CN210678028U - 一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，本实用新型通过阵列的方式，能有效克服单元磁体尺寸的限制，获得大面积的励磁范围，形成大抛光模，增大加工面积与加工效率。其次，按海尔贝克阵列规律排列的励磁阵列，提高了磁场能量的利用率，在加工面形成更强的磁场，同时具有更大的磁场梯度，强度和梯度的共同作用下获得了优异的加工效果，加工效率高，粗糙度收敛快，表面质量好。磁场能量的充分利用，使获得同样加工效果的励磁装置，使用的励磁材料更少，有利于加工装置的小型化制造，实现减材增效的目标。最后，该方法具有较强的灵活性，励磁单元可阵列为各种形状，以应对各类平面、曲面的光整加工。

Description

一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置

技术领域：

本实用新型涉及磁场辅助光整加工工艺和设备领域，具体涉及一种利用海尔贝克阵列产生单面增强磁场通过磁性加工介质对被加工对象进行光整加工的装置。

背景技术：

磁场辅助光整加工方法是以磁流变抛光、磁性复合液体抛光、磁力研磨等工艺为代表的先进加工方法总称，加工适应性好、可控性强、质量好，因此广泛应用于光学零件，高精度零件的精加工制造。其基本原理如下：在磁场作用下，磁性加工介质磁化形成具有一定柔性的加工工具，可较好的贴合适应被加工表面形状，通过调整磁场强度以及工具与工件间的相对运动速度，实现控制材料去除率。此外，由于磁场对非导磁材料的“穿透”作用，以及磁性微粒对磨粒把持作用，使得该工艺可以对管道内壁、细小间隙等难加工结构进行光整加工，发挥出相比传统工艺方法无法比拟的优势，较好的加工质量也使之成为一种有效的加工方法。

大多数磁场辅助光整加工工艺的都使用磁轭将磁场能量引导至加工区域来磁化磁性加工介质，避免磁场的散发，提高磁场利用效率。例如专利CN201080010348和201310657756.9分别公开了利用导磁磁极将永磁铁和电磁铁的磁场能量引导至加工区域的结构。然而，导磁磁极的存在，大大增加了励磁装置厚度与空间体积，增加了加工装备的成本。

此外，专利201210304530.6和201710094141.8分别公开了利用永磁铁或电磁铁阵列进行磁流变抛光加工的方法。这种方法通过增加磁体单元数量，将每个磁体单元按统一或正反交替极性阵列排列，以形成较大的磁流变抛光工具，通过面积的增加，提高加工效率，尤其适用于平面工件的抛光。但是从其结构可以看出，无论是使用的是永磁体还是电磁铁都只用到了单侧磁极参与加工，故存在磁场能量的浪费，磁场利用率不高。

综上所述，为提高抛光加工的效率，要求励磁装置能产生更大面积的有效加工磁场。而现有技术使用磁轭导磁，将增大励磁装置厚度与空间体积，不利于降低成本。通过常规阵列增大面积，存在磁场能量利用率低的问题。此外，励磁装置应具备一定灵活性，以应对不同的表面形状的加工要求。

故需要一种既能兼顾大面积有效加工磁场，又能兼顾高磁场能量利用率，便于实现小型化，且可以灵活配置阵列形状，能适用于不同类型加工表面的高效磁场辅助光整加工方法与装置。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，本实用新型通过阵列的方式，能有效克服单元磁体尺寸的限制，获得大面积的励磁范围，形成大抛光模，增大加工面积与加工效率。其次，按海尔贝克阵列规律排列的励磁阵列，提高了磁场能量的利用率，在单侧加工面形成更强的磁场，同时具有更大的磁场梯度，强度和梯度的共同作用下获得了优异的加工效果，加工效率高，粗糙度收敛快，表面质量好。磁场能量的充分利用，使获得同样加工效果的励磁装置，使用的励磁材料更少，有利于加工装置的小型化制造，实现减材增效的目标。最后，该方法具有较强的灵活性，励磁单元可阵列为各种形状，以应对各类平面、曲面的光整加工。磁体既可以是永磁体也可以是电磁体，亦或是两者混用。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，所述磁场辅助光整加工装置的励磁装置5包括若干磁体单元，若干磁体单元组合成为海尔贝克阵列。

