CN110340736B - 一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密光学元件抛光领域，并具体公开了一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置及方法，其包括端盖、套筒、抛光头外壳和隔磁转轴，端盖和抛光头外壳与套筒两端连接，抛光头外壳上开设有进液口和出液口；隔磁转轴安装在套筒内，其一端穿过端盖与外部旋转动力源相连，另一端嵌装有永磁体，并插入抛光头外壳内，与抛光头外壳内部形成流动聚焦腔，出液口位于永磁体正下方；抛光时，磁流变抛光液一部分在隔磁转轴端面处受永磁体作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔内流动并经出液口喷出，该部分在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以形成平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头。本发明实现不同表面形状工件的高效抛光。

Description

一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置及方法

技术领域

本发明属于超精密光学元件抛光领域，更具体地，涉及一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置及方法。

背景技术

超精密光学元件在军事、航天、天文、核能和重要的经济性工业领域有广泛的应用，这类元件对表面质量和面型精度都有很高的要求。磁流变抛光作为一种非接触式抛光技术，其利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑行为的柔性抛光模与工件之间的快速相对运动，产生微切削作用，实现元件的非接触式抛光。该种抛光技术的抛光模形状、硬度完全由磁场控制，且抛光模随着磁流变液流动不断被更新，不存在磨损或者变形问题，保证在整个抛光过程中工件特性函数的一致性，能够准确地对材料进行纳米级和微米级去除，不会对工件产生表面和亚表面损伤，具有较高的加工表面质量。

目前，对于磁流变抛光技术而言出现了较多的方案，例如CN103269828A采用轮式磁流变抛光方法，通过抛光轮回转带动含有磨料的磁流变液在电磁铁产生的梯度磁场环境下形成柔性缎带，对工件进行确定性抛光去除加工，由于受到抛光轮半径限制，其只适用于加工凸曲面、平面和曲率半径较大的凹曲面。如CN105458839A公开的一种磁流变抛光装置，其在具有磁场的磁流变液中使工件做多个自由度的运动，能够在一次装夹下同时对一个或多个工件的外表面进行抛光加工，但是其在加工小曲率凹面结构和磁流变抛光液的循环更新方面存在不足。如CN102990500A公开的一种斜轴磁流变研抛装置，其采用小直径永磁体球形抛光头，在抛光工具头上方供给磁流变液体，由于永磁体制成的抛光头前端存在磁场，利用磁场作用将磁流变液吸附在抛光头上，通过磁流变液与工件减的微细作用实现对工件的抛光加工，该方法可以一定程度上减少干涉，适用于小曲率、小口径非球曲面零件的超精密抛光，适用的最小曲率半径为1.5mm，但是抛光头再小时难以产生有效的梯度磁场，抛光区域还是受到抛光头尺寸的限制，且抛光工具头上方需要附加额外的磁流变液供给装置。再如CN106736885A公开的一种可变式磁流变抛光头，其将内径小的导磁管设在内径大的导磁管内，相邻的导磁管之间螺纹配合，最外层导磁管设有磁线圈，磁流变抛光液位于输液装置内，输送装置套设在最外层导磁管上，可以调节不同直径的导磁管伸出，从而形成不同大小的抛光头，通过不同内径的导磁管组合，让一套刀具实现不同大小的抛光头，应对不同的加工需求，提高生产效率。但是当导磁管尺寸较小时不能形成有效的梯度磁场，且抛光头不能做轴向转动，影响加工表面质量和抛光效率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置及方法，其通过关键组件套筒、抛光头外壳和隔磁转轴间的相互配合，可形成宾汉体小抛光头，以实现不同表面形状工件的高效抛光，特别是小曲率凹面结构的抛光加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其包括端盖、套筒、抛光头外壳和隔磁转轴，其中：

所述端盖和抛光头外壳分设于所述套筒的两端，并分别与所述套筒的两端相连接，所述抛光头外壳上开设有供磁流变抛光液进入和射出的进液口和出液口；

所述隔磁转轴安装在所述套筒内，且其一端穿过所述端盖以与外部的旋转动力源相连，进而在旋转动力源的作用下实现旋转，其另一端嵌装有永磁体，并插入所述抛光头外壳内，以与抛光头外壳的内部形成与所述进液口和出液口导通的流动聚焦腔，此外，所述出液口位于所述永磁体的正下方；

