CN113664698B - 一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法 - Google Patents

一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法，抛光装置包括机架、X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组、主轴电机、抛光头、工作台和控制器；X轴运动模组安装在Y轴运动模组上方，Y轴运动模组均安装在机架底板上，主轴电机安装在Z轴运动模组上，抛光头安装在主轴电机的输出端，工作台安装在X轴运动模组上，工作台位于抛光头下方；抛光头包括磁场发生器和预结构化弹性体抛光片；控制器分别与X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组、主轴电机和磁场发生器连接；磁场发生器用于调节预结构化弹性体抛光片对待抛光工件的表面进行抛光时的弹性模量和剪切模量，控制器用于控制磁场发生器的磁场强度。本发明提高了抛光精度。

Description

一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法
技术领域
本发明涉及抛光技术领域，特别是涉及一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法。
背景技术
目前抛光方式主要有手工抛光、机械抛光、振动抛光，其抛光方式主要采用刚性抛光头，但对于具有复杂曲面的抛光较为困难，良品率不高且抛光效率较低。电化学抛光方式由于抛光过程较为复杂，且对操作人员技术要求高，产生较多废气废水、造成严重的污染环境，不符合绿色制造。
磁流变抛光作为一门新兴的柔性抛光技术，因此具有可控的柔性越来越受到抛光行业专家们的青睐，但仍存在较多的不足，其优点主要在于抛光压力受磁场控制。然而，当前对于磁场的控制主要通过控制抛光间隙实现，但由于空气磁阻非常大，磁场衰减得非常快，且抛光过程中很难实时调节抛光间隙，因此抛光后的工件表面很容易出现工件表面材料去除不均匀，存在明显的过抛或者欠抛现象，导致抛光精度低。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法，提高了抛光精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种磁控模量平面抛光装置，包括机架、X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组、主轴电机、抛光头、工作台和控制器；所述机架包括底板和垂直于所述底板所在平面的支架，所述Y轴运动模组设置在所述底板上，所述X轴运动模组安装在所述Y轴运动模组上方，所述X轴运动模组与所述Y轴运动模组十字交叉连接，所述Z轴运动模组安装在所述支架上，所述Z轴运动模组的运动方向垂直于所述底板所在平面，所述主轴电机安装在所述Z轴运动模组上，所述主轴电机的输出轴的轴线与所述Z轴运动模组的运动方向所在直线相互平行，所述抛光头安装在所述主轴电机的输出端，所述工作台安装在所述X轴运动模组上，所述工作台所在平面与所述Z轴运动模组的运动方向垂直，所述工作台位于所述抛光头下方；所述抛光头包括磁场发生器和预结构化弹性体抛光片；所述控制器分别与所述X轴运动模组、所述Y轴运动模组、所述Z轴运动模组、所述主轴电机和所述磁场发生器连接；
所述主轴电机用于为所述抛光头提供旋转速度；所述工作台用于装载待抛光工件；所述磁场发生器用于利用磁场强度调节所述预结构化弹性体抛光片对所述待抛光工件的表面进行抛光时的弹性模量和剪切模量，所述控制器用于控制所述磁场发生器的磁场强度。
可选地，还包括A轴转台，所述A轴转台安装在所述Z轴运动模组上，所述主轴电机通过电机固定座设置在所述A轴转台上，所述A轴转台的转轴与所述Z轴运动模组的运动方向垂直，所述A轴转台与所述控制器连接。
可选地，所述工作台为工件转台，所述工件转台用于所述待抛光工件在水平方向上进行旋转，所述工件转台与所述控制器连接。
可选地，所述抛光头还包括抛光头支架和抛光片固定座，所述抛光头支架内部设置所述磁场发生器，所述抛光头支架的一端连接所述主轴电机的输出端，所述抛光头支架的另一端连接所述抛光片固定座，所述抛光片固定座用于固定所述预结构化弹性体抛光片。
