CN104308671A - 一种磁流变抛光装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种磁流变抛光装置，抛光头由工件轴、固定在工件轴下端的非导磁夹具和置于非导磁夹具与工件轴之间的软磁板构成；装有磁流变液的载液槽位于抛光头下部，载液槽底部有抛光垫；电磁铁位于载液槽下部，与工件保持12—18mm间距；电磁铁和载液槽由往复传动机机构驱动、与工件抛光表面平行作直线往复运动。利用该装置进行磁流变抛光，电磁铁磁通密度为0.1—0.4T，往复移动的行程略大于或等于工件抛光长度，往复移动速度为0.5—5mm/s。工件在磁场平动与工件转动的复合运动下完成表面材料的去除。该装置具有磁场均化性好、磁流变液在抛光加工区内交换顺畅、加工碎屑易排出、工件抛光表面微观纹理均化性好等优点，尤其适用于狭长工件大平面表面研抛加工。

Description

一种磁流变抛光装置与方法

技术领域

本发明涉及抛光设备和工艺，特别是一种利用磁流变液对工件进行抛光的装置与方法。

背景技术

随着光学技术及半导体照明技术的不断发展，超光滑大尺寸平面元件如：单晶硅表面、显示面板等应用越发广泛。对这些元件的加工，要求满足残余应力小、表面损伤层极薄。而传统超光滑平面加工方法，如机械化学抛光、化学机械抛光，对加工件外表面的腐蚀容易造成亚表面损伤严重、抛光液污染、生产成本高、效率低、报废率高等问题。

磁流变液(Magnetorheological Fluids)是一种新型智能软物质，通过改变磁场能在极短时间内(一般为毫秒级)平稳、快速完成固液两相间的转换，且过程可逆。因其具有良好的力学性能，并可电控，易于实现计算机和网络控制，故其具有极高的应用价值，广泛应用于航空航天、机电工程、汽车工程、土木工程、精密加工工程、控制工程、医疗等领域，被认为是未来最有发展前途的智能材料之一。

磁流变抛光是一种精密加工技术，它是通过在磁流变液中加入抛光粉(磁敏颗粒)，利用磁流变液在强磁场作用下固化，在加工区域形成有一定硬度和弹性、能承受较大剪切应力的所谓宾汉姆黏塑性体(此称为“宾汉姆效应”)，用其作为可控点状区域的抛光工具，对工件进行抛光。为提高抛光效率，可在磁流变液中按一定比例加入金刚石、氧化铝或SiC等磨粒微粉。

ZL201310229989.9专利文献披露了一种磁流变平面抛光装置，由非导磁夹具夹持工件，夹具与工件轴之间设软磁板，与下方的电磁铁配合，形成均匀磁场；主轴带动载液槽，连带抛光垫与磁流变液一同旋转，在工件上下对等布置的磁极作用下，磁流变液发生流变反应形成宾汉姆黏塑性体，对工件完成材料去除、抛光。这种装置的优点是：对等磁极布置能较好地实现匀强磁场，材料去除效率较高；对加工横、纵向尺寸相近的工件表面具有优势。其缺点是：用于抛光狭长工件，其载液槽的直径尺寸势必要设计得很大才行。

ZL200820227337.8专利文献披露了一种用于加工球面光学玻璃表面的环带磁场磁流变抛光装置，它将磁流变液置于环形磁轭内外磁极之间，内磁极带动环带抛光工具自转，与工件发生相对运动，在抛光工件与磁轭间隙形成环带磁场，使间隙中的磁敏颗粒极化，形成宾汉姆黏塑性体，对工件进行抛光。这种抛光装置的环带磁场中空部位磁场不均匀，对平面表面抛光头驻留分配时间相应也不均匀，会使平面零件表面抛光质量下降或加工时间延长。

针对抛光效率的改进，ZL200710062638.8专利文献披露了一种对零件或模具整体完成磁流变抛光的方法，该方法预先用永磁体制作与抛光表面整体形状相吻合的整体式磁性抛光模，加工时将待抛光工件置于抛光模中，并固定于装有磁流变液的载液槽中，利用整体式磁性抛光模的形状适应性和磁流变抛光液的高柔性，采取使抛光模和被抛光整体型面之间的微小相对运动(比如微振)，对型腔芯模具及零件进行简单高效的抛光。这种磁流变抛光的优势在于是针对零件的整体抛光，而不是单独某个面的局部抛光，更适合对复杂型腔芯表面进行抛光。

