专利名称：电磁方式磁流变抛光头的制作方法
技术领域：
本发明属于精密曲面加工工具领域。
背景技术：
非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，比较常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭圆面镜等。非球面光学零件能够很容易的校正多种像差，而对于球面光学零件来说，通常需要多个零件组合起来才能达到同样的效果。这样，非球面镜的使用，可以大大提高光学系统的成像质量，简化光学系统。而相对于对称非球面透镜，自由曲面透镜具有更大的优点。自由曲面透镜的加工方法也有很多，其中计算机控制光学表面成形(CCOS)技术通过特定的抛光算法，控制研磨抛光头，根据检测数据给出的加工尺寸偏差，修整加工参数，可以实现自由曲面的超精密加工，是当前自由曲面加工的一个研究方向。
磁流体是一种固液两相的胶体混合物，并使用磁性材料作为胶体混合物中的固相颗粒。磁流体作为胶体混合物，具有一定的流动性，更重要的是由于磁流体具有磁化性能，可以通过控制外磁场来控制磁流体的粘度和局部的形状。在外磁场的作用下，磁流变抛光液表现出显著的流变行为，若磁流变抛光液受到一强磁场作用时作就会变成类似固体的状态，而一旦离开磁场，又立即变成流动的液体。在高梯度磁场的作用下，磁流变抛光液粘度和硬度增加，并形成突起的缎带形状，成为形成具有粘塑性的介质。当介质与工件表面接触，并发生相对运动时，就可以在工件表面上产生剪切力，从而使得工件表面材料被去除，从而达到抛光的效果。磁流变抛光时形成的凸起的形状、硬度完全可以通过磁场控制，而且由于磁流变液的流动，加工区域不断被更新，所以不存在磨损或变形问题，从而保证了在整个抛光过程中的单位工作特性函数的一致性，这样就可以准确控制材料的去除。根据抛光的实际需要在磁流体中混入一定的抛光磨料实现抛光，利用磁流体的特性进行抛光即称作“磁流变抛光”。
将CCOS技术和磁流变抛光技术相结合，综合两技术的优点，成为超精密非球面加工的一种有效手段。而现有的磁流变抛光技术研究所使用的磁场多由永磁体提供，无法根据实际加工状况灵活调节磁场强度，这样，要实现不同的抛光去除量，就需要控制抛光驻留时间，也就是表面相对运动速度来实现，使得加工过程不连续。使用电磁铁提供加工所需磁场，就可以改变磁场强度来控制抛光去除量，而不是改变驻留时间，使得加工过程更加稳定。
图1表现了一种现有的磁流变抛光技术所采用的工作方式。一个凸面件12浸入到磁流变抛光液13中，和运动盘14保持一定的距离，这样在运动盘14和工件表面之间形成了很小的间隙。而磁极15放置在运动盘14的另一边，用于提供抛光所需的磁场。当磁流变抛光液13被送到运动盘14和被加工工件12之间的间隙附近时，在高梯度磁场的作用下，磁流变液13受力压向运动盘14，会形成突起的缎带形状，同时磁流变抛光液粘度和硬度增加，形成具有粘塑性的介质。当介质随运动盘14的运动进入工件12和运动盘形成的小间隙时，对工件表面与之接触的区域将产生剪切力，从而使得工件表面材料被去除。这种方式控制工件12的倾斜方向和与磁极15的相对位置关系，实现对不同位置的抛光作用，从而完成对工件12的抛光加工。在这种抛光加工中磁场是固定不动的，主要是由位于上方的工件12旋转运动或进给来实现对工件表面不同位置的去除要求，所以很难实现加工尺寸比较大的工件，加工口径一般只有几十毫米。其次在加工工件的形状上也有一定的限制，不能实现对大曲率的轮廓加工，凹面的加工也不方便。
发明内容
为了解决现有磁流变抛光中的加工参数不灵活，抛光去除量不容易控制的缺点，本发明提出了一种电磁方式磁流变抛光头，包括电磁轮架、隔磁环、电磁线圈、导磁盘和轮芯，其特征在于所述抛光头为圆盘形，所述隔磁环两侧有台阶，通过过盈配合安装在电磁轮架和导磁盘的外缘；所述电磁轮架和导磁盘与轮芯通过过盈配合安装在一起；所述的电磁线圈为盘状线圈，位于电磁轮架和导磁盘形成的空腔之中；所述轮芯和外接自转轴之间通过键联接。
本发明所述的电磁轮架和导磁盘为软磁材料。
本发明所述的隔磁环为非铁磁质材料。
本发明所述的轮芯为非铁磁质材料。
本发明所述的电磁线圈所使用的电源为直流电源或方波交流电源。
