专利名称：复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁射流抛光工具头，尤其涉及对光学元件复合运动姿态磁射流体喷射抛光的装置，属于超精密光学表面加工领域。
背景技术：
随着科技的不断发展，人们对光学零件的形状和质量的要求越来越苛刻，这也促进了各种抛光技术的蓬勃发展。目前，先进制造技术主要有小工具头数控抛光技术、磁流变抛光技术、磨料水射流抛光技术等。小工具头数控抛光技术在研磨抛光过程中由于磨盘的磨损和变形，很难保证磨盘稳定的工作特性，从而降低了抛光误差收敛效率，再者，由于磨盘的尺寸的限制，使得难以对曲率较大的面型进行精确加工。磁流变抛光技术是一种柔性抛光技术，在抛光过程中抛光垫无磨损，因此能够实现稳定的超光滑表面抛光，但是由于需要磁场发生装置，所以难以实现抛光工具结构的精小化，因而难以实现对大梯度凹面的抛光。磨料水射流抛光技术是通过将带有磨料的液体喷射到工件表面，对表面产生切削作用，实现抛光的一项柔性抛光技术，抛光中，抛光头无磨损，且抛光斑面积较小，因此可以实现精确的超光滑表面加工，但是由于液柱在经过很短的距离后就发生紊乱，从而难以实现对较远距离的精确抛光，即难以实现对高陡度凹面面型的精确抛光。磁射流技术是由磨料水射流及磁流变技术发展而来，主要使混合磨料的低粘度磁流变液的射流束通过局部轴向磁场后，发生磁流变效应来增加射流束表面的稳定性，形成集束性、保形性及准直性优良的硬化射流束喷射到工件表面实现残余误差的修正。因此不但可以实现超光滑面型的加工，而且在加工过程中对于喷嘴无损耗，最重要的是其能够实现远距离精确加工，对加工高梯度凹面有着明显的优势。目前有两种磁射流喷头较为通用一种磁射流喷头的结构是将喷嘴和线圈固定在底座，使得从喷头喷出的竖直方向的液体通过线圈产生竖直向磁场，直接冲击工件，对工件产生去除，再通过旋转和摆动工件来迎合喷射的液柱；另一种与第一种类似，但在喷射的时候使喷头相对于喷射中心有一定的偏心量，再通过电机带动喷头绕旋转中心旋转。这两种抛光方法可以实现三种喷射形式第一种形式是垂直入射喷射，即喷射液柱的柱轴心和所加工点处工件面法线重合，其去除函数呈倒“W”形状；第二种形式是简单的斜入射喷射，即喷射液柱与加工点处工件面法线成一定角度，但是液柱不能绕此处工件面法线旋转，因此其去除函数呈现出中间去除大边缘去除小不规则的分布；第三种形式是有偏心量的旋转喷射，其去除函数为简单的回转对称类高斯形状。对于第一种形状的喷头，它能够实现前两种喷射方式，但难以实现呈回转对称的类高斯形状分布的去除函数的抛光，使得抛光的效率和精度降低；对于第二种形状的喷头，它可以获得第一种形式喷头所能得到去的除函数，而且可以获得回转对称的类高斯去除函数，但是为获得回转对称的去除函数，要求其喷射方式为垂直入射喷射，并且由于其控制偏心量不能大于喷射液柱的半径，从而约束了所能获得的类高斯状去除函数样式。本发明使得磁射流喷射抛光方式多样化，能够实现多种类型去除函数的抛光，进而实现高效精密抛光。
发明内容
