專利名稱：磁流變效應(yīng)平面研磨拋光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種磁流變效應(yīng)平面研磨拋光裝置。
技術(shù)背景隨著信息電子化和光電信號(hào)傳輸?shù)母咚倩痛笕萘炕?，融合電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的光電 子產(chǎn)品的需求越來越大，如CD/ DVD光學(xué)讀數(shù)頭、光纖通訊中光/電(PD)和電/光(LI))信號(hào)轉(zhuǎn) 換器、投影儀、激光打印機(jī)、分子激光器等，光電產(chǎn)品的核心部件之一就是光路中使用的光 學(xué)元件(透鏡、反射鏡)，光學(xué)元件的制造方法主要有陶瓷、光學(xué)玻璃等硬脆材料的單件小 批量機(jī)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(chǎn)化模壓加工成形，光學(xué)元 件表面和熱壓模具表面都需要通過機(jī)械加工方法達(dá)到其形狀精度和表面精度要求。光學(xué)元件 要達(dá)到良好的光學(xué)性能，其表面精度需要達(dá)到超光滑程度，面形精度也有較高要求。光學(xué)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(yīng)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(dá)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(xué)玻璃、工程陶瓷、超細(xì)硬質(zhì)合金等硬脆材料以及不銹鋼等。研磨加工是利用軟質(zhì)研磨盤和研磨液(油或水性物質(zhì)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(chǎn)生滾動(dòng)或滑動(dòng)， 從被加工工件表面去除一層極薄的材料，達(dá)到提高工件形狀精度和表面精度的目的?，F(xiàn)有的研磨拋光裝置主要由安裝在連接電機(jī)的主軸上的研磨盤和用于安裝工件的連接 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)構(gòu)成。工作時(shí)，將工件安裝在工作臺(tái)上，研磨盤與工件之間保持一定的運(yùn) 動(dòng)關(guān)系，研磨盤對(duì)游離磨料施加一定的壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的研磨拋光加工。現(xiàn)有的研磨拋光裝置主要有(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(jī)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(chǎn)生施加研拋壓力和約束游離磨料的作用；(3)在機(jī)械研磨過程中增 加化學(xué)/電化學(xué)作用的機(jī)械化學(xué)研磨拋光，他們均屬于游離磨料加工?，F(xiàn)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(yùn)動(dòng)速 度、軌跡、滯留時(shí)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(chǎn)生加工作用，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用相當(dāng)部分較小尺寸的磨粒尚未與工件表面產(chǎn)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。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有研磨拋光裝置存在的問題，提供一種磁流變效應(yīng)平面 研磨拋光裝置。本實(shí)用新型提供的研磨拋光裝置的技術(shù)方案是，加工面為平面的工件2-1安裝于回轉(zhuǎn)工 作臺(tái)5上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸6相連，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸6與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸電 機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7連接；研磨工具X向進(jìn)給系統(tǒng)13和研磨工具Y向進(jìn)給系統(tǒng)14安裝在機(jī)身 臺(tái)架8上并與機(jī)床研磨盤主軸10連接，研磨工具主軸電機(jī)12與研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11 連接，機(jī)床研磨盤主軸10與研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11連接并安裝在機(jī)身臺(tái)架8上，上述機(jī) 床研磨盤主軸10安裝有研磨工具，由研磨拋光液噴嘴15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(gòu)成磁流變效應(yīng)研磨刷4。上述磁流變液可選用現(xiàn)有的商品化磁流變液，也可以選用其重量份數(shù)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(zhì)，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(A1A)、氮化硅(Si美)、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%。上述研磨工具選用點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1。