一種可控振幅的小口徑非球面拋光裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種可控振幅小口徑非球面拋光裝置，該裝置的組成包括拋光頭、磁致伸縮主體元件和底座；拋光頭通過軸與磁致伸縮元件的孔進行過盈配合，磁致伸縮元件通過四個磁致伸縮細棒構成的十字凹槽與底座的十字凸臺進行過盈配合；所述的磁致伸縮主體元件的材質(zhì)為鎵磁致伸縮材料Fe83Ga17，其底部通過線切割開出十字凹槽，十字凹槽的四邊成為四根磁致伸縮細棒；頂部設置有開孔，直徑與拋光頭的軸匹配；每根磁致伸縮細棒上分別繞上線圈。本發(fā)明具有體積小、結構簡單、使用方便等優(yōu)點，可以在小零件上進行拋光作業(yè)，在加工不同材料和不同形狀的零件時，不需要更換拋光頭。
【專利說明】—種可控振幅的小口徑非球面拋光裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型拋光裝置，特別涉及小口徑非球面的拋光裝置，核心部分為一種由鐵鎵磁致伸縮材料制作的振動元件。該拋光裝置利用鐵鎵合金的磁致伸縮特性，可在拋光裝置的振動端輸出振動，為小口徑非球面零件提供高效率和高質(zhì)量的拋光加工。
技術背景
[0002]小口徑非球面零件是一種非常重要的產(chǎn)品構件，例如在光學等系統(tǒng)中使用小口徑非球面零件能夠改善成像質(zhì)量，提高儀器的光學性能，減少光學零件的數(shù)目，從而簡化儀器結構，減輕儀器重量和降低生產(chǎn)成本。隨著光電通訊、生物工程、航空航天產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，小口徑非球面零件的需求急劇增長。
[0003]小口徑非球面的表面質(zhì)量不僅要求達到納米級的表面粗糙度，而且要求有亞微米級的形狀精度和極小的亞表面損傷。另外小口徑非球面的加工空間較小，加工工具很難對其進行加工。目前，小口徑非球面加工采用單點金剛石的超精密車削和樹脂結合劑微粉砂輪的超精密磨削加工方法。超精密的車削和磨削加工不可避免地會在零件表面形成加工紋路和表面缺陷層，這些表面質(zhì)量缺陷會直接影響到零件的性能。為了進一步提高小口徑非球面的加工精度，還需要在超精密車削、磨削加工后進行超精密拋光。
[0004]目前，針對非球面的超精密拋光可以分為接觸型拋光和非接觸型拋光，接觸型拋光有:氣囊拋光，磁流變拋光，手工拋光等；非接觸型拋光方式有:射流拋光，離子束拋光，化學拋光等。考慮到小口徑非球面加工空間狹小，以及成本、高精度的拋光要求，主要利用氣囊拋光、手工拋光、射流拋光等。采用氣囊拋光方法，雖然可以獲得很高的加工精度，但不同的加工型面需要不同的拋光頭，加工適應性不強，且拋光頭需要不斷的修整來保持加工精度，使加工效率和精度受到影響；手工拋光不需要自動化的拋光設備，加工成本較低，但手工拋光存在加工效率低且加工精度不穩(wěn)定等問題；射流拋光依靠磨粒射流沖擊作用去除材料，適用于小口徑深凹非球面的拋光，但拋光去除率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有拋光加工方法中存在的問題，考慮到小口徑非球面零件的加工特點，結合磁致伸縮材料特性，設計了一種基于磁致伸縮材料的可控振幅的拋光裝置。該拋光裝置主要由拋光頭、磁致伸縮元件、底座三部分構成。其中，拋光頭采用高硬度的不銹鋼(12Crl7Ni7)車削而成，并在圓形頭部加裝聚氨酯橡膠(IRHD90)套，提高打磨頭的耐磨程度，并提高拋光精度。底座采用具有較高導磁能力的工業(yè)10號鋼。主體元件采用圓柱形鐵鎵磁致伸縮材料(Fe83Ga17),通過線切割加工將圓柱形材料的一端切割出四根磁致伸縮細棒，并在每根細棒上繞上線圈，通過改變線圈內(nèi)電流的大小，改變線圈內(nèi)的磁場強度，使四根磁致伸縮細棒有不同程度的伸長，導致拋光頭三維運動。通過與底座配合，固定主體元件的四根磁致伸縮棒。底座一方面和主體部分構成磁路，提高線圈內(nèi)的磁場強度，另一方面提供自由度約束，方便夾具固定。[0006]本發(fā)明的技術方案為:
