CN115415856A - 一种聚焦超声磁流变复合抛光方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚焦超声磁流变复合抛光方法及装置，抛光方法包括以下步骤：A、形成柔性抛光头；B、令工件的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头包裹；C、使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；D、通过超声换能器将超声振动聚焦，在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内；E、保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动，直至工件抛光面的材料被完全去除。本方案提出的一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，解决现有利用超声振动的抛光方法导致的工件表面的材料去除率不高、且容易导致工件表面出现损伤层的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种聚焦超声磁流变复合抛光方法及装置。
背景技术
精密光学、航天航空、集成电路等技术领域所使用的硬脆性材料，均需具有较高的加工精度及较小的表面损伤。超精密加工技术包括超精密切削、超精密磨削和超精密抛光，而超精密抛光作为表面处理的最后一道工序，能够获得理想的形状尺寸精度和表面粗糙度，同时能保证材料只有极少的表面损伤。
目前，世界各地都有开展关于超精密加工技术的讨论，并提出了许多抛光的新方法，例如磁流变抛光、电流变抛光、化学机械抛光、离子束抛光、射流抛光等，但上述抛光方法或多或少都结合了物理化学的技术复合，导致抛光过程十分复杂。进一步地，在磁流变抛光方法中，由于抛光液中的颗粒分布不均匀，因此在抛光盘旋转的离心力作用下，容易使磨料向抛光盘的边缘汇聚，抛光中心附近的磨料相对抛光盘边缘较少，从而导致抛光过程中的磨料浓度不够，材料去除率较低。
在1907年，超声技术开始应用于切削加工，现在基于超声技术的加工方式有镗孔、钻削、磨削、复合加工等应用。除了加工之外，超声还被应用于清洗、超声粉碎、超声灭菌、肿瘤去除、成像等，其原理是根据超声波具有叠加、反射、干涉、方向性、穿透性及可聚焦特性，通过折射或者反射将超声波聚焦到一处从而使能量的聚焦形成一个聚焦区域，在焦点处将会发生一系列的效应，如机械效应、空化效应、热效应。
现有技术中也有利用超声技术进行抛光的方式，而现有利用超声技术的抛光方法主要基于超声振动的原理。在一个现有利用超声技术的抛光方法中，通过超声振子在轴线方向输入轴向振动，并传递到抛光液中，使抛光液中的磨料吸收振动并与超声一样的方向和频率开始振动，从而令振动的磨料对工件表面产生微冲击作用，达到去除工件表面材料的目的。上述利用超声技术的抛光方法虽然在一定程度上可以提升工件表面的材料去除率，但利用上述抛光方法时，容易导致工件表面出现损伤层。在另一个现有利用超声技术的抛光方法中，如公开号为CN1613605A的中国发明专利提出了一种超声磁流变复合抛光装置，其适用于小曲率半径深凹球面光学元件的加工，通过采用小直径中空的回转抛光工具头，在其内部通入混有磨料的磁流变液，并施加一定的磁场，使磁流变液在工具头上形成有一定去除能力的柔性抛光工具，同时，施加超声振动，而实现抛光去除作用。上述方法将磁流变液广泛应用于减振阻尼器中，但由于磁流变具有响应速度快、振幅衰减迅速的特点，在外磁场作用下能够瞬间从液态转变为固态，因此，上述方法容易导致超声的能量难以传递到抛光液中，并不利于工件表面的去除。
发明内容
本发明的目的在于提出一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，解决现有利用超声振动的抛光方法导致的工件表面的材料去除率不高、且容易导致工件表面出现损伤层的技术问题，操作简单，以克服现有技术中的不足之处。
本发明的另一个目的在于提出一种实现上述聚焦超声磁流变复合抛光方法的装置，结构简单合理，安装方便快捷，有利于提升工件表面的材料去除率，且能有效避免工件表面出现损伤层。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，包括以下步骤：
A、向抛光液施加梯度磁场，在梯度磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头；
B、调节工件的设置位置，令工件的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头包裹；
C、使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；
