KR20220052366A - High Removal Rate Magnetorheological Finish Head - Google Patents

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KR20220052366A
KR20220052366A KR1020227010503A KR20227010503A KR20220052366A KR 20220052366 A KR20220052366 A KR 20220052366A KR 1020227010503 A KR1020227010503 A KR 1020227010503A KR 20227010503 A KR20227010503 A KR 20227010503A KR 20220052366 A KR20220052366 A KR 20220052366A
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KR
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finish
wheel
head
magnetorheological
magnetic field
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Application number
KR1020227010503A
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Korean (ko)
Inventor
윌리엄 메스너
조나단 데이비스
크리스토퍼 말로니
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퀘드 테크놀러지즈 인터내셔날, 인크.
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    • B24B13/01Specific tools, e.g. bowl-like; Production, dressing or fastening of these tools
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

체적 제거율을 최대화하도록 맞춤화된 자극편, 노즐 형상 및 휠 형상을 포함하는 자기 유변 마감 헤드. 자기 유변 유체의 리본을 위한 캐리어 휠은 비구면, 바람직하게는 회전축에 수직인 단반경 및 회전축에 평행한 장반경을 갖는 토로이드이지만, 휠의 형상은 휠의 회전축에 평행한 비구면 또는 자유형, 예컨대 토로이드형 또는 원통형일 수도 있다. 자극편들을 이들 사이에 한정된 간극에 걸쳐서 실질적으로 균일한 자기장을 생성하도록 성형함으로써 자기장은 유체 리본의 영역에서의 자기장 강도가 균일하도록 생성된다. 노즐에는 자기장의 폭 범위를 커버하는 폭을 갖는 유체 스트림을 제공하기 위해 비원형 개구부가 있다. 새로운 MRF 제거 기능을 허용하는 것은 이들 세 가지 특징의 조합이다.Magnetorheological finish head with pole piece, nozzle geometry and wheel geometry tailored to maximize volume removal rates. The carrier wheel for the ribbon of magnetorheological fluid is an aspherical surface, preferably a toroid with a minor radius perpendicular to the axis of rotation and a major radius parallel to the axis of rotation, but the shape of the wheel is aspheric or freeform, such as a toroid, parallel to the axis of rotation of the wheel. Or it may be cylindrical. By shaping the pole pieces to produce a substantially uniform magnetic field over a defined gap therebetween, the magnetic field is created such that the magnetic field strength in the region of the fluid ribbon is uniform. The nozzle has a non-circular opening to provide a fluid stream having a width that covers a range of widths of the magnetic field. It is the combination of these three features that allows for the new MRF cancellation capability.

Description

고 제거율 자기 유변 마감 헤드High Removal Rate Magnetorheological Finish Head

본 발명은 기재(substrate) 표면의 자기 유변 마감(magnetorheological finishing)을 위한 시스템에 관한 것으로서; 보다 구체적으로는, 대향하는 자극편들 사이에 배치되며 자기 유변 유체(MR 유체)를 휠의 표면 상에, 그리고 휠과 마감되고 있는 기재("워크피스(workpiece)")의 작업 표면 사이의 작업 구역("스폿(spot)")을 통해 전달할 수 있는 회전 가능한 작업 표면("휠"의 적도 부분의 외면)을 포함하는 자기 유변 마감 헤드― MR 유체는 전자석 또는 영구자석일 수 있는 자극편에 의해 가해지는 자기장을 받음으로써 "경화(stiffened)"되고, 경화된 MR 유체에 의한 마모를 통해 기재 표면으로부터 재료가 제거됨 ―에 관한 것이며; 가장 구체적으로는, 회전 가능한 작업 표면이 비구형(non-spherical)인 그러한 자기 유변 마감 헤드― 자극편은 실질적으로 균일한 자기장을 생성하고, MR 유체는 회전 가능한 작업 표면 상의 작업 구역에 유체 재료의 폭넓은 리본으로서 제공됨 ―에 관한 것이다.The present invention relates to a system for magnetorheological finishing of a substrate surface; More specifically, a magneto-rheological fluid (MR fluid) disposed between opposing pole pieces and working on the surface of a wheel and between the wheel and the working surface of a substrate being finished (“workpiece”). A magnetorheological finish head comprising a rotatable working surface (the outer surface of the equatorial portion of a "wheel") capable of passing through a zone (a "spot")—the MR fluid is transferred by means of a pole piece, which may be an electromagnet or a permanent magnet. "stiffened" by receiving an applied magnetic field, and material is removed from the substrate surface through abrasion by the hardened MR fluid; Most specifically, such a magnetorheological finish head with a rotatable working surface that is non-spherical—the pole piece generates a substantially uniform magnetic field, and the MR fluid is applied to a working area on the rotatable working surface of the fluid material. Supplied as a broad ribbon.

기재의 연마 마감(abrasive finishing) 및 폴리싱(polishing)을 위한 자기적으로 경화되는 자기 유변 유체의 사용은 잘 알려져 있다. 액체 캐리어 내에 분산된 자기적으로 연성의 연마 입자를 포함하는 이러한 유체는 자기장의 존재 하에서 자기적으로 유도된 소성 거동을 나타낸다. MR 유체의 겉보기 점도는 자기적으로 여러 자릿수만큼 증가될 수 있으므로, MR 유체의 점조도(consistency)는 거의 물과 같은 상태로부터 매우 단단한 연마 페이스트까지 변화한다. 이러한 연마 페이스트가 성형 또는 폴리싱될 기재 표면(예컨대, 광학 소자)에 대해 적절하게 인도되면, 매우 높은 수준의 마감 품질, 정확도 및 제어가 달성될 수 있다.The use of magnetically curing magnetorheological fluids for abrasive finishing and polishing of substrates is well known. Such a fluid comprising magnetically soft abrasive particles dispersed in a liquid carrier exhibits magnetically induced plastic behavior in the presence of a magnetic field. Since the apparent viscosity of the MR fluid can be magnetically increased by several orders of magnitude, the consistency of the MR fluid varies from an almost water-like state to a very hard abrasive paste. When such abrasive pastes are properly directed against the substrate surface to be shaped or polished (eg optical elements), very high levels of finish quality, accuracy and control can be achieved.

1998년 8월 18일에 등록된 Jacobs 등의 미국 특허 제5,795,212호인 "결정성 자기 유변 마감(Deterministic magnetorheological finishing)"은 MR 유체를 사용하여 워크피스 표면을 마감하는 방법 및 장치를 개시하는데, 여기에서는 워크피스가 워크피스 표면의 일부와 캐리어 표면 사이에 수렴 간극(converging gap)이 한정되도록 캐리어 표면 근처에 위치된다. 자기장이 간극에 실질적으로 인가되고 경화된 MR 유체의 흐름이 수렴 간극 내로 도입되어, 작업 구역이 MR 유체 내에 생성됨으로써, 워크피스 표면의 일부와 맞물려서 그 일부에서의 재료 제거를 일으키기 위한 개구 이하의 일시적 마감 툴(sub-aperture transient finishing tool)을 형성한다. 워크피스 또는 작업 구역은 워크피스 표면의 여러 부분들을 사전 결정된 기간 동안 작업 구역에 노출시켜서 워크피스 표면의 부분들을 선택적으로 사전 결정된 정도로 마감하도록 서로에 대해 이동된다.U.S. Patent No. 5,795,212 to Jacobs et al., issued August 18, 1998, "Deterministic magnetorheological finishing," discloses a method and apparatus for finishing a workpiece surface using an MR fluid, comprising: A workpiece is positioned near the carrier surface such that a converging gap is defined between a portion of the workpiece surface and the carrier surface. A magnetic field is applied substantially to the gap and a flow of hardened MR fluid is introduced into the converging gap, such that a working zone is created in the MR fluid, such that a transient sub-opening below the opening to engage and effect removal of material from a portion of the workpiece surface. Form a sub-aperture transient finishing tool. The workpiece or work zone is moved relative to each other to expose various portions of the workpiece surface to the work zone for a predetermined period of time to selectively finish portions of the workpiece surface to a predetermined degree.