可选地，所述预结构化弹性体抛光片的材料包括硅橡胶、天然橡胶、硅油、羰基铁粉和碳化硅磨粒。
可选地，还包括载液盘和冷却液，所述载液盘设置在所述工作台上，所述载液盘用于盛放所述待抛光工件和所述冷却液。
可选地，所述磁场发生器包括电磁铁和多个方形永磁铁，多个所述方形永磁铁均匀设置在所述电磁铁外侧。
可选地，所述电磁铁包括电磁线圈，所述控制器用于通过控制所述电磁线圈的电流控制所述磁场发生器的磁场强度。
本发明还公开了一种磁控模量平面抛光方法，所述磁控模量平面抛光方法应用所述的磁控模量平面抛光装置，所述磁控模量平面抛光方法包括：
根据待抛光工件表面的粗糙度数据与预设成品工件的粗糙度数据之差确定待抛光工件表面各点的去除量；
根据所述待抛光工件表面的几何尺寸确定抛光头的路径移动轨迹；
根据所述待抛光工件表面各点的去除量确定预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，所述预结构化弹性体抛光片设置在所述抛光头上；
根据所述预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量确定磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度；
按照所述抛光头的路径移动轨迹，根据所述磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度，对所述待抛光工件表面进行抛光。
可选地，所述根据所述待抛光工件表面各点的去除量确定预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，具体包括：
根据所述待抛光工件表面各点的去除量确定所述待抛光工件表面各点的去除率；
根据公式
Figure BDA0003260814550000031
计算预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，E(B)表示弹性模量，G(B)表示剪切模量，γ表示剪切应变，ΔZ表示预结构化弹性体抛光片z轴方向的相对位移，m1表示法向力系数，m2表示切向力系数，K表示加工系数，V表示抛光头的旋转速度，MRR表示去除率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过控制器控制X轴运动模组、Y轴运动模组和Z轴运动模组，使抛光头在主轴电机的带动下在Z轴方向上运动，工作台在X轴和Y轴方向上运动，实现抛光头与工作台在X、Y、Z三个方向上的相对运动，提高了抛光头的灵活运动，并且通过控制器控制磁场发生器利用磁场强度调节预结构化弹性体抛光片对待抛光工件的表面进行抛光时的弹性模量和剪切模量，实现对抛光头上预结构化弹性体抛光片的硬度的控制，从而控制弹性模量和剪切模量，从而提高了抛光精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种磁控模量平面抛光装置结构示意图；
图2为本发明抛光头正面示意图；
图3为本发明抛光头侧面示意图；
图4为本发明一种磁控模量平面抛光方法流程示意图；
符号说明：
1-Z轴运动模组、2-A轴转台、3-工作台、4-机架、5-X轴运动模组、6-Y轴运动模组、7-主轴电机、8-电机固定座、9-抛光头、10-载液盘、11-抛光头支架、12-电磁铁、13-方形永磁铁、14-预结构化弹性体抛光片、15-抛光片固定座、16-电磁线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种磁控模量平面抛光装置及抛光方法，提高了抛光精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种磁控模量平面抛光装置结构示意图，如图1所示，一种磁控模量平面抛光装置，包括机架4、X轴运动模组5、Y轴运动模组6、Z轴运动模组1、主轴电机7、抛光头9、工作台3和控制器(图1中未示出)；机架4包括底板和垂直于底板所在平面的支架，支架与底板固定连接，Y轴运动模组6设置在底板上，X轴运动模组5安装在Y轴运动模组6上方，X轴运动模组5与Y轴运动模组6十字交叉连接，Z轴运动模组1安装在机架4的支架上，Z轴运动模组1的运动方向分别与X轴运动模组5的运动方向和Y轴运动模组6的运动方向垂直，主轴电机7安装在Z轴运动模组1上，主轴电机7的输出轴的轴线与Z轴运动模组1的运动方向所在直线相互平行，抛光头9安装在主轴电机7的输出端，工作台3安装在X轴运动模组5上，工作台3所在平面与Z轴运动模组1的运动方向垂直，工作台3位于抛光头9下方；抛光头9包括磁场发生器和预结构化弹性体抛光片14；控制器分别与X轴运动模组5、Y轴运动模组6、Z轴运动模组1、主轴电机7和磁场发生器连接。
