專利名稱：磁流變效應曲面研磨拋光裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種磁流變效應曲面研磨拋光裝置。
技術背景隨著信息電子化和光電信號傳輸的高速化和大容量化，融合電子技術和光學技術的光電 子產品的需求越來越大，如CD/ DVD光學讀數頭、光纖通訊中光/電(PD)和電/光(LD)信號轉 換器、投影儀、激光打印機、分子激光器等，光電產品的核心部件之一就是光路中使用的光 學元件(透鏡、反射鏡)，光學元件的制造方法主要有陶瓷、光學玻璃等硬脆材料的單件小 批量機械加工成形以及塑料、玻璃等可加熱塑性化材料的工業(yè)量產化模壓加工成形，光學元 件表面和熱壓模具表面都需要通過機械加工方法達到其形狀精度和表面精度要求。光學元件 要達到良好的光學性能，其表面精度需要達到超光滑程度，面形精度也有較高要求。光學表 面的加工方法主要有金剛石工具切削、磨削和研磨拋光及其組合，研磨拋光是最終得到超光 滑表面的有效加工方法。超光滑平面的應用越來越多，如光盤模具表面、單晶硅片表面等，最終需要通過研磨和 拋光加工達到所需形狀精度和表面粗糙度。具有超光滑表面要求的零件使用的材料越來越多 采用光學玻璃、工程陶瓷、超細硬質合金等硬脆材料以及不銹鋼等。研磨加工是利用軟質研磨盤和研磨液(油或水性物質與游離磨料的混合物)，通過研磨 盤向游離磨料施加一定壓力作用于工件表面，磨料在研磨盤與工件界面上產生滾動或滑動， 從被加工工件表面去除一層極薄的材料，達到提高工件形狀精度和表面精度的目的?，F有的研磨拋光裝置主要由安裝在連接電機的主軸上的研磨盤和用于安裝工件的連接 電機的旋轉工作臺構成。工作時，將工件安裝在工作臺上，研磨盤與工件之間保持一定的運 動關系，研磨盤對游離磨料施加一定的壓力實現對工件表面的研磨拋光加工?，F有的拋光裝置主要有(1)由金屬材料制成研磨盤基體，將游離磨料加入到研磨盤與
工件之間的機械研磨拋光，例如鑄鐵研磨盤加研磨劑/研磨膏；(2)在研磨盤與工件之間使 用拋光墊，拋光墊產生施加研拋壓力和約束游離磨料的作用；(3)在機械研磨過程中增加化 學/電化學作用的機械化學研磨拋光；(4)曲面的小尺寸工具掃描研磨拋光加工；(5)氣囊 均等研磨拋光加工，他們均屬于游離磨料加工。現有游離磨料研磨拋光裝置存在的問題有游離磨料微粒在研磨盤與工件之間的運動速 度、軌跡、滯留時間等都無法有效控制，在研磨盤與工件界面之間的游離態(tài)磨料只有較大尺 寸的磨粒產生加工作用，由于相對運動的作用相當部分較小尺寸的磨粒尚未與工件表面產生 干涉作用即脫離研磨盤與工件界面，造成加工精度和效率低下。曲面的研磨拋光加工相對于 平面研磨拋光加工更困難，因為既要保證曲面的形狀精度又要達到超光滑表面。 發(fā)明內容本實用新型的目的在于針對現有拋光裝置存在的問題，提供一種磁流變效應曲面研磨拋 光裝置。本實用新型提供的研磨拋光裝置的技術方案是，工件安裝在工作臺5上，X向進給系統(tǒng) 6、 Y向進給系統(tǒng)7和Z向進給系統(tǒng)8分別和數控系統(tǒng)9連接，數控系統(tǒng)9連接電腦10， X向 進給系統(tǒng)6、 Y向進給系統(tǒng)7與工作臺5連接，Z向進給系統(tǒng)8安裝在機身臺架11上，實現 研磨工具與工件曲面之間的插補運動；Z向進給系統(tǒng)8下端安裝研磨工具主軸電機12，上述 研磨工具主軸電機12安裝有曲面研磨工具1-1，由研磨拋光液噴嘴13加注研磨拋光液3到 研磨工具與工件之間。