CN111283544B - 一种磁流变进动抛光工具和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种磁流变进动抛光工具和装置，包括主轴和抛光组件，抛光组件套设于主轴上，抛光组件包括抛光轴和与抛光轴一端连接的工具头，抛光组件还包括主轴电机，主轴电机用于驱动抛光轴独立于主轴旋转，磁铁设置于工具头的内腔中并固定于主轴的末端。将磁流变抛光工具结合AB摆组件，有效解决了由于抛光工具运动方式单一而存在加工中频误差残留较明显且运动柔性偏低等问题。

Description

一种磁流变进动抛光工具和装置

技术领域

本发明涉及抛光加工的技术领域，并且特别涉及一种磁流变进动抛光工具和装置。

背景技术

磁流变抛光技术具有加工面形精度高、表面粗糙度低、表面损伤小等诸多优点，多用于加工精度高或难度高的超精密领域，在光学加工领域应用广泛。W.I.Kordonski等学者最先将磁流变抛光技术应用于光学元器件的加工领域。磁流变抛光方法与传统抛光方法的最大区别在于游离磨料在加入磁性材料后形成了Bingham流体，在磁场的作用下，磁流变液中的磁性颗粒就会沿着磁场分布线形成“缎带”磨粒流，磨料附着于表面，从而利用剪切力实现工件表面材料的柔性去除。磁流变的抛光效果受到多种参数的影响，例如磁场强度、工作间隙等，在加工过程中可以通过调整参数提高抛光效率和质量。虽然磁流变抛光技术可以满足大部分的超精密加工需求，但是仍存在一些局限性，因此，为了满足越来越严苛的生产需求，磁流变抛光技术有一些新的发展趋势，例如采用复合加工的方式，结合其他加工技术的优势来达到更高效更高质量的超精密加工。

AB摆进动控制技术由英国伦敦大学院的D.D.Walker首先提出，目前常用于气囊抛光技术，AB摆的结构有利于控制工具头进行“四步式”进动加工，理论上可消除工具的材料去除盲区。目前，英国伦敦大学学院、厦门大学、中物院、哈尔滨工业大学等对气囊抛光技术的运动模型、材料去除机理和静动态去除函数、进动控制策略等进行了深入研究，其中，厦门大学证实了分布进动最适宜于大口径光学非球面的保形抛光加工。气囊进动抛光方式有效地抑制了光学非球面的中频误差，但是抛光工具易磨损，存在加工精度的局限性，同时易造成亚表面损伤，故需要寻找以上几个问题的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于针对现有磁流变抛光技术存在的抛光工具头运动方式单一而存在较明显的中频误差残留抑制和加工柔性偏低等问题，提出了一种磁流变进动抛光工具和装置。

一方面，本发明提供的一种磁流变进动抛光工具，包括主轴和抛光组件，抛光组件套设于主轴上，抛光组件包括抛光轴和与抛光轴连接的工具头，抛光组件还包括主轴电机，主轴电机用于驱动抛光轴独立于主轴旋转磁铁设置于工具头的内腔中并固定于主轴的末端。该磁流变进动抛光工具的抛光组件可以独立于主轴和磁铁旋转，磁铁产生的磁场固定存在于靠近工件的工具头一侧，可以保证磁流体形成稳定的抛光区域，获得整体抛光效果更好。

在一些具体实施例中，还包括配重组件，配重组件在自身重力作用下绕主轴形成与抛光组件相对独立的自适应旋转运动。凭借配重组件的结构，使得磁铁始终朝下并位于靠近工件的一侧。

在一些具体实施例中，还包括磁流组件，磁流组件包括供给管和回收管，供给管和回收管分别固定于配重组件的两侧并延伸至工具头靠近工件的一侧。凭借磁流组件的设置，不仅使得磁流组件独立于抛光组件的旋转运动，而且为工具头与工件接触区域提供可循环回收的磁流变液。

在一些具体实施例中，滑动机构包括滑轨和套设于滑轨上的活动横梁，滑轨的一端固定于配重组件上，活动横梁的两端分别与供给管、回收管连接。凭借滑动机构的设置，使得磁流组件与配重组件形成整体可以独立于抛光组件的旋转运动。

