CN201026588Y

CN201026588Y - 磁流变效应曲面研磨抛光装置

Info

Publication number: CN201026588Y
Application number: CNU2006201556379U
Authority: CN
Inventors: 阎秋生; 高伟强; 路家斌
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2006-12-31
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2016-12-31

Abstract

本实用新型公开了一种磁流变效应曲面研磨抛光装置，该研磨抛光装置的技术方案是，工件安装在工作台上，X向进给系统、Y向进给系统分别与工作台和数控系统连接，数控系统连接电脑，Z向进给系统安装在机身台架上并与数控系统连接，实现研磨工具与工件之间的插补运动；机身台架下端安装研磨工具主轴电机，上述研磨工具主轴电机安装有研磨工具，由研磨抛光液喷嘴加注研磨抛光液到研磨工具与工件之间；本装置利用磁流变液在磁场作用下将游离磨料约束、团聚形成磁流变效应研磨刷，研磨刷具有的硬度对工件表面产生研抛压力、磨料微粒对工件表面产生研磨加工作用，可以产生曲面形状修正的作用，达到高效率高精度研磨加工超光滑表面的效果。

Description

磁流变效应曲面研磨抛光装置

技术领域

本实用新型涉及一种磁流变效应曲面研磨抛光装置。

背景技术

随着信息电子化和光电信号传输的高速化和大容量化，融合电子技术和光学技术的光电子产品的需求越来越大，如CD/DVD光学读数头、光纤通讯中光/电(PD)和电/光(LD)信号转换器、投影仪、激光打印机、分子激光器等，光电产品的核心部件之一就是光路中使用的光学元件(透镜、反射镜)，光学元件的制造方法主要有陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的单件小批量机械加工成形以及塑料、玻璃等可加热塑性化材料的工业量产化模压加工成形，光学元件表面和热压模具表面都需要通过机械加工方法达到其形状精度和表面精度要求。光学元件要达到良好的光学性能，其表面精度需要达到超光滑程度，面形精度也有较高要求。光学表面的加工方法主要有金刚石工具切削、磨削和研磨抛光及其组合，研磨抛光是最终得到超光滑表面的有效加工方法。

超光滑平面的应用越来越多，如光盘模具表面、单晶硅片表面等，最终需要通过研磨和抛光加工达到所需形状精度和表面粗糙度。具有超光滑表面要求的零件使用的材料越来越多采用光学玻璃、工程陶瓷、超细硬质合金等硬脆材料以及不锈钢等。

研磨加工是利用软质研磨盘和研磨液(油或水性物质与游离磨料的混合物)，通过研磨盘向游离磨料施加一定压力作用于工件表面，磨料在研磨盘与工件界面上产生滚动或滑动，从被加工工件表面去除一层极薄的材料，达到提高工件形状精度和表面精度的目的。

现有的研磨抛光装置主要由安装在连接电机的主轴上的研磨盘和用于安装工件的连接电机的旋转工作台构成。工作时，将工件安装在工作台上，研磨盘与工件之间保持一定的运动关系，研磨盘对游离磨料施加一定的压力实现对工件表面的研磨抛光加工。

现有的抛光装置主要有(1)由金属材料制成研磨盘基体，将游离磨料加入到研磨盘与工件之间的机械研磨抛光，例如铸铁研磨盘加研磨剂/研磨膏；(2)在研磨盘与工件之间使用抛光垫，抛光垫产生施加研抛压力和约束游离磨料的作用；(3)在机械研磨过程中增加化学/电化学作用的机械化学研磨抛光；(4)曲面的小尺寸工具扫描研磨抛光加工；(5)气囊均等研磨抛光加工，他们均属于游离磨料加工。

现有游离磨料研磨抛光装置存在的问题有：游离磨料微粒在研磨盘与工件之间的运动速度、轨迹、滞留时间等都无法有效控制，在研磨盘与工件界面之间的游离态磨料只有较大尺寸的磨粒产生加工作用，由于相对运动的作用相当部分较小尺寸的磨粒尚未与工件表面产生干涉作用即脱离研磨盘与工件界面，造成加工精度和效率低下。曲面的研磨抛光加工相对于平面研磨抛光加工更困难，因为既要保证曲面的形状精度又要达到超光滑表面。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有抛光装置存在的问题，提供一种磁流变效应曲面研磨抛光装置。

本实用新型提供的研磨抛光装置的技术方案是，工件安装在工作台5上，X向进给系统6、Y向进给系统7和Z向进给系统8分别和数控系统9连接，数控系统9连接电脑10，X向进给系统6、Y向进给系统7与工作台5连接，Z向进给系统8安装在机身台架11上，实现研磨工具与工件曲面之间的插补运动；Z向进给系统8下端安装研磨工具主轴电机12，上述研磨工具主轴电机12安装有曲面研磨工具1-1，由研磨抛光液喷嘴13加注研磨抛光液3到研磨工具与工件之间。

