CN105881176B - 一种双棒结构的磁致伸缩抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种双棒结构的磁致伸缩抛光装置，该装置的组成包括：抛光头、八面体磁轭、磁致伸缩棒、棒状磁轭、线圈和底座；两根磁致伸缩棒通过下部的凸台分别固定在底座两边的凹槽内，棒状磁轭通过下部的凸台固定在底座中间的凹槽内；两根磁致伸缩棒通过上部的凸台分别固定在八面体磁轭底端两边的凹槽内，棒状磁轭通过上部的凸台固定在八面体磁轭底端中间的凹槽内；抛光头底部的轴通过螺纹连接固定在八面体磁轭端部的孔内。本发明是具有体积小、结构简单、使用方便等优点，在工作频率在0‑2kHz的范围内，径向振幅可调范围为0‑45μm。
Description
技术领域
本发明设计了一种基于磁致伸缩材料可控输出方向的双棒型磁致伸缩抛光装置，该装置在轴向和径向都能产生较大的输出位移，与四棒型磁致伸缩抛光装置相比，在保证输出特性的情况下简化了结构，丰富了该抛光装置的应用场合。核心部分为一种由铁镓磁致伸缩材料制作的双棒振动元件，通过改变通入缠绕在磁致伸缩棒上两线圈中的电流方向控制抛光装置的输出位移方向。
技术背景
目前非球面加工采用单点金刚石的超精密车削和树脂结合剂微粉砂轮的超精密磨削加工方法。超精密的车削和磨削加工不可避免地会在零件表面形成加工纹路和表面缺陷层，这些表面质量缺陷会直接影响到零件的性能。为了进一步提高小口径非球面的加工精度，还需要在超精密车削、磨削加工后进行超精密抛光。
目前报道的四棒型磁致伸缩抛光装置，由四个磁致伸缩棒对称分布产生伸缩变化来推动抛光头运动，通过改变通入线圈中的电流相位可以使抛光头产生线性和椭圆等形式的运动；该抛光装置的核心部件磁致伸缩棒的直径小，横截面积小于7mm2，产生的输出力较小，容易断裂，并且结构复杂，限制了抛光装置的应用。
发明内容
针对现有抛光加工方法中存在的问题，设计了一种基于磁致伸缩材料的可控输出方向的双棒型磁致伸缩抛光装置。该抛光装置采用双棒代替四棒作为核心部件；采用导磁能力较强的硅钢片作为轭铁，改善磁路磁场的分布；为增大抛光头的横截面积并减小装置的尺寸，硅钢片磁轭采用八面体形状；磁致伸缩棒的直径为10mm，为防止高频涡流损耗带来的发热影响，磁致伸缩棒进行切片处理。本发明装置中八面体磁轭的设计既保证了抛光头横截面积不至于太小，又使磁轭的体积减小；质量也随之减小，使磁致伸缩棒产生的输出力可以推动抛光头使之产生运动。两棒之间的导磁磁轭保证了两磁致伸缩棒的磁路相互独立，不会相互干扰，影响装置功能的实现。
本发明的技术方案为：
一种双棒结构的磁致伸缩抛光装置，该装置的组成包括：抛光头、八面体磁轭、磁致伸缩棒、棒状磁轭、线圈和底座；
所述的抛光头的材质为不锈钢，下部为轴，中部为圆柱体，上部为圆台状；其中，抛光头长度范围为35-37mm，下部轴的长为抛光头总长的三分之二；圆柱体的高度为剩余部分的三分之二；圆台高为剩余部分的三分之一，圆台上表面圆的直径为下表面圆直径的五分之三；所述的轴的直径范围为9.5-10.5mm，圆柱体直径比轴的直径大1.8-2.2mm；
所述的八面体磁轭是由多层硅钢片粘结的长方体、经过切割加工成的一个整体，其上表面为正方形，下表面为长方形，两侧各为一个斜面，前部上下两个梯形斜面的交汇处形成一条棱线，前部与后部形状大小完全对称相同，前后两条棱线形成的水平中间截面也为长方形；中间截面将八面体分为上下两部分，两部分高度之比为1:1；其中，上表面、中间截面、下表面长方形长度比为14:25:36；宽度比为7:9:5；上表面正方形边长为14mm；整个八面体磁轭的高度范围为38-42mm；上表面中间有开孔，直径与抛光头的下部轴相匹配；其底端开有三处凹槽，两边为圆形、中间为长方形；