上述研磨工具另選用分布式磁性平面研磨工具卜2。上述點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1上分布有若干微細(xì)棒柱形狀的磁性體構(gòu)成磁流變效應(yīng) 研磨刷4的陣列，上述點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1的基體由非磁性材料制成，微細(xì)棒柱形 狀的磁性體選用單元永磁柱體1-1-1或單元鐵磁柱體1-1-2，單元鐵磁柱體1-卜2環(huán)繞電磁 線圈L-1-4接通直流電源卜1-3并和導(dǎo)電銅圈滑塊組件9連接。上述分布式磁性平面研磨工具1-2由鐵磁材料制成的分布式磁性平面研磨工具磁性體 1-2-1經(jīng)銅分割帶1-1-3分割成環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成分布式磁場，隔磁墊圈1-2-3安裝在分布式磁 性平面研磨工具磁性體1-2-1與分布式磁性平面研磨工具基體之間，分布式磁性平面研磨工 具基體鑲嵌電磁線圈或永磁套圈1-2-4，分布式磁性平面研磨工具基體由非磁性材料制成。 上述工作臺(tái)選用回轉(zhuǎn)工作臺(tái)或數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制的工作臺(tái)。上述研磨工具的研磨端面整體宏觀上呈平面形狀。 上述研磨工具本身可以旋轉(zhuǎn)，也可以不旋轉(zhuǎn)。上述工件材料可以為光學(xué)玻璃、硬質(zhì)合金、工程陶瓷等硬脆材料，也可以為不銹鋼等非 磁性材料。本實(shí)用新型以磁流變液和游離磨料的混合液為研磨拋光液，使用磁性體作為研磨工具基 體，利用磁流變液在磁場作用下粘結(jié)固化的磁流變效應(yīng)將游離磨料約束、團(tuán)聚在研磨工具基 體頂端形成磁流變效應(yīng)研磨刷。將小尺寸的磁性體排列組合成具有平面結(jié)構(gòu)、其端面的磁流 變效應(yīng)研磨刷形成點(diǎn)陣集群式研磨工具，使游離磨料約束于各個(gè)微尺寸磁流變效應(yīng)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。由于研磨工具中點(diǎn)陣集群分布的 磁流變效應(yīng)研磨刷具有一定的硬度對(duì)工件表面產(chǎn)生研拋壓力、磨料微粒對(duì)工件表面產(chǎn)生研磨 加工作用，達(dá)到高效率高精度研磨加工超光滑表面的效果。磁流變液是由磁場強(qiáng)度可以控制其粘度的功能性液體材料的總稱，磁流變液中鐵磁性微 粒在磁場作用下成串排列，表現(xiàn)為表觀粘度增大，使不能抗剪切的液體產(chǎn)生具有明顯屈服作 用的屈服應(yīng)力，這一現(xiàn)象即為磁流變效應(yīng)。本實(shí)用新型的作用原理是將游離微細(xì)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(yīng)，游離磨料微粒被磁流變液中的鐵磁性粒子鏈 包裹、約束在一起形成磁流變效應(yīng)研磨刷，當(dāng)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，由于鐵磁性粒子沿磁力線排列產(chǎn)生了聚集于磁極頂端富集帶構(gòu)成磁流 變效應(yīng)研磨刷，將研磨工具基體制成具有點(diǎn)陣分布式磁極或連續(xù)分布式磁極時(shí)，就會(huì)在研磨 工具表面形成有組織的點(diǎn)陣式磁流變效應(yīng)研磨刷或磁流變效應(yīng)研磨帶，當(dāng)研磨工具與工件之 間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)磁流變效應(yīng)研磨刷或磁流變效應(yīng)研磨帶隨之在工件表面形成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡并 產(chǎn)生微切削作用，可以對(duì)工件表面實(shí)施研磨加工達(dá)到超光滑程度。本實(shí)用新型與現(xiàn)有研磨加工裝置根本的不同表現(xiàn)在1)本實(shí)用新型研磨工具表面具有 陣列分布或連續(xù)分布的磁性體產(chǎn)生磁場；2)本實(shí)用新型在研磨工具與工件界面上產(chǎn)生研磨 作用的是陣列的磁流變效應(yīng)研磨刷、或連續(xù)分布的磁流變效應(yīng)研磨帶而不是單層、單個(gè)游離 磨料，減小了游離磨料尺寸不均勻性對(duì)加工精度和效率的影響；3)本實(shí)用新型磨料微粒對(duì) 工件表面產(chǎn)生的微切削力是磁流變效應(yīng)研磨刷或磁流變效應(yīng)研磨帶產(chǎn)生的正壓力和剪切力 的綜合效果，磁流變效應(yīng)研磨刷或磁流變效應(yīng)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(jī)械研磨中通過研磨工具基體、或研磨盤與工件之間的機(jī)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(yīng)研磨刷或磁流變效應(yīng)研磨帶在 其不同部位由于磁場強(qiáng)度不同而具有不同的剛度和對(duì)磨料微粒的保持強(qiáng)度，同時(shí)磁流變效應(yīng) 研磨刷或磁流變效應(yīng)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。
