专利名称：抛光设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种抛光设备，它使用电介质研磨粒对工件进行抛光。该研磨粒位于穿过电极加电压时产生的库仑力施加加工压力的位置上。
背景技术：
人们已经建议过具有各种结构的抛光设备。通常，抛光设备有一抛光垫以固定粘在面板上的研磨粒，通过面板与工件的彼此相对运动而实现抛光。近年来，对工作流体的研究已经取得了进展，这种流体对电场或磁场有反应，有的抛光设备使用了这种工作流体。
例如，在抛光和表面精整这类加工中，已经使用了磁性流体，它含有弥散埃级的磁粒。这种流体单独使用时，几乎没有抛光作用，所以，为了抛光应用，在流体中加入了研磨粒。磁场在磁性流体中感应的磁力使研磨粒被流体压在工件表面上。虽然当工件呈球形或其他类似特殊形状时使用磁性流体抛光是合适的，但磁性流体抛光仍存在许多问题。例如，磁性流体感应产生的加工压力小，从而导致抛光效率低。此外，磁性物质还妨碍着抛光加工，抑制提高表面粗糙度效果。其他问题还有去除的材料毛刺夹带在磁性流体内引起划痕，以及遇有磁性工件时，研磨粒运动受到约束，致使抛光不可能达到所需的效果。上述问题限制了用磁性流体进行抛光的应用。
磁性反应(MR)流体是一种含有弥散铁粉或其他具有微米级粒度的铁磁粒流体。当磁场加到这种还含有研磨粒的流体时，就会在粒间产生很强的吸引力，造成铁粒迅速聚积成粘稠磁性柱状形成物，可以用来向工件表面施加强大加工力，保证高的加工效率。然而，由于考虑到难于控制该形成物的形状、位置和表观粘度，可以认为存在一种高风险，即，向形成物施加压力将使工件表面产生划痕。因此，人们已经认识到，这种MR流体对于初次粗磨适用，但精细抛光不便于使用。通常，用在MR流体中使用的大粒度铁粒成为它用于精细抛光的另一障碍。
图12表示现有抛光设备的例子。该设备包括旋转电极1和抛光垫2，后者直接在旋转电极1正下方。磨料是研磨粒弥散在具有电绝缘性能的硅油或润滑剂中。在导电试件3与旋转电极1之间加入交流电压，引起研磨粒与电极1交替地吸引和排斥。这样支撑电极1，即，使它能通过驱动装置(未示出)按照箭头A所示方向转动。
图13具体说明现有的电极作用。外加电场使研磨粒4聚积一起成链状组织，相对于导电试件3垂直排列成行。在这种情况下，相邻粒束间具有相互斥力，为了保持一定间距，研磨粒的位置易于变得不均匀，导致抛光面表面粗糙度的不均匀性。
使用现有这样配置的抛光设备，研磨粒从旋转电极1到达导电试件3的运动和研磨粒的不均匀分布使大型产品达到高质量抛光面很困难。此外，在旋转电极与导电工件之间必须施加电压也使得抛光设备难于应用于绝缘材料。因为有绝缘性能的工件厚度起着与气隙相同的作用，所以，不用强度高到足以控制研磨粒位置的电场强度就不能达到高质量抛光效果；这意味着工作是危险的，工件又有被放电损坏的危险。
此外，抛光件转动产生的离心力往往会引起研磨粒积累在抛光区周围，从而降低了抛光效率。为此，现有的抛光设备力图再次利用库仑力，使研磨粒回到抛光区，运用被施加电场的研磨粒具有高介电常数这一事实，达到研磨粒相对于工件均匀分布的目的。然而，上述相邻粒束间距仍不能使研磨粒高度均匀分布。
发明内容
所以，本发明的一个目的是提供了一种抛光设备，它能够抛光绝缘材料和易于控制研磨粒分布的均匀性。
为了达到上述目的，本发明提供了一种抛光设备，包括由许多电极元件组成的电极，驱动电极用的驱动装置和具有介电性能的研磨粒，这些研磨粒分布在电极与工件之间且在交流电压加到电极产生库仑力所施加工压力的位置。也就是说，本发明涉及一种抛光设备，它利用库仑力把研磨粒收集在试件上，与此同时将研磨粒弥散在试件上，又把加工压力作用到收集的研磨粒上，以此进行抛光过程。
配置的电极表现为许多不同直径的电极元件，它们按同心圆结构排列，相互用绝缘材料隔离。
电极这样配置，即，使得不同电压加到许多电极元件上。例如，电极元件的外加电压，从中心元件起向外逐渐升压。
电极可以是圆柱形电极，由膜状导体和绝缘层组成，它们这样在轴上缠绕，即导体和绝缘层交替缠在轴上。
抛光设备可包括电极，装在绝缘管周围，该管用来将含有弥散研磨粒的流体输送到工件，外加低频交流电场，其具有频率0.1～10Hz，电场强度1.5～3KV/mm。
