CN107877269A - 一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置及抛光方法，包括上下抛光盘和磁场发生器。在磁场的作用下，进入抛光盘V型槽中的磁流变液在极短的时间内黏度变大，磁链串夹持磨粒形成柔性抛光垫，陶瓷球在V型槽中被柔性抛光垫包覆，且随着抛光盘的运动一边自转一边公转,磁流变柔性抛光垫中的磨粒将对陶瓷球表面进行抛光。本发明不需采用循环装置对磁流变液进行更新，一次装夹可实现球体粗抛光到精抛光的全过程，所获工件表面一致性好，形状精度稳定，加工效率高，无表面和亚表面损伤，且成本低，适合陶瓷球轴承中的高精度陶瓷球的高效率超光滑均匀研抛加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种球形零件抛光装置及抛光方法，特别涉及高速、高精度陶瓷球轴承中的高精度陶瓷球的集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置及其方法，通过集群磁场产生的磁流变效应，进一步提高陶瓷球的表面质量，属于超精密加工技术领域。
背景技术
根据目前对于主轴转速的提高，对于轴承的要求也极大的提高。热等静压氮化硅(HIPSN)被认是制造诸如航空器引擎、高速主轴和精密机床中高速、高温精密轴承滚珠的首选材料。与传统的钢质滚珠相比，其具有密度更低，硬度更高，弹性模量更大(刚性更好)，热膨胀系数更小，热稳定性和化学稳定性更好等特点。同时具有较好的抗裂韧性，失效形式与轴承钢一样，是以具有先兆的剥落方式出现。对于轴承用的陶瓷球(Si3N4)，要求具有很高的形状精度、尺寸精度、表面质量等。由于陶瓷材料硬度高，与金属相比脆性较大，加工困难，加工时容易在表面产生裂纹等表面缺陷，从而导致轴承中的陶瓷球滚子在高速的运动下出现碎裂、点蚀、疲劳损伤等现象。致使轴承失效。所以在加工陶瓷球时最重要的是始终保持球体表面不出现表面损伤。只有在加工方法和工艺参数与陶瓷球材料特性相互匹配时，才能够保证陶瓷球的加工表面质量。氮化硅(Si3N4)陶瓷球材料的莫氏硬度为9～9.5,显微硬度为32.6GPa，是钢球硬度的两倍以上。因此，钢球的加工工艺和磨料不适于陶瓷球的加工。
对于球体的研磨加工，近百年来，国内外球体批量加工一直沿用“概率成球原理”。例如：V槽研磨加工、圆形沟槽研磨法、磁悬浮研磨法、锥形盘研磨加工等方法。但是这些方法在研磨加工过程中球坯自转角θ(球坯自转轴和公转轴的夹角)是恒定值。研磨时，球坯表面形成的轨迹是3个同轴的环带。人们通过球体循环进出研磨盘的沟槽和球坯的自转，随机改变各个球的自转角θ，从而使得球面各个部位都被加工到，但存在球面各个点的切削概率不等，难以获得球体精度的一致性。批合格率通常只有30％左右，限制了球的加工效率。
浙江工业大学袁巨龙等提出双自转角主动控制研磨加工方法，采用可独立转动的三块研磨盘，通过控制研磨盘转速变化来实现对球坯自旋轴方位的调整，使球坯作“变相对方位”研磨运动，球坯表面的研磨迹线是以球坯自转轴为轴的空间球面曲线，能够覆盖大部分甚至整个球坯表面，有利于球坯表面获得均匀、高效的研磨。但这种方法采用的加工装置动力源多，结构及控制系统复杂，对制造和装配精度都有较高的要求，加工成本高。另外，还有陶瓷球磁悬浮研磨加工方法，其主要特征是采用磁流体技术实现对球坯的高效研磨，除了对球坯的加压方式不同外，其研磨运动方式同传统V形槽研磨加工和锥形盘研磨加工中的运动方式基本相同，因此，在其加工过程中球度同样受到了限制，而且磁悬浮研磨加工所采用的加工装置和控制系统复杂，磁流体的成本也较高，具有一定的局限性。针对国内外对陶瓷球抛光加工效率较低、加工一致性较差、成本较高的现状，迫切需要开发一种高效率、高一致性、低成本批量加工陶瓷球的研磨/抛光加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置及抛光方法，具有抛光效果好，效率高且不产生亚表面损伤等传统抛光方式不具备的优点。