上述研磨抛光液是磁流变液与磨料混合液，上述研磨抛光液中的游离磨料微粒3-2被磁流变液中的铁磁性粒子3-1链包裹、约束在一起构成磁流变效应研磨刷4。

上述磁流变液可选用现有的商品化磁流变液，也可以选用其重量份数组成的如下磁流变液：硅油重量百分比50～60％，固体分散粒子重量百分比30～40％，油酸重量百分比2～3％，磨料重量百分比3～15％。

上述自制的磁流变液的固体分散粒子主要是铁磁性物质，有羰基铁粉、还原铁粉。

上述磁流变液中加入的游离磨料有碳化硅(SiC)、金刚石、立方氮化鹏(CBN)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化锆(ZrO₂)的其中一种或一种以上混合物，磨料微粒直径小于20微米，游离磨料与磁流变液的重量百分比小于15％。

上述研磨工具选用组合式磁性曲面研磨工具。

上述研磨工具另可选用分布式磁性曲面研磨工具。

上述研磨工具选用组合式磁性曲面研磨工具由磁性曲面研磨工具基体1-1-1和圆弧截面永磁体1-1-2构成，形成具有圆弧截面的磁流变效应研磨刷；上述若干个圆弧截面永磁体1-1-2环绕安装在磁性曲面研磨工具基体1-1-1四周，磁性曲面研磨工具基体1-1-1由非磁性材料制成。

上述分布式磁性曲面研磨工具由磁性曲面研磨工具基体1-2-1，电磁线圈或永磁套圈1-2-2，隔磁垫圈1-2-3，铜分割带1-2-4以及圆弧截面形状的分布式磁性体1-2-5组成；磁性曲面研磨工具基体1-2-1由非磁性材料制成，圆弧截面形状分布式磁性体1-2-5由铁磁材料制成经过铜分割带1-2-4分割形成分布式磁场和具有圆弧截面的磁流变效应研磨带，电磁线圈或永磁套圈1-2-2镶嵌在磁性曲面研磨工具基体1-2-1中，隔磁垫圈1-2-3安装在磁性曲面研磨工具基体1-2-1与电磁线圈或永磁套圈1-2-2之间。

上述研磨工具的研磨端面整体宏观上呈圆弧截面形状，可以旋转或不旋转。

上述工件是轴对称曲面的工件2-2或非轴对称曲面的工件2-1。

上述工作台5是矩形移动工作台或回转工作台。

上述工件是凹曲面或凸曲面或凸凹组合的曲面。

上述工件材料可以为光学玻璃、硬质合金、工程陶瓷等硬脆材料，也可以为不锈钢等非磁性材料。

本实用新型以磁流变液和游离磨料的混合液为研磨抛光液，使用磁性体作为研磨工具基体，利用磁流变液在磁场作用下粘结固化的磁流变效应将游离磨料约束、团聚在研磨工具基体顶端形成磁流变效应研磨刷。将小尺寸的磁性体排列组合成具有圆弧回转面结构、其端面的磁流变效应研磨刷形成组合式研磨工具，使游离磨料约束于各个小尺寸磁流变效应研磨刷中，保证了研磨工具与工件表面之间的磨粒浓度和稳定性。由于研磨工具中组合的磁流变效应研磨刷具有的硬度对工件表面产生研抛压力、磨料微粒对工件表面产生研磨加工作用，并且磁流变效应研磨刷研磨作用与研磨工具和工件表面之间间隙成反向比例关系，由于研磨工具与工件表面之间的精确几何关系可以产生曲面形状修正的作用，工件表面上凸点有较高的材料去除率凹点有较低的材料去除率，因此可以达到高效率高精度研磨抛光加工超光滑表面的效果。

磁流变液是由磁场强度可以控制其粘度的功能性液体材料的总称，磁流变液中铁磁粒子在磁场作用下成串排列，表现为表观粘度增大，使不能抗剪切的液体产生具有明显屈服作用的屈服应力，这一现象即为磁流变效应。

本实用新型的作用原理是：将游离微细磨料混入磁流变液体中，利用磁流变液在磁场作用下铁磁粒子成链分布粘度增大的磁流变效应，游离磨料微粒被磁流变液中的铁磁粒子链包裹、约束在一起形成磁流变效应研磨刷，当以永磁铁或电磁铁制成工具基体，则在磁极顶端形成放射状磁力线，由于铁磁粒子沿磁力线排列产生了聚集于磁极顶端的磨粒富集带构成磁流变效应研磨刷，将研磨工具基体制成具有组合式磁极或连续式磁极时，就会在研磨工具表面形成有组织的磁流变效应研磨刷或磁流变效应研磨带，当研磨工具与工件之间相对运动时磁流变效应研磨刷或磁流变效应研磨带随之在工件表面形成复杂运动轨迹并产生微切削作用，可以对工件表面实施研磨抛光加工，提高其形状精度并降低其表面粗糙度达到超光滑程度。