1998년 11월 24일에 등록된 Jacobs 등의 미국 특허 제5,839,944호인 "워크피스의 결정성 마감을 위한 장치(Apparatus for deterministic finishing of workpieces)"는 MR 유체를 사용하여 워크피스 표면을 마감하기 위한 방법 및 장치를 개시하는데, 여기에서는 워크피스가 워크피스 표면의 일부와 캐리어 표면 사이에 수렴 간극이 한정되도록 캐리어 표면 근처에 위치된다. 자기장이 간극에 실질적으로 인가되고 경화된 MR 유체의 흐름이 수렴 간극 내로 도입되어, 작업 구역이 MR 유체 내에 생성됨으로써, 워크피스 표면의 일부와 맞물려서 그 일부에서의 재료 제거를 일으키기 위한 개구 이하의 일시적 마감 툴을 형성한다. 워크피스 또는 작업 구역은 워크피스 표면의 여러 부분들을 사전 결정된 기간 동안 작업 구역에 노출시켜서 워크피스 표면의 부분들을 선택적으로 사전 결정된 정도로 마감하도록 서로에 대해 이동된다.US Patent No. 5,839,944 to Jacobs et al., issued Nov. 24, 1998, "Apparatus for deterministic finishing of workpieces," is a method for finishing a workpiece surface using MR fluid. and an apparatus, wherein the workpiece is positioned proximate a carrier surface such that a converging gap is defined between a portion of the workpiece surface and the carrier surface. A magnetic field is applied substantially to the gap and a flow of hardened MR fluid is introduced into the converging gap, such that a working zone is created in the MR fluid, such that a transient sub-opening below the opening to engage and effect removal of material from a portion of the workpiece surface. Form a finishing tool. The workpiece or work zone is moved relative to each other to expose various portions of the workpiece surface to the work zone for a predetermined period of time to selectively finish portions of the workpiece surface to a predetermined degree.

1999년 9월 14일에 등록된 Kordonski 등의 미국 특허 제5,951,369호인 "기재의 자기 유변 마감을 위한 시스템(System for magnetorheological finishing of substrates)"은 기재의 자기 유변 마감의 효율성을 증가시키기 위한 개량된 시스템을 개시한다. 인라인 유량계는 작업 구역으로의 자기 유변 유체의 흐름이 일정하도록 하기 위해 가압 펌프의 회전 속도에 폐쇄 루프 링크되어 있다. 단순화된 모세관 점도계가 유체 전달 시스템의 출구에서 휠 표면 상에 배치된다. 유량계 및 점도계 압력 센서로부터의 출력 신호는 컴퓨터로 보내지는데, 이 컴퓨터는 작업 구역으로 전달되는 MRF의 점도를 계산하고, 공작물에 집중된 MR 유체에 캐리어 유체를 보충하여 점도를, 일정한 농도의 자성 고체가 작업 구역에 제공되는 것을 보장하도록 환원한다. 작업 구역에서의 계자석에 대한 비대칭 자극편은 작업 구역의 상류측에서 휠 표면을 따라 자기장을 확장하여, MRF가 워크피스와 맞물리기 전에 MRF를 충분히 자기적으로 경화하면서, 점도계 부근의 프린징 자기장(fringing field)을 최소화하고, 또한 작업 구역의 하류측에서 휠 표면을 따라 자기장을 단축시킨다.U.S. Patent No. 5,951,369 to Kordonski et al., issued September 14, 1999, "System for magnetorheological finishing of substrates," is an improved system for increasing the effectiveness of magnetorheological finishing of substrates. to start The inline flow meter is closed loop linked to the rotational speed of the pressurization pump to ensure a constant flow of the magnetorheological fluid to the work area. A simplified capillary viscometer is placed on the wheel surface at the outlet of the fluid delivery system. The output signals from the flowmeter and viscometer pressure sensors are sent to a computer, which calculates the viscosity of the MRF delivered to the work area, replenishes the MR fluid concentrated on the workpiece to obtain the viscosity by supplementing the carrier fluid with a constant concentration of magnetic solid. Return to ensure that the work area is provided. The asymmetrical pole piece to the field magnet in the working zone extends the magnetic field along the wheel surface upstream of the working zone, sufficiently magnetically hardening the MRF before it engages the workpiece, while the fringing magnetic field near the viscometer. It minimizes fringing field and also shortens the magnetic field along the wheel surface downstream of the working area.

2000년 8월 22일에 등록된 Jacobs 등의 미국 특허 제6,106,380호인 "결정성 자기 유변 마감(Deterministic magnetorheological finishing)"은 MR 유체를 사용하여 워크피스 표면을 마감하기 위한 방법 및 장치를 개시하는데, 여기에서는 워크피스가 워크피스 표면의 일부와 캐리어 표면 사이에 수렴 간극이 한정되도록 캐리어 표면 근처에 위치된다. 자기장이 간극에 실질적으로 인가되고 경화된 MR 유체의 흐름이 수렴 간극 내로 도입되어, 작업 구역이 MR 유체 내에 생성됨으로써, 워크피스 표면의 일부와 맞물려서 그 일부에서의 재료 제거를 일으키기 위한 개구 이하의 일시적 마감 툴을 형성한다. 워크피스 또는 작업 구역은 워크피스 표면의 여러 부분들을 사전 결정된 기간 동안 작업 구역에 노출시켜서 워크피스 표면의 부분들을 선택적으로 사전 결정된 정도로 마감하도록 서로에 대해 이동된다.US Patent No. 6,106,380 to Jacobs et al., issued Aug. 22, 2000, "Deterministic magnetorheological finishing," discloses a method and apparatus for finishing a workpiece surface using MR fluid, wherein The workpiece is positioned near the carrier surface such that a converging gap is defined between a portion of the workpiece surface and the carrier surface. A magnetic field is applied substantially to the gap and a flow of hardened MR fluid is introduced into the converging gap, such that a working zone is created in the MR fluid, such that a transient sub-opening below the opening to engage and effect removal of material from a portion of the workpiece surface. Form a finishing tool. The workpiece or work zone is moved relative to each other to expose various portions of the workpiece surface to the work zone for a predetermined period of time to selectively finish portions of the workpiece surface to a predetermined degree.

