CN105458840B - 一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置及方法。本发明的装置包括磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置、静磁动场偏心转换装置、抛光盘逆向旋转装置，磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置包括有底座、永磁极、固定套、转盘、抛光盘，静磁动场偏心转换装置包括有垫片、偏心套、内定位环、角接触球轴承、外定位环，抛光盘逆向旋转装置包括有外齿轮、行星轮、内齿轮、支撑件、固定盘、深沟球轴承、安装轴、静止件。本发明实现了在不更新磁流变液的情况下对工件实现高效率超光滑恒压力磁流变抛光，所获得的工件表面质量好，加工效率及精度高，而且无表面和亚表面损伤，均匀化程度高，材料耗费少，成本低，可以用于各类光学元件及半导体基片的加工。

Description

一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置及其加工方法，特别涉及对一种磨料半固着磁流变柔性微磨头实时在线修整的恒压式光学元件及半导体基片平面研磨抛光装置及方法。

背景技术

随着微电子、光电子、太阳能光伏技术的发展以及光学与电子学的不断融合，对硬脆材料构件、光电元件的加工精度要求越来越高，现代光学的透镜、反射镜、功能光电器件等光学表面不仅有面形精度要求还需要达到超光滑表面并且对次表面损伤也要严格控制。而随着信息产业与光电子产业的发展，要求元器件加工成本不断下降，光学元件直径越做越大（如微电子行业的单晶硅片加工，从目前主流的8 英寸硅片逐渐向12 英寸发展），其表面

的超光滑抛光成为超精密加工技术的一个新挑战。

在信息产业与光电子产业的发展引领下，为了解决光学表面高效精密研磨抛光加工问题，20世纪90年代初美国Rochester大学光学中心的众多合作者将电磁学、流体动力学、分析化学相结合提出了一种新型的光学元件加工方法-磁流变抛光技术（MRF）。该方法作为一种新型的光学表面加工方法，由于具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点，已发展成为一种革命性光学表面超精密加工方法。该项技术至今已有较大的发展，特别是将磁流变抛光与化学刻蚀等技术相结合，提高光学元件抗激光损伤阈值有着广泛的应用前景。目前采用磁流变抛光方法对平面工件进行加工时，主要以美国QED 公司研制的各种型号磁流变机床，其原理是被加工工件位于抛光盘上方，被加工工件与抛光盘之间形成一个“凹形空隙”，抛光盘的下方布置一个磁极,在工件与抛光盘所形成的狭小空隙处形成一个梯度磁场。当磁流变液随抛光盘运动到工件与抛光盘形成的空隙附近时,梯度磁场使之凝聚、变硬,形成一缎带凸起,成为粘塑性的Bingham介质。这样具有较高粘度的Bingham介质通过狭小空隙时,对工件表面与之接触的区域产生一定的剪切力,从而使工件的表面材料被去除,达到微量去除的目的。

但是采用上述磁流变加工方法对工件进行加工时，由于各处加工间隙的不一样，梯度磁场也不一样，从而造成加工斑点各部分区域的材料去除率不一样，要解决大面积的平面时加工效率必然底下，同时电磁场发生装置的体积非常大，难以实现多磁极同时加工。

专利CN200610132495.9提到的采用永磁铁作为磁场发生装置，易可以进行磁流变抛光，并且很容易实现多点磁极的阵列提高加工效率。但是经过长期的实验验证，发现由于磁流变液固有的黏弹性，使得工件经过微磨头后会把微磨头压下而无法恢复，从而失去了对工件的压力和抛光效果，存在严重丢失抛光压力的问题，导致加工后的工件均匀性难以保证，加工原理及方法还需要质的突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置。本发明能对光学元件、半导体基片等硬脆材料在不更换加工装置和磁流变液的基础上进行高效率粗抛、半精抛、精抛，实现静磁动场的转换和动态磁场下微磨头的恢复，达到对工件的恒压力、均匀化、超光滑平面抛光。

