JP4741212B2 - Magnetorheological polishing apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気粘性流体を使用する、表面の研磨方法に関する。 The present invention relates to a method for polishing a surface using a magnetorheological fluid.
例えばガラスの光学レンズ、半導体、管、及びセラミックである製作品は、樹脂、ゴム、ポリウレタン又は他の固体材料で製作された一部材の研磨工具を使用する技術で研磨されてきた。研磨工具の作用表面は、製作品の表面と一致させなければならない。このため、研磨用複合体表面は複雑にされ、大規模の製造に適合させるのは困難である。更に、そのような固体研磨用工具からの伝熱は、一般に好ましくなく、更にそれによって、過熱され変形された製作品及び研磨用工具がもたらされ、従って製作品の表面及び/又は工具の形状は損傷を受けてしまう。 For example, glass optical lenses, semiconductors, tubes, and ceramic artifacts have been polished with techniques using a one-piece polishing tool made of resin, rubber, polyurethane, or other solid material. The working surface of the abrasive tool must match the surface of the workpiece. This complicates the polishing composite surface and is difficult to adapt to large scale manufacturing. Furthermore, heat transfer from such solid abrasive tools is generally undesirable, and further results in overheated and deformed workpieces and abrasive tools, and thus the surface of the workpiece and / or the shape of the tool. Will be damaged.
1992年10月27日に提出された同時係属中の出願第966,919号及び1992年8月14日に提出された同時係属中の出願第930,116号は、磁気粘性流体の組成、磁気粘性流体を使用して物を研磨する方法、及び開示された研磨方法に従って使用可能な研磨装置を開示している。その出願に開示された方法及び装置は従来の技術に対して十分な改良を開示しているが、装置、方法、達成される結果を改良する更なる改良が可能である。 Co-pending application No. 966,919 filed on October 27, 1992 and co-pending application No. 930,116 filed on Aug. 14, 1992 are the compositions of magnetorheological fluid, magnetic Disclosed are a method of polishing an object using a viscous fluid and a polishing apparatus that can be used in accordance with the disclosed polishing method. Although the method and apparatus disclosed in that application disclose sufficient improvements over the prior art, further improvements that improve the apparatus, method, and results achieved are possible.
本発明は、磁気粘性研磨流体(MP流体)で物を研磨する改良された装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、磁気粘性流体で物を研磨する、自動的に制御可能な、かなり正確な方法と、改良された研磨装置に関する。本発明の方法は、磁気粘性流体内に研磨領域を製作し、研磨される物を流体の研磨領域に接触させ、研磨される物の表面からの材料の除去速度を決定し、最適な研磨効率のために、例えば磁場の強さ、静止時間、及びスピンドルの速度である、作動パラメータを計算し、更に作動パラメータに従って該物と該流体の少なくとも一方を他方に対して移動させる工程を具備する。 The present invention relates to an improved apparatus and method for polishing objects with a magnetorheological polishing fluid (MP fluid). More particularly, the present invention relates to an automatically controllable and highly accurate method of polishing objects with a magnetorheological fluid and an improved polishing apparatus. The method of the present invention creates a polishing region in a magnetorheological fluid, contacts the object to be polished with the polishing region of the fluid, determines the removal rate of material from the surface of the object to be polished, and provides optimum polishing efficiency. For this purpose, it comprises calculating operating parameters, for example magnetic field strength, rest time and spindle speed, and further moving at least one of the object and the fluid relative to the other according to the operating parameters.
研磨装置は、研磨される物と、容器内に収容されている又はされていない磁気粘性流体と、磁場を引き起こす手段と、少なくとも一つの構成要素を一つ又は複数の他の構成要素に対して移動させる手段とを具備する。研磨される物は、磁気粘性流体に接触され、磁気粘性流体、磁場を引き起こす手段、及び/又は研磨される物は、動かされ、物の全ての面は、磁気粘性流体にさらされる。 The polishing apparatus comprises an object to be polished, a magnetorheological fluid contained in or not contained in a container, a means for generating a magnetic field, and at least one component relative to one or more other components. Means for moving. The object to be polished is contacted with a magnetorheological fluid, the magnetorheological fluid, means for generating a magnetic field, and / or the object to be polished is moved and all surfaces of the object are exposed to the magnetorheological fluid.
本発明の方法及び装置では、磁気粘性流体は、流体が研磨される物と接触する領域の磁場によって作動される。磁場によって、MP流体は、降伏点が磁場の強度及び粘性に依存する可塑的にされた固体の特徴を得る。流体の降伏点は十分に高く、流体は好適な研磨表面を形成し、更に研磨粒子の移動が可能にされる。磁気粘性流体の好適な粘性及び弾性は、磁場によって作動される際に、研磨粒子に対する抵抗をもたらし、その結果、粒子は製作品を研磨する十分な力を有する。 In the method and apparatus of the present invention, the magnetorheological fluid is actuated by a magnetic field in the region where the fluid contacts the object to be polished. Due to the magnetic field, the MP fluid gains the characteristics of a plasticized solid whose yield point depends on the strength and viscosity of the magnetic field. The yield point of the fluid is sufficiently high that the fluid forms a suitable abrasive surface and further allows movement of the abrasive particles. The preferred viscosity and elasticity of the magnetorheological fluid provides resistance to the abrasive particles when actuated by a magnetic field, so that the particles have sufficient force to polish the workpiece.
図1は、本発明の方法に関して作動される研磨装置の略図である。図1では、円筒形の容器1は、磁気粘性研磨流体(MP流体)2を有する。好適な実施形態では、MP流体2は、研磨剤を有する。好適には容器1は、MP流体2に不活性の非磁性の材料で構成される。図1では、容器1は、断面が半分の円筒形状であり、平坦な下部を有する。しかしながら、より詳細に説明されるように、容器1の特有の形状は、研磨される製作品に適合するように変更可能である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a polishing apparatus operated with respect to the method of the present invention. In FIG. 1, a
例えばブレードである器具13は、容器1内に配置されて、研磨の際にMP流体を連続して攪拌する。研磨される製作品4は、回転可能な製作品用スピンドル5に結合される。好適には製作品用スピンドル5は、非磁性の材料で製作される。製作品用スピンドル5は、スピンドル用送り台8に固定されかつ垂直方向に移動可能である。スピンドル用送り台8は、プログラムに作成可能な制御システム12からの電気信号に従って作動する、従来のサーボモータによって駆動可能である。
For example, a
容器1の回転は、好適には容器1の下の中央の位置に配置される容器のスピンドル3によって制御される。容器用スピンドル3は、従来のモータ又は他の動力源によって駆動可能である。
The rotation of the
電磁石6は容器1に近接して配置され、製作品4を収容する領域でMP流体2に影響を与えることが可能である。電磁石6は、研磨を実施するのに十分な磁場を引き起こすことが可能でなければならず、好適には少なくとも約100kA/mの磁場を引き起こす。電磁石6は、制御システム12に結合された動力供給ユニット11からの巻線7によって作動される。電磁石6は、電磁石用送り台9に設置され、更に好適には容器1の半径方向に沿う、水平方向に移動可能である。電磁石用送り台9は、プログラムに作成可能な制御システム12からの電気信号に従って作動する、従来のサーボモータによって駆動可能である。
The electromagnet 6 is disposed in the vicinity of the
巻線7は、研磨の間、動力供給ユニット11によって作動され、磁場を引き起こしかつMP流体2に影響を及ぼす。好適には、MP流体は、製作品4に近接する領域の不規則な磁場によって影響を受ける。この好適な実施形態では、場の強度の等しい線は、該場の傾斜に対して垂直又は直角であり、更に磁場の力は、製作物4の表面に垂直に、容器の下部の方に向けられた傾斜である。電磁石6からの磁場の適用により、研磨される表面に近接する限定された研磨領域10におけるMP流体の粘性及び可塑性が変えられる。研磨領域10の大きさは、電磁石6の磁極片の間の隙間及び電磁石6の先端の形状によって規定される。好適にはMP流体の研磨剤の粒子は、実質的に研磨領域10のみのMP流体によって影響を受け、製作品4の表面に抗するMP流体の圧力は、研磨領域10内が最も高い。