2003년 1월 14일에 등록된 Kordonski 등의 미국 특허 제6,506,102호인 "기재의 자기 유변 마감을 위한 시스템(System for magnetorheological finishing of substrates)"은 수평축을 갖는 수직 배향된 사발형 캐리어 휠을 포함하는 기재의 자기 유변 마감을 위한 개량된 시스템을 개시한다. 캐리어 휠은 바람직하게는 캐리어 표면이 구형이 되도록 구체의 적도 부분이다. 캐리어 휠은 회전 구동 수단에 연결된 방사상 원형 플레이트를 포함하는데, 방사상 원형 플레이트는 그 플레이트로부터 측방으로 연장되는 구면을 지지한다. 평면형 N극 및 S극 자극편을 갖는 전자석이 휠 내에, 구체의 엔벨로프(envelope) 내에, 바람직하게는 휠에 의해 한정되는 구형 부분의 엔벨로프 내에 배치된다. 자석은 약 120도의 중심 휠 각도에 걸쳐서 연장되어, 자기 유변 유체가 작업 구역의 전후에서 부분적으로 경화된 상태로 유지된다. 자성 스크레이퍼(magnetic scraper)는 경화가 완화됨에 따라 휠에서 MR 유체를 제거하고, 이를 컨디셔닝 및 휠로의 재압출을 위해 기존 유체 전달 시스템으로 복귀시킨다. 이 시스템은 휠의 가장자리 너머로 연장되어야 하는 대형 오목 기재를 마감하는 데 유용할 뿐만 아니라, 휠의 하사점 위치에 있는 작업 구역에서 매우 큰 기재를 마감하는 데 유용하다.U.S. Patent No. 6,506,102 to Kordonski et al., issued Jan. 14, 2003, "System for magnetorheological finishing of substrates," describes a substrate comprising a vertically oriented bowl-type carrier wheel having a horizontal axis. Disclosed is an improved system for the magnetic rheological finish of The carrier wheel is preferably the equatorial part of the sphere such that the carrier surface is spherical. The carrier wheel comprises a radially circular plate connected to the rotational drive means, the radially circular plate supporting a spherical surface extending laterally from the plate. Electromagnets with planar N-pole and S-pole pole pieces are arranged within the wheel, within the envelope of a sphere, preferably within the envelope of the spherical part defined by the wheel. The magnets extend over a center wheel angle of about 120 degrees so that the magnetorheological fluid remains partially cured before and after the work zone. A magnetic scraper removes the MR fluid from the wheel as the hardening eases and returns it to the existing fluid delivery system for conditioning and re-extrusion into the wheel. This system is useful for finishing large concave substrates that must extend beyond the edge of the wheel, as well as finishing very large substrates in the working area at the bottom dead center of the wheel.

2015년 2월 3일에 등록된 Kordonski의 미국 특허 제8,944,883호인 "기재의 자기 유변 마감을 위한 시스템(System for magnetorheological finishing of a substrate)"은 자기 유변 마감 유체를 운반하기 위한 구형 휠을 개시하는데, 이 구형 휠은 원통형 공동이 중심을 관통하는 상태로 1차 및 2차 간극에 의해 분리된 N극 및 S극의 철 자극편을 갖는 가변 자기장 영구자석 시스템을 수용한다. 원통 축에 수직으로 자화되는 원통형 영구자석은 공동 내에 회전 가능하게 배치된다. 액추에이터는 영구자석을 임의의 각도로 회전하게 할 수 있으며, 이 회전에 따라 자극편을 통한 자기 회로의 자속 분포가 변경된다. 따라서, 필요한 자기장 강도를 제공하는 각도로 영구자석을 위치시킴으로써 간극 내의 자기장 강도를 제어할 수 있다. 자기장은 또한 자극편 위로 통과하여 휠 표면 외측에 프린징 자기장을 한정하기 때문에, 가변 자기장이 휠 상의 MR 유체 층을 통해 확장됨으로써, 마감 제어를 위해 요구될 수 있는 MR 유체의 경도를 변화시킨다.U.S. Patent No. 8,944,883, "System for magnetorheological finishing of a substrate," to Kordonski, issued February 3, 2015, discloses a spherical wheel for carrying magnetorheological finishing fluids, This spherical wheel houses a variable magnetic field permanent magnet system with iron pole pieces of north and south poles separated by primary and secondary gaps with a cylindrical cavity passing through the center. A cylindrical permanent magnet magnetized perpendicular to the cylindrical axis is rotatably disposed within the cavity. The actuator may cause the permanent magnet to rotate at an arbitrary angle, and the rotation changes the magnetic flux distribution of the magnetic circuit through the pole piece. Thus, the magnetic field strength within the gap can be controlled by positioning the permanent magnet at an angle that provides the required magnetic field strength. Because the magnetic field also passes over the pole pieces and confines the fringing magnetic field outside the wheel surface, the variable magnetic field extends through the MR fluid layer on the wheel, changing the hardness of the MR fluid that may be required for finish control.

이들 종래 기술 참고문헌의 전부에서, 개시된 휠은 구형 적도 부분이고; 자극편의 팁을 성형함으로써 자기장의 형상을 조정하는 방법은 개시되지 않았으며; 휠 상의 자기 유변 유체 리본의 단면적을 비원형 노즐 출구에 의해 성형하기 위한 방법 및 장치는 개시되지 않았다.In all of these prior art references, the disclosed wheel is a spherical equatorial part; A method for adjusting the shape of a magnetic field by shaping the tip of a pole piece is not disclosed; A method and apparatus for shaping the cross-sectional area of a magnetorheological fluid ribbon on a wheel by means of a non-circular nozzle outlet is not disclosed.

종래 기술의 자기 유변 마감 헤드는 두 가지 주요 요인에 의해 유발되는 재료 제거율의 한계가 있다. 첫 번째 요인은 공정에서 사용되는 유체로서, 이는 최대 제거율을 유발한다. 두 번째 요인은 마감 헤드를 구성하는 장치로서, 이는 최대 제거율과 체적 제거율 모두를 유발한다.The prior art magneto-rheological finishing head has a limitation in material removal rate caused by two main factors. The first factor is the fluid used in the process, which leads to the maximum removal rate. The second factor is the device making up the finishing head, which causes both the maximum removal rate and the volumetric removal rate.

장치의 기하학적 구조는 제거 툴의 물리적 크기를 제한하고, 많은 경우에 결정성 자기 유변 마감 공정을 제한한다. 특히, 대형 광학 소자를 마감하거나 및/또는 구면에 비구면 형상을 유도하는 데 초점을 맞춘 종래 기술의 공정은 희망하는 최종 수치에 도달하기 위해 마감하는 데 수 시간 또는 심지어 수 일이 걸릴 수 있다. 이러한 경우, 제거 기능이 더 크면 폴리싱 작업의 주기 시간을 크게 줄일 수 있다.The device geometry limits the physical size of the removal tool and in many cases limits the crystalline magneto-rheological finishing process. In particular, prior art processes focused on finishing large optical elements and/or inducing aspherical shapes to spherical surfaces may take hours or even days to finish to reach desired final dimensions. In this case, a larger removal function can greatly reduce the cycle time of the polishing operation.

종래 기술에서, 단순히 구형 자기 유변 마감 휠의 직경을 증가시킴으로써 더 큰 제거 기능이 생성되었지만, 많은 경우에 대형 휠은 실현 가능하지 않거나 실용적이지 않으며 또한 필요한 정밀도로 제조하는 데 매우 비용이 많이 든다. 휠이 커짐에 따라, 휠 런아웃(wheel runout)에 대해 동일한 정밀도가 여전히 필요하며, 희망하는 공차를 달성하는 것이 훨씬 더 어렵고 비용이 많이 든다.In the prior art, greater removal capabilities have been created simply by increasing the diameter of spherical magnetorheological finish wheels, but in many cases large wheels are not feasible or practical and are also very expensive to manufacture with the required precision. As the wheels get larger, the same precision for wheel runout is still required, and achieving desired tolerances becomes much more difficult and expensive.