抛光时，磁流变抛光液一部分在隔磁转轴的端面处受永磁体的作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔内流动并经出液口喷出形成射流，且该部分磁流变抛光液在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以使得宾汉体变为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头，通过该宾汉体小抛光头实现待抛光工件的抛光。

作为进一步优选的，所述隔磁转轴与套筒之间通过轴承组件实现配合。

作为进一步优选的，所述轴承组件与所述端盖之间以及与套筒之间设置有密封组件。

作为进一步优选的，所述套筒与抛光头外壳之间通过密封圈密封。

作为进一步优选的，所述隔磁转轴优选由高相对磁导率的材料制成，其下端开设有用于安装所述永磁体的圆柱槽。

作为进一步优选的，所述圆柱槽的端部与隔磁转轴外圆面的过渡处优选为圆弧形或锥形。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于流场聚焦的磁流变抛光方法，其采用所述的装置实现，其包括如下步骤：

S1旋转动力源带动隔磁转轴旋转；

S2磁流变抛光液经进液口进入流动聚焦腔内，该磁流变抛光液一部分在隔磁转轴的端面处受永磁体的作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔内流动并经出液口喷出形成射流，并且该部分磁流变抛光液在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以使得宾汉体变为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头；

S3待抛光工件反向旋转或不旋转，其在宾汉体小抛光头的作用下实现抛光。

按照本发明的第三方面，提供了一种基于流场聚焦的磁流变抛光方法，其采用所述的装置实现，其包括如下步骤：

S1隔磁转轴固定不动；

S2磁流变抛光液经进液口进入流动聚焦腔内，该磁流变抛光液一部分在隔磁转轴的端面处受永磁体的作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔内流动并经出液口喷出形成射流，并且该部分磁流变抛光液在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以使得宾汉体变为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头；

S3待抛光工件旋转，其在宾汉体小抛光头的作用下实现抛光。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过对磁流变抛光装置的具体结构及各结构部件的相互配合关系的设计，使得抛光时用于抛光的磁流变抛光液一部分形成宾汉体，另一部分形成射流，并且形成射流的部分在流动时还能对形成的宾汉体进行挤压塑形，起到流动聚焦的效果，使形成的宾汉体为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头，通过该宾汉体小抛光头可实现不同表面形状的工件尤其是小曲率凹面结构的高精度、高效率抛光加工。

2.本发明的抛光装置外侧的磁流变抛光液在包络磁化高粘度区的同时也向工件表面冲击，也具有材料去除效果，这与传统射流抛光原理一致。因此，本发明抛光装置具有双重抛光效果，一是被聚焦且旋转的磁化宾汉体区，二是外层包络磁化区的环形射流区，如此进一步提高抛光效果和抛光效率。

3.本发明通过设计隔磁转轴，便于永磁体的安装以及与外部旋转动力源的连接，同时可将磁通量尽量集中在加工区，避免偏离，并且通过该隔磁转轴可将永磁体产生的磁场约束在隔磁转轴内实现磁屏蔽作用，以避免流动聚焦腔中的磁流变抛光液全部被永磁体磁场影响而磁化，导致磁流变抛光液粘度增高或粘附在轴上，进而增加系统的压强，增加负荷。

4.一般的磁流变抛光装置需要在装置旁边加一个专门供给磁流变液的喷嘴，向加工区域喷射磁流变液，或者中途停机以更换磁流变液，而本发明的抛光装置不需另加喷头，磁流变液从进液口通入、出液口流出，可以方便实现磁流变抛光液的可持续更新，提高抛光效率。

5.本发明的抛光装置能够与电机相连或安装在普通精密机床上，适应性强、易于操作。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于流场聚焦的磁流变抛光装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的隔磁转轴端部的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的隔磁转轴端部的模拟结果图，其中，a)为未优化结构模拟图，b)为优化结构模拟图；