本发明所采用的技术方案：一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，包括集群磁极偏心自转机构、上抛光盘公转机构和压力调节机构；所述集群磁极偏心自转机构包括有底板(1)，所述底板(1)上设有大齿轮轴电机(38)，所述大齿轮轴电机(38)的输出轴连接有大齿轮轴(42)，所述大齿轮轴(42)的上端连接大齿轮(27)，所述大齿轮(27)与若干小齿轮轴(13)上的齿轮啮合，所述小齿轮轴(13)上设有偏心距调节环(14)，所述偏心距调节环(14)设有永磁体(15)；所述下抛光盘公转机构包括设置在所述底板(1)上的空心轴电机(4)，所述空心轴电机(4)的输出轴连接皮带轮(6)，所述皮带轮(6)通过同步带(7)与空心轴(33)连接，所述空心轴(33)的上端连接有小齿轮轴安装板(10)，所述小齿轮轴安装板(10)的上设有支撑环(28)，所述支撑环(28)上端连接有下抛光盘(16)，所述下抛光盘(16)上加工有若干V型槽(18)；所述下抛光盘(16)上方设有上抛光盘(19)，所述上抛光盘(19)连接有压力调节机构。
优选的，所述压力调节机构包括上压板(20)、配重块(21)、连接法兰(22)、导向长键(23)、弹簧(24)、限位块(25)；所述上压板(20)通过螺栓与所述上抛光盘(19)连接，所述上压板(20)顶部设有导向长键(23)，连接法兰(22)上开有对应键槽；在连接法兰(22)和上压板(20)的连接处安装弹簧(24)，便于配重减轻时连接法兰(22)和上压板(20)及时复位。
优选的，所述集群磁极偏心自转机构还包括若干偏心距调节环(14)、大齿轮轴(42)、大齿轮轴皮带轮(40)；所述小齿轮轴(13)安装在小齿轮轴安装板(10)上，在每个小齿轮轴(13)的上端偏心安装有偏心距调节环(14)，所述偏心距调节环(14)内部套有永磁体(15)，通过齿轮的相互啮合，所述小齿轮轴(13)和永磁体(21)围绕小齿轮轴(13)轴线做自转运动同时围绕大齿轮轴(42)轴线作公转运动。
优选的，所述空心轴电机(4)的输出轴还连接有键(5)。
优选的，所述小齿轮(13)外围设有小齿轮轴轴承(8)、小齿轮轴套筒(9)，所述小齿轮轴轴承(8)上端设有小齿轮轴轴承端盖(11)。
优选的，所述空心轴(33)的内部安装有大齿轮轴(42)、大齿轮轴轴承(37)和大齿轮轴套筒(36)，所述空心轴(33)的外围套设有空心轴轴套(34)和大弹簧垫圈(35)；所述大齿轮轴(42)的下端和上端分别设有小圆螺母(43)和大圆螺母(26)，所述大齿轮轴(42)还通过长键(41)连接空心轴皮带轮(40)，所述大齿轮轴(42)的外围还设有大齿轮轴套筒(36)和大齿轮轴轴承(37)；所述大齿轮轴轴承(37)上端设有大齿轮轴承端盖(29)。
优选的，压力调节机构通过连接法兰(22)连接在数控铣床的主轴上。
优选的，所述底板(1)通过螺钉(2)连接有底座(2)，所述底座(2)上端设有推力球轴承座(31)，所述推力球轴承座(31)上设有推力球轴承(30)。
一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的抛光方法，特征在于：包括如下步骤：
1)根据被加工陶瓷球的特点，选择合适直径和磁场强度的永磁体(15)安装于下抛光盘公转机构中小齿轮轴(13)的上方的偏心距调节环内，根据需求调整偏心距调整环(14)的角度，使各磁铁的转动偏心距一致；
2)将下抛光盘公转机构通过螺母固定在数控铣床的移动工作台上，上抛光盘(19)及压力调节装置通过上端的法兰盘与数控铣床的主轴连接。
3)调整数控铣床主轴的转速和Z轴的位置，调节上抛光盘(19)的转速及上下抛光盘(16)的相对位置，使得上抛光盘(19)位于下抛光盘(16)V型槽的正上方，上下抛光盘的磁极相对，调节上抛光盘(19)的下表面与陶瓷球(17)之间的间隙为0.3mm-5mm；