D、通过超声换能器将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内；
E、保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动，直至工件抛光面的材料被完全去除。
优选的，步骤D中，所述超声换能器的超声频率为400～1000KHz。
一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，用于实现上述聚焦超声磁流变复合抛光方法，包括磁流变抛光机构和聚焦超声机构，且所述聚焦超声机构设置有多个；
所述磁流变抛光机构用于向抛光液施加磁场，在磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头；用于调节工件的设置位置，令工件的抛光面始终被柔性抛光头包裹；用于使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；还用于保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动；
所述聚焦超声机构包括超声换能器，所述超声换能器用于将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内。
优选的，所述聚焦超声机构还包括安装支架，所述超声换能器铰接于所述安装支架的顶部，且所述安装支架用于调节所述超声换能器中超声波的传递方向，进而调节超声聚焦区域的形成位置。
优选的，所述安装支架包括支撑座、连接杆、安装座和安装盖，所述连接杆的一端铰接于所述支撑座，所述连接杆的一端铰接于所述安装座，所述安装盖可拆卸地安装于所述安装座，且所述安装座和所述安装盖共同围成用于安装所述超声换能器的安装空间。
优选的，所述磁流变抛光机构包括工作机架、工作台、第一抛光组件和第一支撑组件，所述工作台可左右移动地安装于所述工作机架的下部，所述第一抛光组件可绕自身轴线转动地安装于所述工作台，且多个所述聚焦超声机构间隔安装于所述工作台的顶部，并围绕分布于所述第一抛光组件的周围，所述第一抛光组件用于形成柔性抛光头；所述第一支撑组件位于所述第一抛光组件的上方，所述第一支撑组件包括支撑架和工件盘，所述支撑架安装于所述工作机架的上部，所述工件盘可上下移动地安装于所述支撑架的底部，且所述工件盘可绕自身轴线转动，工件安装于所述工件盘的底部。
优选的，所述第一抛光组件包括抛光盘、永磁铁和抛光盒，所述抛光盘可绕自身轴线转动地镶嵌于所述工作台的顶部，所述永磁铁可上下移动地镶嵌于所述抛光盘，且所述永磁铁的上表面低于所述抛光盘的上表面，所述永磁铁与所述抛光盘同轴，所述抛光盒固定安装于所述抛光盘的顶部，所述抛光盒用于容纳抛光液。
优选的，所述第一抛光组件的轴线与所述工件盘的轴线相互平行，且所述第一抛光组件的转动方向与所述工件盘的转动方向相反；
所述工作台的移动速度为0.35～0.45m/min，所述第一抛光组件的转动速度为30～50r/min，所述工件盘的转动速度为300～400r/min。
优选的，所述磁流变抛光机构包括第二抛光组件、循环输送组件和第二支撑组件，所述循环输送组件用于抛光液在抛光过程中的循环输送，所述第二支撑组件用于安装工件；
所述第二抛光组件包括电磁铁、抛光轮和抛光台，所述电磁铁安装于所述抛光台的顶部，所述抛光轮可绕自身轴线转动地安装于所述电磁铁的顶部，且多个所述聚焦超声机构间隔安装于所述抛光台的顶部，并围绕分布于所述抛光轮的周围；
所述循环输送组件包括通过管路依次相连的搅拌箱、输液泵、喷嘴、回收嘴和回收泵，所述搅拌箱用于储存并搅拌抛光液，所述喷嘴和所述回收嘴分别位于所述抛光轮的两侧，且所述喷嘴用于将抛光液输送至所述抛光轮的轮面，所述回收嘴用于回收位于所述抛光轮轮面的抛光液；
所述第二支撑组件可绕自身轴线转动地设置于所述抛光轮的轮面上方，且所述第二支撑组件相对于所述抛光轮上下移动和往复摆动，工件安装于所述第二支撑组件的底部。
优选的，所述第二支撑组件的转动速度为800～1000r/min，所述抛光轮的转动速度为50～300r/min，所述电磁铁的磁通密度为1600Gs。
本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本方案的聚焦超声磁流变复合抛光方法，令超声换能器在抛光区域形成超声聚焦区域，使抛光液发生空化效应，使抛光液中的磨料受到外力的作用，一方面促进游离磨料对工件的作用力，另一方面增加磨料及抛光液的运动/流动速度，使游离磨料在抛光液中分布得更均匀，同时也使磨料的运动轨迹变得更加复杂，促进了抛光的均匀性及高效性。进一步地，由于在梯度磁场作用下形成的磁性链串结构在一定程度上对运动的磨料形成阻力，可以减弱磨料因吸收过多超声能量而对工件表面造成的损伤。
附图说明
