一种滚轴式磁流变抛光装置与方法与流程

本发明涉及抛光设备和工艺，特别是一种采用单电机驱动并利用磁流变液对工件进行均匀抛光的装置与方法。

背景技术：
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随着光学系统及精密仪器技术的迅速发展，超光滑大尺寸器件应用的日益广泛对光电子器件的表面和形状精度提出了更高的要求。超精密加工技术是光电子器件制造中的支撑技术，广泛应用于航空航天、电子通信、生物工程、信息技术等领域，并取得了卓越的发展，已经成为高竞争企业中的重要领域。随着光电产品使用性能的不断提高，尺寸平面元件的应用越来越广泛，对于加工这些器件，要满足单位去除量少、残余应力小等要求。而传统的平面光整加工方法，如滚磨抛光、化学机械抛光，易腐蚀加工件的外表面，甚至会造成亚表面损伤、生产成本高、效率低等问题。

磁流变液是一种新兴材料，未加磁场时，磁流变液就如普通流体一样；加上一定强度磁场后，磁流变液会迅速变为具有粘塑性的Bingham介质，磁场消失后又可以变回为流动的液体。磁流变效应是由于磁性颗粒间存在相互吸引力从而促使微观结构的形成而引起的，磁流变效应的核心是在外场作用下固体颗粒被感应成偶极子，偶极子间的吸引力引起颗粒成链与相分离。磁流变液具有的性能特征是：沉淀稳定性好、易于再分散、屈服应力高、零场粘度低，响应时间快、工作温度范围宽。

磁流变抛光是一种精密加工技术，用的是以磁流变液为基础进行改进添加得到的磁流变抛光液对工件进行抛光，磁流变抛光液由磁敏微粒、非磁性抛光磨粒以及表面活性剂均匀分散在基载液后形成，磁敏微粒与表面活性剂作用后均匀分散于基载液中，非磁性抛光磨粒在加工前加到磁流变液中，经过搅拌，抛光磨粒也均匀分散于基载液中。磁流变抛光液在磁场作用下固化，在加工区域形成Bingham黏塑性体，用其作为可控的线状区域的抛光工具，对工件进行抛光。

ZL201410528441.9专利文献公开了一种往复式磁流变抛光装置，抛光头由工件轴、固定在工件轴下端的非导磁夹具及软磁板构成，工件固定在非导磁夹具上，装有磁流变液的载液槽位于抛光头下部，抛光时工件浸入磁流变液中，载液槽的位置固定不变，电磁铁位于载液槽下部，电磁铁由往复传动机构驱动、与工件抛光表面平行作直线往复移动，工件在磁场平动与工件转动的复合运动下完成表面材料的去除。这种装置的优点是磁场匀化性好，可加工狭长大平面工件，但由于载液槽的位置固定不变，磁流变液不会循环流动，在电磁铁与工件抛光表面平行作直线往复运动时，只有当电磁铁运动到工件正对的下方区域时，此处的磁流变液才形成Bingham黏塑性体，因此不能实现磁流变液的循环使用。

ZL201410120264.0专利文献公开了一种适用于超大口径光学加工的磁流变抛光装置，该装置由磁流变液抛光装置系统和磁流变液循环装置系统组成。磁流变液经过供给泵到达喷头，喷头流出的磁流变液运动到永磁铁下方，在高强度梯度磁场下，形成缎带突起，光学元件逆时针转动，皮带带动缎带在竖直平面内运动，二者相对运动实现镜面抛光。该装置解决了大口径非球面加工去除效率低，加工周期长等问题，但缺点是零件相对较多，结构比较复杂。

技术实现要素：
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针对现有技术的缺陷，本发明提供一种结构简单以单电机驱动的、能实现磁流变液循环流动且在抛光区域内交换顺畅的抛光装置。

