CN1470360A - 确定性磁射流精整加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种确定性磁射流精整加工方法，其特征在于工件和用于喷射磁流变液使其形成射流之喷嘴置于数控平台上，喷嘴外面设磁场，通过控制工件空间运动的位置以及喷嘴周围磁场的方向和大小，以控制磁流变液的流变特性，从而控制磁流变液粘度和射流角度，使之形成各向异性的液体介质，对工件进行精整加工。本发明装置包括y轴、v轴、x轴、z轴和u轴组成的五坐标数控平台，工件置于y轴上，v轴上方设有喷嘴和与其相连之u轴，喷嘴外面装有可控电磁线圈，z轴与u轴相连，同时与x轴相连。本发明结合射流技术和磁流变液粘度可控特性，通过控制磁流变液射流角度和外磁流变液粘度，可保证抛光模具有理想稳定的去除函数，实现了光学零件的确定量研抛加工。

Description

确定性磁射流精整加工方法及装置

技术领域：

本发明涉及光学零件超精密成型加工技术领域，具体涉及通过磁流变液射流对光学零件表面进行精整加工的方法及由该方法所设计的装置。

背景技术：

上世纪80年代以来，计算机技术融入到光学零件加工中，确定性加工已成为区别现代先进光学制造技术和不可定量、不可重复的经典光学加工的关键所在，并由此发展起了计算机控制光学表面成形技术(简称CCOS技术)，大大推动了光学零件制造技术的发展，特别是大型光学零件的研抛加工，CCOS技术在加工效率方面表现出传统方法无法比拟的优势，有取代手工加工的趋势。随着加工工艺的发展，确定性精整加工技术不仅有传统的沥青抛光技术，还出现了磁流变液等类型的可控柔性精整加工技术。

利用传统的沥青抛光模进行计算机控制精整加工方面还存在许多缺点：首先，不同材料不同形状非球面零件需要采用不同硬度的沥青抛光模，这样才能使抛光模更好地贴合工件表面，获得较好且稳定的单位去除函数，但抛光模的不同制作降低了计算机控制技术的通用性。其次，传统的沥青抛光工序会在工件下表面产生破坏层，这些亚表面损伤将大大影响光学零件的表面质量。此外，传统的沥青抛光技术由于抛光模缺乏柔性，将会使得工件表面发生“翘边”、“塌边”的边缘效应，严重阻碍了面形误差的收敛。同时，沥青抛光模在加工过程中，由于摩擦作用将导致温度上升，从而使表层结构发生变化，力学性能也随之变化，进而影响到去除函数的分布形状，使加工精度难以控制。

上世纪90年代后期，美国Rochester大学提出了磁流变精整加工技术，采用了可控柔性抛光模，能够比较好地解决传统的沥青抛光技术出现的问题，其基本方法是将电磁铁和磁流变液导流圆环放在工件轴下方，导流圆环输送磁流变绕电磁铁转动。当磁流变液转到电磁铁上方时，在磁场作用下形成抛光模，工件安装在工件轴上，从上往下接近抛光模，形成剪切抛光作用。实践证明，在抛光过程中，磁流变液表现出很好的性能，可以得到高精度超光滑的被加工表面。随着目前计算机技术的飞速发展，人们一直试图将磁流变抛光技术推广到大型光学零件加工中来，以真正实现抛光加工的自动化。但由于磁流变液控制原理和实现方法的限制，未能取得满意的结果，大型光学零件的CCOS加工技术一直止步不前。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服目前现有技术的缺陷，提供一种能够对工件进行精整加工，可实现较高的表面质量和形状精度的确定性磁射流精整加工方法及由该方法所设计的装置。

本发明的技术问题是通过下面的技术方案实现的。它包括数控平台，工件和用于喷射磁流变液使其形成射流之喷嘴置于数控平台上，喷嘴外面设磁场，通过控制工件空间运动的位置以及喷嘴周围磁场的方向和大小，以控制磁流变液的流变特性，从而控制磁流变液粘度和射流角度，使之形成各向异性的液体介质，对工件进行精整加工。本发明根据上述方法设计了一装置，它包括y轴、v轴、x轴、z轴和u轴组成五坐标数控平台，可置放工件的v轴设于y轴上，v轴上方设有喷嘴和与其相连之u轴，喷嘴外面装有可控电磁线圈，可作上下移动之z轴与u轴相连，同时与x轴相连。在v轴上，还设有防护罩，该防护罩底部设与回收罐相通的出口，回收罐内安装有搅拌叶片和冷却线圈，磁流变液管一端置于回收罐内，其管路上装有高压隔膜泵，另一端与喷嘴相连。