在一些具体实施例中，配重组件包括稳向摆和配重块，稳向摆的侧臂为“L”型结构，配重块内设与侧臂相配合的凹槽。通过稳向摆的设置使得配重组件在自身的重力作用下，可独立于抛光组件形成小幅度自适应旋转运动。

在一些具体实施例中，磁铁设置于靠近工件一侧。确保磁铁产生的磁场分布于工具头靠近工件的抛光区域。

在一些具体实施例中，磁铁垂直于主轴方向的截面为扇形结构，且扇形结构的圆心角取自90°-180°的范围内。凭借该扇形结构的磁铁设置，在磁流组件的供给管和回收管之间形成利于磁流变液回收的磁场。

在一些具体实施例中，主轴为中空结构且主轴的外壁设置有轴承。凭借轴承的设置，实现配重组件在自身重力作用下绕主轴形成与抛光组件相对独立的自适应旋转运动。

根据本发明的另一方面，提出了一种磁流变抛光装置，包括上述的磁流变进动抛光工具和AB摆组件，AB摆组件包括A轴机构和与A轴机构可回转连接的B轴机构，B轴机构通过连接板与磁流变进动抛光工具固定连接。利用AB摆组件设置的运动控制方式，可以有效地控制磁流变缎带的旋转并抑制加工中频误差。

在一些具体实施例中，A轴机构和B轴机构的轴线夹角设置为45°-90°。通过调整A轴机构和B轴机构的轴线夹角的设置，可满足不同工件表面的加工需求。

本发明的一种磁流变进动抛光工具和装置，通过抛光组件、配重组件、磁流组件构成抛光工具，再结合AB摆组件的设置，实现磁流变抛光技术与进动抛光技术的结合，弥补二者的不足，工具头高速旋转可以使材料去除效率明显提升，工具头的尺寸大小可以根据待加工的工件大小进行调整，磁流变技术使用的磁流变液“小磨头”代替了易磨损的气囊头。同时，发挥二者的优势，即磁流变抛光技术提高表面精度、消除亚表面损伤和缎带流易于控制且不产生磨损的优势，以及进动抛光技术有效控制中频误差和提高加工效率的优势。本申请的磁流变进动抛光工具和装置是一种可以高效高质量进行超精密加工的抛光工具。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1a和图1b是根据本发明的一个具体实施例的磁流变进动抛光装置的整体结构示意图；

