CN112497023B - 一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置及抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置及抛光方法，通过在抛光气囊基座的一端固定有抛光气囊，抛光气囊基座端部与抛光气囊之间形成气压腔室，抛光气囊腔壁内通过气压调节和磁场调节使得抛光气囊有一定的柔性，保证抛光气囊同待抛光工件表面接触时变形，从而达到抛光气囊和工件面型相吻合，避免将抛光气囊面型误差复制到待抛光工件表面；同时通过气压和磁场调控使抛光气囊具有足够高的刚度和硬度来保证工件的材料去除率，通过磁场调控抛光气囊内部非磁性磨粒位姿分布以及磨具与工件接触区域内应力分布和游离磨粒运动状态，实现整合固结磨粒和游离磨粒的半固结磨料抛光，优化了固结磨料抛光过程中工件亚表面损伤较严重和游离磨料抛光过程中抛光效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于工件抛光技术领域，具体涉及一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置及抛光方法。
背景技术
超精密复杂曲面零件在光学、电子、能源、生物等高端工程领域不可或缺，其制造材料绝大部分是难加工材料，加工效率较为低下，且在超精密抛光过程中表面和亚表面损伤难于控制，“高效”和“低损”难以同时满足的矛盾也是一直以来超精密加工领域的瓶颈问题，常规方法难以满足复杂曲面零件超精密制造过程对加工效率和加工质量的复合需求。自20世纪90年代起，出现了包括小磨头数控抛光、气囊抛光、应力盘抛光、离子束抛光等一系列面向复杂曲面零件加工的超精密加工工艺，其中气囊抛光技术因其工艺过程灵活、抛光质量高、加工成本低廉等特点被广泛使用。气囊抛光过程中弹性气囊与待加工工件表面直接接触，气囊气压与气囊材料本身力学性能对磨具与工件间接触区域内的磨料运动状态产生直接影响，进而对工件抛光过程的材料去除效率与表面抛光质量产生影响。本发明提出一种基于磁流变弹性体材料的柔性接触气囊抛光装置及方法，利用磁流变弹性体材料在磁场响应下刚度可控、可逆的性能特点调控磨具与工件间接触区域内应力分布与磨粒运动状态，以实现复杂曲面零件高效、低损的超精密加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置及抛光方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，包括刀柄转轴、磁控装置以及固定于刀柄转轴端部的抛光气囊基座，抛光气囊基座的一端固定有抛光气囊，抛光气囊基座端部与抛光气囊之间形成气压腔室，抛光气囊材料为磨粒复合磁流变弹性体材料，抛光气囊基座上设有连通气压腔室和气源的气流通道；磁控装置包括第一电磁铁和第二电磁铁，第一电磁铁设置于气压腔室内，第二电磁铁设置于用于放置待抛光工件的工作台上。
进一步的，抛光气囊与抛光气囊基座之间通过螺纹固定圈密封连接，在抛光气囊基座一端设置外螺纹，螺纹固定圈与抛光气囊基座通过螺纹连接，抛光气囊上端设有压紧部，抛光气囊上端的压紧部夹持于螺纹固定圈与抛光气囊基座之间，完成气密连接。
进一步的，刀柄转轴外圈套设有套筒，套筒上端开设有连接于气源的进气孔，套筒内壁开设连通进气孔的出气孔，刀柄转轴上设有轴向通气孔，刀柄转轴的轴向通气孔一端与抛光气囊基座上的气流通道连通，刀柄转轴侧壁设有连通轴向通气孔的径向通气孔，刀柄转轴上的径向通气孔能够与套筒的出气孔连通。
进一步的，刀柄转轴能够相对套筒转动，刀柄转轴侧壁沿周向开设有通气槽，套筒与刀柄转轴通过密封垫密封，套筒上的出气孔位于通气槽内。
