专利名称：一种电磁耦合式场致流变抛光工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁耦合式场致流变抛光工具，属于精密光学加工技术领域。
背景技术：
随着光电信息技术的发展，微小型非球面的光学元件已经开始广泛应用于现代各 种光电产品、图像处理产品，如高品质数码相机的光学镜片、电子显微镜镜片、摄像机的取 景器、变焦系统、医疗行业的眼底镜、内窥镜片等等。与光学球面元件相比，非球面元件在改 善像质、简化系统结构、减少系统中元件数量进而减轻系统重量等方面具有不可替代的优 势。传统的光学加工方法通常采用沥青充当磨料，这对加工出来的光学元件容易造成工件 的亚表面破坏层与变质层，制约了其在先进光学系统中的应用。近二十多年来，随着光学 仪器设备的不断现代化与智能化，对非球面零件的需求不断增加，对其表面形状及表面精
度也提出了更高的要求，这同时促进了抛光技术的不断发展以及抛光工具的不断改革与完善。 电磁耦合式场致流变抛光是一门结合电流变，磁流变抛光技术的新型加工方法。 根据电磁流变液体的"协同效应"，电磁流变液在电场、磁场两个场方向不同组合的共同作 用下，得到电流变和磁流变效应的叠加效果，且具有高于单独作用效应的总和。当电场、磁 场同方向平行作用时，在场作用方向上有很强的场流变效应，能很快提高粘度；当电场、磁 场方向垂直交叉作用时，粒子成网状分布，综合了磁流变效应剪切屈服强度高和电流变响 应速度快的优点。 但电流变抛光工具的设计难度大，目前所使用的电流变抛光工具存在安全性较 低、去除效率慢等问题，而且一般磁流变抛光工具头过大，无法加工小尺寸工件。现有的电 磁耦合式场致流变抛光工具中抛光头的正负极分离，并有电磁组合单一、影响抛光效果的 缺陷，实际操作中急需一种结构精巧、抛光效果好、安全系数高，且能加工小尺寸工件的电 磁耦合式场致流变抛光工具。
发明内容
本发明的目的是为了解决电流变抛光过程中所使用的工具正负电极一体化难度 大、材料去除效率低以及磁流变抛光工具头过大而无法加工小尺寸工件的问题，提供了一 种点接触式、集成电极以及电磁流变于一体的电磁耦合式场致流变抛光工具。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 本发明的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，由抛光装置及安装平台组成；其中 抛光装置包括自转电机、螺母、垫圈、支架、转接板、联轴器、连接杆、抛光轴、电磁线圈、圆环 绝缘帽、底座、绝缘垫圈、锥套、绝缘帽；连接关系为自转电机通过定位槽及螺钉固定在支 架上；抛光轴连接在联轴器上，在自转电机的带动下旋转；支架连接直流高压电源负端来 引入阴极，使得抛光轴为负极端；三根连接杆按正三角形分布并穿过支架螺孔与垫圈，同 时，连接杆下端穿过圆环绝缘帽以固定底座；锥套通过螺栓固定在底座上，底座连接直流高
4压电源正端来引入阳极，使得锥套为阳极端；抛光轴穿过底座中心通孔、电磁线圈、锥套中心通孔并垂直向下形成探针状凸出端；电磁线圈与直流低压电源相连产生磁场；在锥套与抛光轴间套入绝缘帽； 安装平台包括平移电机、支撑座、平移台、导轨、丝杆、三角架、金属片、导线通孔、
载物台、内六角螺栓；连接关系为平移电机固定在平移台上；平移台安装在支撑座上；利
用三角架及内六角螺栓使载物台与支撑座垂直固定；载物台上侧掏圆形小凹槽放置金属
片，载物台右侧开小导线通孔为金属片引入电源线。 抛光装置的支架通过转接板与安装平台的导轨固定成一体。 所述抛光装置的电磁线圈外环附有绝缘纸片，电磁线圈的输入端与直流低压电源相连产生环绕磁场，且电磁线圈紧密镶嵌在锥套中；抛光轴从电磁线圈中心通过，两者之间不发生接触。 所述抛光轴的锥状抛光头为锯齿状，以增大旋转时对抛光液的附着力。 所述抛光头与绝缘套紧密滑动接触，以保证抛光轴的稳定无摆动旋转。 所述抛光轴、金属片为铁磁性材料制成，外加直流低压时，电磁线圈与抛光轴构成
电磁铁致使磁场加强，抛光轴充当阴极及磁极；当抛光轴靠近放置在金属片上的工件时，金