本发明的另一目的是提供一种高效率，成本低，获得的工件表面质量好，而且无表面和亚表面损伤、均匀化的静磁动场磁流变抛光机理试验装置的加工方法。

本发明的技术方案是：本发明的一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置, 包括磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置、静磁动场偏心转换装置、抛光盘逆向旋转装置，磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置包括有底座、永磁极、固定套、转盘、抛光盘，静磁动场偏心转换装置包括有垫片、偏心套、内定位环、角接触球轴承、外定位环，抛光盘逆向旋转装置包括有外齿轮、行星轮、内齿轮、支撑件、固定盘、深沟球轴承、安装轴、静止件,底座装夹在机床工作台上，转盘套装在底座的外侧，固定套装设在底座的上部，且转盘及固定套与底座连接，转盘及固定套保持与底座同步进行轴向旋转，偏心套套装在固定套所设的内孔，且偏心套与固定套连接，永磁极安装在偏心套内，抛光盘装设在永磁极上方；垫片装设在底座与偏心套之间，内定位环套装在固定套的外侧，且与固定套固定在一起，角接触球轴承套装在内定位环的外侧，外定位环套装在角接触球轴承的外侧，抛光盘和永磁极的运动采用内定位环与外定位环之间的角接触球轴承来分离，外齿轮、三个行星轮以及内齿轮构成行星运动，支撑件装设在转盘的顶部，且支撑件与转盘连接，内齿轮装设在支撑件的顶部，且内齿轮与支撑件连接在一起，安装轴通过深沟球轴承固定在行星轮的内孔，外齿轮与外定位环连接，固定盘套装在外定位环的外侧，且固定盘装设在安装轴的顶部，固定盘与安装轴连接在一起，固定盘与静止件进行锁紧，静止件固定在机床底座上，抛光盘上方需要提供磁流变液。

本发明一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置的加工方法，包括如下步骤：

1）将静磁动场磁流变抛光机理试验装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控系统设定工件与抛光盘之间的加工间隙为0.8mm～1.4 mm；

2）设定工件转速、以及带动底座的步进电机的转速，启动步进电机，添加磁流变液到抛光盘的上方，在磁场力的作用下磁流变液会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头；

3）启动数控铣床，在静磁动场转换机构和抛光盘逆向旋转装置的作用下产生动态磁场，在动态磁场作用下，柔性微磨头重新恢复，磁性微粒重新分布和积聚，对工件的进行恒压力抛光，实现对工件高效率、均匀化磁流变效应粗抛、半精抛及超光滑精抛。

本发明的静磁动场磁流变抛光机理试验装置的磁流变液由微米级的羰基铁粉、微米级的磨料以及甘油或油酸按一定比例混合，在磁场及重力的作用下，磁流变液会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头。本发明的静磁动场磁流变抛光机理试验装置通过偏心旋转小尺寸永磁体将静磁场转变为动态磁场，动态磁场促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，实现对平面工件的恒压力均匀化抛光。本发明的静磁动场磁流变抛光机理试验装置采用行星轮机构实现抛光盘和永磁极的旋转方向相反，角接触球安装轴承使永磁极和抛光盘的运动相对独立，当行星轮机构中的三个行星轮均保持静止时，内齿轮和外齿轮的相对旋转方向相反，由此，在内齿轮和外齿轮的驱动下也可以实现两者的运动方向相反。本发明实现了在不更换磁流变液的情况下对工件实现粗抛、半精抛到精抛的全过程，该装置抛光效率高，成本低，获得的工件表面质量好，而且无表面和亚表面损伤、均匀化程度高，本发明的试验装置可以用于各类光学元件及半导体基片的加工。

附图说明

图1是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置的三维示意图；

图2是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置的俯视图；

图3是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置的全剖主视图；

图4是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置的工作原理图；

图5是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置内定位环和偏心套的另一种结构图；

图6是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置永磁极静止时的磁力线示意图；

图7是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置永磁极偏心旋转时的磁力线示意图；

图8是本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置内定位环的示意图；

图中：1.螺钉，2.锁紧螺母，3.抛光盘，4.安装轴， 5.行星轮，6. 支撑件，7.连接螺钉，8. 底座，9. 垫片，10.平键，11.外齿轮，12. 转盘，13.连接螺钉，14.固定螺栓，15. 深沟球轴承，16. 内齿轮，17. 固定盘，18. 静止件，19.锁紧螺钉，20.角接触球轴承，21.内定位环，22.偏心套，23、永磁极，24. 固定套，25. 外定位环，26、固定螺钉，27、紧定螺钉，28、偏心距，29、定位台阶,30、磁流变液，31、工件，32、主安装轴，33、柔性微磨头，34、螺纹，35、槽口。