제거율을 제어하는 요인을 고려하면, 작업 구역은 제거율을 증가시키기 위해 휠 이동 방향과 휠 이동 방향의 횡단 방향 모두에서 확대되어야 한다. 휠 반경을 증가시키면 스폿이 길어질 수 있으며 휠과 기재 워크피스 사이의 스폿을 더 깊게 만들면 최대 제거율이 증가할 수 있는 것으로 알려져 있다. 종래 기술에서 알려지지 않은 것은 바람직하게는 휠의 반경 또는 다른 기하학적 구조를 실질적으로 증가시키지 않으면서 스폿을 더 넓게 만들어서 체적 제거율을 증가시키는 방법이다.Considering the factor controlling the removal rate, the working area should be enlarged both in the direction of wheel movement and transverse to the direction of wheel movement in order to increase the removal rate. It is known that increasing the wheel radius can lengthen the spot and making the spot between the wheel and the substrate workpiece deeper can increase the maximum removal rate. What is unknown in the prior art is a method of increasing the volume removal rate by making the spot wider, preferably without substantially increasing the radius or other geometry of the wheel.

본 기술 분야에서 요구되는 것은 기재 재료의 체적 제거율을 최대화하는 맞춤형 자기장, 노즐 형상 및 휠 형상을 갖는 자기 유변 마감 헤드이다.What is needed in the art is a magnetorheological finish head with a custom magnetic field, nozzle shape and wheel shape that maximizes the volume removal rate of the substrate material.

자기 유변 마감 헤드는 체적 제거율을 최대화하기 위해 특정 형상의 대향하는 팁들을 갖는 자극편; 비원형 노즐 형상; 및 비구형 휠 형상 및 표면을 포함한다. MR 유체 리본을 위한 캐리어 휠은 비구형이고, 바람직하게는 휠의 회전축에 평행한 축에 대한 단반경 및 휠의 회전축에 수직인 축에 대한 장반경을 갖는 토로이드(toroid)의 적도 부분이지만, 휠의 형상은 휠의 회전축에 평행한 회전축을 갖는 임의의 비구면 또는 자유형(free form) 형상, 예컨대 토로이드형 또는 원통형일 수도 있다. 자기장 강도가 리본의 폭에 걸쳐 유용한 세기로 유지되도록 자극편들의 팁을 종래 기술의 간극보다 이들 사이에 한정된 더 큰 간극에 걸쳐서 프린징 자기장을 생성하도록 성형함으로써 맞춤형 자기장이 생성된다. 자석은 전자석 또는 영구자석 중 어느 하나일 수 있지만, 일반적으로 종래 기술에서와 같이 전자석이 사용된다. 노즐에는 자기장의 범위를 커버하는 폭으로 유체 스트림을 제공하기 위해 비원형 개구부가 있다. MRF 제거 기능에 있어서의 최대 증가를 허용하는 것은 이들 세 가지 특징의 조합이지만, 이들 특징을 단독으로 또는 쌍으로 취해도 종래 기술에 비해 MRF 제거 기능을 크게 증가시킬 수 있다.The magnetorheological finish head comprises: a pole piece having opposing tips of a specific shape to maximize volume removal rate; non-circular nozzle shape; and non-spherical wheel shapes and surfaces. The carrier wheel for the MR fluid ribbon is non-spherical, preferably the equatorial portion of the toroid with a minor radius about an axis parallel to the axis of rotation of the wheel and a major radius about an axis perpendicular to the axis of rotation of the wheel, but The shape may be any aspherical or free form shape with an axis of rotation parallel to the axis of rotation of the wheel, such as toroidal or cylindrical. A tailored magnetic field is created by shaping the tips of the pole pieces to create a fringing magnetic field over a larger gap defined between them than the prior art gap so that the magnetic field strength is maintained at a useful intensity across the width of the ribbon. The magnet may be either an electromagnet or a permanent magnet, but an electromagnet is generally used as in the prior art. The nozzle has a non-circular opening to provide a fluid stream with a width that covers a range of magnetic fields. It is the combination of these three features that allows for the maximum increase in MRF cancellation capability, however, taking these features alone or in pairs can significantly increase the MRF cancellation capability compared to the prior art.

본 발명은 종래 기술의 시스템보다 적어도 4배 더 높은 재료 제거율에 대한 기회를 만들어 낸다.The present invention creates opportunities for material removal rates that are at least four times higher than prior art systems.

이 시스템은 대형 기재에서 저 차수 형상 보정(low order figure correction)을 수행하고, 비구면 생성과 같은 형상 변경을 광학면에 도입하는 데 특히 유용하다.This system is particularly useful for performing low order figure correction on large substrates and introducing shape changes such as aspheric surface creation into optical surfaces.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명 및 도면을 고려하여 당업자에게 명백할 것이다.Other features and advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon consideration of the following detailed description and drawings of preferred embodiments.

이제, 본 발명에 대해 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명할 것인데, 첨부 도면에서,
도 1은 종래 기술의 자기 유변 마감 헤드의 일부의 입면 단면도이고;
도 2a는 본 발명에 따른 자기 유변 마감 헤드의 일부의 입면 단면도이고;
도 2b는 도 2a에 도시된 자기 유변 마감 헤드의 일부의 입면도로서, 휠 표면 상의 MR 유체 리본, 재료 제거를 위한 위치의 워크피스, 및 이들 사이의 작업 구역 또는 "스폿"을 추가로 도시하고;
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 자기 유변 마감 헤드를 위에서 본 사시도이고;
도 4는 본 발명에 따른 노즐의 제 1 실시예의 입면도이고;
도 5는 도 4에 도시된 노즐의 팬 단면도(cross-sectional pan view)이고;
도 6은 자기 유변 작업 구역의 요소들의 입면 단면도이고;
도 7은 본 발명에 따른 MR 유체 리본의 치수를 나타내는 MR 마감 헤드의 일부의 입면 단면도이고;
도 8a는 본 발명에 따라 형성된 토로이드와 그 토로이드의 적도 부분을 취한 마감 휠의 관계를 나타내는 도면이고;
도 8b는 도 8a에 도시된 것과 유사한 도면으로서, 본 발명에 따라 형성된 토로이드의 표면 상의 수직으로 교차하는 호들을 도시하는데, 호들은 각각의 반경 R1 및 R2를 가지며, 여기에서 R1≠R2이고;
도 9는 본 발명에 따른 자극편의 제 1 실시예의 등각도이고;
도 10은 본 발명에 따른 자극편의 바람직한 제 2 실시예의 등각도이고;
도 11은 자기장 및 이에 따른 작업 구역의 폭을 넓히기 위한 노력으로 단순히 종래 기술의 평행한 자극 평면들을 이격시킴으로써 야기되는 자기장의 단면도이고;
도 12는 자기장 및 이에 따른 작업 구역의 폭을 넓히기 위한 노력으로 대향하는 자극 표면들을 원뿔 단면으로 형성함으로써 야기되는 자기장의 단면도이고;
도 13은 자기장 및 이에 따른 작업 구역의 폭을 넓히기 위한 노력으로 대향하는 자극 표면들을 토로이드 단면으로 형성함으로써 야기되는 자기장의 단면도이고;
도 14는 도 11 내지 도 13으로부터의 이상적인 자기력선을 나타내는 그래프이고;
도 15는 전형적인 종래 기술의 작업 구역에서의 재료 제거율의 평면도이고;
도 16은 본 발명에 따라 형성된 자기 유변 마감 헤드에 의해 생성된 작업 구역에서의 전형적인 재료 제거율의 평면도이다.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
1 is an elevational cross-sectional view of a portion of a prior art magnetorheological finishing head;
2A is an elevational cross-sectional view of a portion of a magnetorheological finishing head in accordance with the present invention;
FIG. 2B is an elevation view of a portion of the magnetorheological finish head shown in FIG. 2A , further showing the MR fluid ribbon on the wheel surface, the workpiece in position for material removal, and a working zone or “spot” therebetween;
Fig. 3 is a perspective view from above of the magneto-rheological finishing head shown in Figs. 2a and 2b;
4 is an elevation view of a first embodiment of a nozzle according to the invention;
Fig. 5 is a cross-sectional pan view of the nozzle shown in Fig. 4;
6 is an elevational cross-sectional view of elements of a magnetorheological work zone;
7 is an elevational cross-sectional view of a portion of an MR finishing head showing the dimensions of an MR fluid ribbon in accordance with the present invention;
Fig. 8a is a diagram showing the relationship of a toroid formed in accordance with the present invention and a finish wheel taking the equatorial portion of the toroid;
Fig. 8b is a view similar to that shown in Fig. 8a, showing vertically intersecting arcs on the surface of a toroid formed in accordance with the present invention, the arcs having respective radii R 1 and R 2 , where R 1 ≠ R 2 ;
9 is an isometric view of a first embodiment of a pole piece according to the present invention;
Fig. 10 is an isometric view of a second preferred embodiment of a pole piece according to the invention;
11 is a cross-sectional view of a magnetic field caused by simply spacing prior art parallel magnetic pole planes in an effort to widen the magnetic field and thus the working zone;
12 is a cross-sectional view of a magnetic field caused by forming opposing magnetic pole surfaces into conical cross-sections in an effort to widen the magnetic field and thus the working zone;
13 is a cross-sectional view of a magnetic field caused by forming opposing magnetic pole surfaces into toroidal cross-sections in an effort to widen the magnetic field and thus the working zone;
Fig. 14 is a graph showing the ideal magnetic field lines from Figs. 11 to 13;
15 is a top view of material removal rates in a typical prior art work zone;
16 is a plan view of a typical material removal rate in a work zone produced by a magneto-rheological finish head formed in accordance with the present invention.

