CN104191369A - 一种集群磁流变抛光垫性能测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集群磁流变抛光垫性能测试装置及方法。测试装置包括CNC机床主轴、压电式传感器、测针、抛光盘、磁性体、集群磁流变抛光垫，测针安装在微型压电式传感器上，压电式传感器安装在CNC机床主轴上，压电式传感器的受力感应面与抛光盘所测力方向垂直，磁场发生器镶嵌于抛光盘内，抛光盘的抛光面上喷射磁流变抛光工作液，压电式传感器的输出端通过A/D转换器连接计算机。本发明能准确测量集群磁流变抛光垫对测针的正压力和剪切力，利用CNC系统控制测针与抛光盘之间的相对位置，调节抛光盘的转速，能测取集群磁流变抛光垫不同位置和不同状态的抛光力分布，得到正压力和剪切力沿抛光垫径向与法向的变化，达到对集群磁流变抛光垫性能定量检测的目的。

Description

一种集群磁流变抛光垫性能测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及集群磁流变平面抛光过程中抛光垫性能测试，具体涉及一种集群磁流变抛光垫的硬度和弹力的测量方法，属于集群磁流变抛光垫性能定量测试分析方法。本发明还涉及所述集群磁流变抛光垫性能测试方法所使用的装置。

背景技术

随着微电子/光电子产业的发展，超光滑表面的加工需求越来越多，如CD/DVD光学读数头、光纤通讯中光/电（PD）和电/光(LD)信号转换器、投影仪、激光打印机、IC（集成电路）的芯片衬底、光盘模具等，这些元件要求表面精度达到超光滑程度，面型精度也有较高的要求，需要严格控制亚表面损伤，抛光是最终得到超光滑表面的有效加工方法。

集群磁流变抛光是一种基于磁流变效应的抛光方法，在磁流变液中加入游离磨料作为抛光工作液喷射在内部镶嵌磁性体的抛光盘上，在磁场作用下产生磁流变效应，磁流变抛光工作液中的铁磁粒子成串排列将磨料微粒包裹、约束在磁性体端面，形成柔性微磨头，多个微磨头集群构成抛光盘面的集群磁流变抛光垫使磨粒处于半固着状态，对工件表面进行抛光加工。作为一种柔性抛光方法，磁流变抛光技术已经成为光学材料抛光的主要工艺方法之一。

磁流变抛光数学模型建立的依据是在抛光加工过程中为人们所普遍接受的Preston方程: 

                (1)             

式中：r表示被加工工件材料的去除率；K是Preston常数；P是工件表面受到的正压力；是工件表面受到的剪切力；是摩擦系数；V是抛光盘表面与工件表面的相对速度。可见抛光过程中工件表面受到的正压力与剪切力是决定性影响因素，研究集群磁流变抛光垫对工件表面的作用力对于研究集群磁流变抛光加工机理具有十分重要的意义。但长期以来，针对磁流变抛光技术的研究主要集中在磁流变抛光装备、抛光工艺、抛光液组分等方面，鲜见针对磁流变抛光垫性能的研究，有关磁流变抛光过程研究绝大部分都是通过数学建模、理论计算的方式，由于以实验方法定量测取抛光垫作用力方面的缺失，无法与实际磁流变抛光过程中的正压力和剪切力进行对比分析，成为深入研究磁流变抛光技术的瓶颈。本发明提出了一种集群磁流变抛光垫性能测试方法及其装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，使用方便的集群磁流变抛光垫性能测试装置。

本发明的另一目的在于提供一种集群磁流变抛光垫性能测试方法。本发明针对集群磁流变效应抛光过程的特点，能快速高效测取集群磁流变抛光过程作用力，实现对集群磁流变抛光垫性能（硬度、弹力）的定量分析。

本发明的集群磁流变抛光垫性能测试装置，包括有CNC机床主轴、压电式传感器、测针、抛光盘、 磁性体、集群磁流变抛光垫，测针安装在微型压电式传感器上，压电式传感器安装在CNC机床主轴上，压电式传感器的受力感应面与抛光盘所测力方向垂直，磁场发生器镶嵌于抛光盘内，抛光盘的抛光面上喷射磁流变抛光工作液，压电式传感器的输出端连接A/D转换器，A/D转换器通过数据线连接到计算机接口。