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，但本发明的实施方式不限于此：

实施例1：

如图1～图3所示，本发明的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，包括磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置、静磁动场偏心转换装置、抛光盘逆向旋转装置，磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置包括有底座8、永磁极23、固定套24、转盘12、抛光盘3，静磁动场偏心转换装置包括有垫片9、偏心套22、内定位环21、角接触球轴承20、外定位环25，底座8装夹在机床工作台上，转盘12套装在底座8的外侧，固定套24装设在底座8的上部，且转盘12及固定套24与底座8连接，转盘12及固定套24保持与底座8同步进行轴向旋转，偏心套22套装在固定套24所设的内孔，且偏心套22与固定套24连接，永磁极23安装在偏心套22内，抛光盘3装设在永磁极23上方；垫片9装设在底座8与偏心套22之间，内定位环21套装在固定套24的外侧，且与固定套24固定在一起，角接触球轴承20套装在内定位环21的外侧，外定位环25套装在角接触球轴承20的外侧，外定位环25与抛光盘3连接，抛光盘3和永磁极23的运动采用内定位环21与外定位环25之间的角接触球轴承20来分离；抛光盘逆向旋转装置包括有外齿轮11、行星轮5、内齿轮16、支撑件6、固定盘17、深沟球轴承15、安装轴4、静止件18，外齿轮11、三个行星轮5以及内齿轮16构成行星运动，支撑件6装设在转盘12的顶部，且支撑件6与转盘12连接，内齿轮16装设在支撑件6的顶部，且内齿轮16与支撑件6连接在一起，安装轴4通过深沟球轴承15固定在行星轮5的内孔，外齿轮11与外定位环25连接，固定盘17套装在外定位环25的外侧，且固定盘17装设在安装轴4的顶部，固定盘17与安装轴4连接在一起，固定盘17与静止件18进行锁紧，静止件18固定在机床底座上，抛光盘3上方需要提供磁流变液30。

本发明的静磁动场磁流变抛光机理试验装置的动力只需通过一个步进电机带动底座8运动,角接触球轴承20通过内定位环21定位安装轴承内圈，通过外定位环25和抛光盘3定位外圈，深沟球轴承15通过行星轮5的内孔定位外圈。外齿轮11、内齿轮16以及均布的三个行星轮5相互啮合组成行星轮系统，行星轮固定结构中深沟球轴承15定位在内齿轮16内孔、安装轴4和固定盘17固定在一起，固定盘17通过螺钉19锁紧在静止件18上，从而保持三个行星轮5均为静止状态，实现内齿轮16和外齿轮11相对运动方向相反,永磁极23和底座8运动保持一致，抛光盘3和底座8相对运动方向相反。上述永磁极23装设在偏心套22内实现偏心旋转，偏心套22可以通过改变孔的偏心位置来实现不同的偏心距28。

本实施例中，上述转盘12通过连接螺钉13和支撑件6固定在一起；转盘12及固定套24通过螺栓7与底座8连接在一起。固定盘17与安装轴4通过螺栓及锁紧螺母2连接在一起，外定位环25与抛光盘3通过螺钉1连接在一起。上述内定位环21通过螺纹34与固定套24安装在一起。

本实施例中，上述内齿轮16通过固定螺栓14与支撑件6装设在一起，外齿轮11通过锁紧螺钉26和外定位环25固定在一起。

本实施例中，上述偏心套22通过平键10与固定套24连接。固定套24通过平键10带动偏心套22和永磁极23进行同步旋转。偏心套22和固定套24之间通过平键10连接的方式，还可以通过改变偏心套22和固定套24的结构，使偏心套22、固定套24、内定位环21固定在一起，实现不同尺寸永磁极23的安装。

