CN106863020A - 螺旋式磁流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋式磁流变抛光装置，抛光轮设有螺旋线形的流动通道，流动通道包括直线通道和圆弧通道，抛光轮通过主轴连接电动机，由电动机带动旋转，线圈紧固在线圈支架的顶端，线圈支架由定位销将上下两部分连接起来，并固定于底座上，由电源为线圈供电，形成所需的磁场；线圈连接电源提供磁场计算出直线通道上各点的磁场强度，再由所得磁场强度计算出磁流变液的剪切应力，与磁流变液静态屈服应力比较，使磁流变液在直线通道变为固体实现材料去除，在圆弧通道变为流体并进入下一个直线通道，从而实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动。本发明结构简单，通过调节线圈位置，控制直线通道的磁流变液固体长度，从而实现抛光区域大小控制，提高了抛光效率。

Description

螺旋式磁流变抛光装置

技术领域

本发明涉及一种抛光装置，尤其涉及一种用于光学元件抛光的螺旋式磁流变抛光装置。

背景技术

随着现代科学技术的不断发展，对所需的光学元件提出了越来越高的要求。通常情况下，最终生产的光学元件具有高的面形精度，好的表面质量以及尽可能少的亚表面破坏层。当前采用的抛光加工方法包括化学机械抛光、离子束抛光、射流抛光等，其中磁流变抛光也是目前应用较多的一种抛光方法。其优点有：(1)抛光头不会变钝或是变形；(2)作为一种柔性介质抛光头适合复杂面形加工。常规的磁流变抛光主要采用工件与抛光头之间的点接触实现材料的抛光去除，因此效率受到了一定的影响，为了进一步提高光学玻璃磁流变抛光效率，本发明设计一种螺旋式磁流变抛光装置，大幅度增加抛光区域的接触面积，以提高抛光效率。

发明内容

本发明的目的在于针对常规磁流变抛光装置去除效率低的技术缺陷，提供一种可以实现面接触抛光的螺旋式磁流变抛光装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种螺旋式磁流变抛光装置，包括抛光轮、磁流变液喷头、线圈、磁流变液接受器、主轴、底座、线圈支架、电源、定位销、电动机，所述抛光轮设有螺旋线形的流动通道，所述流动通道由直线通道和圆弧通道组成；所述抛光轮通过主轴连接电动机，由电动机带动旋转，所述线圈通过螺钉紧固在线圈支架的顶端，所述线圈支架由定位销将上下两部分连接起来，并固定于底座上，所述线圈与固定在底座的电源连接，由电源为线圈供电，形成所需的磁场；所述抛光轮两侧分别设有磁流变液喷头和磁流变液接收器，磁流变液喷头喷出的磁流变液由磁流变液接收器接收。

由线圈连接电源提供磁场，根据线圈与直线通道的相对位置，计算出直线通道上各点的磁场强度，再由所得磁场强度计算出磁流变液的剪切应力，与磁流变液静态屈服应力进行比较判定，使磁流变液在直线通道变为固体实现材料去除，在圆弧通道变为流体并进入下一个直线通道，从而实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动。

所述线圈与抛光轮的相对位置的坐标确定方法：

以抛光轮1上直线通道的中点O(0,0)为原点建立一个平面直角坐标系，设直线通道上以O点为中点、长度L的范围内为加工区域，该范围内磁流变液为固体。设右侧线圈坐标为M₁(h₁,l₁)，左侧线圈坐标为M₂(h₂,l₂)，直线通道上加工区域一侧边界点K(x,y)的磁场强度为：

其中

B_g为气隙磁通密度，μ₀为空气磁导率，e为左右两侧线圈顶端间距，2a为抛光装置底座长度

设点K相对于右侧线圈M₁和左侧线圈M₂偏离坐标为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)，则

将公式(2)、(3)和(4)带入到公式(1)，计算得直线通道K点处的磁场强度H为：

则该点K处的剪切应力为：

τ_y＝K₀H² (6)