The winding 7 is actuated by the power supply unit 11 during polishing, causing a magnetic field and affecting the
ここで説明される方法及び装置に使用されるMP流体2の組成は、好適には、ここでは参考として組み込まれている、1992年10月27日に提出された同時係属中の出願第966,919号、1992年10月27日に提出された同時係属中の出願第966,929号、1992年8月14日に提出された同時係属中の出願第930,116号、及び1992年4月14日に提出された同時係属中の出願第868,466号に説明されている。好適な実施形態では、複数の磁性粒子と、安定剤と、水及びグリセリンで構成される集まりから選択される担持流体とを具備する、同時係属中の出願第966,919号又は第930,116号に従って構成されたMP流体が使用される。更に好適な実施形態では、(好適にはカルボニル鉄粒子である)磁性粒子は、酸化を抑制するポリマー材料の保護層で覆われる。好適には保護層は、機械的な応力に耐え、更に実施可能な程度に薄い。好適な実施形態では、コーティング材料はテフロン(商標)である。粒子は、マイクロカプセル化の通常の方法によってコーティング可能である。
The composition of the
図1に示される研磨装置は、以下のように作動可能である。製作品4は、製作品用スピンドル5に結合され、容器1の下部に対してクリアランスhをもってスピンドル用送り台8によって配置され、好適には研磨される製作品4の一部分はMP流体2に浸される。該クリアランスhは、製作品の研磨を可能にする任意の適切なクリアランスであることも可能である。クリアランスhは、図8に説明されるように、製作品4の材料の除去速度Vに影響を及ぼし、更に研磨領域10が製作品4に接触する接触領域RZのサイズに影響を及ぼす。好適には、クリアランスhが選択されると、接触領域RZの表面領域は、製作品4の表面領域の三分の一よりも小さくなる。クリアランスhは、研磨工程の間に変更されることも可能である。
The polishing apparatus shown in FIG. 1 can operate as follows. The
好適な実施形態では、製作品4及び容器1の両方が回転され、好適には、互いに逆向きに回転される。容器用スピンドル3が回転され、容器1が回転する。容器用スピンドル3は、中心軸回りに回転し、好適には、研磨をもたらすのに十分ではあるが、実質的にMP流体2を容器1から噴出するあるいは飛沫を立てるのに十分な遠心力を発生するほどでない速度で容器1を回転させる。好適な実施形態では、容器は一定の速度で回転される。容器1の運動は、MP流体2の新しい部分を製作品4が配置された領域まで連続して提供し、更に研磨領域10で研磨される製作品の表面と接触するMP流体2の連続運動をもたらす。好適な実施形態では、好適には水又はグリセリンである付加的な担持流体は、研磨の際に付加されて、蒸発した担持流体を補充し、従って流体の特性を維持する。
In a preferred embodiment, both the
製作品用スピンドル5も中心軸回りに回転され、製作品4に回転運動を与える。好適な実施形態では、製作品用スピンドル5は、2000rpmまでの速度で作動し、約500rpmが特に好適である。製作品用スピンドル5の運動は、連続して、製作品4の表面の新しい部分を研磨領域10と接触させ、その結果、研磨される表面の周囲に沿った材料の除去は、概略規則的になる。
The production spindle 5 is also rotated around the central axis, giving the production 4 a rotational movement. In a preferred embodiment, the production spindle 5 operates at speeds up to 2000 rpm, with about 500 rpm being particularly preferred. The movement of the work piece spindle 5 continuously brings a new part of the surface of the
MP流体2の研磨剤の粒子が研磨領域と接触するために、研磨領域の幅を有する環状の領域は、製作品4の表面まで徐々に研磨される。研磨は、一又はそれより多いサイクルで達成され、各サイクルで製作品から増分の量の材料が除去される。製作品4の全表面の研磨は、電磁石用送り台9を使用して電磁石6を半径方向に移動することによって達成され、電磁石用送り台9によって、製作品の表面に対して研磨領域10が移動される。
Since the abrasive particles of the
電磁石6の半径方向の運動は、連続又は不連続のステップであることが可能である。電磁石6の運動が連続である場合、運動の軌道の各点の電磁石6の適切な速度UZが算出される。電磁石の速度UZは、以下の式に従って算出可能である。 The radial movement of the electromagnet 6 can be a continuous or discontinuous step. If movement of the electromagnet 6 is continuous, a suitable speed U Z electromagnets 6 for each point of movement of the track is calculated. Speed U Z electromagnets can be calculated according to the following equation.
(I) UZ=2RZ/t
又は
(II) UZ≦2RZV/k3
ここでRZは、製作品4と接触する研磨領域の接触領域の半径(mm)、tは、一サイクルで接触領域RZが研磨される時間(秒)、Vは材料の除去速度(μm/分)、及びk3は、研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さ(μm)である。
(I) U Z = 2R Z / t
Or (II) U Z ≦ 2R Z V / k 3
Here, R Z is the radius (mm) of the contact area of the polishing area in contact with the
RZは、上述されたように、クリアランスhの関数である。材料の除去速度Vは、クリアランスh及び容器1が回転される速度から、経験的に決定されることが可能である。材料の除去速度Vは、ある時間内にある点から除去される材料の量を計測することによって決定されることが可能である。研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さk3は、完成される製作品に必要な精度の関数であり、k3は、局所誤差累積を最小にするために選択されることが可能である。例えば、光学ガラスが研磨される場合、k3の値は、必要な波の形状に対する適合性によって決定される。一サイクルで接触領域RZが研磨される時間は、以下の式に従って計算される。
R Z is a function of clearance h, as described above. The material removal speed V can be determined empirically from the clearance h and the speed at which the
t≦k3/V
k3及びマグネットの速度UZが決定されると、必要なサイクル数及び研磨に必要な時間が決定されることが可能である。製作品4を研磨するためのサイクルの総数Nを計算するために、研磨の際に除去される材料層の厚さKは、以下の式に従って計算される。
t ≦ k 3 / V
If k 3 and the velocity U Z of the magnet is determined, it is possible that the time required for the number of cycles and polishing required is determined. In order to calculate the total number N of cycles for polishing the
K=k1+k2
ここでk1は初期の表面粗さ(μm)であり、k2は表面下の損傷を受けた層の厚さ(μm)である。従って、必要なサイクル数Nは、以下の式を使用して決定可能である。
K = k 1 + k 2
Here, k 1 is the initial surface roughness (μm), and k 2 is the thickness (μm) of the damaged layer under the surface. Thus, the required number of cycles N can be determined using the following equation:
N=K/k3
各サイクルに必要な時間tcは、以下の式を使用して計算可能である。
N = K / k 3
The time t c required for each cycle can be calculated using the following equation:
tc=RW/UZ
ここで、RWは製作品の半径である。図5は、製作品の半径RW、接触領域RZ、クリアランスh、及び例えば図1に示されたような平坦な製作品のマグネットの速度UZの関係を示す。
t c = R W / U Z
Here, R W is the radius of the workpiece. FIG. 5 shows the relationship between the product radius R W , the contact area R Z , the clearance h, and the speed U Z of the magnet of a flat product, for example as shown in FIG.
研磨に必要な総時間Tは、以下の式を使用して計算可能である。 The total time T required for polishing can be calculated using the following equation.
T=NRW/UZ
ここで、Nは必要なサイクル数、RWは製作品の半径、UZは電磁石6の速度である。
T = NR W / U Z
Here, N number of cycles required, R W is the workpiece radius, the U Z is the speed of the electromagnet 6.
電磁石6が個々のステップで移動される場合、各ステップの静止時間が決定されなければならない。好適な実施形態では、全材料の除去は、各ステップで一定に維持される。段階的な研磨の際に一定量の材料を除去するために、連続するステップで接触領域RZが重複されて材料が除去されることを考慮しなければならない。重複係数Iは、以下の式によって決定される。 If the electromagnet 6 is moved in individual steps, the rest time of each step must be determined. In a preferred embodiment, the removal of all material is kept constant at each step. In order to remove a certain amount of material during gradual polishing, it must be taken into account that the contact region RZ is overlapped and removed in successive steps. The overlap coefficient I is determined by the following equation.
I=r/2RZ
ここで、rは一ステップでの製作品の変位(mm)であり、RZは接触領域の半径である。一ステップでの変位rは、例えば以下の例で詳細に示されるような、予備の試験からの結果を使用して経験的に決定されることが可能である。
I = r / 2R Z
Here, r is the displacement (mm) of the product in one step, and R Z is the radius of the contact area. The displacement r in one step can be determined empirically using results from preliminary tests, for example as detailed in the following example.
