一种多项运动叠加大磁路磁流变抛光装置的制作方法

本实用新型涉及抛光装置设备和工艺，特别是一种利用磁流变液对工件进行抛光的装置。

背景技术：

针对传统抛光方法存在的加工件外表面腐蚀容易造成亚表面损伤严重、抛光液污染、生产成本高、效率低和报废率高等系列问题，在超精密加工领域近几年出现了一种磁流变抛光工艺。它是通过在磁流变液中加入适量抛光微粉，利用磁流变液在磁特征下类固化，在加工区域形成有一定硬度和弹性、能承受较大剪切应力，对工件进行抛光。磁流变抛光作为新型智能抛光技术具有能够获得质量很高的光学表面、易于实现计算机控制、能够得到比较复杂的面形、去除效率高、不存在刀具磨损和堵塞现象等优点，在超精密加工领域具有极高的应用价值。该工艺现已被广泛应用于航空航天、机电工程、汽车工程、土木工程、精密加工工程、控制工程和医疗设备等技术领域。

磁流变抛光装置由抛光头、抛光盘、产生磁场的磁铁(永磁铁或电磁铁)和磁流变液组成，被抛光工件有的置于抛光头上，有的置于抛光盘中，形式多样。

现有的磁流变装置，大都不同程度地存在三个影响工件加工质量的技术问题：一是磁路覆盖范围小，且磁场不均匀，使加工件表面的微观纹理均匀性不理想；二是抛光装置运动干涉叠加较少，工件表面形成的微观纹理轨迹单一；三是因磁场在平行于抛光表面的方向上不能移动，磁流变液在抛光加工区内交换不畅，使加工碎屑不能及时排出，导致抛光表面完整性差。

ZL96198445.7专利披露了一种确定性磁流变精加工装置与方法，它是将工件安装在载液表面附近，载液带动磁流变引入工件与载液间隙处，在磁场作用下发生磁流变反应，实现确定性抛光。该方法为点接触式抛光，是将工件表面与磁流变液接触部分的材料去除，其缺点是：磁通密度在磁极表面垂直的方向上衰减较快，磁路覆盖范围小，磁流变液固化后形成的抛光工具硬度不均匀，加工效果欠佳，用于抛光加工面较大的工件效率低。

ZL201410528441.9专利披露了一种磁流变抛光装置与方法，该方法利用安装在往复机构中电磁铁的往复运动与抛光头中工件的自转运动相互叠加，实现复合运动下工件表面材料的去除。该方法实现了工件狭长大平面表面研抛加工，而且工件抛光区磁流变固液交换循环顺畅，加工碎屑能及时排出。但因工件抛光有效区运动干涉叠加仍较少(只有电磁铁的往复运动和工件的自转运动相互叠加)和工件中心区线速度小(中点速度为零)等原因，材料去除效果仍不够理想。

ZL200620155638.3专利披露了一种磁流变效应平面研磨抛光装置，它是将多个工件分别安装在做回转运动的工作台上；可绕中心轴转动的点阵式磁性研磨工具(抛光头)安装在工件的上方，并通过X向进给系统调整其横向位置使其与被加工工件相对应，通过Y向进给系统调整其与工件间的间隙；利用研磨液喷嘴向研磨工具和工件之间加注研磨液，对分布在工作台上回转运动的工件巡回研磨抛光。该方法采取的是面接触式抛光，虽然具有磁路覆盖范围大，加工效率高(同时加工多个工件)的优点，但也存在缺点：因在工件抛光有效区只有工作台自转和研磨工具自转(研磨工具在调好X向位置后只是自转，并不往复运动)两种运动的干涉叠加，加上各个工件在回转工作台上做回转运动的线速度不等原因，使研磨去除率不够均匀，易形成加工表面微观纹理轨迹单一和表面均化性差等缺陷。