图1是本发明一种聚焦超声磁流变复合抛光方法的聚焦超声原理图。
图2是本发明一种聚焦超声磁流变复合抛光装置中聚焦超声机构的结构示意图。
图3是本发明一种聚焦超声磁流变复合抛光装置中第一实施例的结构示意图。
图4是本发明一种聚焦超声磁流变复合抛光装置中第一实施例的局部结构示意图。
图5是本发明一种聚焦超声磁流变复合抛光装置中第二实施例的结构示意图。
其中：磁流变抛光机构1、工作机架11、工作台12、第一抛光组件13、抛光盘131、永磁铁132、抛光盒133、第一支撑组件14、支撑架141、工件盘142；
第二抛光组件15、电磁铁151、抛光轮152、抛光台153、搅拌箱161、输液泵162、喷嘴163、回收嘴164、回收泵165、第二支撑组件17；
聚焦超声机构2、超声换能器21、安装支架22、支撑座221、连接杆222、安装座223、安装盖224；
柔性抛光头3、工件4、超声聚焦区域5。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本技术方案提供了一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，包括以下步骤：
A、向抛光液施加梯度磁场，在梯度磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头；
B、调节工件的设置位置，令工件的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头包裹；
C、使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；
D、通过超声换能器将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内；
E、保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动，直至工件抛光面的材料被完全去除。
在1942年Lynn提出了超声外科的概念，在1956年Burov首次提出了治疗肿瘤时采用高强度聚焦超声比低强度聚焦超声效果好，上世纪80年代初高强度聚焦超声已经作为肿瘤治疗的重要手段之一，而且在上世纪90年代末国内已经有几家公司成功研制初了高强度聚焦超声肿瘤治疗设备。通过聚焦超声换能器，将超声振动聚焦并以超声波的形式传递出去，在超声聚焦区域将产生很高的热量，对于聚焦区域的组织将因高热而坏死，从而实现了定点抑制肿瘤的目的，这种非接触式的高能聚焦超声相比于一般超声，能够产生更大的能量，经过衰减之后在聚焦区域也将剩余能够用于微型颗粒运动及产生空化泡所需的能量。超声在生物医学上的应用揭示了一种非接触式传递高能超声能量的方法，为超声的应用开拓了一个新的方向。
因此本发明在上述研究的基础上，提出了一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，该方法采用了非接触式超声原理，将超声聚焦在工件和抛光液的交界面处，能够有效地将超声产生的能量传入到抛光液中，并将超声能量用于抛光。
具体地，本方案提出的一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，包括以下步骤：
A、向抛光液施加梯度磁场，在梯度磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头；需要说明的是，本方案的步骤A基于磁流变抛光的工作原理形成，步骤中的抛光液指的是含有一定浓度微细磨料的磁流变液，向其施加可控的梯度磁场，可在梯度磁场作用下使磁流变液产生流变效应，粘度在毫秒级时间内迅速增大，形成柔性抛光头。
B、调节工件的设置位置，令工件的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头包裹，以确保工件的抛光面材料被柔性抛光头有效去除。在梯形磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒形成磁性链串结构，抛光液中的磨料将被磁性链串结构把持住，当工件在柔性抛光头表面运动时，将工件表面与被磁性链串结构把持的磨料接触，而有一些磨料未被完全把持住，将在工件抛光面进行二体摩擦或者三体摩擦，实现对工件抛光面的材料去除。
C、使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；由于磁流变抛光技术是利用磁流变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头与工件之间具有快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除，因此，为了确保工件抛光面有效受到柔性抛光头的剪切力，本方案中令工件产生两种运动，第一是工件绕自身轴线转动，第二是工件相对于柔性抛光头的移动，具体可以为水平移动、摆动等，在此不作限定。