あるサイクルの各ステップの静止時間tdは、以下の式に従って決定されることが可能である。 The rest time t d of each step in a cycle can be determined according to the following equation:
td=k3I/V
ここで、k3は研磨の一サイクルの際に除去される製作品の材料層の厚さであり、Iは重複係数であり、Vは、あるクリアランスh及び容器1のある速度での製作品の材料除去速度Vである。
t d = k 3 I / V
Here, k 3 is the thickness of the workpiece material layer to be removed during one cycle of polishing, I is an overlap factor, V is, the workpiece at a rate of some clearance h and the
段階的な研磨のための、一サイクル中のステップ数nsは、以下の式を使用して決定可能である。 , The number of steps n s in a cycle for stepwise polishing may be determined using the following equation.
ns=RW/r
ここで、RWは製作品の半径であり、rは一ステップ当たりの製作品の変位である。製作品の研磨に必要なサイクルの総数Nは、連続研磨に使用される以下の式を使用して計算可能である。
n s = R W / r
Here, R W is the radius of the workpiece, r is a workpiece displacement per step. The total number N of cycles required to polish the workpiece can be calculated using the following formula used for continuous polishing.
N=K/k3
ここで、Kは研磨の間に除去される材料層の厚さであり、k3は研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さである。段階的な研磨に必要な総時間Tは、以下の式を使用して計算される。
N = K / k 3
Here, K is the thickness of the material layer to be removed during polishing, k 3 is the thickness of the material layer of the workpiece to be removed during one cycle of polishing. The total time T required for stepwise polishing is calculated using the following formula:
T=tdnsN
ここで、tdは各ステップの静止時間であり、nsは一サイクルのステップ数であり、Nは総サイクル数である。
T = t dn s N
Here, t d is the stationary time of each step, n s is the number of steps in one cycle, and N is the total number of cycles.
本発明の好適な実施形態では、制御ユニット12のコンピュータプログラムは、連続又は段階的な研磨のために、これらの計算を基礎として準備されることが可能である。従って、製作品4を研磨する全工程は、自動制御の下で処理されることが可能である。図1に示されるように、好適には制御ユニット12は、入力装置26、処理ユニット27、及び信号発信装置28を有する。
In a preferred embodiment of the invention, the computer program of the
本発明の他の実施形態では、形状の生成の精度、又は必要な形状及び公差に対する完成された製作品の一致は、接触領域RZにおけるRZの関数V[RZ]としての材料の除去速度の空間分布を決定するための検査の実施によって改良可能である。除去速度の空間分布は、以下の例及び図4で詳細に説明される、連続近似方法によって決定可能である。従って、除去速度の空間分布は、例えば上述された式を使用する静止時間tdである、研磨プログラムのパラメータをより正確に決定するために使用可能である。この場合、静止時間は、以下の式を使用して決定可能である。 In another embodiment of the present invention, the precision of generation of the shape, or match finished workpiece to the required shape and tolerances, the removal of the material as a function V of R Z in the contact area R Z [R Z] Improvements can be made by performing tests to determine the spatial distribution of velocities. The spatial distribution of the removal rate can be determined by a continuous approximation method, which is described in detail in the following example and FIG. Thus, the spatial distribution of the removal rate can be used to more accurately determine the parameters of the polishing program, for example the rest time t d using the above-described equation. In this case, the rest time can be determined using the following equation:
td=k3I/V[RZ]
図2を参照し、本発明の他の実施形態が示される。この実施形態は、例えば球形及び非球形の光学レンズである、凸状の製作品の非常に有効な研磨を達成する。図2では、容器201は円形の凹部であり、研磨領域210に近接する内側の壁の湾曲部の半径は、製作品204の湾曲部の最も大きい半径よりも大きい。研磨の際、容器201に関する流体202の動きを最小にすることが望まれる。MP流体202のこの動き又は滑りを最小にするために、容器201の内側の壁は、ナップ又は多孔性の材料215の層で覆われることが可能であり、MP流体202と容器201の壁との間の信頼性のある機械的な粘着部を提供する。
t d = k 3 I / V [R Z ]
Referring to FIG. 2, another embodiment of the present invention is shown. This embodiment achieves very effective polishing of convex work pieces, for example spherical and non-spherical optical lenses. In FIG. 2, the
製作品用スピンドル205は、回転可能なテーブル216と結合されたスピンドル用送り台208に結合される。回転可能なテーブル216は、テーブル用送り台217に結合される。スピンドル用送り台208、回転可能なテーブル216、及びテーブル用送り台217は、プログラムに作成可能な制御システム212からの電気信号に従って作動する従来のサーボモータによって駆動可能である。回転可能なテーブル216により、製作品用スピンドル205は、水平軸214回りに連続して揺動可能であり、あるいはスピンドル205の初期の垂直軸218に対して角度αで配置可能である。好適には、軸214は、製作品用スピンドルの初期の垂直位置の研磨される表面の湾曲部の中央に配置される。スピンドル用送り台208により、研磨される表面の湾曲部の中央が、軸214に関してδだけ垂直移動されることが可能となる。テーブル用送り台217は、スピンドル用送り台208及び製作品用スピンドル205を備えた回転可能なテーブル216を移動し、製作品204の研磨される表面と容器201の下部との間の必要なクリアランスを獲得しかつ維持する。この実施形態では、電磁石206は、不動でありかつ容器201の下方に配置され、その結果、製作品用スピンドル軸218が研磨領域210の面に対して垂直である場合に、その磁気間隙はその軸を中心に対称である。図2に説明される装置は、全ての他の点で図1に示された装置と同様である。
The
研磨装置は以下のように作動する。製作品204を研磨するために、製作品用スピンドル205に取着された製作品204が配置されると、製作品204の湾曲部の半径の中心が、回転可能なテーブル216の回転位置(回転軸214)に一致される。次いで、研磨される製作品の除去速度が、研磨される製作品と類似の試験製作品を使用して経験的に決定される。続いて製作品204の研磨が、回転可能なテーブル216を使用して、研磨領域210に関してその表面を移動することによって自動的に行われ、回転可能なテーブル216は、製作品用スピンドル205を揺動させかつ計算された処理レジームに従って角度αを変更する。
The polishing apparatus operates as follows. When the product 204 attached to the
スピンドル205が揺動される最大の角度αは、以下の式を使用して決定される。
The maximum angle α at which the
cosαmax=(Rsf−L)/Rsf
ここで、Rsfは全球面の半径である。図6に示されるように、Rsfは、製作品が球面である場合に、実際の製作品204の湾曲部の半径に基づいて、製作品の半径が何であるかを表す。Lは、図6に示されるように、製作品204の厚さを表し、更にLは、以下の式を使用して計算される。
cos α max = (R sf −L) / R sf
Here, R sf is the radius of the entire sphere. As shown in FIG. 6, R sf represents what the radius of the product is based on the radius of the curved portion of the actual product 204 when the product is a spherical surface. L represents the thickness of the workpiece 204 as shown in FIG. 6, and L is calculated using the following equation:
L=Rsf−Rsf 2−RW 2
更に図6に示される接触領域の角度寸法βは、以下の式を使用して決定可能である。
L = R sf −R sf 2 −R W 2
Furthermore, the angular dimension β of the contact area shown in FIG. 6 can be determined using the following equation:
cosβ=(Rsf−h0)/Rsf
ここで、Rsfは全球面の半径であり、h0は、容器201の下部と、図6に示されるような湾曲された製作品の接触領域RZの端部との間のクリアランスである。接触領域の高さh0は、以下の式を使用して決定可能である。
cos β = (R sf −h 0 ) / R sf
Here, R sf is the radius of the entire sphere, and h 0 is the clearance between the lower part of the
h0=Rsf−Rsf 2−RZ 2
ここで、Rsfは全球面の半径であり、RZは接触領域の幅である。
h 0 = R sf −R sf 2 −R Z 2
Here, R sf is the radius of the entire sphere, and R Z is the width of the contact area.
製作品用スピンドル205の揺動は、連続又は段階的であることが可能である。製作品用スピンドル205が連続して揺動される場合には、この運動の角速度ωZは、以下の式によって決定される。
The swing of the
ωZ≧βV/k3
ここでβは接触領域の角度寸法であり、Vは材料の除去速度であり、k3は、研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さである。従って、一サイクルの存続期間tcは、以下の式を使用して計算可能である。
ω Z ≧ βV / k 3
Where β is the angular dimension of the contact area, V is the material removal rate, and k 3 is the thickness of the material layer of the workpiece that is removed during one polishing cycle. Thus, the duration t c of a cycle can be calculated using the following equation:
tc=αmax/ωZ
ここで、αmaxはスピンドル205が揺動される最大角度αであり、ωZは揺動運動の角速度である。
t c = α max / ω Z
Here, α max is the maximum angle α at which the
製作品204を研磨する総サイクル数Nを計算するために、研磨の際に除去される材料層の厚さは、以下の式に従って計算される。 In order to calculate the total number of cycles N for polishing the workpiece 204, the thickness of the material layer removed during polishing is calculated according to the following equation:
K=k1+k2
ここで、k1は初期の表面粗さ(μm)であり、k2は、表面下の損傷を受けた層の厚さ(μm)である。従って、必要なサイクル数Nは、以下の式を使用して決定される。
K = k 1 + k 2
Here, k 1 is the initial surface roughness (μm) and k 2 is the thickness (μm) of the damaged subsurface layer. Thus, the required number of cycles N is determined using the following equation:
N=K/k3
ここで、k3は、研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さである。
N = K / k 3
Here, k 3 is the thickness of the material layer of the workpiece to be removed during one cycle of polishing.