本实施例中，上述内定位环21上端开有槽口35，由于内定位环21和固定套24之间采用螺纹连接，为方便安装和拆卸，故设有槽口35。此外，内定位环21还设有用于定位角接触球轴承20内圈的台阶29，台阶29设置在内定位环21的中部。

本实施例中，上述抛光盘3的形状为凹形，抛光盘3通过螺钉1与外定位环25固定在一起。

本实施例中，锁紧螺母2和安装轴4的下部还安装轴端定位深沟球轴承15的外圈。

本实施例中，上述永磁极23是直径为5～30mm的圆柱状永磁铁，端面磁感应强度至少为1500GS，永磁极23上端面到抛光盘面距离为0～5mm，偏心套22的偏心距为0～6mm。

本实施例中，上述环形抛光盘3、偏心套22、固定套24、内定位环21、垫片9、外定位环25、底座8、转盘12的材料均为硬铝合金材料。

本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置的平面加工方法，包括如下步骤：

1）将静磁动场磁流变抛光机理试验装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控系统设定工件与抛光盘之间的加工间隙为0.8mm～1.4 mm；

2）设定工件转速、以及带动底座的步进电机的转速，启动步进电机，添加磁流变液到抛光盘的上方，在磁场力的作用下磁流变液会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头；

3）启动数控铣床，在静磁动场转换机构和抛光盘逆向旋转装置的作用下产生动态磁场，在动态磁场作用下，柔性微磨头重新恢复，磁性微粒重新分布和积聚，对工件的进行恒压力抛光，实现对工件高效率、均匀化磁流变效应粗抛、半精抛及超光滑精抛。

如图6所示，当本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置不工作时，永磁极23产生静态磁场；如图7所示，当上述试验装置工作时，永磁极23产生了永磁极23偏心旋转下的动态磁场。

本发明的一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置，工作时，抛光盘3的上方需要添加磁流变液30，磁流变液30制作方法如下：

在去离子水中添加质量百分比为2～20％的微米级磨料，质量百分比为15～40％的微米级羰基铁粉，质量百分比1～10％的甘油或油酸等稳定剂以及质量百分比1～10％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，磁流变液30进入环形抛光盘3上方后，在磁场及重力的作用下，沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33。

本实施例中，本发明通过如下方法制备磁流变液30：在去离子水中添加一定浓度为6～10%、粒径为1.5～7微米的金刚石磨料，浓度为 16%的微米级羰基铁粉，质量百分比2%的甘油，浓度为3%的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动10分钟。当磁流变液30进入环形抛光盘3上方后，在磁场及重力的作用下，会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33。

如图5所示，本实施例中，上述永磁极23是直径为25mm的圆柱状永磁铁，端面磁感应强度为3000GS，永磁极23上端面到抛光盘面距离为5mm，偏心套22的偏心距为1mm，永磁极23安装在偏心套22内，工件和永磁极23的转速分别为600rpm和400rpm，工件（31）沿X安装轴方向上无偏摆。

本发明的工作原理如下：如图 4所示，本发明静磁动场磁流变抛光机理试验装置只需通过一个电动机带动底座8驱动该装置运动，该试验装置工作时，底座8通过连接螺钉7、固定套24、平键10、偏心套22带动永磁极23进行同步偏心旋转，底座8通过连接螺钉7、转盘12、连接螺钉13、支撑件6、固定螺栓14、行星轮机构、外定位环25带动抛光盘3进行旋转，由于均布的三个行星轮5都保持静止，实现了抛光盘3和底座8、永磁极23运动方向相反，由此，将静磁场转变为动态磁场，动态磁场下会促使柔性微磨头33的形貌恢复和磨料的更新自锐，当机床主安装轴32带动工件31进行旋转，方向与抛光盘3方向相反时，能实现对工件31的恒压力均匀化高效超光滑抛光。

本实施例中，上述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置的对工件进行平面加工的方法如下，本实施例中，工件31是单晶6H-SiC基片：

1）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为0.8mm，配置金刚石磨料浓度为10%，粒径为7微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对工件进行高效率磁流变粗抛30分钟，获得Ra约为30nm的平坦单晶6H-SiC基片；

