CN107756144A - 一种磁流变抛光的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变抛光的方法及设备。包括将线圈绕制在铁芯上；根据抛光工件的形状及大小不同，设计不同形状的磁流变抛光液盛装容器，或将磁流变抛光液置于工件的抛光侧；将绕有线圈的铁芯灵活组装在磁流变抛光液盛装容器外侧，或集成为抛光机构置于工件抛光侧，配以调节磁场强度的措施，使之产生不同强度的磁场；含有磨料的磁流变抛光液，在不同强度的磁场作用下，形成磁饱和感应强度及剪切屈服强度可调的柔性自适应类固体，作用于工件内或外表面，起到因工件表面形貌不同，导致工件表面与磁流变抛光类固体距离不同，而进行相同强度抛光研磨的目的。

Description

一种磁流变抛光的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种对工件表面进行选择性、多面及多维抛光的方法及设备。具体地说，本发明涉及一种通过控制磁场的有\无、强\弱、部位，对应地调节磁流变抛光液的固\液变化、磁饱和感应强度和剪切屈服强度的大\小变化、以及磁流变抛光液在磁场作用下形成的柔性自适应类固体，对不同形貌的工件表面进行相同强度抛光的方法及设备。属于抛光技术领域。

背景技术

磁流变液是由铁磁性颗粒、载液及助剂组成的。其在磁场作用下，铁磁性颗粒被磁极化而排列，使磁流变液在瞬间成为类固体，当磁场拆除时，又在瞬间转变为液体，且这种变化是快速、可逆、连续的。由于磁流变液的这种性质，使其可以被运用于智能控制领域，因而越来越被研究者们注意，磁流变液的应用也得到了相当的研究开发。为达到控制和快速响应，磁流变液所使用的磁场是由感应线圈通电时感应铁芯(铁磁性材料制成)所产生的磁场，可以通过接通或断开电流快速控制磁流变液的固\液变化。

发明人在ZL200710022816.4磨料颗粒均匀分布/有序排列\择优取向的方法和装置（美国专利US8262758 B2；欧洲专利1995020；韩国专利10-1599865）中公开了“一种利用接通/断开电流使装置有/无磁场，实现对经过镀覆软磁材料的磨料颗粒进行吸/放……的方法和装置”，发明了利用电流的接通断开来控制磁场的有无，进而达到操纵目标物的目的。

发明人在ZL20062009.3、ZL200620097771.8中对励磁线圈磁场的产生作用进行了说明。

磁流变抛光液则是在磁流变液中添加磨料而制取的。

专利CN104999344 A、CN105014484 A公开了两种(实质为一种)磁流变抛光设备的磁场发生装置，其磁场发生装置的技术思路与ZL200710022816.4是相同的，只是将ZL200710022816.4的技术原理移植到抛光领域应用而已；专利CN105458839 A公开了一种磁流变抛光方法及装置，其对于工件的抛光，仍然是依靠“在具有磁场的磁流变抛光液中，使工件做多个自由度的运动”，来达到对工件的抛光目的。也就是说，在磁场作用下的磁流变抛光液是不运动的，其抛光是依靠工件的运动实现的，没有使磁流变液这种智能材料发挥其流变作用；靠工件做多个自由度的运动，对工件的抛光可控性差；同时，使工件做多个自由度运动的机构相对复杂，且多维运动速度一般都较慢，增加了设备制造成本，抛光效率不高。该组发明仅理解和应用了磁场有\无影响磁流变抛光液固\液变化的一个方面，没有真正理解和运用磁流变抛光液作为智能材料的实际价值，从而限制了对这项技术的应用。

专利CN103612162 A公开了一种磁流变液曲面抛光系统，该发明是磁流变抛光技术较好的应用，但必须针对不同的工件，制造不同的抛光系统，尤其是抛光轴的曲面，必须与所抛工件对应，限制了其通用性。

专利CN103921176 A公开了适用于超大口径光学加工的磁流变抛光装置。该发明与所有在先文件一样，都是囫于用磁流变技术对传统抛光工艺的改进形成的。正如该发明在背景技术中所总结的：“目前广泛使用的磁流变抛光装置，主要由主动轮机械系统和磁流变液循环系统组成。……工作机理为利用磁流变液在磁场中的流变性对工件进行抛光，磁流变液由抛光轮带入抛光区域，在抛光区域高强度的梯度磁场中，磁流变液变硬，成为具有粘塑性的Bingham介质，并形成缎带突起，当这种介质流经工作与运动盘之间的狭缝时，对工件表面与之接触的区域产生较大的剪切力，实现工件材料去除。”

