CN106863023A - 可调式磁性复合流体抛光头机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调式磁性复合流体抛光头机构，该机构包括磁铁旋转机构、载液板旋转机构，所述磁铁旋转机构中的永久磁铁偏心固定在磁铁盘下方，磁铁盘通过主轴连接电机一，由电机一驱动主轴带动永久磁铁转动，产生高速旋转的磁场；所述载液板旋转机构中的连接支架为圆形套筒，安装于所述磁铁旋转机构的外侧；载液板作为连接支架的端盖，安装在永久磁铁下方；V型带套接在V型带轮和连接支架上，电机二通过联轴器连接V型带轮，由电机二通过V型带轮驱动连接支架及其上的载液板旋转，使载液板上的磁性复合流体旋转，从而实现对工件抛光去除。本发明结构简单，材料去除效率高，适用的磁性簇尺寸范围广等特点。

Description

可调式磁性复合流体抛光头机构

技术领域

本发明涉及一种抛光头机构，尤其是涉及一种可调式磁性复合抛光的抛光头机构。

背景技术

磁性复合流体(Magnetic compound fluid，MCF)抛光是一种新型纳米级超精密加工技术，它是利用磁性复合流体在磁场作用下，呈半固态介质，对工件进行抛光的加工技术。它具有抛光过程可控、加工工件表面面形精度高、不产生亚表面损伤、抛光头尺寸可控可变、实现对材料的确定性加工等优点，磁性复合流体抛光具有广泛的发展前途和工程应用价值。

现有的磁性复合流体抛光头装置中，起到承载磁性复合流体的载液板多以光滑平面为主，与磁性复合流体间的摩擦力相对较小，不利于提高磁性复合流体抛光的去除效率。另外，磁性复合流体在加工过程中易受外界条件影响，使磁性簇尺寸发生改变。本发明根据MCF磁性簇的尺寸，设计表面具有正四面体凹槽且可调的载液板，提高载液板对磁性复合流体的摩擦驱动力，实现更高的抛光头材料的去除能力。

发明内容

本发明的目的旨在针对传统磁性复合流体抛光材料去除效率较低的缺点，对磁性复合流体抛光头中载液板进行结构设计，提出了一种载液板表面具有正四面体凹槽且尺寸可调的磁性复合流体抛光头机构。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种可调式磁性复合流体抛光头机构，包括磁铁旋转机构、载液板旋转机构，所述磁铁旋转机构包括：主轴、磁铁盘、永久磁铁和电机一，所述永久磁铁偏心固定在磁铁盘下方，磁铁盘通过主轴连接电机一，由电机一驱动主轴带动永久磁铁转动，产生高速旋转的磁场；所述载液板旋转机构包括连接支架，载液板，V型带，V型带轮和电机二，连接支架为圆形套筒，安装于所述磁铁旋转机构的外侧；载液板作为连接支架的端盖，安装在永久磁铁下方；V型带套接在V型带轮和连接支架上，电机二通过联轴器连接V型带轮，由电机二通过V型带轮驱动连接支架及其上的载液板旋转，使载液板上的磁性复合流体旋转，从而实现对工件抛光去除。

所述载液板由五个表面具有正四面体凹槽或正三棱台通孔结构、直径相同、厚度不同的圆形薄板组成，分为基板、附板Ⅰ、附板Ⅱ、附板Ⅲ、和附板Ⅳ；附板上的正三棱台通孔与基板上均匀分布的正四面体凹槽配合，形成形状不变、尺寸可调的正四面体凹槽，且正四面体凹槽的尺寸大小由磁性复合流体的磁性簇大小来确定，用于提高载液板对磁性复合流体的摩擦驱动力，实现更高的抛光去除效率。