도 1 및 도 6을 참조하면, 종래 기술의 자기 유변 마감 헤드(10)의 일부는 마감 표면(18)을 갖는 적도 구형 마감 부분(equatorial spherical finishing portion)(16)을 지지하는 디스크형 중앙 부분(14)을 갖는 마감 휠(12)을 포함한다. 휠(12)은 정밀 베어링(22a, 22b)에 지지된 액슬(axle)(20) 상에서 회전하도록 장착된다. 액슬(20)은 전기 모터 시스템(도시되지 않음)에 의해 회전축(30)을 중심으로 구동된다. 마감 부분(16)의 아래 및 인접 부분과 디스크형 중앙 부분(14)의 양 측면에는 바람직하게는 동일하지만 반대 극성, 즉 N극과 S극인 제 1 및 제 2 자극편(24a, 24b)이 있다. 이들 자극편은 일반적으로 서로로부터 사전 결정된 제 1 간격으로 설정된 평면형 대향면(26a, 26b)을 갖는다. 자극편(24a, 24b)은 전자석 또는 영구자석일 수도 있다.1 and 6 , a portion of a prior art magnetorheological finishing head 10 has a disk-shaped central portion supporting an equatorial spherical finishing portion 16 having a finished surface 18 ( 14) with a finish wheel (12). The wheel 12 is mounted for rotation on an axle 20 supported on precision bearings 22a, 22b. The axle 20 is driven about an axis of rotation 30 by an electric motor system (not shown). There are first and second pole pieces 24a, 24b, preferably the same but opposite polarity, i.e. N and S poles, on both sides of the disc-shaped central part 14 as well as below and adjacent to the closure part 16 . . These pole pieces generally have planar opposing surfaces 26a, 26b set at a first predetermined distance from each other. The pole pieces 24a and 24b may be electromagnets or permanent magnets.

전자석에 전력이 공급되는 경우, 프린징 자기장(도시되지 않음)이 마감 부분(16)을 통해 그리고 그 위에 형성되고, 표면(18) 상에 운반되는 MR 유체(17)의 리본은 페이스트 점조도로 경화된다. 마감될 기재(21), 예컨대 도 6에 도시된 바와 같은 렌즈는 유입되는 MR 유체 리본의 두께보다 작은 휠로부터의 거리에서 휠 표면 위에 일반적으로 자체 축(23)을 중심으로 회전하도록 위치되어, 수렴 간극을 생성하고 작업 구역 또는 "스폿"(19)을 형성하며, 작업 구역(19)에 배치된 기재(21)의 연마 마감이 수행된다. 수렴 간극의 치수는 특정 마감 응용예의 요건에 따라 달라질 수도 있다. 도 6에서, 작업 구역으로 들어가는 리본의 높이는 RH이고, 워크피스의 리본으로의 돌입 깊이(plunge depth)는 D이며, 워크피스와 휠 표면 사이의 최종 간극(G)은 작업 구역(19)의 두께이다.When the electromagnet is energized, a fringing magnetic field (not shown) is formed through and over the finishing portion 16 , and the ribbon of MR fluid 17 carried on the surface 18 cures to a paste consistency. do. A substrate 21 to be finished, such as a lens as shown in FIG. 6 , is positioned to rotate about its own axis 23 generally above the wheel surface at a distance from the wheel that is less than the thickness of the incoming MR fluid ribbon, so that it converges. An abrasive finish of the substrate 21 disposed in the working zone 19 is performed, creating a gap and forming a working zone or “spot” 19 . The dimensions of the converging gap may vary depending on the requirements of the particular finishing application. 6 , the height of the ribbon entering the working zone is RH, the plunge depth of the workpiece into the ribbon is D, and the final gap G between the workpiece and the wheel surface is the thickness of the working zone 19 . am.

이제 도 2a, 도 2b, 도 6, 도 8, 및 도 9 내지 도 13을 참조하면, 더 넓고 긴 작업 구역을 형성하기 위한 개량된 자기 유변 마감 헤드(110)는, 자극편(124a, 124b)의 상부 코너가 도시된 바와 같이 변형된 것을 제외하고는 도 1에 도시된 종래 기술의 자기 유변 마감 헤드(10)와 실질적으로 동일하다. 바람직하게는, 상부 코너는 도 2a, 도 10 및 도 13에 도시된 바와 같이 둥글거나(128a, 128b), 도 9 및 도 12에 도시된 바와 같이 베벨형이며(beveled)(126a, 126b 및 226a, 226b), 임의의 희망 형상, 예컨대 원뿔형, 반경으로 만곡된 형상 또는 자유형일 수도 있다. 자극편(124a, 124b) 사이의 간격 및 반경의 실제 값은 임의의 특정 응용예를 위한 특정 크기의 작업 구역을 형성하기 위해 요구되는 대로 선택될 수도 있다. 둥글거나 베벨형 형상을 제공하는 것은 도 1에 도시된 종래 기술의 자극편 배열에 의해 형성되는 것보다 실질적으로 더 넓은 폭에 걸쳐 측방향 균일성을 갖는 프린징 자기장(40, 240)을 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 바람직하게는, 만곡된 형상(128a, 128b)은 마감 휠 표면의 형상과 관련하여 아래에 나타낸 방정식에 따라 토러스(torus), 특히 튜브의 중심에서 토러스의 중심까지의 거리가 튜브의 반경보다 더 큰 링 토러스(ring torus)의 일부로서 형성된다.Referring now to FIGS. 2A, 2B, 6, 8, and 9-13, an improved magnetorheological finishing head 110 for forming a wider and longer working area includes pole pieces 124a, 124b. It is substantially the same as the prior art magneto-rheological finishing head 10 shown in FIG. 1 except that the upper corner of the is modified as shown. Preferably, the upper corner is either rounded 128a, 128b as shown in FIGS. 2A, 10 and 13 or beveled 126a, 126b and 226a as shown in FIGS. 9 and 12 . , 226b), may be any desired shape, such as conical, radially curved, or freeform. The actual values of the spacing and radius between the pole pieces 124a and 124b may be chosen as desired to form a specific sized working area for any particular application. Providing a round or bevel-like shape would produce a fringing magnetic field 40, 240 having lateral uniformity over a substantially wider width than that formed by the prior art pole piece arrangement shown in FIG. It turned out that it can Preferably, the curved shape 128a, 128b is a torus, in particular the distance from the center of the tube to the center of the torus is greater than the radius of the tube, according to the equation shown below with respect to the shape of the finish wheel surface. It is formed as part of a ring torus.

