CN210615995U - 一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超精密加工技术领域，具体公开了一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，包括机床、复合振动装置、抛光系统、抛光液循环系统以及与上述各组件分别连接的控制系统，抛光系统中在抛光轮的上方设置有传送带，通过抛光液循环系统将抛光液送至传送带上进行抛光，使磁流变抛光液运动时摆脱了离心力的影响，克服了传统磁流变抛光使用抛光轮抛光时产生的拐点问题，通过两阶段式复合振动磁流变抛光，可实现高效率与高精度的结合。

Description

一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置

技术领域

本实用新型涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，适用于加工各种硬脆材料，例如玻璃、陶瓷、人造宝石、石英、锗、硅、石墨等非金属材料。

背景技术

随着光学、电子、航天航空、半导体等高新技术产业的迅速发展，越来越多的精密零部件对加工质量，加工精度和加工效率提出了更严格的要求。磁流变抛光法是一种先进的超精密光整加工技术。磁流变抛光技术以流体力学、磁力学、界面化学、摩擦化学等原理为基础，有效的应用于超精密光整加工实践中。磁流变抛光的基本原理是利用含有磨料的磁流变液在磁场作用下产生的流变效应，使其瞬间在加工区域产生一个柔性“磨头”，通过对“磨头”与工件表面之间施加相对运动，实现工件表面的材料去除。磁流变抛光主要是去除精磨后的凹凸层及裂纹层，对工件亚表面损伤极小，可以被认为是一种高质量、无损伤的先进光整加工工艺。然而，在磁流变加工过程中，一直存在着抛光效率低的问题。如何提高抛光效率，主要有两种方法。一种是增加工件与磁流变液之间的相对运动速度，通过增大剪切力来提高效率。第二种是通过增大磁场，提高磁力来改善效率。然而，过大的相对运动速度会导致磁流变液在加工过程中产生飞溅，过大的磁场会增大加工危险系数，另外，目前无论采用永磁铁还是电磁铁，所得到磁力均在2T以下。因此，如何保证高表面质量的前提下实现高效率抛光是目前磁流变抛光技术拟解决的关键问题。

此外，超声波振动加工也是一种非传统超精密加工技术之一。超声波振动系统由超声波发生器、换能器、变幅杆等部分组成。其原理是超声抛光是把一定的超声振动功率附加在抛光工件上,使其以一定频率和振幅作高频振动,从而实现高效率抛光。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种集复合振动加工和磁流变抛光于一体的超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其适用范围广、并能保证高效率与高精度。

为达成上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，包括机床床身，所述机床床身上分别设置有复合振动装置、抛光系统、抛光液循环系统以及与上述各组件分别连接的控制系统；所述复合振动装置设置于抛光系统的上方，所述复合振动装置带动工件旋转并带动工件在水平和垂直方向上振动；所述抛光液循环系统包括依次通过管道连接的收集器、抛光液容器、泵和喷嘴，所述抛光液容器对抛光液进行搅拌、恒温及恒粘度控制；所述抛光系统设置于固定在机床床身上的工作台上，所述抛光系统包括抛光轮和传送带机构，所述抛光轮通过抛光轮电机驱动，所述抛光轮电机通过升降板设置在工作台上，所述抛光轮的两侧分别设有若干励磁装置，抛光轮两侧的励磁装置磁极方向相反；所述传送带机构包括四个滚轮和依次穿过四个滚轮的传送带，所述四个滚轮呈方形分布，所述传送带的上边位于抛光轮的上方，四个滚轮中其中一个滚轮通过传送带电机驱动；所述抛光液循环系统的喷嘴正对传送带上边的一端，所述收集器设置于传送带上边的另一端。

进一步的设置在于，所述机床床身上设有床身垂直轴，所述床身垂直轴的侧面设有导轨，所述导轨上可竖直滑动地设置有滑块，所述滑块的侧面连接有摆动盘，所述复合振动装置固定在摆动盘的侧面；所述摆动盘的回转中心与水平方向平行。通过控制机床可实现复合振动装置垂直运动和摆动的联轴运动。

