CN105458839B - 一种磁流变抛光方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流变抛光方法及装置，所述方法是将工件置于设有磁场的磁流变液中，使工件做至少两个自由度的运动对工件的表面进行抛光加工。本发明的特点是在具有磁场的磁流变液中使工件做多个自由度的运动，在梯度磁场的作用下，由于液体形态的磁流变液会变成具有强粘弹性作用的液固态，其沿着磁力线方向形成的磁链将夹持着磨粒，相当于一个个磁柔性小磨头，利用工件与磁流变液产生相对运动，通过控制工件的多自由度运动，能够在一次装夹下，同时对一个或多个工件的外表面进行抛光加工，其外表面可以是平面、弧面或复杂曲面。
Description
技术领域
本发明属于磁流变抛光技术，具体涉及一种磁流变抛光方法及装置。
背景技术
随着现代信息电子技术、光学技术的不断进步，在IT、电子行业，超光滑元件应用越来越多，如蓝宝石衬底、单晶硅表面、手机后盖等，这类元件的加工批量大，其表面要满足超光滑，光泽度高，色泽均匀，无划伤等要求。目前，市场上的研磨抛光机都是采用平面互研原理，工件卡在游心轮中，在上下抛光盘的研磨作用下实现抛光。这种抛光方式的局限性就是只能加工平面，不能加工弧面等曲面。
磁流变液是一种智能材料，是由高导磁率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。它在常态下是液体，当加载磁场时，发生液—固相变，当去除磁场时，又发生固—液相变。在一定磁场强度范围内，磁流变液的表现粘度和磁场强度有关，这种现象称为磁流变效应。利用磁流变液的磁流变效应，可以将磨粒聚集于抛光区域形成柔性磨头，具有磨头硬度可调，磨粒自锐，面型贴合好等优点，用于抛光加工性能优良。
现有的磁流变抛光装置抛光作业时可以通过改变磁场强度改变磨头的硬度，但整个抛光区域的材料去除模型是固定的。无法完成复杂曲面的抛光。
中国专利201310001871.0中提出了一种双面磁流变抛光装置，该装置将工件安装在内抛光套筒与外抛光套筒之间，内抛光套筒和外抛光套筒随抛光主轴转动，通过连接管路向内外抛光套筒与工件之间的间隙内注入磁流变液，启动控制器并由控制器向内套筒电磁铁和外套筒电磁铁提供间歇性电流，每个电磁铁组相当于一组抛光头，分别对加工工件内外表面。但整个装置比较复杂，且无法对复杂曲面工件进行加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种可同时加工平面和弧面的磁流变抛光方法及装置。
本发明提供的磁流变抛光方法，是将工件置于设有磁场的磁流变液中，使工件做至少两个自由度的运动对工件的表面进行抛光加工。
所述磁场为由多个采用极性相反的两个电磁极组成的电磁极组产生的梯度磁场。
所述电磁极组设在所述磁流变液的下方或侧面。
本发明提供的磁流变抛光装置，包括用于盛装磁流变液的抛光液槽、设在所述抛光液槽下方或侧面可在抛光液槽内产生磁场的磁场发生装置、设在所述抛光液槽上方夹持工件且使工件做至少两个自由度运动的工件驱动机构。
所述磁场发生装置采用多个可产生梯度磁场的由极性相反的两个电磁极组成的电磁极组。
构成所述多个电磁极组的电磁极采用均匀布置且两相邻磁极的极性相反的柱状磁极或者采用成环形布置且两相邻磁极的极性相反的三角状磁极。
所述磁场发生装置包括至少一个可产生梯度磁场的由极性相反的两个电磁极组成的电磁极组，构成所述电磁极组的电磁极采用至少两个同心圆设置且两相邻磁极的极性相反的环状磁极，所述抛光液槽为圆桶形，在抛光液槽外周边设有外线圈，所述外线圈的下平面和所述环状磁极的上平面齐平。