4)在去离子水中加入浓度为3％～10％的纳米级磨料、浓度为2％～15％的亚微米级羰基铁粉、浓度为3％～10％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液(18)；
5)将待加工的陶瓷球放入到下抛光盘的V形槽内，抛光盘里面注入磁流变液(18)，待其稳定后形成若个大小相同的柔性抛光垫；若形成的柔性抛光垫大小和高度有较大差异，可以用玻璃棒或者用低转速转动偏心磁极使之均匀；
6)操作数控机床，将上抛光盘(19)下降到即将接触到陶瓷球(17)的位置，在上抛光盘(19)加入适当的配重，使得上抛光盘(19)压紧于陶瓷球(17)的上表面；操作数控铣床，使得上抛光盘(19)转速为ω1；启动空心轴电机，使得抛光盘(16)以与上抛光盘(19)相反的方向旋转，转速为ω2；启动大齿轮轴电机(38)，使集群磁极同步偏心自转机构中的永磁体(15)做偏心自转，转速为ω2的磁流变液(18)在磁场作用下一起作偏心摆动，这样可以使磨粒在柔性抛光垫内均匀分布，同时还可以使得被压平的柔性抛光垫在极短的时间内恢复形貌；
7)陶瓷球在上下抛光盘的共同作用下，在V形槽内自转并公转，由于陶瓷球被V形槽内的柔性抛光垫包覆，均布于柔性抛光垫中的金刚石磨粒将对陶瓷球的表面进行高效率超光滑均匀研磨抛光加工,最终获得高精度、超光滑的陶瓷球。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过利用磁流变液在磁场的作用下迅速形成包覆陶瓷球体表面的高粘度“柔性抛光垫”，实现对陶瓷球表面的抛光加工。
2、由于偏心集群磁极的动态磁场作用，让“磁流变柔性抛光垫”获得及时修复，不需采用循环装置对磁流变液进行更新，一次装夹可实现球体粗抛光到精抛光的全过程，所获工件表面一致性好，形状精度稳定，加工效率高，无表面和亚表面损伤，且成本低，适合陶瓷球轴承中的高精度陶瓷球的高效率超光滑均匀研抛加工。
附图说明
图1为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置剖面图；
图2为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置的结构立体图；
图3为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置中的上抛光盘及压力调节机构的结构示意图；
图4为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置中推力球轴承(30)、空心轴轴承(32)和大齿轮轴轴承(37)装配的局部放大图；
图5为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置中小齿轮轴(13)的装配放大图；
图6为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置永磁体(15)安装示意图；
图7为本发明一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置中空心轴(33)和大齿轮轴(42)的装配放大图；
图8为陶瓷球(17)在下抛光盘(16)中的V型槽(18)内的分布图；
图9为磁铁偏心距调整环(14)的零件图。
图中：1.底板 2.底座 3.螺钉 4.空心轴电机 5.键 6.皮带轮 7.同步带 8.小齿轮轴轴承 9.小齿轮轴套筒 10.小齿轮轴安装板 11.小齿轮轴轴承端盖 12.密封圈 13.小齿轮轴 14.偏心距调整环 15.永磁体 16.下抛光盘 17.陶瓷球 18.V型槽 19.上抛光盘20.上压板 21.配重块 22.连接法兰 23.导向长键 24.弹簧 25.限位块 26.大圆螺母 27.大齿轮 28.支撑环 29.大齿轮轴承端盖 30.推力球轴承 31.推力球轴承座 32.空心轴轴承 33.空心轴 34.空心轴轴套 35.大弹簧垫圈 36.大齿轮轴套筒 37.大齿轮轴轴承 38.大齿轮轴电机 39.小弹簧垫圈 40.空心轴皮带轮 42.长键 42.大齿轮轴 43.小圆螺母