发明人认为，磁流变抛光液对工件的工作原理不应仅仅是“磁流变液由抛光轮带入抛光区域，……当这种介质流经工件与运动盘之间的狭缝时，对工件表面与之接触的区域产生较大的剪切力，实现工件材料去除。”发明人研究证实，磁流变抛光液对工件的抛光作用是由磁流变抛光液响应磁场而变成的类固体所具有的磁饱和感应强度和剪切屈服强度，以及磁流变类固体与工件之间的接触强度、相对运动速度决定的。在磁流变抛光过程中，也不需要“磁流变液由抛光轮带入抛光区域，……当这种介质流经工件与运动盘之间的狭缝时，对工件表面与之接触的区域产生较大的剪切力，实现工件材料去除。”

发明内容

本发明的磁场发生装置，不采用在空芯的环形管及为拼装成圆形磁场所采用三角状管外绕线，外加磁极的形式。而是将线圈绕制在铁芯上，形成固有磁极；根据抛光工件的形状及大小不同，设计不同的磁流变抛光液盛装容器；将绕有线圈的铁芯灵活组装在磁流变抛光液盛装容器外，或集成在非铁磁性材料制作的与工件抛光面吻合的板上，配以调节磁场强度的措施，使之产生不同强度的磁场；含有磨料的磁流变抛光液，在不同强度的磁场作用下，形成磁饱和感应强度及剪切屈服强度可调的柔性自适应类固体，作用于工件表面，起到因工件表面形貌不同，导致工件表面与磁流变抛光类固体距离不同，而进行相同强度抛光研磨的目的。

本发明所述的铁芯包括工字型铁芯、条或棒状铁芯、块状铁芯，其截面可以是圆形及任意多边形；为使铁芯有足够高的导磁率，低的矫顽力(剩磁)，铁芯选用纯铁加工制造。

本发明所述的调节磁场强度的措施，包括在同一个铁芯上绕制多个线圈绕组调节磁场强度，用电位器调节线圈电流大小控制磁场强度，电脑控制磁场强度等，及其两个或三个方案的综合运用。

所述在同一个铁芯上绕制多个线圈绕组调节磁场强度。是指在同一个铁芯上绕制线圈时，将铁芯所要缠绕的绝缘铜线分为两根或两根以上绕制，以便利用通电线圈的多少来调节感应铁芯产生的磁场强度，进而调节在磁场作用下的磁流变抛光液变为类固体时的磁饱和感应强度及剪切屈服强度，达到根据工件的表面形貌施加抛光强度的目的。

所述用电位器调节线圈电流大小控制磁场强度。是指通过电位器调节线圈电流，控制线圈感应铁芯产生的磁场强度，调节在磁场作用下的磁流变抛光液变为类固体时的磁饱和感应强度及剪切屈服强度，达到根据工件的表面形貌施加抛光强度的目的。

所述用电脑控制磁场强度。是指通过编程，利用扫描传感器或3D扫描仪采集工件表面数据，将扫描传感器或3D扫描仪采集的表面数据与工件表面抛光要求输入电脑，由电脑控制磁场强度，调节在磁场作用下的磁流变抛光液变为柔性自适应类固体时的磁饱和感应强度及剪切屈服强度，达到根据工件的表面形貌施加抛光强度的目的。

上述控制磁场强度的方案，可以单独使用，也可以两个或三个并用。

本发明所述不同的磁流变抛光液盛装容器及集成铁芯的曲面板。由非铁磁性材料制成，包括不锈钢(合金)材料、陶瓷材料及高聚物，以及它们的复合材料；其形状可以是球形、半球形、圆桶形、圆台形、透镜形、矩形、槽形及井式、隧道式等，乃至于工件本身或磁流变抛光机构的某个面。所述材料选用与形状选择都依工件的要求而定。