本发明结合射流技术和磁流变液粘度可控特性，通过控制磁流变液射流角度，可方便加工任意形状和任意大小的光学零件，同时，由于外磁流变液粘度可控，因而可以保证抛光模具有理想稳定的去除函数，可实现确定量研抛加工。本发明所设计的装置能够提供高速度的射流并且射流射出喷口被集束控制，射流的粘度可以调节，大大高于水基射流的粘度；同时，射流相对工件被加工表面的入射角可以调整，在射流中添加磨料射流能够对工件进行确定性的材料去除，系统在计算机控制下能够对工件进行确定性精整加工，可实现较高的表面质量和形状精度。

附图说明：

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明装置喷嘴电磁场仿真图。

具体实施方式：

本发明是通过运用一种“可控制的”射流的基液——磁流变液来实现的。该磁流变液配方为：30％-40％Volume的羰基铁粉，50％-60％Volume的水，4％-8％Volume的磨料，1％-5％Volume的稳定剂。磁流变液是一种具有发展前途和工程应用价值的新兴智能材料。性能良好的磁流变液在磁场的作用下能产生明显的磁流变效应，即在液态和固态之间进行快速可逆的转化，这种转化是在毫秒量级的时间内完成的。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续，无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小，可实现实时主动控制。这是因为在没有外磁场作用时，磁流变液中各颗粒的磁矩随机排列，流体的总磁矩为零，对外并不表现出磁性。在外磁场作用下，磁性颗粒的磁矩排列变得整齐，矢量和不再为零，从而表现出对磁场的敏感性。随着外加场强的增大，磁化强度成正比增加，然后逐步趋于饱和，在磁化强度增加的同时，磁流变液的粘度和屈服应力也大大增强，表现出明显的流变特性，这种特性可以通过链化模型进行描述：外磁场将磁流变液中的磁性颗粒极化成磁偶极子，各个偶极子互相吸引并按序排列，为了处于能量最小状态而在流体内部形成有组织的链状结构。如果外磁场较小，磁链的数量及牢固程度都比较弱，剪断这些磁链所需要的外力并不大；但随着外磁场的不断增强，磁性颗粒结合的紧密程度加大，对外表现的屈服应力逐渐增加。基液在磁链的束缚下流动受阻，宏观上表现为流体的粘度增大。继续提高外场强度，磁性颗粒将达到磁化饱和状态。磁流变液的屈服应力不仅能够随外磁场发生变化，而且这种变化是可逆的。通过控制外场的强弱，可以有效地控制磁流变液的抗剪切能力：磁场越强，磁链越稳定，抗剪切能力越强；当磁场移去之后，磁流变液立即恢复到自由流动状态。

而且，由于磁流变液中的磁性颗粒沿着磁场方向形成颗粒链，从而形成各向异性的液体介质，磁流变液在磁场中的粘度与屈服应力的变化是各向异性的，与磁力线平行的方向变化很小，而与磁力线垂直的方向变化最大。因此，只要控制加载在磁流变液上的磁场的方向与大小，就可以控制磁流变液的粘度。并且，这种控制是可逆的。

本发明根据上述磁流变液特性，设置数控平台，工件和用于喷射磁流变液的喷嘴置于数控平台上，其中待加工工件置于加工平台上，喷嘴位于工件上方，喷嘴里通过与喷嘴轴线平行的可控磁场，通过与计算机相结合的控制系统控制数控平台、磁流变液温度、磁场的方向和大小，就可以使流经喷嘴中的磁流变液形状、位置、速度及其在工件表面的表观粘度改变，磁流变液的抗剪切能力亦改变，使之形成各向异性的液体介质，完成对工件的精整抛光加工，从而实现了本发明的目的。