여전히 개량된 자기 유변 마감 헤드(110)를 참조하면, 전술한 바와 같이, 마감 표면(118)을 갖는 마감 부분(116)은 비구체, 바람직하게는 회전축(130)에 수직인 단반경 및 회전축(130)과 일치하는 장반경을 갖는 토로이드로서 형성되지만, 휠의 형상은 휠의 회전축(130)에 평행한 임의의 비구면 또는 자유형, 예컨대 토로이드형 또는 원통형(무한한 장반경을 갖는 토로이드)일 수도 있다. 이러한 기하학적 구조의 장점은 전체 툴의 크기, 즉 휠의 직경을 크게 증가시키지 않고도 더 큰 제거 기능을 허용한다는 것이다. 또 다른 장점은 토로이드형 휠은 종래 기술의 구형 휠이 요구하는 유체의 체적의 증가를 필요로 하지 않고도 제거 기능이 더 넓어지도록 허용한다는 것이다. 이러한 특징은 동등한 결과를 얻기 위한 더 높은 유속 및 더 큰 펌핑 시스템의 필요성을 줄이는 데 도움이 된다.Still referring to the improved magnetorheological finishing head 110 , as described above, the finished portion 116 having the finished surface 118 is non-spherical, preferably having a minor radius perpendicular to the axis of rotation 130 and an axis of rotation 130 . ), but the shape of the wheel may be any aspherical or freeform parallel to the axis of rotation 130 of the wheel, such as toroidal or cylindrical (toroid with infinite major radius). The advantage of this geometry is that it allows for greater removal capabilities without significantly increasing the overall tool size, ie the diameter of the wheel. Another advantage is that the toroidal wheel allows a wider removal capability without requiring the increase in the volume of fluid required by older prior art wheels. These features help reduce the need for higher flow rates and larger pumping systems to achieve equivalent results.

도 2a, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 마감 표면(118)을 갖는 마감 휠(116)은 보다 일반적으로는 구형이 아닌 회전 표면으로서 정의될 수도 있다. 도 8a 및 도 8b는 3차원 형상(144)을 형성하기 위해 제 2 반경(R2)을 중심으로 회전된 제 1 반경(R1)을 갖는 이상적인 형상(142)을 도시하는데, 여기에서 R1 및 R2는 휠 표면(118) 상에 각자의 수직으로 교차하는 호(A1, A2)를 생성한다(R1 = R2일 때 휠 표면은 종래 기술에서와 같이 구형임에 유의할 것). 가장 간단한 형태에서, 형상(142)은 원이고 형상(144)은 토러스이지만, R2를 중심으로 회전될 수 있는 표면을 정의하기 위해 고차 다항식 또는 기타 방정식이 사용될 수 있다. 더 높은 제거율을 위해서는 R1이 R2보다 훨씬 커야 한다. 이들 값은 두 가지 요인을 기반으로 선택할 수 있다: 1) 휠의 기하학적 구조가 워크피스의 기하학적 구조를 방해하는 것을 방지하기 위한 광학 소자의 형상(특히 오목 광학 소자), 및 2) 반경(R2)이 클수록 소정 MRF 유량에 대한 제거 기능이 더 넓어지는 것(따라서 더 커짐).2A , 8A and 8B , a finish wheel 116 having a finish surface 118 may be more generally defined as a non-spherical rotating surface. 8A and 8B show an ideal shape 142 having a first radius R 1 rotated about a second radius R 2 to form a three-dimensional shape 144 , where R 1 and R 2 create respective vertically intersecting arcs A 1 , A 2 on the wheel surface 118 (note that when R 1 = R 2 the wheel surface is spherical as in the prior art) . In its simplest form, shape 142 is a circle and shape 144 is a torus, but higher-order polynomials or other equations may be used to define a surface that can be rotated about R 2 . For a higher removal rate, R 1 should be much larger than R 2 . These values can be selected based on two factors: 1) the shape of the optics (especially concave optics) to prevent the wheel geometry from interfering with the geometry of the workpiece, and 2) the radius (R 2 ) ), the wider (and therefore larger) the removal capability for a given MRF flow rate.

명시적 형태에서, 휠의 기하학적 구조는 다음과 같이 표현될 수 있다.In explicit form, the geometry of the wheel can be expressed as

Z = f(x, y) = RZ = f(x, y) = R yy ±√[(R±√[(R yy -g(x))-g(x)) 22 -y-y 22 ]]

여기에서 g(x)는 생성 곡선이고 Z는 휠의 대수적 형상이다.where g(x) is the creation curve and Z is the logarithmic shape of the wheel.

토러스의 경우:For Taurus:

g(x) = Rg(x) = R xx {l-√[l-(x/R{l-√[l-(x/R xx 22 ]}]}

여기에서 g(x)는 반경이 Rx인 원이다.where g(x) is a circle with radius R x .

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명은 마감 표면(118)에 형성된 MRF 리본에 대한 형상 변화를 필요로 한다. 종래 기술의 MRF 리본은 지정된 내경의 원형 노즐 출구를 사용하여 생성된다. 3mm의 직경 및 7.3mm2의 단면적을 갖는 종래 기술의 출구 포트로부터 압출될 때 전형적인 리본 형상은 원형이다.3-5 , the present invention requires a shape change for the MRF ribbon formed on the finished surface 118 . Prior art MRF ribbons are produced using a circular nozzle outlet of a specified inner diameter. A typical ribbon shape when extruded from a prior art outlet port with a diameter of 3 mm and a cross-sectional area of 7.3 mm 2 is circular.

제거 기능(작업 구역)의 크기를 증가시키기 위해서는 폭을 증가시켜야 한다. 더 넓은 제거 기능은, 통상적으로는 휠의 상사점 위치에서, MRF 리본(150)이 작업 구역에 도달하기 전에 제거 기능의 폭을 커버하는 영역을 가로질러 휠 상에 주입되며 측방향으로 퍼지는 MRF 스트림을 필요로 한다. 따라서, 노즐 출구가 비원형이고 바람직하게는 슬롯 형상인 경우, MR 유체는 휠에 착지하기 전에 퍼져서 더 넓은 제거 기능을 허용한다.In order to increase the size of the removal function (work area), the width must be increased. The wider ablation function is a laterally spreading MRF stream injected onto the wheel across an area covering the width of the ablation function before the MRF ribbon 150 reaches the working zone, typically at the top dead center position of the wheel. need. Thus, where the nozzle exit is non-circular and preferably slot-shaped, the MR fluid will spread before landing on the wheel, allowing for a wider removal function.

