CN110193756A - 一种磁流变抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料抛光技术领域，公开了一种磁流变抛光装置，包括载液部、承载部、产磁件与电源，所述载液部与所述承载部能够相对运动，所述载液部与所述承载部之间形成工作空间，所述产磁件用于使抛光液附着于所述载液部上，所述电源能够在所述工作空间内产生非均匀的工作电场，以使所述抛光液内的磨粒朝所述承载部的方向运动。本发明中的磁流变抛光装置能够提高抛光液中磨粒的利用率，从而提高抛光效率，缩短抛光时间。
Description
技术领域
本发明涉及材料抛光技术领域，尤其涉及一种磁流变抛光装置。
背景技术
随着科技的不断发展进步，在一些领域中对于产品的表面质量有了越来越高的要求，通常需要其具有极高的表面精度，其中表面粗糙度甚至需要达到纳米级别。为了达到上述要求，通常需要对产品的表面进行抛光，以提高其表面粗糙度。然而，传统的抛光技术能够达到的粗糙度有限，无法实现精准抛光，针对目前传统抛光方法的缺陷，磁流变抛光技术可以有效保证产品质量。
磁流变抛光技术的基本原理是：磁流变液在未加磁场时具有一定的流动性，当受到一定强度的磁场作用时，将会产生明显的磁流变效应，其粘度急剧增大，会从液体变成类似固体的状态，一旦去掉磁场，又变成流动的液体。磁流变抛光技术正是利用磁流变液在梯度磁场中形成的具有一定硬度的柔性磨头与产品之间进行快速的相对运动，使产品表面受到很大的剪切力，从而将产品表面材料去除，以达到抛光效果。磁流变抛光具有柔性磨头与产品表面吻合度高、加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小及加工适用性广等优点，因此，具有较好的应用前景。然而，现有的磁流变抛光技术存在磨粒利用率低，抛光效率低，抛光时间长等缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种磁流变抛光装置，该装置能够提高抛光液中磨粒的利用率，从而提高抛光效率，缩短抛光时间。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供了一种磁流变抛光装置，包括载液部、承载部、产磁件与电源，所述载液部与所述承载部能够相对运动，所述载液部与所述承载部之间形成工作空间，所述产磁件用于使抛光液附着于所述载液部上，所述电源能够在所述工作空间内产生非均匀的工作电场，以使所述抛光液内的磨粒朝所述承载部的方向运动。
作为上述技术方案的改进，所述载液部与所述承载部分别与所述电源的两端电连接以产生所述工作电场。
作为上述技术方案的进一步改进，沿所述载液部至所述承载部的方向，所述工作电场的电场强度逐渐增大。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括第一电机，所述载液部能够在所述第一电机的驱动下相对于所述承载部转动。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括第一电机与传动装置，所述第一电机通过所述传动装置驱动所述载液部相对于所述承载部转动；
所述传动装置包括皮带、第一带轮与第二带轮，所述第一带轮与所述第一电机固定连接，所述第二带轮与所述载液部固定连接，所述皮带套设于所述第一带轮与所述第二带轮上；
或者，所述传动装置包括主动齿轮与从动齿轮，所述主动齿轮与所述第一电机固定连接，所述从动齿轮与所述载液部固定连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合；
