利要求5所述的抛光装置，其特征在于，所述软磁材料为纯铁或坡莫合金。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述抛光装置的抛光方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将工件安装在不导磁夹持器下表面，启动主轴，使主轴带动抛光槽转动；

（2）调整抛光头与磁极之间的距离，使工件与磁流变液接触；当抛光头靠近磁极时软磁板靠近磁极，软磁板被磁极磁化，在软磁板与磁极之间形成磁场强度为2000—5000高斯、磁极间隙为15—32mm的匀强磁场；匀强磁场使流经工件与磁极之间的磁流变液发生流变反应，硬化形成硬化区；

（3）调整匀强磁场强度，启动工件轴，工件随抛光头一起相对硬化区转动，实现抛光；

（4）工件抛光结束后，调整抛光头与磁极之间的距离，使工件离开磁流变液，使软磁板远离磁极从而失去磁性。

8.如权利要求7所述的抛光方法，其特征在于，步骤（2）所述匀强磁场磁极间隙为30mm。

9.如权利要求7所述的抛光方法，其特征在于，当磁极为永磁石时，所述步骤（3）是通过调整永磁石与软磁板之间的距离来调整匀强磁场强度；若永磁石向上移动，则减小永磁石与软磁板之间的间隙，使匀强磁场强度增强，使硬化区的硬化程度增强；若永磁石向下移动，则增大永磁石与软磁板的距离，使匀强磁场强度减弱，使硬化区的硬化程度减弱。

10.如权利要求7所述的抛光方法，其特征在于，当磁极为电磁铁时，所述步骤（3）是通过调整电磁铁的线圈电流来调整匀强磁场强度；若增加电磁铁的线圈电流，则使匀强磁场强度增强，使硬化区的硬化程度增强；若减少电磁铁的线圈电流，则使匀强磁场强度减弱，使硬化区的硬化程度减弱。