従って、製作品の研磨に必要な総時間Tは、以下の式を使用して計算可能である。 Therefore, the total time T required to polish the product can be calculated using the following formula:
T=tcN
ここで、tcは一サイクルの存続期間であり、Nは必要なサイクル数である。
T = t c N
Here, t c is the duration of one cycle and N is the number of cycles required.
製作品用スピンドル205が個々のステップで揺動される場合には、各ステップの静止時間が計算されなければならない。各ステップの静止時間を計算する際には、重複係数Iを考慮する必要がある。重複係数Iは以下の式で決定される。
If the
I=αs/β
ここで、βは接触領域の角度寸法であり、αsは一ステップ当たりの角度変位である。一ステップ当たりの角度変位αsは、以下の式によって計算可能である。
I = α s / β
Where β is the angular dimension of the contact area and α s is the angular displacement per step. The angular displacement α s per step can be calculated by the following equation.
αs=αmax/ns
ここで、αmaxはスピンドル205が揺動される最大の角度αであり、nsは一サイクル当たりのステップ数である。一サイクル当たりのステップ数は、以下の式を使用して計算可能である。
α s = α max / ns
Here, α max is the maximum angle α at which the
ns=αmax/β
ここで、αmaxはスピンドル205が揺動される最大の角度αであり、βは接触領域の角度寸法である。研磨中の現在の角度は以下の式を使用して計算可能である。
n s = α max / β
Here, α max is the maximum angle α at which the
α=αsNs
ここで、αsは一ステップ当たりの角度変位であり、Nsは現在のステップ数である。
α = α s N s
Here, α s is the angular displacement per step, and N s is the current number of steps.
製作品204を研磨する総サイクル数を計算するために、研磨の際に除去される材料層の厚さは、以下の式に従って計算される。 In order to calculate the total number of cycles to polish the workpiece 204, the thickness of the material layer removed during polishing is calculated according to the following equation:
K=k1+k2
ここで、k1は初期の表面粗さ(μm)であり、k2は表面下の損傷を受けた層の厚さ(μm)である。従って、必要なサイクル数Nは、以下の式を使用して決定可能である。
K = k 1 + k 2
Here, k 1 is the initial surface roughness (μm) and k 2 is the thickness (μm) of the damaged layer under the surface. Thus, the required number of cycles N can be determined using the following equation:
N=K/k3
ここで、k3は、研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さである。
N = K / k 3
Here, k 3 is the thickness of the material layer of the workpiece to be removed during one cycle of polishing.
各ステップの静止時間は、以下の式を使用して計算可能である。 The quiesce time of each step can be calculated using the following formula:
td=k3I/V
ここで、k3は研磨の一サイクルの間に除去される製作品の材料層の厚さであり、Iは重複係数であり、Vは材料の除去速度である。従って、製作品の研磨に必要な総時間Tは、以下の式を使用して計算可能である。
t d = k 3 I / V
Here, k 3 is the thickness of the material layer of the workpiece to be removed during one cycle of polishing, I is an overlap factor, V is a rate of removal of material. Therefore, the total time T required to polish the product can be calculated using the following formula:
T=tdnsN
ここで、tdは各ステップの静止時間であり、nsは一サイクル当たりのステップ数であり、Nは必要なサイクル数である。
T = t dn s N
Here, t d is the stationary time of each step, n s is the number of steps per cycle, and N is the required number of cycles.
表面の形状が変更できないこと、あるいは表面の各位置での特有の材料の除去目標が、静止時間を変更することによって達成可能であることが必要とされる場合、研磨は、表面の各位置から均等に材料を除去する状況の下で行われる。 If it is required that the shape of the surface cannot be changed, or that a specific material removal target at each location on the surface can be achieved by changing the rest time, polishing is performed from each location on the surface. This is done under conditions that evenly remove material.
非球面の製作品204が研磨される際、手順は、球面の製作品について説明されたものと概略同様である。非球面の製作物204は、研磨される製作品の部分の湾曲部の半径に依存して静止時間を変更することによって、必要な形状に研磨可能である。非球面の製作品の研磨の他の実施形態では、製作品用スピンドル205もまた、研磨の際に垂直に移動可能である。非球面の物を研磨するために、上述された計算は、湾曲部の異なる半径を有する製作品の各部分のために達成可能である。製作品が角度αまで揺動される場合、研磨される非球面の製作品の部分の湾曲部の半径が変化する。研磨される製作品204の部分の湾曲部の瞬間の半径を回転位置214に一致させるために、製作品用スピンドル205の揺動は、非球面の物を研磨する際に、スピンドル用送り台208によって垂直な運動を伴わされる。
When the aspheric product 204 is polished, the procedure is generally the same as that described for the spherical product. The aspherical workpiece 204 can be polished to the required shape by changing the rest time depending on the radius of curvature of the part of the workpiece to be polished. In another embodiment of polishing an aspheric workpiece, the
更に、必要な場合には、磁場の強度もまた、研磨の際の各処理段階で変更可能である。材料の除去速度Vは、図7に示されるように、磁場の強度Gの関数である。それゆえ、例えば静止時間又はクリアランスである、作動パラメータの量の変更が可能である。従って、磁場の強度は、研磨工程を制御する他の手段として使用可能である。 Furthermore, if necessary, the strength of the magnetic field can also be changed at each processing stage during polishing. The material removal rate V is a function of the magnetic field strength G, as shown in FIG. It is therefore possible to change the amount of the operating parameter, for example the resting time or the clearance. Thus, the strength of the magnetic field can be used as another means of controlling the polishing process.
図3を参照して、本発明の他の実施形態が示される。図3には、容器301の内側の壁は、電磁石306の隙間を通じて延長する付加的な円形の凹部を有する。容器301の内側の壁のこの構成によって、より小さく、より集中された研磨領域310がもたらされ、更にMP流体302と容器301との間の粘着性の増加が達成される。より小さく、より集中された研磨領域によって、より小さい接触領域RZがもたらされる。全ての他の点において、図3に示される実施形態は、図2に示される実施形態と同様である。
Referring to FIG. 3, another embodiment of the present invention is shown. In FIG. 3, the inner wall of the container 301 has an additional circular recess that extends through the gap of the
例1
ガラスレンズの研磨は、図2に示される装置を使用して達成された。製作品204は以下のような初期のパラメータを有する。
Example 1
Glass lens polishing was accomplished using the apparatus shown in FIG. The product 204 has the following initial parameters.