进一步的改进，所述磁场辅助光整加工装置为磁流变抛光装置；所述磁流变抛光装置包括旋转抛光头7；旋转抛光头7上端连接有电机，下端连接有工件夹具6，工件夹具6下方安装有旋转抛光盘1；励磁装置5处于旋转抛光盘1下方。

进一步的改进，所述励磁装置5为矩形或环形；旋转抛光盘1连接有电机；旋转抛光盘1内侧底部设有表面粗糙的衬底2。

进一步的改进，所述磁体单元为永磁体单元13，永磁体单元13为长条形，两端成形有凸出止口15；永磁体单元13安装在励磁装置框架内；所述励磁装置框架包括横块10，横块10两端分别固定有纵块9；纵块9上成形有与凸出止口15配合的磁条滑道12；纵块9和横块10上均成形有T形槽16；螺栓11穿过T形槽16与L形紧固件14紧固。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下优点：

1.本实用新型通过阵列的方式，能有效克服单元磁体尺寸的限制，获得大面积的励磁范围，增大加工面积与效率。

2.特殊组合的阵列，提高了磁场能量的利用率，在加工面形成更强的磁场，同时具有更大的磁场梯度，强度和梯度的共同作用下获得了意想不到的加工效果，加工效率高，粗糙度收敛快，表面质量好。

3.磁场能量的充分利用，使获得同样加工效果的励磁装置，使用的励磁材料更少，有利于加工装置的小型化制造，实现减材增效的目标。

4.该方法具有较强的灵活性，励磁单元可阵列为各种形状，以应对各类平面、曲面的光整加工。磁体既可以是永磁体也可以是电磁体，亦或是两者混用。

附图说明：

图1为矩形的海尔贝克阵列(上表面增强磁场)图；

图2为环形的海尔贝克阵列(上表面增强磁场)图；

图3为一种盘式磁流变抛光装置的结构示意图；

图4为海尔贝克阵列和N-S交替阵列用于盘式磁流变抛光的材料去除率对比图；

图5为海尔贝克阵列和N-S交替阵列用于盘式磁流变抛光的粗糙度变化图；

图6(a)-6(d)为磁流变液在海尔贝克阵列和N-S交替阵列下形貌对比图；

其中图6(a)和6(b)分别为海尔贝克阵列的形貌图，图6(c)和6(d)为N-S极交替阵列的形貌图，海尔贝克阵列形成的磁流变液抛光模形状更有硬度和起伏，普通阵列形成的抛光模较软，偏向液体。

图7为海尔贝克阵列与N-S交替阵列的磁力因子对比图；

图8(a)为磁流变轮式抛光装置示意图和图8(b)一种用于替换的圆弧形(外圆凸面磁场)阵列图；

图9(a)为公自转磁流变轮式抛光装置示意图和图9(b)一种用于替换的环形(外圆磁场)阵列图；

图10(a)为磁流变射流抛光的励磁装置示意图；图10(b)为本实用新型的环形(内圆磁场)阵列的结构示意图。

图11为实施例1中的励磁装置5为矩形时，磁体单元的安装装置结构示意图。

其中，1-旋转抛光盘、2-磁性抛光介质、3-衬底、4-工件、5-励磁装置、6-工件夹持装置、7-旋转抛光头、8-修形刮板。

具体实施方式：

实施例1

如图1所示一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，所述磁场辅助光整加工装置的励磁装置5包括若干磁体单元，若干磁体单元组合成为海尔贝克阵列。此实施例1中所述磁场辅助光整加工装置为盘式磁流变抛光装置；所述磁流变抛光装置包括旋转抛光头7，旋转抛光头7上端连接有电机，下端连接有工件夹具；工件夹具下方安装有旋转抛光盘1；励磁装置5处于旋转抛光盘1下方。励磁装置5上表面为矩形。

