一種磁流變拋光裝置與方法

2023-11-05 09:26:17 1

一種磁流變拋光裝置與方法
【專利摘要】一種磁流變拋光裝置，拋光頭由工件軸、固定在工件軸下端的非導磁夾具和置於非導磁夾具與工件軸之間的軟磁板構成；裝有磁流變液的載液槽位於拋光頭下部，載液槽底部有拋光墊；電磁鐵位於載液槽下部，與工件保持12—18mm間距；電磁鐵和載液槽由往復傳動機機構驅動、與工件拋光表面平行作直線往復運動。利用該裝置進行磁流變拋光，電磁鐵磁通密度為0.1—0.4T，往復移動的行程略大於或等於工件拋光長度，往復移動速度為0.5—5mm/s。工件在磁場平動與工件轉動的複合運動下完成表面材料的去除。該裝置具有磁場均化性好、磁流變液在拋光加工區內交換順暢、加工碎屑易排出、工件拋光表面微觀紋理均化性好等優點，尤其適用於狹長工件大平面表面研拋加工。
【專利說明】一種磁流變拋光裝置與方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及拋光設備和工藝，特別是一種利用磁流變液對工件進行拋光的裝置與方法。

【背景技術】
[0002]隨著光學技術及半導體照明技術的不斷發展，超光滑大尺寸平面元件如:單晶矽表面、顯示面板等應用越發廣泛。對這些元件的加工，要求滿足殘餘應力小、表面損傷層極薄。而傳統超光滑平面加工方法，如機械化學拋光、化學機械拋光，對加工件外表面的腐蝕容易造成亞表面損傷嚴重、拋光液汙染、生產成本高、效率低、報廢率高等問題。
[0003]磁流變液(Magnetorheological Fluids)是一種新型智能軟物質,通過改變磁場能在極短時間內(一般為毫秒級)平穩、快速完成固液兩相間的轉換，且過程可逆。因其具有良好的力學性能，並可電控，易於實現計算機和網絡控制，故其具有極高的應用價值，廣泛應用於航空航天、機電工程、汽車工程、土木工程、精密加工工程、控制工程、醫療等領域，被認為是未來最有發展前途的智能材料之一。
[0004]磁流變拋光是一種精密加工技術，它是通過在磁流變液中加入拋光粉(磁敏顆粒)，利用磁流變液在強磁場作用下固化，在加工區域形成有一定硬度和彈性、能承受較大剪切應力的所謂賓漢姆黏塑性體(此稱為「賓漢姆效應」)，用其作為可控點狀區域的拋光工具，對工件進行拋光。為提高拋光效率，可在磁流變液中按一定比例加入金剛石、氧化鋁或SiC等磨粒微粉。
[0005]ZL201310229989.9專利文獻披露了一種磁流變平面拋光裝置，由非導磁夾具夾持工件，夾具與工件軸之間設軟磁板，與下方的電磁鐵配合，形成均勻磁場；主軸帶動載液槽，連帶拋光墊與磁流變液一同旋轉，在工件上下對等布置的磁極作用下，磁流變液發生流變反應形成賓漢姆黏塑性體，對工件完成材料去除、拋光。這種裝置的優點是:對等磁極布置能較好地實現勻強磁場，材料去除效率較高；對加工橫、縱向尺寸相近的工件表面具有優勢。其缺點是:用於拋光狹長工件，其載液槽的直徑尺寸勢必要設計得很大才行。
[0006]ZL200820227337.8專利文獻披露了一種用於加工球面光學玻璃表面的環帶磁場磁流變拋光裝置，它將磁流變液置於環形磁軛內外磁極之間，內磁極帶動環帶拋光工具自轉，與工件發生相對運動，在拋光工件與磁軛間隙形成環帶磁場，使間隙中的磁敏顆粒極化，形成賓漢姆黏塑性體，對工件進行拋光。這種拋光裝置的環帶磁場中空部位磁場不均勻，對平面表面拋光頭駐留分配時間相應也不均勻，會使平面零件表面拋光質量下降或加工時間延長。
[0007]針對拋光效率的改進，ZL200710062638.8專利文獻披露了一種對零件或模具整體完成磁流變拋光的方法，該方法預先用永磁體製作與拋光表面整體形狀相吻合的整體式磁性拋光模，加工時將待拋光工件置於拋光模中，並固定於裝有磁流變液的載液槽中，利用整體式磁性拋光模的形狀適應性和磁流變拋光液的高柔性，採取使拋光模和被拋光整體型面之間的微小相對運動(比如微振)，對型腔芯模具及零件進行簡單高效的拋光。這種磁流變拋光的優勢在於是針對零件的整體拋光，而不是單獨某個面的局部拋光，更適合對複雜型腔芯表面進行拋光。