本发明所述将绕有线圈的铁芯灵活组装在磁流变抛光液盛装容器外侧，或集成为抛光机构置于工件抛光侧，产生不同强度的磁场，控制磁流变抛光液变成的类固体具有不同的磁饱和感应强度、剪切屈服强度。是指铁芯的磁极镶于任何形式的磁流变抛光液盛装容器外部，或将其集成在与工件抛光面吻合的非铁磁性板上，而铁芯的长度、磁极端面尺寸可以根据磁流变抛光液盛装容器或工件的抛光面的尺寸、形状进行变化。

本发明所述镶有铁芯磁极的磁流变抛光液盛装容器，相对于工件，可以是固定的，也可以是运动的。

本发明所述的磁流变抛光液，是含有载液(包括水基、油基)、铁磁性颗粒、磨料及其助剂的混合液体。其在通电的线圈绕组感应铁芯所发出磁场的作用下，铁磁性颗粒因被磁极化而排列，使磁流变抛光液变成柔性自适应的抛光类固体，作用于工件表面起到抛光作用。

本发明所述对工件的抛光，工件在磁流变抛光液中只需要做直线或圆周运动，在磁场作用下的磁流变抛光液形成柔性自适应类固体，根据工件的表面形貌(各类曲面)或在电脑控制下，不断变化类固体的高(长)度、饱和磁感应强度及剪切屈服强度，形成与工件之间的多维互动，达到智能抛光的目的。

本发明所述对工件的抛光，也可以将工件固定，通过磁场位置变换，带动磁流变柔性自适应抛光类固体在工件表面运动，实现对工件的抛光。

所述的抛光方法，可以是工件，镶有铁芯磁极的磁流变抛光液盛装容器、或吸有磁流变抛光液类固体的磁流变抛光机构的各自单独运动，也可以是同时作相向运动。

本发明所述的抛光方法，适用于对各类材质、各种曲面工件及其内外表面进行的抛光。

本发明的优点：本发明充分运用了磁流变抛光液在可控制调节的磁场作用下，形成柔性自适应类固体这一智能材料的功能；适用于各类材质、各种曲面工件及其内外表面的抛光；抛光设备不需要配置使工件作多个自由度运动的机构，降低了设备制造成本，提高了抛光的精准度及智能化水平。

附图说明

附图仅是对本发明的说明，不是对本发明权利要求的限制；所述及的磁流变抛光设备的磁场强度都是通过所述1个或2个或3个控制方案控制和调节的。

图1是一组由多个绕有线圈的铁芯磁极与多个竖槽型及一个井型磁流变抛光液盛装容器组合，用于矩形四周带有圆弧曲面工件的磁流变抛光设备示意图。

1-1是周向装配的绕有线圈的铁芯；

1-2是径向装配的绕有线圈的铁芯；

2-1是竖槽型磁流变抛光液盛装容器；

2-2是井型磁流变抛光液盛装容器；

3-1是竖槽型磁流变抛光液盛装容器中控制工件运行的导轨及夹持工件的组合；

3-2是井型磁流变抛光液盛容器中控制工件运行的导轨及夹持工件的组合；

4-1是在竖槽型磁流变抛光液容器中作上下垂直运动的工件；

4-2是在井型磁流变抛光液容器中作上下垂直运动的工件。

5-1是装在竖槽型盛装容器中磁流变抛光液；

5-2是装在井型盛装容器中磁流变抛光液；

图1所示磁流变抛光设备的工作方式：

图1所示周向排列的竖槽型磁流变抛光液盛装容器2-1，适用于矩形四周带有圆弧曲面（翻边较高）工件4-1的抛光。工件抛光面贴于磁极构成的槽型磁场，磁流变抛光液5-1在槽型磁场1-1的作用下，形成槽型柔性自适应的类固体，工件在夹持及运动机构3-1的带动下，在槽型磁流变抛光类固体中作上下垂直运动，抛光面作用于磁流变抛光类固体，工件底部及四个圆弧曲面被抛光。

图1所示中的井型磁流变抛光液盛装容器2-2，适用矩形四周带有圆弧曲面(翻边较低或仅是矩形工件板四边带有曲面或导角)的工件4-2抛光。工件抛光面贴于磁极构成的圆周磁场1-2，磁流变抛光液5-2在圆周磁场1-2的作用下，在圆桶四周形成柔性自适应的类固体，工件在夹持及运动机构3-2的带动下作上下垂直运动，抛光面作用于磁流变抛光类固体，工件底部及四个圆弧曲面被抛光。