所述棒状磁轭为多层硅钢片材料粘合成的长方体，长方体的长与磁致伸缩棒的直径相同，上下两端切割有长方形凸台；
所述的圆柱体磁致伸缩棒为两个，每个圆柱体磁致伸缩棒上下两端各自切割有圆形凸台，下端面凸台用于与底座配合；上端面凸台用于与八面体磁轭的下端面的圆形凹槽进行配合；磁致伸缩棒上缠绕线圈，两根圆柱体磁致伸缩棒上所缠绕的线圈的匝数相同；磁致伸缩棒的长度范围为52-54mm；
所述的底座为矩形钢材，宽度与磁致伸缩棒的直径相同，长度与八面体磁轭的底端下表面长方形的长度大小相同；底座的上表面均匀间隔开有三个凹槽，两边为圆形、中间为长方形，磁致伸缩棒、棒状磁轭安装在对应的凹槽内；
两根磁致伸缩棒通过下部的凸台分别固定在底座两边的凹槽内，棒状磁轭通过下部的凸台固定在底座中间的凹槽内；两根磁致伸缩棒通过上部的凸台分别固定在八面体磁轭底端两边的凹槽内，棒状磁轭通过上部的凸台固定在八面体磁轭底端中间的凹槽内；抛光头底部的轴通过螺纹连接固定在八面体磁轭端部的孔内。
所述的组成八面体磁轭或棒状磁轭的硅钢片的单层厚度为0.5-1mm。
所述的磁致伸缩棒采用铁镓磁致伸缩材料。
本发明的实质性特点为：
该装置主要由抛光头、八面体磁轭、磁致伸缩棒、棒状磁轭、底座五部分构成。其中，抛光头采用高硬度的不锈钢(12Cr17Ni7)车削而成。底座采用具有较高导磁能力的工业20号钢。磁轭为有高导磁能力的硅钢片材料。磁致伸缩主体元件采用棒状铁镓磁致伸缩材料(Fe83Ga17)，在每根细棒上缠绕线圈，两磁致伸缩棒与磁轭形成闭合磁路，通过改变线圈内电流的大小和方向，改变线圈内的磁场强度，使两磁致伸缩细棒有不同程度的伸长，导致抛光头形成轴向或径向运动。八面体磁轭通过线切割将长方体切割为八面体，一方面可以简化装置结构，减小体积；另一方面可以减小装置刚度，使装置在径向可以产生较大输出位移；还可以使抛光头的截面积增加，增大抛光头与被抛光器件的接触面积。通过与底座配合，固定两根磁致伸缩棒与棒状磁轭部分。底座一方面和主体部分构成磁路，提高磁场强度，另一方面提供自由度约束，方便夹具固定。
本发明的有益效果为：本发明通过控制输入两线圈中的电流方向，使抛光装置既可以产生轴向输出形变，又可以产生径向输出位移。通过控制输入线圈中的电流的大小或频率，可以改变输出位移的大小。本发明同时注重磁路结构设计，使磁致伸缩主体元件两个FeGa棒和底座构成闭合的磁路，减少了漏磁，提高了磁场的利用率，减少的所需线圈的体积。同时为防止两磁致伸缩棒中的磁场相互干扰，在两磁致伸缩棒之间添加了导磁能力强的硅钢片材料的磁轭用于导磁。为了减小涡流损耗带来的不利影响，磁致伸缩棒与硅钢片磁轭都进行切片处理。
本发明是一种接触型磁致伸缩抛光装置，具有体积小、结构简单、使用方便等优点，既可以在线圈中输入相位相同的电流，使其在轴向产生输出位移，最大位移可达5.5μm，可通过控制电流大小和频率以改变输出位移大小，在工作频率在7-9kHz的范围内，轴向振幅可调范围为0-5.5μm；在加工不同材料和不同形状的零件时，不需要更换抛光头，只需要通过控制电流的大小和频率改变振动的振幅，来满足不同的加工需求，在工作频率在0-2kHz的范围内，径向振幅可调范围为0-45μm。
附图说明
图1为铁镓磁致伸缩材料施加偏置磁场时的λ-H曲线；
图2为抛光装置的整体装配图；
图3为抛光装置的抛光头结构图；
图4为抛光装置八面体磁轭部分结构图，其中图4a)为磁轭整体结构图；图4b)为磁轭整体结构下表面仰视图；
图5为抛光装置棒状磁轭部分结构图；