本发明扩展了现有磁射流装置所能实现的抛光函数样式，使得抛光工件的面型质量和抛光效率得到提高。本发明提供一种复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，该喷头不仅能够实现现有的磁射流喷射方式，而且可以实现比现有磁射流喷射方式更加多样和实用的喷射加工方式，使得对各种面型的抛光质量和抛光误差收敛效率得到提高。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是本发明是一种复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，包括外壳、支架、旋转接头、 电机、皮带轮、皮带、轴、空心轴滑环、空心轴滑环固定板、密封/固定圈、转接板、连接槽、燕尾槽、喷嘴、喷嘴卡盘、线圈、喷嘴固定架、软管、导线和螺栓。所述支架固定在精密机床上；旋转接头和电机分别与支架固定，电机通过皮带传动旋转接头内轴转动；空心轴滑环内孔、旋转接头内轴与轴固定；密封/固定圈套在轴上， 位于空心轴滑环和轴上出口之间；用转接板将连接槽和轴固定；利用燕尾槽将喷嘴固定架和连接槽连接；线圈、喷嘴卡盘和喷嘴卡入喷嘴固定架中；用软管将轴出口与喷嘴导通，用导线将空心轴滑环和线圈导通；外壳分别与空心轴滑环外壳、密封/固定圈外沿和支架固定。所述旋转接头有一定的转速，所述旋转接头在转动过程中最大需要有IMPa的抗压性能。所述密封/固定圈采用耐磨材料。所述支架、轴、燕尾槽采用耐磨和高强度的材料，所述喷嘴固定架、喷嘴和喷嘴卡盘采用高磁导率和高强度的耐磨材料制成。所述液体导入管与旋转接头连接处、旋转接头内轴和轴连接处、轴上出口和软管连接处、软管和和喷嘴连接处应密封。所述喷头部分通过支架固定在精密机床上，作多自由度的精密运动。本发明所述复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置的抛光过程如下根据需要选择适合的喷射形式后，利用机床控制喷头以需要的姿态运动到选定的位置；通电电机通过皮带传动旋转接头内轴转动，进而带动喷嘴绕轴心转动；液体流经旋转接头、轴、软管，最后从喷嘴喷出，通过通电线圈产生的磁场区域，冲击在所要加工的工件表面，实现多种形式的磁射流抛光。本发明所述的喷射形式是喷嘴到轴中心的距离可以通过调节燕尾槽实现，喷嘴的喷射方向与燕尾槽平面的夹角可以通过喷嘴固定架的转动来调节，从而可以控制喷射出的液体以不同的入射角和不同的喷射距离冲击所要加工工件的表面。实现多种喷射形式有(1)在电机转速为0的情况下，可以实现无偏心的垂直入射和简单的斜入射喷射磁射流方式；( 在电机工作时，可以实现有偏心的旋转入射磁射流抛光方式和固定斜入射角以 360°连续旋转喷射磁射流抛光方式。有益效果本发明的优点在于实现了抛光函数的多样性，使得抛光工件的面型质量和抛光误差收敛效率得到提高。该抛光装置可以通过调整喷嘴不同的喷射姿态来实现多种类型的抛光，实现多样化的去除方式及去除函数，从而提高抛光的效率和精度。本发明按照设定的运动轨迹和不同喷射方式，结合多自由度的数控机床，能够实现对复杂光学表面材料的去除。
图1为本发明的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置的中心剖面结构示意图。图2为本发明的装置的支架的三维图示。图3为本发明的装置的连接槽的三维图示。图4为本发明的装置的燕尾槽的三维图示。图5为本发明的装置的喷嘴固定架的中心剖面图和俯视图。图6为本发明用于光学元件抛光垂直无偏心入射和简单斜喷射磁射流抛光方法示意图。图7为本发明用于光学元件采用带偏心旋转喷射的磁射流抛光方法示意图。图8为本发明用于光学元件采用固定斜入射角以360°连续旋转喷射磁射流抛光方法示意图。图9为用本发明抛光装置采用垂直无偏入射抛光时可实现的理论材料去除率模型剖面图。图10为用本实验装置采用带偏心旋转喷射抛光和固定斜入射角以360°连续旋转喷射抛光可实现的理论材料去除模型剖面图。