CN105881196A - 一种超精密研磨头装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超精密研磨头装置，包括研磨头(1)和励磁装置(2)，研磨头(1)与励磁装置(2)连接，励磁装置(2)带动研磨头(1)转动并将磁性传递给研磨头(1)；励磁装置(2)内部设置有气体通道(3)，气体通道(3)与研磨头(1)相连通，气体通道(3)内的气流经过研磨头(1)从研磨头(1)外表面喷出。本发明解决了磁性流体难以有效更换的问题，提供一种超精密研磨头装置。

Description

一种超精密研磨头装置

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种超精密研磨头装置。

背景技术

微小非球面光学零件的口径一般在数毫米到数十毫米范围之内，是一种非常重要的光学零件。在军用方面，激光制导系统、雷达测距系统、航空、航天望远摄像系统、红外热成像工程等光电仪器的光学系统都广泛的应用到各种光学材料微小口径非球面镜。而在民用方面更为广泛，摄像镜头、红外远程监视镜、录像机镜头、激光视盘装置、医疗诊断用的X光镜头、间接眼底镜、内窥镜、渐进镜片、数码相机、CCD摄像镜头等光电产品，这些都需要大量的微小口径非球面光学零件，随着光学工程、通讯工程、国防、航空航天、计量检测、生物医学，汽车产业等多领域的迅速发展，对超精密微小非球面光学零件的加工需求日益迫切，各种超精密非球面的加工技术正受到国内外企业与研究机构越来越多的重视。

随着微小非球面光学零件市场的日益扩大，客户对其制造精度的要求越来越高，如何同时获得小型高性能的光学透镜成为光学系统设计和制造的重点和难点。虽然各种非球面加工技术不断的出现和发展，目前为止已经出现了多种超精密非球面加工技术，例如超精密车削、磨削技术、抛光技术，复制成型技术以及延伸一些特种加工技术等等，但是如何能高效率的获得高精度的表面质量及形状精度是目前制约微小口径非球面光学零件应用的最大瓶颈，如何获得高质量、高精度的非球面光学零件仍是各个国家和地区研究的热点。特别以光学玻璃，碳化硅，碳化钨，结晶硅等硬脆材料为代表的微小非球面光学元器件对光学加工技术提出了更为严格的要求。在硬脆材料的微小非球面透镜及其模具的制造技术中，最为有效的高形状精度和高表面质量创成的手段是采用微粉砂轮的超精密镜面磨削。它能够高效率地获得亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度，但在高精度激光光学系统、短波光源光学系统中，光学非球面零件既要有纳米级或者纳米级以下的非常低的表面粗糙度，又要具有p-v100nm量级的高形状精度，而且要求极低的亚表面损伤。受零件尺寸空间的限制，传统的弹性抛光头和手工抛光工艺受加工效率、产量以及精度稳定性的限制，除了难以保证均匀的表面粗糙度外，还或多或少的破坏前磨削工序所得到的形状精度，很难应用于微小非球面的自动抛光，已经在被慢慢淘汰。特别是对于微小非球面、微小复杂曲面(如鼻锥体，圆柱体、自由曲面)体、高陡度的凹形光学零件及其模具等，传统的研抛工具还会产生机械干涉难以抛光。随着人们对亚纳米级光滑表面形成机理认识的深入和超光滑加工以及检测技术的发展,出现了各种应用化学、电磁学、流体力学和能量场原理加工超光滑表面的新加工方法，但是针对微小非球面透镜和微细模具的加工制造，目前国内外都缺乏理想的高效率、高精度的自动抛光方法。譬如，计算机控制光学表面成形(CCOS)技术与应力抛光技术主要是针对大口径非球面零件的加工，并且受其加工原理的影响，很难有效的控制复杂微小口径非球面零件的形状精度；传统的MRF磁流变抛光技术可以实现大中口径的非球面零件的加工，但由于受其抛光轮大小的限制，对于微小口径特别是口径10mm以下的零件很难实现磁流体的循环，从而存在一定的加工难度；至于ERF电流变液技术弹性发射加工技术、离子束抛光(简称IBF)技术、等离子体辅助抛光(PACE)技术等多种特种加工技术，虽然可以实现微小口径非球面零件的加工，但受去除效率低下的限制，并且这些特种加工方法需要昂贵的加工成本，并不能广泛的应用于工业生产。