a)ガラスの型式・・・・・・・・・・・・・・・・BK7
b)形状・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・球面
c)直径、mm・・・・・・・・・・・・・・・・・・20
d)湾曲部の半径、mm・・・・・・・・・・・・・・40
e)中央の厚さ、mm・・・・・・・・・・・・・・・15
f)形状に対する初期の適合性、波・・・・・・・・0.5
g)初期の表面粗さ、nm、rms・・・・・・・・100
電磁石の磁極片206に近接する内側の壁の湾曲部の半径が200mmである容器201が使用された。中心軸219からの半径は145mmであり、容器の凹部の幅は60mmであった。容器201は、以下の組成を有する300mlのMP流体202で満たされた。
a) Glass type ... BK7
b) Shape ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Spherical surface c) Diameter, mm ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 20
d) Radius of the curved part, mm ... 40
e) Center thickness, mm ... 15
f) Initial suitability for shape, wave ... 0.5
g) Initial surface roughness, nm, rms ... 100
A
成分 重量百分率
ポリリット(Polirit)(セリウム酸化物) 10
カルボニル鉄粉末(Carbonyl iron powder) 60
エアロジル(Aerosil)(ヒュームドシリカ) 2.5
グリセリン 5.5
蒸留水 残分
材料の除去速度を決定するために、研磨される製作品と同一の試験製作品204が、任意に選択された標準パラメータで研磨された。試験製作品は、製作品用スピンドル205に取着されかつスピンドル用送り台208によって配置され、研磨される製作品の表面と回転可能なテーブル216(軸214)の回転位置との間の距離は、40mm(製作品204の表面の湾曲部の半径)と等しくされた。回転可能なテーブル216を使用して、製作品205の回転軸は、角度α=0°の垂直位置に調節された。研磨される製作品204の表面と容器201の下部との間のクリアランスhは、テーブル用送り台217を使用して2mmに調節された。
Ingredient Weight percentage Polirit (cerium oxide) 10
Carbonyl iron powder 60
Aerosil (fumed silica) 2.5
Glycerin 5.5
Distilled Water Residue To determine the material removal rate, a test product 204 identical to the product to be polished was polished with arbitrarily selected standard parameters. The test product is attached to the
続いて、製作品用スピンドル205及び容器201の両方が回転された。製作品用スピンドルの回転速度は500rpmであり、容器の回転速度は150rpmであった。20mmに等しい磁気間隙を有する電磁石206は、製作品の表面の近くの磁場の強度が約350kA/mであるレベルで作動された。全てのパラメータは一定に保持され、製作品は、明瞭な領域を製作するのに十分である、約10分の間研磨された。
Subsequently, both the
次に、製作品が製作品用スピンドル205から取り外された。次いで、適切な光学顕微鏡を使用して計測が行われ、製作品の中央からの距離R(mm)の関数として、元の表面から除去された材料の量H(μm)が決定された。ここで説明される例では、チャプマンインストラメント(Chapman Instrument)MP2000光学プロファイラーが使用され、除去された材料の量が計測された。利用可能な度量衡学に依存して、約20の測定が20mmの距離に及んで行われる。この例では、16の測定が19.7mmに及んで行われた。この例のこれらの計測の結果が、図4に描かれている。これらの結果は、設置された機械の研磨領域を規定し、製作品を完成するために必要な研磨プログラムの計算の入力値として使用される。研磨プログラムの計算のためにこの例で得られる入力値は、以下のようである。
Next, the product was removed from the
1.製作品のパラメータ:
a)全球面の半径、Rsf、mm・・・・・・・39.6
b)製作品の半径、RW、mm・・・・・・・・24.3
2.研磨領域のパラメータ:
a)接触領域の半径、RZ、mm・・・・・・・17.9
b)(d/dr)(dH/dr)=0、Rd、mmの
位置の半径・・・・・・・・・・・・・・・10
c)Hの最大値、Hmax、μm・・・・・・・21.5
d)Hの最小値、Hmin、μm・・・・・・・・0.5
3.研磨領域の除去された材料の空間分布:
R、mm H、μm
0.0 15.2
3.3 19.5
5.1 21.5
6.4 20.9
7.5 19.2
8.9 16.8
10.8 11.9
12.4 9.8
13.8 6.7
15 5.1
16.2 3.8
17.2 3.0
18.2 1.9
18.6 1.3
19.3 1.3
19.7 0.5
これらの入力値を使用して、製作品の完成に必要とされる研磨が決定される。本発明の好適な実施例では、コンピュータプログラムが使用され、必要なパラメータが計算されかつ研磨の作動が制御される。研磨の要件の決定は、角度αを変更するステップ数、各ステップの角度αの値、及び各ステップの静止時間の決定を有し、その結果、上述されたような、研磨領域の重複による製作品の表面上の材料の除去が一定に維持される。
1. Product parameters:
a) Radius of the entire spherical surface, R sf , mm ... 39.6
b) Radius of the work, R W , mm ... 24.3
2. Polishing area parameters:
a) Radius of the contact area, R Z , mm... 17.9
b) (d / dr) (dH / dr) = 0, R d , mm
Position radius ... 10
c) Maximum value of H, H max , μm 21.5
d) Minimum value of H, H min , μm 0.5
3. Spatial distribution of removed material in the polishing area:
R, mm H, μm
0.0 15.2
3.3 19.5
5.1 21.5
6.4 20.9
7.5 19.2
8.9 16.8
10.8 11.9
12.4 9.8
13.8 6.7
15 5.1
16.2 3.8
17.2 3.0
18.2 1.9
18.6 1.3
19.3 1.3
19.7 0.5
These input values are used to determine the polishing required to complete the product. In the preferred embodiment of the present invention, a computer program is used to calculate the necessary parameters and control the operation of the polishing. The determination of the polishing requirements includes the determination of the number of steps to change the angle α, the value of the angle α of each step, and the rest time of each step, and as a result, as described above, due to overlapping polishing regions. The removal of material on the surface of the work is kept constant.
この例の製作品のパラメータ、研磨領域のパラメータ、及び研磨領域の除去された材料の空間分布は、研磨方法の間にシステムを制御するのに使用される。この例では、結果が、この目的のためにコンピュータプログラムに入力された。計算の結果は以下の通りであった。 The parameters of the example workpiece, the parameters of the polishing area, and the spatial distribution of the removed material in the polishing area are used to control the system during the polishing method. In this example, the results were entered into a computer program for this purpose. The calculation results were as follows.
研磨レジーム
表1
角度α 時間係数 制御半径、mm
0.00 1.000 0.00
1.79 1.000 1.25
3.58 1.000 2.49
5.37 1.000 3.74
7.16 1.000 4.98
8.95 1.000 6.22
10.74 1.208 7.45
12.53 1.208 8.68
14.32 1.208 9.89
16.11 1.416 11.10
17.90 1.624 12.29
19.70 1.832 13.48
21.49 2.040 14.65
23.28 2.040 15.81
25.07 2.040 16.95
26.86 1.624 18.07
28.65 1.832 19.18
30.44 38.119 20.26
ここで使用されているように、制御半径は、製作品の中央の垂直の軸に対する研磨領域の相対位置を表す。制御半径は角度αによって決定され、研磨の際、制御半径は、制御される制御半径よりもむしろ角度αによって決定される。
Polishing regime
Table 1
Angle α Time coefficient Control radius, mm
0.00 1.000 0.00
1.79 1.000 1.25
3.58 1.000 2.49
5.37 1.000 3.74
7.16 1.000 4.98
8.95 1.000 6.22
10.74 1.208 7.45
12.53 1.208 8.68
14.32 1.208 9.89
16.11 1.416 11.10
17.90 1.624 12.29
19.70 1.832 13.48
21.49 2.040 14.65
23.28 2.040 15.81
25.07 2.040 16.95
26.86 1.624 18.07
28.65 1.832 19.18
30.44 38.119 20.26
As used herein, the control radius represents the relative position of the polishing area relative to the central vertical axis of the workpiece. The control radius is determined by the angle α, and during polishing, the control radius is determined by the angle α rather than the controlled control radius.
次いで、各角度の静止時間が、定数によって表1の時間係数を増加させることによって分に変換される。時間係数を静止時間に変換するのに使用される定数は、製作品の特徴に依存する。ここでの例では、この不変量は、経験的に5分に決定された。 The rest time for each angle is then converted to minutes by increasing the time factor in Table 1 by a constant. The constant used to convert the time factor to rest time depends on the characteristics of the product. In this example, this invariant was empirically determined to be 5 minutes.
表1からの結果を使用して、プログラムに作成可能な制御装置212は、プログラムが組まれた。研磨される製作品204が製作品用スピンドル205に取着され、試験製作品のための説明された手続きが、プログラムに作成可能な制御装置212の自動的な制御の下で繰り返された。以下の結果が得られた。
Using the results from Table 1, the controller 212 that can be created into a program was programmed. The work piece 204 to be polished was attached to the
研磨結果
形状に対する最終的な適合性、波・・・・・・・1
最終的な粗さ、μm・・・・・・・・0.0011
上述された実施形態に加えて、本発明の装置の複数の代わりの実施形態が存在する。これらの代わりの実施形態の幾つかは、図9〜30で示される。これらの図によって示されるように、磁気粘性流体、磁場を引き起こす手段、及び研磨される物を移動する手段又は互いに関する磁場を引き起こす手段のみが、本発明に関する装置の構成に必要である。例えば、図9〜11は、磁気粘性流体が容器に収容されない本発明の実施形態を説明する。
Polishing result Final conformity to shape, wave ... 1
Final roughness, μm ・ ・ ・ 0.0011
In addition to the embodiments described above, there are multiple alternative embodiments of the device of the present invention. Some of these alternative embodiments are shown in FIGS. As shown by these figures, only the magnetorheological fluid, the means for causing the magnetic field, and the means for moving the object to be polished or the means for causing the magnetic field relative to each other are necessary for the construction of the apparatus according to the invention. For example, FIGS. 9-11 illustrate embodiments of the present invention in which the magnetorheological fluid is not contained in a container.