D、通过超声换能器将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内；E、保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动，直至工件抛光面的材料被完全去除。
在聚焦超声的作用下，抛光液会产生空化效应，如图1所示为空化泡形成过程，从空化核，到空化泡长大，之后空化泡收缩最后空化泡溃灭产生微射流、冲击波、生成热等。在空化效应下，抛光过程可分为三种情况：首先是空化效应下的化学反应，抛光液中的水反应生成具有强氧化性的羟基自由基，氧化工件抛光面，从而生成强度较低的氧化层，又降低了氧化层与工件基底间的作用力，从而降低机械去除材料所需的力及力矩的作用。其次是空化效应产生冲击波，这将作用在抛光液的磨料上，使磨料对工件抛光面能够施加更大的压力及切向力，提升抛光面材料的去除率。最后是空化效应下将产生强的微射流直接作用在工件抛光面，对工件抛光面的凸峰具有冲击和微切削作用，能够降低工件抛光面的粗糙度。进一步地，在聚焦超声作用下，抛光液的流动速度和方向将变化得更快，这将有利于抛光液中分散的磨料分布更均匀，能够提升抛光时材料的去除率和降低工件抛光面的粗糙度。
本方案的聚焦超声磁流变复合抛光方法，令超声换能器在抛光区域形成超声聚焦区域，使抛光液发生空化效应，使抛光液中的磨料受到外力的作用，一方面促进游离磨料对工件的作用力，另一方面增加磨料及抛光液的运动/流动速度，使游离磨料在抛光液中分布得更均匀，同时也使磨料的运动轨迹变得更加复杂，促进了抛光的均匀性及高效性。进一步地，由于在梯度磁场作用下形成的磁性链串结构在一定程度上对运动的磨料形成阻力，可以减弱磨料因吸收过多超声能量而对工件表面造成的损伤。
更进一步说明，步骤D中，所述超声换能器的超声频率为400～1000KHz。
在工件与柔性抛光头的相对移动中，可以将柔性抛光头看作一把切削刃，对工件的抛光面材料起到去除作用，在抛光区域施加一个聚焦超声，可以看作增加了切削刃的锋利程度及切削深度。而在本方案中，增加切削刃的锋利程度及切削深度都是通过超声下空化效应引起的，因为增强空化效应，能够增强液体中磨料的运动速度，提升切削力。但超声频率越低，声压越高，空化气泡增加，但是当声压增加到一定程度的时候，因为大量的气泡存在会阻碍声波的传递，降低聚焦区域超声的能量。因此为了确保聚焦的超声能量满足抛光需求，本方案将超声换能器的超声频率优选为400～1000KHz。
一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，用于实现上述聚焦超声磁流变复合抛光方法，包括磁流变抛光机构1和聚焦超声机构2，且所述聚焦超声机构2设置有多个；
所述磁流变抛光机构1用于向抛光液施加磁场，在磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头3；用于调节工件4的设置位置，令工件4的抛光面始终被柔性抛光头3包裹；用于使工件4绕自身轴线转动，并使工件4与柔性抛光头3发生相对移动；还用于保持工件4绕自身轴线转动，并使工件4在两个超声聚焦区域5之间往复移动；
所述聚焦超声机构2包括超声换能器21，所述超声换能器21用于将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件4和柔性抛光头3的交界处形成至少两个超声聚焦区域5，且超声聚焦区域5均位于工件4与柔性抛光头3发生相对移动的范围内。
本技术方案还提出了一种用于实现上述聚焦超声磁流变复合抛光方法的装置，如图2-5所示，包括磁流变抛光机构1和聚焦超声机构2，且聚焦超声机构2设置有多个，便于在抛光区域的理想位置形成所需的超声聚焦区域5。
需要说明的是，本方案中的磁流变抛光机构1可以为磁流变抛光技术领域常用的磁流变抛光装置，在此不作限定。聚焦超声机构2中的超声换能器21为超声技术领域常规的超声换能器21，其主要部分由压电陶瓷和声透镜组成，声透镜用于将压电陶瓷产生的超声波进行聚焦，在此不对超声换能器的具体结构进行描述。
本方案提出的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其结构简单合理，安装方便快捷，便于操作，有利于提升工件表面的材料去除率，且能有效避免工件表面出现损伤层。
更进一步说明，所述聚焦超声机构2还包括安装支架22，所述超声换能器21铰接于所述安装支架22的顶部，且所述安装支架22用于调节所述超声换能器21中超声波的传递方向，进而调节超声聚焦区域5的形成位置。
在本技术方案的一个优选实施例中，如图2所示，超声换能器21通过安装支架22调节其超声波的传递方向，进而调节超声聚焦区域5的形成位置，有利于提升聚焦超声机构2的通用性，使其适用于抛光装置中不同工件的抛光。