[0007]—種可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其組成包括拋光頭、磁致伸縮主體元件和底座；
[0008]所述的拋光頭的材質(zhì)為不銹鋼，下部為軸，中部為圓柱體，上部為圓臺狀，頂部為球面，上部和頂部一體套有相同形狀的的聚氨酯橡膠套；
[0009]所述的磁致伸縮主體元件的材質(zhì)為圓柱狀鐵鎵磁致伸縮材料Fe83Ga17，其底部通過線切割開出十字凹槽，十字凹槽的四邊成為四根磁致伸縮細棒，四根磁致伸縮細棒均勻?qū)ΨQ分布，長度和粗細相同；頂部設置有開孔，直徑與拋光頭的軸匹配；每根磁致伸縮細棒上分別繞上線圈；十字凹槽的兩條凹槽的寬度相同；
[0010]所述的底座為圓柱形棒材，直徑同磁致伸縮主體元件；底座的頂部開有十字凸臺，十字凸臺的每條凸臺的寬度同十字凹槽的凹槽寬度；
[0011]拋光頭通過軸與磁致伸縮元件的孔進行過盈配合，磁致伸縮元件通過四個磁致伸縮細棒構成的十字凹槽與底座的十字凸臺進行過盈配合。
[0012]所述的磁致伸縮主體元件為圓柱形棒材，直徑為IOmm,長度為40mm ;十字凹槽的凹槽寬度均為3.6mm,深度為20mm ;磁致伸縮主體元件另一端孔的直徑為3mm,深度為8mm。
[0013]所述的底座采用工業(yè)10號鋼，長度為20mm,直徑為IOmm的圓柱形棒材；十字凸臺的凸臺寬度為3.6mm,高度為5mm。
[0014]所述的拋光頭為不銹鋼圓柱形棒材，長度為40mm,直徑為6mm ;拋光頭的直徑為3mm,長度為7.5mm ;球形頭上球的半徑為Imm,圓臺的高度5.41mm,下圓周直徑是6mm,上圓周直徑是1.44mm。
[0015]所述的磁致伸縮主體元件的四根磁致伸縮細棒上分別繞有的線圈的線徑為
0.2mm,阻數(shù)為250阻。
[0016]所述的聚氨酯橡膠套的厚度為I?2mm。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過控制輸入的各路電流之間的相位差，可以輸出多種拋光運動形式:線性、橢圓或圓；控制輸入電流的大小或頻率，可以輸出可控的振動幅度。本發(fā)明同時注重磁路結構，使磁致伸縮主體元件和底座構成閉合的磁路，減少了漏磁，提高了磁場的利用率，減少的所需線圈的體積。
[0018]本發(fā)明是一種接觸型拋光裝置，具有體積小、結構簡單、使用方便等優(yōu)點，可以在小零件上進行拋光作業(yè)(直徑IOmm以下)，在加工不同材料和不同形狀的零件時，不需要更換拋光頭，只需要通過控制電流改變拋光運動形式，或者通過控制電流的大小和頻率改變振動的振幅，來滿足不同的加工需求。在工作頻率在6-9kHz的范圍內(nèi)，振幅可調(diào)范圍為0-30 μ m,最大材料去除率可以達到0.5 μ m/min。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為鐵鎵磁致伸縮材料的λ -H回線。
[0020]圖2為拋光裝置的整體裝配圖。
[0021]圖3為拋光裝置的磁致伸縮主體元件結構圖。
[0022]圖4為拋光裝置的底座結構圖。
[0023]圖5為拋光裝置的拋光頭結構圖。[0024]圖6為電流頻率為8000Hz的條件下拋光裝置輸出的徑向振幅波形。
[0025]其中，1-聚氨酯橡膠套；2_拋光頭；3-磁致伸縮主體元件；4-線圈；5-底座；6-孔；7_十字凹槽；8_磁致伸縮細棒；9_十字凸臺；10-凹槽平面；11-球頭刀；12_軸。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和技術方案詳細說明本發(fā)明的具體實施，但它們不是對本發(fā)明作任何限制。