组成的电极表现为许多不同直径的电极元件，它们按同心圆结构排列，相互用绝缘材料隔离，因而能均匀抛光，而且不受工件材料或厚度的影响。此外，许多电极元件外加不同电压，再调节绝缘材料厚度，便有可能减少因电极旋转产生离心力造成的研磨粒散开。而且，外加电压从中心元件起向外升压有助于均匀抛光。由膜状导体和绝缘层组成的电极易于制造，它们这样在轴上缠绕，即导体和绝缘层交替缠在轴上，而绝缘材料厚度减小使有可能采用低的外加电压，从而达到节能效果。
从本发明附图和以下的详细描述中，本发明详细性能、特征和优点将更加一目了然。
图1是本发明抛光设备第1实施例旋转电极示意图。
图2是图1电极主件垂直剖面图。
图3是图1电极底视图。
图4是本发明第2实施例旋转电极主件垂直剖面图。
图5是本发明第3实施例用于构成旋转电极的层状结构。
图6具体说明用图5层状结构制造旋转电极的方法。
图7表示使用图6旋转电极的抛光设备。
图8表示本发明旋转电极加工头应用的示例。
图9(a)是本发明第4实施例旋转电极透视图和图9(b)表示图9(a)旋转电极的电极部分。
图10是第5实施例主件透视图。
图11具体说明本发明抛光设备输入研磨粒流体的示例。
图12表示现有的抛光设备电极。
图13具体说明图12现有的抛光电极作用。
具体实施例方式
现参照附图对本发明描述如下。图1表示本发明第1实施例抛光设备10的旋转电极11，图2表示电极主件的垂直剖面图，图3则是电极底视图。抛光设备10中有一旋转电极11，靠驱动装置(未示出)旋转，旋转电极11与工件12之间滴入含润滑油的流体，油中弥散着电绝缘研磨粒13。加工压力作用到聚积的研磨粒上，使能有效抛光。旋转电极11外加交流电压后，产生库仑力，用来使研磨粒13排列成行，在抛光垫17与工件12之间形成珠链。外加电场的场强最好是±1～10KV/mm，频率0.1～1000Hz。当涉及大量抛光时，最好使用正常出现的矩形波，而在抛光工作量不大时，则最好使用平滑出现的正弦波，不含有噪声分量。
旋转电极11包括有支承轴14，固定板15，柱形电极部分16，盘状抛光垫17等。这样支撑支承轴14，使能靠驱动装置(未示出)，按照图1箭头A所示方向进行旋转。固定板15固定在支承轴14上，并支撑电极部分16。抛光垫17的直径基本上与电极部分16的相同，充满或供以研磨粒13，这些研磨粒弥散在具有电绝缘性能的低粘度润滑油里。通过碳质馈电装置18将交流电压加到旋转电极11。
电极部分16包含有许多同心圆柱形导电电极元件16a(图2和3)，每个元件可外加不同电场。例如，强电场加到圆周部分，即工作时，有着巨大离心力的地方，而外加的低电压则朝向中心。碳质馈电装置18由碳素电极18a和支承部分18b组成。电极部分16中，电极导电元件16a与绝缘件16b交错排列。
由于含有研磨粒的流体充满或向抛光垫17输送，故可采用煤油和硅油以及其他类似的电绝缘流体，其动粘度约为1～10000mm2/S。弥散颗粒可以采用单晶或多晶金刚石，二氧化铈(CeO2)，三氧化二铝(Al2O3)，三氧化二镧(La2O3)，氧化镨(Pr6O11)，三氧化二铵(Nd2O3)，氟化物，氧化钙和立方氮化硼(CBN)。
现按照本发明的上述配置，对使用旋转电极抛光设备的作用和操作加以说明。首先，抛光垫17充满研磨粒，研磨粒弥散在润滑油里，电极部分16装有同心布置的电极元件16a，并外加交流电压。这样设定电压，高压加到圆周电极元件16a，低压则加到内部元件。旋转电极11靠驱动装置旋转，该装置没有标出。为了使研磨粒更易于滚动，工件12朝旋转电极11相反方向转动。作为代替，旋转电极11和工件12可以朝同一方向以不同转速转动。
旋转电极11外加恒压，压向工件12。因此，工件12抛光时，旋转电极11与工件12之间不必外加电压，所以工件12不必是导电的。这样，甚至陶瓷或玻璃工件也有可能抛光。例如，使用加工负载18kgf，外加电场频率0.8Hz和电场强度1.8KV/mm，在15分钟内，可使玻璃(BK-7)表面粗糙度由1.5μm Ry提高到0.1μmRy。