图中1.外壳，2.支架，3.旋转接头，4.电机，5.电机轴皮带轮，6.轴上皮带轮， 7.皮带，8.轴，9.空心轴滑环，10.空心轴滑环固定板，11.密封/固定圈，12.转接板，13.连接槽，14.燕尾槽扣件，15.燕尾槽滑件，16.第一螺栓，17.第二螺栓，18.第三螺栓，19.喷嘴固定架，20.线圈，21.喷嘴卡盘，22.喷嘴，23.导通软管，24.线圈导线，25.外接软管， 26.电机导线，27.滑环导线，28.凸台，29.第一通孔，30.第二通孔，31.第三通孔，32.槽， 33.连接通孔，34.滑孔，35.连接耳，36.工件。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步详细说明。如图1，为本发明的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置的中心剖面结构示意图，包括外壳1、支架2、旋转接头3、电机4、电机轴皮带轮5、轴上皮带轮6、皮带7、轴8、空心轴滑环9、空心轴滑环固定板 10、密封/固定圈11、转接板12、连接槽13、燕尾槽扣件14、燕尾槽滑件15、第一螺栓16、第二螺栓17、第三螺栓18、喷嘴固定架19、线圈20、喷嘴卡盘21、喷嘴22、导通软管23、线圈导线对、外接软管25、电机导线沈和滑环导线27。其中，通过支架2将整体喷头固定在精密机床上实现喷头的整体运动；旋转接头3 的外轴壳和电机4通过螺钉固定在支架上；轴上皮带轮6、电机轴皮带轮5分别装卡在旋转接头3内轴和电机4轴端，通过皮带7传动；将空心轴滑环9内轴固定于轴8上；轴8端口与旋转接头3固定，并密封；密封/固定圈11套在轴8上，位于空心轴滑环9和轴上出口之间；利用转接板12将连接槽13和轴8的底部固定；将燕尾槽扣件14通过六个第一螺栓16 装卡在连接槽13底部；用第二螺栓17、第三螺栓18将喷嘴固定架19与燕尾槽滑件15连接；将线圈20卡入喷嘴固定架19中；利用喷嘴卡盘21将喷嘴22固定于喷嘴固定架19上； 通过导通软管23将轴8上的出口与喷嘴22连接；将外壳1固定于支架2上，并利用空心轴滑环固定板10将空心轴滑环9外壳固定在外壳1上；喷嘴22到轴8中心的距离可以通过燕尾槽滑件15调节，喷嘴22的喷射方向与燕尾槽滑件15平面的夹角可以通过喷嘴固定架 19绕第三螺栓18的转动来调节。如图2，为本发明装置的支架2三维图。该支架2是喷头体和精密机床的连接部件。图示为正面视角，背面与机床接触，左侧孔位安装旋转接头3，右侧孔位安装电机4。如图3，为本发明装置的连接槽13三维图示。该连接槽13呈圆盘形，并带有槽口 ； 连接槽13上面的凸台观与转接板12连接，固定于轴8上。连接槽13下底面与燕尾槽扣件14相连。如图4，为本发明装置的燕尾槽扣件14、燕尾槽滑件15的三维图示。其特征是燕尾槽扣件14的两半圆弧轮廓与连接槽13半径相同，用相同的六个第一螺栓16通过六个第一通孔四与连接槽13下表面固定。所述燕尾槽滑件15在第一螺栓16螺栓未固定时，燕尾槽滑件15可以相对于燕尾槽扣件14产生沿着槽的相对滑动，从而控制喷嘴22与轴8心的距离，当选择好距离后，拧紧第一螺栓16 ；槽32的宽度使得刚好能夹住喷嘴固定架19。如图5，为本发明装置的喷嘴固定架19的中心剖面图和俯视图。喷嘴固定架19是用于将喷嘴22、喷嘴卡盘21、线圈20固定于燕尾槽滑件15 ；连接耳35能装卡在燕尾槽滑件15的槽32处；连接通孔33、滑孔34分别于燕尾槽滑件15上的第二通孔30、第三通孔31 相对应，通过第三螺栓18使得连接通孔33和第二通孔30同心，通过第二螺栓17使得滑孔 34和第三通孔31连接。