或者，所述传动装置包括链条、主动链轮与从动链轮，所述主动链轮与所述第一电机固定连接，所述从动链轮与所述载液部固定连接，所述链条套设于所述主动链轮与所述从动链轮上；或者，所述传动装置包括主动摩擦轮与从动摩擦轮，所述主动摩擦轮与所述第一电机固定连接，所述从动摩擦轮与所述载液部固定连接，所述主动摩擦轮与所述从动摩擦轮能够因二者之间的摩擦力而相对转动。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括移动部，所述承载部固定于所述移动部上，所述承载部能够在所述移动部的带动下相对于所述载液部移动，或者，所述承载部能够在所述移动部的带动下相对于所述载液部移动及转动。
作为上述技术方案的进一步改进，所述产磁件产生的工作磁场能够使所述抛光液被搅动。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括第二电机，所述第二电机与所述产磁件固定连接，所述产磁件能够在所述第二电机的驱动下相对于所述载液部偏心转动。
作为上述技术方案的进一步改进，所述产磁件位于所述载液部的远离所述工作空间的一侧，且所述产磁件偏心连接于所述第二电机上，所述产磁件与所述第二电机的输出轴之间的偏心距范围为所述产磁件的直径的1/4-1/3。
作为上述技术方案的进一步改进，所述承载部上固定有待抛光的工件，所述工件位于所述工作空间内，且所述抛光液与所述工件接触。
本发明的有益效果是：本发明中的磁流变抛光装置能够提高抛光液中磨粒的利用率，从而提高抛光效率，缩短抛光时间。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明一个实施例中磁流变抛光装置的剖视图；
图2是本发明一个实施例中载液部与承载部之间的电场强度示意图；
图3是本发明一个实施例中未设置工作电场时抛光液的示意图；
图4是本发明一个实施例中设置工作电场后抛光液的示意图；
图5是本发明另一实施例中磁流变抛光装置的剖视图；
图6是图5中A处的局部放大图；
图7是产磁件偏心旋转至不同位置时的磁力线分布图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
参照图1，示出了本发明第一实施例中磁流变抛光装置的剖视图。本实施例中的磁流变抛光装置包括载液部1、承载部2及产磁件3。载液部1的底部附着有抛光液，承载部2的顶部固定有待抛光的工件。在载液部1与承载部2之间形成用于对工件进行抛光的工作空间。产磁件3位于载液部1的上方，产磁件3能够在工作空间内产生工作磁场。产磁件3可使用永磁体，也可使用电磁铁。本实施例中，选用永磁体作为产磁件。在该工作磁场的作用下，抛光液会由于磁吸力而附着于载液部1的底部，不会从载液部1上掉落下来，并使得抛光液能够因磁流变效应形成具有一定硬度的柔性磨头。工件的顶部与抛光液形成的柔性磨头接触，通过二者之间高速的相对运动来实现对工件的抛光。
在载液部1的上方还设有第一电机4，第一电机4的下方固定连接有第一带轮5，在载液部1的上方固定连接有第二带轮6，第一带轮5与第二带轮6通过皮带连接。第一电机4转动时，通过带传动带动载液部1一起转动，从而实现载液部1底部的抛光液与工件之间的相对运动，使抛光液中的磨粒切削工件表面以完成抛光。当然，第一电机4与载液部1之间的连接方式不限于此，载液部1也可以直接与第一电机4连接。
承载部2的底部固定于移动部7上，且承载部2可随着移动部7一起运动。对工件上的平面区域进行抛光时，承载部2随着移动部7在水平面上移动，从而变换抛光区域。对工件上的曲面区域进行抛光时，承载部2随着移动部7移动及转动，从而变换抛光区域。移动部7可选用机械手或其他具有类似功能的部件。
然而，若是仅设置上述的装置，即仅设置磁流变抛光，会存在实际参与抛光的磨粒的数量在总磨粒数量中占比较低的问题(不到8％)，较低的磨粒利用率使得抛光效率较低。因此，在本实施例中，还通过中性粒子介电泳现象来控制磨粒的分布位置，从而提高磨粒的利用率。中性粒子在非均匀电场中向电场强度较大方向的运动，被称为中性粒子介电泳现象。
载液部1通过电刷8与外接高压电源的一端相连，承载部2与外接高压电源的另一端相连，从而在工作空间内产生工作电场。