노즐 조립체(132)는 하우징 블록(136) 내로 들어가고 하우징 블록(136) 내의 분배기(138)에서 종단되는 공급 튜브(134)를 포함하는데, 분배기(138)는 생성될 MRF 리본의 희망 폭으로 형성되며 출구 슬롯(140)에서 종단되는 내부 슬롯으로 토출한다. 현재의 바람직한 실시예에서, 출구 슬롯(140)은 폭이 약 19mm이고 높이가 약 0.9mm이며, 결과적으로 20보다 큰 종횡비가 된다. 이 디자인의 단면적은 17.8mm2이며, 동일한 전달 압력에서 작동될 때 종래 기술의 노즐의 유량의 거의 2.5배를 허용한다. 휠과 기재 사이의 더 넓은 영역을 채워서 더 넓은 제거 기능을 생성하려면 증가된 흐름이 필요하다. 바람직하게는, 슬롯의 단부는 코너에서의 정체 구역 및 원치 않는 유체 축적을 피하기 위해 둥글다.The nozzle assembly 132 includes a supply tube 134 that enters into a housing block 136 and terminates at a distributor 138 within the housing block 136 , the distributor 138 being formed to a desired width of the MRF ribbon to be produced, and It is discharged to the inner slot terminating in the outlet slot (140). In the presently preferred embodiment, the exit slot 140 is about 19 mm wide and about 0.9 mm high, resulting in an aspect ratio greater than 20. The cross-sectional area of this design is 17.8 mm 2 , allowing nearly 2.5 times the flow rate of prior art nozzles when operated at the same delivery pressure. Increased flow is required to fill the larger area between the wheel and the substrate to create a wider removal function. Preferably, the ends of the slots are rounded to avoid stagnant areas at corners and unwanted fluid build-up.

분명히, 특정 마감 응용예에 필요할 수 있는 다른 슬롯 형상 및 치수가 선택될 수도 있다. 예컨대, "슬롯"은 연속적인 슬롯이 아닌 일련의 토출 구멍으로 형성될 수 있으며, 또는 슬롯의 높이가 균일하지 않을 수도 있다.Obviously, other slot shapes and dimensions may be selected as may be needed for a particular finishing application. For example, a "slot" may be formed of a series of discharge holes rather than a continuous slot, or the height of the slots may not be uniform.

리본의 높이와 폭은 압출 후 휠 상에서 조작될 수도 있다. 휠에 대한 유체 제트의 입사각은 리본 폭에 영향을 미칠 수 있는데, 노즐 압출 각도가 접선 방향으로부터 수직 방향으로 증가함에 따라 리본은 휠 상에서 측방향으로 퍼지는 경향이 있다. 휠 속도를 유체 제트 속도가 휠의 접선 속도와 일치하는 "흐름 일치(flow matching)" 값 이상으로 증가시키면, 유체가 퍼져서 리본의 낮은 단면적을 초래한다. 리본을 펼치는 것의 이점으로 인해 작업자는 리본의 전체 높이와 도 6에 도시된 치수를 관리하여 넓은 제거 기능을 달성할 수 있다. 유체 리본이 자기장에 의해 활성화되면, 연마 경계층(19)(작업 구역)이 리본의 폭에 걸쳐서 생성된다.The height and width of the ribbon may be manipulated on the wheel after extrusion. The angle of incidence of the fluid jet on the wheel can affect the ribbon width, with the ribbon tending to spread laterally on the wheel as the nozzle extrusion angle increases from tangential to vertical. Increasing the wheel speed above a “flow matching” value where the fluid jet speed matches the tangential speed of the wheel, the fluid spreads, resulting in a lower cross-sectional area of the ribbon. The benefits of unfolding the ribbon allow the operator to manage the overall height of the ribbon and the dimensions shown in FIG. 6 to achieve a wide removal capability. When the fluid ribbon is activated by a magnetic field, an abrasive boundary layer 19 (working zone) is created across the width of the ribbon.

바람직하게는, 작업 구역에 들어갈 때의 마감 휠 상의 자기 유변 유체 리본의 높이는 1.20mm 내지 1.56mm이고, 자기 유변 마감 헤드에 의해 마감되는 워크피스에 의한 자기 유변 유체 리본으로의 플런지 깊이는 0.60mm 내지 0.81mm이고, 워크피스와 마감 휠 사이의 간극은 0.60mm 내지 0.75mm이다.Preferably, the height of the magnetorheological fluid ribbon on the finish wheel when entering the work zone is between 1.20 mm and 1.56 mm, and the depth of plunge into the magnetorheological fluid ribbon by the workpiece finished by the magnetorheological finish head is 0.60 mm. to 0.81 mm, and the clearance between the workpiece and the finish wheel is 0.60 mm to 0.75 mm.

도 3 및 도 7은 휠 표면(118) 상에 배치된 폭(W) 및 두께(RH)의 리본(150)을 도시한다.3 and 7 show a ribbon 150 of width W and thickness RH disposed on wheel surface 118 .

이제 도 11을 참조하면, 단순히 종래 기술의 평면형 대향 자극편(26a, 26b)을 도 1에 도시된 표준 간격보다 더 멀리 이동시키는 것은 측방향으로 불균일하며 중심에서 다소 약한 자기장(140)을 작업 구역에 생성하여, 바람직하지 않은 두 가지 모드의(bimodal) 제거 기능을 초래함을 알 수 있다. 대안적으로(도 9, 도 12 및 도 14), 원뿔면(226a, 226b)에서와 같이 자극편을 베벨형으로 하면 약간 더 낮은 자기장 강도를 갖는 전체적으로 상당히 균일한 자기장(240)을 생성한다. 이제 도 10, 도 13 및 도 14를 참조하면, 자극편(124a, 124b) 상에 반경을 갖게 하면 더 높은 자기장 강도를 갖는 전체적으로 상당히 균일한 자기장(40)을 생성한다.Referring now to Fig. 11, simply moving the prior art planar opposing pole pieces 26a, 26b further than the standard spacing shown in Fig. 1 produces a laterally non-uniform and rather weak magnetic field 140 in the center of the working zone It can be seen that this results in an undesirable bimodal removal function. Alternatively ( FIGS. 9 , 12 and 14 ), beveling the pole pieces as in conical surfaces 226a and 226b creates a substantially uniform overall magnetic field 240 with slightly lower magnetic field strength. Referring now to FIGS. 10 , 13 and 14 , having a radius on the pole pieces 124a , 124b creates a substantially uniform overall magnetic field 40 having a higher magnetic field strength.

이제 도 14를 참조하면, 휠 표면 바로 위의 이상적인 자기장들이 도 11 내지 도 13에서의 위에 개시된 조건에 대해 도시되어 있다.Referring now to FIG. 14 , ideal magnetic fields just above the wheel surface are shown for the conditions disclosed above in FIGS. 11-13 .