Y轴运动模组6带动X轴运动模组5在Y轴方向上运动，X轴运动模组5带动工件转台在X轴方向上运动，Z轴运动模组1带动主轴电机7在Z轴方向上运动。X轴运动模组5、Y轴运动模组6、Z轴运动模组1均为同款运动模组。
机架4的支架包括第一金属杆、第二金属杆、第三金属杆和第四金属杆，第一金属杆和第二金属杆相互平行，第三金属杆和第四金属杆均用于连接第一金属杆和第二金属杆，第三金属杆的一端连接第一金属杆，第三金属杆的另一端连接第二金属杆，第四金属杆的一端连接第一金属杆，第四金属杆的另一端连接第二金属杆，第三金属杆和第四金属杆相互平行，第一金属杆和第三金属杆相互垂直，第一金属杆和第二金属杆与机架4的底板垂直连接。Z轴运动模组1与第三金属杆和第四金属杆固定连接。
主轴电机7用于为抛光头9提供旋转速度，提供抛光动力；工作台3用于装载待抛光工件；磁场发生器用于利用磁场强度调节预结构化弹性体抛光片14对待抛光工件的表面进行抛光时的弹性模量和剪切模量，控制器用于控制磁场发生器的磁场强度。
一种磁控模量平面抛光装置还包括A轴转台2，A轴转台2安装在Z轴运动模组1上，主轴电机7通过电机固定座8设置在A轴转台2上，A轴转台2的转轴与Z轴运动模组1的运动方向垂直，A轴转台2与控制器连接。A轴转台2安装在Z轴运动模组1连接板上。A轴转台2用于调整抛光头9与待抛光工件的接触姿态。
工作台3为工件转台，工件转台用于待抛光工件在水平方向上进行旋转，工件转台与控制器连接。
Z轴运动模组1用于实现抛光头9在Z轴方向的运动。X轴运动模组5用于实现待抛光工件X轴方向的运动，Y轴运动模组6用于实现待抛光工件Y轴方向的运动。
抛光头9还包括抛光头支架11和抛光片固定座15，抛光头支架11内部设置磁场发生器，抛光头支架11的一端连接主轴电机7的输出端，抛光头支架11的另一端连接抛光片固定座15，抛光片固定座15用于固定预结构化弹性体抛光片14。
预结构化弹性体抛光片14的材料包括硅橡胶、天然橡胶、硅油、羰基铁粉和碳化硅磨粒，预结构化弹性体抛光片14为硅橡胶、天然橡胶、硅油、羰基铁粉和碳化硅磨粒组成的混合物，且预结构化弹性体抛光片14表面嵌有磨粒，实现抛光功能。
一种磁控模量平面抛光装置还包括载液盘10和冷却液，载液盘10设置在工件转台上，载液盘10用于盛放待抛光工件和冷却液。
磁场发生器包括电磁铁12和多个方形永磁铁13，多个方形永磁铁13均匀设置在电磁铁12外侧。
电磁铁12包括电磁线圈16，控制器用于通过控制电磁线圈16的电流控制磁场发生器的磁场强度。
本发明一种磁控模量平面抛光装置通过控制磁场发生器的磁场强度控制预结构化弹性体抛光片14对待抛光工件的表面进行抛光时的弹性模量和剪切模量的具体应用原理如下：
根据待抛光工件表面的粗糙度数据与预设成品工件的粗糙度数据之差确定待抛光工件表面各点的去除量。
根据待抛光工件表面各点的去除量确定待抛光工件表面各点的去除率。
根据公式
Figure BDA0003260814550000061
计算预结构化弹性体抛光片14在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，E(B)表示弹性模量，G(B)表示剪切模量，γ表示剪切应变，ΔZ表示预结构化弹性体抛光片14在z轴方向的相对位移，ΔZ即为预挤压深度，m1表示法向力系数，m2表示切向力系数，K表示加工系数，V表示抛光头9的旋转速度，MRR表示去除率。
E(B)具体表示弹性模量E与磁场强度B的函数关系，弹性模量E与磁场强度B的函数关系曲线通过流变仪测量的实验数据进行拟合得到。
G(B)具体表示剪切模量G与磁场强度B的函数关系，剪切模量G与磁场强度B的函数关系曲线通过流变仪测量的实验数据进行拟合得到。