所述喷嘴固定架19在第二螺栓17、第三螺栓18未和螺母拧紧的情况下，喷嘴固定架19可绕第三螺栓18转动，改变喷嘴22与燕尾槽扣件14平面的夹角，从而改变喷射角， 选择好确定的角度后拧紧螺栓使得喷嘴固定架19与燕尾槽滑件15固定。如图6，为本发明用于光学元件抛光垂直无偏心入射和简单斜入射磁射流抛光方法示意图。松开第二螺栓17和第三螺栓18，绕第三螺栓18旋转喷嘴固定架19，使得喷嘴 22的轴向和燕尾槽滑件15面垂直，锁紧第二螺栓螺栓17和第三螺栓18 ；松开第一螺栓16， 通过移动燕尾槽滑件15调整喷嘴22的轴心与轴8的轴心的距离，选择任意适当距离，拧紧第一螺栓16。所述装置通过精密机床控制其运动姿态，使得喷嘴22喷出的液体与工件36表面加工点的法线重合或成一定角度，即此可以实现对工件的垂直无偏心入射和简单斜入射磁射流抛光方法。所述垂直无偏心入射和简单斜入射磁射流抛光方法，在抛光时，保持喷头电机4 旋转速度为0。如图7，为本发明用于光学元件抛光带偏心旋转入射的磁射流抛光方法示意图。松开第二螺栓17和第三螺栓18，绕第三螺栓18旋转喷嘴固定架19，使得喷嘴22的轴向和燕尾槽滑件15面垂直，锁紧第二螺栓17和第三螺栓18 ；松开第一螺栓16，通过移动燕尾槽滑件15调整喷嘴22的轴心与轴8轴心之间的偏心距离，调节需要的偏心距离，拧紧第一螺栓 16。所述有偏心旋转入射的磁射流抛光方法，喷头通过精密机床控制其运动姿态，使轴8的轴线与工件36表面加工点的法线重合；喷射过程中，电机4以一定速度旋转，带动轴8转动，进而带动喷嘴22绕轴8轴心旋转。如图8，为本发明用于光学元件抛光固定斜入射角以360°连续旋转喷射磁射流抛光方法示意图。通过精密机床控制使得工件48上的抛光点的法线与轴8心重合；松开第一螺栓16、第二螺栓17、第三螺栓18，滑动燕尾槽滑件15调节喷嘴22到轴8轴心的距离， 旋转喷嘴固定架19，实现α角的调节，从而调节喷射距离和喷射角度θ ；选择好喷射距离和喷射角度θ后，锁紧第一螺栓16、第二螺栓17、第三螺栓18。所述360°连续旋转喷射磁射流抛光方法，喷射过程中，电机4以一定速度旋转， 带动轴8转动，进而带动喷嘴22绕轴中心线旋转，喷射液柱可以绕被加工点处工件面法线旋转，即可实现对工件36表面上的点固定斜入射角以360°连续旋转喷射磁射流抛光。图9，为用本发明抛光装置采用垂直无偏入射抛光时的理论材料去除率模剖面图。 从图中可以看出，利用本装置采用垂直无偏入射抛光进行抛光，抛光的材料去除模型为倒 “W” 型。图10，为用本实验装置采用带偏心旋转喷射抛光和固定斜入射角以360°连续旋转喷射抛光可实现的理论材料去除模型剖面图。通过适当调节偏心距离和斜入射角可以实现去除函数模型样式的变换。根据抛光不同的面型，选择不同的抛光方式，以提高面形质量和抛光效率。
权利要求