ZL201210304530.6专利披露了一种集群磁流变平面抛光加工技术，它是利用集群微磨头的即效固化特征，在抛光装置中变单一磁体为多个微磁柱体，将其嵌于非导磁基体中，利用磁极的排布方式、尺寸等参数变化影响微磨头的材料去除效率。该方法(集群磁流变)形成的宾汉姆体为大面积板状结构，磁路大范围覆盖工件抛光区，但磁流变液在抛光加工区内固液交换不畅，工件加工碎屑容易残留在宾汉姆板表面，不能排出，影响工件的抛光质量。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的技术问题，本实用新型的目的是提供一种磁路覆盖范围大、磁场均化性好、工件抛光有效区受多项运动干涉叠加、抛光区磁流变液便于更新的多项运动叠加大磁路磁流变抛光装置。

本实用新型提供的多项运动叠加大磁路磁流变抛光装置包括机架、抛光头和抛光盘，抛光盘中有磁流变液；

所述机架由基台、立在基台上的支撑柱和安装在支撑柱上部的工作台组成；所述抛光头由转轴、安装在转轴下端的夹具和置于夹具中的磁铁构成，并由安装在工作台上的抛光头传动机构驱动在绕轴向转动的同时水平往复运动；所述抛光盘位于抛光头的下部，由安装在抛光盘电机箱中的抛光盘电机驱动绕轴向转动，并通过安装在所述基台上的升降台调整抛光盘与紧固于所述夹具中的工件之间的间隙。

所述抛光头传动机构包括抛光头电机箱、安装在抛光头电机箱中驱动抛光头转动的抛光头电机、铺设在工作台上的滑块导轨和安装在工作台抛光头电机箱侧部的往复传动电机，往复传动电机通过偏心轮驱动抛光头电机箱沿滑块导轨水平往复运动，带动抛光头水平往复运动。

利用上述多项运动叠加大磁路磁流变抛光装置进行抛光的方法，包括以下步骤：

(1)选择磁通密度大的磁铁置于抛光头的夹具的上部，利用套圈将工件紧固在抛光头的夹具的下部，并使工件待抛光面高出夹具的底面，通过升降台调整抛光盘的上下位置，使工件待抛光面与抛光盘之间的间隙为设定值，然后在抛光盘中注入磁流变液；

(2)启动抛光头电机，驱动抛光头转动，带动夹具、磁铁和工件同步转动；

(3)启动往复传动电机，通过偏心轮转动使抛光头电机箱、夹具、磁铁和工件一起水平往复运动；

(4)启动抛光盘电机，驱动抛光盘转动，使工件在多项运动干涉叠加条件下进行表面抛光；

(5)抛光结束，关停抛光头电机、抛光盘电机和往复传动电机，通过升降台调整抛光头与抛光盘的间隙，使工件离开磁流变液，然后将工件从夹具上卸下。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型在整个抛光过程中由于磁铁与工件同步运动，磁铁可以产生足够大的磁路来覆盖工件有效抛光区，形成大面积的磁流变宾汉姆体，使工件的有效抛光区全部嵌于磁流变宾汉姆体中(见图4)，磁路范围大，磁场均化性好，可使工件得到大范围研抛，抛光充分，工件材料去除明显。

2、通过工件自转和往复两种运动与抛光盘自转三项运动的相互叠加，运动干涉充分，使工件加工表面形成的微观纹理轨迹复杂，抛光表面质量完整。

3、工件和磁铁在转动的同时做往复运动，抛光盘中的磁流变液宾汉姆体随之同步移动，避免了单一位置磁流变液反复固液变换，使得工件的有效抛光区宾汉姆体不断补充更新，便于加工碎屑跟随转为液相的磁流变液离开工件抛光区，提高工件的抛光质量。

4.本实用新型磁流变抛光装置结构简单、紧凑，易于操作。

附图说明

图1为本实用新型磁流变抛光装置的三维结构图；

图2为图1中抛光头传动机构的三维结构图；

图3为本实用新型工件抛光三维示意图；

图4为本实用新型抛光原理示意图。

图中：1-抛光头电机箱，2-偏心轮，3-往复传动电机，4-滑块导轨，5-工作台，6-转轴， 7-夹具，8-磁铁，9-套圈，10-工件，11-磁流变液，12-抛光盘，13-抛光盘电机箱，14-升降台， 15-支撑柱，16-基台。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型磁流变抛光装置包括机架、抛光头和抛光盘12。