本发明采用以下技术方案：提供一种滚轴式磁流变抛光装置，其特征在于，包括：机架，载液槽，抛光轴，永磁铁，及传动机构，所述载液槽中装有磁流变液，工件通过位于载液槽内的非导磁夹具固定于所述载液槽的内侧面，所述抛光轴位于所述载液槽的上部且竖直伸入所述载液槽中，所述永磁铁以水平凸伸方式固定于一磁铁架上，并放置在所述抛光轴内，所述磁铁架与所述抛光轴外部固定连接，所述永磁铁的磁极外端为球面结构并与工件抛光表面正对，所述磁极外端的顶端缘与所述抛光轴内表面的水平距离为3～5mm，所述抛光轴的外表面与工件抛光表面的水平距离为3～5mm，所述载液槽的底面安装有导轨，与导轨配合的滑块设置在所述机架上，所述载液槽的一侧通过弹簧与所述机架连接，另一侧连接有隔板，所述隔板连接一偏心轮，所述传动机构包括蜗轮蜗杆传动机构和螺旋齿轮传动机构，所述蜗轮蜗杆传动机构通过蜗轮带动所述抛光轴转动，所述螺旋齿轮传动机构带动所述偏心轮进而推动隔板使所述载液槽在导轨与滑块的配合下作往复直线运动。

进一步地，所述蜗轮蜗杆传动机构和所述螺旋齿轮传动机构由同一电机驱动转动，并通过联轴器和轴承座连接固定。

进一步地，所述抛光轴的末端连接有叶片。

利用上述滚轴式磁流变抛光装置进行抛光的方法，包括以下步骤：

步骤1、把工件安装在非导磁夹具上，固定在载液槽内侧面，将抛光轴浸入到载液槽内的磁流变液中，调节抛光轴和工件的相对位置，使工件关于抛光轴的轴线对称分布；

步骤2、将永磁铁固定在磁铁架上，竖直放入抛光轴内，调节永磁铁为球面结构的磁极与抛光轴内表面的间距为设定值，从而使工件表面的磁通密度为0.2-0.5T，调节抛光轴与工件抛光表面的间距为设定值；

步骤3、启动电机，带动蜗轮蜗杆和螺旋齿轮同步转动，使抛光轴转动和载液槽往复移动，调节载液槽的直线往复移动行程为100mm；

步骤4、在载液槽移动和抛光轴转动的复合作用下，对工件抛光60分钟，实现工件表面材料的去除；

步骤5、抛光结束，关停电机，工件轴和载液槽停止运动，取走磁铁架，将工件从非导磁夹具中卸下，使工件离开磁流变液。

本发明的工作原理是:驱动电机驱动蜗轮蜗杆和螺旋齿轮运转，蜗轮带动抛光轴转动，永磁铁固定在磁铁架中放入到抛光轴内，抛光轴竖直放入装有磁流变液的载液槽中。在抛光过程中，永磁铁可在抛光轴外表面产生高梯度磁场，载液槽中在此区域的磁流变液形成具有一定硬度的Bingham黏塑性体，成为可控的线状区域的抛光工具，利用此黏塑性体的剪切力对载液槽内表面的工件进行抛光；在抛光的同时，螺旋齿轮带动偏心轮转动，偏心轮顶着隔板带动载液槽沿导轨方向移动，载液槽一侧安装有弹簧，载液槽在偏心轮和弹簧共同作用下沿导轨方向往复移动，磁流变液在抛光轴转动和载液槽移动的共同作用下对工件表面材料进行均匀去除。

本发明滚轴式磁流变抛光装置与方法与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明设计的抛光设备创新式地采用了滚轴式的抛光方法，采用一个电机驱动整体装置，简化了传统设备的整体结构，使得设备结构更紧凑，占用空间更小。

2、通过螺旋齿轮传动机构使得载液槽沿着导轨作往复直线运动，可避免因磁场强度分布不均使得工件局部区域材料去除率低下问题，从整体上提高了加工效率，且所述永磁铁的磁极外端为球面结构且朝向抛光轴内表面，并正对所述工件抛光表面，也使得工件边缘的抛光效果更好，提高了工件的面形精度。

3、在抛光轴末端安装了叶片，通过叶片对磁流变液进行搅拌，进一步促进了循环流动也保证了磁流变液内部颗粒分布的稳定性，并且简化了设备的结构，使得整个设备结构更加紧凑。