2）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1mm，配置金刚石磨料浓度为8%，粒径为3.5微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液（30）在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对工件进行高效率磁流变半精抛40分钟，获得Ra约为10nm（除中心区域）的光滑单晶6H-SiC基片；

3）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1.2mm，配置金刚石磨料浓度为6%，粒径为1.5微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过高效率磁流变精抛50分钟后，获得Ra约为2nm（除中心区域）的超光滑单晶6H-SiC基片。

实施例2：

本发明与实施例1的结构相同，不同之处在于永磁极23是直径为20mm的圆柱状永磁铁，端面磁感应强度为2500GS，偏心套22的偏心距为2mm，工件和永磁极23的转速分别为800rpm和300rpm，工件31沿X安装轴方向距离中心位置左右偏摆15mm。

本发明通过如下方法制备磁流变液30：在去离子水中添加浓度为4～8%、粒径为1～5微米的碳化硅磨料，浓度为18%的微米级羰基铁粉，质量百分比3%的甘油，浓度为4%的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动15分钟。当磁流变液30进入环形抛光盘3上方后，在磁场及重力的作用下，会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33。

上述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置对单晶硅片的平面加工方法为：

1）将该装置安装在数控铣床上，工件31安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为0.9mm，配置碳化硅磨料浓度为8%，粒径为5微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对单晶硅片进行高效率磁流变粗抛20分钟，获得Ra约为25nm的平坦单晶硅片；

2）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1.1mm，配置碳化硅磨料浓度为6%，粒径为3微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而柔性微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对单晶硅片进行高效率磁流变半精抛30分钟，获得整个工件表面Ra约为10nm的光滑单晶硅片；

3）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1.3mm，配置碳化硅磨料浓度为4%，粒径为1微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而柔性微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对工件进行高效率磁流变精抛30分钟，获得整个工件表面Ra约为1nm的超光滑单晶硅片。

实施例3：

本发明与实施例1的结构相同，不同之处在于永磁极23是直径为15mm的圆柱状永磁铁，端面磁感应强度为2000GS，偏心套22的偏心距为3mm，工件和永磁极23的转速分别为1000rpm和200rpm，工件31沿行切轨迹进行加工。

本发明通过如下方法制备磁流变液30：在去离子水中添加浓度为2～6%、粒径为1.5～5微米的氧化铝磨料，浓度为20%的微米级羰基铁粉，质量百分比4%的甘油，浓度为5%的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动20分钟。当磁流变液30进入环形抛光盘3上方后，在磁场及重力的作用下，会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33。

上述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置对碳酸锶陶瓷基片的平面加工方法为：

1）将该装置安装在数控铣床上，工件31安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1mm，配置氧化铝磨料浓度为6%，粒径为5微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33）而柔性微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对碳酸锶陶瓷基片进行高效率磁流变粗抛30分钟，获得Ra约为20nm的平坦碳酸锶陶瓷基片；

2）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1.2mm，配置氧化铝磨料浓度为4%，粒径为3微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而柔性微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对单晶硅片进行高效率磁流变半精抛20分钟，获得整个工件表面Ra约为10nm的光滑碳酸锶陶瓷基片；

3）将该装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控铣床调整抛光盘3的上表面距离工件下表面之间的距离为1.4mm，配置氧化铝磨料浓度为2%，粒径为1.5微米的磁流变液30到抛光盘3上方，磁流变液30在磁场的作用下会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头33，而柔性微磨头的形状会在加工过程中被下压，但是在静磁动场试验装置的作用下会产生动态磁场，动态磁场会促使微磨头的形貌恢复和磨料的更新自锐，经过对工件进行高效率磁流变精抛30分钟，获得整个工件表面Ra约为1.5nm的超光滑碳酸锶陶瓷基片。

Claims (10)