抛光液中的磨粒通常为电中性物质。由于高压电源通常产生的是高强度的非均匀电场，故抛光液中的中性磨粒将在该高强度的非均匀电场中产生介电泳效应。在该电场中，中性磨粒将会被极化，在磨粒内部的两端产生等量的异种电荷，从而形成电偶极子。由于电场是非均匀的，即磨粒两端的电场强度存在差异，故磨粒所受到的电场力的合力不为零，磨粒将在该合力的作用下朝着电场强度较大的方向运动。
参照图2，示出了本发明一个实施例中载液部与承载部之间的电场强度示意图。通过设置工作电场的参数，使得从载液部1到承载部2的电场强度逐渐增大。通常，使载液部(即抛光液端)比承载部(即工件端)的电极更大，以获得电场强度具有上述变化趋势的电场。那么抛光液中的磨粒将会由于介电泳效应而朝承载部2的方向运动，从而使抛光液中的磨粒聚集于承载部2上固定的工件的表面。在本实施例中，平均电场强度的范围为400-1000V/mm，优选的，平均电场强度为600V/mm。
参照图3至4，分别示出了本发明一个实施例中未设置工作电场时抛光液的示意图及设置工作电场后抛光液的示意图。位于载液部1与工件9之间的部分即为抛光液，抛光液包括磁敏粒子10、磨粒11及纤维素链12等物质。磁敏粒子10会沿着磁力线方向聚合而生成磁性链。磨粒11分布于磁性链周围，用于切削待抛光的工件表面，以去除工件表面材料。纤维素链12起到增强抛光液粘度的作用。如图3所示，在未设置工作电场时，磨粒11在载液部1与工件9之间的位置分布较为均匀。如图4所示，在设置工作电场后，磨粒11大量聚集于工件9的表面。由此可见，本实施例中通过设置工作电场使得工件表面的磨粒11数量大量增加，从而提高抛光液中磨粒的利用率，使得抛光效率大幅提高，抛光时间被缩短。
参照图5至6，在本发明的另一实施例中，将工作磁场设置为旋转磁场。在该实施例中还设有与产磁件3固定连接的第二电机13，第二电机13位于载液部1的上方，产磁件3偏心连接于第二电机13的输出轴上。此处的偏心连接是指产磁件3的中心轴(此处默认产磁件3的形状规则)与第二电机13的输出轴之间存在偏心距d，产磁件3能够在第二电机13的驱动下偏心转动。在本实施例中，产磁件3与第二电机13的输出轴之间的偏心距范围为产磁件3直径的1/4-1/3。
如图7所示，由于偏心距的存在，当产磁件3随第二电机13转动时产生旋转磁场。当磁场旋转时，磁敏粒子形成的磁性链会相应的发生旋转运动，磁性链不断搅动抛光液，搅动过程中，位于底部的磨粒会不断的被上部的磨粒置换，保证底部磨粒的更新。磨粒的随时更新增加了柔性磨头的锋利程度，使得工件表面的材料易于被去除，大幅提高了抛光效率。当然，除了本实施例中提供的偏心旋转运动，其他能够使抛光液被搅动的运动轨迹亦可。
在本发明的另一实施例中，载液部与承载部等部件的位置可以进行调整。在前述实施例中，载液部位于承载部的上方，在本实施例中，载液部位于承载部的下方。在前述实施例中位于载液部上方的各部件在本实施例中位于载液部的下方，在前述实施例中位于承载部下方的各部件在本实施例中位于承载部的上方。在本实施例中，抛光液位于载液部的顶部，工件仍固定于承载部上，工件的底部与抛光液接触并相对运动以完成抛光。
在本发明的另一实施例中，第一电机通过齿轮传动驱动载液部转动。可设置主动齿轮与从动齿轮，主动齿轮与第一电机固定连接，从动齿轮与载液部固定连接，主动齿轮与从动齿轮直接啮合，或者通过中间齿轮啮合。
在本发明的另一实施例中，第一电机通过链传动驱动载液部转动。可设置链条、主动链轮与从动链轮，主动链轮与第一电机固定连接，从动链轮与载液部固定连接，主动链轮与从动链轮通过链条连接。
在本发明的另一实施例中，第一电机通过摩擦传动驱动载液部转动。可设置主动摩擦轮与从动摩擦轮，主动摩擦轮与第一电机固定连接，从动摩擦轮与载液部固定连接，主动摩擦轮与从动摩擦轮通过二者之间的摩擦力而相对转动。
以下提供一组实验数据：
设置对照组，对照组中抛光液中各组分的质量分数为：水基四氧化三铁溶液40％，羟基铁粉45％，二氧化硅12％及α-纤维素3％。其中，二氧化硅作为磨粒，其粒径为80纳米。工件选择硅片，抛光时间为2小时。为了提高磨粒的锋利程度，每5分钟更换一次抛光液，直至抛光结束。