进一步的设置在于，所述复合振动装置包括下端板、上端板、振动电机和旋转超声波装置，所述下端板固定在摆动盘上，所述上端板和下端板平行设置，所述下端板上水平设有一横杆，所述上端板活动套设于横杆上，所述上端板与下端板间设有弹簧；所述振动电机的主轴通过联轴器连接有偏心轮，所述偏心轮紧靠着上端板的侧面；所述上端板的外侧设有固定套，所述旋转超声波装置固定安装于固定套内；所述旋转超声波装置包括套筒、超声波发生器、旋转电机以及工件夹具，所述超声波发生器设置于套筒内，所述超声波发生器连接在旋转电机的输出轴上，所述工件夹具设置于超声波发生器的底部。复合振动装置通过旋转电机带动工件作旋转运动，同时通过振动电机和超声波发生器带动工件作水平和竖直方向上的复合振动。

进一步的设置在于，所述超声波发生器分别连接有碳刷、换能器、变幅杆，所述碳刷为超声波发生器提供超声频电能，所述换能器将超声频电信号转换为超声频机械振动，所述变幅杆将换能器的振动振幅进行放大；所述工件夹具固定设置于变幅杆的底部。

进一步的设置在于，所述超声波发生器的振动频率为12千赫以上，所述旋转电机的旋转速度为10000转/分以下。

进一步的设置在于，所述抛光轮为两侧对称、中间半径大、两头半径逐渐变小的纺锥状，抛光轮的两侧每侧分别设置有四个励磁装置，四个励磁装置均匀分布在抛光轮的一侧斜面上，所述励磁装置内部磁力线与抛光轮的斜面平行，并且抛光轮两侧的励磁装置磁极方向相反，形成S极和N极沿两侧斜面成角度的相互对应的状态；所述抛光轮中心的抛光面上开槽形成开槽抛光面。

进一步的设置在于，所述励磁装置的磁感应强度为1200高斯以上。

进一步的设置在于，所述工作台上设有底座，所述底座上设有支撑板，所述支撑板上设有底板，所述传送带电机设置于底板上；所述底板上设有支架，所述四个滚轮分别设置在支架内侧，四个滚轮中靠下方的其中一个滚轮为主动轮，所述主动轮与传送带电机的输出轴连接。

进一步的设置在于，所述传送带的一侧设有压紧轮，所述压紧轮连接有压紧控制螺母，用以调节传送带的松紧。

进一步的设置在于，所述升降板的底部设有升降板调节螺母，用以调节抛光轮的高度。

本实用新型与现有技术相对比，其有益效果在于：

1.本实用新型在抛光液循环系统的喷嘴和收集器之间引入了传送带，使磁流变抛光液运动时摆脱了离心力的影响，克服了传统磁流变抛光使用抛光轮抛光时产生的拐点问题。

2.本实用新型中抛光轮提供交错相间的磁场，从而加工纹路变得更加复杂，有利于消除卷积误差，有效降低波形误差，提高加工后的表面精度，互成角度相对的异性磁极能产生更强，更集中的磁场；永磁轮的槽面的开槽，由于磁场峰角的存在，形成多个均化的小磨头，抛光后更有利于提高加工质量。

3.本实用新型将复合振动加工与磁流变抛光相结合，提高磁流变抛光的去除率和加工精度。垂直方向的超声波振动的存在，磨粒对工件的撞击加强，使得半固态柔性磨头与工件的压力变大，去除率增大；而垂直磁场方向的振动的存在，使得工件表面的压力平均化，有利于改善表面质量。