附图说明：

图1为本发明提供的滚轴式磁流变抛光装置的立体图；

图2为图1所示的滚轴式磁流变抛光装置不包括电机的主视图；

图3为图1所示的滚轴式磁流变抛光装置不包括电机的俯视图；

图4为本发明提供的滚轴式磁流变抛光装置的另一视角的立体图；

图5为图4中磁铁架与抛光轴的局部立体图；

图6为图1所示的滚轴式磁流变抛光装置中除去电机与传动机构后的左视角的全剖视图。

本实施例中：1-蜗轮蜗杆传动机构，2-螺旋齿轮传动机构，3-磁铁架，4-抛光轴，5-载液槽，6-偏心轮，7-导轨，8-弹簧，9-电机，10联轴器，11-轴承座，12隔板，13-叶片，14-工件，15-机架，16-滑块，17-非导磁夹具，18-永磁铁，19-蜗轮，20-螺旋齿轮。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1、图2和图6所示，本发明提供的一种以单电机驱动的滚轴式磁流变抛光装置，可加工狭长工件平面，包括：机架15，载液槽5，抛光轴4，永磁铁18，及传动机构，所述载液槽5中装有磁流变液，工件14通过位于载液槽5内的非导磁夹具17固定于所述载液槽5的内侧面，所述抛光轴4位于所述载液槽5的上部且竖直伸入所述载液槽5中，使工件14和抛光轴4均浸入磁流变液中，增大了工件14和磁流变液的接触面积，从而使得材料去除率更高。所述永磁铁18以水平凸伸方式固定于一磁铁架3上，并放置在所述抛光轴4内，所述磁铁架3与所述抛光轴4外部固定连接，所述永磁铁18的磁极外端为球面结构，且所述磁极外端正对工件抛光表面，进一步的，所述磁极外端的顶端缘与所述抛光轴4的内表面的水平距离为3～5mm，所述抛光轴4的外表面与工件抛光表面的水平距离为3～5mm。如图5所示，所述抛光轴4的末端连接有叶片13，可对磁流变液进行搅拌。采用永磁铁18来代替电磁铁不仅能缩小装置的体积，减小工作空间，还可以简化装置结构，便于故障维修。

如图1、图2和图4所示，所述载液槽5的底面安装有导轨7，与导轨7配合的滑块16固定在机架15上，所述载液槽5的一侧通过弹簧8与所述机架15连接，另一侧连接一隔板12，所述隔板12连接一偏心轮6，并紧贴所述偏心轮6，所述传动机构包括蜗轮蜗杆传动机构1和螺旋齿轮传动机构2，所述蜗轮蜗杆传动机构1和所述螺旋齿轮传动机构2由同一电机9驱动转动，分别由联轴器10和轴承座11进行连接固定。如图1、图2和图3所示，所述蜗轮蜗杆传动机构1由一对蜗轮蜗杆啮合，通过蜗轮19带动所述抛光轴4转动，所述螺旋齿轮传动机构2通过一对螺旋齿轮20啮合来带动所述偏心轮6，进而推动隔板12使所述载液槽5在导轨7与滑块16的配合下作往复直线运动。抛光装置中大部分零件的材料为非导磁材料，避免抛光过程中受磁场影响而出现不良结果。

利用上述滚轴式磁流变抛光装置进行抛光，包括以下步骤：

(1)把工件安装在非导磁夹具上，固定在载液槽内侧面，将抛光轴浸入到载液槽内的磁流变液中，调节抛光轴和工件的相对位置，使工件关于抛光轴的轴线对称分布；

(2)将永磁铁固定在磁铁架上，竖直放入抛光轴内，调节永磁铁为球面结构的磁极与抛光轴内表面的间距为设定值，从而使工件表面的磁通密度为0.2-0.5T，调节抛光轴与工件抛光表面的间距为设定值；

(3)启动电机，带动蜗轮蜗杆和螺旋齿轮同步转动，使抛光轴转动和载液槽往复移动，调节载液槽的直线往复移动行程为100mm；

(4)在载液槽移动和抛光轴转动的复合作用下，对工件抛光60分钟，实现工件表面材料的去除；

(5)抛光结束，关停电机，工件轴和载液槽停止运动，取走磁铁架，将工件从非导磁夹具中卸下，使工件离开磁流变液。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。