设置实验组，实验组与对照组的区别仅在于实验组中载液部与承载部分别与外接高压电源的两端相连。外接高压电源的频率为40HZ，其产生的工作电场的平均电场强度为450V/mm，电场强度最低处的数值≥400V/mm，最高处的数值≤1000V/mm。
将实验组与对照组进行对比得知，实验组中工件表面的材料去除率比对照组提高了19.9％，抛光效率提高了3.6倍。由此可知，在磁流变抛光的基础上加上介电泳效应可以大幅提升抛光效率，缩短抛光时间。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种磁流变抛光装置，其特征在于，包括载液部、承载部、产磁件与电源，所述载液部与所述承载部能够相对运动，所述载液部与所述承载部之间形成工作空间，所述产磁件用于使抛光液附着于所述载液部上，所述电源能够在所述工作空间内产生非均匀的工作电场，以使所述抛光液内的磨粒朝所述承载部的方向运动。
2.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，所述载液部与所述承载部分别与所述电源的两端电连接以产生所述工作电场。
3.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，沿所述载液部至所述承载部的方向，所述工作电场的电场强度逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，还包括第一电机，所述载液部能够在所述第一电机的驱动下相对于所述承载部转动。
5.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，还包括第一电机与传动装置，所述第一电机通过所述传动装置驱动所述载液部相对于所述承载部转动；
所述传动装置包括皮带、第一带轮与第二带轮，所述第一带轮与所述第一电机固定连接，所述第二带轮与所述载液部固定连接，所述皮带套设于所述第一带轮与所述第二带轮上；
或者，所述传动装置包括主动齿轮与从动齿轮，所述主动齿轮与所述第一电机固定连接，所述从动齿轮与所述载液部固定连接，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合；
或者，所述传动装置包括链条、主动链轮与从动链轮，所述主动链轮与所述第一电机固定连接，所述从动链轮与所述载液部固定连接，所述链条套设于所述主动链轮与所述从动链轮上；
或者，所述传动装置包括主动摩擦轮与从动摩擦轮，所述主动摩擦轮与所述第一电机固定连接，所述从动摩擦轮与所述载液部固定连接，所述主动摩擦轮与所述从动摩擦轮能够因二者之间的摩擦力而相对转动。
6.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，还包括移动部，所述承载部固定于所述移动部上，所述承载部能够在所述移动部的带动下相对于所述载液部移动，或者，所述承载部能够在所述移动部的带动下相对于所述载液部移动及转动。
7.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，所述产磁件产生的工作磁场能够使所述抛光液被搅动。
8.根据权利要求7所述的磁流变抛光装置，其特征在于，还包括第二电机，所述第二电机与所述产磁件固定连接，所述产磁件能够在所述第二电机的驱动下相对于所述载液部偏心转动。
9.根据权利要求8所述的磁流变抛光装置，其特征在于，所述产磁件位于所述载液部的远离所述工作空间的一侧，且所述产磁件偏心连接于所述第二电机上，所述产磁件与所述第二电机的输出轴之间的偏心距范围为所述产磁件的直径的1/4-1/3。
10.根据权利要求1所述的磁流变抛光装置，其特征在于，所述承载部上固定有待抛光的工件，所述工件位于所述工作空间内，且所述抛光液与所述工件接触。
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