其中，系数K₀为已知的磁流变液性能参数；

设τ₀为磁流变液静态屈服应力，根据公式(6)计算的直线通道坐标该点处磁流变液的剪切应力τ_y，通过调节右侧线圈坐标M₁(h₁,l₁)和左侧线圈坐标M₂(h₂,l₂)，使得|τ_y|＝τ₀，则此时直线通道中部的长度内的磁流变液为固体，实现材料抛光去除，而直线通道的其余部分以及圆弧通道的磁流变液则由于|τ_y|＜τ₀，均变为流体，并从直线通道一侧流入且通过圆弧通道，进入下一个直线通道，进一步实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动，最终确定抛光轮上直线通道的两侧线圈位置。

本发明的有益效果是：

结构简单，主要由抛光轮、线圈支架和电源组成。抛光区域面积大，且通过调节直线通道长度，即实现抛光区域大小控制，不仅提高了抛光效率，还拓宽了加工对象的尺寸范围。

附图说明

图1为本发明施例的结构组成俯视示意图；

图2为本发明施例的结构组成右视示意图；

图3为本发明施例的结构组成主视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

如图1至图3所示，本发明的螺旋式磁流变抛光装置，包括抛光轮1、磁流变液喷头2、线圈3、磁流变液接收器4、主轴5、底座6、线圈支架7、电源8、定位销9、电动机10。

抛光轮1设有螺旋线形的流动通道，流动通道包括直线通道和圆弧通道，抛光轮1通过主轴5提供旋转运动，主轴5则由一台电动机10带动旋转，线圈支架7由定位销9将上下两部分连接起来并固定在底座6上，电源8通过螺钉紧固在底座6内部用于为线圈供电，形成所需的磁场，磁流变液由磁流变液喷头2喷出，由磁流变液接收器4接收；所述线圈3通过螺钉紧固在线圈支架7的顶端，电线穿过线圈支架内部，与固定在底座6的电源8连接；

线圈与抛光轮的相对位置坐标确定方法如下：

以抛光轮上直线通道的中点O(0,0)为原点建立一个平面直角坐标系，设直线通道上以O点为中点、长度L的范围内为加工区域，该范围内磁流变液为固体。设右侧线圈坐标为M₁(h₁,l₁)，左侧线圈坐标为M₂(h₂,l₂)，直线通道上加工区域一侧边界点K(x,y)的磁场强度为

其中

B_g为气隙磁通密度，μ₀为空气磁导率，e为左右两侧线圈顶端间距，2a为抛光装置底座长度；

设点K相对于右侧线圈M₁和左侧线圈M₂偏离坐标为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)，则

将公式(2)和(3)带入到公式(1)，计算得直线通道K点处的磁场强度H为

则该点K处的剪切应力为：

τ_y＝K₀H² (6)

其中，系数K₀为已知的磁流变液性能参数。

设τ₀为磁流变液静态屈服应力，根据公式(6)计算的直线通道坐标该点处磁流变液的剪切应力τ_y，通过调节右侧线圈坐标M₁(h₁,l₁)和左侧线圈坐标M₂(h₂,l₂)，使得|τ_y|＝τ₀，则此时直线通道中部的长度内的磁流变液为固体，实现材料抛光去除，而直线通道的其余部分以及圆弧通道的磁流变液则由于|τ_y|＜τ₀，均变为流体，并从直线通道一侧流入且通过圆弧通道，进入下一个直线通道，进一步实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动，最终确定抛光轮上直线通道的两侧线圈位置。

可以根据实际加工需要，按照上述方法在抛光轮两侧添加左侧线圈和右侧线圈，能够增加将磁流变液变为固体的直线通道数目，从而提高有效加工面积。

设直线通道上加工区域一侧边界点坐标为K(x,y)，计算出K点偏离右侧线圈M₁和左侧线圈M₂的差值为公式(4)，将公式(2)、(3)和(4)带入公式(1)计算出直线通道K点处的磁场强度H，根据公式(6)计算出直线通道一侧边界点K磁流变液的剪切应力τ_y，通过调节右侧线圈坐标M₁(h₁,l₁)和左侧线圈坐标M₂(h₂,l₂)，使得|τ_y|＝τ₀，则此时直线通道中部的长度内的磁流变液为固体，可实现材料抛光去除，而圆弧通道的磁性则由于|τ_y|＜τ₀，磁流变液进入圆弧通道时变为流体，并从直线通道一侧流入和通过圆弧通道，进入下一个直线通道，进一步实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动，最终确定抛光轮上直线通道的两侧线圈位置。本实施例按照上述方法，设置了5个线圈，形成4个将磁流变液变为固体的直线通道，用于抛光加工。