附图说明

图1是本实用新型的整理结构示意图。

图2是本实用新型中复合振动装置的结构示意图。

图3是本实用新型中旋转超声波装置的结构示意图。

图4是本实用新型中抛光系统及抛光液循环系统的结构示意图。

图5是本实用新型中压紧轮的结构示意图。

图6是本实用新型中抛光轮的结构示意图。

图7是本实用新型中摆动盘向左摆动时的运动示意图。

图8是本实用新型中摆动盘摆动至中间时的运动示意图。

图9是本实用新型中摆动盘向右摆动时的运动示意图。

图中：1、复合振动装置；2、抛光系统；3、工作台；4、导轨；5、滑块；6、摆动盘；7、床身垂直轴；8、机床床身；9、工件；

101、振动电机；102、联轴器；103、偏心轮；104、弹簧；105、下端板；106、旋转超声波装置；107、横杆；108、固定套；109、上端板；

10601、旋转电机；10602、旋转电机输出轴；10603、套筒；10604、碳刷；10605、变幅杆；10606、工件夹具；10607、换能器；

201、抛光轮电机；202、升降板；203、收集器；204、底座；205、压紧控制螺母；206、抛光液容器；207、支撑板；208、管道；209、压紧轮；210、抛光轮；211、滚轮；212、喷嘴；213、传送带；214、支架；215、底板；216、泵；217、升降调节螺母；218、主动轮；219、传送带电机；220、传送带电机输出轴；

21001、开槽抛光面；21002、励磁装置；21003、抛光轮电机输出轴；21004、N极；21005、S极。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步具体的说明。

实施例：一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，如图1所示，包括机床床身8、复合振动装置1、抛光系统2、抛光液循环系统以及与上述各组件分别连接的控制系统。

机床床身8上分别设有床身垂直轴7和工作台3；床身垂直轴7 的侧面设有导轨4，导轨4上可竖直滑动地设置有滑块5，滑块5的侧面设有摆动盘6，复合振动装置1固定在摆动盘6的外侧，摆动盘6的摆动方向如图7-9所示，其摆动的回转中心与水平方向平行，滑块5在导轨4上作竖向滑动，通过控制机床即可实现复合振动装置1 竖向运动和摆动的联轴运动。抛光系统2和抛光液循坏系统设置在工作台3上，并使复合振动装置1位于抛光系统2的上方。

参照图2及图3，复合振动装置1包括下端板105、上端板109、振动电机101和旋转超声波装置106，下端板105固定在摆动盘6上，上端板109和下端板105平行设置，下端板105上水平固定设有一横杆107，上端板109活动套设于横杆107上，上端板109与下端板105 间设有弹簧104。

振动电机101的主轴通过联轴器102连接有偏心轮103，所述偏心轮103紧靠着上端板109的侧面，当振动电机101带动偏心轮103 转动时，即可带动复合振动装置1在水平方向上振动。

上端板109的外侧设有固定套108，旋转超声波装置106固定安装于固定套108内，旋转超声波装置106包括套筒10603、超声波发生器、碳刷10604、换能器10607、变幅杆10605、旋转电机10601 以及工件夹具10606，其中超声波发生器、碳刷10604、换能器10607、变幅杆10605均用套筒10603封装起来，并连接在旋转电机的输出轴 10602上，在旋转电机10601的带动下实现旋转运动，碳刷10604给超声波发生器提供超声频电能，换能器10607将超声频电信号转换为超声频机械振动，变幅杆10605将换能器的振动振幅进行放大，并将超声波振动通过设置在变幅杆10605底部的工件夹具10606传递给工件9，带动工件9在垂直方向上进行振动，结合振动电机和旋转电机工作，实现工件9的旋转和复合振动的合运动。

本实施例中，超声波发生器的振动频率为12千赫以上，旋转电机10601的旋转速度为10000转/分以下。

参照图4，本实施例中抛光液循坏系统和抛光系统2通过底座204 于工作台3上，抛光液循环系统包括依次通过管道208连接的收集器 203、抛光液容器206、泵216和喷嘴212，其中抛光液容器206可对抛光液进行搅拌、恒温及恒粘度控制。

抛光系统2包括抛光轮210和传送带机构，抛光轮210与抛光轮电机201的输出轴连接，抛光轮电机201通过升降板202设置在底座 204上，升降板202的底部设有升降板调节螺母217，用来调节抛光轮210的高度，从而调整抛光区域的磁场强弱；抛光轮210采用两侧对称、中间半径大、两头半径逐渐变小的类似纺锥的形状，如图6所示，其两侧每侧分别设置有四个励磁装置21002，呈90°的角度相继分布在抛光轮210的一侧斜面上，励磁装置21002内部磁力线与斜面平行，在抛光轮210的另一侧斜面上，也对应分布有四个励磁装置 21002，磁极方向与另一侧相反，形成S极21005、N极21004两侧斜面成角度的相互对应的状态；并在抛光轮210中心的抛光面上开槽，形成开槽抛光面21001；本实施例中，励磁装置21002的磁感应强度为1200高斯以上。