美国罗切斯特大学W.I.Kordonsky公开了一种磁流变抛光设备，它将磁流变液置于一转动的载液槽中，载液槽底部配置各种形式的磁场(可以是单一、多个磁极或者磁轭)，磁流变液在载液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。其特点是实现了磁流变液的大面积磁化，但磁通密度在磁极表面垂直的方向上衰减的较快，并且磁场为非匀强磁场，磁流变液固化后形成的抛光工具硬度不均匀，对于工件大平面表面研抛加工效果不佳。

《机械设计与制造》2008(10)及《制造技术与机床》2009(11)披露了一种DHU-MRF倒置式磁流变抛光装置，用其进行大尺度光学元件抛光试验，取得粗糙度数据后发现，工件中心层加工稳定性高，向外部进给时磁流变液会溅出，被高速旋转的工件甩出抛光区，使加工质量降低。

《机械工程学报》2014(01)披露了一种集群磁流变平面抛光加工技术，利用集群微磨头的即效固化特征，在抛光装置中变单一磁体为多个微磁柱体，嵌于非导磁基体中，利用磁极的排布方式、尺寸等参数变化影响微磨头的材料去除效率。

以上磁流变装置，大都局限于对横向和纵向尺寸变化不大的光学透镜材料的精密研抛加工，对于平面工件，尤其是狭长工件的平面研抛，其适应性较差，原因是存在两大问题：一是因磁场在平行于抛光表面的方向上不能移动，磁流变液在抛光加工区内交换不畅，使加工碎屑不能及时排出，导致抛光表面微观纹理均化性不好，影响抛光质量；二是如果将其用于平面工件或狭长工件抛光，只有增大载液槽尺寸或增设加工件送进装置，但这不利于简化加工工序。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题提供一种磁场均化性好、磁流变液在抛光加工区内交换顺畅、加工碎屑易排出、工件抛光表面微观纹理均化性好、尤其适用于狭长工件大平面表面研抛加工的磁流变抛光装置与方法。

为实现上述目的，本发明提供的磁流变抛光装置，包括机架，抛光头，载液槽和电磁铁；抛光头由电机驱动的工件轴、固定在工件轴下端的非导磁夹具和置于非导磁夹具与工件轴之间的软磁板构成；载液槽位于抛光头的下部，其中装有磁流变液，载液槽底部有抛光垫；电磁铁位于载液槽的下部，电磁铁与工件的间距为12—18mm；其特征在于：所述电磁铁和载液槽由往复传动机构驱动、与工件抛光表面平行作直线往复运动。

所述往复传动机构包括由上台板、下台板和立板构成的方形移动架，所述电磁铁固定安装在移动架的下台板上，在下台板的底面安装有滑块，与滑块配合的导轨固定安装在基座上，基座固定安装在机架的平台上，利用移动架的立板安装可驱动移动架沿导轨直线往复运动的偏心轮机构；所述载液槽固定安装在移动架的上台板上。

利用上述磁流变抛光装置进行抛光的方法，包括以下步骤：

步骤1、把工件安装在非导磁夹具下面，并浸入载液槽中的磁流变液中，调整电磁铁的上下位置，使其与工件之间的间距为设定值；

步骤2、通过电机启动工件轴转动，带动软磁板、非导磁夹具和工件同步转动；

步骤3、调整电磁铁线圈电流，使电磁铁的磁通密度为0.1—0.4T；

步骤4、调整电磁铁直线往复移动的行程，使其略大于或等于工件抛光长度，使工件表面充分受到宾汉姆效应，得到全面研抛；

步骤5、启动往复传动机构运转，使电磁铁往复移动；调节电磁铁(磁场)的往复移动速度为0.5—5mm/s；在磁场平动与工件转动的复合运动下，完成工件表面材料的去除；

步骤6、抛光结束，关停工件轴和往复传动机构的电机，工件轴和往复传动机构停止运转，电磁铁及软磁板失去磁性，载液槽中以宾汉姆黏塑性体形式存在的磁流变液重新转为液相；使工件离开磁流变液，从非导磁夹具上卸下。