计算预结构化弹性体抛光片14在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量即为计算预结构化弹性体抛光片14在待抛光工件表面各点(各坐标点)的磁场强度B。
针对工件表面各坐标点的磁场强度，根据公式
Figure BDA0003260814550000071
利用各坐标点的磁场强度、线圈匝数、通电线圈长度计算得到各坐标点所需的电流值。其中，μ0为常数，I为流经导线(线圈)的电流，N为线圈匝数，L为通电线圈的长度。
图4为本发明一种磁控模量平面抛光方法流程示意图，如图4所示，一种磁控模量平面抛光方法包括如下步骤：
步骤101：根据待抛光工件表面的粗糙度数据与预设成品工件的粗糙度数据之差确定待抛光工件表面各点的去除量。
步骤102：根据待抛光工件表面的几何尺寸确定抛光头的路径移动轨迹。
抛光头的路径移动轨迹包括沿着待抛光工件表面蛇形扫描式移动。
设定预结构化弹性体抛光片与平面工件(待抛光工件)的预挤压深度为0.5mm，抛光头旋转速度为600～800rad/min。
步骤103：根据待抛光工件表面各点的去除量确定预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，预结构化弹性体抛光片设置在抛光头上。
其中，步骤103具体包括：
根据待抛光工件表面各点的去除量确定待抛光工件表面各点的去除率。
去除率＝去除量/抛光时间，去除率的单位为mg/分钟。
根据公式
Figure BDA0003260814550000081
计算预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，E(B)表示弹性模量，G(B)表示剪切模量，γ表示剪切应变，ΔZ表示预结构化弹性体抛光片z轴方向的相对位移，ΔZ即为预挤压深度，m1表示法向力系数，m2表示切向力系数，K表示加工系数，V表示抛光头的旋转速度，MRR表示去除率。
E(B)具体表示弹性模量E与磁场强度B的函数关系，弹性模量E与磁场强度B的函数关系曲线通过流变仪测量的实验数据进行拟合得到。
G(B)具体表示剪切模量G与磁场强度B的函数关系，剪切模量G与磁场强度B的函数关系曲线通过流变仪测量的实验数据进行拟合得到。
计算预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量即为计算预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点(各坐标点)的磁场强度B。
针对工件表面各坐标点的磁场强度，根据公式
Figure BDA0003260814550000082
利用各坐标点的磁场强度、线圈匝数、通电线圈长度计算得到各坐标点所需的电流值。其中，μ0为常数，I为流经导线(线圈)的电流，N为线圈匝数，L为通电线圈的长度。
步骤104：根据预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量确定磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度。
步骤105：按照抛光头的路径移动轨迹，根据磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度，对待抛光工件表面进行抛光。
其中，步骤105具体包括：通过控制器按照抛光头的路径移动轨迹控制X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组、A轴转台和工件转台联动实现抛光头相对工作台的移动，同时，通过控制器控制磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度，对待抛光工件表面进行抛光，提高了抛光精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种磁控模量平面抛光装置，其特征在于，包括机架、X轴运动模组、Y轴运动模组、Z轴运动模组、主轴电机、抛光头、工作台和控制器；所述机架包括底板和垂直于所述底板所在平面的支架，所述Y轴运动模组设置在所述底板上，所述X轴运动模组安装在所述Y轴运动模组上方，所述X轴运动模组与所述Y轴运动模组十字交叉连接，所述Z轴运动模组安装在所述支架上，所述Z轴运动模组的运动方向垂直于所述底板所在平面，所述主轴电机安装在所述Z轴运动模组上，所述主轴电机的输出轴的轴线与所述Z轴运动模组的运动方向所在直线相互平行，所述抛光头安装在所述主轴电机的输出端，所述工作台安装在所述X轴运动模组上，所述工作台所在平面与所述Z轴运动模组的运动方向垂直，所述工作台位于所述抛光头下方；所述抛光头包括磁场发生器和预结构化弹性体抛光片；所述控制器分别与所述X轴运动模组、所述Y轴运动模组、所述Z轴运动模组、所述主轴电机和所述磁场发生器连接；