图4是本发明实施例提供的磁流变抛光装置抛光平面工件时的工作示意图；

图5是本发明实施例提供的磁流变抛光装置抛光小曲率凹面工件时的工作示意图；

图6是本发明实施例提供的双重抛光模式中去除函数的可控调节示意图，其中，a为射流抛光中典型的M形去除函数，b为拟实现的均匀去除函数，c为拟实现的聚焦形去除函数。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-端盖，2-套筒，3-抛光头外壳，4-隔磁转轴，5-永磁体，6-密封组件，7-轴承组件，8-密封圈，9-进液口，10-宾汉体，11-射流抛光区，12-工件，13-未磁化磁流变抛光液，14-磁流变抛光区，15-出液口，16-流动聚焦腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其包括端盖1、套筒2、抛光头外壳3和隔磁转轴4，其中，端盖1和抛光头外壳3分设于套筒2的两端(如图1中的上下端)，并分别与套筒2的两端相连接。优选的，套筒2的两端通过螺纹与端盖1和抛光头外壳3连接，具体是套筒2两端分别设有外螺纹，端盖1设有内螺纹，抛光头外壳3设有内螺纹，套筒两端的外螺纹分别与端盖和抛光头外壳的内螺纹旋合。抛光头外壳3上开设有供磁流变抛光液进入的进液口9和射出的出液口15，其中进液口9设于抛光头外壳3的侧面，出液口15设于抛光头外壳3的底部。隔磁转轴4安装在套筒2内，隔磁转轴4的一端(如图1中的上端)穿过端盖1以与外部的旋转动力源相连，进而在旋转动力源的作用下实现旋转，旋转动力源例如为电机、机床主轴等。隔磁转轴4的另一端(如图1中的下端)嵌装有永磁体5，该端插入抛光头外壳3内，并与抛光头外壳3的内部形成流动聚焦腔16，该流动聚焦腔16与进液口9和出液口15导通，以供磁流变抛光液流动，且出液口15位于永磁体5的正下方。通过设置隔磁转轴4以将永磁体5引起的磁场约束在隔磁转轴内，其他区域磁场强度很小，避免流动聚焦腔内的磁流变抛光液被永磁体磁场影响而磁化，导致磁流变抛光液粘度增高，或粘附在隔磁转轴上。若不加屏蔽永磁体产生的磁场呈空间分布，加上隔磁转轴后，隔磁转轴把圆柱形永磁体包在里面，只露出永磁体的一端面，永磁体产生的磁场大部分被约束在隔磁转轴内(磁屏蔽效果)，只有没有包着的端部的磁场露出来，以此使得永磁体端部的磁场强度较大，而其他位置磁场强度都很小，进而将磁通量尽量集中在加工区(即永磁体端部对着的工件表面)，避免偏离。

为了保证隔磁转轴4有效的相对套筒2旋转，隔磁转轴4的外部设置有用于与套筒2之间实现配合的轴承组件7，具体设置有上下两个轴承组件实现配合。而为了实现密封，轴承组件7与端盖1之间以及与套筒2之间设置有密封组件6，具体的，上轴承组件的上端面与端盖1的下端面之间设置有上密封组件，以防止油污等周围环境杂质进入轴承组件；下轴承组件的下端面与套筒2的内底面之间设置有下密封组件，以防止流动聚焦腔内的磁流变液进入轴承组件。而为了防止流动聚焦腔内的磁流变液从连接处流出，套筒2与抛光头外壳3之间通过密封圈8密封。

具体的，隔磁转轴4优选由高相对磁导率的材料制成，具体的相对磁导率在15000以上，例如坡莫合金，通过该高磁导率材料可将永磁体引起的磁场约束在高磁导率材料内，实现磁屏蔽作用。隔磁转轴4的下端开设有用于安装永磁体5的圆柱槽，优选的，圆柱槽与隔磁转轴4同心。进一步的，圆柱槽向隔磁转轴外圆面过渡处优选设计为锥形(如图1所示)或圆弧形(如图2所示)，在增强端部磁场强度的同时，减少端部体积，同时轻量化。利用现有的仿真软件譬如COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对隔磁转轴开有圆柱槽的端部进行结构优化，以达到减少转轴材料使用量/轻量化的同时，提高端部的磁场强度，具体以增大端面磁场强度为优化目标，按照结构优化理论进行迭代优化，最终获得端部的结构为圆弧形结构，如图3中的a)所示为未优化时的端部结构，如图3中的b)所示为优化后的端部结构，优化后的结构比未优化结构的磁场强度增大10％，体积与质量却减少19％。实际操作中，可设计不同长度、直径和圆柱槽内径的隔磁转轴，然后根据需要选用对应尺寸的隔磁转轴进行抛光，便于更换。抛光头外壳3为不导磁耐磨材料，例如高锰耐磨钢、抗磨高铬铸铁等，实际操作中同样的可设计不同直径出液口的抛光头外壳，便于更换，通过其与不同尺寸的隔磁转轴的配合，组合获得各种尺寸的抛光装置，适用于各种尺寸的工件，满足各种抛光需求。此外，上、下密封组件和密封圈均为标准的密封圈，一般采用耐磨抗压材料制成，实现良好密封。