底座204上设有支撑板207，支撑板207上设有底板215，底板 215上设有支架214；传送带机构包括四个滚轮211和连接于四个滚轮211上的传送带213，四个滚轮211分别设置于支架214内侧，呈方形分布，依次穿过四个滚轮211的传送带213也随之呈方形；位于下方的两个滚轮中，其中一个滚轮为主动轮218，与传送带电机219 的输出轴220连接，传送带电机219设置于底板215上；传送带213 的上边位于抛光轮210的上方，传送带213在传送带电机219的带动下，沿着四个滚轮211运动，并以与抛光轮210相同的运动方向经过抛光轮210的上方；抛光液循环系统的喷嘴212正对传送带213上边的一端，收集器203设于传送带213上边的另一端。

上述抛光系统2及抛光液循环系统中，通过调节升降板调节螺母 217调整抛光轮210与其正上方的传送带213的距离，改变抛光区域的磁场强弱；磁流变抛光液在抛光液容器206中，经搅拌、恒温及恒粘度控制后，由泵216的压力驱动，经管道208由喷嘴212送至传送带213上，在传送带213的带动下经过工件9的正下方和抛光轮210 的正上方，抛光后在传送带213的带动下由收集器203回收至抛光液容器206中，再由泵216抽出，如此循环。为避免传送带213打滑，在传送带213的一侧设有压紧轮209，如图5所示，压紧轮209连接有压紧控制螺母205，用来调节传送带213的松紧。

本实施例在具体实施超精密抛光时主要分为两个阶段进行，其中第一阶段以追求效率为目标，具体步骤如下：

1.调节升降板调节螺母217，减小抛光轮210与传送带213的距离，抛光区得到较大磁场，启动抛光轮电机201，待抛光轮210转速稳定后，在其上方的抛光区产生交错相间的有规律的稳定磁场；

2.启动传送带电机219，通过控制传送带电机219将传送带213 的运行速度调快；

3.启动泵216，将抛光液容器206中的磁流变抛光液经管道208 从喷嘴212送至传送带213上，并由传送带213将磁流变抛光液送至工件9的正下方，磁流变抛光液进入传送带213正下方抛光轮210产生的磁场时，磁流变抛光液产生流变效应，粘度在毫秒级时间内迅速增大，在传送带213表面形成半固体状的抛光工具，由传送带213带动在流体动压的作用下实现抛光；

4.启动旋转超声波装置106以及振动电机101，水平方向机械振动、垂直方向超声波振动、旋转运动的工件9与工件9下端的柔性抛光工具接触，实现高效率和高精度的磁流变抛光；

5.通过机床的联动运动控制，形成要求的加工轨迹，最终得到高精度的加工表面；

6.抛光后的磁流变抛光液在传送带213的带动下送至收收集器 203，流入抛光液容器206中，再由泵216抽出，如此反复，从而实现磁流变抛光液的循环利用，并始终保持稳定的抛光性能。

第二阶段以追求精度为目标，具体步骤如下：

1.调节升降板调节螺母217，适当增大抛光轮210与传送带213 的距离，抛光区得到较小的磁场，启动抛光轮电机201，待抛光轮210 转速稳定后，在其上方的抛光区产生交错相间的有规律的稳定磁场；

2.启动传送带电机219，通过控制传送带电机219将传送带213 的运行速度适当调慢；

3.启动泵216，将抛光液容器206中的磁流变抛光液经管道208 从喷嘴212送至传送带213上，并由传送带213将磁流变抛光液送至工件9的正下方，磁流变抛光液进入传送带213正下方抛光轮210产生的磁场时，磁流变抛光液产生流变效应，粘度在毫秒级时间内迅速增大，在传送带213表面形成半固体状的抛光工具，由传送带213带动在流体动压的作用下实现抛光；