1.复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，包括外壳、支架、旋转接头、电机、皮带轮、皮带、轴、空心轴滑环、空心轴滑环固定板、密封/固定圈、转接板、连接槽、燕尾槽、喷嘴、喷嘴卡盘、线圈、喷嘴固定架、软管、导线和螺栓。上述组成部分的连接关系为旋转接头外轴壳和电机通过螺钉固定在支架上；电机轴端安装有皮带轮，旋转接头内轴相应位置安装有皮带轮，电机通过皮带方式传动旋转接头内轴旋转；安装有空心轴滑环的轴端口和旋转接头内轴出口处固定；利用转接板将连接槽的台基面和轴的底部间接固定；燕尾槽装卡在连接槽底部；喷嘴固定架与燕尾槽通过螺栓连接；将线圈放入喷嘴固定架内，利用喷嘴卡盘对喷嘴固定架封盖并压紧其内部线圈，线圈通过导线和空心轴滑环导通；将喷嘴装卡在喷嘴卡盘上，并通过软管将喷嘴与轴上的出口导通；外壳固定于支架上， 并利用空心轴滑环固定板将空心轴滑环和外壳固定；密封/固定圈内孔套在轴上且位于空心轴滑环和轴上出口之间，外沿与外壳接触。装置整体通过支架固定在精密机床上，以实现喷头整体的精密运动。本发明所述复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置工作过程如下加工时，通过数控机床控制喷头整体以一定的姿态运动到指定的位置；电机通过皮带传动旋转接头内轴转动，进而带动轴、转接板、连接槽、燕尾槽、喷嘴固定架、线圈、喷嘴卡盘和喷嘴绕轴中心线转动；液体顺序流经旋转接头、轴、软管、喷嘴，最后通过由通电电磁线圈产生的沿喷射方向的局部磁场区域，冲击在所要加工的工件表面，实现材料去除。
2.根据权利要求1所述的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，其特征在于所述旋转接头在转动过程中最大需要有IMPa的抗压性能。
3.根据权利要求1所述的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，其特征在于所述密封/固定圈采用耐磨材料制成。
4.根据权利要求1所述的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，其特征在于所述支架、轴、燕尾槽采用耐磨和高强度的材料制成。
5.根据权利要求1所述的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，其特征在于喷嘴固定架、喷嘴和喷嘴卡盘采用高磁导率和高强度的耐磨材料制成。
6.根据权利要求1所述的复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，其特征在于所述喷嘴绕轴的旋转速度可由电机驱动控制，喷嘴到轴中心的距离可以通过燕尾槽调节，喷嘴的喷射方向与燕尾槽平面的夹角可以通过喷嘴固定架的转动来调节，从而可以控制喷射出的液体以不同的入射角和不同喷射距离冲击工件。
全文摘要
本发明公开了复合运动姿态磁射流体喷射抛光装置，属于精密光学表面加工领域的一种抛光工具。包括支架、旋转接头、电机、皮带轮、皮带、空心轴滑环、轴、转接板、连接槽、燕尾槽、喷嘴固定架、线圈、喷嘴、软管和外壳；旋转接头和电机固定于支架；电机通过皮带传动方式驱动旋转接头内轴；安装有空心轴滑环的轴和旋转接头内轴固定；用转接板将连接槽和轴固定；喷嘴固定架通过燕尾槽与连接槽连接；线圈、喷嘴装卡在喷嘴固定架中；轴上出口和喷嘴连通，空心轴滑环和线圈导通；外壳与支架固定。工作时，调整喷嘴姿态，电机驱动喷嘴绕轴转动，喷嘴喷出的磁流变抛光液受到通电线圈产生轴向磁场的作用，实现复合运动姿态下较远距离的精确加工。本发明适用于加工高陡度面型工件。
文档编号B24C5/04GK102152242SQ20101062246
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者冯云鹏, 张丽雯, 王谭, 程灏波, 董志超 申请人:北京理工大学