TWI595964B - 磁流變三維拋光裝置及磁流變拋光液 - Google Patents

Description

磁流變三維拋光裝置及磁流變拋光液

本發明是有關於一種拋光的技術領域，特別是關於一種拋光容器和磁場發生器可以一起以預定速度旋轉的磁流變三維拋光裝置及磁流變拋光液。

隨著3D列印技術和MIM(金屬粉末注射成型)等一體成型技術及數控技術的發展，許多產品的外觀件越來越多為三維結構的一體件，因而對後段的表面光整加工技術提出了更高的要求。同時，許多產品的外觀件不僅需要整體達到很均勻的表面效果和很高的表面光潔度，如手機、手錶外觀等，而且需要比較精確的控制去除量，以免破壞保護層(如陽極後拋光需要不破壞陽極層)。因此開發出能實現3D拋光的非接觸式拋光技術變得越來越重要。

磁流變拋光技術是利用磁流變拋光液在磁場中的流變性對工件進行拋光，與數控技術配合能精確控制去除量，且能實現納米級的表面光潔度，是一種能實現整體拋光的非接觸式拋光技術，但目前商用 的磁流變拋光設備主要作為一種超精密加工技術在精密光學領域特別是非球面透鏡的加工中得到應用。

現有技術也有公佈適合3D形狀拋光的磁流變拋光裝置，(專利號：CN201510793529.8)，但存在以下不足：1)該裝置的磁場是固定的，實際拋光過程中，必須讓工件通過機械系統的帶動才能使工件與拋光液產生相對運動從而實現拋光，拋光效率不高；2)雖然上述專利的拋光機械系統能通過公轉、自轉和搖擺保證工件有兩個自由度的運動，但在拋光複雜結構的三維工件時，會因為運動軌跡單一導致整體拋光不均勻；同時，工件的安裝角度的微小變化會對拋光效果產生較大影響，在多工作打磨的時候，需要每個工位元都人為調整角度，操作複雜、效率不高。

綜觀前所述，本發明之發明人經研究，設計了一種具磁流變三維拋光裝置及磁流變拋光液，以針對現有技術之缺失加以改善，進而增進產業上之實施利用。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在於提供一種磁流變三維拋光裝置及磁流變拋光液，以改善上述習知技術所產生的問題。

根據本發明之目的，提供一種磁流變三維拋光裝置，其包含一拋光容器及一磁場發生器。其中，拋光容器具有一容置空間，且容置 空間容置一拋光液及待拋光的一工件。拋光容器設置於磁場發生器上，且與磁場發生器同步旋轉，其中轉速為大於0且小於等於300RPM。

較佳地，磁場發生器所產生的磁場係均勻分佈於容置空間，且離拋光容器之表面的垂直高度為6~10cm處的磁場強度不低於0.2T。

較佳地，拋光液係包含基載液、磁性顆粒、磨料及添加劑，其中基載液為水基或非水基，其佔28~38wt%，磁性顆粒佔50~60wt%，磨料佔2~12wt%，添加劑佔0.1~1wt%。