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1-9所示，一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，包括集群磁极偏心自转机构、下抛光盘公转机构和上抛光盘及压力调节机构；所述集群磁极偏心自转机构包括有底板(1)，所述底板(1)上设有大齿轮轴电机(38)，所述大齿轮轴电机(38)的输出轴连接有大齿轮轴(42)，所述大齿轮轴(42)的上端连接大齿轮(27)，所述大齿轮(27)与若干小齿轮轴(13)上的小齿轮相互啮合，所述小齿轮(13)上设有偏心距调节环(14)，所述偏心距调节环(14)内套有永磁体(15)；所述下抛光盘公转机构包括设置在所述底板(1)上的空心轴电机(4)，所述空心轴电机(4)的输出轴连接皮带轮(6)，所述皮带轮(6)通过同步带(7)与空心轴(33)连接，所述空心轴(33)的上端连接有小齿轮轴安装板(10)，所述小齿轮轴安装板(10)的上端设有支撑环(28)，所述支撑环(28)上端连接有下抛光盘(16)，所述下抛光盘(16)上加工有若干V型槽(18)；所述下抛光盘(16)上方设有上抛光盘(19)，所述上抛光盘(19)连接有压力调节机构。
进一步的，所述压力调节机构包括上压板(20)、配重块(21)、连接法兰(22)、导向长键(23)、弹簧(24)、限位块(25)；所述上压板(20)通过螺栓与所述上抛光盘(19)连接，所述上压板(20)顶部设有导向长键(23)，连接法兰(22)上开有对应键槽；在连接法兰(22)和上压板(20)的连接处安装弹簧(24)，便于配重减轻时连接法兰(22)和上压板(20)及时复位。
进一步的，所述集群磁极偏心自转机构还包括若干偏心距调节环(14)、大齿轮轴(42)、大齿轮轴皮带轮(40)；所述小齿轮轴(13)安装在小齿轮轴安装板(10)上，在每个小齿轮轴(13)上端安装有偏心距调节环(14)，所述偏心距调节环(14)内套有永磁体(15)，通过齿轮的相互啮合，所述小齿轮轴(13)和永磁体(21)围绕小齿轮轴(13)轴线做自转运动同时围绕大齿轮轴线作公转运动。
进一步的，所述空心轴电机(4)的输出轴还连接有键(5)。
进一步的，所述小齿轮(13)外围设有小齿轮轴轴承(8)、小齿轮轴套筒(9)，所述小齿轮轴轴承(8)上端设有小齿轮轴轴承端盖(11)。
进一步的，所述空心轴(33)的内部安装有大齿轮轴(42)和大齿轮轴轴承(37)，所述空心轴(33)的外围套设有空心轴轴套(34)和大弹簧垫圈(35)；所述大齿轮轴(42)的下端和上端分别设有小圆螺母(43)和大圆螺母(26)，所述所述大齿轮轴(42)还通过长键(14)连接空心轴皮带轮(40)，所述大齿轮轴(42)的外围还设有大齿轮轴套筒(36)；所述大齿轮轴轴承(37)上端设有大齿轮轴承端盖(29)。
进一步的，压力调节机构通过连接法兰(22)连接在数控铣床的主轴上。
进一步的，所述底板(1)通过螺钉(2)连接有底座(2)，所述底座(2)上端设有推力球轴承座(31)，所述推力球轴承座(31)上设有推力球轴承(30)。
一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的抛光方法，特征在于：包括如下步骤：
1)根据被加工陶瓷球的特点，选择合适直径和磁场强度的永磁体(15)安装于下抛光盘公转机构中小齿轮轴(13)的上方，根据需求调整偏心距调整环(14)的角度，调节永磁体(15)围绕小齿轮轴(13)偏心自转的偏心距离；
2)将下抛光盘公转机构通过螺母固定在数控铣床的移动工作台上，上抛光盘(19)及压力调节装置通过上端的法兰盘与数控铣床的主轴连接。
3)调整数控铣床主轴的转速和Z轴的位置，调节上抛光盘(19)的转速及上下抛光盘(16)的相对位置，使得上抛光盘(19)位于下抛光盘(16)V型槽的正上方，上下抛光盘的磁极相对，调节上抛光盘(19)的下表面与陶瓷球(17)之间的间隙为0.3mm-5mm；