所述工件驱动机构包括摇摆机构、设在摇摆机构上的公转机构和设在所述公转机构上的自转机构，所述工件设在所述自转机构上；所述摇摆机构包括机头、第一摆动伺服电机，所述机头和第一摆动伺服电机之间通过齿轮对啮合；所述公转机构包括设在所述机头上的公转伺服电机、公转大盘和工件运动架，所述公转伺服电机通过公转主轴与公转大盘连接，所述工件运动架为至少一个设在公转大盘的下面；所述自转机构包括设在工件运动架上的第一自转伺服电机和安装工件的至少一个工件轴，所述工件轴通过齿轮机构与第一自转伺服电机连接
所述工件驱动机构包括公转机构、设在所述公转机构上的摇摆机构和设在公转机构与所述摇摆机构之间的自转机构；所述公转机构包括机头、设在所述机头上的公转伺服电机、公转大盘和工件运动架，所述公转伺服电机通过公转主轴与公转大盘连接，所述工件运动架为至少一个设在公转大盘的下面；所述摇摆机构包括设在所述工件运动架上的第二摆动伺服电机、通过第一伞形齿轮机构与第二摆动伺服电机连接的中间齿轮箱；所述自转机构包括设在所述工件运动架上的第二自转伺服电机、设在所述中间齿轮箱上的第二伞形齿轮机构和安装工件的工件轴，所述第二自转伺服电机通过第二伞形齿轮机构与工件轴连接；所述第二摆动伺服电机和第二自转伺服电机设在所述公转大盘上。
所述工件驱动机构包括公转机构和设在公转机构上的自转机构；所述公转机构和自转机构为行星运动机构，所述工件通过工件轴安装在所述公转机构和自转机构之间。
本发明的有益效果：
本发明的特点是在具有磁场的磁流变液中使工件做多个自由度的运动，在梯度磁场的作用下，由于液体形态的磁流变液会变成具有强粘弹性作用的液固态，其沿着磁力线方向形成的磁链将夹持着磨粒，相当于一个个磁柔性小磨头，利用工件与磁流变液产生相对运动，通过控制工件的多自由度运动，能够在一次装夹下，同时对一个或多个工件的外表面进行抛光加工，其外表面可以是平面、弧面或复杂曲面。本发明通过试用证明：可以很有效的解决复杂形面难以抛光的难题，可减少工件加工的工序，有效提高抛光效率，同时应用工件的多自由运动结构，简化了设备结构。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
图1是本发明装置实施例1的结构示意图。
图2是实施例1中磁场发生装置的结构示意图。
图3是图2的俯视图。
图4是实施例1中磁场发生装置的磁极布置示意图。
图5是本发明装置实施例2的结构示意图。
图6是实施例2中工件运动架的不同结构示意图。
图7是实施例2加工工件平面的示意图。
图8是实施例2加工工件曲面的示意图。
图9是本发明装置实施例3中的另一种工件运动架的结构示意图。
图10是本发明装置中磁场发生装置的不同结构示意图。
图11是图10的俯视图。
图12是本发明装置中磁场发生装置的另一种结构示意图。
图13图12中磁场发生装置的俯视图。
图14是图12所示磁场发生装置的磁力线示意图。
图15是本发明中另一种磁场发生装置的布置示意图。
具体实施方式
实施例1
见图1，本发明提供的磁流变抛光装置，包括底座12和设在底座12一侧的机架11，底座12上设有磁场发生装置13，磁场发生装置13的上面设有用于盛装磁流变液的抛光液槽17，在机架11上设有升降机构，升降机构上设有位于所述抛光液槽17上方夹持工件14且使工件14做多个自由度运动的工件驱动机构；所述升降机构包括设在机架11上的伺服电机9和滑动座6，伺服电机9通过滚珠丝杆10与滑动座6连接，滑动座6安装在沿机架11竖向布置的导轨8上；所述工件驱动机构包括设在升降机构上的摇摆机构、设在摇摆机构上的公转机构和设在所述公转机构上的自转机构；摇摆机构包括设在滑动座6上的摆动伺服电机5、通过摆动主轴7安装在滑动座6上的机头2，机头2和摆动伺服电机5之间通过齿轮3、4啮合；公转机构包括设在机头2