更进一步说明，所述安装支架22包括支撑座221、连接杆222、安装座223和安装盖224，所述连接杆222的一端铰接于所述支撑座221，所述连接杆222的一端铰接于所述安装座223，所述安装盖224可拆卸地安装于所述安装座223，且所述安装座223和所述安装盖224共同围成用于安装所述超声换能器21的安装空间。
进一步地，本方案中的安装支架22包括支撑座221、连接杆222、安装座223和安装盖224，其设置有两处铰接点，分别位于支撑座221和连接杆222之间，连接杆222和安装座223之间，可以对超声波的传递方向起到二级调节的作用。更进一步地，安装座223和安装盖224共同围成用于安装超声换能器21的安装空间，且超声换能器21可从安装空间中进行安装和拆卸，便于对其进行维修和更换。
更进一步说明，所述磁流变抛光机构1包括工作机架11、工作台12、第一抛光组件13和第一支撑组件14，所述工作台12可左右移动地安装于所述工作机架11的下部，所述第一抛光组件13可绕自身轴线转动地安装于所述工作台12，且多个所述聚焦超声机构2间隔安装于所述工作台12的顶部，并围绕分布于所述第一抛光组件13的周围，所述第一抛光组件13用于形成柔性抛光头3；所述第一支撑组件14位于所述第一抛光组件13的上方，所述第一支撑组件14包括支撑架141和工件盘142，所述支撑架141安装于所述工作机架11的上部，所述工件盘142可上下移动地安装于所述支撑架141的底部，且所述工件盘142可绕自身轴线转动，工件4安装于所述工件盘142的底部。
在本技术方案的第一实施例中，如图3-4所示，提出了一种用于加工平面工件的磁流变抛光机构1，包括工作机架11、工作台12、第一抛光组件13和第一支撑组件14，由于工作台12可左右移动地安装于工作机架11的下部，因此，在抛光过程中，可以实现工件4相对于柔性抛光头3的水平移动，便于对具有平面抛光面的工件4进行抛光。第一支撑组件14包括支撑架141和工件盘142，工件盘142可上下移动地安装于支撑架141的底部，通过工件盘142位置的上下移动，可以调节工件4的设置位置，便于令工件4的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头3包裹。第一抛光组件13可绕自身轴线转动地安装于工作台12，同时，工件盘142可绕自身轴线转动，有利于工件4的抛光面具有一定的线速度，便于抛光液中磨料的打磨。
更进一步说明，所述第一抛光组件13包括抛光盘131、永磁铁132和抛光盒133，所述抛光盘131可绕自身轴线转动地镶嵌于所述工作台12的顶部，所述永磁铁132可上下移动地镶嵌于所述抛光盘131，且所述永磁铁132的上表面低于所述抛光盘131的上表面，所述永磁铁132与所述抛光盘131同轴，所述抛光盒133固定安装于所述抛光盘131的顶部，所述抛光盒133用于容纳抛光液。
本方案中的第一抛光组件13包括抛光盘131、永磁铁132和抛光盒133，永磁铁132镶嵌于抛光盘131，使其水平方向上的移动受到了抛光盘131的限定，且永磁铁132可相对于抛光盘131上下移动，从而可以根据所需柔性抛光头3的强度对永磁铁132和抛光盒133之间的距离进行调整，进一步提升第一抛光组件13的使用灵活性。
更进一步说明，所述第一抛光组件13的轴线与所述工件盘142的轴线相互平行，且所述第一抛光组件13的转动方向与所述工件盘142的转动方向相反；
所述工作台12的移动速度为0.35～0.45m/min，所述第一抛光组件13的转动速度为30～50r/min，所述工件盘142的转动速度为300～400r/min。
更进一步地，第一抛光组件13的轴线与工件盘142的轴线相互平行，有利于工件4的抛光面具有一定的线速度，本方案还进一步将第一抛光组件13的转动方向与工件盘142的转动方向优选为相反，即当第一抛光组件13顺时针旋转时，工件盘142逆时针旋转，便于使工件4的抛光面具有更大的线速度，从而提升抛光装置的抛光速率。
另外，本方案还将工作台12的移动速度优选为0.35～0.45m/min，在上述移动速度范围内，柔性抛光头3对工件4抛面的剪切作用随着移动速度的增大而增强，但是超过0.45m/min后，剪切作用的大小改变不明显。本方案还将第一抛光组件13的转动速度优选为30～50r/min，工件盘142的转动速度优选为300～400r/min，第一抛光组件13的转动速度较低，可防止离心力过大使抛光液飞溅出来，同时离心力过大也会导致游离的磨料分布在抛光盒133的边缘，从而导致抛光区域的磨料浓度降低，降低抛光效率和抛光质量。