4)在去离子水中加入浓度为3％～10％的纳米级磨料、浓度为2％～15％的亚微米级羰基铁粉、浓度为3％～10％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液(18)；
5)将待加工的陶瓷球放入到下抛光盘的V形槽内，抛光盘里面注入磁流变液(18)，待其稳定后形成若个大小相同的柔性抛光垫；若形成的柔性抛光垫大小和高度有较大差异，可以用玻璃棒或者用低转速转动偏心磁极使之均匀；
6)操作数控机床，将上抛光盘(19)下降到即将接触到陶瓷球(17)的位置，在上抛光盘(19)加入适当的配重，使得上抛光盘(19)压紧于陶瓷球(17)的上表面；操作数控铣床，使得上抛光盘(19)转速为ω1；启动空心轴电机，使得抛光盘(16)以与上抛光盘(19)相反的方向旋转，转速为ω2；启动大齿轮轴电机(38)，使集群磁极同步偏心自转机构中的永磁体(15)做偏心自转，转速为ω2的磁流变液(18)在磁场作用下一起作偏心摆动，这样可以使磨粒在柔性抛光垫内均匀分布，同时还可以使得被压平的柔性抛光垫在极短的时间内恢复形貌；
7)陶瓷球在上下抛光盘的共同作用下，在V形槽内自转并公转，由于陶瓷球被V形槽内的柔性抛光垫包覆，均布于柔性抛光垫中的金刚石磨粒将对陶瓷球的表面进行高效率超光滑均匀研磨抛光加工,最终获得高精度、超光滑的陶瓷球。
实施例1
如图1-9所示，本发明的一种基于磁流变效应的陶瓷球抛光加工装置，包括下抛光盘公转机构、集群磁极偏心自转机构和上抛光盘及压力调节机构，下抛光盘公转机构包括有底板(1)、底座(2)、推力球轴承(30)、推力球轴承座(31)、空心轴(33)、空心轴轴承(32)、小齿轮轴安装板(10)、支撑环(28)、带有V型槽的下抛光盘(16)、空心轴电机(4)、同步带(7)、空心轴皮带轮(6)零件，其中空心轴电机(4)固定安装在底板(1)上，空心轴(33)和空心轴轴承(32)一起固定安装在底座(2)上的大中心孔内，下抛光盘(16)通过支撑环(28)与小齿轮轴安装板(10)相连接；集群磁极偏心自转机构由12个小齿轮轴(13)、12个永磁极(15)、12个偏心距调节环(14)、大齿轮(27)、大齿轮轴(42)、大齿轮轴皮带轮(40)、大齿轮轴驱动电机(38)组成，其中大齿轮轴电机(38)固定于底板(1)上面，在大齿轮轴(42)上端安装有大齿轮(27)，它同时和12根小齿轮轴(13)上的小齿轮相互啮合；12根小齿轮轴(13)安装在小齿轮轴安装板(10)上面的12个均匀分布的安装孔内，在每根小齿轮轴(13)的上端安装有偏心距调节环(14)，在偏心距调节环(14)内部套有永磁体(15)，通过齿轮的相互啮合，12根小齿轮轴(13)和永磁体(21)围绕小齿轮轴(13)轴线做自转运动同时围绕大齿轮轴(42)轴线作公转运动；上抛光盘及压力调节机构包括有上抛光盘(19)、上压板(20)、配重块(21)、连接法兰(22)、导向长键(23)、弹簧(24)、限位块(25)；其中上抛光盘(19)通过螺栓和上压板(20)连接在一起，上压板(20)顶部装有导向长键(23)，连接法兰(22)上开有对应键槽；在连接法兰(22)和上压板(20)的连接处安装弹簧(24)，便于配重减轻时连接法兰(22)和上压板(20)及时复位。
本发明的上抛光盘及压力调节机构如图3所示，上抛光盘及压力调节机构中上抛光盘(19)、和连接轴(20)连接在一起。在连接轴(20)安装有比较长的导向长键(23)，同时连接法兰(22)开有相对应的键槽，以保证连接法兰(22)和连接轴(20)可以相对运动在连接轴(20)上套有弹簧(24)和限位块(25)，保证连接接法兰(22)和连接轴(20)的行程。在连接轴(20)上面安放有配重块(21)。通过增减配重块的个数来调节抛光陶瓷球时的压力。工作时，上抛光盘及压力调节机构通过连接法兰(22)连接在数控铣床的主轴上，并将其下降到一定的位置。当增加配重时，在重力的的作用下，会压缩弹簧(24)，使上抛光盘(19)下降。减少配重时，这在弹簧(24)的作用下会使得上抛光盘上升。