图2是根据本发明的一个具体实施例的磁流变进动抛光工具的内部结构示意图；

图3是根据本发明的一个具体实施例的磁铁阵列柱体结构示意图；

图4是根据本发明的一个具体实施例的配重组件结构示意图；

图5是根据本发明的一个具体实施例的磁流组件的结构示意图；

图6是根据本发明的一个具体实施例的AB摆的结构连接图；

图7是根据本发明的一个具体实施例的磁流变进动抛光装置的工艺流程图；

图中各编号的含义：1.主轴，2.抛光组件，3.配重组件，4.磁流组件，5.AB摆组件，11.第一轴承，12.第二轴承，13.磁铁，21.主轴电机，22.外壳，23.抛光轴，24.工具头，31.稳向摆，32.配重块，33.滑动机构，41.供给管，42.回收管，43.喷嘴，51.A轴机构，52.第一连接板，53.B轴机构，54.第二连接板，241.磁流变液缎带流，331.滑轨，332.活动横梁，333.轴承翼板，334.活动关节，335.固定吊耳，511.A轴电机,512.固定架，513.连接环。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1a和图1b示出了根据本发明的实施例的磁流变进动抛光装置的整体结构示意图。如图1a和图1b所示，磁流变抛光装置包括主轴1、抛光组件2、配重组件3、磁流组件4和AB摆组件5，抛光组件2套设于主轴1上，抛光组件2连接的配重组件3，磁流组件4固定于配重组件3下方并绕缠于工具头24上。其中，抛光组件2通过轴承套设于主轴1上，抛光组件2从上往下依次连接有主轴电机21，外壳22、抛光轴23和工具头24，工具头24为半球形且上表面与抛光轴23的底部连接，抛光轴23的另一端与主轴电机21连接，主轴电机21驱动抛光轴23带动工具头24旋转，外壳22装在抛光轴23外侧，与主轴1和抛光轴23保持同心，且与主轴电机21的底部中空连接。配重组件3套设在主轴1上，其包括“L”型臂的稳重摆31、安装在稳重摆31底部的配重块32和与稳重摆31正对连接的滑动机构33，稳重摆31的顶端与主轴1连接，另一端与套设在抛光轴23外侧的第二轴承12的外圈连接，配重组件3可根据主轴1相对水平面的不同倾斜角度，利用自身重量自适应地旋转，使得稳重摆31和主轴1所在的平面始终处于垂直于水平面。磁流组件4包括设置在第二轴承12两侧的供给管41和回收管42以及在靠近工件一侧的喷嘴43，磁流变液由泵抽入供给管41，从喷嘴43喷出到工具头24表面，在磁场的作用下，磁流变液中的磁性颗粒就会沿着磁场分布线形成磁流变液缎带流241附着于工具头24的表面，从而利用剪切力实现工件表面材料的柔性去除。形成磁流变液加工过工件后，再经回收管42流回到容器中。AB摆组件5包括A轴机构51和B轴机构53，A轴机构51通过第一连接板52与B轴机构53可旋转连接，B轴机构53通过第二连接板54与抛光组件2中的外壳22固定连接。AB摆组件5利用A、B两个旋转轴，使得磁流变抛光进动工具围绕进动A轴进行旋转，以实现空间角度的控制，抛光组件2自身的旋转则提供了工具头24与工件表面的相对速度，实现材料的去除，依靠各轴之间的联动控制可以实现进动抛光作业。

图2示出了根据本发明的实施例的磁流变进动抛光工具的内部结构示意图。如图2所示，主轴1为中空结构，在其外侧设置有第一轴承11和第二轴承12，在其内腔中设置有与磁铁13连接的线路。磁铁13与主轴1的末端固定连接并与主轴1中的线路连接，放入工具头24的内腔中，稳向摆31的两端套设于主轴1的顶端和第二轴承12的为外圈，稳向摆31与第二轴承12的末端固定连接的滑轨331、滑轨331上套设有活动横梁332，在第二轴承12两侧边沿设置有用于固定供给管41和回收管42的轴承翼板333。凭借滑轨331、活动横梁332和轴承翼板33的设置，供给管41和回收管42分别固定于轴承翼板333上并延伸至工具头24表面，供给管41和回收管42末端连接喷嘴43。使得喷头43可根据主轴1的倾斜方向自适应地调整与工件表面的相对位置，保证喷头43始终朝工件向下布置。

在一些具体的实施例中，磁流变液由泵抽入供给管41，从喷嘴43喷出到工具头24表面形成磁流变缎带流241对工件进行柔性抛光，磁流变液加工过后，再经回收管42流回到容器中。

在一些具体的实施例中，第一轴承11用于连接主轴1和主轴电机21，主轴电机21驱动抛光轴23带动工具头24独立于主轴1旋转，通过对主轴电机21转速的控制从而调整工具头24对工件的抛光速率。

在一些具体的实施例中，将磁流变进动抛光工具与待加工工件安装在带有AB摆结构的机床上，在A轴和B轴与机床其他各轴的联动控制下，实现对工件表面不同角度和曲率区域的进动抛光加工。主轴1中部连接抛光组件2，配重组件3一端与主轴1的顶端连接另一端与第二轴承12连接，主轴1末端连接磁铁13，抛光组件2、配重组件3相对于主轴1、磁铁13的旋转运动是相对独立的，配重组件3利用自身重力绕主轴1形成的小幅度的自适应旋转运动相对抛光组件2在主轴电机21驱动下的旋转也是相互独立的，配重组件3使磁铁13始终处于靠近工件的方向。磁流变液由供给管41经喷嘴43喷出至工具头24的表面，工具头24在内部的磁铁13的磁场力的作用下，分布在工具头24表面和工件的间隙之间的磁流变液聚结成缎带结构，形成磁流变液缎带流241。主轴电机21驱动抛光轴23并带动工具头24旋转，使附着在半球形工具头24表面的磁流变液缎带流241相对工件有切向运动的趋势，可以产生剪切力来去除多余材料，加工过后的磁流变液在泵的作用下流入回收管42。