2009年10月28日公开的申请号为200910043610.9的发明创造公开了一种磁流变斜轴抛光方法及装置，该发明创造利用抛光工具头外壳较小前端区域一部分有磁场，另一部分无磁场或弱磁场，便于磁流变液更新。然而，该发明创造用于微小非球面光学零件的抛光时，由于工作空间窄小，仅依靠易磁化体的形状差异来更换磁流变体，还是容易出现磁流变体中的铁基颗粒包围抛光头前端，铁基颗粒中的磨料难以对工件形成有效的磨削作用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，克服了磁性流体难以有效更换的问题，提供一种超精密研磨头装置。

一种超精密研磨头装置，包括研磨头和励磁装置，研磨头与励磁装置连接，励磁装置带动研磨头转动并将磁性传递给研磨头；励磁装置内部设置有气体通道，气体通道与研磨头相连通，气体通道内的气流经过研磨头从研磨头外表面喷出。

作为优选，所述研磨头包括磁芯磨头和气孔磨头，磁芯磨头前端位于气孔磨头内，磁芯磨头前端与气孔磨头之间形成有空隙，磁芯磨头后端与励磁装置固定连接，气孔磨头与磁芯磨头同步转动；磁芯磨头后端设置有空腔，气体通道与空腔相连，磁芯磨头上空腔与空隙之间设置有通气孔；气孔磨头的工作面上设置有气孔。

作为优选，所述励磁装置包括电磁铁芯轴、线圈隔热套筒和线圈，线圈缠绕在线圈隔热套筒上，线圈隔热套筒套在电磁铁芯轴上，电磁铁芯轴与研磨头固定连接，气体通道设置在电磁铁芯轴内部。

作为优选，所述气体通道中心线与电磁铁芯轴中心线重合；所述电磁铁芯轴上设置有气道，气道连通气体通道和电磁铁芯轴外表面，气道位于线圈和电磁铁芯轴之间。

作为优选，所述气孔磨头表面的气孔直径为亚微米级。

作为优选，所述气孔磨头表面的气孔直径为纳米级。

作为优选，所述气孔在气孔磨头表面均匀布置；通气孔相对于磁芯磨头的中心线对称布置。

作为优选，所述磁芯磨头的中心线和气孔磨头的中心线重合。

作为优选，磁芯磨头的材质是软铁或者硅钢材料。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用气流通过气孔磨头上的微小气孔对吸附到气孔磨头上的磁性流体进行更新，可以在工作过程中实现磁性流体的有效更新，避免磁性流体中仅铁基颗粒包围磨头而使磨料难以对工件形成有效的磨削作用的现象；此外本发明利用气流实现磁性流体的更换还起到一个难以预料的效果，即：利用磁场和气流对磁性流体的复合作用来抛光非球面工件，使得研磨效果更佳，气流可以提高研磨时的研磨压力，而且利用气体提高研磨压力还可以减小研磨过程中的残留磨痕。

(2)本发明可以通过电磁铁芯轴上的气道以及各部件相互配合时自然形成的间隙利用气体对发热部件进行冷却，提高设备使用寿命的同时降低了安全隐患。

(3)本发明可以实现微小非球面抛光(尺寸在10毫米以下)的自动化，得到亚微米级的形状精度和纳米级的表面粗糙度，得到极小的表面损伤，同时可以有效回收价格不菲的金刚石粉末等研磨材料，提高了材料的利用率和回收率，与常规的磁力研磨机相比，能有效的提高加工效率，而且制造，装配简单，所述装置无须专用磁力研磨设备，可以直接利用已有立式铣床等普通机加工设备来实现磁力研磨加工，易于工业化实施。