上述研磨拋光液是磁流變液與磨料混合液，上述研磨拋光液中的游離磨料微粒3-2被磁 流變液中的鐵磁性粒子3-1鏈包裹、約束在一起構成磁流變效應研磨刷4。上述磁流變液可選用現有的商品化磁流變液，也可以選用其重量份數組成的如下磁流變 液-.硅油重量百分比50~60%，固體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%。 上述自制的磁流變液的固體分散粒子主要是鐵磁性物質，有羰基鐵粉、還原鐵粉。上述磁流變液中加入的游離磨料有碳化硅(SiC)、金剛石、立方氮化鵬(CBN)、三氧化二 鋁(A1必)、氮化硅(Si扎)、氧化鋯(Zr02)的其中一種或一種以上混合物，磨料微粒直徑小 于20微米，游離磨料與磁流變液的重量百分比小于15%。上述研磨工具選用組合式磁性曲面研磨工具。上述研磨工具另可選用分布式磁性曲面研磨工具。上述研磨工具選用組合式磁性曲面研磨工具由磁性曲面研磨工具基體1-1-1和圓弧截面 永磁體1-1-2構成，形成具有圓弧截面的磁流變效應研磨刷；上述若干個圓弧截面永磁體 1-1-2環(huán)繞安裝在磁性曲面研磨工具基體1-1-1四周，磁性曲面研磨工具基體卜l-l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體1-2-1，電磁線圈或永磁套圈 1-2-2，隔磁墊圈1-2-3，銅分割帶1-2-4以及圓弧截面形狀的分布式磁性體1-2-5組成；磁 性曲面研磨工具基體1-2-1由非磁性材料制成，圓弧截面形狀分布式磁性體1-2-5由鐵磁材 料制成經過銅分割帶1-2-4分割形成分布式磁場和具有圓弧截面的磁流變效應研磨帶，電磁 線圈或永磁套圈1-2-2鑲嵌在磁性曲面研磨工具基體l-2-l中，隔磁墊圈1-2-3安裝在磁性 曲面研磨工具基體1-2-1與電磁線圈或永磁套圈1-2-2之間。上述研磨工具的研磨端面整體宏觀上呈圓弧截面形狀，可以旋轉或不旋轉。上述工件是軸對稱曲面的工件2-2或非軸對稱曲面的工件2--1。上述工作臺5是矩形移動工作臺或回轉工作臺。上述工件是凹曲面或凸曲面或凸凹組合的曲面。上述工件材料可以為光學玻璃、硬質合金、工程陶瓷等硬脆材料，也可以為不銹鋼等非 磁性材料。本
體，利用磁流變液在磁場作用下粘結固化的磁流變效應將游離磨料約束、團聚在研磨工具基 體頂端形成磁流變效應研磨刷。將小尺寸的磁性體排列組合成具有圓弧回轉面結構、其端面 的磁流變效應研磨刷形成組合式研磨工具，使游離磨料約束于各個小尺寸磁流變效應研磨刷 中，保證了研磨工具與工件表面之間的磨粒濃度和穩(wěn)定性。由于研磨工具中組合的磁流變效 應研磨刷具有的硬度對工件表面產生研拋壓力、磨料微粒對工件表面產生研磨加工作用，并 且磁流變效應研磨刷研磨作用與研磨工具和工件表面之間間隙成反向比例關系，由于研磨工 具與工件表面之間的精確幾何關系可以產生曲面形狀修正的作用，工件表面上凸點有較高的 材料去除率凹點有較低的材料去除率，因此可以達到高效率高精度研磨拋光加工超光滑表面的效果。磁流變液是由磁場強度可以控制其粘度的功能性液體材料的總稱，磁流變液中鐵磁粒子 在磁場作用下成串排列，表現為表觀粘度增大，使不能抗剪切的液體產生具有明顯屈服作用 的屈服應力，這一現象即為磁流變效應。