本实用新型与现有研磨加工装置根本的不同表现在：1)本实用新型研磨工具表面具有组合或连续分布的磁性体产生磁场；2)本实用新型在研磨工具与工件界面上产生研磨作用的是组合磁流变效应研磨刷、或连续分布的磁流变效应研磨带而不是单层、单个游离磨料，减小了游离磨料尺寸不均匀性对加工精度和效率的影响；3)本实用新型磨料微粒对工件表面产生的微切削力是磁流变效应研磨刷或磁流变效应研磨带产生的正压力和剪切力的综合效果，磁流变效应研磨刷或磁流变效应研磨带本身具有弹性，作用于加工表面的过程均匀、和缓、可控，而不是机械研磨中通过研磨工具基体、或研磨盘与工件之间的机械作用向游离磨料施加的，有利于得到超光滑表面；4)磁流变效应研磨刷或磁流变效应研磨带在其不同部位由于磁场强度不同而具有不同的刚度和对磨料微粒的保持强度，同时磁流变效应研磨刷或磁流变效应研磨带中磨粒浓度可以控制，利于研磨加工过程中加工效率和加工精度的控制；5)磁流变效应研磨刷研磨作用与研磨工具和工件表面之间间隙成反向比例关系，工件表面上凸点有较高的材料去除率凹点有较低的材料去除率，可以达到高效率高精度研磨抛光加工超光滑表面的效果。

本实用新型的有益效果：在研磨工具表面形成的组合式磁流变效应研磨刷或连续磁流变效应研磨带，产生了游离磨料微粒均匀而稳定地分布于研磨工具表面并作用于工件加工表面，解决了现有研磨技术游离磨料在工件界面无法均匀分布以及磨料浓度难以维持、磨料尺寸不均匀等影响研磨精度和效率的难题，磁场的强度决定磁流变效应研磨刷或连续磁流变效应研磨带中磨料微粒的结合强度，加工过程特征介于固定磨料与游离磨料之间，一方面可以始终保持工件加工界面上游离磨料的浓度和均匀性，同时磁流变效应对游离磨料微粒属于软约束，离心力和微切削力作用都可能使磨料微粒挣脱、磨粒磨钝受到过大的切削力时会导致接近固态的磁流变液屈服流动磨粒逃逸，加工过程中的磨粒自我更新机制使磨钝磨粒不断脱落、增加了磨粒的移动，提高了材料的去除效果，同时，不需要考虑困扰一般加工过程的工具磨损问题。另一方面磁流变效应研磨刷或连续磁流变效应研磨带本身具有粘弹性，起到了抛光垫的作用，研磨过程中不会象固结磨料磨具可能损伤工件已加工表面，达到高精度研磨加工目的。

附图说明

图1是磁流变效应曲面研磨抛光装置的结构示意图；

图2是磁流变效应曲面研磨抛光装置的工作原理图；

图3是本实用新型应用磁流变效应研磨方法进行轴对称回转曲面加工的原理图；

图4是本实用新型应用磁流变效应研磨方法进行非轴对称曲面加工的原理图；

图5是本实用新型使用的组合式磁性曲面研磨工具结构示意图；

图6是本实用新型使用的组合式磁性曲面研磨工具结构示意图的剖面图；

图7是本实用新型使用的分布式磁性曲面研磨工具结构示意图；

图8是本实用新型使用的分布式磁性曲面研磨工具结构示意图的剖面图；

图中各编号含义：1.磁性体，1-1.组合式磁性曲面研磨工具，1-1-1.组合式磁性曲面研磨工具基体，1-1-2.圆弧截面永磁体，1-2.分布式磁性曲面研磨工具，1-2-1.分布式磁性曲面研磨工具基体，1-2-2.电磁线圈或永磁套圈，1-2-3.隔磁垫圈，1-2-4.铜分割带，1-2-5.圆弧截面形状分布式磁性体，2.加工表面，2-1.加工面是非轴对称曲面的工件，2-2.加工面是轴对称回转曲面的工件，3.研磨抛光液(磁流变液与磨料混合液)，3-1.铁磁粒子，3-2.磨料微粒，4.磁流变效应研磨刷，5.工作台，6.X向进给系统，7.Y向进给系统，8.Z向进给系统，9.数控系统，10.电脑，11.机身台架，12.研磨工具主轴电机，13.研磨液喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步具体的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