図9では、MP流体902は電磁石906の極片に配置される。電磁石906が配置され、その結果、電磁石906が製作する磁場は、研磨される物904の特有の表面部分にのみ作用し、研磨領域を製作する。作動中、物904が回転される。続いて、電磁石906と物904のいずれか、あるいは電磁石906及び物904の両方が移動され、その結果、段階的に物の全表面が研磨される。電磁石906、研磨される物904、又は両方が、互いに関して垂直及び/又は水平面内を移動可能である。研磨の際、磁場の強度もまた必要に応じて調整され、物904を研磨する。研磨の予め決定されたプログラムに従う物904の回転、電磁石906及び/又は物904の運動、及び磁場の強度の調整により、研磨される物904の表面からの材料の除去が制御される。
In FIG. 9, the
図10は、湾曲表面を研磨する装置を説明する。図10では、MP流体1002は、電磁石1006の極片に配置される。電磁石1006は、構成されて、研磨される物1004の幾つかの表面部分のみに影響を及ぼす磁場を発生する。球面又は非球面を有する研磨される物1004が回転される。電磁石1006は、図10の矢印によって示されるように、物1004の湾曲部の半径に相当する軌道に沿って角度α移動され、その結果、予め決定された研磨プログラムに従って、電磁石は物の表面に平行に移動され、従って、部分表面に沿って材料の除去が制御される。
FIG. 10 illustrates an apparatus for polishing a curved surface. In FIG. 10, the
図11では、更にMP流体1102は、電磁石1106の極片に配置される。電磁石は、構成されて、研磨される物1104の幾つかの表面部分にのみ作用する磁場を発生する。作動中、球面又は非球面の表面を有する研磨された物1104が回転される。続いて、研磨される物1104が揺動され、その結果、図11に示される角度αが、0から、製作品のサイズ及び形状に依存する値まで変化する。電磁石1106に関して製作品1104を揺動すること、従って予め決定された研磨のプログラムに関して角度αを変更することにより、研磨される物の表面に沿って材料の除去が制御される。
In FIG. 11, the
図12では、MP流体1202は、容器1201内に配置される。電磁石1206は、容器1201の下に配置されかつ構成されて、容器1201内のMP流体1202の一部分又は研磨領域1210にのみ影響を与える磁場を引き起こす。研磨領域1210のMP流体は、磁場の存在下で有効に材料を除去するための塑性特性を必要とする。研磨される物1204は回転され、電磁石1206は、研磨される表面に沿って移動される。続いて製作品は、研磨される物の表面に沿う材料の除去を制御する予め決定されたプログラムに従って研磨可能である。
In FIG. 12, the MP fluid 1202 is disposed in the
図13では、MP流体1302は容器1301内に配置される。電磁石1306は、構成されて、MP流体1302の一部分又は研磨領域1310にのみ影響を与える磁場を引き起こす。従って、MP流体1302は、研磨領域1310に配置された研磨される物1304の部分にのみ影響を与える。一致する軸を備えた、研磨される物1304及び容器1301は、等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転される。割り当てられたプログラムに従って、容器の表面に沿って迅速に電磁石1306を移動することによって、研磨領域1310は移動されかつ研磨される物の表面に沿う材料の除去が制御される。
In FIG. 13, the
図14では、MP流体1402は容器1401内に配置される。永久磁石1406のシステムを収容するケーシング1419は、容器1401の下に設置される。各磁石1406によって製作される電磁場は、研磨される物の一部分又は研磨領域1410にのみ影響を与える。作動中、研磨される物1404及び容器1401は、同時に回転される。研磨される物1404及び容器1401の回転軸は、互いに関して偏心している。ケーシング1419又は研磨される物1404、あるいはその両方は、研磨の予め決定されたプログラムに従って同時に移動され、研磨される物の表面に沿う材料の除去が制御される。
In FIG. 14, the
図15では、MP流体1502は容器1501内に配置される。電磁石1506は容器の下に配置され、その結果、電磁石の磁場は、容器1501内のMP流体1502の一部分又は研磨領域1510にのみ影響を及ぼす。球面又は湾曲された形状を有する研磨される物1504及び容器1501は、同一又は反対方向に回転される。研磨中、物1504は揺動され、図15に示される角度αが、0から、物1504のサイズ及び形状に依存する値まで変化する。物1504及び容器1501の回転、及び角度αは、予め決定された研磨のプログラムに従って制御される。結果として、研磨される物の表面に沿う材料の除去が制御される。
In FIG. 15, the MP fluid 1502 is disposed in the
図16では、MP流体1602は長手の容器1601内に配置される。容器1601の内側の凹部の形状は、物1604の表面に平行に選択され、容器の内側の壁は、α=0の際に、物1604の母線から等距離である。電磁石1606は、容器1601の下方に配置され、MP流体1602の一部分又は研磨領域1610に磁場を引き起こす。作動中、電磁石1606は容器1601の下部に沿って移動され、物1604及び容器1601は回転される。更に物は、研磨プログラムの間に角度αまで揺動される。物1604及び容器1601の回転、電磁石1606の運動、及び予め決定された研磨プログラムに従う物1604の揺動により、研磨される物1604の表面からの材料の除去が制御される。
In FIG. 16, the
図17では、MP流体1702は、環状の凹部を備えた円形の容器1701内に配置される。電磁石1706は容器1701の下に配置される。電磁石1706は選択され、電磁石の磁場は、MP流体1702の一部分又は研磨領域1710に影響を及ぼす。研磨される物1704及び容器1701は、同一又は反対方向に、等速又は異なる速度で回転される。研磨プログラムに従う、容器1701の環状の凹部の下部に沿った電磁石1706の迅速な移動により、研磨される物1704の表面に沿った材料の除去が制御される。
In FIG. 17, the MP fluid 1702 is placed in a
図18では、MP流体1802は、環状の凹部を備えた円形の容器1801内に配置される。容器の下部はナップ材料1815で覆われ、ナップ材料1815は、容器の下部1801に関するMP流体1802の滑りを防止し、更に物の表面からの材料の除去速度を増加させる。電磁石1806は、容器の凹部1801の下に配置される。電磁石1806の極片は選択され、電磁石の磁場は、MP流体の一部分又は研磨領域1810にのみ影響を及ぼし、それゆえ電磁石1806は、研磨される物1804の表面の部分にのみ影響を及ぼす。
In FIG. 18, the MP fluid 1802 is disposed in a
研磨される物1804、長手の容器1801、又はその両方は、等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転される。更に電磁石1806は、研磨プログラムに従って研磨される物1804の表面に関して移動される。
The object to be polished 1804, the
図19では、MP流体1902は、円形の容器1901の環状の凹部内に配置される。容器の凹部の湾曲部の半径は、研磨後の必要な物1904の湾曲部の半径に相当して選択され、凹部1901の内側の壁は研磨される物1904の表面まで等距離にされる。スピンドル1905に配置された研磨される物1904及び容器1901は、等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転される。電磁石1906は、予め決定されたプログラムに従って容器の凹部1901の下部に沿って移動され、研磨される物の表面に沿う材料の除去が制御される。
In FIG. 19, the
図20では、更にMP流体2002は、環状の凹部を備えた円形の2001容器内に配置される。電磁石2006は容器2001の下に配置される。電磁石2006の極片は、電磁石の磁場がMP流体2002の一部分又は研磨領域2010のみに影響を及ぼすように選択され、それゆえ電磁石の磁場は、研磨される物2004の表面部分にのみ影響を及ぼす。
In FIG. 20, the
研磨される物2004及び容器2001は、等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転される。更に研磨される物2004は、容器に関して揺動される。物は、予め決定されたプログラムに従う研磨の際に、垂直位置から角度αまで揺動され、研磨される表面に沿う材料の除去が制御される。
The object to be polished 2004 and the container 2001 are rotated in the same or opposite direction at a constant speed or at different speeds. Further, the
図21では、MP流体2102は、くぼみ2120を有する環状の凹部を備えた円形の容器2101に配置される。電磁石2106の極片は、電磁石の磁場がMP流体2101の一部分又は研磨領域2110にのみ影響を及ぼすように選択される。図21では、磁場によって影響を及ぼされるMP流体2102のその部分は、くぼみ2120の内部又は上に配置される。
In FIG. 21, the
研磨される物2104は回転される。更に、研磨される物2104は、割り当てられたプログラムに従って、容器の回転面に垂直な軸に関して角度αまで揺動され、研磨される物の表面に沿う材料の除去が制御される。 The object 2104 to be polished is rotated. Furthermore, the object 2104 to be polished is rocked to an angle α with respect to an axis perpendicular to the plane of rotation of the container according to the assigned program, and the removal of material along the surface of the object to be polished is controlled.