(4)本发明磁芯磨头随气孔磨头一起转动除了可以简化设备结构，合理安排动力传动，方便气流输送之外还有着难以预料的效果，即：如果磁芯磨头不随气孔磨头一起转动，磁性流体被吸附在气孔磨头上仅仅在磁芯流体和气孔磨头之间的摩擦力作用下随气孔磨头转动，而且在此过程中需要克服离心力作用；而当磁芯磨头随气孔磨头一起转动时磁性流体的随气孔磨头的转动除了依靠摩擦力外更多的是依赖磁性流体和磁芯磨头之间的吸附力，吸附效果更好，磁性流体更有效地随气孔磨头一起转动，不但可以更好地对工件形成研磨的作用，还更利于磁性流体的更新。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为超精密研磨头装置的示意图。

图2为图1中A的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地说明。

实施例

图1为超精密研磨头装置的示意图、图2为图1中A的局部放大示意图。如图1、图2所示，一种超精密研磨头装置，包括研磨头1和励磁装置2，研磨头1与励磁装置2连接，励磁装置2带动研磨头1转动并将磁性传递给研磨头1；励磁装置2内部设置有气体通道3，气体通道3与研磨头1相连通，气体通道3内的气流经过研磨头1从研磨头1外表面喷出；所述研磨头1包括磁芯磨头11和气孔磨头12，磁芯磨头11前端位于气孔磨头12内，磁芯磨头11前端与气孔磨头12之间形成有空隙4，磁芯磨头11后端与励磁装置2固定连接，气孔磨头12与磁芯磨头11同步转动；磁芯磨头11后端设置有空腔1101，气体通道3与空腔1101相连，磁芯磨头11上空腔1101与空隙4之间设置有通气孔5；气孔磨头12的工作面上设置有气孔6；所述励磁装置2包括电磁铁芯轴21、线圈隔热套筒22和线圈23，线圈23缠绕在线圈隔热套筒22上，线圈隔热套筒22套在电磁铁芯轴21上，电磁铁芯轴21与研磨头1固定连接，气体通道3设置在电磁铁芯轴21内部；所述气体通道3中心线与电磁铁芯轴21中心线重合；所述电磁铁芯轴21上设置有气道7，气道7连通气体通道3和电磁铁芯轴21外表面，气道7位于线圈23和电磁铁芯轴21之间；所述气孔磨头12表面的气孔6直径为亚微米级；所述气孔磨头12表面的气孔6直径为纳米级；所述气孔6在气孔磨头12表面均匀布置；通气孔5相对于磁芯磨头11的中心线对称布置；所述磁芯磨头11的中心线和气孔磨头12的中心线重合；磁芯磨头11的材质是软铁或者硅钢材料，值得说明的是所述气孔磨头12上的气孔6可以由亚微米/纳米级微孔透气材料替代。