Claims (3)

1.一种螺旋式磁流变抛光装置，包括抛光轮(1)、磁流变液喷头(2)、线圈(3)、磁流变液接受器(4)、主轴(5)、底座(6)、线圈支架(7)、电源(8)、定位销(9)、电动机(10)，其特征在于：所述抛光轮(1)设有螺旋线形的流动通道，所述流动通道由直线通道和圆弧通道组成；所述抛光轮(1)通过主轴(5)连接电动机(10)，由电动机(10)带动旋转，所述线圈(3)通过螺钉紧固在线圈支架(7)的顶端，所述线圈支架(7)由定位销(9)将上下两部分连接起来，并固定于底座(6)上，所述线圈(3)与固定在底座(6)的电源(8)连接，由电源(8)为线圈(3)供电，形成所需的磁场；所述抛光轮(1)两侧分别设有磁流变液喷头(2)和磁流变液接收器(4)，磁流变液喷头(2)喷出的磁流变液由磁流变液接收器(4)接收。

2.根据权利要求1所述的螺旋式磁流变抛光装置，其特征在于：由线圈(3)连接电源(8)提供磁场，根据线圈与直线通道的相对位置，计算出直线通道上各点的磁场强度，再由所得磁场强度计算出磁流变液的剪切应力，与磁流变液静态屈服应力进行比较判定，使磁流变液在直线通道变为固体实现材料去除，在圆弧通道变为流体并进入下一个直线通道，从而实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动。

3.根据权利要求1所述的螺旋式磁流变抛光装置，其特征在于：所述线圈(3)与抛光轮(1)的相对位置的坐标确定：

以抛光轮(1)上直线通道的中点O(0,0)为原点建立一个平面直角坐标系，设直线通道上以O点为中点、长度L的范围内为加工区域，该范围内磁流变液为固体。设右侧线圈坐标为M₁(h₁,l₁)，左侧线圈坐标为M₂(h₂,l₂)，直线通道上加工区域一侧边界点K(x,y)的磁场强度为：

$H=\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}-A_{n}cos({\mathrm{\β}}_n\·x)e^{-{\mathrm{\β}}_n{y}^t}+\underset{n=1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{A}_{n}sin({\mathrm{\β}}_n\·x)e^{-{\mathrm{\β}}_n{y}^t}---\left(1\right)$

其中

${\mathrm{\β}}_n=\frac{2n-1}{2a}\mathrm{\π}---\left(3\right)$

B_g为气隙磁通密度，μ₀为空气磁导率，e为左右两侧线圈顶端间距，2a为抛光装置底座长度；

设点K相对于右侧线圈M₁和左侧线圈M₂偏离坐标为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)，则

$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=h_1-x\\ Y_1=l_1-y\\ X_2=h_2-x\\ Y_2=l_2-y\end{array}\right.---\left(4\right)$

将公式(2)、(3)和(4)带入到公式(1)，计算得直线通道K点处的磁场强度H为：

$H=A_n\[e^{-{\mathrm{\β}}_n{(h_1-y)}^t}\left(sin\left({\mathrm{\β}}_n\left(l_1-x\right)\right)-cos\left({\mathrm{\β}}_n\left(l_1-x\right)\right)\right)+e^{-{\mathrm{\β}}_n{(h_2-y)}^t}\left(sin\right({\mathrm{\β}}_n\left(l_2-x\right))-cos({\mathrm{\β}}_n\left(l_2-x\right))\]---\left(5\right)$

则该点K处的剪切应力为：

τ_y＝K₀H² (6)

其中，系数K₀为已知的磁流变液性能参数；

设τ₀为磁流变液静态屈服应力，根据公式(6)计算的直线通道坐标该点处磁流变液的剪切应力τ_y，通过调节右侧线圈坐标M₁(h₁,l₁)和左侧线圈坐标M₂(h₂,l₂)，使得|τ_y|＝τ₀，则此时直线通道中部的长度内的磁流变液为固体，实现材料抛光去除，而直线通道的其余部分以及圆弧通道的磁流变液则由于|τ_y|＜τ₀，均变为流体，并从直线通道一侧流入且通过圆弧通道，进入下一个直线通道，进一步实现在整个抛光轮的流动通道中循环流动，最终确定抛光轮上直线通道的两侧线圈位置。