图6为抛光装置的磁致伸缩棒结构图；
图7为抛光装置的底座结构图；
图8为电流频率为8kHz的条件下抛光装置输出的轴向振幅波形；
图9为电流频率为1kHz的条件下抛光装置输出的径向振幅波形；
其中，1-抛光头；2-八面体磁轭；3-磁致伸缩棒；4-棒状磁轭；5-线圈；6-底座；7-轴；8-上表面；9-中间截面；10-下表面；
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，但它们不是对本发明作任何限制。
本发明所述的一种双棒结构的磁致伸缩抛光装置如图2所示，其组成包括：抛光头1、八面体磁轭2、磁致伸缩棒3、棒状磁轭4、线圈5和底座6；
所述的抛光头1的结构如图3，其材质为不锈钢，下部为轴7，中部为圆柱体，上部为圆台状(说明：为半球体水平截去上部之后的形状)；其中，抛光头长度范围为35-37mm，下部轴7的长为抛光头总长的三分之二；圆柱体的高度为剩余部分的三分之二，即全长的九分之二；圆台高为剩余部分的三分之一，圆台上表面圆的直径为下表面圆直径的五分之三；
所述的轴7的直径范围为9.5-10.5mm，圆柱体上下表面直径比轴7的直径大1.8-2.2mm；圆柱体上下表面直径比圆台下表面的直径大1.8-2.2mm；
所述的八面体磁轭2是通过线切割将长方体切割出的一个整体，其上表面8为正方形，下表面10为长方形，两侧各为一个斜面，前部上下两个梯形斜面的交汇处形成一条棱线，前部与后部形状大小完全对称相同，前后两条棱线形成的水平中间截面9也为长方形；中间截面将八面体分为上下两部分，两部分高度之比为1:1；其中，上表面、中间截面、下表面长方形长度比为14:25:36；宽度比为7:9:5；上表面正方形边长为14mm；整个八面体磁轭的高度范围为38-42mm；上表面8中间有开孔，直径与抛光头1的下部轴7相匹配；其底端均匀间隔开有三个凹槽，两边为圆形、中间为长方形，用于与两磁致伸缩棒3、棒状磁轭4相配合；
所述棒状磁轭4上下两端切割出长方形凸台，其中，上面的凸台与八面体磁轭2底端的长方形凹槽配合，下面的凸台与底座6上凹槽配合；
所述的圆柱体磁致伸缩棒3为两个，每个圆柱体磁致伸缩棒3上下两端各自切割有圆形凸台，下端面凸台用于与底座6配合；上端面凸台用于与八面体磁轭2的下端面10的圆形凹槽进行配合；磁致伸缩棒上缠绕线圈5，两根圆柱体磁致伸缩棒3上所缠绕的线圈5的匝数相同；磁致伸缩棒的长度范围为52-54mm，优选为53mm。
所述的底座6为矩形钢材，宽度与磁致伸缩棒3的直径相同，长度与八面体磁轭2的底端下表面长方形的长度大小相同；底座上均匀间隔开有三个凹槽(位置与八面体磁轭2底端的凹槽位置对应)，与磁致伸缩棒3、棒状磁轭4相配合；
抛光头1通过底部轴与八面体磁轭2端部的孔通过螺纹连接；两个圆柱体磁致伸缩棒3，棒状磁轭4分别与底座6、八面体磁轭2的凹槽进行配合。
磁致伸缩棒3采用铁镓磁致伸缩材料，其具有输出功率高、抗疲劳能力强、适应恶劣环境等优点，本发明采用的铁镓磁致伸缩材料(Fe83Ga17)(是公知材料，见李勇胜,张世荣,杨红川,李扩社,徐静,于敦波.Fe-Ga合金磁致伸缩材料的研究进展.稀有金属.2006(05))，当磁场为负值时，磁致伸缩系数也为正数，致使输出位移为输入电流频率的两倍，为了避免倍频效应，在线圈中施加偏置磁场，其磁致伸缩系数与磁场的关系为图1，其中横轴坐标H代表磁场强度，纵轴坐标λ代表磁致伸缩系数。