进一步的，刀柄转轴上的径向通气孔与套筒的出气孔同轴时连通。
进一步的，套筒上端的进气孔通过导气管连接有气泵，导气管上设有开关阀，刀柄转轴上安装有轴承座，刀柄转轴与轴承座之间安装有轴承。
一种基于磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置的抛光方法，包括以下步骤：
包括以下步骤：
s1)、将抛光气囊安装在抛光设备主轴上；
s2)、通过调整抛光气囊内部气压改变气囊与工件间接触区域特征实现复杂曲面随型贴合，主轴带动抛光气囊高速旋转完成抛光过程。
抛光开始时根据工件曲面特征调整抛光气囊内部气压，使抛光气囊与工件表面随型贴合；抛光过程中根据抛光效率与质量需求，调整气囊气压与工作磁场强度以调控气囊与工件接触区域应力分布。
抛光气囊高速旋转驱动气囊与工件接触区域内气囊基体材料所把持的固结磨料，以及通过磨削液补充进入工作区域的游离磨料，通过滚动、挤压、滑擦等磨削行为完成抛光，抛光过程中，通过调整抛光气囊工作磁场，使抛光气囊材料通过改变弹性模量调控气囊与工件接触特征及磨料运动状态，进而调控抛光质量与抛光效率。
进一步的，根据待抛光工件的面型特征，调整抛光气囊气压使气囊与工件接触区域充分随型贴合；开动主轴使抛光气囊开始工作，实现对待抛光工件的初始加工；抛光过程中根据抛光效率与质量需求，调整气囊气压以调控气囊与工件间接触区域应力分布。
进一步的，通过抛光气囊基体材料内铁磁性颗粒的磁控响应特征，使抛光气囊的刚度在磁场作用下可变、可控。
进一步的，通过在抛光气囊基体内部把持的固结磨粒，以及磨削液带入的游离磨粒，利用抛光气囊和待抛光工件间的相对运驱动抛光气囊基体内的非磁性磨粒与游离磨粒在待抛光工件表面滚动、挤压、刮擦，从而完成抛光过程。
进一步的，抛光过程中，气囊基体材料内把持的非磁性磨粒在抛光过程中由于把持力不足等因素从固结磨粒转变为游离磨粒继续参与抛光，且部分游离磨粒在抛光过程中亦会被重新压入气囊基体材料成为固结磨粒参与抛光，而固结磨粒与游离磨粒对抛光效率与抛光质量的影响并不相同。因此通过改变磁场强度可以调控气囊基体材料刚度及其对基体内非磁性磨粒的把持强度，进而调控抛光过程中固结磨粒与游离磨粒互相转化的动态平衡过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，采用刀柄转轴、磁控装置以及固定于刀柄转轴端部的抛光气囊基座形成柔性抛光装置，在抛光气囊基座的一端固定有抛光气囊，抛光气囊基座端部与抛光气囊之间形成气压腔室，橡胶基抛光气囊与抛光气囊基座之间通过螺纹固定圈及垫片用螺纹连接，抛光气囊基座上设有连通气压腔室和气源的气流通道；磁控装置包括第一电磁铁和第二电磁铁，第一电磁铁设置于气压腔室内，第二电磁铁设置于用于放置待抛光工件的工作台上，通过气压调节和磁场调节改变抛光气囊性能，根据不同工件调节适合加工的参数，适用于工件复杂曲面抛光的环境，通过调节抛光气囊内部气压可以使抛光气囊与待抛光工件面型充分贴合，避免将抛光气囊的面型误差复制到待抛光工件表面，同时通过磁场调控使得抛光气囊有刚度可变可控，进而调控工作区域磨粒运动状态。本发明通过气压和磁场调节气囊与工件间接触区域内应力分布和磨粒运动状态，实现固结磨粒和游离磨粒动态平衡的复合抛光过程，优化了固结磨料抛光过程中工件亚表面损伤较严重和游离磨料抛光过程中抛光效率低的问题。本发明结构简单，可以加工非球面光学玻璃及航空航天领域涡轮叶片等复杂曲面零件，能够提高生产效率，提高工件的表面抛光精度以及实现多规格零件的抛光。
进一步的，由于刀柄转轴侧壁周向通气槽的存在，可以保证气泵输出气压稳定，保证了工作过程中气压腔室气压稳定性。