所述机架由基台16、立在基台上的四根支撑柱15和安装在支撑柱上部的工作台5组成。

结合图1、图3和图4，所述抛光头由转轴6、通过螺钉与转轴下端固定连接的夹具7和置于夹具上部的磁铁8构成，因磁通密度会受到磁铁与有效抛光区之间距离衰减的影响，故磁铁选用强磁材料，以保证加工有效区的磁通密度足够大，转轴、夹具和抛光盘均采用非导磁材料制成，避免与磁铁发生磁路影响。抛光头由安装在工作台上的抛光头传动机构驱动在绕轴向转动的同时水平往复运动。如图2所示，抛光头传动机构由位于工作台上部的抛光头电机箱1、安装在抛光头电机箱中驱动抛光头转动的抛光头电机、铺设在工作台上的滑块导轨4和安装在工作台抛光头电机箱侧部的往复传动电机3组成。其中电机箱由通过螺钉固紧的六片围板构成，内部安装驱动抛光头转动的抛光头电机(未图示)。在抛光头电机箱的一个侧壁上开设椭圆形孔，与偏心轮2配合形成封闭式结构，通过安装在工作台上的往复传动电机驱动偏心轮转动，使抛光头电机箱沿滑块导轨水平往复运动，带动绕轴向转动的抛光头同时做水平往复运动。

如图1所示，所述抛光盘位于抛光头的下部，抛光盘中有磁流变液11。抛光盘由安装在抛光盘电机箱13中的抛光盘电机通过联轴器和抛光盘转轴(未图示)驱动可绕轴向转动，抛光盘电机箱坐落在用手轮控制的升降台14的上部，升降台安装在基台16上，通过控制升降台的上下高度可调整抛光盘与紧固于所述抛光头夹具中的工件10之间的间隙。

利用上述磁流变抛光装置进行抛光的实施例

本实施例为利用上述磁流变抛光装置对半径r＝20mm、厚度h＝6mm、预加工后表面粗糙 Ra＝240nm的K9光学玻璃(下称工件)表面研抛加工，按以下步骤进行：

(1)把磁通密度为3000Gs的磁铁固定安装在夹具的上部，并用转轴与夹具螺钉固紧，密封磁铁；用套圈9与工件配合，利用顶丝将其固定安装在夹具的下部，并使工件底面高出夹具的底面，保证工件可以全面研抛；转动升降台的手轮，调整抛光盘与工件底面的间隙为 1mm，然后向抛光盘内注磁流变液；

(2)调整偏心轮的偏心距，使电磁铁往复移动行程为180mm；

(3)启动抛光头电机，驱动转轴转动，调节电机转速，带动夹具、磁铁和工件以 n₁＝150r/min一起转动；

(4)启动往复传动电机，驱动偏心轮转动，调节电机转速，带动抛光头电机箱、夹具、磁铁和工件以v＝50mm/s一起水平往复运动；

(5)启动抛光盘电机，驱动抛光盘转动，调节电机转速，使抛光盘以n₂＝100r/min转动；

(6)在多项运动干涉叠加作用下，对工件抛光30分钟，完成工件表面材料的去除；

(7)抛光结束，关停抛光头电机、抛光盘电机和往复传动电机，抛光头和抛光盘停止运转，转动升降台手轮，扩大抛光盘与抛光盘间距，使工件离开磁流变液，从夹具上卸下。

经过上述步骤抛光后的K9光学玻璃，经检测，其抛光表面材料去除率MRR＝0.362mg/min，材料去除率较高；光学玻璃的表面粗糙度Ra＝46nm，表面粗糙度得到显著降低，且沿抛光表面任意方向测量的表面粗糙度数值基本一致；表面微观纹理均化特性较好，抛光质量较高。