抛光头1采用高强度的不锈钢轴(12Cr17Ni7)为材料，形状为圆柱形棒材，长度为36mm，直径为12mm。在棒材的一端通过车床加工出一个直径为10mm，长度为24mm的轴7，轴7底端5mm处进行攻丝，加工时对轴7的直径进行公差控制，使轴7能够与八面体磁轭2的孔通过螺纹连接。圆柱体高8mm，直径为12mm；棒材的另一端通过车床加工出一个圆台状顶部，圆台的下端面圆直径为10mm，圆台高度为4mm；加工完成后，抛光头的形状如图3所示；
八面体磁轭2由多层硅钢片材料粘合成的长方体切割而成，长方体的长为36mm，宽为18mm，高40mm；为防止涡流损耗影响，硅钢片每片厚度为1mm，再用绝缘胶进行粘合；切割成的八面体上表面8正方形边长为14mm，中间截面9长为25mm，宽为18mm，下表面10长方形的长为36mm，宽为10mm；上表面8与中间截面9的高度为20mm，中间端面9与下表面10的高为20mm；下表面10底部左右两端切割出两圆柱体凹槽，凹槽直径为6mm，深度为3mm，中间切出长方体凹槽，凹槽长为8mm，宽为6mm，深度为5mm，凹槽分别与磁致伸缩棒3、棒状磁轭4相配合；上表面顶部开有圆柱体螺纹孔，孔直径为10mm，深度为5mm，孔的直径与抛光头的轴7相配合；加工完成后，八面体磁轭的结构如图4所示，图4(b)为图4(a)的下表面仰视图；
棒状磁轭4为多层硅钢片材料粘合成的长方体，长方体的长与磁致伸缩棒3的直径相同，为10mm，宽为8mm，高为55mm；硅钢片每片厚度为1mm，再用绝缘胶进行粘合；长方体的上下5mm处进行线切割加工出长为8mm，宽为6mm的长方体凸台，分别与八面体磁轭2进行过盈配合、与底座6进行过度配合；加工完成后，棒状磁轭的结构如图5所示；
磁致伸缩棒3为圆柱体FeGa材料，每根磁致伸缩棒的直径为10mm，高度为53mm；为防止涡流损耗的影响,棒状铁镓材料切片处理，棒材纵向切片厚度为1mm，并用绝缘胶进行粘合；磁致伸缩棒的下端5mm处开出直径6mm的圆柱体凸台，凸台攻有螺纹，用于与底座6的螺纹孔配合；上端面设有直径8mm，高度3mm的圆柱体凸台，用于与八面体磁轭2的下端面凹槽进行配合；加工完成后，磁致伸缩棒的形状如图6所示。
底座6采用工业20号钢，通过车床加工出一段长度为36mm，宽度为10mm，高度为25mm的长方体棒材，应用铣床加工在长方体棒材的一端左右两边分别加工出两个圆柱体螺纹孔，孔的直径为6mm，深度为5mm；在中心部位加工出一个长为8mm，宽为6mm，深度为5mm的长方体凹槽；通过加工时对凹槽宽度进行公差控制，使底座6的凹槽与磁致伸缩棒3通过螺纹连接，与棒状磁轭4进行过度配合；加工完成后，底座的形状如图7所示；
装配过程：在磁致伸缩棒除两端凸台外的剩余部分缠绕线圈5，要求线径为0.5mm，匝数均为585匝；将底座6的三个凹槽分别与磁致伸缩棒3，棒状磁轭4进行配合固定；将八面体磁轭2的底部两圆柱体凹槽与磁致伸缩棒3配合固定，施加一定的轴向压力后在接触面用AB胶进行粘接；将八面体磁轭2的底部长方体凹槽与棒状磁轭4配合固定；最后使八面体磁轭2的螺纹孔和抛光头的轴7通过螺纹连接；装配结果如图2所示。
控制过程：用卡具将装配好的抛光装置进行固定，然后在每根细棒的线圈5中分别并联接通直流电流(偏置磁场)和交流电流(交变磁场)。通过控制两线圈中通入电流的方向使抛光装置产生不同方向的运动。当两线圈中通入同向的输入电流时，抛光装置在轴向产生输出位移，当两线圈中通入反向的输入电流时，抛光装置在径向产生输出位移。通过控制所通的交流电流的频率和大小可以改变抛光装置的输出振幅。