一种可调式磁性复合流体抛光头机构中的基板表面的正四面体凹槽和附板的正三棱台通孔结构设计方法，其步骤为：

1)设顶端为半球形的磁性簇标准直径为a，载液板上正四面体凹槽的棱长为x，磁性簇顶端与底面正三角形内切，即有：

得正四面体棱长为：

由正四面体棱长得正四面体凹槽深度h₀为：

2)按照2：2：1：0.5：0.25的比例设计基板的正四面体凹槽深度和各附板的正三棱台的厚度，即基板的正四面体凹槽深度、附板Ⅰ、附板Ⅱ、附板Ⅲ、和附板Ⅳ的正三棱台厚度h₁，h₂，h₃，h₄，h₅与h₀关系为：

基板、附板Ⅰ、附板Ⅱ、附板Ⅲ、和附板Ⅳ的正四面体凹槽和正三棱台通孔底面正三角形的边长分别为x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，得：

3)载液板组合情况有：基板、基板+附板Ⅰ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ+附板Ⅳ，这五种组合载液板配合的磁性簇最大直径分别为a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，计算：

a₃＝a (16)

上述载液板能满足配合的磁性簇直径范围为：

基板、基板+附板Ⅰ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ+附板Ⅳ，这五种组合载液板满足的磁性簇直径调节范围分别为：

4)依据磁性簇直径的范围，选取所需的载液板组合情况。

本发明的有益效果为：

1.结构简单，体积小，可行性高：该抛光头仅由主轴、磁铁盘、永久磁铁、连接支架、载液板、V型带，V型带轮和电机组成。采用套筒作为连接支架，使结构紧凑有序，缩小体积，各部分均为常见元件，加工方便，可行性高。

2.抛光过程材料去除率有效提高：通过设计载液板表面的正四面体凹槽，增加载液板表面粗糙度，提高载液板对磁性复合流体的摩擦驱动力，实现更高的磁性复合流体抛光对材料去除效率。

3.适用范围广，通用型强：通过载液板表面正四面体凹槽尺寸的可调性设计，扩大了能满足的磁性簇直径范围，使用方便。

附图说明

图1为本发明的可调式磁性复合流体抛光头机构示意图；

图2为基板和4个附板组合的载液板主视示意图；

图3为基板和4个附板组合的载液板左视示意图；

图4为基板和4个附板组合的载液板与磁性复合流体作用示意图。

具体实施方法

下面结合上述附图，对本发明的技术方案做进一步的阐述。

如图1所示，一种可调式磁性复合流体抛光头机构，包括磁铁旋转机构和载液板旋转机构。

磁铁旋转机构包括：主轴9、磁铁盘8、永久磁铁7和电机一10。其中永久磁铁7通过螺钉偏心安装在磁铁盘8下方，磁铁盘8通过螺钉与主轴9连接，主轴9通过联轴器安装在电机一10上，由电机一10驱动主轴9带动永久磁铁7转动，产生高速旋转的磁场。

如图1，2所示，载液板旋转机构包括：连接支架6，载液板5，V型带3，V型带轮2和电机二1。连接支架6为圆形套筒，安装在上述磁铁旋转机构的外侧；载液板5作为连接支架6的端盖，通过螺钉11安装于永久磁铁7下方；V型带3套在V型带轮2和连接支架6上，电机二1和V型带轮2通过联轴器连接，电机二1通过V型带轮2驱动连接支架6及其上的载液板5旋转，使载液板5上的磁性复合流体4旋转，从而实现对工件抛光去除。

如图2至图4所示，上述载液板5由5个表面具有正四面体凹槽或正三棱台通孔结构、直径相同、厚度不同的圆形薄板组成，分为基板13、附板Ⅰ14、附板Ⅱ15、附板Ⅲ16、和附板Ⅳ17。附板Ⅰ-Ⅳ14-17上的正三棱台通孔19-22与基板13上同心均匀分布的正四面体凹槽18配合，通过螺钉12固定，形成形状不变、尺寸可变的正四面体凹槽，通过磁性复合流体4的磁性簇23大小来确定正四面体凹槽的尺寸大小，提高载液板5对磁性复合流体4的摩擦驱动力，有效提高抛光的去除效率。

