一种磁流变弹性抛光轮、小口径非球面加工装置及方法与流程

文档序号:12331836阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种磁流变弹性抛光轮,其特征在于,包括基体材料,设置在基体材料内的粉状磨料和微米级磁性颗粒;所述粉状磨料均匀分布在基体材料内或分层设置在基体材料内;所述基体材料、粉状磨料和微米级磁性颗粒一起形成轮状结构,且磁流变弹性抛光轮使用时设置在磁场内;优选所述微米级磁性颗粒的体积百分比不超过磁流变弹性抛光轮的40%,所述微粉磨料的体积百分比不超过磁流变弹性抛光轮的10%,更优选所述微粉磨料体积百分比为5%~7%。

2.根据权利要求1所述的磁流变弹性抛光轮,其特征在于,所述磁场由电源和电磁线圈形成,所述磁场的强度可调。

3.根据权利要求1所述的磁流变弹性抛光轮,其特征在于,所述基体材料为高分子聚合物基体材料,优选为热塑性橡胶、硅橡胶、天然橡胶或合成橡胶,所述粉状磨料优选为金刚石微粉、氧化铈微粉、氧化铝微粉或碳化硅微粉,所述微米级磁性颗粒为钴铁粉、羰基铁粉或纯铁粉。

4.根据权利要求1所述的磁流变弹性抛光轮,其特征在于,所述微米级磁性颗粒的粒径为1~10μm,和/或所述粉状磨料的粒径为0.5~5μm。

5.一种小口径非球面弹性调控光整加工装置,其特征在于,包括:

用于与可转动的主轴(5)固定相联的不导磁刀杆(2);

如权利要求1-4之一所述的磁流变弹性抛光轮(1),用于对小口径非球面工件(6)进行抛光;

以及套装在不导磁刀杆(2)上的电磁线圈(3),用于与电源(4)电连接的所述电磁线圈(3)调整作用于磁流变弹性抛光轮(1)的磁场大小而改变磁流变弹性抛光轮(1)的弹性模量。

6.根据权利要求5所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置,其特征在于,所述电磁线圈(3)紧邻磁流变弹性抛光轮(1)配置在磁流变弹性抛光轮(1)后方,且与不导磁刀杆(2)间隙配合。

7.根据权利要求5所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置,其特征在于,所述磁流变弹性抛光轮(1)和不导磁刀杆(2)旋转时,电磁线圈(3)保持静止。

8.根据权利要求5所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置,其特征在于,所述磁流变弹性抛光轮(1)与小口径非球面工件(6)接触,该小口径非球面工件(6)固定在工件轴(8)上;所述工件轴(8)与不导磁刀杆(2)呈角度布置;优选磁流变弹性抛光轮(1)直径为待加工小口径非球面工件直径的1/2~1,更优选所述磁流变弹性抛光轮(1)直径小于10mm。

9.一种利用权利要求5-8之一所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置对小口径非球面工件进行加工的方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)将小口径非球面工件(6)安装在机床的工件轴(8)上,将如权利要求5-8之一所述的小口径非球面弹性调控光整加工装置安装在机床主轴(5)上;

2)调整机床的工作台,使磁流变弹性抛光轮的轴线相对于小口径非球面工件的轴线倾斜;

3)加工前,测量小口径非球面工件初始面形Z0(x,y),其中(x,y)为工件坐标;;

4)将初始面形Z0(x,y)与理论面形Z(x,y)比较,计算小口径非球面工件各处需要抛除的材料去除量分布HR(x,y),如下式:

HR(x,y)=Z0(x,y)-Z(x,y) (1)

加工过程中,根据上述材料去除量分布,适时调整电磁线圈电流,改变施加在磁流变弹性抛光轮上的外部磁感应强度,从而调控磁流变弹性抛光轮弹性模量,使磁流变弹性抛光轮与小口径非球面工件不同部位接触形成的微小抛光斑具有不同材料去除率分布,在小口径非球面工件上不同部位获得不同的材料去除量,实现确定性抛光加工,修正面形,获取亚纳米级无损光学表面;

优选电磁线圈电流随材料去除量分布的变化可用下式表示:

<mrow> <mi>I</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>{</mo> <msub> <mi>f</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>H</mi> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mi>k</mi> <mi>v</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> <mo>}</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中I(x,y)为抛光工件上坐标(x,y)处时的电磁线圈电流,t为磁流变弹性抛光轮在工件上坐标(x,y)处的抛光时间,k为代表磁流变弹性抛光轮抛光能力的系数,v为小口径非球面工件与磁流变弹性抛光轮之间的相对运动速度,f1代表磁流变弹性抛光轮弹性模量关于电磁线圈电流的反函数,f2代表压强关于磁流变弹性抛光轮弹性模量的反函数。

10.根据权利要求9所述对小口径非球面工件进行加工的方法,其特征在于,步骤3)中,当磁流变弹性抛光轮为圆柱状时,磁流变弹性抛光轮的端面与圆柱面交线倒圆角处与小口径非球面工件接触,形成椭圆形微小抛光斑,便于获得高斯型分布的去除函数,降低表面粗糙度;

当磁流变弹性抛光轮为球状时,其球面与小口径非球面工件接触,形成圆形微小抛光斑,便于获得高斯型分布的去除函数,降低表面粗糙度;优选所述微小抛光斑具有高斯型材料去除率分布,即材料去除率在抛光斑中心处最大,并向抛光斑外围按正态分布递减,如下式所示:

<mrow> <mi>M</mi> <mi>R</mi> <mi>R</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>MRR</mi> <mi>max</mi> </msub> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mn>2</mn> <msup> <mi>&sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中r代表抛光斑上其它点到抛光斑中心的距离,MRR(r)表示以抛光斑中心为圆心、r为半径的圆周上的材料去除率,MRRmax表示抛光斑中心处的最大材料去除率,σ为与抛光斑面积有关的尺度系数。

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