进一步的，采用通孔内设有锯齿槽的锁合连接头，当导气管进入锁合连接头的通孔内部后向内挤压锯齿，使导气管锁死，在通入气压使提高了锁紧度，保证气密性，结构简单，安装方便。
本发明一种基于磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置的抛光方法，通过将抛光气囊安装在抛光设备主轴上，调整抛光气囊气压腔室内部气压和磁场强度，使抛光气囊各项参数满足待抛光工件加工要求，通过抛光气囊与待抛光工件的相对运动完成抛光过程，本发明方法简单，可控性强，能够提高生产效率，提高工件的表面抛光精度以及实现多规格零件的抛光。
附图说明
图1为本发明实施例中结构示意图。
图2为本发明实施例中抛光气囊结构示意图。
图3为本发明实施例中抛光气囊结构示意图。
图4为本发明实施例中锁合连接头安装结构示意图。
其中，1、刀柄转轴；2、轴承；3、轴承座；4、套筒；5、抛光气囊基座；6、螺纹固定圈；7、抛光气囊；8、工件；9、工作台；10、第二电磁铁；11、垫片；12、第一电磁铁；13、导气管；14、气泵；15、开关阀；16、锁合连接头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，包括刀柄转轴1、磁控装置以及固定于刀柄转轴1端部的抛光气囊基座5，抛光气囊基座5的一端固定有抛光气囊7，抛光气囊基座5端部与抛光气囊7之间形成气压腔室，抛光气囊7采用磨粒复合磁流变弹性体材料制备而成，抛光气囊基座5上设有连通气压腔室和气源的气流通道；磁控装置包括第一电磁铁12和第二电磁铁10，第一电磁铁12设置于气压腔室内，第二电磁铁10设置于工作台9上，工作台9上用于放置待抛光工件8。
磨粒复合磁流变弹性体材料包括铁磁性颗粒和非磁性磨粒，其中铁磁性颗粒为羰基铁粉，非磁性磨粒为金刚石磨粒。
如图2、图3所示，抛光气囊7采用橡胶基体材料制备，抛光气囊7的腔壁内设置有颗粒复合基体，铁磁性颗粒、非磁性磨粒和橡胶基体的质量比为4:8:3。抛光气囊7的弹性模量和阻尼可随磁场变化而变化，抛光气囊7与抛光气囊基座5之间通过螺纹固定圈6连接，在抛光气囊基座5一端设置外螺纹，螺纹固定圈6上端设有内螺纹，螺纹固定圈6与抛光气囊基座5通过螺纹连接，抛光气囊7上端设有压紧部，当螺纹固定圈6与抛光气囊基座5旋合过程中螺纹固定圈6对抛光气囊7的压紧部施加紧固力，螺纹固定圈6与抛光气囊7之间设有垫片11，当旋合完成时，抛光气囊的压紧部被旋紧在螺纹固定圈6及抛光气囊基座5之间。
刀柄转轴1用于与抛光设备主轴固定连接，提供转动扭矩，将待抛光工件放置于工作台9上，将带有抛光气囊7和抛光气囊基座5的刀柄转轴1安装在抛光设备主轴上，利用气泵向气压腔室通入气体，设定气压值使得抛光气囊与待抛光工件面型充分贴合，并通过调节第一电磁铁12和第二电磁铁10改变抛光气囊7内的性能，从而提升抛光工件的表面质量，实现对非球面光学玻璃等复杂曲面零件的加工。
具体的，刀柄转轴1外圈套设有套筒4，套筒4上端开设有进气孔，通过进气孔连接于气源，套筒4内壁开设连通进气孔的出气孔，刀柄转轴1上设有轴向通气孔，刀柄转轴1的轴向通气孔一端与抛光气囊基座5上的气流通道连通，刀柄转轴1侧壁设有连通轴向通气孔的径向通气孔，刀柄转轴1上的径向通气孔能够与套筒4的出气孔连通。
具体的，刀柄转轴1能够相对套筒4转动，刀柄转轴1侧壁沿周向开设有通气槽，套筒4与刀柄转轴1通过密封垫密封，套筒4上的出气孔位于通气槽内，通过套筒4上的进气孔能够持续向气压腔室充气或者放气，提高了调控精度；或者在刀柄转轴1上沿径向开设径向通气孔，刀柄转轴1能够相对套筒4转动时，刀柄转轴1上的径向通气孔与套筒4的出气孔同轴时连通，实现充气或者放气的目的，转动过程中，由于刀柄转轴1侧壁周向通气槽的存在，可以保证气泵输出气压稳定，保证了工作过程中气压腔室气压稳定性。
