一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置的製作方法

2023-05-17 07:14:41 2

專利名稱：一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流變拋光工具，特別涉及一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置，屬於超精密光學表面加工領域。
背景技術：
電流變拋光技術是一種新興的光學表面加工技術。該技術利用電流變液的粘度隨電場強度的變化而變化的性質，將微細磨料混入電流變液並在電場的作用下形成柔性拋光模，基於普林斯頓方程對光學元件表面進行拋光。該技術是一種結合電動力學、流體力學以及固體物理學的新型光學表面加工技術。
電流變液由具有高介電常數的電流變粒子和低介電常數的基礎液組成。在不施加電場的情況下，電流變液會保持良好的流動性，類似於牛頓流體；而在電場的作用下，電流變液的表觀粘度會急劇增加，當電場強度超過某一臨界值時，電流變液將變為粘塑性固體，具有了一定的抗剪切屈服強度，即具有了賓漢液體的性質；隨著電場強度的增加，電流變液的抗剪切屈服強度還會進一步增加，直到達到最大值為止。日本東北大學的廚川長源(T. Kuriyagawa)於1999年提出了 「電流變液輔助拋光技術」，首次將「電流變效應」應用於光學加工領域。他在電流變液中混入微細磨料製成電流變拋光液，並且在拋光工具頭附近施加較高的電壓，磨料粒子被粘度增加的電流變拋光液束縛在工具頭附近，形成柔性拋光模，與工件表面進行相對運動去除元件表面的材料實現拋光。電流變液輔助拋光技術是一種微量的去除技術，更適合於小型鏡面的高精度拋光。在計算機的輔助下，可以實現高精度的確定性拋光，其具有以下幾個技術特點1、工具頭體積較小，可以對小型光學元件進行拋光；2、柔性拋光模與工件表面吻合的同時可避免硬性接觸，消除了光學表面被工具頭劃傷，及由於摩擦生熱導致拋光模變形改變去除函數的隱患；3、可以有效抑制邊緣效應和亞表面損傷。4、柔性拋光模可控性強，電流變液對電場強度變化的相應十分靈敏，在毫秒量級。目前已有的電流變拋光工具存在拋光效率低，結構複雜，參數調節困難的問題。早期的點接觸式電流變拋光裝置雖然結構相對簡單，但是拋光接觸面積很小，拋光區域線速度很低並且拋光區域中心處線速度為零，由普林斯頓方程可知，該結構材料去除效率低，拋光區域中心位置材料去除量為零。近年來出現的新結構在一定程度上改善了去除效率低的現象，但是結構複雜，通常需要多組齒輪或者皮帶輪傳動；採用電刷供電有可能造成電場不穩定；工具頭參數固定無法調節，工具頭不易更換。

發明內容
本發明為了解決已有的電流變拋光裝置拋光效率低，結構複雜，工具頭參數無法調節，工具頭更換困難等問題，設計了一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置。該裝置結構簡單精巧，陰陽極拋光輪間距靈活可調，拋光輪易更換，拋光效率高，供電方式穩定、安全。
本發明採用的技術方案是一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置，包括緊固螺栓、墊片、陰極拋光輪、陽極拋光輪、導線、軸承端蓋、頂絲、軸承、陽極支架、主軸、長螺栓、轉接架、套筒、齒輪、電機座和步進電機。上述部件的連接關係為主軸通過第三軸承固定於電機座；主動齒輪通過平鍵連接固定於步進電機軸，從動齒輪 套在主軸上與主動齒輪嚙合；利用第二軸承將主軸與轉接架連接，第二軸承和從動齒輪之間放置套筒，轉接架通過緊固螺栓固定於電機座；陽極支架通過第一軸承與主軸連接，軸承端蓋通過緊固螺栓將軸承和陽極支架固定，整體可沿主軸滑動；長螺栓穿過陽極支架旋入轉接架的內螺紋孔內；利用頂絲結構通過陽極支架上固定孔將陽極支架相對於長螺栓固定；陽極拋光輪通過過盈配合套在陽極支架上，陰極拋光輪通過螺栓穿過墊片固定於主軸的下端，並與陽極拋光輪保持平行。工作時，鬆開頂絲，沿主軸方向調節陰陽拋光輪間距，間距調節合適後旋緊頂絲，固定陽極極板的位置；陰極拋光輪通過主軸等金屬零件與電機外殼相連接地；高壓電源正極通過長螺栓和導線接通陽極拋光輪；通過多自由度精密數控工具機將拋光裝置移至拋光區域，將混有磨料的電流變液體加入拋光區域，其會在電場作用下變為粘塑性固體；步進電機通過齒輪驅動主軸轉動，進而帶動陰極拋光輪相對陽極拋光輪轉動，陰極拋光輪轉動時與陽極拋光輪平行；電流變拋光液隨著拋光輪相對工件表面運動產生切削，實現拋光。