上的公转伺服电机1、公转大盘16和工件运动架15，公转伺服电机1通过公转主轴18与公转大盘16连接，工件运动架15为多个设在公转大盘16的下面；自转机构包括设在工件运动架15上的工件自转伺服电机1502和安装工件14的一个或多个工件轴1501，工件轴1501通过齿轮机构1503与工件自转伺服电机1502连接；磁场发生装置13如图2——图4所示，采用若干个均匀分布(也可不均匀分布)且相邻磁极的极性相反(参见图4中的黑白两色圆)的柱状电磁极，每两个电磁极组成一个电磁极组A，磁场发生装置13中的多个电磁极组A可产生梯度磁场；每个电磁极包括磁芯1302，磁芯1302的外表缠绕磁芯线圈1303，极头1301安装在磁芯1302的顶部，磁芯1302和线圈1303整体安装在一个底板1304上面，两个极头1301间的间距为14mm。
工作原理：通电后,磁流变液在梯度磁场的作用下，会沿着磁力线方向形成磁链，相当于一个个小磁性磨头。工件驱动机构驱动工件14在设有磁场的磁流变液中做多自由度运动对工件的表面进行抛光加工。伺服电机9通过滚珠丝杆10、滑动座6可驱动机头2和工件14沿导轨8上下运动，摆动伺服电机5通过齿轮3、4驱动机头2和工件14来回摆动，公转伺服电机1驱动公转大盘16、工件运动架15和工件14公转，工件运动架15上的自转伺服电机1502通过齿轮机构1503驱动工件14自转；当工件14与磁流变液相对运动时，磁流变液会对工件表面产生去除作用，从而实现抛光。
由磁路定理，两个极性相反的磁极会在间隙处漏磁，因此漏磁处会产生一个梯度磁场。由于铁磁材料的磁导率μ很大，铁芯有使磁感应通量集中到自己内部的作用。一个没有铁芯的载流线圈产生的磁感应线是弥散在整个空间的；若把同样的线圈绕在一个闭合的铁芯上时，则不仅磁通量的数值大大增加，而且磁感应线几乎是沿着铁芯的。由安培环路定理，式中N和I0分别是线圈匝数和通电电流，Bi为磁感应强度，li为磁路长度，μi为相对磁导率，μ0为空气磁导率。因此改变线圈的通电电流和磁路长度可改变磁感应强度B的大小。
另外通电导线会在其内部和周围产生磁场，依据毕奥-萨伐尔定律，磁感应强度B是各个电流元Idl产生的元磁感应强度的矢量叠加。因此，磁流变抛光磁场的磁感应强度是每个极头产生的磁感应强度矢量叠加，即改变磁场电流的大小可改变磁感应强度的方向，从而实现磁感应强度的方向可调节。
按毕奥—萨法尔定律，磁感应强度是电流元和径矢的叉乘，是轴矢量，改变径矢的可以改变磁感应强度的方向。在每个极头倒角可以改变径矢，从而可以改变磁感应强度的方向。
本实施例的优点：
1、磁场发生装置的单个磁极设计比较简单，主要是通过改变极头的形状来改变磁力线的方向，不同的极头形状可以产生不同的磁场方向，通过优化磁场方向，可以得到最佳的抛光效果。
2、磁性极头交错对称分布，这样产生的磁场比较均匀，在此磁场作用下的磁流变液剪切力大小均匀，对工件表面的去除作用会比较均匀，因此在此磁场加工下的工件，工件表面去除率比较一致，表面色泽会非常均匀。
实施例2
见图5，本实施例中的工件驱动机构包括升降机构、设在升降机构上的公转机构、设在所述公转机构上的摇摆机构和设在公转机构与所述摇摆机构之间的自转机构；本实施例与实施例1所不同的是，取消了摆动伺服电机5、滑动座6、摆动主轴7、齿轮3、4，直接将机头2安装在滑动座6上，工件运动架15的结构不同，其它均相同。