[0008]美國羅切斯特大學W.1.Kordonsky公開了一種磁流變拋光設備，它將磁流變液置於一轉動的載液槽中，載液槽底部配置各種形式的磁場(可以是單一、多個磁極或者磁軛)，磁流變液在載液槽帶動下進入工件和磁場之間的間隙，發生流變反應，實現確定性拋光。其特點是實現了磁流變液的大面積磁化，但磁通密度在磁極表面垂直的方向上衰減的較快，並且磁場為非勻強磁場，磁流變液固化後形成的拋光工具硬度不均勻，對於工件大平面表面研拋加工效果不佳。
[0009]《機械設計與製造》2008(10)及《製造技術與工具機》2009 (11)披露了一種DHU-MRF倒置式磁流變拋光裝置，用其進行大尺度光學元件拋光試驗，取得粗糙度數據後發現，工件中心層加工穩定性高，向外部進給時磁流變液會濺出，被高速旋轉的工件甩出拋光區，使加工質量降低。
[0010]《機械工程學報》2014(01)披露了一種集群磁流變平面拋光加工技術，利用集群微磨頭的即效固化特徵，在拋光裝置中變單一磁體為多個微磁柱體，嵌於非導磁基體中，利用磁極的排布方式、尺寸等參數變化影響微磨頭的材料去除效率。
[0011]以上磁流變裝置，大都局限於對橫向和縱向尺寸變化不大的光學透鏡材料的精密研拋加工，對於平面工件，尤其是狹長工件的平面研拋，其適應性較差，原因是存在兩大問題:一是因磁場在平行於拋光表面的方向上不能移動，磁流變液在拋光加工區內交換不暢，使加工碎屑不能及時排出，導致拋光表面微觀紋理均化性不好，影響拋光質量；二是如果將其用於平面工件或狹長工件拋光，只有增大載液槽尺寸或增設加工件送進裝置，但這不利於簡化加工工序。


【發明內容】

[0012]本發明的目的是針對上述現有技術存在的問題提供一種磁場均化性好、磁流變液在拋光加工區內交換順暢、加工碎屑易排出、工件拋光表面微觀紋理均化性好、尤其適用於狹長工件大平面表面研拋加工的磁流變拋光裝置與方法。
[0013]為實現上述目的，本發明提供的磁流變拋光裝置，包括機架，拋光頭，載液槽和電磁鐵；拋光頭由電機驅動的工件軸、固定在工件軸下端的非導磁夾具和置於非導磁夾具與工件軸之間的軟磁板構成；載液槽位於拋光頭的下部，其中裝有磁流變液，載液槽底部有拋光墊；電磁鐵位於載液槽的下部，電磁鐵與工件的間距為12 —18_ ;其特徵在於:所述電磁鐵和載液槽由往復傳動機構驅動、與工件拋光表面平行作直線往復運動。
[0014]所述往復傳動機構包括由上臺板、下臺板和立板構成的方形移動架，所述電磁鐵固定安裝在移動架的下臺板上，在下臺板的底面安裝有滑塊，與滑塊配合的導軌固定安裝在基座上，基座固定安裝在機架的平臺上，利用移動架的立板安裝可驅動移動架沿導軌直線往復運動的偏心輪機構；所述載液槽固定安裝在移動架的上臺板上。
[0015]利用上述磁流變拋光裝置進行拋光的方法，包括以下步驟:
[0016]步驟1、把工件安裝在非導磁夾具下面，並浸入載液槽中的磁流變液中，調整電磁鐵的上下位置，使其與工件之間的間距為設定值；
[0017]步驟2、通過電機啟動工件軸轉動，帶動軟磁板、非導磁夾具和工件同步轉動；
[0018]步驟3、調整電磁鐵線圈電流，使電磁鐵的磁通密度為0.1—0.4T ；
[0019]步驟4、調整電磁鐵直線往復移動的行程，使其略大於或等於工件拋光長度，使工件表面充分受到賓漢姆效應，得到全面研拋；
[0020]步驟5、啟動往復傳動機構運轉，使電磁鐵往復移動；調節電磁鐵(磁場)的往復移動速度為0.5—5mm/s ;在磁場平動與工件轉動的複合運動下，完成工件表面材料的去除；
[0021]步驟6、拋光結束，關停工件軸和往復傳動機構的電機，工件軸和往復傳動機構停止運轉，電磁鐵及軟磁板失去磁性，載液槽中以賓漢姆黏塑性體形式存在的磁流變液重新轉為液相；使工件離開磁流變液，從非導磁夾具上卸下。