本发明所提供的集群磁流变抛光垫性能测试方法，包括如下步骤：

1）将若干个磁性体按照一定阵列方式镶嵌于抛光盘内构成磁场发生器，在抛光盘的盘面形成所需分布的高梯度磁场；

2）将配制好的磁流变抛光工作液注入储存箱，采用搅拌器对磁流变抛光工作液进行搅拌和循环；

3）将测针安装在压电传感器上，压电传感器传感器通过装夹工具头安装在CNC机床主轴上，压电式传感器输出端连接A/D转换器，A/D转换卡通过数据线连接计算机；

4）使用蠕动泵将磁流变抛光工作液喷洒到抛光盘上，在磁场的作用下磁流变工作液产生磁流变效应，以及磁性体集群作用效果在抛光盘面上形成一定厚度的集群磁流变抛光垫；

5）向CNC机床的控制系统中输入测量运动程序，调节抛光盘的转速，设置机床主轴的Z向运动以及X、Y向的进给运动，以自动控制测针与抛光盘之间的相对运动，改变采样点，模拟集群磁流变抛光过程中抛光垫与工件之间的相对作用；

6）调节CNC运动控制程序，测取测针处于集群磁流变抛光垫不同位置的抛光力，得到正压力和剪切力分布场，可以绘制出集群磁流变抛光垫的作用力场分布图。

本发明的集群磁流变抛光垫性能测试方法，可以选择单向力压电传感器，也可以选择双向力、三向力压电传感器获其他原理的测力传感器。若压电式传感器是单向，可分别测量集群磁流变抛光垫对工件沿X、Y、Z轴方向的作用力，测量沿X、Y方向力时，压电传感器与测针旋转90°与主轴连接（横向放置）；测量沿Z轴力时，压电传感器与正常主轴连接垂直于抛光盘面。若压电传感器是双向或三向的，则可以同时测得某点处集群磁流变抛光垫对工件沿X、Y、Z轴方向的作用力，压电式传感器与正常主轴连接，垂直于抛光盘面。

本发明是基于磁流变效应抛光过程，将抛光磨粒混入磁流变液作为抛光工作液，将多个磁性体镶嵌在盘光盘内部形成分布式梯度磁场，抛光工作液喷射到抛光盘表面形成动态的磁流变抛光垫约束和聚集游离磨粒实现对工件的抛光。将微细非磁性材料（如硬铝）测针联接在微型压电式传感器上，压电式传感器通过连接杆安装在机床主轴上，其受力感应面与所测力的方向垂直，测针受到的力传递到传感器受力感应面。利用数控运动控制测针与抛光盘面之间的距离及相对位置，可以测取集群磁流变抛光垫的作用力场，并可以得到正压力和剪切力分布值，达到对集群磁流变抛光垫性能精确定量测试的目的。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明能够准确测量集群磁流变抛光垫的正压力和剪切力，集群磁流变抛光垫对工件表面的正压力和剪切力是集群磁流变抛光过程中产生材料微量去除的关键，正压力和剪切力是磁流变抛光过程研究的主要参数。本发明提出的集群磁流变抛光垫性能测试方法是一种定量测试方法，能定量测取抛光过程集群磁流变抛光垫的正压力和剪切力，测量结果准确、测试过程快速、高效、自动化。

附图说明

图1是本发明采用单个圆柱磁铁产生磁场的磁场发生装置的示意图。

图2是本发明采用两个圆柱磁铁产生磁场的磁场发生装置的示意图。

图3是本发明采用单环形集群圆柱磁铁的排布方式产生磁场的磁场发生装置的示意图。

图4是本发明采用双环形集群圆柱磁铁的排布方式产生磁场的磁场发生装置的示意图。

图5是本发明采用环形永磁体产生磁场的磁场发生装置的示意图。

图6是使用本发明的方法测量正压力的示意图。

      图7是使用本发明的方法测量沿X、Y方向剪切力的示意图。

      图8是使用本发明的方法利用三向压电传感器同时测量Z向正压力及沿X、Y方向剪切力的示意图。

图中：1.CNC机床主轴，2.压电式传感器，3.测针，4.抛光盘，5. 磁性体，6.集群磁流变抛光垫，7.传感器连接杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但实际可实现的测量对象不限于这些实施例：

本发明的集群磁流变抛光垫性能测试装置，包括有CNC机床主轴1、压电式传感器2、测针3、抛光盘4、 磁性体5、集群磁流变抛光垫6、传感器连接杆7，测针3安装在微型压电式传感器2上，压电式传感器2通过装夹工具头安装在CNC机床主轴1上，压电式传感器2的受力感应面与抛光盘4所测力方向垂直，磁场发生器镶嵌于抛光盘4内，抛光盘4的抛光面上喷射磁流变抛光工作液，压电式传感器2的输出端连接A/D转换器，A/D转换器通过数据线连接到计算机接口。