本发明的推力球轴承(30)、空心轴轴承(32)和大齿轮轴轴承(37)装配的局部放大图如图4所示，小齿轮轴安装板(10)直接安放在推力球轴承(30)的上端。在进行抛光加工时。需要施加一定的压力，为了防止空心轴在受压后刚度不足，推力球轴承可以将安装板上的压力直接卸载到底座(2)上面，用来减少空心轴的轴向载荷。
本发明的小齿轮轴(13)的装配如图5所示，小齿轮轴(13)和齿轮轴轴承(8)一同小齿轮轴安装板(10)的上的安装孔内，安装在下端的小齿轮轴轴承(8)通过阶梯孔和小齿轮轴套筒(9)进行定位，安装在上端的小齿轮轴轴承通过轴肩和小齿轮轴轴承端盖(11)进行定位和固定。并且小齿轮轴(13)随着小齿轮轴安装板(10)一起围绕空心轴(33)做公转运动。在齿轮轴(13)的上端钻有和小齿轮轴(13)同心的孔，永磁体(15)和偏心距调节环(14)一同安装在该孔内。偏心套的偏性距为5mm。通过调节旋转偏心套的位子，可以在0～5mm内任意调节永磁体偏心自转的偏心距从而控制“磁链”摆动范围。
本发明的永磁铁安装示意图如图6所示，永磁体和V型槽抛光盘的间隙为3～5mm。这样既可以保证永磁体和抛光盘的相对运动，又可以使得磁场分布最强。形成大小合适的柔性抛光垫。同时可以使得陶瓷球都浸没在磁场形成的“柔性抛光垫”中。可以使得陶瓷球加工更加均匀。
本发明的空心轴(33)和大齿轮轴(42)的装配放大图如图7所示。
陶瓷球在抛光盘中的柔性抛光垫内的分布图如图8所示，V型槽抛光盘的工作表面有12个均匀分布的V型槽，其夹角为60°，槽深0.5～0.6D(D为被加工球体的直径)。
本发明的磁铁偏心距调整环(14)零件图如图9所示。
本发明一种基于磁流变效应的陶瓷球抛光装置的抛光方法，包括如下步骤：
1)将装置安装于普通数控铣床上面，其中下抛光盘及其以下部分安装在普通铣床的移动工作台上，上抛光盘通过法兰与普通铣床的主轴相连接，调节相对位置，使得上抛光盘位于V型槽的正上方。
2)将待加工的陶瓷球放入到下抛光盘的V形槽内，抛光盘里面注入磁流变液(磁流变液为4％金刚石粉和6％羟基铁粉及去离子水中，并用少量无水乙醇分散)。待其稳定，形成12个大小相同的“柔性抛光垫”。若形成的“柔性抛光垫”大小和高度有很大差异，可以用玻璃棒或者用低转速转动偏心磁极。
3)操作数控机床，将上抛光盘下降到即将接触到陶瓷球的位置，在上抛光盘加入适当的配重，使得上抛光盘压紧于陶瓷球上面，此时会将原本凸起的柔性抛光垫压平。操作数控铣床，使得上抛光盘转速为ω1，启动空心轴电机，使得带有V型槽的下抛光盘以与上抛光盘相反的方向旋转，转速为ω2。启动大齿轮轴电机，使集群磁极同步偏心自转机构中的永磁体做偏心自转，转速为ω2的磁流变液在磁场作用下一起作偏心摆动，这样可以使磨粒在“柔性抛光垫”内均匀分布，同时还可以使得被压平的“柔性抛光垫”在极短的时间内恢复形貌。
4)陶瓷球在上下抛光盘的共同作用下，在V形槽内自转并公转，由于陶瓷球被V形槽内的“柔性抛光垫”包覆，均布于“柔性抛光垫”中的金刚石磨粒将对陶瓷球的表面进行研抛加工。
实施例2：
装置具体结构部分同具体实施例1。
如图1-9所示，使用一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置和方法，包括如下步骤：
1)根据被加工陶瓷球的特点，选择合适直径和磁场强度的永磁体(15)安装于下抛光盘公转机构中小齿轮轴(13)的上方，根据需求调整偏心距调整环(14)的角度，使各磁铁的转动偏心距一致。
2)将下抛光盘公转机构及其以下部分通过螺母固定在数控铣床的移动工作台上，上抛光盘及压力调节装置通过上端的法兰盘与数控铣床的主轴连接。
3)调整数控铣床主轴的转速和Z轴的位置，调节上抛光盘的转速及上下抛光盘的相对位置，使得上抛光盘位于下抛光盘V型槽的正上方，上下抛光盘的磁极相对，调节上抛光盘(19)的下表面与陶瓷球(17)之间的间隙为0.3mm-5mm；
4)在去离子水中加入浓度为3％～10％的纳米级磨料、浓度为2％～15％的亚微米级羰基铁粉、浓度为3％～10％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液(18)；