使用将磁体单元组合装配成为海尔贝克阵列作为励磁装置5和N-S极交替排列作为励磁装置5的两种阵列，在同样工况下进行磁流变抛光平面K9光学玻璃的对比实验，实验结果如图4、图5所示。

如图4所示，海尔贝克阵列励磁装置的抛光体积去除率达到0.947mm³/min约为N-S极交替阵列的励磁装置体积去除率(0.304mm³/min)的3倍。图5显示，随着抛光的进行，两种阵列抛光工件的表面粗糙度，从原始粗糙度(Ra约为500nm)逐渐减小，而海尔贝克阵列励磁装置抛光的表面粗糙度相比N-S极交替阵列的励磁装置减小更为迅速，达到粗糙度Ra1nm的加工时间大大缩短。

经研究，海尔贝克阵列磁流具有更好抛光效果的原理如下：

图6(a)-6(d)分别给出两种不同阵列磁场对相同体积磁流变液作用的不同效果，从图中可以看出，等量磁流变液在海尔贝克阵列磁场的影响下形成的磁流变抛光模高于相同牌号的N-S极交替阵列，且磁性颗粒形成的簇状结构更为粗壮，具有更高的“硬度”，即更强的磁流变效应和更高的剪切屈服强度。使用玻璃棒搅动可以明显感觉到前者具有更高的“硬度”，抛光模对磨粒的把持力更强，获得更好的加工效果。

磁性颗粒在磁场中所受的磁性力，可以用公式

表示，其中m表示磁性颗粒质量，同一密度材料的磁性颗粒体积相同，具有相同质量，χ为磁性颗粒的磁化系数，B表示磁通密度(磁感应强度)，

表示磁通密度的梯度。故对于同种材料相同体积的磁性颗粒，其所受磁力正比于磁通密度与其梯度的乘积。将两者的乘积

定义为磁力因子。通过磁场仿真计算在不同阵列下磁力因子的数值。从图7中可以看出，在同等条件下海尔贝克阵列形成的磁场具有更高的磁力因子。因此在该磁场作用下，磁性颗粒受到的磁场力更强，磁性颗粒相互之间将形成更为致密的结构，为磁性颗粒间隙中的磨粒提供更强的把持力，在抛光过程中获得更为有效的材料去除效果。图7中普通N-S极交替阵列在相同位置处的磁力因子数值仅约为前者的一半，磨粒把持力小，抛光效率低。

具体的，即通过海尔贝克阵列排列形成的磁场，具有更强的磁性颗粒集中效果，形成更致密的抛光模结构，能更有效的把持磨粒，获得更强的抛光去除作用，从而获得更好的抛光效果。

因此，使用海尔贝克阵列具有更强的磁性颗粒聚集效果，而非仅仅具有更高的磁场强度这一单一特征，获得了意想不到的抛光加工效率的提升。无需背铁或磁轭的阵列结构，在不增加励磁装置厚度的情况下，突破了面积限制；特殊的阵列方式提高了磁场能量的利用率，有利于加工装置的小型化和性价比的提升；阵列方式灵活，可应对各类平面、曲面光整加工。

如图11所示，为了方便根据需要调整海尔贝克阵列的大小，且为了快速安装形成海尔贝克阵列，设计如下海尔贝克阵列安装装置：包括两个纵块9和两个横块10，横块10上成形有纵块滑道11，纵块9上成形有磁条滑道12。所述纵块滑道11为T形槽，纵块9上成形有与纵块滑道11配合的滑块；所述磁条滑道12为矩形滑道，组成海尔贝克阵列磁条上成形有与磁条滑道12配合的矩形部13。