可以為該裝置加工一系列直徑不同的拋光輪，針對形狀不同的工件，選擇大小合適的拋光輪。根所述拋光裝置的拋光輪部分由兩片相互平行的形狀相似半徑相同的輪狀極板組成，陽極拋光輪固定，陰極拋光輪相對於陽極拋光輪轉動。所述陽極拋光輪、陽極支架、第一軸承和軸承端蓋組成的整體可通過沿主軸滑動的方式來調節陰陽極拋光輪間距。所述拋光裝置使用與主軸平行的長螺栓以保證陽極拋光輪固定並與陰極拋光輪平行。所述陽極拋光輪墊片、陰極拋光輪墊片、長螺栓、導線、主軸和電機座須採用高電導率的硬質材料製成。所述陽極支架和轉接架採用絕緣硬質材料製成。本發明有如下優點該裝置陰陽極拋光輪間距可調，可以靈活改變場強分布和拋光的接觸面積；拋光輪易更換，可根據工件形狀選擇大小合適的拋光輪；結構簡單精巧，在保證了加工效率的同時減小了體積，從而增強了加工能力；拋光區域內，輪狀拋光工具頭與工件相對速度較大，加工效率有了很大提高；集成陰陽電極於一體，無需輔助電極，電場施加方式安全簡便；相互平行的拋光輪兼做電極使用，發揮了拋光輪面積較大的優勢，使得電場的廣度不再局限於微小的區域，而是廣泛分布在拋光輪的周圍，電場相對於主軸旋轉對稱，可以在拋光輪外圈產生大面積電流變效應，即電場施加的位置不再限制拋光裝置的加工能力，這一改進帶來了拋光輪靈活使用的空間。該拋光裝置適用於小型自由曲面的高精度拋光。


圖I為本發明裝置的拋光裝置整體的剖面結構示意圖；圖2為本發明裝置的電機座結構示意圖；圖3為本發明裝置的轉接架結構示意圖；圖4為本發明裝置的陽極支架結構示意圖；圖5為本發明裝置的軸承端蓋結構示意圖；圖6為本發明裝置的陰極拋光輪結構示意圖；
圖7為本發明裝置的陽極拋光輪結構示意圖；圖8為本發明裝置的拋光輪附近電場矢量示意圖；圖9為本發明裝置的拋光過程示意圖；其中，I-緊固螺栓，2-墊片，3-陰極拋光輪，4-陽極拋光輪，5-導線，6_軸承端蓋，7-頂絲，8-第一軸承，9-陽極支架，10-主軸，11-長螺栓，12-第二軸承，13-轉接架，14-套筒，15-主動齒輪，16-從動齒輪，17-電機座，18-第二軸承，19-步進電機,20-內螺紋孔，21-內螺紋孔，22-內螺紋孔，23-通孔，24-頂絲孔，25-陽極支架上固定孔，26-內螺紋孔，27-通孔，28-電流變拋光液，29-工件。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作具體說明。一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置，如圖I所示，步進電機19通過緊固螺栓固定於電機座上方，電機座示意圖如圖2所示；主動齒輪15通過平鍵連接方式固定於步進電機19的轉子端頭；主軸10上端通過第三軸承18固定於電機座17 ;從動齒輪16固定於主軸10軸環下側，與主動齒輪15嚙合；套筒14，第二軸承12，轉接架13依次由主軸10下端穿入；轉接架13通過緊固螺栓固定於電機座17 ;軸承端蓋6，第一軸承8，陽極支架9依次由主軸10下端穿入，軸承端蓋6通過緊固螺栓將第一軸承8與陽極支架9固定，整體可沿主軸上下滑動；長螺栓11穿過陽極支架9的上固定孔，旋入轉接架13上的內螺紋孔內，頂絲7旋入陽極支架9的內螺紋孔內使陽極支架9與長螺栓11相對固定；陽極拋光輪4由主軸10下端穿入，通過過盈配合固定於陽極支架9 ;緊固螺栓I穿過墊片2與陰極拋光輪3旋入主軸10下端的內螺紋孔內，將陰極拋光輪3固定於主軸10下端；導線5將長螺栓11與陽極拋光輪4導通。圖2為該發明裝置的電機座結構示意圖，步進電機19通過緊固螺栓固定於內螺紋孔20 ;轉接架13通過緊固螺栓固定於內螺紋孔21。圖3為該發明裝置的轉接架結構示意圖，長螺栓11旋入內螺紋孔22;轉接架13通過緊固螺栓穿過通孔22固定於內螺紋孔21。圖4為該發明裝置的陽極支架結構示意圖，長螺栓11穿過陽極支架上固定孔25並旋入轉接架13的內螺紋孔22 ;頂絲7旋入頂絲孔24將陽極支架9固定於長螺栓11 ;軸承端蓋6通過緊固螺栓固定於內螺紋孔26。圖5為該發明裝置的軸承端蓋結構示意圖，軸承端蓋6通過緊固螺栓穿過通孔27固定於內螺紋孔26。圖6為該發明裝置的陰極拋光輪結構示意圖。