图2是一个抛光圆盘形工件的圆桶型磁流变抛光设备示意图。

1-1是镶于磁流变抛光液圆桶外壁的绕有线圈的铁芯磁极；

1-2是装于磁流变抛光液圆桶底板外的绕有线圈的铁芯磁极；

2是圆桶型磁流变抛光液盛装容器；

3是磁流变抛光液；

4是圆盘形工件；

5是工件夹持旋转机构。

图2所示磁流变抛光设备的工作方式：

图2所示的磁流变抛光设备适用于圆盘状工件的抛光。盛装于圆桶2的磁流变抛光液3在圆周及底部磁场1的作用下，变为自适应柔性类固体，工件4在其夹持旋转机构5的带动下，贴于磁流变抛光类固体作圆周运动，工件抛光面作用于磁流变抛光类固体，圆盘状工件外表面被抛光。

图3是一个抛光透镜内曲面的磁流变抛光设备示意图。

1是磁流变抛光机构的支撑系统；

2是磁流变抛光机构的环状曲面运动系统，曲面与工件曲面吻合；

3是绕有线圈的铁芯磁极组合；

4是集成磁极的曲面板，曲面板与工件曲面吻合；

5是3和4集成的磁流变抛光机构；

6是磁流变抛光液；

7是透镜工件；

8是工件支撑。

图3所示磁流变抛光设备的工作方式：

图3所示磁流变抛光设备，适用于透镜内曲面的抛光。将磁流变抛光液5注入凹透镜7内,铁芯组合磁极3在接通电源后，3所产生的磁场透过集成磁极曲面板4，使磁流变抛光液6被吸于磁极曲面板4上，并变成磁流变抛光类固体，磁流变抛光机构5及被其磁场吸住的磁流变抛光类固体，在环状曲面运动系统2的驱动下，以合适的距离，做沿凹透镜内曲面相同的曲面运动，磁流变抛光类固体作用于凹透镜的内曲面，实施对凹透镜内曲面的抛光。

图4是一个抛光球类外形工件外曲面的磁流变抛光设备示意图。

1是磁流变抛光机构支撑；

2是磁流变抛光机构的环状曲面运动系统，曲面与工件曲面吻合；

3是绕有线圈的铁芯磁极组合；

4是集成磁极的曲面板，曲面板与工件抛光面吻合；

5是3和4集成的磁流变抛光机构；

6是磁流变抛光液；

7是球类外形工件；

8是工件夹持固定机构。

图4所示磁流变抛光设备的工作方式：

图4所示磁流变抛光设备，适用于类球外型工件外曲面的抛光。将绕有线圈的铁芯磁极组合3接通电源，3所产生的磁场透过集成磁极曲面板4，向4上注入磁流变抛光液6，使磁流变抛光液6被吸于磁极曲面板4上，并变成磁流变抛光类固体，磁流变抛光机构5及被其磁场吸住的磁流变抛光类固体，在环状曲面运动系统2的驱动下，以合适的距离，做沿类球外型曲面工件相同的曲面运动，磁流变抛光类固体作用于类球外型工件的外曲面，实施类球工件外曲面的抛光。

Claims (15)

1.一种磁流变抛光的方法及设备，包括将线圈绕制在铁芯上；根据抛光工件的形状及大小不同，设计不同形状的磁流变抛光液盛装容器，或将磁流变抛光液置于工件的抛光侧；将绕有线圈的铁芯灵活组装在磁流变抛光液盛装容器外侧，或集成为抛光机构置于工件抛光侧，配以调节磁场强度的措施，使之产生不同强度的磁场；含有磨料的磁流变抛光液，在不同强度的磁场作用下，形成磁饱和感应强度及剪切屈服强度可调的柔性自适应类固体，作用于工件表面，起到因工件表面形貌不同，导致工件表面与磁流变抛光类固体距离不同，而进行相同强度抛光研磨的目的。

2.根据权利要求1所述的铁芯包括工字型铁芯、条或棒状铁芯、块状铁芯，其截面可以是圆形及任意多边形；为使铁芯有足够高的导磁率，低的矫顽力(剩磁)，铁芯选用纯铁加工制造。