本实施例中，上述使用蠕动泵将磁流变抛光工作液喷射到抛光盘4的抛光面上；上述抛光盘4是非磁抛光盘。上述压电式传感器2可通过装夹工具头直接安装在CNC机床主轴1上；当测量剪切力时，压电式传感器2通过传感器连接杆7安装在CNC机床主轴1上，其中传感器连接杆7安装在CNC机床主轴1上，压电式传感器2安装在传感器连接杆7的一端，测针3安装在传感器连接杆7的另一端。本实施例中，传感器连接杆7通过螺纹连接的方式与机床主轴1连接。

本实施例中，上述磁场发生器包括有若干个磁性体5，若干个磁性体5按照阵列方式镶嵌于抛光盘4内；上述若干磁性体5按照如下阵列方式镶嵌于抛光盘4内：单个磁性体5排布，参照图1；或两个磁性体5排布，参照图2；或若干磁性体5按照单环形阵列排布，参照图3；或若干磁性体5按照双环形阵列排布，参照图4；或者直接将环形永磁体镶嵌在抛光盘4内，参照图5，磁性体排列形式会对磁流变抛光垫性能起决定作用。本发明可以精确测试各种磁场发生器产生的集群磁流变抛光垫的性能。本实施例中，上述磁性体5可以是永磁体，如采用Nd-Fe-B永磁体阵列构成，或使用电磁体。其形状可以是圆柱形，也可以是其他适当的形状。

本实施例中，上述磁性体5是圆柱形磁性体，每个磁性体的直径D为Φ8～30mm。

本实施例中，上述测针3是不导磁的微细硬铝测针。

本实施例中，上述压电式传感器2是单向微型压电式传感器，或双向微型压电式传感器，或三向微型压电式传感器，传感器的测力范围为0.01～50N，若压电式传感器是单向微型压电式传感器，测量集群磁流变抛光垫对工件的剪切力时，压电传感器2横向安装，使得压电式传感器2的压电晶片处于竖直方向；若压电式传感器2是双向或三向微型压电式传感器，沿X、Y轴的作用力时，则压电式传感器2与正常主轴连接，压电式传感器2垂直放置，使得压电式传感器2的压电晶片处于水平方向）。

本实施例中，上述A/D转换器使用DEWE 43V。

本发明集群磁流变抛光垫性能测试装置的测试方法，包括如下步骤：

1）将若干个磁性体5按照一定阵列方式镶嵌于抛光盘4内构成磁场发生器，在抛光盘4的盘面形成所需分布的高梯度磁场；

2）将配制好的磁流变抛光工作液注入储存箱，采用搅拌器对磁流变抛光工作液进行搅拌和循环；

3）将测针3安装在压电传感器2上，压电传感器传感器2通过装夹工具头安装在CNC机床主轴1上，压电式传感器2输出端连接A/D转换器，A/D转换卡通过数据线连接计算机；

4）使用蠕动泵将磁流变抛光工作液喷洒到抛光盘4上，在磁场的作用下，磁流变抛光工作液的集群作用的效果使在抛光盘面4上形成一定厚度的集群磁流变抛光垫；

5）向CNC机床1的控制系统中输入测量运动程序（G代码），调节抛光盘4的转速，设置机床主轴的Z向运动以及X、Y向的进给运动，以自动控制测针3与抛光盘4之间的相对运动，改变采样点，模拟集群磁流变抛光过程中抛光垫与工件之间的相对作用；

6）调节CNC运动控制程序，测取测针3处于集群磁流变抛光垫不同位置的抛光力，得到正压力和剪切力分布场，可以绘制出集群磁流变抛光垫的作用力场分布图。

本实施例中，上述步骤2）中，将磁流变抛光工作液注入恒温搅拌装置中，搅拌棒以一定转速搅拌，如100～500 r/min，蠕动泵的流量为800～2200ml/min，磁流变抛光工作液的工作温度控制在室温。