本发明所设计的抛光装置在轴向运动的工作频率为7-9kHz，径向工作频率为0-2kHz；图8为抛光装置在8kHz时的输出轴向振幅波形,振幅可以达到5.5μm，图中横坐标T代表时间，单位为毫秒，纵坐标代表轴向输出振幅，单位为微米。图9为抛光装置在1kHz时的输出径向振幅波形,振幅可以达到45μm；图中横坐标T代表时间，单位为秒，纵坐标代表径向输出振幅，单位为微米。振动曲线理想情形是输入为正弦信号时，输出也为同频正弦信号，由图8、图9看出装置的输出波形效果较好。并且装置的输出位移越大，加工效率越高，本装置在尺寸较小的情况下可以产生较大的输出位移。轴向最大位移可达5.5μm，径向可达45μm可知本发明在轴向与径向都有较大的输出位移，可以满足实际需求。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (3)
1.一种双棒结构的磁致伸缩抛光装置，其特征为该装置的组成包括：抛光头、八面体磁轭、磁致伸缩棒、棒状磁轭、线圈和底座；
所述的抛光头的材质为不锈钢，下部为轴，中部为圆柱体，上部为圆台状；其中，抛光头长度范围为35-37mm，下部轴的长为抛光头总长的三分之二；圆柱体的高度为剩余部分的三分之二；圆台高为剩余部分的三分之一，圆台上表面圆的直径为下表面圆直径的五分之三；
所述的轴的直径范围为9.5-10.5mm，圆柱体直径比轴的直径大1.8-2.2mm；
所述的八面体磁轭是由多层硅钢片粘结的长方体、经过切割加工成的一个整体，其上表面为正方形，下表面为长方形，两侧各为一个斜面，前部上下两个梯形斜面的交汇处形成一条棱线，前部与后部形状大小完全对称相同，前后两条棱线形成的水平中间截面也为长方形；中间截面将八面体分为上下两部分，两部分高度之比为1:1；其中，上表面、中间截面、下表面长方形长度比为14:25:36；宽度比为7:9:5；上表面正方形边长为14mm；整个八面体磁轭的高度范围为38-42mm；上表面中间有开孔，直径与抛光头的下部轴相匹配；其底端开有三处凹槽，两边为圆形、中间为长方形；
所述棒状磁轭为多层硅钢片材料粘合成的长方体，长方体的长与磁致伸缩棒的直径相同，上下两端切割有长方形凸台；
所述的圆柱体磁致伸缩棒为两个，每个圆柱体磁致伸缩棒上下两端各自切割有圆形凸台，下端面凸台用于与底座配合；上端面凸台用于与八面体磁轭的下端面的圆形凹槽进行配合；磁致伸缩棒上缠绕线圈，两根圆柱体磁致伸缩棒上所缠绕的线圈的匝数相同；磁致伸缩棒的长度范围为52-54mm；
所述的底座为矩形钢材，宽度与磁致伸缩棒的直径相同，长度与八面体磁轭的底端下表面长方形的长度大小相同；底座的上表面均匀间隔开有三个凹槽，两边为圆形、中间为长方形，磁致伸缩棒、棒状磁轭安装在对应的凹槽内；
两根磁致伸缩棒通过下部的凸台分别固定在底座两边的凹槽内，棒状磁轭通过下部的凸台固定在底座中间的凹槽内；两根磁致伸缩棒通过上部的凸台分别固定在八面体磁轭底端两边的凹槽内，棒状磁轭通过上部的凸台固定在八面体磁轭底端中间的凹槽内；抛光头底部的轴通过螺纹连接固定在八面体磁轭端部的孔内。
2.如权利要求1所述的双棒结构的磁致伸缩抛光装置，其特征为所述的组成八面体磁轭或棒状磁轭的硅钢片的单层厚度为0.5-1 mm。
3.如权利要求1所述的双棒结构的磁致伸缩抛光装置，其特征为所述的磁致伸缩棒采用铁镓磁致伸缩材料。
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- 2016-06-18 CN CN201610454989.2A patent/CN105881176B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
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