本實(shí)用新型的有益效果在研磨工具表面形成的陣列式磁流變效應(yīng)研磨刷或連續(xù)磁流變 效應(yīng)研磨帶，產(chǎn)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(xiàn)有研磨技術(shù)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(qiáng)度決定磁流變效應(yīng)研磨刷或連續(xù)磁流變效應(yīng)研磨帶中磨料微粒的結(jié)合強(qiáng)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(shí)磁流變效應(yīng)對(duì)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(shí)會(huì)導(dǎo)致 接近固態(tài)的磁流變液屈服流動(dòng)磨粒逃逸，加工過程中的磨粒自我更新機(jī)制使磨鈍磨粒不斷脫 落、增加了磨粒的流動(dòng)，提高了材料的去除效果，同時(shí)，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(yīng)研磨刷或連續(xù)磁流變效應(yīng)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(huì)象固定磨料磨具可能損傷工件已加工表面，達(dá)到高效率高精 度研磨加工目的。

圖1是磁流變效應(yīng)研磨平面拋光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是磁流變效應(yīng)研磨平面拋光裝置的工作原理圖；圖3是磁流變效應(yīng)研磨平面拋光裝置進(jìn)行平面加工的原理圖；圖4是本實(shí)用新型使用的點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型使用的點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具的磁性體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型使用的分布式磁性平面研磨工具結(jié)構(gòu)示意圖；圖中各編號(hào)含義1.磁性體，1-1.點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具，I-2.分布式磁性平面 研磨工具，1-1-1.單元永磁柱體，1-1-2.單元鐵磁柱體，1-1-3.直流電源，1-1-4.電磁 線圈，1-2-1.分布式磁性平面研磨工具磁性體，1-2-2.銅分割帶，1-2-3.隔磁墊圈，1-2-4.電 磁線圈或永磁套圈，2.加工表面，2-1.加工面是平面的工件，3.研磨拋光液(磁流變液 與磨料混合液)，3-1.鐵磁性粒子，3-2.磨料微粒，4.磁流變效應(yīng)研磨刷，5.工作臺(tái)，6.回
轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸，7.回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，8.機(jī)身臺(tái)架，9.導(dǎo)電銅圈滑塊組件， 10.機(jī)床研磨工具主軸，11.研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，12.研磨工具主軸電機(jī)，13. X 向進(jìn)給系統(tǒng)，14. Y向進(jìn)給系統(tǒng)，15.研磨拋光液噴嘴。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步具體的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。 圖1示出了本發(fā)明用于超光滑平面研磨拋光加工的具體結(jié)構(gòu)，由陣列式磁性平面研磨工 具1-1或分布式磁性平面研磨工具1-2、導(dǎo)電銅圈滑塊組件9、直流電源1-1-3等構(gòu)成宏觀 的平面研磨工具，研磨工具與機(jī)床研磨盤主軸IO連接在一起，研磨工具主軸電機(jī)12經(jīng)過研 磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11實(shí)現(xiàn)平面研磨工具回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，安裝在機(jī)身臺(tái)架8上的研磨工具X向 進(jìn)給系統(tǒng)13和研磨工具Y向進(jìn)給系統(tǒng)14可以實(shí)現(xiàn)磁性平面研磨工具1-1的X向和Y向的 進(jìn)給。加工面為平面的工件2-l安裝于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸6 相連，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)6實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由研磨拋光液噴嘴15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(shí)現(xiàn)對(duì)工件的研磨加工。圖2本實(shí)用新型利用磁流變效應(yīng)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(lián)結(jié)強(qiáng)度的 可以進(jìn)行研磨拋光加工的磁流變效應(yīng)研磨刷4。圖3示出了磁流變效應(yīng)研磨平面拋光裝置進(jìn)行平面加工的原理圖，由圖可見，加工面為 平面的工件2-1安裝于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)5上，點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1或分布式磁性平面研 磨工具1-2具有回轉(zhuǎn)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由研磨拋光液噴嘴15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(shí)現(xiàn)對(duì)工件的研磨拋光加工。點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1可以是圖4所示的結(jié)構(gòu)，在點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1