本實用新型的作用原理是將游離微細磨料混入磁流變液體中，利用磁流變液在磁場作 用下鐵磁粒子成鏈分布粘度增大的磁流變效應，游離磨料微粒被磁流變液中的鐵磁粒子鏈包 裹、約束在一起形成磁流變效應研磨刷，當以永磁鐵或電磁鐵制成工具基體，則在磁極頂端 形成放射狀磁力線，由于鐵磁粒子沿磁力線排列產生了聚集于磁極頂端的磨粒富集帶構成磁 流變效應研磨刷，將研磨工具基體制成具有組合式磁極或連續(xù)式磁極時，就會在研磨工具表 面形成有組織的磁流變效應研磨刷或磁流變效應研磨帶，當研磨工具與工件之間相對運動時 磁流變效應研磨刷或磁流變效應研磨帶隨之在工件表面形成復雜運動軌跡并產生微切削作 用，可以對工件表面實施研磨拋光加工，提高其形狀精度并降低其表面粗糙度達到超光滑程 度。本實用新型與現有研磨加工裝置根本的不同表現在1)本實用新型研磨工具表面具有 組合或連續(xù)分布的磁性體產生磁場；2)本實用新型在研磨工具與工件界面上產生研磨作用 的是組合磁流變效應研磨刷、或連續(xù)分布的磁流變效應研磨帶而不是單層、單個游離磨料，
減小了游離磨料尺寸不均勻性對加工精度和效率的影響；3)本實用新型磨料微粒對工件表 面產生的微切削力是磁流變效應研磨刷或磁流變效應研磨帶產生的正壓力和剪切力的綜合 效果，磁流變效應研磨刷或磁流變效應研磨帶本身具有彈性，作用于加工表面的過程均勻、 和緩、可控，而不是機械研磨中通過研磨工具基體、或研磨盤與工件之間的機械作用向游離 磨料施加的，有利于得到超光滑表面；4)磁流變效應研磨刷或磁流變效應研磨帶在其不同 部位由于磁場強度不同而具有不同的剛度和對磨料微粒的保持強度，同時磁流變效應研磨刷 或磁流變效應研磨帶中磨粒濃度可以控制，利于研磨加工過程中加工效率和加工精度的控 制；5)磁流變效應研磨刷研磨作用與研磨工具和工件表面之間間隙成反向比例關系，工件 表面上凸點有較高的材料去除率凹點有較低的材料去除率，可以達到高效率高精度研磨拋光 加工超光滑表面的效果。本實用新型的有益效果在研磨工具表面形成的組合式磁流變效應研磨刷或連續(xù)磁流變 效應研磨帶，產生了游離磨料微粒均勻而穩(wěn)定地分布于研磨工具表面并作用于工件加工表 面，解決了現有研磨技術游離磨料在工件界面無法均勻分布以及磨料濃度難以維持、磨料尺 寸不均勻等影響研磨精度和效率的難題，磁場的強度決定磁流變效應研磨刷或連續(xù)磁流變效 應研磨帶中磨料微粒的結合強度，加工過程特征介于固定磨料與游離磨料之間， 一方面可以 始終保持工件加工界面上游離磨料的濃度和均勻性，同時磁流變效應對游離磨料微粒屬于軟 約束，離心力和微切削力作用都可能使磨料微粒掙脫、磨粒磨鈍受到過大的切削力時會導致 接近固態(tài)的磁流變液屈服流動磨粒逃逸，加工過程中的磨粒自我更新機制使磨鈍磨粒不斷脫 落、增加了磨粒的移動，提高了材料的去除效果，同時，不需要考慮困擾一般加工過程的工 具磨損問題。另一方面磁流變效應研磨刷或連續(xù)磁流變效應研磨帶本身具有粘彈性，起到了 拋光墊的作用，研磨過程中不會象固結磨料磨具可能損傷工件已加工表面，達到高精度研磨 加工目的。

圖1是磁流變效應曲面研磨拋光裝置的結構示意圖2是磁流變效應曲面研磨拋光裝置的工作原理圖；圖3是本實用新型應用磁流變效應研磨方法進行軸對稱回轉曲面加工的原理圖； 圖4是本實用新型應用磁流變效應研磨方法進行非軸對稱曲面加工的原理圖； 圖5是本實用新型使用的組合式磁性曲面研磨工具結構示意圖； 圖6是本實用新型使用的組合式磁性曲面研磨工具結構示意圖的剖面圖； 圖7是本實用新型使用的分布式磁性曲面研磨工具結構示意圖； 圖8是本實用新型使用的分布式磁性曲面研磨工具結構示意圖的剖面圖； 圖中各編號含義1.磁性體，1-1.組合式磁性曲面研磨工具，1-1-1.組合式磁性曲 面研磨工具基體，1-1-2.圓弧截面永磁體，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體，1-2-2.