[0022]本發明的工作原理是:驅動電機驅動往復傳動機構(偏心輪機構)運轉，帶動電磁鐵作往復運動，使磁場位置不斷改變。當電磁鐵運動到工件正下方區域時(如圖4a所示)，載液槽中對應此區域的磁流變液形成具有一定硬度和彈性的類固態賓漢姆黏塑性體，成為能承受較大剪切力的可控的點狀區域的拋光工具。該區域的磁流變液中拋光顆粒與工件下表面接觸，利用類固態賓漢姆黏塑性體的剪切力對工件正下方表面的一定區域拋光。當電磁鐵運動到工件右下方時(如圖4b所示)，磁流變液形成的類固態賓漢姆黏塑性體拋光工具亦隨之運動到工件的右下方，對工件右下方表面一定區域拋光。因電磁鐵與工件的相對位置發生改變，而工件只在原位置轉動，電磁鐵每左右往復運動一個周期，磁流變液形成的類固態賓漢姆黏塑性體拋光工具對工件下表面完成左右全範圍拋光。與此同時，載液槽攜帶磁流變液隨電磁鐵同步往復移動，實現拋光區的磁流變液的交換。由上述運動的疊加完成具有良好均化特性表面的拋光過程。隨著磁流變液類固態賓漢姆黏塑性體位置的不斷改變，加工碎屑則跟隨轉為液相的磁流變液離開工件拋光區。
[0023]本發明磁流變拋光裝置與方法與現有技術相比，除具有材料去除效率高、表面損傷接近於零、沒有刀具磨損等磁流變拋光的一般優點外，還具有以下優點:
[0024]1、本發明通過往復傳動機構使磁場由以往的固定不動改變為與工件拋光表面平行作直線往復運動，從而不需增大載液槽尺寸或增設加工件送進裝置，即可完成對狹長零件的大平面拋光。
[0025]2、本發明增加了拋光頭處磁流變液的循環交換，使加工碎屑更容易跟隨轉為液相的磁流變液及時離開拋光區，有利於改善拋光表面微觀紋理均化特性，提高拋光質量。
[0026]3、工件與夾具間設有軟磁板,對拋光區磁場起補磁作用，有利於拋光區域內磁場的均勻分布。
[0027]4、本發明磁流變拋光裝置結構簡單、緊湊，易於操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發明磁流變拋光裝置的三維立體圖；
[0029]圖2為圖1中拋光總成Z的結構圖；
[0030]圖3為圖2的右視圖；
[0031]圖4為本發明拋光原理示意圖，其中圖4a為電磁鐵運動到工件正下方時的磁流變拋光示意圖，圖4b為電磁鐵運動到工件右下方時的磁流變拋光示意圖。
[0032]圖中:1_工件軸，2-軟磁板，3-非導磁夾具，4-工件，5-磁流變液，6-拋光墊，7-載液槽，8-線圈骨架，9-電磁鐵，10-上臺板，11-立板，12-非導磁墊板，13-下臺板，14-滑塊，15-導軌，16-基座，17-偏心輪機構，18-機架，19-平臺，Z-拋光總成。

【具體實施方式】
[0033]以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0034]結合圖1，本發明磁流變拋光裝置在機架18上安裝可調整左右方向、前後方向和上下方向位置的平臺19，在平臺19上安裝拋光總成Z。如圖2和圖3所示，拋光總成Z包括拋光頭、載液槽7和電磁鐵9。其中拋光頭由電機(未圖示)驅動的工件軸1、固定在工件軸I下端的非導磁夾具3和置於非導磁夾具3與工件軸I之間的軟磁板2構成。載液槽7位於拋光頭的下部，其中裝有磁流變液5，底部鋪設拋光墊6 (用於改變磁流變液流動時與壁面之間的沿程阻力係數)，載液槽7固定安裝在由上臺板10、下臺板13和立板11 (均由非導磁材料製成)構成的方形移動架的上臺板10的上部。電磁鐵鐵芯由相對磁導率較高的軟磁材料製成，可選電工純鐵或矽鋼，線圈導線選用漆包線，纏繞在塑料線圈骨架8上。將線圈骨架8的下端通過非導磁墊板12固定安裝在移動架的下臺板13上，通過調整非導磁墊板12的厚度，可使電磁鐵與工件4的間距在12-18mm之間可調；在下臺板13的底面上安裝兩滑塊14，與滑塊14相配合的導軌15固定安裝在基座16上，將基座16固定安裝在機架18的平臺19上。利用移動架右側立板安裝可驅動移動架沿導軌15直線往復運動的偏心輪機構17。偏心輪機構用非導磁材料製成，採用封閉式結構。拋光裝置的其餘大部分構成為非導磁材質，以避免磁場發生變化和磁流變效應受不可控因素影響。