3.根据权利要求1所述的调节磁场强度的措施，包括在同一个铁芯上绕制多个线圈绕组调节磁场强度，用电位器调节线圈电流大小控制磁场强度，电脑控制磁场强度等，及其两个或三个方案并用。

4.根据权利要求3所述在同一个铁芯上绕制多个线圈绕组调节磁场强度，是指在同一个铁芯上绕制线圈时，将铁芯所要缠绕的绝缘铜线分为两根或两根以上绕制，以便利用通电线圈匝数的多少来控制感应铁芯产生的磁场强度，调节在磁场作用下的磁流变抛光液变为类固体时的磁饱和感应强度及剪切屈服强度，达到根据工件的表面形貌施加抛光强度的目的。

5.根据权利要求3所述用电位器调节线圈电流大小控制磁场强度，是指通过电位器调节线圈电流，控制线圈感应铁芯产生的磁场强度，调节在磁场作用下的磁流变抛光液变为类固体时的磁饱和感应强度及剪切屈服强度，达到根据工件的表面形貌施加抛光强度的目的。

6.根据权利要求3所述用电脑控制磁场强度，是指通过编程，利用扫描传感器或3D扫描仪采集工件表面数据，将扫描传感器或3D扫描仪采集的表面数据与工件表面抛光要求输入电脑，由电脑控制磁场强度，调节在磁场作用下的磁流变抛光液变为柔性自适应类固体时的磁饱和感应强度及剪切屈服强度，达到根据工件的表面形貌施加抛光强度的目的。

7.根据权利要求3所述的上述控制磁场强度的方案，可以单独使用，也可以两个或三个并用。

8.根据权利要求1所述不同的磁流变抛光液盛装容器、集成磁极的曲面板，由非铁磁性材料制成，包括不锈钢(合金)材料、陶瓷材料及高聚物，以及它们的复合材料；其形状可以是球形、半球形、圆桶形、圆台形、透镜形、矩形、槽形及井式、隧道式等，乃至于工件本身或磁流变抛光机构的某个面，所述材料选用与形状选择都依工件的要求而定。

9.根据权利要求1所述将绕有线圈的铁芯灵活组装在磁流变抛光液盛装容器外侧，或集成为抛光机构置于工件抛光侧，产生不同强度的磁场，进而控制磁流变抛光液变成的类固体具有不同的磁饱和感应强度、剪切屈服强度，是指铁芯的磁极镶于任何形式的磁流变抛光液盛装容器外部，或将其集成在与工件抛光面吻合的非铁磁性板上，而铁芯的长度、磁极端面尺寸可以根据磁流变抛光液盛装容器或工件抛光面的的尺寸、形状进行变化。

10.根据权利要求1所述镶有铁芯磁极的磁流变抛光液盛装容器，相对于工件，可以是固定的，也可以是运动的。

11.根据权利要求1所述的磁流变抛光液，是含有载液(包括水基、油基)、铁磁性颗粒、磨料及其助剂的混合液体，其在通电的线圈绕组感应铁芯所发出磁场的作用下，铁磁性颗粒因被磁极化而排列，便磁流变抛光液变成类固体的柔性抛光体，作用于工件表面起到抛光作用，所述磁流变抛光液中的铁磁性颗粒与磨料在载液中可以是混合态的，也可以是复合态的。

12.根据权利要求1所述对工件的抛光，工件在磁流变抛光液中只需要做直线或圆周运动，在磁场作用下的磁流变抛光液类固体，根据工件的表面形貌或在电脑控制下，不断变化类固体的高(长)度、饱和磁感应强度及剪切屈服强度，形成柔性自适应类固体与工件之间的多维互动，达到智能抛光的目的。

13.根据权利要求1所述对工件的抛光，也可以将工件固定，通过磁场位置变换，带动磁流变柔性自适应抛光类固体在工件表面运动，实现对工件的抛光。

14.利要求1所述的抛光方法，可以是工件，镶有铁芯磁极的磁流变抛光液盛装容器或吸有磁流变抛光类固体的磁流变抛光机构的各自单独运动，也可以是同时作相向运动。

15.根据权利要求1所述对工件的抛光方法，适用于对各类材质、各种曲面的工件及其内外表面进行的抛光。