图4是本发明第2实施例旋转电极主件的垂直剖面图。在这种情况下，电极部分16由电极元件16a和绝缘件16b组成，前者绕在支承轴14上，成梯形螺旋结构；后者置于电极元件16a之间。外加电场碳质馈电装置18与每个电极元件16a外侧相接触，用来外加电压。考虑到旋转电极11的离心力，通过调节每个电极元件的外加电压，可以使研磨粒均匀分布，从而使抛光面有可能达到均匀一致。研磨粒13排列成行，与工件表面平行，如图2所示，而不会出现这种情况，即研磨粒13从电极凸出，在电极间工件上滚动和冲击，从而增强抛光性能。因此，有可能取得高质量抛光面。此外，研磨粒和抛光碎屑电容率之差产生库仑力，使碎屑有可能分离和消除。由于电场不加在旋转电极11与工件12之间，所以工件12不会因放电损坏。
上述配置使电场强度在圆周部分，即有巨大离心力的地方有可能提高。对每个电极元件16a施加不同电场电压的能力没有可能取得均匀抛光面。例如，对最里面、中间和最外面电极元件16a可分别施加1KV/mm、2KV/mm如3KV/mm电压。
图5表示本发明第3实施例构成旋转电极所用的层状结构，而图6则表示如何用图5层状结构制造旋转电极。在绝缘件20b上形成导体20a来形成旋转电极20，以组成内部电极元件，再将层状结构的内部电极绕轴21，缠成螺旋结构，最后用电极夹23把缠绕层固定就位，即为导电物质的圆柱形外部电极元件。可以用蒸敷、涂镀、粘附或其他类似方法，把导电物质涂敷在绝缘薄膜上，形成绝缘件20b和导体20a层状结构。图7所示抛光设备使用这样制作的电极20。
采用由图5所示绕成螺旋状的导体20a和绝缘件20b薄膜状带层组成的图6所示旋转电极，可使外加电压得到控制，确保安全。现对这种配置的实施例操作和作用加以说明。首先，只将电极层绕在轴21上，便可迅速制出旋转电极20。具有矩形波或正弦波的交流电压施加到具有螺旋缠绕膜状导体20a的旋转电极20。通过未图示的驱动装置使旋转电极20转动。旋转面板22以与旋转电极20相反方向转动工件12。
在本实施例的情况下，绝缘件20b的厚度可以减小，使有可能把外加电压控制在所需水平。例如，如果绝缘薄膜厚0.1mm则可用200～300伏的电压。使用外加低压的能力，使高压设备变成不必要的，而且还简化了机床，如加工中心和通用铣床的加工头附件。因此，可以降低耗电量。这样，不再需要专用高压电源，从而有助于简化系统配置，降低成本。研磨粒排列成行，与工件表面平行，使有可能甚至使用低浓度研磨粒流体成分，也会取得高质量的抛光面，从而有助于降低成本，不再需要使用抛光垫。
图8表示本发明在加工头使用的旋转电极20示例。电极20固定在加工中心的加工头32，使工件12能在旋转面板22上抛光。
图9表示本发明第4实施例电极，用来抛光三维工件，利用库仑力将研磨粒吸引在电极上，其中图9(a)是电极透视图，而图9(b)则表示电极部分。电极体30包括一易挠多孔件和梳齿形电极元件。如图9(b)所示，梳齿形电极元件31a和31b相互对置，齿部彼此不重合，它们之间规定有间隔。交流电压加到电极元件31a和31b。低频交流电场带来的电场极性变化用来产生研磨粒接触和碰撞，起到磨光的作用，而且还有效地清除抛光碎屑，防止研磨粒组合成块。构成易挠多孔件可以使用多孔泡沫树脂等物。这样配置的设备曾用来抛光表面用放电器加工到10μm Ry粗糙度的工件。用500gf加工力和±2.0KV/mm外加电场强度，抛光30分钟，达到镜面粗糙度0.2μmRy。
图10是第5实施例主件透视图。图中，电极体34包括一个由多孔件35组成的中心电极体，它有一个电极件34c插入其中，在两侧，与电极元件34a和34b相接。外加交流电场时，研磨粒放置在工件36与电极体34之间。工件36通过电极体34施加加工力，分别沿X和Y轴移动面板40和41，作往复运动，从而产生使研磨粒滚动的相对运动，这样加工工件36。面板40和41另外还可以0.1～30Hz的频率，通过线性电机等作水平运动。电极体34和移动面板同步成直角运动。例如，面板40以5～30Hz精密增量沿X轴运动，而面板41则以0.1～15Hz精密增量沿Y轴运动。
采用上述配置，将电场加到电极元件34a和34b，同时施加加工压力。这样产生的库仑力使研磨粒聚积在多孔件35的加工面上，该件沿Y轴来回清扫，弯曲柔软的象一把扫帚。这样使研磨粒易于滚动，并有可能保持低的加工压力。上述作法能取得高质量的抛光，而且不会改变被加工层性能。由于多孔件35可以向上推动，与表面成直角，所以还有可能向曲面施加均匀加工压力。另外，低加工压力还减少了在斜面部分上的滚动。