較佳地，磁性顆粒由粒徑為1~10um的羰基鐵粉和粒徑為1~5um羰基鐵鎳合金粉構成，其配比為9：1。

較佳地，磨料為110~130nm的矽溶膠，其選自單晶鑽、多晶鑽、氧化鋁、碳化矽、氧化鐵紅、氧化硅、氧化鈰中的一種或其組合。

較佳地，添加劑由分散劑、懸浮劑、表面活性劑、潤滑劑、防氧化劑所組成。

較佳地，更包含一控制模組，其電性連接磁場發生器，以控制拋光時間、磁場大小、磁場旋轉方向和轉速。

較佳地，更包含一拋光夾持模組，其包含一主軸及一夾具，主軸具有複數個位移自由度，夾具可自轉地連接於主軸，夾具配置以固定工件。

較佳地，更包含一控制模組，其電性連接拋光夾持模組，以控制拋光夾持模組的運動軌跡。

根據本發明之目的，另提供一種磁流變拋光液，其包含基載液、磁性顆粒、磨料及添加劑，其中基載液係為水基或非水基，其佔28 ~38wt%，磁性顆粒係佔50~60wt%，磨料係佔2~12wt%，添加劑係佔0.1~1wt%；其中，磁性顆粒由粒徑為1~10um的羰基鐵粉和粒徑為1~5um羰基鐵鎳合金粉構成，其配比為9：1；其中，磨料係為110~130nm的矽溶膠，其選自單晶鑽、多晶鑽、氧化鋁、碳化矽、氧化鐵紅、氧化硅、氧化鈰中的一種或其組合；其中添加劑由分散劑、懸浮劑、表面活性劑、潤滑劑、防氧化劑所組成。

本發明的磁流變三維拋光裝置，其能克服習知技術的磁流變拋光裝置拋光效率不高，在拋光形狀複雜的三維工件時拋光效果不均勻，操作複雜的缺陷。

以下將以具體之實施例配合所附的圖式詳加說明本發明之技術特徵，以使所屬技術領域具有通常知識者可易於瞭解本發明之目的、技術特徵、及其優點。

1‧‧‧磁流變三維拋光裝置

10‧‧‧拋光容器

11‧‧‧容置空間

20‧‧‧磁場發生器

30‧‧‧拋光夾持模組

31‧‧‧主軸

32‧‧‧夾具

40‧‧‧控制模組

8‧‧‧拋光液

9‧‧‧工件

S1~S5‧‧‧流程

第1圖係為本發明之磁流變三維拋光裝置的方塊示意圖。

第2圖係為本發明之磁流變三維拋光裝置的結構示意圖。

第3圖係為本發明之磁流變拋光液的製備流程圖。

為利貴審查員瞭解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如 下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

本發明提供了適合於加工複雜三維形狀、加工效率高的磁流變拋光裝置，具體包括技術上相互關聯(有相同或相應必要技術特徵)的可旋轉磁場的磁流變拋光裝置和與相配套的磁流變拋光液。以下將參照相關圖式，說明依本發明之磁流變三維拋光裝置的實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

本發明之磁流變三維拋光裝置及磁流變拋光液，其可通過旋轉磁場增加切削力，用多軸機械手臂及程式控制系統代替機械系統，配合配套的磁流變拋光液實現3D工件拋光的磁流三維變拋光裝置。拋光原理是，置於拋光容器中的磁流變液在磁場作用下沿磁力線方向變成無數個柔性的“磨頭”(毛刷)，由拋光夾持模組控制的工件被毛刷包圍，通過毛刷對3D形狀工件進行打磨實現表面拋光。特別的是，拋光容器和磁場發生器一起可以由機械系統帶動以一定速度旋轉，以增加磁性毛刷的切削力。

請一併參閱第1、2圖，其係分別為本發明之磁流變三維拋光裝置的方塊示意圖及結構示意圖。

如圖所示，本發明之磁流變三維拋光裝置1，其包含一拋光容器10、一磁場發生器20、一拋光夾持模組30及一控制模組40。其中，拋光容器10係具有一容置空間11，且容置空間11配置以容置一拋光液8及待拋光的一工件9。磁場發生器20配置以承載拋光容器10，以供拋光容 器10設置於磁場發生器20上，且拋光容器10與磁場發生器20同步旋轉。其中轉速為大於0且小於等於300RPM。拋光夾持模組30包含一主軸31及一夾具32；其中主軸31具有複數個位移自由度，而夾具32可自轉地連接於主軸31，夾具32配置以固定工件9。控制模組40電性連接磁場發生器20及拋光夾持模組30。其中，控制模組40係配置以對拋光參數的設定和控制，例如拋光段數或拋光時間，而每一段的拋光參數則可包括：拋光時間、磁場發生器20產生的磁場大小、磁場發生器20產生的磁場旋轉方向和轉速、拋光夾持模組30運動軌跡選擇參數等。