图1示出了本实用新型用于超光滑曲面研磨抛光加工的具体结构，曲面磁性研磨工具1-1在研磨工具主轴电机12的驱动下可以实现转动，加工面为非轴对称曲面的工件2-1安装于具有3轴数控插补运动的工作台5上，X向进给系统6、Y向进给系统7和Z向进给系统8在数控系统9的控制下实现曲面磁性研磨工具1-1与加工面为非轴对称曲面的工件2-1之间的插补运动，电脑10向数控系统9传输加工数据，由研磨抛光液喷嘴13加注研磨抛光液(磁流变液与磨料混合液)3到工具与工件界面，实现对工件曲面的研磨加工。

图2，本实用新型利用磁流变效应制作光滑表面研磨工具的原理，是将磁性体1置于研磨抛光液(磁流变液与磨料混合液)3之中，在磁场作用下磁流变液中铁磁粒子3-1沿磁力线成串排列，混入其中的磨料微粒3-2被包裹、约束在成串分布的铁磁性粒子3-1之间，由于磁性体1端部磁力线密集并呈放射状分布，因而游离磨料聚集形成具有一定刚度和联结强度的可以进行研磨抛光加工的磁流变效应研磨刷4。

图3示出了本实用新型用于光滑轴对称回转曲面研磨抛光加工的原理图，由图可见，加工面为轴对称回转曲面的工件2-2安装于回转工作台5上，磁性曲面研磨工具1-1具有回转和轴向进给运动，同时具有与工件表面之间的查补运动，由研磨抛光液喷嘴13加注研磨抛光液(磁流变液与磨料混合液)3到工具与工件界面，实现对工件曲面的研磨抛光加工。

图4示出了本实用新型用于光滑非轴对称曲面研磨加工的原理图，由图可见，加工面为非轴对称曲面的工件2-1安装于具有数控插补运动的工作台5上，磁性曲面研磨工具1-1具有回转和轴向进给运动，由研磨抛光液喷嘴13加注研磨抛光液(磁流变液与磨料混合液)3到工具与工件界面，实现对工件曲面的研磨抛光加工。

图5示出了磁性曲面研磨工具的一种具体结构，由磁性曲面研磨工具基体1-1-1和圆弧截面永磁体1-1-2构成，形成具有圆弧截面的磁流变效应研磨刷。

图6示出了磁性曲面研磨工具的另一种具体结构，由磁性曲面研磨工具基体1-2-1，电磁线圈或永磁套圈1-2-2，隔磁垫圈1-2-3，铜分割带1-2-4以及圆弧截面形状的分布式磁性体1-2-5组成，圆弧截面形状分布式磁性体1-2-5由铁磁材料制成经过铜分割带1-2-4分割形成分布式磁场和具有圆弧截面的磁流变效应研磨带。

本实用新型同样可以研磨抛光加工凸曲面或凸凹组合的曲面，其实施过程与以上过程相似。

Claims

1.一种磁流变效应曲面研磨抛光装置，工件安装在工作台上，X向进给系统、Y向进给系统分别与工作台和数控系统连接，数控系统连接电脑，Z向进给系统安装在机身台架上并与数控系统连接；机身台架下端安装研磨工具主轴电机，其特征在于：上述研磨工具主轴电机安装有研磨工具，由研磨抛光液喷嘴加注研磨抛光液到研磨工具与工件之间。

2.根据权利要求1所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述研磨抛光液中的游离磨料微粒被磁流变液中的铁磁性粒子链包裹、约束在一起构成磁流变效应研磨刷。

3.根据权利要求1所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述研磨工具选用组合式磁性曲面研磨工具。

4.根据权利要求1所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述研磨工具另选用分布式磁性曲面研磨工具。

5.根据权利要求3所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述组合式磁性曲面研磨工具由磁性曲面研磨工具基体和圆弧截面永磁体构成，形成具有圆弧截面的磁流变效应研磨刷；上述若干个圆弧截面永磁体环绕安装在磁性曲面研磨工具基体四周。

6.根据权利要求4所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述分布式磁性曲面研磨工具由磁性曲面研磨工具基体，电磁线圈或永磁套圈，隔磁垫圈，铜分割带以及圆弧截面形状的分布式磁性体组成；圆弧截面形状分布式磁性体由铁磁材料制成经过铜分割带分割形成分布式磁场和具有圆弧截面的磁流变效应研磨带，电磁线圈或永磁套圈镶嵌在磁性曲面研磨工具基体中，隔磁垫圈安装在磁性曲面研磨工具基体与电磁线圈或永磁套圈之间。

7.根据权利要求1或3或4所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述研磨工具的研磨端面整体宏观上呈圆弧截面形状。

8.根据权利要求1所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述工件是轴对称曲面的工件或非轴对称曲面的工件。

9.根据权利要求1或8所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述工件是凹曲面或凸曲面或凸凹组合的曲面。

10.根据权利要求1所述的曲面研磨抛光装置，其特征在于：上述工件材料为光学玻璃、硬质合金、工程陶瓷或不锈钢。