属片被磁化，呈现为另一端磁极。 所述抛光装置的底座、锥套由非铁磁质金属材料制成；锥套在底端开多个通孔，使更多的磁力线穿透用于增强抛光头的磁场。 所述抛光装置的圆环绝缘帽、绝缘垫圈为硬质绝缘材料，使得带负极的连接杆与带正极的底座隔离。 所述安装平台的载物台为硬质非导体材料，上侧掏小圆槽放置金属片，右侧开小导线通孔为金属片引入电源导线。 所述电磁耦合式场致流变抛光方法为基于电流变、磁流变效应，利用铁磁性材料充当抛光轴，当给电磁线圈施加直流低压时，抛光轴被磁化，与电磁线圈构成电磁铁，在抛光轴的尖端附近产生垂直分布的磁场；当在锥套、抛光轴两端施加直流高压时，提供水平方向的电场，使得抛光头附近得到交叉场；当在金属片、抛光轴上施加直流高压时，得到垂直方向的电场，使得抛光头附近为平行场；电磁流变液在外加电、磁场的作用下发生流变效应，液体颗粒成链状分布并集中附在抛光头附近，形成一种"小尺寸柔性液体抛光头"，在自转电机的带动下，与工件表面接触并产生相对剪切运动，完成小口径非球面镜、异形镜、自由曲面镜的光滑抛光。 本发明的电磁耦合式场致流变抛光工具的工作流程为抛光轴由铁磁性材料制成，在电磁线圈上施加30V直流低压电源时，抛光轴被磁化，与电磁线圈构成电磁铁，在抛光轴的尖端附近产生垂直分布的磁场；若在锥套、抛光轴两端施加3000V的直流高压时，使得锥套充当阳极、抛光轴充当阴极，此时，作用距离为lmm的锥套和抛光轴之间产生水平方向的电场，这样，垂直方向的磁场与水平方向的电场在抛光头附近构成了交叉场；若在金属片、抛光轴上施加3000V的直流高压时，使得金属片充当阳极、抛光轴充当阴极，此时，作用距离为4mm的金属片、抛光轴之间能够得到垂直方向的电场，这样，磁场与电场在抛光头附近形成了平行场。电磁流变液在外加电、磁场的不同耦合方式下，致使电磁流变液发生流变效应，液体颗粒成链状分布并集中附在抛光头附近，形成一种"小尺寸柔性液体抛光头"，在自转电机的带动下，当"小尺寸柔性液体抛光头"与工件表面接触并发生相对剪切运动时，
即可完成工件表面的超光滑抛光。 有益效果 本发明的一种电磁耦合式场致流变抛光工具结构精巧、材料去除率快、安全性强、 同时加工区域不受限制，具有正负极集成，并且电场、磁场能进行垂直叠加耦合或平行叠加 耦合的特性，融合了电流变效应响应速度快，磁流变材料去除率高的优点，能实现光学元件 的超光滑、高精度制造，可对导体材料及非导体材料进行抛光，特别适用于小口径非球面 镜、异形镜、自由曲面镜的确定性加工。
图1为本发明一种电磁耦合式场致流变抛光工具的组成图；图2为本发明实施例的抛光装置基本结构正视图；图3为本发明实施例的抛光装置基本结构俯视图；图4为本发明实施例的安装平台示意图；图5为本发明实施例的抛光轴示意图；图6为本发明实施例的抛光头结构剖面示意图；图7为本发明实施例的锥套剖面示意图；图8为本发明实施例的电磁线圈产生磁场分布有限元仿真图；图9为本发明实施例的抛光头尖端电场平行分布有限元仿真图；图IO为本发明实施例的抛光头尖端电场垂直分布有限元仿真图；图中，l-自转电
机；2_螺母;3_垫圈；4_支架；5_转接板；6_联轴器；7_连接杆；8_抛光轴；9_电磁线圈；
10-圆环绝缘帽；ll-底座；12-绝缘垫圈；13-锥套；14_绝缘帽；15_螺栓；16_平移电机； 17-支撑座；18-平移台；19-导轨；20-丝杆；21-三角架；22-工件；23-金属片；24-导线 通孔；25-载物台；26-内六角螺栓。
具体实施例方式
为更好地说明本发明的目的及优点，以下结合实施例和附图对本发明做进一步的 说明。 如图1所示，本发明的电磁耦合式场致流变抛光工具由抛光装置及安装平台组 成。 如图2所示，本发明实施例中的抛光装置包括自转电机1、螺母2、垫圈3、支架4、 转接板5、联轴器6、连接杆7、抛光轴8、电磁线圈9、圆环绝缘帽10、底座11 、绝缘垫圈12、锥 套13、绝缘帽14。其连接关系为自转电机1通过定位槽及螺钉固定在支架4上；抛光轴8 连接在联轴器6上；支架4连接直流高压电源负端来引入阴极，使得抛光轴8为负极端；三 根连接杆7按正三角形分布并穿过支架4螺母2与垫圈3，同时，连接杆7下端穿过圆环绝 缘帽10固定底座11 ;锥套13通过内六角螺栓固定在底座11上，底座11连接直流高压电 源正端来引入阳极，使得锥套13为阳极端；抛光轴8穿过底座11中心通孔、电磁线圈9、锥