進一步來說，磁場發生器20可由電源模組、環形陳列式的線圈、鐵芯、冷却模組等元件所構成，與習知技術的磁流變裝置不同的是，為了與對應的磁流變的拋光液8搭配以達到較好的拋光效果，磁場發生器20產生的磁場在整個拋光容器10的容置空間11中是均勻分佈的，且離磁場發生器20表面垂直高度為8cm處的磁場強度不低於0.2T。拋光容器10則設置於磁場發生器20上方，用於容納磁流變的拋光液8，以作為拋光區域。

拋光夾持模組30可由至少四軸的主軸31及夾具32所構成如機械手。與習知技術的拋光裝置不同的是，拋光夾持模組30和拋光系統(磁場發生器20及拋光容器10)是分別獨立設置的，因此可以通過控制模組40對拋光夾持模組30靈活的編寫各種運動軌跡，從而保證三維的工件9達到均勻的拋光效果。

同時，拋光夾持模組30是可以靈活擴展的，可以根據被拋光的工件9的形狀和大小，適當增減拋光的工位元，因為程式具有可攜 性，可以通過將已編寫好的程式移植到其它的拋光夾持模組30，既可以保證運動軌跡的一致性，從而保證各個工件9之間拋光效果的一致性，又可以避免人工調節角度，從而提高效率。

控制模組40可在借助軟體加必需的通用硬體的方式下來實現，當然也可以僅通過硬體的方式來實現，但在大多的情況下前者是更佳的實施方式，例如，硬體可為電腦裝置所包含的處理器(CPU)與儲存有相關軟體的硬碟(HDD)或記憶體(RAM、ROM)的協同運作而成。

請參閱第3圖，其係為本發明的磁流變拋光液的製備流程圖。

本發明之磁流變拋光液係為應用於上述的磁流變三維拋光裝置。磁流變拋光液包含基載液、磁性顆粒、磨料及添加劑。其中基載液係為水基或非水基，較佳地可為電阻率不低於5MΩ．cm的超純去離子水，且基載液佔28~38wt%。磁性顆粒則佔50~60wt%，其可為羰基鐵粉和鐵鎳合金粉(Fe0.7Ni0.3)。其中，羰基鐵粉之粒徑可為1~10um，而羰基鐵鎳合金粉之粒徑可為1~5um，較佳地可為3~55um，且羰基鐵粉和鐵鎳合金粉配比為9：1。磨料可為110~130nm的矽溶膠，較佳地可為120nm的矽溶膠，根據被拋光材質的不同，其可選自微細性小於1um的單晶鑽、多晶鑽、氧化鋁、碳化矽、氧化鐵紅、氧化硅、氧化鈰中的一種或其組合。其中，磨料佔2~12wt%。添加劑佔0.1~1wt%，其中添加劑由分散劑、懸浮劑、表面活性劑、潤滑劑、防氧化劑所組成。

舉例來說，分散劑可以由聚羧酸鈉鹽、六偏磷酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉的一種和幾種構成；懸浮劑可以選自聚丙烯酸鈉鹽、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、氣相白炭黑、聚丙醯胺的一種 和幾種構成；表面活性劑由烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段聚醚的一種和幾種構成；抗氧化劑由正磷酸鹽、硝酸鈉鹽、苯並三氮唑、硫脲的一種和幾種構成。

其中，製備方法是：(S1)按比例先後加入基載液，例如預定量的一半的基載液、磁性顆粒、懸浮劑；(S2)用高速分散機，例如1100RPM，攪拌，例如30分鐘；(S3)加入磨料和分散劑、抗氧化劑用行星球磨機球磨，例如一小時；(S4)分離出磨球並補齊剩下的基載液；以及(S5)繼續低速，例如500RPM攪拌10分鐘即可。

本發明的磁流變拋光液，其可以水作為基載液，易清洗，同時具有懸浮性好、不結塊、抗氧化性好、零場粘度低、剪切屈服力大的優點，特別適合鋁合金、不銹鋼(不帶磁性)等金屬材質和玻璃、陶瓷等非金屬材質的表面處理。