如图11所示，为了方便根据需要调整海尔贝克阵列的大小，且为了快速安装形成海尔贝克阵列，设计如下海尔贝克阵列安装装置：包括两个纵块9和横块10，作为励磁装置安装固定框架，其结构应便于固定单元磁体及其夹具，也便于励磁装置框架与其他零件的安装固定。纵块9和横块10通过孔槽结构和L形紧固件14组装成框架结构。纵块内侧安装有一对平行的磁条滑道12。图中两端具有凸出止口15(阶梯面)的长条形物体为永磁体单元13。不同磁化方向的永磁体单元13，按顺序从磁条滑道12的端部依次嵌入，磁条滑道12的凹槽阻止磁体之间相互扭转，固定在纵块和横块形成的框架中，组成海尔贝克阵列。纵块9和横块10上均成形有T形槽16，螺栓11穿过T形槽16与L形紧固件14紧固，形成安装固定框架。

为减少对磁场的干扰，上述结构与紧固件均选用非导磁材料。

实施例2

海尔贝克阵列励磁装置还可用于轮式磁流变抛光：

如图8(a)所示为一种轮式磁流变抛光装置示意图，其中励磁装置5，可以由永磁体或电磁铁组成产生相应磁场，磁化抛光轮504与工件502之间的磁流变液505，使之硬化并在抛光轮504的旋转运动下与工件发生剪切去除作用，达到加工效果。其中励磁装置可以由本实用新型的海尔贝克阵列形成的励磁装置代替，例如可用图8(b)所示的圆弧形海尔贝克阵列替换，从而在磁化抛光轮504上产生外圆凸面的高效加工磁场，获得与实例1类似更佳的效果。

实施例3

图9(a)所示为一种公自转轮式磁流变抛光装置示意图，图中602为一磁性抛光轮，内部的不同极性磁极603、604在抛光轮表面产生磁场，磁流变液可在其间隙中被磁化，并在抛光轮的自转轴605与公转轴606的驱动下，与工件601表面产生相对运动，实现去除作用。同样的，磁性抛光轮602，磁极603、604组成的结构可由如图9(b)所示的环形海尔贝克阵列替换，从而在阵列外圆柱面产生高效加工磁场，获得与实例1类似更佳的效果。

实施例3

图10(a)磁流变射流抛光的励磁装置的结构示意图；图中的励磁装置，是通过环状电磁铁形成磁场，喷嘴中喷出磁流变液在磁场作用下磁化，喷射到工件表面进行加工。这种环状电磁铁，可用类似结构的如图10(b)所示的环形海尔贝克环形阵列代替，从而在阵列内圆柱面产生高效加工磁场，获得与实例1类似更佳的效果。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，其特征在于，所述磁场辅助光整加工装置的励磁装置(5)包括若干磁体单元，若干磁体单元组合装配成为海尔贝克阵列。

2.如权利要求1所述的高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，其特征在于，所述磁场辅助光整加工装置为磁流变抛光装置；所述磁流变抛光装置包括旋转抛光头(7)；旋转抛光头(7)上端连接有电机，下端连接有工件夹具(6)，工件夹具(6)下方安装有旋转抛光盘(1)；励磁装置(5)处于旋转抛光盘(1)下方。

3.如权利要求1所述的高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，其特征在于，所述励磁装置(5)为矩形或环形；旋转抛光盘(1)连接有电机；旋转抛光盘(1)内侧底部设有表面粗糙的衬底(2)。

4.如权利要求1所述的高效磁阵列磁场辅助光整加工装置，其特征在于，所述磁体单元为永磁体单元(13)，永磁体单元(13)为长条形，两端成形有凸出止口(15)；永磁体单元(13)安装在励磁装置框架内；所述励磁装置框架包括横块(10)，横块(10)两端分别固定有纵块(9)；纵块(9)上成形有与凸出止口(15)配合的磁条滑道(12)；纵块(9)和横块(10)上均成形有T形槽(16)；螺栓(11)穿过T形槽(16)与L形紧固件(14)紧固。

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