本实施例中，聚焦超声磁流变复合抛光装置的工作过程如下：A、将抛光液放入抛光盒133，通过永磁铁132向抛光液施加梯度磁场，在梯度磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并在抛光盒133形成柔性抛光头3；B、将工件4固定在工件盘142的底部，并使工件盘142相对于支撑架141下降，令工件4的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头3包裹；C、启动工件盘142，使工件4绕自身轴线转动，启动抛光盘131，使抛光盘131绕自身轴线转动，然后工作台12相对于工作机架11沿左右方向往复运动；D、通过安装支架22调节超声换能器21的安装位置，开启超声换能器21，并通过超声换能器21将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件4和柔性抛光头3的交界处形成至少两个超声聚焦区域5，且超声聚焦区域5均位于工件4与柔性抛光头3发生相对移动的范围内；E、保持工件4绕自身轴线转动，通过控制工作台12相对于工作机架11的左右移动，使工件4在两个超声聚焦区域5之间往复移动，直至工件4抛光面的材料被完全去除；抛光完成后，停止工件盘142、抛光盘131和工作台12的运动，关闭超声换能器21，使工件盘142相对于支撑架141上升，从工件盘142取下抛光后的工件4，并回收抛光盒133中的抛光液。
更进一步说明，所述磁流变抛光机构1包括第二抛光组件15、循环输送组件和第二支撑组件17，所述循环输送组件用于抛光液在抛光过程中的循环输送，所述第二支撑组件17用于安装工件4；
所述第二抛光组件15包括电磁铁151、抛光轮152和抛光台153，所述电磁铁151安装于所述抛光台153的顶部，所述抛光轮152可绕自身轴线转动地安装于所述电磁铁151的顶部，且多个所述聚焦超声机构2间隔安装于所述抛光台153的顶部，并围绕分布于所述抛光轮152的周围；
所述循环输送组件包括通过管路依次相连的搅拌箱161、输液泵162、喷嘴163、回收嘴164和回收泵165，所述搅拌箱161用于储存并搅拌抛光液，所述喷嘴163和所述回收嘴164分别位于所述抛光轮152的两侧，且所述喷嘴163用于将抛光液输送至所述抛光轮152的轮面，所述回收嘴164用于回收位于所述抛光轮152轮面的抛光液；
所述第二支撑组件17可绕自身轴线转动地设置于所述抛光轮152的轮面上方，且所述第二支撑组件17相对于所述抛光轮152上下移动和往复摆动，工件4安装于所述第二支撑组件17的底部。
在本技术方案的第二实施例中，如图5所示，提出了一种用于加工曲面工件的磁流变抛光机构1，包括用于辅助形成柔性抛光头3的第二抛光组件15、用于在抛光过程中输送抛光液的循环输送组件和用于安装工件4的第二支撑组件17。
其中，第二抛光组件15包括电磁铁151、抛光轮152和抛光台153，电磁铁151用于提供形成柔性抛光头所需要的梯度磁场，抛光轮152和第二支撑组件17的相对移动用于实现工件4的打磨，抛光台153用于聚焦超声机构2的安装，便于在抛光轮152轮面的柔性抛光头的抛光区域形成超声聚焦区域5。
在该实施例中，第二支撑组件17具有较多的移动路线：第一，第二支撑组件17绕自身轴线的转动，用于提升磨料对工件4的打磨速率；第二，第二支撑组件17相对于抛光轮152的上下移动，用于确保抛光过程中工件4的抛光面始终被柔性抛光头3包裹；第三，第二支撑组件17相对于抛光轮152的往复摆动，用于有效增加工件4与柔性抛光头3的相对移动，从而提升工件4抛光面的材料去除率。
需要说明的是，本方案中的第二支撑组件17为抛光领域常用的可实现相应动作的移动装置，在此不对第二支撑组件17的具体结构作进一步阐述。
另外，本方案循环输送组件包括通过管路依次相连的搅拌箱161、输液泵162、喷嘴163、回收嘴164和回收泵165，其管路用于输送抛光液，搅拌箱161的设置，可在实现抛光液储存的前提下，对箱内的抛光液进行搅拌，以确保抛光液的均匀分散；喷嘴163和回收嘴164分别位于抛光轮152的两侧，以向抛光轮152的轮面输送流动的抛光液。
更进一步说明，所述第二支撑组件17的转动速度为800～1000r/min，所述抛光轮152的转动速度为50～300r/min，所述电磁铁151的磁通密度为1600Gs。
进一步地，本方案还对第二实施例中磁流变抛光机构1的相关参数进行优选。具体地，由于本实施例中的抛光液是通过循环输送组件输送，并利用电磁铁151将抛光液中的磁性颗粒吸附在抛光轮152轮面形成弧形的柔性抛光头3，因此为防止抛光轮152的离心力过大导致抛光液被甩出去，同时避免离心力过大导致柔性抛光头3变形，需要将抛光轮152的转动速度优选为50～300r/min，电磁铁151的磁通密度优选为1600Gs。