4.只启动振动电机101和旋转电机10601，水平方向机械振动、旋转运动的工件9与工件9下端的柔性抛光工具接触，实现更高精度的磁流变抛光；

5.通过机床的联动运动控制，形成要求的加工轨迹，最终得到高精度的加工表面；

6.抛光后的磁流变抛光液在传送带213的带动下送至收收集器 203，流入抛光液容器206中，再由泵216抽出，如此反复，从而实现磁流变抛光液的循环利用，并始终保持稳定的抛光性能。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，包括机床床身，所述机床床身上分别设置有复合振动装置、抛光系统、抛光液循环系统以及分别与所述复合振动装置、抛光系统、抛光液循环系统连接的控制系统；

所述复合振动装置设置于抛光系统的上方，所述复合振动装置带动工件旋转并带动工件在水平和垂直方向上振动；

所述抛光液循环系统包括依次通过管道连接的收集器、抛光液容器、泵和喷嘴，所述抛光液容器对抛光液进行搅拌、恒温及恒粘度控制；

其特征在于：所述抛光系统设置于固定在机床床身上的工作台上，所述抛光系统包括抛光轮和传送带机构，所述抛光轮通过抛光轮电机驱动，所述抛光轮电机通过升降板设置在工作台上，所述抛光轮的两侧分别设有若干励磁装置，抛光轮两侧的励磁装置磁极方向相反；所述传送带机构包括四个滚轮和依次穿过四个滚轮的传送带，所述四个滚轮呈方形分布，所述传送带的上边位于抛光轮的上方，四个滚轮中其中一个滚轮通过传送带电机驱动；所述抛光液循环系统的喷嘴正对传送带上边的一端，所述收集器设置于传送带上边的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述机床床身上设有床身垂直轴，所述床身垂直轴的侧面设有导轨，所述导轨上可竖直滑动地设置有滑块，所述滑块的侧面连接有摆动盘，所述复合振动装置固定在摆动盘的侧面；所述摆动盘的回转中心与水平方向平行。

3.根据权利要求2所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述复合振动装置包括下端板、上端板、振动电机和旋转超声波装置，所述下端板固定在摆动盘上，所述上端板和下端板平行设置，所述下端板上水平设有一横杆，所述上端板活动套设于横杆上，所述上端板与下端板间设有弹簧；

所述振动电机的主轴通过联轴器连接有偏心轮，所述偏心轮紧靠着上端板的侧面；

所述上端板的外侧设有固定套，所述旋转超声波装置固定安装于固定套内；所述旋转超声波装置包括套筒、超声波发生器、旋转电机以及工件夹具，所述超声波发生器设置于套筒内，所述超声波发生器连接在旋转电机的输出轴上，所述工件夹具设置于超声波发生器的底部。

4.根据权利要求3所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述超声波发生器分别连接有碳刷、换能器、变幅杆，所述碳刷为超声波发生器提供超声频电能，所述换能器将超声频电信号转换为超声频机械振动，所述变幅杆将换能器的振动振幅进行放大；所述工件夹具固定设置于变幅杆的底部。

5.根据权利要求3或4所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述超声波发生器的振动频率为12千赫以上，所述旋转电机的旋转速度为10000转/分以下。

6.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述抛光轮为两侧对称、中间半径大、两头半径逐渐变小的纺锥状，抛光轮的两侧每侧分别设置有四个励磁装置，四个励磁装置均匀分布在抛光轮的一侧斜面上，所述励磁装置内部磁力线与抛光轮的斜面平行；所述抛光轮中心的抛光面上开槽形成开槽抛光面。

7.根据权利要求6所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述励磁装置的磁感应强度为1200高斯以上。

8.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述工作台上设有底座，所述底座上设有支撑板，所述支撑板上设有底板，所述传送带电机设置于底板上；所述底板上设有支架，所述四个滚轮分别设置在支架内侧，四个滚轮中靠下方的其中一个滚轮为主动轮，所述主动轮与传送带电机的输出轴连接。

9.根据权利要求1或8所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述传送带的一侧设有压紧轮，所述压紧轮连接有压紧控制螺母，用以调节传送带的松紧。

10.根据权利要求1所述的一种超声波振动辅助磁流变超精密抛光装置，其特征在于：所述升降板的底部设有升降板调节螺母。

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