1.一种静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于包括磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置、静磁动场偏心转换装置、抛光盘逆向旋转装置，磁流变磨料半固着柔性微磨头发生装置包括有底座（8）、永磁极（23）、固定套（24）、转盘（12）、抛光盘（3），静磁动场偏心转换装置包括有垫片（9）、偏心套（22）、内定位环（21）、角接触球轴承（20）、外定位环（25），抛光盘逆向旋转装置包括有外齿轮（11）、行星轮（5）、内齿轮（16）、支撑件（6）、固定盘（17）、深沟球轴承（15）、安装轴（4）、静止件（18）,底座（8）装夹在机床工作台上，转盘（12）套装在底座（8）的外侧，固定套（24）装设在底座（8）的上部，且转盘（12）及固定套（24）与底座（8）连接，转盘（12）及固定套（24）保持与底座（8）同步进行轴向旋转，偏心套（22）套装在固定套（24）所设的内孔，且偏心套（22）与固定套（24）连接，永磁极（23）安装在偏心套（22）内，抛光盘（3）装设在永磁极（23）上方；垫片（9）装设在底座（8）与偏心套（22）之间，内定位环（21）套装在固定套（24）的外侧，且与固定套（24）固定在一起，角接触球轴承（20）套装在内定位环（21）的外侧，外定位环（25）套装在角接触球轴承（20）的外侧，抛光盘（3）和永磁极（23）的运动采用内定位环（21）与外定位环（25）之间的角接触球轴承（20）来分离；外齿轮（11）、三个行星轮（5）以及内齿轮（16）构成行星运动，支撑件（6）装设在转盘（12）的顶部，且支撑件（6）与转盘（12）连接，内齿轮（16）装设在支撑件（6）的顶部，且内齿轮（16）与支撑件（6）连接在一起，安装轴（4）通过深沟球轴承（15）固定在行星轮（5）的内孔，外齿轮（11）与外定位环（25）连接，固定盘（17）套装在外定位环（25）的外侧，且固定盘（17）装设在安装轴（4）的顶部，固定盘（17）与安装轴（4）连接在一起，固定盘（17）与静止件（18）进行锁紧，静止件（18）固定在机床底座上，抛光盘（3）上方需要提供磁流变液（30）。

2.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述转盘（12）通过连接螺钉（13）和支撑件（6）固定在一起；转盘（12）及固定套（24）通过螺栓（7）与底座（8）连接在一起。

3.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述内定位环（21）通过螺纹（34）与固定套（24）安装在一起。

4.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述内齿轮（16）通过固定螺栓（14）与支撑件（6）装设在一起，外齿轮（11）通过锁紧螺钉（26）和外定位环（25）固定在一起。

5.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述偏心套（22）通过平键（10）与固定套（24）连接。

6.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述固定盘（17）通过锁紧螺钉（19）和静止件（18）进行锁紧。

7.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述内定位环（21）上端开有槽口（35），内定位环（21）还设有用于定位角接触球轴承（20）内圈的台阶（29）。

8.根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述抛光盘（3）的形状为凹形，抛光盘（3）通过螺钉（1）与外定位环（25）固定在一起。

9.根据权利要求1至8任一项所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置，其特征在于上述抛光盘（3）的上方添加的磁流变液（30）的制作方法如下：在去离子水中添加质量百分比为2～20％的微米级磨料，质量百分比为15～40％的微米级羰基铁粉，质量百分比1～10％的甘油或油酸稳定剂以及质量百分比1～10％的防锈剂。

10.一种根据权利要求1所述的静磁动场磁流变抛光机理试验装置的平面加工方法，其特征在于包括如下步骤：

1）将静磁动场磁流变抛光机理试验装置安装在数控铣床上，工件安装在铣床主安装轴上，通过数控系统设定工件与抛光盘之间的加工间隙为0.8mm～1.4 mm；

2）设定工件转速、以及带动底座的步进电机的转速，启动步进电机，添加磁流变液到抛光盘的上方，在磁场力的作用下磁流变液会沿着磁感线方向迅速形成柔性微磨头；

3）启动数控铣床，在静磁动场转换机构和抛光盘逆向旋转装置的作用下产生动态磁场，在动态磁场作用下，柔性微磨头重新恢复，磁性微粒重新分布和积聚，对工件的进行恒压力抛光，实现对工件高效率、均匀化磁流变效应粗抛、半精抛及超光滑精抛。