本发明所述的电磁方式抛光头按照一定的运动形式，结合数控三坐标磨床，可以实现对工件表面的研磨抛光。电磁线圈导电后，即在抛光头外缘产生磁场分布，而抛光头本身存在着旋转运动，当磁流变抛光液进入磁场时，成为具有粘塑性的宾汉姆(Bingham)介质，将粘附在抛光头外缘，并形成凸起，当这种凸起和工件表面接触时并存在相对运动时，即可在工件表面与之接触的区域产生一定的剪切力，从而去除工件表面材料，这样在机床加工范围内，可以加工任意形状的工件表面，而且在加工质量完全能够达到一般磁流变抛光技术所能达到的效果。另外，本发明中抛光头的旋转运动为公自转复合运动，这样使加工时的纹路更加复杂，可以进一步提高抛光质量。实验证明，本发明能够应用于加工形状复杂的、大型的以及非旋转对称的光学工件。
图1为现有磁流变抛光技术的加工原理示意图。
图2为本发明的主剖视图。
图3为本发明的右视图。
图4为本发明的工作示意图。
具体实施例方式
下面结合附图来详细说明一下本发明的具体实施方式
。
图2表现了抛光头的设计结构，从图上可以看出，包括电磁轮架1、隔磁环2、电磁线圈3、导磁盘4和轮芯5，其特征在于所述抛光头为圆盘形，隔磁环2两侧有台阶，通过过盈配合安装在电磁轮架1和导磁盘4的外缘，隔磁环2起到结构支撑作用的同时，也对线圈起到密封保护的作用；电磁轮架1和导磁盘4与轮芯5通过过盈配合安装在一起；电磁线圈3为盘状线圈，位于电磁轮架1和导磁盘4形成的空腔之中，并利用电磁轮架1和导磁盘4形成所需的导磁回路；轮芯5和外接自转轴之间通过键联接。
电磁轮架和导磁盘可以采用软磁材料，包括软铁或玻莫合金(1J50)。
隔磁环可以采用非铁磁质材料，包括铝合金或不锈钢。
轮芯可以采用非铁磁质材料，包括铝合金或不锈钢。
电磁线圈所使用的电源为直流电源或方波交流电源。
图3为本发明的右视图，表明所述工具为圆盘状。
图4表示出了本发明的工作使用情况。本发明所需的电源为电刷供给。本发明抛光头9的旋转运动为公自转的复合运动，其中公转转速w1，自转转速w2，这样电刷就需要分别使用在公转和自转两个简单旋转运动位置处。通过公转电刷8，电源通过导线7可导过公转运动级，通过自转电刷6，电源通过导线7可到达抛光头转轴。在中心轴的一端钻上盲孔，这样电源即可顺利的抵达抛光头内的电磁线圈，用以产生抛光加工所需要的磁场。通电后，在抛光头外缘就存在了磁场分布，进入这个区域的磁流变抛光液10受到磁场的作用，被磁力吸附在抛光轮9上，同时，粘度和硬度也发生变化。抛光液与工件11表面接触，并跟随抛光轮在工件11表面产生相对运动，这样，就可以在工件11表面产生剪切力，达到材料去除的目的。通过计算机数控，抛光头在工件11表面以规划路径行进，就可以实现任意自由曲面的抛光加工。
权利要求
1.电磁方式磁流变抛光头，包括电磁轮架(1)、隔磁环(2)、电磁线圈(3)、导磁盘(4)和轮芯(5)，其特征在于所述抛光头为圆盘形，所述隔磁环(2)两侧有台阶，通过过盈配合安装在电磁轮架(1)和导磁盘(4)的外缘；所述电磁轮架(1)和导磁盘(4)与轮芯(5)通过过盈配合安装在一起；所述的电磁线圈(3)为盘状线圈，位于电磁轮架(1)和导磁盘(4)形成的空腔之中；所述轮芯(5)和外接自转轴之间通过键联接。
2.根据权利要求1所述的电磁方式磁流变抛光头，其特征在于所述的电磁轮架(1)和导磁盘(4)为软磁材料。
3.根据权利要求1所述的电磁方式磁流变抛光头，其特征在于所述的隔磁环(2)为非铁磁质材料。
4.根据权利要求1所述的电磁方式磁流变抛光头，其特征在于所述的轮芯(5)为非铁磁质材料。
全文摘要
电磁方式磁流变抛光头，属于精密曲面加工工具领域。为了解决现有磁流变抛光中的加工参数不灵活，抛光去除量不容易控制的缺点，本发明公开了一种电磁方式磁流变抛光头，包括电磁轮架、隔磁环、电磁线圈、导磁盘和轮芯，其特征在于所述抛光头为圆盘形，所述隔磁环两侧有台阶，通过过盈配合安装在电磁轮架和导磁盘的外缘；所述电磁轮架和导磁盘与轮芯通过过盈配合安装在一起；所述的电磁线圈为盘状线圈，位于电磁轮架和导磁盘形成的空腔之中；所述轮芯和外接自转轴之间通过键联接。本发明解决了现有技术中的问题，能够提供更灵活的抛光加工需要，并能够实现对抛光加工的有效控制。
文档编号B24B1/00GK1486821SQ0315399
公开日2004年4月7日 申请日期2003年8月22日 优先权日2003年8月22日
发明者冯之敬, 王飞, 张云 申请人:清华大学