所述公转机构包括设在机头2上的公转伺服电机1、公转大盘16和工件运动架15，公转伺服电机1通过公转主轴18与公转大盘16连接，工件运动架15为多个设在公转大盘16的下面；所述工件运动架15如图6所示，其采用机械关节，包括设在所述公转大盘16上的摇摆机构和设在公转大盘16和摇摆机构之间的自转机构，所述摇摆机构包括设在所述工件运动架15上的摆动伺服电机1505、通过第一伞形齿轮机构与摆动伺服电机1505连接的中间齿轮箱1509，第一伞形齿轮机构包括设在摆动伺服电机1505上的伞形齿轮1506、设在中间齿轮箱1509上与伞形齿轮1506啮合的伞形齿轮1507；所述自转机构包括设在所述工件运动架15上的自转伺服电机1513、设在所述中间齿轮箱1509上的第二伞形齿轮机构和安装工件14的工件轴1501，所述自转伺服电机1513通过第二伞形齿轮机构与工件轴1501连接，第二伞形齿轮机构包括设在自转伺服电机1513上的伞形齿轮1512、设在中间齿轮箱1509上的伞形齿轮1514、1510、1508，伞形齿轮1514、1510共轴1511它们分别与伞形齿轮1512和伞形齿轮1508啮合，工件轴1501与伞形齿轮1508连接；所述摆动伺服电机1505和自转伺服电机1513通过顶板1504设在所述公转大盘16上。
加工时，工件驱动机构驱动工件14做多自由度运动，伺服电机9通过滚珠丝杆10、滑动座6可驱动机头2和工件14沿导轨8上下运动，公转伺服电机1驱动公转大盘16、工件运动架15和工件14公转，摇摆机构驱动中间齿轮箱1509和工件14摆动，自转机构驱动工件14自转。
本实施例可通过控制不同的伺服电机，实现工件不同自由度的运动，公转、自转、摇摆运动之间可以任意两个联动，也可以单独运动，也可以三个运动同时联动。如公转、自转联动时可加工工件14的平面，如图7所示；公转、摇摆(或摇摆、自转)联动时可加工工件14的曲面，如图8所示。
工件与磁流变液发生相对运动时，工件的自转运动可以实现平面的抛光，工件的摇摆运动可以实现曲面或立面的抛光，工件轴的公转运动可以实现抛光的均匀性。
实施例3
本实施例中的工件驱动机构包括升降机构、设在升降机构上的公转机构和自转机构；与实施例2所不同的是本实施例中的公转机构和自转机构为行星运动机构，如图9所示，包括设在机头2下面的工件运动架15，工件运动架15包括齿圈1516、设在齿圈1516内的共轴1520的上下主轴齿轮1519、1517和活动设在齿圈1516上的工件轴1501，设在机头2上的公转伺服电机1通过公转主轴18上的齿轮1515与齿圈1516和上主轴齿轮1519啮合，工件轴1501又通过工件齿轮1518和下主轴齿轮1517啮合，工件轴1501上安装工件14。
加工时，工件驱动机构驱动工件14做多自由度运动，伺服电机9通过滚珠丝杆10、滑动座6可驱动机头2和工件14沿导轨8上下运动，公转伺服电机1通过公转主轴18和齿轮1515同时驱动齿圈1516和上下主轴齿轮1519、1517转动，齿圈1516和主轴齿轮1517使得工件14在公转的同时也自转。
本实施例的结构比较紧凑，能在一个工位上实现工件的自转和公转，加上公转大盘的旋转，这样工件运动轨迹的重复率很低，工件表面抛光均匀性很好。由于自转运动和公转运动由不同的伺服电机驱动，因此，公转和自转的转速可调，通过调整不同的转速比，可以达到最佳的抛光效果。
上述实施例中，磁场发生装置13也可采用另一种结构，如图10、11所示，该装置中的电磁极采用成环形布置且两相邻磁极的极性相反的三角状磁极，每两个极性相反的磁极组成一个电磁极组A，每个磁极包括三角形磁芯1302、安装在磁芯1302上的三角环形极头1301、缠绕磁芯1302上的磁芯线圈1303，磁芯1302和磁芯线圈1303整体安装在一块底板1304上面。
磁场发生装置13还可以采用如图12、图13所示的结构，包括多个同心圆设置且两相邻磁极的极性相反的环状磁极，每两个极性相反的磁极组成一个电磁极组A，每个磁极包括环状磁芯1302、缠绕在磁芯1302外表面上的磁芯线圈1303，磁芯1302和磁芯线圈1303固定在底板1304上，在最外磁极的外面设有保护环1306，同时在圆桶形的抛光液槽17外周边设有外线圈1305，外线圈1305的下平面和环状磁极的上平面齐平。