本发明根据上述方法设计了一装置，如图1所示，它由y轴11、v轴10、x轴2、z轴1和u轴4组成五坐标数控平台。v轴10上可置放待加工工件9，工件9可以为各种材料的光学零件，可以包括：各种玻璃或塑料的光学镜头、陶瓷材料或炭化硅材料光学零件。该光学零件的型面精度和表面粗糙度都有很高的要求，其型面不但可以是球面及各种规则曲面，还可以是非球面工件。v轴10上方设有喷嘴5，磁流变液7可通过与喷嘴5相接的磁液管16从喷嘴5中射出。磁流变液7中可混合一定比例的微粉磨料，如二氧化铈、金刚石微粉或氧化铝等，喷嘴5可采用非铁磁性材料制造，如玻璃、陶瓷和铝等材料，其四周绕有一匝或一匝以上铜线圈组成电磁线圈6。如图2所示，当线圈6通上电流时，在喷嘴5内将产生平行于喷嘴5轴线方向的磁场强度，当磁流变液7流过喷嘴5时候，由于磁场的作用，磁流变液7中的磁性颗粒沿着喷嘴5轴线方向形成颗粒链，因此，在垂直于喷嘴5轴线方向磁流变液7的屈服应力变大，粘度变大，宏观上表现为固体；但是在平行于喷嘴5轴线方向磁流变液7的屈服应力、粘度与电磁线圈6加载磁场以前相比基本没有变化。这种特性使得磁流7液能够自由的喷射出喷嘴5并且其垂直于喷嘴5轴线方向粘度很大，表现为固态。当射流喷出喷嘴5后，空间没有磁场存在，磁流7液的各向异性特性有所衰减，但是垂直喷嘴7轴线方向磁流变液7的粘度依然很大，这就使得射流依然能保持稳定，从而产生的不扩散、平行的磁流变液射流，该稳定的磁流变液射流能够维持一定的距离，可保证溅射到工件9上对工件材料去除。

如图1所示，本发明装置中喷嘴5与u轴4相连，该u轴4可绕其轴心转动，同时与z轴1相接，可在其带动下作上下运动，z轴1与x轴2相连，x轴2可沿与其相配合的导轨3作横向位移，同时可带动z轴1和u轴4作横向位移。这样，喷嘴5可根据需要在控制系统作用下作上下升降、横向移动和绕轴心转动，可改变喷嘴5在空间的运动位置和方向，从而改变了喷嘴5的射流角度。

本发明装置在v轴10上还设有防护罩8，工件9置于防护罩8中，该防护罩8底部设有与回收罐12相通的出口，回收罐12内安装有搅拌叶片14和冷却线圈13，磁流变液管16一端置于回收罐12内，其管路上装有高压隔膜泵15，另一端与喷嘴5相连。加工时，由喷嘴5喷出的磁流变液7可经防护罩8重新流到回收罐12中，回收罐12中的搅拌叶片14可对磁流变液7进行搅拌，防止磁流变液7的沉淀与凝聚，冷却线圈13用于控制磁流变液7的温度处于恒温状态，以保持加工中磁流变液7的特性不变。回收罐12中的磁流变液7经由高压隔膜泵15加到一定的压力后又输送到喷嘴5中，形成工作循环。

本发明具体应用中，电磁线圈的电流、数控平台、磁流变液温度、泵入压力等参数，磁射流的形状、位置、速度以及其在工件表面的表观粘度是可控的。如果先确定了某一固定工艺参数下磁射流对材料的去除函数，再根据测量得到的工件的面型误差，通过计算机模拟计算，规划出磁射流在零件表面上的运动轨迹、驻留时间分布等工艺参数，就可精确地控制工件表面材料的去除量，从而达到修正面形误差、提高精度的目的。

Claims (6)

1、一种确定性磁射流精整加工方法，其特征在于它包括数控平台，工件和用于喷射磁流变液使其形成射流之喷嘴置于数控平台上，喷嘴外面设磁场，通过控制工件空间运动的位置以及喷嘴周围磁场的方向和大小，以控制磁流变液的流变特性，从而控制磁流变液粘度和射流角度，使之形成各向异性的液体介质，对工件进行精整加工。

2、根据权利要求1所述的确定性磁射流精整加工方法，其特征在于磁流变液包括30％-40％Volume的羰基铁粉，50％-60％Volume的水，4％-8％Volume的磨料，1％-5％Volume的稳定剂。

3、根据权利要求2所述的确定性磁射流精整加工方法，其特征在于磨料为二氧化铈、金刚石微粉或氧化铝或它们的混合物。

4、一种确定性磁射流精整加工装置，其特征在于它包括y轴、v轴、x轴、z轴和u轴组成五坐标数控平台，可置放工件的v轴设于y轴上，v轴上方设有喷嘴和与其相连之u轴，喷嘴外面装有可控电磁线圈，可作上下移动之z轴与u轴相连，同时与x轴相连。

5、根据权利要求4所述的确定性磁射流精整加工装置，其特征在于v轴上设有防护罩，该防护罩底部设与回收罐相通的出口，回收罐内安装有搅拌叶片和冷却线圈，磁流变液管一端置于回收罐内，其管路上装有高压隔膜泵，另一端与喷嘴相连。

6、根据权利要求4所述的确定性磁射流精整加工装置，其特征在于喷嘴由非铁磁性材料制成。