套13中心通孔并垂直向下形成探针状凸出端；电磁线圈9与直流低压电源相连产生磁场；
在锥套13与抛光轴8间套入结缘帽14。
6
圆环绝缘帽IO，绝缘垫圈12为聚四氟乙烯材料制成，使得带负极的连接杆7与带正极的底座11隔离。 如图4所示，本发明实施例中的安装平台包括平移电机16、支撑座17、平移台18、导轨19、丝杆20、三角架21、工件22、金属片23、导线通孔24、载物台25、内六角螺栓26。其
连接关系为平移电机16固定在平移台18上；平移台18安装在支撑座17上；利用三角架
21及内六角螺栓26使载物台25与支撑座17垂直固定；载物台25上侧掏圆形小凹槽放置金属片23，工件22置于金属片23上，载物台25右侧开小导线通孔24为金属片23引入电源线。 载物台25为硬质非导体材料，上侧掏小圆槽放置金属片23，右侧开小导线通孔24为金属片23引入电源导线。 如图5、6所示，抛光轴8采用铁磁性材料制造，外加低压直流电压后，在电磁线圈9内部产生磁场，抛光轴8被电磁线圈9磁化，在抛光轴8的锥状末端产生强磁场；抛光轴8的锥状末端为锯齿状，以增大旋转时对抛光液的附着力。 如图7所示，锥套13采用非铁磁质金属材料制造，在锥套13底端开四个通孔，使得更多的磁力线可以穿透并聚集于抛光轴8尖端。 图8为本发明的磁场分布特征的有限元仿真结果，由铁磁材料制成的抛光轴8被磁化后，磁场线方向与抛光轴8的轴向方向一致。 图9、10为本发明的平行电场及垂直电场分布特征的有限元仿真结果，在抛光轴8尖端电场线分布密集，其携带抛光液的能力最强。 采用本实施例所述的电磁耦合式场致流变抛光工具对K9玻璃材料进行抛光，其工作过程为抛光轴由铁磁性材料制成，在电磁线圈上施加30V直流低压电源时，抛光轴被磁化，与电磁线圈构成电磁铁，在抛光轴的尖端附近产生垂直分布的磁场；若采用电场、磁场垂直耦合的叠加方式进行抛光时，可在锥套、抛光轴两端施加3000V的直流高压时，并使得锥套充当阳极、抛光轴充当阴极，此时，作用距离为lmm的锥套和抛光轴之间产生水平方向的电场，这样，电场与磁场在抛光头附近进行叠加耦合构成了交叉场；若采用电场、磁场平行耦合的叠加方式进行抛光时，可在金属片、抛光轴上施加3000V的直流高压时，并使得金属片充当阳极、抛光轴充当阴极，此时，作用距离为4mm的金属片、抛光轴之间能够得到垂直方向的电场，这样，磁场与电场在抛光头附近进行叠加耦合构成了平行场。电磁流变液在外加电场、磁场的不同耦合方式下，致使电磁流变液发生流变效应，液体颗粒成链状分布并集中附在抛光头附近，形成一种"小尺寸柔性液体抛光头"，在自转电机的带动下，当"小尺寸柔性液体抛光头"与工件表面接触并发生相对剪切运动时，即可完成工件表面的超光滑抛光。电磁耦合式场致流变抛光工具具有正负极集成，并且电场、磁场能进行垂直叠加耦合或平行叠加耦合的特性，融合了电流变效应响应速度快，磁流变去除率高的优点，特别适用于小口径非球面镜、异形镜、自由曲面镜的确定性加工。
权利要求
一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于由抛光装置及安装平台组成；其中抛光装置包括自转电机、螺母、垫圈、支架、转接板、联轴器、连接杆、抛光轴、电磁线圈、圆环绝缘帽、底座、绝缘垫圈、锥套、绝缘帽；连接关系为自转电机通过定位槽及螺钉固定在支架上；抛光轴连接在联轴器上，在自转电机的带动下旋转；支架连接直流高压电源负端来引入阴极，使得抛光轴为负极端；三根连接杆按正三角形分布并穿过支架螺孔与垫圈，同时，连接杆下端穿过圆环绝缘帽以固定底座；锥套通过螺栓固定在底座上，底座连接直流高压电源正端来引入阳极，使得锥套为阳极端；抛光轴穿过底座中心通孔、电磁线圈、锥套中心通孔并垂直向下形成探针状凸出端；电磁线圈与直流低压电源相连产生磁场；在锥套与抛光轴间套入绝缘帽；安装平台包括平移电机、支撑座、平移台、导轨、丝杆、三角架、金属片、导线通孔、载物台、内六角螺栓；连接关系为平移电机固定在平移台上；平移台安装在支撑座上；利用三角架及内六角螺栓使载物台与支撑座垂直固定；载物台上侧掏圆形小凹槽放置金属片，载物台右侧开小导线通孔为金属片引入电源线。抛光装置的支架通过转接板与安装平台的导轨固定成一体。
2. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于抛光装置 的电磁线圈外环附有绝缘纸片，电磁线圈的输入端与直流低压电源相连产生环绕磁场，且 电磁线圈紧密镶嵌在锥套中；抛光轴从电磁线圈中心通过，两者不发生接触。
3. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于抛光轴的 锥状抛光头为锯齿状，以增大旋转时对抛光液的附着力。
4. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于抛光头与 绝缘套紧密滑动接触，以保证抛光轴的稳定无摆动旋转。
5. 根据权利要求l所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于抛光轴、金 属片为铁磁性材料制成。
6. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于外加直流 低压时，电磁线圈与抛光轴构成电磁铁致使磁场加强，抛光轴充当阴极及磁极；当抛光轴靠 近放置在金属片上的工件时，金属片被磁化，呈现为另一端磁极。
7. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于抛光装置 的底座，锥套由非铁磁质金属材料制成；锥套在底端开多个通孔，使更多的磁力线穿透用于 增强抛光头的磁场。
8. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于抛光装置 的圆环绝缘帽，绝缘垫圈为硬质绝缘材料，使得带负极的连接杆与带正极的底座隔离。
9. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于安装平台 的载物台为硬质非导体材料，上侧掏小圆槽放置金属片，右侧开小导线通孔为金属片引入 电源导线。
10. 根据权利要求1所述的一种电磁耦合式场致流变抛光工具，其特征在于该电磁耦 合式场致流变抛光方法为基于电流变、磁流变效应，利用铁磁性材料充当抛光轴，当给电 磁线圈施加直流低压时，抛光轴被磁化，与电磁线圈构成电磁铁，在抛光轴的尖端附近产生 垂直分布的磁场；当在锥套、抛光轴两端施加直流高压时，提供水平方向的电场，使得抛光 头附近得到交叉场；当在金属片、抛光轴上施加直流高压时，得到垂直方向的电场，使得抛光头附近为平行场；电磁流变液在外加电、磁场的作用下发生流变效应，液体颗粒成链状分布并集中附在抛光头附近，形成一种"小尺寸柔性液体抛光头"，在自转电机的带动下，与工件表面产生相对剪切运动，完成小口径非球面镜、异形镜、自由曲面镜的光滑抛光。
全文摘要
本发明属于精密光学加工技术领域，涉及一种电磁耦合式场致流变抛光工具。本发明基于电流变、磁流变效应，利用铁磁性材料充当抛光轴，当给电磁线圈施加直流低压时，抛光轴被磁化，与电磁线圈构成电磁铁，在抛光轴的尖端附近产生垂直分布的磁场；当在锥套、抛光轴两端施加直流高压时，可提供水平方向的电场，使得抛光头附近得到交叉场；当在金属片、抛光轴上施加直流高压时，得到垂直方向的电场，使抛光头附近得到平行场。电磁流变液在外加电、磁场的作用下发生流变效应，液体颗粒成链状分布并集中附在抛光头附近，形成“小尺寸柔性液体抛光头”，在电机的带动下与工件表面产生相对剪切运动，完成小口径非球面镜、异形镜、自由曲面镜的超光滑抛光。
文档编号B24B29/00GK101774151SQ20101010573
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月4日 优先权日2010年2月4日
发明者文永富, 程灏波, 钟显云 申请人:北京理工大学