[0027]本發(fā)明所述的一種可控振幅小口徑非球面拋光裝置如圖2所示，其組成包括:拋光頭2、磁致伸縮主體元件3和底座5 ；
[0028]所述的拋光頭2的結構如圖5，其材質(zhì)為不銹鋼，下部為軸12，中部為圓柱體，上部為圓臺狀，頂部為球面，上部和頂部一體套有相同形狀的的聚氨酯橡膠套I ;
[0029]所述的磁致伸縮主體元件3材質(zhì)為圓柱狀鐵鎵磁致伸縮材料Fe83Ga17,其底部通過線切割開出十字凹槽7，十字凹槽7的四邊成為四根磁致伸縮細棒，四根磁致伸縮細棒8均勻?qū)ΨQ分布，長度和粗細相同；頂部設置有開孔6，直徑與拋光頭11的軸12匹配；每根磁致伸縮細棒8上分別繞上線圈4 ;十字凹槽7的兩條凹槽的寬度相同；
[0030]所述的底座5為圓柱形棒材，直徑同磁致伸縮主體元件3 ;底座的頂部開有十字凸臺9，十字凸臺9的每條凸臺的寬度同十字凹槽7的凹槽寬度；
[0031]拋光頭2通過軸12與磁致伸縮元件3的孔6進行過盈配合，磁致伸縮元件3通過四個磁致伸縮細棒8構成的十字凹槽7與底座5的十字凸臺9進行過盈配合。
[0032]磁致伸縮主體元件采用鐵鎵磁致伸縮材料，其具有輸出功率高、抗疲勞能力強、適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點，本發(fā)明采用的鐵鎵磁致伸縮材料(Fe83Ga17)，其磁致伸縮系數(shù)和外加磁場的關系如圖1所示，其中橫軸坐標H代表磁場強度，單位為kA/m，縱軸坐標λ代表磁致伸縮系數(shù)，單位為百萬分之一。
[0033]磁致伸縮主體元件3采用的材料形狀為圓柱形棒材，直徑為10mm，長度為40mm，先經(jīng)過線切割加工，從棒材一端切出一個完全對稱的十字凹槽7，凹槽寬度均為3.6mm，深度為20_，獲得四個完全相同和對稱的磁致伸縮細棒8，橫截面是扇形，再在磁致伸縮主體元件3另一端的中心位置打孔6，孔的直徑為3_，深度為8_。加工完成后，磁致伸縮主體元件的形狀如圖3所示。
[0034]底座采用工業(yè)10號鋼，通過車床加工出一段長度為20mm，直徑為IOmm的圓柱形棒材，應用統(tǒng)床加工出一個完全對稱的十字凸臺9,凸臺寬度為3.6mm,高度為5mm,加工時,要保證四個凹槽平面10在同一平面上。通過加工時對凸臺寬度進行公差控制，使底座的十字凸臺9與磁致伸縮主體元件的十字凹槽7能夠?qū)崿F(xiàn)過盈配合。加工完成后，底座的形狀如圖4所示。
[0035]拋光頭采用高強度的不銹鋼軸(12Crl7Ni7)為材料，形狀為圓柱形棒材，長度為40mm,直徑為6_。在棒材的一端通過車床加工出一個直徑為3mm,長度為7.5mm的軸12,力口工時對軸12的直徑進行公差控制，使軸能夠與磁致伸縮主體元件的孔6實現(xiàn)過盈配合。棒材的另一端通過車床加工出一個球形頭11，其中球的半徑為1_，圓臺的長度為5.41mm,下圓周直徑是6mm,上圓周直徑是1.44mm,加工完成后,拋光頭的形狀如圖5所示。
[0036]裝配過程:在磁致伸縮主體元件3的四根磁致伸縮細棒8底部留出5_區(qū)域與底座5進行拼配安裝，剩余區(qū)域纏線圈4，要求線徑為0.2mm,匝數(shù)為250匝，然后將底座的十字凸臺9和磁致伸縮主體元件的十字凹槽7進行配合固定，施加一定的軸向壓力后在接觸面用AB膠進行粘接，最后使磁致伸縮主體部分的孔6和拋光頭的軸12配合固定，在拋光頭的球形頭11上加裝聚氨酯橡膠套I (IRHD90)，厚度為1.5mm，如圖2所示。