図22では、MP流体2202は円筒形の容器2201内に配置される。研磨される物2204a、2204b等はスピンドル2205a、2205b等に固定され、スピンドル2205a、2205b等は水平面内を回転可能なディスク2221に固定される。電磁石2206は容器の下に取着され、容器2201の全表面に沿って磁場を製作する。
In FIG. 22, the
ディスク2221、容器2201、及び研磨される物2204a、2204bは、同一又は反対方向に、等速又は異なる速度で回転される。磁場の強度と、ディスク、容器、及び物の回転を調整することによって、研磨される物の表面からの材料の除去速度が制御される。
The
図23では、MP流体2302は容器2301内に配置される。電磁石2306は、容器の下部の下方に取着される。電磁石の極片は選択されて、電磁石は磁場を製作し、磁場は、容器2301のMP流体2302の一部分又は研磨領域2310にのみ影響を与える。研磨される物2304a、2304b等はスピンドル2305a、2305b等に固定され、スピンドル2305a、2305b等は、ディスク2321に関して回転可能であり、ディスク2321上に取着される。更にディスク2321は、容器2301に関して回転可能である。
In FIG. 23, the
ディスク2321、研磨される物2304a、2304b等、及び容器2301は、等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転される。更に、電磁石2306は、容器の表面に沿って迅速に移動される。この回転、及び容器の表面に沿う電磁石2306の移動が調整されて、研磨される物の表面からの材料の除去が制御される。
The
図24では、MP流体2402は容器2401内に配置される。電磁石2406a、2406b等は容器の下部の近くに配置される。電磁石2406a、2406b等の極片は、各電磁石が容器の流体2402の一部分又は研磨領域2410a、2410b等にのみ影響を与える場を製作するように選択される。研磨される物2404a、2404b等はスピンドル2405a、2405b等に配置され、スピンドル2405a、2405b等は、取着されるディスク2421に関して回転可能である。ディスク2421、研磨される物2404a、2404b等、及び容器2401は、等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転される。更に電磁石2406a、2406b等は、容器2401の下部表面に沿って半径方向に移動される。この回転及び容器の表面に沿う電磁石2406a、2406b等の移動が調整されて、研磨される物の表面からの材料の除去が制御される。
In FIG. 24, the MP fluid 2402 is disposed in the container 2401. The electromagnets 2406a, 2406b, etc. are arranged near the bottom of the container. The pole pieces, such as electromagnets 2406a, 2406b, are selected to create a field where each electromagnet affects only a portion of the container fluid 2402, or the
図25では、MP流体2502は、環状の凹部を備えた円形の容器2501内に配置される。研磨される物2504a、2504b等はスピンドル2505a、2505b等に配置される。電磁石2506a、2506b等は容器2501の下に配置され、電磁石に引き起こされる磁場は、MP流体の全容量及び研磨される物の全表面に影響を及ぼす。容器2501及び研磨される物2504a、2504b等は、同一又は反対方向に、等速又は異なる速度で回転される。更に電磁石に引き起こされる磁場の強度も制御される。この結果、研磨される物の表面からの材料の除去が制御される。
In FIG. 25, the MP fluid 2502 is placed in a
図26では、MP流体2602は、環状の凹部を備えた円形の容器2601内に配置される。研磨される物2604a、2604b、2604c、2604d等はスピンドル2605a、2605b、2605c、2605d等に配置され、スピンドル2605a、2605b、2605c、2605d等は、水平面内を回転可能なディスク2621に取着される。
In FIG. 26, the
電磁石2606a、2606b等は容器の表面の下に取着される。電磁石の極片は選択され、電磁石は、容器の全幅に及んで磁場を製作する。 Electromagnets 2606a, 2606b, etc. are attached below the surface of the container. The pole pieces of the electromagnet are selected and the electromagnet creates a magnetic field across the full width of the container.
容器2601、ディスク2621、及び研磨される物2604a、2604b、2604c、2604dを等速又は異なる速度で、同一又は反対方向に回転することによって、ある磁場の強度の材料の除去速度が制御される。
By rotating the
図27では、MP流体2702は、環状の容器を有する円形の容器2701内に配置される。電磁石2706は、容器3501の全表面に沿って磁場を引き起こす。研磨される物2704a、2704b、2704c、2704d等はスピンドル2705a、2705b、2705c、2705d等に配置される。スピンドル2705a、2705b、2705c、2705d等は、水平面内を回転可能なディスク2721a、2721b等に配置される。ディスク2721a、2721b等は、スピンドル2724a、2724b等に配置される。この図は、複数の物を同時に研磨することが可能な一つの構想を説明する。
In FIG. 27, the
図28では、MP流体2802は容器2801内に配置される。永久に固定された磁石2823を備えた二つのユニット2822a、2822bは、容器2801の内側に取着される。
In FIG. 28, the
研磨される平坦な物2804は、ユニット2822a及び2822bの間に配置される。ユニット2822a及び2822bは水平軸回りに回転される。これらのユニットは等速で回転され、磁場及び研磨領域2810は、異なる符号の極片が互いに反対に位置する際に製作される。研磨される物2804は、研磨領域が物の両方の表面に製作されるように移動される。材料の除去速度は、ユニット2822a、2822bの回転速度、及び物2804が垂直に移動される速度で制御される。
A
図29では、MP流体2902は容器2901内に配置される。マグネット2923を備えたユニット2922は、容器の内側に配置され、研磨される物2904の移動方向に垂直な軸に沿って回転可能である。マグネットはユニットに配置され、並行して配置された永久磁石は、互いに関して異なる符号の極片を有し、マグネットの間に研磨領域2910が製作される。
In FIG. 29,
研磨は、ユニット2922を回転すること、及び垂直面内の研磨される物2904へ走査運動を与えることによって達成される。材料の除去速度は、ユニット2922の回転速度と、研磨される物が移動される速度とを変更することによって制御される。
Polishing is accomplished by rotating
図30は、球面の物を研磨する装置を説明する。物3004a、3004b等は、頂部の容器3001bと下部の容器3001aとの間に形成された溝3025に配置される。溝3025には、電磁石3006によって引き起こされる磁場の影響を受けるMP流体3002が満たされる。作動中、頂部の容器3001a及び下部の容器3001bは、互いに反対方向に回転される。容器3001a及び3001bと共にMP流体3002が回転することにより、球面の物が研磨される。
FIG. 30 illustrates an apparatus for polishing a spherical object.
Claims (54)
前記磁気粘性流体の流れを、前記クリアランスを介して導入し、
概ね前記クリアランスに磁場を適用して磁気粘性流体内に研磨ないし加工領域を製作し、前記領域は、前記製作品の表面の一部分に係合して前記一部分において材料を除去するための一時的な工具を形成しており、前記領域は、仕上げられる製作品の表面の区域よりも小さい区域において製作品の表面と係合しており、
前記製作品又は前記領域を互いに関し移動させて製作品の表面の異なる部分が予め定められた静止時間だけ前記領域に露出されるようにし、それにより製作品の表面のこれら部分が予め定められた度合いに選択的に仕上げられるようにする、
工程を含む、
磁気粘性流体を用いて製作品を仕上げる方法。 Positioning the work piece with clearance from the surface adapted to hold a magnetic viscous fluid including magnetic particles, a layer of protective material to inhibit oxidation of the magnetic particles, a stabilizer and a carrier fluid;
Introducing the flow of the magnetorheological fluid through the clearance;
A magnetic field is generally applied to the clearance to create a polishing or machining area in the magnetorheological fluid, the area engaging a portion of the surface of the workpiece to remove material in the portion. Forming a tool, said area engaging the surface of the work piece in an area smaller than the area of the surface of the work piece to be finished,
The product or the region is moved relative to each other so that different portions of the surface of the product are exposed to the region for a predetermined rest time, thereby predetermining those portions of the surface of the product. To be selectively finished to the degree,
Including steps,
A method of finishing a work using a magnetorheological fluid.