图3示出了根据本发明的一个具体实施例的磁铁阵列柱体结构示意图。如图示3所示，磁铁13设置为与主轴1同轴的阵列柱体结构，且垂直于主轴1方向的截面为具有90°-180°夹角的扇形结构。将开关打开，磁铁13与线路通电连接，在电流的作用下，磁铁13产生磁场，由于磁铁设置为阵列柱体和扇形结构，使得产生的磁场只覆盖于工具头24的下半边。磁铁13可为电磁铁，可替代的，也可以是永磁体，即满足在电流的环境下可产生稳定可控的磁场即可。在具体实施例中，磁场的强度可根据加工需求进行调整。磁流变液在不受到磁场作用的情况下，以Bingham流体的形式存在，易于流动，可以在自身重力和磁场的作用下流向工具头24与工件之间，沿垂直于工具头24表面的磁场线方向形成磁流变缎带流，从而用于抛光工件。

在一些具体的实施例中，在磁铁13和配重组件3在自身重力的作用下，磁铁13始终处于靠近工件的一侧且磁铁13上的开口始终背对工件朝上。

图4示出了根据本发明的一个具体实施例的配重组件结构示意图。如图4所示，稳向摆31的侧臂为“L”型结构，“L”型臂的两端分别延伸出两个连接套，第二轴承12外圈的连接套外围上固定连接有滑轨331，配重块32内设有与“L”型臂配合的凹槽，配重块32可以根据加工需求进行调整质量。

在一些具体的实施例中，滑动机构33的滑轨331与第二轴承12外圈的连接套固定连接，当第二轴承12的宽度大于连接套的宽度时，滑轨331也可与第二轴承的外圈连接。配重组件3与主轴1和套设在主轴1上的第二轴承12连接，在AB摆组件5的调控下，工具头24根据工件表面的曲径进行不同角度的倾斜，与此同时，配重组件3利用自身的重力使得工具头24内部的磁铁13阵列始终位于靠近工件的一侧，且磁铁13的开口方向始终背对工件朝上，同时磁流组件4中的喷嘴43始终向下布置。

在一些具体的实施例中，稳重摆31的“L”型臂的两端延伸出与主轴1和第二轴承12相配合的连接套，凭借连接套的设置，使得配重组件3在自身重力下，可独立于抛光组件2小幅度自适应旋转。

图5示出了根据本发明的一个具体实施例的磁流组件的结构示意图。如图5所示，磁流组件4的供给管41和回收管42分别固定于轴承翼板333上且向下延伸至工具头24，活动横梁332的两端分别卡合于供给管41和回收管42上。在供给管41和回收管42靠近底部分别设置有活动关节334配合滑轨331和活动横梁332，用于调整供给管41和回收管42的相对位置和长度。

在一些具体的实施例中，滑轨331和活动横梁332的设置，使磁流组件4与抛光组件2中间形成一定间隙，避免由于抛光组件2的旋转运动导致供给管41和供给管42互相缠绕，影响抛光效果。在滑轨331和活动横梁332的基础上配合活动关节334，促使磁流组件4自适应地根据不同倾角的工具头24调整供给管41和回收管42的相对位置和长度，确保喷嘴43喷出的磁流变液在磁铁13产生磁场范围内，且在工件表面和抛光工具接触的区域产生剪切力，使得工件表面材料被去除。磁流变液由泵抽入供给管41，从喷嘴43喷出到工具头24的表面，磁流变液加工过工件后，再经回收管42流回到容器中。