所述主轴电机用于为所述抛光头提供旋转速度；所述工作台用于装载待抛光工件；所述磁场发生器用于利用磁场强度调节所述预结构化弹性体抛光片对所述待抛光工件的表面进行抛光时的弹性模量和剪切模量，所述控制器用于控制所述磁场发生器的磁场强度；
所述磁控模量平面抛光装置的抛光方法包括：
根据待抛光工件表面的粗糙度数据与预设成品工件的粗糙度数据之差确定待抛光工件表面各点的去除量；
根据所述待抛光工件表面的几何尺寸确定抛光头的路径移动轨迹；
根据所述待抛光工件表面各点的去除量确定预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，所述预结构化弹性体抛光片设置在所述抛光头上；
根据所述待抛光工件表面各点的去除量确定所述待抛光工件表面各点的去除率；
根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量，E(B)表示弹性模量，G(B)表示剪切模量，γ表示剪切应变，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示预结构化弹性体抛光片z轴方向的相对位移，m 1表示法向力系数，m 2表示切向力系数，K表示加工系数，V表示抛光头的旋转速度，MRR表示去除率；
根据所述预结构化弹性体抛光片在待抛光工件表面各点的弹性模量和剪切模量确定磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度；
按照所述抛光头的路径移动轨迹，根据所述磁场发生器在待抛光工件表面各点的磁场强度，对所述待抛光工件表面进行抛光。
2.根据权利要求1所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，还包括A轴转台，所述A轴转台安装在所述Z轴运动模组上，所述主轴电机通过电机固定座设置在所述A轴转台上，所述A轴转台的转轴与所述Z轴运动模组的运动方向垂直，所述A轴转台与所述控制器连接。
3.根据权利要求1所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，所述工作台为工件转台，所述工件转台用于所述待抛光工件在水平方向上进行旋转，所述工件转台与所述控制器连接。
4.根据权利要求1所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，所述抛光头还包括抛光头支架和抛光片固定座，所述抛光头支架内部设置所述磁场发生器，所述抛光头支架的一端连接所述主轴电机的输出端，所述抛光头支架的另一端连接所述抛光片固定座，所述抛光片固定座用于固定所述预结构化弹性体抛光片。
5.根据权利要求1所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，所述预结构化弹性体抛光片的材料包括硅橡胶、天然橡胶、硅油、羰基铁粉和碳化硅磨粒。
6.根据权利要求1所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，还包括载液盘和冷却液，所述载液盘设置在所述工作台上，所述载液盘用于盛放所述待抛光工件和所述冷却液。
7.根据权利要求1所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，所述磁场发生器包括电磁铁和多个方形永磁铁，多个所述方形永磁铁均匀设置在所述电磁铁外侧。
8.根据权利要求7所述的磁控模量平面抛光装置，其特征在于，所述电磁铁包括电磁线圈，所述控制器用于通过控制所述电磁线圈的电流控制所述磁场发生器的磁场强度。
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