5)将待加工的陶瓷球放入到下抛光盘的V形槽内，抛光盘里面注入磁流变液(18)，待其稳定后形成12个大小相同的“柔性抛光垫”。若形成的“柔性抛光垫”大小和高度有较大差异，可以用玻璃棒或者用低转速转动偏心磁极使之均匀。
6)操作数控机床，将上抛光盘(19)下降到即将接触到陶瓷球(17)的位置，在上抛光盘(19)加入适当的配重，使得上抛光盘(19)压紧于陶瓷球(17)的上表面。操作数控铣床，使得上抛光盘转速为ω1；启动空心轴电机，使得带有V型槽的下抛光盘(16)以与上抛光盘(19)相反的方向旋转，转速为ω2；启动大齿轮轴电机(38)，使集群磁极同步偏心自转机构中的永磁体(15)做偏心自转，转速为ω2的磁流变液(18)在磁场作用下一起作偏心摆动，这样可以使磨粒在“柔性抛光垫”内均匀分布，同时还可以使得被压平的“柔性抛光垫”在极短的时间内恢复形貌。
7)陶瓷球在上下抛光盘的共同作用下，在V形槽内自转并公转，由于陶瓷球被V形槽内的“柔性抛光垫”包覆，均布于“柔性抛光垫”中的金刚石磨粒将对陶瓷球的表面进行高效率超光滑均匀研磨抛光加工,最终获得高精度、超光滑的陶瓷球。
从以上实施例可以看出，本发明是一种基于集群磁流变效应，通过利用磁流变液在磁场的作用下迅速形成包覆陶瓷球的高粘度“柔性抛光垫”，从而对陶瓷球表面进行抛光加工，可以获得表面无损伤，高精度，超光滑的陶瓷球。通过设计优化结构，形成集群动态磁场，可以进行批量生产，提高加工效率。整个装置构思巧妙，结构简单，使用方便，加工效率高而且成本低廉。
应该指出，上述的具体实施方式只是针对本发明进行详细的说明，它不应是对本发明的限制。对于熟悉本领域的技术人员来说，在不偏离权利要求的宗旨和范围内，可以有多种形式和细节的变化。
Claims (9)
1.一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：包括集群磁极偏心自转机构、上抛光盘公转机构和压力调节机构；所述集群磁极偏心自转机构包括有底板(1)，所述底板(1)上设有大齿轮轴电机(38)，所述大齿轮轴电机(38)的输出轴连接有大齿轮轴(42)，所述大齿轮轴(42)的上端连接大齿轮(27)，所述大齿轮(27)与若干小齿轮轴(13)上的齿轮啮合，所述小齿轮轴(13)上设有偏心距调节环(14)，所述偏心距调节环(14)设有永磁体(15)；所述下抛光盘公转机构包括设置在所述底板(1)上的空心轴电机(4)，所述空心轴电机(4)的输出轴连接皮带轮(6)，所述皮带轮(6)通过同步带(7)与空心轴(33)连接，所述空心轴(33)的上端连接有小齿轮轴安装板(10)，所述小齿轮轴安装板(10)的上设有支撑环(28)，所述支撑环(28)上端连接有下抛光盘(16)，所述下抛光盘(16)上加工有若干V型槽(18)；所述下抛光盘(16)上方设有上抛光盘(19)，所述上抛光盘(19)连接有压力调节机构。
2.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：所述压力调节机构包括上压板(20)、配重块(21)、连接法兰(22)、导向长键(23)、弹簧(24)、限位块(25)；所述上压板(20)通过螺栓与所述上抛光盘(19)连接，所述上压板(20)顶部设有导向长键(23)，连接法兰(22)上开有对应键槽；在连接法兰(22)和上压板(20)的连接处安装弹簧(24)，便于配重减轻时连接法兰(22)和上压板(20)及时复位。
3.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：所述集群磁极偏心自转机构还包括若干偏心距调节环(14)、大齿轮轴(42)、大齿轮轴皮带轮(40)；所述小齿轮轴(13)安装在小齿轮轴安装板(10)上，在每个小齿轮轴(13)的上端偏心安装有偏心距调节环(14)，所述偏心距调节环(14)内部套有永磁体(15)，通过齿轮的相互啮合，所述小齿轮轴(13)和永磁体(21)围绕小齿轮轴(13)轴线做自转运动同时围绕大齿轮轴(42)轴线作公转运动。