本实施例中，聚焦超声磁流变复合抛光装置的工作过程如下：A、启动电磁铁151，使抛光轮152的轮面形成梯度磁场，通过循环输送组件循环地向抛光轮152的轮面输送抛光液，在梯度磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并在抛光轮152的轮面，形成弧形的柔性抛光头3；B、将工件4固定在第二支撑组件17的底部，并使第二支撑组件17相对于抛光轮152下降，令工件4的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头3包裹；C、启动抛光轮152，使抛光轮152转动，启动第二支撑组件17，使工件4相对于抛光轮152往复摆动；D、通过安装支架22调节超声换能器21的安装位置，开启超声换能器21，并通过超声换能器21将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件4和柔性抛光头3的交界处形成至少两个超声聚焦区域5，且超声聚焦区域5均位于工件4与柔性抛光头3发生相对移动的范围内；E、保持工件4绕自身轴线转动，通过控制第二支撑组件17相对于抛光轮152的往复摆动，使工件4在两个超声聚焦区域5之间往复移动，直至工件4抛光面的材料被完全去除；抛光完成后，停止第二支撑组件17和抛光轮152的运动，关闭超声换能器21，使第二支撑组件17相对于抛光轮152上升，从第二支撑组件17取下抛光后的工件4。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、向抛光液施加梯度磁场，在梯度磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头；
B、调节工件的设置位置，令工件的抛光面在抛光过程中始终被柔性抛光头包裹；
C、使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；
D、通过超声换能器将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内；
E、保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动，直至工件抛光面的材料被完全去除。
2.根据权利要求1所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光方法，其特征在于，步骤D中，所述超声换能器的超声频率为400～1000KHz。
3.一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，用于实现权利要求1～2任意一项所述的聚焦超声磁流变复合抛光方法，包括磁流变抛光机构和聚焦超声机构，且所述聚焦超声机构设置有多个；
所述磁流变抛光机构用于向抛光液施加磁场，在磁场作用下，抛光液中的磁性颗粒聚焦并形成柔性抛光头；用于调节工件的设置位置，令工件的抛光面始终被柔性抛光头包裹；用于使工件绕自身轴线转动，并使工件与柔性抛光头发生相对移动；还用于保持工件绕自身轴线转动，并使工件在两个超声聚焦区域之间往复移动；
所述聚焦超声机构包括超声换能器，所述超声换能器用于将超声振动聚焦，然后以超声波的形式向外传递，并在工件和柔性抛光头的交界处形成至少两个超声聚焦区域，且超声聚焦区域均位于工件与柔性抛光头发生相对移动的范围内。
4.根据权利要求3所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述聚焦超声机构还包括安装支架，所述超声换能器铰接于所述安装支架的顶部，且所述安装支架用于调节所述超声换能器中超声波的传递方向，进而调节超声聚焦区域的形成位置。
5.根据权利要求4所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述安装支架包括支撑座、连接杆、安装座和安装盖，所述连接杆的一端铰接于所述支撑座，所述连接杆的一端铰接于所述安装座，所述安装盖可拆卸地安装于所述安装座，且所述安装座和所述安装盖共同围成用于安装所述超声换能器的安装空间。
6.根据权利要求3所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述磁流变抛光机构包括工作机架、工作台、第一抛光组件和第一支撑组件，所述工作台可左右移动地安装于所述工作机架的下部，所述第一抛光组件可绕自身轴线转动地安装于所述工作台，且多个所述聚焦超声机构间隔安装于所述工作台的顶部，并围绕分布于所述第一抛光组件的周围，所述第一抛光组件用于形成柔性抛光头；所述第一支撑组件位于所述第一抛光组件的上方，所述第一支撑组件包括支撑架和工件盘，所述支撑架安装于所述工作机架的上部，所述工件盘可上下移动地安装于所述支撑架的底部，且所述工件盘可绕自身轴线转动，工件安装于所述工件盘的底部。