抛光气囊基座5上的气流通道连通与刀柄转轴1上的径向通气孔同轴，确保连接稳定性。
刀柄转轴1上安装有轴承座3，轴承座3与刀柄转轴1之间设有轴承2，通过轴承座3安装连接刀柄转轴1，确保刀柄转轴1连接稳定性。
套筒4上端的进气孔通过导气管连接有气泵14，导气管13上设有开关阀15，用于控制导入气体的通路和断路。具体的，如图4所示，轴承座3的端部与套筒4的端部接触，轴承座3上开设有与套筒4上端进气孔连通的导气通道，轴承座3上的导气通道进口设置于轴承座3侧壁，轴承座3的导气通道进口处设有锁合连接头16，锁合连接头16的通孔内部设有锯齿槽，导气管13采用软管结构，当导气管进入锁合连接头16的通孔内部后向内挤压锯齿，使导气管锁死，在通入气压使提高了锁紧度，保证气密性，结构简单，安装方便。
一种基于磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置的抛光方法，包括以下步骤：
步骤1)、根据待抛光工件选择抛光液中磨粒粒径大小及含不同配比铁磁性颗粒和非磁性磨粒的抛光气囊，其中铁磁性颗粒为羰基铁粉，非磁性磨粒为金刚石磨粒，将抛光气囊安装在抛光设备主轴上；
步骤2)、通过调整抛光气囊气压腔室内部气压使得抛光气囊与待抛光工件面型充分贴合，通过抛光气囊与待抛光工件的相对运动带动抛光气囊对待抛光工件进行挤压、刮擦完成抛光过程。通过调整抛光气囊工作磁场，使抛光气囊能够通过改变弹性模量和阻尼调控磨具与工件接触区域应力分布及磨粒运动状态，进而调控抛光质量与抛光效率。
具体的，根据待抛光工件的夹持位置及抛光工艺参数，调整抛光气囊7的气压腔室内部气压，使抛光气囊具有一初始刚度；开动机床主轴或机械臂动力开关，使抛光气囊7工作，实现对待抛光工件的初始加工；根据工艺要求调整磁场强度和气压腔室内气压值；当待抛光工件表面质量不满足要求时重复调整磁场强度和气压腔室内气压值直至待抛光工件表面质量满足要求。
具体的，打开通气开关，通过气泵向抛光气囊7的气压腔室内部充气，直至内部气压达到抛光气囊7与待抛光工件接触时，抛光气囊发生变形并使得抛光气囊与待加工工件面型相吻合，同时通过磁控装置调节抛光气囊7附近磁场使得抛光气囊7适应于所要加工工件的刚度要求，使工件表面质量达到工艺设计要求。
下面结合附图对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：
实际使用时通过刀柄转轴1连接在磨床主轴上使刀柄转轴1转动，然后先打开气泵14，再打开开关阀10使抛光气囊的气压腔室内部具有一初始气压，从而使抛光气囊具有一定的抛光性能，然后调节放置于位于工作台的第二电磁铁10与抛光气囊内部的第一电磁铁12的磁场，从而调节抛光气囊内部非磁性磨粒位姿分布以及磨具与工件接触区域内应力分布和游离磨粒运动状态，最终提高抛光质量和抛光效率。通过气压和磁场联合调控可以实现复杂曲面零件的超精密抛光。为了防止在高精度抛光时主轴的震动以及便于气压调节，在刀柄转轴1外部附加套筒4。在抛光气囊内部气压调节时打开气泵14和开关15，气体会沿着套筒4上的进气孔进入气压腔室，因为刀柄转轴1周向通气槽的存在，刀柄转轴1上的径向通气孔与套筒4的出气孔会时刻相连，使得抛光气囊内部气压为设定气压。此外，刀柄转轴1上的径向通气孔和轴向通气孔能够防止抛光气囊震动。本装置与现有的机床或机械臂结合使用，可以实现对非球面光学玻璃及航空航天领域涡轮叶片等复杂曲面零件的抛光，能够提高生产效率，提高工件的表面抛光精度以及实现多规格工件的抛光。
Claims (8)