本发明的工作原理是：驱动电机驱动往复传动机构(偏心轮机构)运转，带动电磁铁作往复运动，使磁场位置不断改变。当电磁铁运动到工件正下方区域时(如图4a所示)，载液槽中对应此区域的磁流变液形成具有一定硬度和弹性的类固态宾汉姆黏塑性体，成为能承受较大剪切力的可控的点状区域的抛光工具。该区域的磁流变液中抛光颗粒与工件下表面接触，利用类固态宾汉姆黏塑性体的剪切力对工件正下方表面的一定区域抛光。当电磁铁运动到工件右下方时(如图4b所示)，磁流变液形成的类固态宾汉姆黏塑性体抛光工具亦随之运动到工件的右下方，对工件右下方表面一定区域抛光。因电磁铁与工件的相对位置发生改变，而工件只在原位置转动，电磁铁每左右往复运动一个周期，磁流变液形成的类固态宾汉姆黏塑性体抛光工具对工件下表面完成左右全范围抛光。与此同时，载液槽携带磁流变液随电磁铁同步往复移动，实现抛光区的磁流变液的交换。由上述运动的叠加完成具有良好均化特性表面的抛光过程。随着磁流变液类固态宾汉姆黏塑性体位置的不断改变，加工碎屑则跟随转为液相的磁流变液离开工件抛光区。

本发明磁流变抛光装置与方法与现有技术相比，除具有材料去除效率高、表面损伤接近于零、没有刀具磨损等磁流变抛光的一般优点外，还具有以下优点：

1、本发明通过往复传动机构使磁场由以往的固定不动改变为与工件抛光表面平行作直线往复运动，从而不需增大载液槽尺寸或增设加工件送进装置，即可完成对狭长零件的大平面抛光。

2、本发明增加了抛光头处磁流变液的循环交换，使加工碎屑更容易跟随转为液相的磁流变液及时离开抛光区，有利于改善抛光表面微观纹理均化特性，提高抛光质量。

3、工件与夹具间设有软磁板，对抛光区磁场起补磁作用，有利于抛光区域内磁场的均匀分布。

4、本发明磁流变抛光装置结构简单、紧凑，易于操作。

附图说明

图1为本发明磁流变抛光装置的三维立体图；

图2为图1中抛光总成Z的结构图；

图3为图2的右视图；

图4为本发明抛光原理示意图，其中图4a为电磁铁运动到工件正下方时的磁流变抛光示意图，图4b为电磁铁运动到工件右下方时的磁流变抛光示意图。

图中：1-工件轴，2-软磁板，3-非导磁夹具，4-工件，5-磁流变液，6-抛光垫，7-载液槽，8-线圈骨架，9-电磁铁，10-上台板，11-立板，12-非导磁垫板，13-下台板，14-滑块，15-导轨，16-基座，17-偏心轮机构，18-机架，19-平台，Z-抛光总成。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

结合图1，本发明磁流变抛光装置在机架18上安装可调整左右方向、前后方向和上下方向位置的平台19，在平台19上安装抛光总成Z。如图2和图3所示，抛光总成Z包括抛光头、载液槽7和电磁铁9。其中抛光头由电机(未图示)驱动的工件轴1、固定在工件轴1下端的非导磁夹具3和置于非导磁夹具3与工件轴1之间的软磁板2构成。载液槽7位于抛光头的下部，其中装有磁流变液5，底部铺设抛光垫6(用于改变磁流变液流动时与壁面之间的沿程阻力系数)，载液槽7固定安装在由上台板10、下台板13和立板11(均由非导磁材料制成)构成的方形移动架的上台板10的上部。电磁铁铁芯由相对磁导率较高的软磁材料制成，可选电工纯铁或硅钢，线圈导线选用漆包线，缠绕在塑料线圈骨架8上。将线圈骨架8的下端通过非导磁垫板12固定安装在移动架的下台板13上，通过调整非导磁垫板12的厚度，可使电磁铁与工件4的间距在12-18mm之间可调；在下台板13的底面上安装两滑块14，与滑块14相配合的导轨15固定安装在基座16上，将基座16固定安装在机架18的平台19上。利用移动架右侧立板安装可驱动移动架沿导轨15直线往复运动的偏心轮机构17。偏心轮机构用非导磁材料制成，采用封闭式结构。抛光装置的其余大部分构成为非导磁材质，以避免磁场发生变化和磁流变效应受不可控因素影响。