图4是本发明实施例提供的磁流变抛光装置抛光平面工件时的工作示意图。下面结合图4对本发明的磁流变抛光装置的工作过程进行说明：使用时，磁流变抛光装置的隔磁转轴的上端与调速电机或机床主轴连接，通过数控机床控制磁流变抛光装置运动到指定位置；针对旋转对称工件，隔磁转轴4在电机或机床主轴驱动下旋转，例如顺时针旋转，磁流变抛光液通过抛光头外壳一侧的进液口9进入流动聚焦腔16内，一部分在隔磁转轴4的端面处受到磁场的作用形成宾汉体10，该宾汉体10随隔磁转轴4一同旋转；一部分未转化为宾汉体的磁流变抛光液在出口区域横向流动，产生流体动压力，对宾汉体产生挤压塑形，使宾汉体变为直径(指宾汉体的平均直径)小于出液口直径的宾汉体小抛光头，起到流动聚焦的效果，宾汉体小抛光头的平均直径同时也小于励磁永磁体直径；工件12反向旋转(即旋转方向与隔磁转轴相反，例如逆时针旋转)，使得宾汉体与工件之间产生相对运动并产生剪切力以通过宾汉体小抛光头实现材料去除的目的，在工件12形成磁流变抛光区14，而未磁化磁流变抛光液13经出液口喷出形成射流，喷射在工件表面，也对工件表面产生材料去除，在工件12上形成射流抛光区11，以此实现双重抛光效果。抛光过程中，宾汉体随未转化的磁流变抛光液运动到磁场强度不足以维持宾汉体特性时恢复液态特性从而流走，新的磁流变抛光液在磁场作用下不断的形成新的宾汉体，由此实现了磁流变抛光液的可持续更新。对于隔磁转轴和工件的旋转速度本发明无特殊要求，可根据实际需要进行限定，只需保证两者旋转方向相反即可。当然针对旋转对称工件而言，也可使仅工件12旋转，而隔磁转轴4不旋转(即固定不动)。而针对大型或不规则工件，其抛光过程同旋转对称工件，只是仅隔磁转轴4旋转，而工件12不旋转。

图5是本发明实施例提供的磁流变抛光装置抛光小曲率凹面工件时的工作示意图，通过改变永磁体大小、磁场强度、抛光头外壳出液口尺寸和进液口的磁流变抛光液流速，可实现宾汉体小抛光头的轴向长度与平均直径的调整，以适应不同表面形状的工件尤其是小曲率凹面结构的抛光加工，对于小曲率凹面结构工件的抛光，其抛光过程及抛光原理与平面工件一致，在此不赘述。优选的，永磁体为圆柱形，其直径设定在2mm～8mm范围内，永磁体剩余磁感应强度(剩磁)设定在1.17T～1.47T(特斯拉)范围，出液口的直径设定在1mm～10mm范围，进液口压强(压强与流速有直接关系，一般压强越大流速越高，V＝44.7×P^1/2，V为进液口的磁流变抛光液流速，P为进液口压强)设定在0.1MPa～5MPa范围内，以使得形成的宾汉体柔性抛光头(即宾汉体小抛光头)的平均直径控制在0.5mm～6mm范围，高度控制在0.1mm～3mm范围内，进而可实现最小曲率半径为1mm～5mm的小曲率凹面工件的抛光，即可适用于最小曲率半径为1mm的小曲率凹面工件的抛光(适用的最小曲率半径小于目前现有技术可适用的范围)，同时保证抛光区磁流变抛光液的交换更新，当然本发明也可以加工普通平面以及其他自由曲面。