綜上所述，本發明與習知技術相比，其可具有下述優點：

(1)磁流變三維拋光裝置的拋光容器是隨磁場發生器一起旋轉的，如此一來，拋光容器和工件都可以旋轉，因相對運動可以大大提高切削力；同時，如果磁場固定，為了達到較高的拋光效率，工件就必須保持相對較高的轉速，這樣有可能造成機械系統不太穩定，從而導致拋光效果不均勻。

(2)磁流變三維拋光裝置的拋光夾持模組採用帶有程式控制系統的多軸機械手臂，與磁場發生器和拋光容器是獨立的，這樣既可以通過程式實現多種運動軌跡，從而保證各種形狀的工件得到均勻的拋 光效果；同時因程式的可攜性，拋光工位可以靈活擴展，並且可以保證每個工位的工件運動軌跡的一致性從而保證拋光效果的均勻一致。

(3)採用與該裝置配套的磁流變拋光液，具有易清洗、零場粘度低、剪切屈服力高的優點，特別適合金屬材質和非金屬材質的拋光處理。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧磁流變三維拋光裝置

10‧‧‧拋光容器

11‧‧‧容置空間

20‧‧‧磁場發生器

30‧‧‧拋光夾持模組

40‧‧‧控制模組

Claims (10)

1. 一種磁流變三維拋光裝置，其包含：一拋光容器，係具有一容置空間，且該容置空間係容置一拋光液及待拋光的一工件；以及一磁場發生器，該拋光容器係設置於該磁場發生器上，且與該磁場發生器同步旋轉，其中轉速為大於0且小於等於300RPM。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁流變三維拋光裝置，其中該磁場發生器所產生的磁場係均勻分佈於該容置空間，且離該拋光容器之表面的垂直高度為6~10cm處的磁場強度不低於0.2T。
3. 如申請專利範圍第1項所述的磁流變三維拋光裝置，該拋光液係包含基載液、磁性顆粒、磨料及添加劑，其中基載液係為水基或非水基，其佔28~38wt%，磁性顆粒係佔50~60wt%，磨料係佔2~12wt%，添加劑係佔0.1~1wt%。
4. 如申請專利範圍第3項所述的磁流變三維拋光裝置，其中磁性顆粒由粒徑為1~10um的羰基鐵粉和粒徑為1~5um羰基鐵鎳合金粉構成，其配比為9：1。
5. 如申請專利範圍第3項所述的磁流變三維拋光裝置，其中磨料係為110~130nm的矽溶膠，其選自單晶鑽、多晶鑽、氧化鋁、碳化矽、氧化鐵紅、氧化硅、氧化鈰中的一種或其組合。
6. 如申請專利範圍第3項所述的磁流變三維拋光裝置，其中添加劑由分散劑、懸浮劑、表面活性劑、潤滑劑、防氧化劑所組成。
7. 如申請專利範圍第1項所述的磁流變三維拋光裝置，其中更包含一控制模組，係電性連接該磁場發生器，以控制拋光時間、磁場大小、磁場旋轉方向和轉速。
8. 如申請專利範圍第1項所述的磁流變三維拋光裝置，更包含一拋光夾持模組，其包含一主軸及一夾具，該主軸具有複數個位移自由度，該夾具可自轉地連接於該主軸，該夾具配置以固定該工件。
9. 如申請專利範圍第8項所述的磁流變三維拋光裝置，更包含一控制模組，係電性連接該拋光夾持模組，以控制該拋光夾持模組的運動軌跡。
10. 一種磁流變拋光液，其包含基載液、磁性顆粒、磨料及添加劑，其中基載液係為水基或非水基，其佔28~38wt%，磁性顆粒係佔50~60wt%，磨料係佔2~12wt%，添加劑係佔0.1~1wt%；其中，磁性顆粒由粒徑為1~10um的羰基鐵粉和粒徑為1~5um羰基鐵鎳合金粉構成，其配比為9：1；其中，磨料係為110~130nm的矽溶膠，其選自單晶鑽、多晶鑽、氧化鋁、碳化矽、氧化鐵紅、氧化硅、氧化鈰中的一種或其組合；其中添加劑由分散劑、懸浮劑、表面活性劑、潤滑劑、防氧化劑所組成。