本发明的工作过程：电磁铁芯轴在外部动力作用下转动，电磁铁芯轴一方面带动磁芯磨头转动，另一方面通过连接部件带动气孔磨头同步转动；气流由高速旋转接头通入电磁铁芯轴的气体通道，大部分气体沿气体通道涌到磁芯磨头，再通过通气孔进入气孔磨头，从气孔排到外面，吹去吸附在磨头上的铁粉和金刚石粉末，使其更新，减少残留，具体来讲，气流从研磨头内部通过气孔磨头的亚微米/纳米级微气孔中渗出，在气孔磨头与工件的狭小研磨间隙中形成稳定的气膜使研磨更加均匀并显著提高研磨效果，同时利用磁场和气流对磁性流体的复合作用来抛光非球面工件，也使得研磨效果更佳，而且由于磁芯磨头和气孔磨头一起转动，使得磁性流体更有效地随气孔磨头一起转动，除了可以依靠离心力对磁性流体进行搅拌和更新外，还可以对工件形成更好的研磨作用；此外，还更利于磁性流体的更新，这是由于：在研磨头的非加工表层，通过气流的作用将吸附在气孔磨头的上磁性流体吹落，可达到磨粒自动循环更新的目的。还有一部分气体通过电磁铁芯轴上的气道对线圈进行冷却，另外利用各部件连接时自然形成的空隙使气体对线圈及发热部件进行冷却；线圈接通电源对电磁铁芯轴进行励磁，并将磁性传递给磁性磨头，磁性磨头吸附铁粉并将夹在铁粉中的金刚石粉末一起吸附在气孔磨头上，使铁粉和金刚石粉末充满气孔磨头和工件的接触面；铁粉和金刚石粉末组成的磁性流体在磁场的作用下在气孔磨头外部形成磨粒刷对工件进行研磨，研磨头内部设置气流通路并在气孔磨头上采用亚微米/纳米级微孔透气材料，气流从微孔透气材料中喷出可以提高研磨压力，有效促进磨料更新，而且在气孔磨头转动时形成的的非工作面上气流可将磁性材料全部吹落彻底更新磁性磨料；通过线圈的通断电来控制磁芯磨头的磁性，断电时可以消除磁性从而使磁性流体达到及时更新的效果，为了更好地传递并控制磁芯磨头的磁性，磁芯磨头采用消磁较快的金属材料，可以是软铁或者硅钢材料。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种超精密研磨头装置，其特征在于：包括研磨头(1)和励磁装置(2)，研磨头(1)与励磁装置(2)连接，励磁装置(2)带动研磨头(1)转动并将磁性传递给研磨头(1)；励磁装置(2)内部设置有气体通道(3)，气体通道(3)与研磨头(1)相连通，气体通道(3)内的气流经过研磨头(1)从研磨头(1)外表面喷出。

2.如权利要求1所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述研磨头(1)包括磁芯磨头(11)和气孔磨头(12)，磁芯磨头(11)前端位于气孔磨头(12)内，磁芯磨头(11)前端与气孔磨头(12)之间形成有空隙(4)，磁芯磨头(11)后端与励磁装置(2)固定连接，气孔磨头(12)与磁芯磨头(11)同步转动；磁芯磨头(11)后端设置有空腔(1101)，气体通道(3)与空腔(1101)相连，磁芯磨头(11)上空腔(1101)与空隙(4)之间设置有通气孔(5)；气孔磨头(12)的工作面上设置有气孔(6)。

3.如权利要求1所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述励磁装置(2)包括电磁铁芯轴(21)、线圈隔热套筒(22)和线圈(23)，线圈(23)缠绕在线圈隔热套筒(22)上，线圈隔热套筒(22)套在电磁铁芯轴(21)上，电磁铁芯轴(21)与研磨头(1)固定连接，气体通道(3)设置在电磁铁芯轴(21)内部。

4.如权利要求1所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述气体通道(3)中心线与电磁铁芯轴(21)中心线重合；所述电磁铁芯轴(21)上设置有气道(7)，气道(7)连通气体通道(3)和电磁铁芯轴(21)外表面，气道(7)位于线圈(23)和电磁铁芯轴(21)之间。

5.如权利要求2所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述气孔磨头(12)表面的气孔(6)直径为亚微米级。

6.如权利要求2所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述气孔磨头(12)表面的气孔(6)直径为纳米级。

7.如权利要求2所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述气孔(6)在气孔磨头(12)表面均匀布置；通气孔(5)相对于磁芯磨头(11)的中心线对称布置。

8.如权利要求2所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：所述磁芯磨头(11)的中心线和气孔磨头(12)的中心线重合。

9.如权利要求2所述的一种超精密研磨头装置，其特征在于：磁芯磨头(11)的材质是软铁或者硅钢材料。