图11具体说明使用本发明抛光设备有效制成优良抛光面的实施例。相同零件用同样标记号表示，对其不再作进一步描述。含有润滑油弥散研磨粒的流体39通过绝缘管38送到工件12顶部。用装在管38中间的电极37a和37b施加交流电场。这样提高电极37a与37b之间流动的流体粘度，所以可用来调节供给工件12的流体39的流量。外加电场穿过电极37a和37b还可防止研磨粒组合成块，从而保证输送稳定的弥散流体。因此，可以取得高质量的抛光面。
如前所述，使用本发明旋转电极的抛光设备中，电极分成许多元件，使有可能达到抛光目的，而不管工件的形状，材质或特别是厚度。使用现有技术的单式电极抛光绝缘工件时，工件厚度起到气隙作用，需要用外加高压，完成抛光。进行这样的操作，具有很高的放电危险，很不安全。然而，使用本发明所用多元件电极配置，硅油所含研磨粒在抛光垫上排列成行，与抛光面平行，并按照外加电压的频率运动，同样有可能抛光绝缘材料。
因此，工件不管材料如何，皆能均匀抛光。特别是由于电压未加到工件，导电和绝缘两种工件均可抛光。例如，有可能抛光脆性绝缘材料，如陶瓷和玻璃。因此，抛光设备对工件材料没有限制。多元件电极按照电极配置产生与抛光面平行的粗细研磨粒区域。除了根据外加电压频率研磨粒运动产生磨光作用外，抛光碎屑还从粗粒区排出。通过控制许多电极元件的外加电压，使研磨粒均匀分布变得更加容易，从而能控制表面粗糙度。
权利要求
1.一种抛光设备，包括由多个电极元件组成的电极，驱动电极的驱动装置和具有介电性能的研磨粒，这些研磨粒分布在电极与工件之间，且在由交流电压加到电极而产生的库仑力施加加工压力的位置上。
2.按照权利要求1所述的抛光设备，其特征在于多个电极元件具有不同的直径并被以同心圆的结构放置且相互用绝缘材料隔离。
3.按照权利要求1所述的抛光设备，其特征在于不同的电压加到多个电极元件上。
4.按照权利要求2所述的抛光设备，其特征在于不同的电压加到多个电极元件上。
5.按照权利要求2所述的抛光设备，其特征在于低电压加到内部电极元件，而高电压加到外部电极元件。
6.按照权利要求3所述的抛光设备，其特征在于低电压加到内部电极元件，而高电压加到外部电极元件。
7.按照权利要求4所述的抛光设备，其特征在于低电压加到内部电极元件，而高电压加到外部电极元件。
8.按照权利要求1所述的抛光设备，其特征在于电极为由膜状导体和绝缘层组成的圆柱形电极，所述导体和绝缘层交替缠绕在轴上。
9.按照权利要求1所述的抛光设备，其特征在于进一步包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
10.按照权利要求2所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
11.按照权利要求3所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
12.按照权利要求4所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
13.按照权利要求5所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
14.按照权利要求6所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
15.按照权利要求7所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
16.按照权利要求8所述的抛光设备，其特征在于还包括一绝缘管，用于将含有弥散研磨粒的流体输送到工件和装在绝缘管周围以调节来自绝缘管流体流量的电极。
全文摘要
一种抛光设备，包括由多个电极元件组成的电极，电极驱动装置和分布在电极与工件之间的电介质研磨粒。抛光压力通过交流电压加到电极上时产生的库仑力施加到研磨粒上。
文档编号B24B37/04GK1411955SQ02104579
公开日2003年4月23日 申请日期2002年2月8日 优先权日2001年10月5日
发明者赤上阳一, 佐藤祐吉, 山本亲庆 申请人:秋田县