结合实例，基板13正四面体凹槽18和附板Ⅰ-Ⅳ14-17上正三棱台通孔19-22的尺寸计算方法如下：

当磁性复合流体抛光液4成分及比例为：羰基铁粉、氧化铈、去离子水、α-纤维素，其比例为5:1:3:1时，测得磁性簇23的标准直径约a＝5mm。

1、磁性簇23直径a＝0.5，设载液板上正四面体凹槽的棱长为x，磁性簇23顶端与底面正三角形内接，由公式(2)得：

由公式(3)得正四面体凹槽深度h₀为

载液板组合情况有：基板13、基板13+附板Ⅰ14、基板13+附板Ⅰ14+附板Ⅱ15、基板13+附板Ⅰ14+附板Ⅱ15+附板Ⅲ16、基板13+附板Ⅰ14+附板Ⅱ15+附板Ⅲ16+附板Ⅳ17，这五种组合载液板配合的磁性簇最大直径分别为a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，计算：

a₃＝a＝5 (23)

以上知载液板5适用磁性簇23直径范围：0～5.75mm。这五种组合适用磁性簇调节范围分别为：0～2mm，2～4mm，4～5mm，5～5.5mm，5.5～5.75mm。

若因外界条件导致磁性簇23尺寸减少为3.5mm，范围在2～4mm间，则选择基板13+附板Ⅰ14+附板Ⅱ15配合使用，提高载液板5对磁性复合流体4的摩擦驱动力，实现更高的磁性复合流体的去除效率。

Claims (3)

1.一种可调式磁性复合流体抛光头机构，包括磁铁旋转机构、载液板旋转机构，其特征在于：所述磁铁旋转机构包括主轴(9)、磁铁盘(8)、永久磁铁(7)和电机一(10)，所述永久磁铁(7)偏心固定在磁铁盘(8)下方，磁铁盘(8)通过主轴(9)连接电机一(10)，由电机一(10)驱动主轴(9)带动永久磁铁(7)转动，产生高速旋转的磁场；所述载液板旋转机构包括连接支架(6)，载液板(5)，V型带(3)，V型带轮(2)和电机二(1)，连接支架(6)为圆形套筒，安装于所述磁铁旋转机构的外侧；载液板(5)作为连接支架(6)的端盖，安装在永久磁铁(7)下方；V型带(3)套接在V型带轮(2)和连接支架(6)上，电机二(1)通过联轴器连接V型带轮(2)，由电机二(1)通过V型带轮(2)驱动连接支架(6)及其上的载液板(5)旋转，使载液板(5)上的磁性复合流体(4)旋转，从而实现对工件抛光去除。

2.根据权利要求1所述的可调式磁性复合流体抛光头机构，其特征在于：所述载液板(5)由五个表面具有正四面体凹槽或正三棱台通孔结构、直径相同、厚度不同的圆形薄板组成，分为基板(13)、附板Ⅰ(14)、附板Ⅱ(15)、附板Ⅲ(16)和附板Ⅳ(17)；附板上的正三棱台通孔与基板(13)上均匀分布的正四面体凹槽配合，形成形状不变、尺寸可调的正四面体凹槽，且正四面体凹槽的尺寸大小由磁性复合流体(4)的磁性簇(23)大小来确定，用于提高载液板对磁性复合流体的摩擦驱动力，实现更高的抛光去除效率。

3.一种权利要求2所述的可调式磁性复合流体抛光头机构中的基板表面的正四面体凹槽和附板的正三棱台通孔结构设计方法，其特征在于，其步骤为：

1)设顶端为半球形的磁性簇标准直径为a，载液板上正四面体凹槽的棱长为x，磁性簇顶端与底面正三角形内切，即有：

$2\·\frac{1}{3}\·\frac{\sqrt{3}}{2}x=a---\left(1\right)$

得正四面体棱长为：

$x=\sqrt{3}a---\left(2\right)$

由正四面体棱长得正四面体凹槽深度h₀为：

$h_0=\frac{\sqrt{6}}{3}x=\frac{\sqrt{6}}{3}\·\sqrt{3}a=\sqrt{2}a---\left(3\right)$