圖7為該發明裝置的陽極拋光輪結構示意圖。圖8為該發明裝置的拋光輪附近電場矢量示意圖。從微觀的角度來看，電流變粒子會沿電場線形成許多具有一定抗剪切屈服強度的鏈狀結構，並將磨料粒子束縛在內。這些粒子鏈與工件表面接觸並有相對運動時，就會切削去除工件表面材料，達到拋光的目的。工作時，根據工件形狀選擇大小合適的拋光輪，按上述步驟組裝拋光裝置，掛載於多自由度高精度數控工具機或機械手；擰松頂絲7，使陽極支架9可以沿長螺栓11和主軸10自由滑動；調節陽極拋光輪4與陰極拋光輪3之間的間距，旋緊頂絲9 ;將高壓電源正極與長螺栓11相連；接通工具機電源，將拋光裝置移至工件29的拋光區域，加入電流變拋光液28 ;旋開高壓電源，調節電壓大小，通過數控系統驅動步進 電機19帶動主軸10與陰極拋光輪3旋轉，進行拋光。該拋光裝置的工作過程如圖9所示，該裝置在計算機的控制下可以對小型光學元件進行確定性的高精度拋光。
權利要求
1.一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置，包括緊固螺栓、墊片、陰極拋光輪、陽極拋光輪、導線、軸承端蓋、頂絲、軸承、陽極支架、主軸、長螺栓、轉接架、套筒、齒輪、電機座和步進電機組成；上述部件的連接關係為主軸通過第三軸承固定於電機座；主動齒輪通過平鍵連接固定於步進電機軸，從動齒輪套在主軸上與主動齒輪嚙合；利用第二軸承將主軸與轉接架連接，第二軸承和從動齒輪之間放置套筒，轉接架通過緊固螺栓固定於電機座；陽極支架通過第一軸承與主軸連接，軸承端蓋通過緊固螺栓將軸承和陽極支架固定，整體可沿主軸滑動；長螺栓穿過陽極支架旋入轉接架的內螺紋孔內；利用頂絲結構通過陽極支架上固定孔將陽極支架相對於長螺栓固定；陽極拋光輪通過過盈配合套在陽極支架上，陰極拋光輪通過緊固螺栓穿過墊片固定於主軸的下端，並與陽極拋光輪保持平行；工作時，鬆開頂絲，沿主軸方向滑動陽極拋光輪，位置調節合適後旋緊頂絲，固定陽極拋光輪的位置；陰極拋光輪通過主軸等金屬零件與電機外殼相連接地；高壓電源正極通過長螺栓和導線接通陽極拋光輪；通過多自由度精密數控工具機將拋光裝置移至拋光區域，將混有磨料的電流變液體加入拋光區域，其會在電場作用下變為粘塑性固體；步進電機通過齒輪驅動主軸轉動，進而帶動陰極拋光輪相對陽極拋光輪轉動，陰極拋光輪轉動時與陽極拋光輪平行；電流變拋光液隨著陰極拋光輪相對工件表面運動產生切削，實現拋光。
2.根據權利要求I所述的平行間距可調輪狀集成電極電場致流變拋光裝置，其特徵在於所述拋光裝置的拋光輪部分由兩片形狀相似半徑相同的平行輪狀極板組成，陽極拋光輪固定，陰極拋光輪相對於陽極拋光輪轉動。
3.根據權利要求I所述的平行間距可調輪狀集成電極電場致流變拋光裝置，其特徵在於所述陽極拋光輪、陽極支架、第一軸承和軸承端蓋組成的整體可通過沿主軸滑動的方式來調節陰陽極拋光輪間距。
4.根據權利要求I所述的平行間距可調輪狀集成電極電場致流變拋光裝置，其特徵在於所述拋光裝置使用與主軸平行的長螺栓以保證陽極拋光輪固定並與陰極拋光輪平行。
5.根據權利要求I所述的平行間距可調輪狀集成電極電場致流變拋光裝置，其特徵在於所述陽極拋光輪墊片、陰極拋光輪墊片、長螺栓、導線、主軸和電機座須採用高電導率的硬質材料製成。
6.根據權利要求I所述的平行間距可調輪狀集成電極電場致流變拋光裝置，其特徵在於所述陽極支架和轉接架採用絕緣硬質材料製成。
全文摘要
一種極板間距可調的輪式電流變拋光裝置，屬於超精密光學表面加工領域。為解決現有的電流變拋光裝置去除效率低，結構複雜以及參數不可調節等問題，設計使用了兩片互相平行的形狀相似半徑相同的輪狀極板作為拋光輪，並可通過將陽極拋光輪沿主軸滑動的方式調節極板間距；工作時，陽極拋光輪固定不動，步進電機通過傳動齒輪和主軸驅動陰極拋光輪相對陽極拋光輪轉動，帶動柔性拋光模相對工件表面運動，切削工件表面的材料實現拋光。該裝置結構簡單精巧，陰陽極拋光輪間距靈活可調，拋光輪易更換，拋光範圍廣，拋光效率高，適用於小型自由曲面光學元件的超光滑加工。
文檔編號B24B1/00GK102962733SQ20121054975
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月17日 優先權日2012年12月17日
發明者程灝波, 蘇景詩 申請人:北京理工大學