4.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：所述空心轴电机(4)的输出轴还连接有键(5)。
5.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：所述小齿轮(13)外围设有小齿轮轴轴承(8)、小齿轮轴套筒(9)，所述小齿轮轴轴承(8)上端设有小齿轮轴轴承端盖(11)。
6.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：所述空心轴(33)的内部安装有大齿轮轴(42)、大齿轮轴轴承(37)和大齿轮轴套筒(36)，所述空心轴(33)的外围套设有空心轴轴套(34)和大弹簧垫圈(35)；所述大齿轮轴(42)的下端和上端分别设有小圆螺母(43)和大圆螺母(26)，所述大齿轮轴(42)还通过长键(41)连接空心轴皮带轮(40)，所述大齿轮轴(42)的外围还设有大齿轮轴套筒(36)和大齿轮轴轴承(37)；所述大齿轮轴轴承(37)上端设有大齿轮轴承端盖(29)。
7.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：压力调节机构通过连接法兰(22)连接在数控铣床的主轴上。
8.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的装置，其特征在于：所述底板(1)通过螺钉(2)连接有底座(2)，所述底座(2)上端设有推力球轴承座(31)，所述推力球轴承座(31)上设有推力球轴承(30)。
9.根据权利要求1所述的一种集群磁流变高效抛光加工高精度球的抛光方法，特征在于：包括如下步骤：
1)根据被加工陶瓷球的特点，选择合适直径和磁场强度的永磁体(15)安装于下抛光盘公转机构中小齿轮轴(13)的上方的偏心距调节环内，根据需求调整偏心距调整环(14)的角度，使各磁铁的转动偏心距一致；
2)将下抛光盘公转机构通过螺母固定在数控铣床的移动工作台上，上抛光盘(19)及压力调节装置通过上端的法兰盘与数控铣床的主轴连接。
3)调整数控铣床主轴的转速和Z轴的位置，调节上抛光盘(19)的转速及上下抛光盘(16)的相对位置，使得上抛光盘(19)位于下抛光盘(16)V型槽的正上方，上下抛光盘的磁极相对，调节上抛光盘(19)的下表面与陶瓷球(17)之间的间隙为0.3mm-5mm；
4)在去离子水中加入浓度为3％～10％的纳米级磨料、浓度为2％～15％的亚微米级羰基铁粉、浓度为3％～10％的分散剂和浓度为1％～6％的防锈剂，充分搅拌后通过超声波震动5～30分钟，形成磁流变液(18)；
5)将待加工的陶瓷球放入到下抛光盘的V形槽内，抛光盘里面注入磁流变液(18)，待其稳定后形成若个大小相同的柔性抛光垫；若形成的柔性抛光垫大小和高度有较大差异，可以用玻璃棒或者用低转速转动偏心磁极使之均匀；
6)操作数控机床，将上抛光盘(19)下降到即将接触到陶瓷球(17)的位置，在上抛光盘(19)加入适当的配重，使得上抛光盘(19)压紧于陶瓷球(17)的上表面；操作数控铣床，使得上抛光盘(19)转速为ω1；启动空心轴电机，使得抛光盘(16)以与上抛光盘(19)相反的方向旋转，转速为ω2；启动大齿轮轴电机(38)，使集群磁极同步偏心自转机构中的永磁体(15)做偏心自转，转速为ω2的磁流变液(18)在磁场作用下一起作偏心摆动，这样可以使磨粒在柔性抛光垫内均匀分布，同时还可以使得被压平的柔性抛光垫在极短的时间内恢复形貌；
7)陶瓷球在上下抛光盘的共同作用下，在V形槽内自转并公转，由于陶瓷球被V形槽内的柔性抛光垫包覆，均布于柔性抛光垫中的金刚石磨粒将对陶瓷球的表面进行高效率超光滑均匀研磨抛光加工,最终获得高精度、超光滑的陶瓷球。
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