前記表面からクリアランスをもって製作品を保持しかつ位置決めし、それにより、前記表面がクリアランスを介する前記磁気粘性流体の流れを発生させるようにするための製作品ホルダと、
前記製作品の表面の一部分に係合して前記一部分において材料を除去するための一時的な工具を形成するために、前記クリアランスに磁場を適用することより、前記クリアランスを介し流れる磁気粘性流体内に加工ないし研磨領域を製作するための磁石であって、前記領域は、仕上げられる製作品の表面の区域よりも小さい区域において製作品の表面と係合している磁石と、
前記製作品又は前記領域を互いに関し移動させて製作品の表面の異なる部分が予め定められた静止時間だけ前記領域に露出されるようにし、それにより製作品の表面のこれら部分が予め定められた度合いに選択的に仕上げられるようにするための手段と、
を具備した、
磁気粘性流体を用いて製作品を仕上げる装置。 A surface for holding a volume of magnetorheological fluid including magnetic particles, a layer of protective material for inhibiting oxidation of the magnetic particles, a stabilizer, and a carrier fluid;
A workpiece holder for holding and positioning the workpiece with clearance from the surface, thereby causing the surface to generate a flow of the magnetorheological fluid through the clearance;
In the magnetorheological fluid flowing through the clearance by applying a magnetic field to the clearance to engage a portion of the surface of the work piece and form a temporary tool to remove material at the portion. A magnet for producing a machined or polished area, wherein the area is engaged with the surface of the workpiece in a smaller area than the area of the surface of the finished workpiece;
The product or the region is moved relative to each other so that different portions of the surface of the product are exposed to the region for a predetermined rest time, thereby predetermining those portions of the surface of the product. Means to be selectively finished to a degree;
With
A device that uses a magnetorheological fluid to finish a product.
前記研磨領域の前記流体の粘稠度を制御し、
物を前記流体の前記研磨領域に接触させ、
前記物及び前記研磨領域を互いに関して移動させ、
前記物の材料の除去速度を決定し、
前記物に関する前記研磨領域の運動の方向及び速度を決定し、
必要な研磨のサイクル数を決定する、
工程を含み、
前記必要な研磨のサイクル数を決定する工程は、
初期表面粗さを決定し、
表面下の損傷を受けた層の厚さを決定し、
初期表面形状を決定し、
研磨の一サイクルの間に除去される物の前記材料の層の厚さを決定する、
工程を含み、
前記物の材料の除去速度を決定する工程は、
材料の除去の空間分布を決定し、
任意のある時間に前記研磨領域と接触する前記物の接触部分のサイズを決定する、
工程を含む、物を研磨する方法。 A polishing region is produced in a magnetorheological fluid including magnetic particles, a layer of a protective material for suppressing oxidation of the magnetic particles, a stabilizer, and a supporting fluid,
Controlling the consistency of the fluid in the polishing region;
Bringing an object into contact with the polishing region of the fluid;
Moving the object and the polishing region relative to each other;
Determine the removal rate of the material of the object,
Determining the direction and speed of movement of the polishing region relative to the object;
Determine the number of polishing cycles required,
Including steps,
The step of determining the required number of polishing cycles includes:
Determine the initial surface roughness,
Determine the thickness of the damaged layer under the surface,
Determine the initial surface shape,
Determining the thickness of the layer of material that is removed during one polishing cycle;
Including steps,
Determining the removal rate of said material,
Determine the spatial distribution of material removal,
Determining the size of the contact portion of the object that contacts the polishing region at any given time;
A method for polishing an object, comprising a step.
任意のある時間に前記研磨領域と接触する前記物の接触部分のサイズを決定し、
研磨の一サイクルの間に除去される材料の層の厚さを決定し、
前記研磨領域の速度を決定する、
工程を含む請求項29に記載の方法。 Determining the direction and speed of movement of the polishing region relative to the article,
Determining the size of the contact portion of the object that contacts the polishing region at any given time;
Determine the thickness of the layer of material removed during one polishing cycle;
Determining the speed of the polishing region;
30. The method of claim 29 , comprising steps.
任意のある時間に前記研磨領域と接触する前記物の接触部分のサイズを決定し、
一ステップの前記研磨領域の移動量を決定し、
重複係数を決定し、
研磨の一サイクルの間に除去される前記材料の層の厚さを決定し、
研磨の各ステップの静止時間を決定し、
必要なステップ数を決定する、
工程を含む請求項31に記載の方法。 Determining the direction and speed of movement of the polishing region relative to the article,
Determining the size of the contact portion of the object that contacts the polishing region at any given time;
Determining the amount of movement of the polishing area in one step;
Determine the overlap factor,
Determining the thickness of the layer of material removed during one polishing cycle;
Determine the rest time of each step of polishing,
Determine the number of steps required,
32. The method of claim 31 , comprising a step.
接触領域の角度寸法を決定し、
研磨の一サイクルの間に除去される前記材料の層の厚さを決定し、
前記角度αまでの前記物の移動の角速度を決定する、
工程を含む請求項34に記載の方法。 Moving the object from the vertical axis to the angle α at a continuous speed,
Determine the angular dimension of the contact area,
Determining the thickness of the layer of material removed during one polishing cycle;
Determining the angular velocity of movement of the object up to the angle α,
35. The method of claim 34 , comprising a step.
接触領域の角度寸法を決定し、
研磨の一サイクルの間に除去される前記材料の層の厚さを決定し、
一ステップの角度変位の値を決定し、
重複係数を決定し、
各ステップの静止時間を決定する、
工程を含む請求項36に記載の方法。 The step of moving the object from the vertical axis to the angle α in a discontinuous step further includes:
Determine the angular dimension of the contact area,
Determining the thickness of the layer of material removed during one polishing cycle;
Determine the value of angular displacement in one step,
Determine the overlap factor,
Determine the rest time of each step,
40. The method of claim 36 , comprising steps.
前記磁気粘性流体に近接して磁場を引き起こし、
前記磁場の方向及び強度を制御する、
工程を含む請求項28に記載の方法。 The process of creating a polishing area in a magnetorheological fluid is as follows:
Causing a magnetic field in proximity to the magnetorheological fluid;
Controlling the direction and intensity of the magnetic field;
30. The method of claim 28 , comprising steps.
前記磁気粘性流体を前記物に近接する領域の不均一な磁場にさらす工程を含み、該不均一な磁場は、該磁場の傾斜に垂直な磁場の線を有する、
請求項28に記載の方法。 The process of creating a polishing area in a magnetorheological fluid is as follows:
Subjecting the magnetorheological fluid to an inhomogeneous magnetic field in a region proximate to the object, the inhomogeneous magnetic field having a magnetic field line perpendicular to the gradient of the magnetic field;
30. The method of claim 28 .
(前記表面粗さ+前記表面下の損傷を受けた層の厚さ)/(前記除去される材料の層の厚さ) 29. The method of claim 28 , wherein determining the required number of polishing cycles comprises determining the number of cycles according to the following equation:
(The surface roughness + the thickness of the damaged layer under the surface) / (the thickness of the layer of material to be removed)
(2×接触部分の半径×材料の除去速度)/(除去される材料の層の厚さ) 32. The method of claim 30 , wherein determining the polishing region speed comprises determining the polishing region speed according to the following equation:
(2 × radius of contact portion × material removal rate) / (layer thickness of material to be removed)
(一ステップの移動量)/(2×接触部分の半径)
前記研磨の各ステップの静止時間を決定する工程は、以下の式に従って前記研磨の各ステップの静止時間を決定する工程を含み、
(除去される材料の層×重複係数)/(材料の除去速度)
前記必要なステップ数を決定する工程は、以下の式に従って前記必要なステップ数を決定する工程を含む、
(研磨される物の半径)/(一ステップの移動量)
請求項32に記載の方法。 Determining the overlap factor includes determining a speed of the overlap factor according to the following equation:
(Movement amount per step) / (2 x radius of contact part)
Determining the rest time of each step of the polishing includes determining the rest time of each step of the polishing according to the following equation:
(Removed material layer x overlap factor) / (Material removal rate)
Determining the required number of steps includes determining the required number of steps according to the following equation:
(Radius of the object to be polished) / (Movement amount per step)
The method of claim 32 .
(接触領域の角度寸法×材料の除去速度)/(除去される材料の層の厚さ)
請求項35に記載の方法。 Determining an angular velocity of movement of the object up to the angle α includes determining the angular velocity according to the following equation:
(Angular dimension of contact area × material removal speed) / (layer thickness of material to be removed)
36. The method of claim 35 .
(除去される材料の層の厚さ×重複係数)/(材料の除去速度)
請求項37に記載の方法。 Determining the quiesce time of each step includes determining the quiesce time according to the following equation:
(Layer thickness of material to be removed × duplication factor) / (material removal rate)
38. The method of claim 37 .
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