2)按照2：2：1：0.5：0.25的比例设计基板的正四面体凹槽深度和各附板的正三棱台的厚度，即基板的正四面体凹槽深度、附板Ⅰ、附板Ⅱ、附板Ⅲ、和附板Ⅳ的正三棱台厚度h₁，h₂，h₃，h₄，h₅与h₀关系为：

$h_1=\frac{2h_0}{5}=\frac{2\sqrt{2}a}{5}---\left(4\right)$

$h_2=\frac{2h_0}{5}=\frac{2\sqrt{2}a}{5}---\left(5\right)$

$h_3=\frac{h_0}{5}=\frac{\sqrt{2}a}{5}---\left(6\right)$

$h_4=\frac{h_0}{10}=\frac{\sqrt{2}a}{10}---\left(7\right)$

$h_5=\frac{h_0}{20}=\frac{\sqrt{2}a}{20}---\left(8\right)$

基板、附板Ⅰ、附板Ⅱ、附板Ⅲ、和附板Ⅳ的正四面体凹槽和正三棱台通孔底面正三角形的边长分别为x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，得：

$x_1=\frac{\sqrt{6}}{2}{h}_1=\frac{\sqrt{6}}{2}\·\frac{2\sqrt{2}a}{5}=\frac{2\sqrt{3}}{5}a---\left(9\right)$

$x_2=\frac{\sqrt{6}}{2}(h_1+h_2)=\frac{\sqrt{6}}{2}(\frac{2\sqrt{2}a}{5}+\frac{2\sqrt{2}a}{5})=\frac{4\sqrt{3}}{5}a---\left(10\right)$

$x_3=\sqrt{3}a---\left(11\right)$

$x_4=\frac{\sqrt{6}}{2}(h_0+h_4)=\frac{\sqrt{6}}{2}\·(\sqrt{2}a+\frac{\sqrt{2}a}{10})=\frac{11\sqrt{3}}{10}a---\left(12\right)$

$x_5=\frac{\sqrt{6}}{2}(h_0+h_4+h_5)=\frac{\sqrt{6}}{2}(\sqrt{2}a+\frac{\sqrt{2}a}{10}+\frac{\sqrt{2}a}{20})=\frac{23\sqrt{3}}{20}a---\left(13\right)$

3)载液板组合情况有：基板、基板+附板Ⅰ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ+附板Ⅳ，这五种组合载液板配合的磁性簇最大直径分别为a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，计算：

$a_1=\frac{\sqrt{3}}{3}{x}_1=\frac{\sqrt{3}}{3}\·\frac{2\sqrt{3}}{5}a=\frac{2}{5}a---\left(14\right)$

$a_2=\frac{\sqrt{3}}{3}{x}_2=\frac{\sqrt{3}}{3}\·\frac{4\sqrt{3}}{5}a=\frac{4}{5}a---\left(15\right)$

a₃＝a (16)

$a_4=\frac{\sqrt{3}}{3}{x}_4=\frac{\sqrt{3}}{3}\·\frac{11\sqrt{3}}{10}a=\frac{11}{10}a---\left(17\right)$

$a_5=\frac{\sqrt{3}}{3}\·\frac{23\sqrt{3}}{20}a=\frac{23}{20}a---\left(18\right)$

上述载液板能满足配合的磁性簇直径范围为：

基板、基板+附板Ⅰ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ、基板+附板Ⅰ+附板Ⅱ+附板Ⅲ+附板Ⅳ，这五种组合载液板满足的磁性簇直径调节范围分别为：

4)依据磁性簇直径的范围，选取所需的载液板组合情况。