实施例

本实施例为利用上述磁流变抛光装置对长宽尺寸为100mm×60mm、预加工后表面粗糙度Ra＝67nm的K9光学玻璃(下称工件)表面研抛加工，按以下步骤进行：

(1)把工件安装在非导磁夹具的下面，调整平台的上下位置，使工件浸入载液槽中的磁流变液中；调整非导磁垫板的厚度，使电磁铁与工件的间距为15mm；

(2)开启工件轴的驱动电机，使工件轴带动软磁板、非导磁夹具和工件同步转动；

(3)调整电磁铁线圈电流为DC 3A，使电磁铁的磁通密度为0.25T；

(4)调整偏心轮机构的偏心距，使电磁铁往复移动行程为100mm；

(5)启动偏心轮调速电机，使偏心轮机构运转；调节电机转速，使电磁铁(磁场)往复移动速度为0.8mm/s；在磁场和载流槽平动、工件转动的复合运动下，对工件抛光30分钟，完成工件表面材料的去除；

(6)抛光结束，将驱动工件轴和偏心轮机构运转的电机关停，电磁铁及软磁板即失去磁性，载液槽中以宾汉姆黏塑性体形式存在的磁流变液重新转为液相；调节平台，使其下降，使工件离开磁流变液，然后从非导磁夹具上卸下。

经过上述步骤抛光后的K9光学玻璃，经检测，其抛光表面材料去除率较高，表面比较均匀连续、精度提高，光学玻璃的表面粗糙度Ra＝40nm，粗糙度显著降低，沿抛光表面任意方向测量的表面粗糙度数值基本一致，表面微观纹理均化特性较好，抛光质量较高。

Claims (3)

1.一种磁流变抛光装置，包括机架(18)，抛光头，载液槽(7)和电磁铁(9)；抛光头由电机驱动的工件轴(1)、固定在工件轴(1)下端的非导磁夹具(3)和置于非导磁夹具(3)与工件轴(1)之间的软磁板(2)构成；载液槽(7)位于抛光头的下部，其中装有磁流变液(5)，载液槽底部有抛光垫(6)；电磁铁(9)位于载液槽(7)的下部，电磁铁与工件(4)的间隙为12-18mm；其特征在于，所述电磁铁(9)和载液槽(7)由往复传动机构驱动、与工件抛光表面平行作直线往复运动。

2.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，所述往复传动机构包括由上台板(10)、下台板(13)和立板(11)构成的方形移动架，所述电磁铁(9)固定安装在移动架的下台板(13)上，在下台板(13)的底面安装有滑块(14)，与滑块配合的导轨(15)固定安装在基座(16)上，基座(16)固定安装在机架的平台(19)上，利用移动架的立板(11)安装可驱动移动架沿导轨(15)直线往复运动的偏心轮机构(17)；所述载液槽(7)固定安装在移动架的上台板(10)上。

3.利用权利要求1所述磁流变抛光装置进行抛光的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、把工件安装在非导磁夹具下面，并浸入载液槽中的磁流变液中，调整电磁铁的上下位置，使其与工件之间的间距为设定值；

步骤2、通过电机启动工件轴转动，带动软磁板、非导磁夹具和工件同步转动；

步骤3、调整电磁铁线圈电流，使电磁铁的磁通密度为0.1—0.4T；

步骤4、调整电磁铁直线往复移动的行程，使其略大于或等于工件抛光长度，使工件表面充分受到宾汉姆效应，得到全面研抛；

步骤5、启动往复传动机构运转，使电磁铁往复移动；调节电磁铁的往复移动速度为0.5—5mm/s；在磁场平动与工件转动的复合运动下，完成工件表面材料的去除；

步骤6、抛光结束，关停工件轴和往复传动机构的电机，工件轴和往复传动机构停止运转，电磁铁及软磁板失去磁性，载液槽中以宾汉姆黏塑性体形式存在的磁流变液重新转为液相；使工件离开磁流变液，从非导磁夹具上卸下。