本实施例中，上述步骤2）中，所用磁流变抛光工作液由羰基铁粉、磨料、去离子水、甘油、分散剂等组成，它们的质量配比是：羰基铁粉（CIPs）30～40 %wt、磨粒（金刚石粉、碳化硅、氧化铝、氧化铈、二氧化硅等）2～10 %wt、去离子水50～70 %wt、甘油8 %wt、分散剂8 %wt，根据实际需要配比有所不同；上述步骤5）中，抛光盘4的转速为0～180rpm，Z轴方向进给速率不大于0.8 m/min，X、Y轴方向进给速率不大于1.2 m/min；上述步骤6）中，集群磁流变抛光垫性能测试过程中，测针的运动控制通过编辑机床主轴的控制程序（G代码），实现测针3运动轨迹覆盖集群磁流变抛光垫的整个表面以及不同高度，以获取测针3与集群磁流变抛光垫6作用的抛光力。

下面结合实施例说明本发明的具体实施方式：

实施例1：利用单向压电传感器测量集群磁流变抛光垫对工件的正压力

步骤一：将端面磁场强度为2000Gs的集群圆柱形永磁体5镶嵌在抗磁抛光盘4上，在抛光盘面上形成集群分布式高梯度磁场；

步骤二：按照羰基铁粉（CIPs）30～40 %wt、磨粒（金刚石粉、碳化硅、氧化铝、氧化铈、二氧化硅等）2～10 %wt、去离子水50～70 %wt、甘油8 %wt、分散剂8 %wt的比例配置磁流变抛光工作液，将配制好的磁流变抛光工作液注入储存箱中，采用搅拌器对磁流变抛光工作液进行循环搅拌；

步骤三：将不导磁的微细硬铝测针3安装在微型压电式传感器2上，微型传感器2通过装夹工具头安装在CNC机床主轴1上，传感器的受力感应面与所测力方向垂直。将压电式传感器2输出端连接多功能A/D转换器（通常使用DEWE 43V，但不仅限于此类转换器），再通过数据线连接到计算机接口；

步骤四：使用蠕动泵将磁流变抛光工作液喷射到抛光盘面4上，在磁场作用下，羰基铁粉粒子将迅速沿着磁力线排列成磁性链而形成磁链串结构（响应时间在毫米级），集群作用效果致使在抛光盘面4上形成一定厚度的集群磁流变抛光垫；

步骤五：向CNC机床的控制系统输入测量运动程序（G代码），调节抛光盘4的转速0～180rpm，模拟抛光时的运动状态， Z轴运动速率不大于0.8 m/min，X、Y轴向进给速率不大于1.2 m/min，Z轴运动和X、Y轴进给运动互相配合可以自动控制微型测针3与抛光盘4之间的相对运动，实现采样点的移动，模拟集群磁流变抛光过程中集群磁流变抛光垫与工件之间的相对作用。

步骤六：调节CNC运动控制程序，测量微型测针3处于集群磁流变抛光垫不同点处所受的正压力，得到正压力沿X轴（径向）与Z轴（法向）的变化曲线绘制集群磁流变抛光垫的正压力场分布图。

实施例2：利用单向压电传感器测量集群磁流变抛光垫对工件的剪切力

如图3所示，测量剪切力与测量正压力的区别在于压电传感器的安装位置不同，压电传感器的受力感应面垂直于剪切力的方向，当测量沿X轴方向剪切力时，压电传感器受力感应面垂直于X轴方向；当测量沿Y轴方向剪切力时，压电传感器受力感应面垂直于Y轴方向，其他步骤与实施例1相同。

实施例3：利用双向/三向压电传感器同时测量集群磁流变抛光垫对工件的正压力和剪切力。

如图4所示，采用三向力压电传感器，可以同时测量某点处集群磁流变抛光垫对工件的正压力和剪切力沿X、Y方向的分量，传感器安装方式与实施例1相同，三路力的信号可以通过多路A/D转换卡转换为数字信号输送到计算机。

从上述实施例可以看出，本发明的集群磁流变抛光垫性能测试（硬度、弹力）方法，采用了测针测取局部点抛光作用力，采用CNC系统控制测针和抛光盘的运动，模拟抛光过程工件与集群磁流变抛光垫的相互作用，与真实抛光过程条件一样，能够准确测出集群磁流变抛光垫对工件的正压力和剪切力，可以准确反映抛光垫的硬度和弹力。本发明利用了机床CNC系统，使得整个测试过程自动化、稳定可靠，操作简单方便，是一种精确、高效、可靠的集群磁流变抛光垫性能测试方法。

上述的具体实施方式只是针对本发明进行的说明，在不偏离权利要求的宗旨和范围内，可以有多种形式和细节的变化。

Claims (10)