7.根据权利要求6所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述第一抛光组件包括抛光盘、永磁铁和抛光盒，所述抛光盘可绕自身轴线转动地镶嵌于所述工作台的顶部，所述永磁铁可上下移动地镶嵌于所述抛光盘，且所述永磁铁的上表面低于所述抛光盘的上表面，所述永磁铁与所述抛光盘同轴，所述抛光盒固定安装于所述抛光盘的顶部，所述抛光盒用于容纳抛光液。
8.根据权利要求6所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述第一抛光组件的轴线与所述工件盘的轴线相互平行，且所述第一抛光组件的转动方向与所述工件盘的转动方向相反；
所述工作台的移动速度为0.35～0.45m/min，所述第一抛光组件的转动速度为30～50r/min，所述工件盘的转动速度为300～400r/min。
9.根据权利要求3所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述磁流变抛光机构包括第二抛光组件、循环输送组件和第二支撑组件，所述循环输送组件用于抛光液在抛光过程中的循环输送，所述第二支撑组件用于安装工件；
所述第二抛光组件包括电磁铁、抛光轮和抛光台，所述电磁铁安装于所述抛光台的顶部，所述抛光轮可绕自身轴线转动地安装于所述电磁铁的顶部，且多个所述聚焦超声机构间隔安装于所述抛光台的顶部，并围绕分布于所述抛光轮的周围；
所述循环输送组件包括通过管路依次相连的搅拌箱、输液泵、喷嘴、回收嘴和回收泵，所述搅拌箱用于储存并搅拌抛光液，所述喷嘴和所述回收嘴分别位于所述抛光轮的两侧，且所述喷嘴用于将抛光液输送至所述抛光轮的轮面，所述回收嘴用于回收位于所述抛光轮轮面的抛光液；
所述第二支撑组件可绕自身轴线转动地设置于所述抛光轮的轮面上方，且所述第二支撑组件相对于所述抛光轮上下移动和往复摆动，工件安装于所述第二支撑组件的底部。
10.根据权利要求9所述的一种聚焦超声磁流变复合抛光装置，其特征在于，所述第二支撑组件的转动速度为800～1000r/min，所述抛光轮的转动速度为50～300r/min，所述电磁铁的磁通密度为1600Gs。
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|---|---|---|---|---|
| CN207464836U (zh) * | 2017-11-06 | 2018-06-08 | 广东工业大学 | 一种动态磁场磁流变抛光装置 |
| US20180243877A1 (en) * | 2016-06-08 | 2018-08-30 | Guangdong University Of Technology | Double-face polishing device and method capable of controlling rigidity of polishing pad through cluster dynamic magnetic field |
| CN114918742A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-08-19 | 浙江工业大学 | 基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置及其加工方法 |
-
2022
- 2022-08-31 CN CN202211052789.6A patent/CN115415856B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180243877A1 (en) * | 2016-06-08 | 2018-08-30 | Guangdong University Of Technology | Double-face polishing device and method capable of controlling rigidity of polishing pad through cluster dynamic magnetic field |
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| Title |
|---|
| 胡锦飞: "磁流变—超声波综合技术抛光氧化锆陶瓷的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》, pages 2 * |
| 董敏: "磁流变微结构动压平面抛光试验研究", 《金刚石与磨料磨具工程》, pages 82 - 88 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115415856B (zh) | 2024-01-23 |
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