[0035]實施例
[0036]本實施例為利用上述磁流變拋光裝置對長寬尺寸為100_X60mm、預加工後表面粗糙度Ra = 67nm的K9光學玻璃(下稱工件)表面研拋加工，按以下步驟進行:
[0037](I)把工件安裝在非導磁夾具的下面，調整平臺的上下位置，使工件浸入載液槽中的磁流變液中；調整非導磁墊板的厚度，使電磁鐵與工件的間距為15mm;
[0038](2)開啟工件軸的驅動電機，使工件軸帶動軟磁板、非導磁夾具和工件同步轉動；
[0039](3)調整電磁鐵線圈電流為DC 3A，使電磁鐵的磁通密度為0.25T ；
[0040](4)調整偏心輪機構的偏心距，使電磁鐵往復移動行程為10mm ；
[0041](5)啟動偏心輪調速電機，使偏心輪機構運轉；調節電機轉速，使電磁鐵(磁場)往復移動速度為0.8mm/s ;在磁場和載流槽平動、工件轉動的複合運動下，對工件拋光30分鐘，完成工件表面材料的去除；
[0042](6)拋光結束，將驅動工件軸和偏心輪機構運轉的電機關停，電磁鐵及軟磁板即失去磁性，載液槽中以賓漢姆黏塑性體形式存在的磁流變液重新轉為液相；調節平臺，使其下降，使工件離開磁流變液，然後從非導磁夾具上卸下。
[0043]經過上述步驟拋光後的K9光學玻璃，經檢測，其拋光表面材料去除率較高，表面比較均勻連續、精度提高，光學玻璃的表面粗糙度Ra = 40nm，粗糙度顯著降低，沿拋光表面任意方向測量的表面粗糙度數值基本一致，表面微觀紋理均化特性較好，拋光質量較高。
【權利要求】
1.一種磁流變拋光裝置，包括機架(18)，拋光頭，載液槽(7)和電磁鐵(9);拋光頭由電機驅動的工件軸(I)、固定在工件軸(I)下端的非導磁夾具(3)和置於非導磁夾具(3)與工件軸(I)之間的軟磁板(2)構成；載液槽(7)位於拋光頭的下部，其中裝有磁流變液(5)，載液槽底部有拋光墊(6);電磁鐵(9)位於載液槽(7)的下部，電磁鐵與工件(4)的間隙為.12-18mm ;其特徵在於，所述電磁鐵(9)和載液槽(7)由往復傳動機構驅動、與工件拋光表面平行作直線往復運動。
2.根據權利要求1所述的磁流變拋光裝置，其特徵在於，所述往復傳動機構包括由上臺板(10)、下臺板(13)和立板(11)構成的方形移動架，所述電磁鐵(9)固定安裝在移動架的下臺板(13)上，在下臺板(13)的底面安裝有滑塊(14)，與滑塊配合的導軌(15)固定安裝在基座(16)上，基座(16)固定安裝在機架的平臺(19)上，利用移動架的立板(11)安裝可驅動移動架沿導軌(15)直線往復運動的偏心輪機構(17);所述載液槽(7)固定安裝在移動架的上臺板(10)上。
3.利用權利要求1所述磁流變拋光裝置進行拋光的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1、把工件安裝在非導磁夾具下面，並浸入載液槽中的磁流變液中，調整電磁鐵的上下位置，使其與工件之間的間距為設定值； 步驟2、通過電機啟動工件軸轉動，帶動軟磁板、非導磁夾具和工件同步轉動； 步驟3、調整電磁鐵線圈電流，使電磁鐵的磁通密度為0.1—0.4T ； 步驟4、調整電磁鐵直線往復移動的行程，使其略大於或等於工件拋光長度，使工件表面充分受到賓漢姆效應，得到全面研拋； 步驟5、啟動往復傳動機構運轉，使電磁鐵往復移動；調節電磁鐵的往復移動速度為.0.5—5mm/s ;在磁場平動與工件轉動的複合運動下，完成工件表面材料的去除； 步驟6、拋光結束，關停工件軸和往復傳動機構的電機，工件軸和往復傳動機構停止運轉，電磁鐵及軟磁板失去磁性，載液槽中以賓漢姆黏塑性體形式存在的磁流變液重新轉為液相；使工件離開磁流變液，從非導磁夾具上卸下。
【文檔編號】B24B1/00GK104308671SQ201410528441
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】修世超, 王任勝, 馬良 申請人:東北大學