1.一种集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于包括有CNC机床主轴、压电式传感器、测针、抛光盘、 磁性体、集群磁流变抛光垫，测针安装在微型压电式传感器上，压电式传感器安装在CNC机床主轴上，压电式传感器的受力感应面与抛光盘所测力方向垂直，磁场发生器镶嵌于抛光盘内，抛光盘的抛光面上喷射磁流变抛光工作液，压电式传感器的输出端连接A/D转换器，A/D转换器通过数据线连接到计算机接口。

2.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于上述使用蠕动泵将磁流变抛光工作液喷射到抛光盘的抛光面上；上述抛光盘是非磁抛光盘；压电式传感器通过装夹工具头安装在CNC机床主轴上，或压电式传感器通过传感器连接杆安装在CNC机床主轴上，其中传感器连接杆安装在CNC机床主轴上，压电式传感器安装在传感器连接杆的一端，测针安装在传感器连接杆的另一端。

3.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于上述磁场发生器包括有若干个磁性体），若干个磁性体按照阵列方式镶嵌于抛光盘内；上述若干磁性体按照如下阵列方式镶嵌于抛光盘内：若干磁性体按照单环形阵列排布，或若干磁性体按照双环形阵列排布，或者直接将环形永磁体镶嵌在抛光盘内，以形成所需的分布磁场。

4.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于上述磁性体是采用Nd-Fe-B永磁体阵列构成，或使用电磁铁。

5.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于上述磁性体是圆柱形磁性体，每个磁性体的直径D为Φ8～30mm。

6.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于上述测针是不导磁的微细硬铝测针。

7.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置，其特征在于上述压电式传感器是单向微型压电式传感器，或双向微型压电式传感器，或三向微型压电式传感器，传感器的测力范围为0.01～50N，若压电式传感器是单向微型压电式传感器，测量集群磁流变抛光垫对工件的剪切力时，压电传感器横向安装，使得压电传感器的压电晶片处于竖直方向；若压电式传感器是双向或三向微型压电式传感器，沿X、Y轴的作用力时，则压电式传感器与正常主轴连接垂直放置，使得压电传感器的压电晶片处于水平方向。

8.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将若干个磁性体按照一定阵列方式镶嵌于抛光盘内构成磁场发生器，在抛光盘的盘面形成所需分布的高梯度磁场；

2）将配制好的磁流变抛光工作液注入储存箱，采用搅拌器对磁流变抛光工作液进行搅拌和循环；

3）将测针安装在压电传感器上，压电传感器传感器通过装夹工具头安装在CNC机床主轴上，压电式传感器输出端连接A/D转换器，A/D转换卡通过数据线连接计算机；

4）使用蠕动泵将磁流变抛光工作液喷洒到抛光盘上，在磁场的作用下磁流变工作液产生磁流变效应，以及磁性体集群作用效果在抛光盘面上形成一定厚度的集群磁流变抛光垫；

5）向CNC机床的控制系统中输入测量运动程序，调节抛光盘的转速，设置机床主轴的Z向运动以及X、Y向的进给运动，以自动控制测针与抛光盘之间的相对运动，改变采样点，模拟集群磁流变抛光过程中抛光垫与工件之间的相对作用；

6）调节CNC运动控制程序，测取测针处于集群磁流变抛光垫不同位置的抛光力，得到正压力和剪切力分布场，可以绘制出集群磁流变抛光垫的作用力场分布图。

9.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置的测试方法，其特征在于上述步骤2）中，将磁流变抛光工作液注入恒温搅拌装置中，搅拌棒以转速100～500 r/min进行搅拌，蠕动泵的流量为800～2200ml/min，磁流变抛光工作液的工作温度控制在室温。

10.根据权利要求1所述的集群磁流变抛光垫性能测试装置的测试方法，其特征在于上述步骤2）中，所用磁流变抛光工作液由羰基铁粉、磨料、去离子水、甘油、分散剂等组成，它们的质量配比是：羰基铁粉（CIPs）30～40 %wt、磨粒2～10 %wt、去离子水50～70 %wt、甘油8 %wt、分散剂8 %wt，根据实际需要配比有所不同；上述步骤5）中，抛光盘的转速为0～180rpm，Z轴方向进给速率不大于0.8 m/min，X、Y轴方向进给速率不大于1.2 m/min；上述步骤6）中，集群磁流变抛光垫性能测试过程中，测针的运动控制通过编辑机床主轴的控制程序，实现测针运动轨迹覆盖集群磁流变抛光垫的整个表面以及不同高度，以获取测针与集群磁流变抛光垫作用的抛光力。