電磁線圈或永磁套圈，1-2-3.隔磁墊圈，1-2-4.銅分 割帶，1-2-5.圓弧截面形狀分布式磁性體，2.加工表面，2-1.加工面是非軸對稱曲面的 工件，2-2.加工面是軸對稱回轉曲面的工件，3.研磨拋光液(磁流變液與磨料混合液)， 3-1.鐵磁粒子，3-2.磨料微粒，4.磁流變效應研磨刷，5.工作臺，6. X向進給系統(tǒng)，7. Y 向進給系統(tǒng)，8. Z向進給系統(tǒng)，9.數控系統(tǒng)，10.電腦，11.機身臺架，12.研磨工具 主軸電機，13.研磨液噴嘴。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步具體的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。 圖1示出了本實用新型用于超光滑曲面研磨拋光加工的具體結構，曲面磁性研磨工具 1-1在研磨工具主軸電機12的驅動下可以實現轉動，加工面為非軸對稱曲面的工件2-1安裝 于具有3軸數控插補運動的工作臺5上，X向進給系統(tǒng)6、 Y向進給系統(tǒng)7和Z向進給系統(tǒng)8 在數控系統(tǒng)9的控制下實現曲面磁性研磨工具1-1與加工面為非軸對稱曲面的工件2-1之間 的插補運動，電腦10向數控系統(tǒng)9傳輸加工數據，由研磨拋光液噴嘴13加注研磨拋光液(磁
流變液與磨料混合液)3到工具與工件界面，實現對工件曲面的研磨加工。圖2，本實用新型利用磁流變效應制作光滑表面研磨工具的原理，是將磁性體1置于研 磨拋光液(磁流變液與磨料混合液)3之中，在磁場作用下磁流變液中鐵磁粒子3-1沿磁力 線成串排列，混入其中的磨料微粒3-2被包裹、約束在成串分布的鐵磁性粒子3-l之間，由 于磁性體1端部磁力線密集并呈放射狀分布，因而游離磨料聚集形成具有一定剛度和聯結強 度的可以進行研磨拋光加工的磁流變效應研磨刷4。圖3示出了本實用新型用于光滑軸對稱回轉曲面研磨拋光加工的原理圖，由圖可見，加 工面為軸對稱回轉曲面的工件2-2安裝于回轉工作臺5上，磁性曲面研磨工具1-1具有回轉 和軸向進給運動，同時具有與工件表面之間的査補運動，由研磨拋光液噴嘴13加注研磨拋 光液(磁流變液與磨料混合液)3到工具與工件界面，實現對工件曲面的研磨拋光加工。圖4示出了本實用新型用于光滑非軸對稱曲面研磨加工的原理圖，由圖可見，加工面為 非軸對稱曲面的工件2-1安裝于具有數控插補運動的工作臺5上，磁性曲面研磨工具1-1具 有回轉和軸向進給運動，由研磨拋光液噴嘴13加注研磨拋光液(磁流變液與磨料混合液)3 到工具與工件界面，實現對工件曲面的研磨拋光加工。圖5示出了磁性曲面研磨工具的一種具體結構，由磁性曲面研磨工具基體1-1-1和圓弧 截面永磁體1-1-2構成，形成具有圓弧截面的磁流變效應研磨刷。圖6示出了磁性曲面研磨工具的另一種具體結構，由磁性曲面研磨工具基體1-2-1，電磁線圈或永磁套圈1-2-2，隔磁墊圈1-2-3，銅分割帶1-2-4以及圓弧截面形狀的分布式磁性體1-2-5組成，圓弧截面形狀分布式磁性體1-2-5由鐵磁材料制成經過銅分割帶卜2-4分割形成分布式磁場和具有圓弧截面的磁流變效應研磨帶。本實用新型同樣可以研磨拋光加工凸曲面或凸凹組合的曲面，其實施過程與以t過程 相似。
權利要求1.一種磁流變效應曲面研磨拋光裝置，工件安裝在工作臺上，X向進給系統(tǒng)、Y向進給系統(tǒng)分別與工作臺和數控系統(tǒng)連接，數控系統(tǒng)連接電腦，Z向進給系統(tǒng)安裝在機身臺架上并與數控系統(tǒng)連接；機身臺架下端安裝研磨工具主軸電機，其特征在于上述研磨工具主軸電機安裝有研磨工具，由研磨拋光液噴嘴加注研磨拋光液到研磨工具與工件之間。