1.一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，其特征在于，包括刀柄转轴(1)、磁控装置以及固定于刀柄转轴(1)端部的抛光气囊基座(5)，抛光气囊基座(5)的一端固定有抛光气囊(7)，抛光气囊基座(5)端部与抛光气囊(7)之间形成气压腔室，抛光气囊(7)采用磨粒复合磁流变弹性体材料，抛光气囊基座(5)上设有连通气压腔室和气源的气流通道；磁控装置包括第一电磁铁(12)和第二电磁铁(10)，第一电磁铁(12)设置于气压腔室内，第二电磁铁(10)设置于用于放置待抛光工件(8)的工作台(9)上，抛光气囊(7)与抛光气囊基座(5)之间通过螺纹固定圈(6)连接，在抛光气囊基座(5)一端设置外螺纹，螺纹固定圈(6)与抛光气囊基座(5)通过螺纹连接，抛光气囊(7)上端设有压紧部，抛光气囊(7)上端的压紧部夹持于螺纹固定圈(6)与抛光气囊基座(5)之间，刀柄转轴(1)外圈套设有套筒(4)，套筒(4)上端开设有连接于气源的进气孔，套筒(4)内壁开设连通进气孔的出气孔，刀柄转轴(1)上设有轴向通气孔，刀柄转轴(1)的轴向通气孔一端与抛光气囊基座(5)上的气流通道连通，刀柄转轴(1)侧壁设有连通轴向通气孔的径向通气孔，刀柄转轴(1)上的径向通气孔能够与套筒(4)的出气孔连通。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，其特征在于，刀柄转轴(1)能够相对套筒(4)转动，刀柄转轴(1)侧壁沿周向开设有通气槽，套筒(4)与刀柄转轴(1)通过密封垫密封，套筒(4)上的出气孔位于通气槽内。
3.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，其特征在于，刀柄转轴(1)上的径向通气孔与套筒(4)的出气孔同轴时连通。
4.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，其特征在于，套筒(4)上端的进气孔通过导气管(13)连接有气泵(14)，导气管(13)上设有开关阀(15)，刀柄转轴(1)上安装有轴承座(3)，刀柄转轴(1)与轴承座(3)之间安装有轴承(2)。
5.根据权利要求1所述的一种磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置，其特征在于，磨粒复合磁流变弹性体材料包括铁磁性颗粒和非磁性磨粒，其中铁磁性颗粒为羰基铁粉，非磁性磨粒为金刚石磨粒。
6.一种基于权利要求1所述的磁流变弹性体变刚度气囊抛光装置的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1)、将抛光气囊安装在抛光设备主轴上；
s2)、通过调整抛光气囊内部气压改变气囊与工件间接触区域特征实现复杂曲面随型贴合，主轴带动抛光气囊高速旋转完成抛光过程。
7.根据权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，抛光开始时根据工件曲面特征调整抛光气囊内部气压，使抛光气囊与工件表面随型贴合；抛光过程中根据抛光效率与质量需求，调整气囊气压与工作磁场强度以调控气囊与工件接触区域应力分布。
8.根据权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，抛光气囊高速旋转驱动气囊与工件接触区域内气囊基体材料所把持的固结磨料，以及通过磨削液补充进入工作区域的游离磨料，通过滚动、挤压、滑擦等磨削行为完成抛光，抛光过程中，通过调整抛光气囊工作磁场，使抛光气囊材料通过改变弹性模量调控气囊与工件接触特征及磨料运动状态，进而调控抛光质量与抛光效率。
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