如图6的a中所示，传统磨料水射流抛光中，抛光斑的中间区域会存在一个凸起，从截面上看，抛光斑呈“W”型(与之对应的去除函数呈“M”型)，这种抛光斑/去除函数加工时容易带来高频误差，即传统磨料水射流抛光中不可避免地会形成M状去除函数(指表达加工区域内的点在单位时间内的材料去除量的函数)，也即射流中心处的去除效率要低于外环处的去除效率，这种非均匀的去除函数是射流抛光不可忽视的一大缺点。本发明设计的抛光装置则可通过增大永磁体的转速、增大磁场强度(例如通过更换剩余磁感应强度更高的永磁体，如将N35(剩余磁感应强度1.17～1.21T)牌号的铷磁铁换成N48(1.38～1.42T))等方式提高中心处的去除函数，改变加工间隙(改变抛光头出口距工件表面的轴向距离)、加工角度(工件表面与抛光头轴线的夹角)、进液口压强等因素调整磁化区和射流区的相对尺寸，以实现整体去除函数的可控调节，获得如图6的b中所示的均匀去除函数，如图6的c中所示的聚焦形去除函数，具体获得何种形状的去除函数可根据实际需要确定，确定去除函数的形状后通过调整永磁体转速、磁场强度、加工间隙、加工角度、进液口压强等参数获得所需形状的去除函数即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其特征在于，包括端盖（1）、套筒（2）、抛光头外壳（3）和隔磁转轴（4），其中：

所述端盖（1）和抛光头外壳（3）分设于所述套筒（2）的两端，并分别与所述套筒（2）的两端相连接，所述抛光头外壳（3）上开设有供磁流变抛光液进入和射出的进液口（9）和出液口（15）；

所述隔磁转轴（4）安装在所述套筒（2）内，且其一端穿过所述端盖（1）以与外部的旋转动力源相连，进而在旋转动力源的作用下实现旋转，其另一端嵌装有永磁体（5），并插入所述抛光头外壳（3）内，以与抛光头外壳（3）的内部形成与所述进液口（9）和出液口（15）导通的流动聚焦腔（16），此外，所述出液口（15）位于所述永磁体（5）的正下方；

抛光时，磁流变抛光液一部分在隔磁转轴（4）的端面处受永磁体（5）的作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔（16）内流动并经出液口（15）喷出形成射流，且该部分磁流变抛光液在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以使得宾汉体变为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头，通过该宾汉体小抛光头实现待抛光工件的抛光。

2.如权利要求1所述的基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其特征在于，所述隔磁转轴（4）与套筒（2）之间通过轴承组件（7）实现配合。

3.如权利要求2所述的基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其特征在于，所述轴承组件（7）与所述端盖（1）之间以及与套筒（2）之间设置有密封组件（6）。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其特征在于，所述套筒（2）与抛光头外壳（3）之间通过密封圈（8）密封。

5.如权利要求1-3任一项所述的基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其特征在于，所述隔磁转轴（4）由高相对磁导率的材料制成，其下端开设有用于安装所述永磁体（5）的圆柱槽。

6.如权利要求5所述的基于流场聚焦的磁流变抛光装置，其特征在于，所述圆柱槽的端部与隔磁转轴外圆面的过渡处为圆弧形或锥形。

7.一种基于流场聚焦的磁流变抛光方法，其采用如权利要求1-6任一项所述的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1旋转动力源带动隔磁转轴（4）旋转；

S2磁流变抛光液经进液口（9）进入流动聚焦腔（16）内，该磁流变抛光液一部分在隔磁转轴（4）的端面处受永磁体（5）的作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔（16）内流动并经出液口（15）喷出形成射流，并且该部分磁流变抛光液在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以使得宾汉体变为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头；

S3待抛光工件反向旋转或不旋转，其在宾汉体小抛光头的作用下实现抛光。

8.一种基于流场聚焦的磁流变抛光方法，其采用如权利要求1-6任一项所述的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1隔磁转轴（4）固定不动；

S2磁流变抛光液经进液口（9）进入流动聚焦腔（16）内，该磁流变抛光液一部分在隔磁转轴（4）的端面处受永磁体（5）的作用形成宾汉体，另一部分在流动聚焦腔（16）内流动并经出液口（15）喷出形成射流，并且该部分磁流变抛光液在流动时产生流体动压力对宾汉体进行挤压塑形，以使得宾汉体变为平均直径小于出液口直径的宾汉体小抛光头；

S3待抛光工件旋转，其在宾汉体小抛光头的作用下实现抛光。

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