이제 도 15 및 도 16을 참조하면, 도 2a에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 자기 유변 마감 장치에 의해 달성 가능한 작업 구역 스폿(155)과 비교하여 종래 기술의 작업 구역 스폿(55)(도 15)이 도시되어 있다. 구형인 150mm 직경 휠로부터의 전형적인 종래 기술 스폿(55)은 폭(60)이 약 4.0mm이고 길이(70)가 약 10.0mm이어서 약 40.0mm2의 작업 구역을 갖는 반면에, 개량된 스폿(155)은 폭(160)이 약 18.0mm이고 길이(170)가 약 21.0mm이어서 약 378.0mm2의 작업 구역을 가질 수 있으므로, 종래 기술 스폿보다 몇 배 더 큰 제거율을 제공한다.Referring now to FIGS. 15 and 16 , a prior art working zone spot 55 ( FIG. 15 ) as compared to a working zone spot 155 achievable by a magnetorheological finishing apparatus according to the present invention as shown in FIG. 2A . ) is shown. A typical prior art spot 55 from a spherical 150 mm diameter wheel has a width 60 of about 4.0 mm and a length 70 of about 10.0 mm with a working area of about 40.0 mm 2 , whereas the improved spot 155 ) can have a working area of about 378.0 mm 2 with a width 160 of about 18.0 mm and a length 170 of about 21.0 mm, thus providing removal rates several times greater than prior art spots.

따라서, 본 발명은 3개의 신규 요소를 포함한다: a) 둥근 상부 코너를 갖는 자극편, b) 비구형, 바람직하게는 토로이드형 휠 마감 표면, 및 c) 비원형 출구를 갖는 MRF 인가 노즐. MRF 제거 기능의 최대 증가를 허용하는 것은 이들 세 가지 특징의 조합이지만, 이들 특징을 단독으로 또는 쌍으로 취해도 종래 기술에 비해 MRF 제거 기능을 크게 증가시킬 수 있다.Accordingly, the present invention comprises three novel elements: a) a pole piece having a rounded upper corner, b) an aspherical, preferably toroidal wheel finish surface, and c) an MRF application nozzle having a non-circular outlet. It is the combination of these three features that allows for a maximum increase in the MRF cancellation capability, but taking these features alone or in pairs can significantly increase the MRF cancellation capability compared to the prior art.

본 발명의 원리를 구현하는 구조 및 방법에 대해 다양한 변경이 이루어질 수도 있다. 전술한 실시예들은 제한적인 의도가 아니라 예시적인 의도로 기술된다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 정의된다.Various changes may be made in the structure and method of implementing the principles of the present invention. The foregoing embodiments are described in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the invention is defined by the claims.

Claims (11)

자기 유변 마감 헤드(magnetorheological finishing head)에 있어서,
a) 비구형 마감 표면을 갖는 회전 가능한 마감 휠(finishing wheel);
b) 상기 마감 휠 내에 배치되는 코너를 가지며 대향면을 갖는 대향 극성의 제 1 및 제 2 자극편― 상기 마감 표면에 가장 가까운 상기 대향면의 코너는 원뿔형, 베벨형(beveled), 토로이드형(toroidal), 방사형 및 자유형(freeform)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 가짐 ―; 및
c) 비원형 출구에서 종단되는 노즐 조립체를 포함하는
자기 유변 마감 헤드.
In a magnetorheological finishing head,
a) a rotatable finishing wheel having a non-spherical finishing surface;
b) first and second pole pieces of opposite polarity having opposite faces and having corners disposed within the finish wheel, the corners of the opposing face closest to the finish surface being conical, beveled, toroidal ( having a shape selected from the group consisting of toroidal, radial and freeform; and
c) a nozzle assembly terminating at a non-circular outlet;
Magnetic rheological finish head.
자기 유변 마감 헤드에 있어서,
a) 비구형 마감 표면을 갖는 회전 가능한 마감 휠;
b) 상기 마감 휠 내에 배치되며 대향면을 갖는 대향 극성의 제 1 및 제 2 자극편― 상기 마감 표면에 가장 가까운 상기 대향면의 코너는 원뿔형, 베벨형, 토로이드형, 방사형 및 자유형으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 가짐 ―; 및
c) 비원형 출구에서 종단되는 노즐 조립체
의 3가지 요소 중 어느 하나를 포함하는
자기 유변 마감 헤드.
A magnetorheological finish head, comprising:
a) a rotatable finish wheel with a non-spherical finish surface;
b) first and second pole pieces of opposite polarity disposed within the finish wheel and having opposite faces, the corners of the opposing face closest to the finish surface being conical, beveled, toroidal, radial and freeform having a shape selected from -; and
c) a nozzle assembly terminating at a non-circular outlet
containing any one of the three elements of
Magnetic rheological finish head.
자기 유변 마감 헤드에 있어서,
a) 비구형 마감 표면을 갖는 회전 가능한 마감 휠;
b) 상기 마감 휠 내에 배치되는 코너를 가지며 대향면을 갖는 대향 극성의 제 1 및 제 2 자극편― 상기 마감 표면에 가장 가까운 상기 대향면의 코너는 원뿔형, 베벨형, 토로이드형, 방사형 및 자유형으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 가짐 ―; 및
c) 비원형 출구에서 종단되는 노즐 조립체
의 3가지 요소 중 어느 2개를 포함하는
자기 유변 마감 헤드.
A magnetorheological finish head, comprising:
a) a rotatable finish wheel with a non-spherical finish surface;
b) first and second pole pieces of opposite polarity having opposite faces and having corners disposed within the finish wheel, the corners of the opposing face closest to the finish surface being conical, beveled, toroidal, radial and freeform having a shape selected from the group consisting of -; and
c) a nozzle assembly terminating at a non-circular outlet
containing any two of the three elements of
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비구형 마감 표면의 형상은 토로이드형, 원통형 및 자유형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The shape of the non-spherical finished surface is selected from the group consisting of toroidal, cylindrical and freeform.
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자극편은 전자석 및 영구자석으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 자기 시스템의 구성요소인
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The pole piece is a component of a magnetic system selected from the group consisting of electromagnets and permanent magnets.
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마감 표면 위에 형성된 자기장은 상기 자기장의 가장자리에서 가장자리까지 실질적으로 균일한
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The magnetic field formed over the finished surface is substantially uniform from edge to edge of the magnetic field.
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비원형 출구는 슬롯인
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The non-circular outlet is a slot
Magnetic rheological finish head.
제 1 항에 있어서,
상기 회전 가능한 마감 휠은 하기의 식에 따라 형성되며,
Z = f(x, y) = R y ±√[(R y -g(x)) 2 -y 2 ]
여기에서 g(x)는 생성 곡선(generating curve)이고 Z는 상기 회전 가능한 마감 휠의 대수적 정의인
자기 유변 마감 헤드.
The method of claim 1,
The rotatable finish wheel is formed according to the following formula,
Z = f(x, y) = R y ±√[(R y -g(x)) 2 -y 2 ]
where g(x) is the generating curve and Z is the algebraic definition of the rotatable finish wheel
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 자극편은 이들 자극편에 전력이 공급될 때 균일한 프린징 자기장(magnetic fringing field)이 상기 회전 가능한 마감 휠 상의 희망하는 폭에 걸쳐서 형성되도록 형성되는
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
wherein the first and second pole-pieces are formed such that a uniform magnetic fringing field is formed over a desired width on the rotatable finish wheel when these pole-pieces are energized.
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐 조립체는 그로부터 압출되는 자기 유변 유체의 리본이 상기 리본의 가장자리에서 가장자리까지 균일한 두께를 갖도록 형성되는
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The nozzle assembly is formed so that the ribbon of magnetorheological fluid extruded therefrom has a uniform thickness from edge to edge of the ribbon.
Magnetic rheological finish head.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐 조립체의 상기 비원형 출구는 슬롯, 둥근 단부를 갖는 슬롯, 및 복수의 구멍으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
자기 유변 마감 헤드.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
wherein the non-circular outlet of the nozzle assembly is selected from the group consisting of a slot, a slot having a rounded end, and a plurality of apertures.
Magnetic rheological finish head.
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