图6示出了根据本发明的一个具体实施例的AB摆的结构连接图。如图6所示，机床连接的A轴机构51一端与机床固定连接，另一端通过第一连接板52与B轴机构53连接，第二连接板54用于连接B轴机构53和外壳22，A轴机构51从上往下依次包括A轴电机511、用于放置A轴电机511的固定架512和与第一连接板52连接的连接环513，A轴电机51和B轴机构53的轴线夹角为45°-90°，B轴机构53的轴线与抛光轴23的轴线夹角为45°-90°。凭借调整A轴机构51和B轴机构53的轴线夹角的设置，可满足不同工件表面的加工需求。

在一些具体的实施例中，第二连接板54将AB摆组件5整体与抛光组件2中的与主轴1保持同轴的外壳22连接在一起通过控制AB摆组件5的位姿来调整磁流变进动抛光工具相对于工件的角度和距离，便于采用进动抛光的控制模式。

最后参考图7，图7示出了根据本发明的一个具体实施例的磁流变进动抛光装置的工艺流程图。如图7所示，磁流变抛光工艺具体包括以下步骤：

S1：粗磨。先将工件置于研磨装置进行粗磨去除表面裂纹和多余材料。

S2：精磨。对经过粗磨处理后的工件进行裂纹损伤的处理以及提高工件表面的光洁度等工序。

S3：抛光。使用本申请的磁流变抛光装置进一步抛磨工件表面，通过AB摆组件控制磁流变工具进动抛光加工，磁流变液在磁铁产生的磁场作用下形成的“缎带”磨粒流与工件发生柔性接触，提高工件表面精度、消除亚表面损伤，以便获得表面质量更高的工件。此外，缎带流易于控制且不产生磨损的优势并结合进动抛光技术有效控制中频误差和提高加工效率。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (8)

1.一种磁流变进动抛光工具，其特征在于，包括主轴、抛光组件和配重组件，所述抛光组件套设于所述主轴上，所述抛光组件包括抛光轴和与所述抛光轴一端连接的工具头，所述抛光组件还包括主轴电机，所述主轴电机用于驱动所述抛光轴独立于所述主轴旋转，磁铁设置于所述工具头的内腔中并固定于所述主轴的末端，所述配重组件包括稳向摆和配重块，所述稳向摆与所述主轴所在的平面始终垂直于水平面，所述配重组件绕所述主轴形成与所述抛光组件相对独立的自适应旋转运动，使得所述磁铁始终处于靠近工件的方向。

2.根据权利要求1所述的磁流变进动抛光工具，其特征在于，还包括磁流组件，所述磁流组件包括供给管和回收管，所述供给管和所述回收管分别固定于所述配重组件的两侧并延伸至所述工具头靠近工件的一侧。

3.根据权利要求2所述的磁流变进动抛光工具，其特征在于，所述磁流组件还包括滑动机构，所述滑动机构包括滑轨和套设于所述滑轨上的活动横梁，所述滑轨的一端固定于所述配重组件上，所述活动横梁的两端分别与所述供给管、所述回收管连接。

4.根据权利要求1所述的磁流变进动抛光工具，其特征在于，所述稳向摆的侧臂为“L”型结构，所述配重块内设有与所述侧臂相配合的凹槽。

5.根据权利要求1所述的磁流变进动抛光工具，其特征在于，所述磁铁垂直于所述主轴方向的截面为扇形结构，且所述扇形结构的圆心角取自90°-180°的范围内。

6.根据权利要求1所述的磁流变进动抛光工具，其特征在于，所述主轴为中空结构且所述主轴的外壁设置有轴承。

7.一种磁流变进动抛光装置，其特征在于，包括 权利要求1-6中任一项所述的磁流变进动抛光工具和AB摆组件，所述AB摆组件包括A轴机构和与A轴机构可回转连接的B轴机构，所述B轴机构通过连接板与所述磁流变进动抛光工具固定连接。

8.根据权利要求7所述的磁流变进动抛光装置，其特征在于，所述A轴机构和所述B轴机构的轴线夹角设置为45°-90°。

Images