2. 根據權利要求l所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨拋光液中的游離磨料微粒被磁流變液中的鐵磁性粒子鏈包裹、約束在一起構成磁流 變效應研磨刷。
3. 根據權利要求l所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具 選用組合式磁性曲面研磨工具。
4. 根據權利要求l所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具另選用分布式磁性曲面研磨工具。
5. 根據權利要求3所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述組合式磁 性曲面研磨工具由磁性曲面研磨工具基體和圓弧截面永磁體構成，形成具有圓 弧截面的磁流變效應研磨刷；上述若干個圓弧截面永磁體環(huán)繞安裝在磁性曲面 研磨工具基體四周。
6. 根據權利要求4所述的曲面研磨拋光裝置，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體，電磁線圈或永磁套圈，隔磁墊圈， 銅分割帶以及圓弧截面形狀的分布式磁性體組成；圓弧截面形狀分布式磁性體 由鐵磁材料制成經過銅分割帶分割形成分布式磁場和具有圓弧截面的磁流變效 應研磨帶，電磁線圈或永磁套圈鑲嵌在磁性曲面研磨工具基體中，隔磁墊圈安 裝在磁性曲面研磨工具基體與電磁線圈或永磁套圈之間。
7.根據權利要求1或3或4所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具的研磨端面整體宏觀上呈圓弧截面形狀。
8. 根據權利要求1所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述工件是軸 對稱曲面的工件或非軸對稱曲面的工件。
9. 根據權利要求1或8所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述工件 是凹曲面或凸曲面或凸凹組合的曲面。
10. 根據權利要求1所述的曲面研磨拋光裝置，其特征在于上述工件材 料為光學玻璃、硬質合金、工程陶瓷或不銹鋼。
專利摘要本實用新型公開了一種磁流變效應曲面研磨拋光裝置，該研磨拋光裝置的技術方案是，工件安裝在工作臺上，X向進給系統(tǒng)、Y向進給系統(tǒng)分別與工作臺和數控系統(tǒng)連接，數控系統(tǒng)連接電腦，Z向進給系統(tǒng)安裝在機身臺架上并與數控系統(tǒng)連接，實現研磨工具與工件之間的插補運動；機身臺架下端安裝研磨工具主軸電機，上述研磨工具主軸電機安裝有研磨工具，由研磨拋光液噴嘴加注研磨拋光液到研磨工具與工件之間；本裝置利用磁流變液在磁場作用下將游離磨料約束、團聚形成磁流變效應研磨刷，研磨刷具有的硬度對工件表面產生研拋壓力、磨料微粒對工件表面產生研磨加工作用，可以產生曲面形狀修正的作用，達到高效率高精度研磨加工超光滑表面的效果。
文檔編號C09G1/02GK201026588SQ20062015563
公開日2008年2月27日 申請日期2006年12月31日 優(yōu)先權日2006年12月31日
發(fā)明者路家斌, 閻秋生, 高偉強 申請人:廣東工業(yè)大學