[0037]控制過程:用卡具將裝配好的拋光裝置進行固定，然后在每根細棒的線圈4中分別并聯(lián)接通直流電流(偏置磁場)和交流電流(交變磁場)。通直流電流的規(guī)則:每個線圈通相同大小的直流電流，在對角線的線圈上通的直流電流產(chǎn)生的磁通是同向的，在相鄰線圈上通的直流電流產(chǎn)生的磁通是反向的，這樣可以使直流磁路閉合。通交流電流的規(guī)則:每個線圈通的交流電流的頻率和幅值大小完全相同，按一定順序(順時針方向或者逆時針方向)交流電流的相位分別為0°、θ°、180°和(180+Θ)。，其中Θ的范圍為0-180°，這樣可以使交流磁路閉合。要求偏置電流0.12Α，交變電流峰值0.15Α。通過控制所通的交流電流的頻率，可以改變拋光裝置的振動頻率，同時改變輸出振幅。通過控制所通的交流電流的Θ角，可以控制拋光裝置的振動形式:當Θ =0°或180°時，拋光頭的輸出為線性的往復運動；當0° < Θ <90°或90° <θ〈180°時，打磨頭端的輸出為橢圓的運動軌跡；當Θ= 90°時，打磨頭端的輸出為圓的運動軌跡。
[0038]本發(fā)明的設計的工作頻率為6_9kHz，圖6為拋光裝置在8kHz時的輸出徑向振幅波形，振幅可以達到30 μ m，圖中橫坐標T代表時間，單位為毫秒，縱坐標X代表輸出徑向振幅，單位為微米。由圖6可知，本發(fā)明在徑向有較大振幅，可以滿足拋光要求。
[0039]本發(fā)明未盡事宜為公知技術。
【權利要求】
1.一種可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其特征為該裝置的組成包括拋光頭、磁致伸縮主體元件和底座； 所述的拋光頭的材質(zhì)為不銹鋼，下部為軸，中部為圓柱體，上部為圓臺狀，頂部為球面，上部和頂部一體套有相同形狀的的聚氨酯橡膠套； 所述的磁致伸縮主體元件的材質(zhì)為圓柱狀鐵鎵磁致伸縮材料Fe83Ga17，其底部通過線切割開出十字凹槽，十字凹槽的四邊成為四根磁致伸縮細棒，四根磁致伸縮細棒均勻?qū)ΨQ分布，長度和粗細相同；頂部設置有開孔，直徑與拋光頭的軸匹配；每根磁致伸縮細棒上分別繞上線圈；十字凹槽的兩條凹槽的寬度相同； 所述的底座為圓柱形棒材，直徑同磁致伸縮主體元件；底座的頂部開有十字凸臺，十字凸臺的每條凸臺的寬度同十字凹槽的凹槽寬度； 拋光頭通過軸與磁致伸縮元件的孔進行過盈配合，磁致伸縮元件通過四個磁致伸縮細棒構成的十字凹槽與底座的十字凸臺進行過盈配合。
2.如權利要求1所述的可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其特征為所述的磁致伸縮主體元件為圓柱形棒材，直徑為IOmm,長度為40mm ;十字凹槽的凹槽寬度均為3.6mm,深度為20mm ;磁致伸縮主體元件另一端孔的直徑為3_，深度為8_。
3.如權利要求1所述的可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其特征為所述的底座采用工業(yè)10號鋼，長度為20mm,直徑為IOmm的圓柱形棒材；十字凸臺的凸臺寬度為3.6mm,高度為5mm ο
4.如權利要求1所述的可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其特征為所述的拋光頭為不銹鋼圓柱形棒材，長度為40mm,直徑為6mm ;拋光頭的直徑為3mm,長度為7.5mm ;球形頭上球的半徑為1mm ;圓臺的高度5.41mm,下圓周直徑是6mm,上圓周直徑是1.44mm。
5.如權利要求1所述的可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其特征為所述的磁致伸縮主體元件的四根磁致伸縮細棒上分別繞有的線圈的線徑為0.2mm，匝數(shù)為250匝。
6.如權利要求1所述的可控振幅小口徑非球面拋光裝置，其特征為所述的聚氨酯橡膠套的厚度為I~2mm。
【文檔編號】B24D13/00GK104015117SQ201410277316
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權日:2014年6月20日
【發(fā)明者】王博文, 胡永志, 趙智忠, 李驥, 富大偉 申請人:河北工業(yè)大學