磁芯线圈1303和外线圈1305的通电方向相反，通电后可形成两个极性相反的磁极，在两线圈中形成梯度磁场。外线圈1305通电后，磁芯线圈1303的磁感应强度B会矢量叠加，因此，改变外线圈1305的电流可以调节磁极磁力线的方向(参见图14)，可实现加工平面和加工曲面时所需的不同磁场的要求。当然磁场发生装置13也可不设外线圈1305，同样可以起到在磁流变液中产生磁场的作用，只是效果不如设外线圈1305的好。
磁极采用同心圆设置的磁场发生装置13结构简单，通过改变电流大小可实现磁力线方向的调节。由于每个线圈中的铁芯是连续的，因此单个线圈通电后形成的环形磁极，其磁场在环向是连续的，磁流变液会沿着环向均匀分布，而且工件旋转方向与磁力线方向垂直，工件表面受到的剪切力比较大。
如图15所示，本发明中，磁场发生装置13还可以设在抛光液槽17的侧面，同样可以用于工件的多自由度运动抛光。
Claims (5)
1.一种磁流变抛光装置，其特征是包括用于盛装磁流变液的抛光液槽、设在所述抛光液槽下方或侧面可在抛光液槽内产生磁场的磁场发生装置、设在所述抛光液槽上方夹持工件且使工件做至少两个自由度运动的工件驱动机构；所述工件驱动机构包括摇摆机构、设在摇摆机构上的公转机构和设在所述公转机构上的自转机构，所述工件设在所述自转机构上；所述摇摆机构包括机头、第一摆动伺服电机，所述机头和第一摆动伺服电机之间通过齿轮对啮合；所述公转机构包括设在所述机头上的公转伺服电机、公转大盘和工件运动架，所述公转伺服电机通过公转主轴与公转大盘连接，所述工件运动架为至少一个设在公转大盘的下面；所述自转机构包括设在工件运动架上的第一自转伺服电机和安装工件的至少一个工件轴，所述工件轴通过齿轮机构与第一自转伺服电机连接。
2.一种磁流变抛光装置，其特征是包括用于盛装磁流变液的抛光液槽、设在所述抛光液槽下方或侧面可在抛光液槽内产生磁场的磁场发生装置、设在所述抛光液槽上方夹持工件且使工件做至少两个自由度运动的工件驱动机构；所述工件驱动机构包括公转机构、设在所述公转机构上的摇摆机构和自转机构；所述公转机构包括机头、设在所述机头上的公转伺服电机、公转大盘和工件运动架，所述公转伺服电机通过公转主轴与公转大盘连接，所述工件运动架为至少一个设在公转大盘的下面；所述摇摆机构包括设在所述工件运动架上的第二摆动伺服电机、通过第一伞形齿轮机构与第二摆动伺服电机连接的中间齿轮箱；所述自转机构包括设在所述工件运动架上的第二自转伺服电机、设在所述中间齿轮箱上的第二伞形齿轮机构和安装工件的工件轴，所述第二自转伺服电机通过第二伞形齿轮机构与工件轴连接；所述第二摆动伺服电机和第二自转伺服电机设在所述公转大盘上。
3.根据权利要求1或2所述的磁流变抛光装置，其特征是所述磁场发生装置采用多个可产生梯度磁场的由极性相反的两个电磁极组成的电磁极组。
4.根据权利要求3所述的磁流变抛光装置，其特征是构成所述多个电磁极组的电磁极采用均匀布置且两相邻磁极的极性相反的柱状磁极或者采用成环形布置且两相邻磁极的极性相反的三角状磁极。
5.根据权利要求1或2所述的磁流变抛光装置，其特征是所述磁场发生装置包括至少一个可产生梯度磁场的由极性相反的两个电磁极组成的电磁极组，构成所述电磁极组的电磁极采用至少两个同心圆设置且两相邻磁极的极性相反的环状磁极，所述抛光液槽为圆桶形，在抛光液槽外周边设有外线圈，所述外线圈的下平面和所述环状磁极的上平面齐平。
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