上分布有若干微細(xì)棒柱形狀的磁性體1-1-1或卜1-2，形成磁流變效應(yīng)研磨刷4的陣列，點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具1-1的基體由非磁性材料制成。圖5所示，微細(xì)棒柱形狀的磁性體1可以由單元永磁柱體l-卜l制成，也可以由單元鐵 磁柱體1-1-2通過直流電源1-1-3和電磁線圈1-1-4制成。分布式磁性平面研磨工具1-2可以是圖6所示的結(jié)構(gòu)，由分布式磁性平面研磨工具磁性 體1-2-1、銅分割帶1-2-2，隔磁墊圈1-2-3，電磁線圈或永磁套圈1-2-4組成，分布式磁性 平面研磨工具1-2由鐵磁材料制成的磁性體1-2-1經(jīng)銅分割帶1-1-3分割成環(huán)狀結(jié)構(gòu)形成分 布式磁場，在研磨拋光液(磁流變液與磨料混合液)3中形成磁流變效應(yīng)研磨帶。
權(quán)利要求1.一種磁流變效應(yīng)平面研磨拋光裝置，加工面為平面的工件安裝于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸相連，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；研磨工具X向進(jìn)給系統(tǒng)和研磨工具Y向進(jìn)給系統(tǒng)安裝在機(jī)身臺(tái)架上并與機(jī)床研磨盤主軸連接，研磨工具主軸電機(jī)與研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，機(jī)床研磨盤主軸與研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接并安裝在機(jī)身臺(tái)架上，其特征在于上述機(jī)床研磨盤主軸安裝有研磨工具，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(jù)權(quán)利要求1所述的平面研磨拋光裝置，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(gòu)成磁流 變效應(yīng)研磨刷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具 選用點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具 另選用分布式磁性平面研磨工具。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述點(diǎn)陣式磁 性平面研磨工具上分布有若干微細(xì)棒柱形狀的磁性體構(gòu)成磁流變效應(yīng)研磨刷的 陣列，上述點(diǎn)陣式磁性平面研磨工具的基體由非磁性材料制成，微細(xì)棒柱形狀 的磁性體選用單元永磁柱體或單元鐵磁柱體，上述單元鐵磁柱體環(huán)繞電磁線圈 接通直流電源并和導(dǎo)電銅圈滑塊組件連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述分布式磁 性平面研磨工具由鐵磁材料制成的分布式磁性平面研磨工具磁性體經(jīng)銅分割帶 分割成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，隔磁墊圈安裝在分布式磁性平面研磨工具磁性體與分布式磁 性平面研磨工具基體之間，分布式磁性平面研磨工具基體鑲嵌電磁線圈或永磁 套圈，分布式磁性平面研磨工具基體由非磁性材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具 的研磨端面整體宏觀上呈平面形狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述研磨工具 本身旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的平面研磨拋光裝置，其特征在于上述工件材料 為光學(xué)玻璃、硬質(zhì)合金、工程陶瓷或不銹鋼。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種磁流變效應(yīng)平面研磨拋光裝置，該裝置的技術(shù)方案是，加工面為平面的工件安裝于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸相連，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)主軸電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接；研磨工具X向進(jìn)給系統(tǒng)和研磨工具Y向進(jìn)給系統(tǒng)安裝在機(jī)身臺(tái)架上并與機(jī)床研磨盤主軸連接，研磨工具主軸電機(jī)與研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，機(jī)床研磨盤主軸與研磨工具主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接并安裝在機(jī)身臺(tái)架上，上述機(jī)床研磨盤主軸安裝有研磨工具，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，在研磨工具表面形成的陣列式磁流變效應(yīng)研磨刷或連續(xù)磁流變效應(yīng)研磨帶，達(dá)到高效率高精度研磨加工超光滑表面的效果。
文檔編號(hào)C09G1/02GK201026589SQ200620155638
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2006年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月31日
發(fā)明者路家斌, 閻秋生, 高偉強(qiáng) 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)