用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法与流程

本发明涉及高精度抛光领域，具体涉及用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法。

背景技术：

薄壁异形曲面是重大光学工程和国防武器系统中的一类重要元器件，正在朝尺寸小型化、形状复杂化、材料特殊化、表面无损化等方向发展，其超精密加工难度较大，已成为我国科学技术发展的瓶颈。例如，金刚石膜头罩是我国长波红外远程空空导弹中的关键部件，采用超硬材料和高陡度非球面结构设计，要求达到亚微米级面形精度和纳米级表面粗糙度；半球谐振子是我国第三代惯性导航仪—半球谐振陀螺仪中的关键器件，采用狭小深腔异形曲面结构设计，要求内外表面达到亚微米级面形精度以及近无损伤表面完整性，目前超精密加工精度和效率远远满足不了我国国防发展需要。

在重大光学工程和国防科技的需求牵引下，基于化学-机械作用、高能物理作用等材料可控去除机理多种高确定性抛光技术被发明出来，如数控小工具、气囊、磁流变、射流等抛光技术，大大提高了大口径平面、球面、非球面以及自由曲面的超精密加工精度和效率。但对于薄壁异性曲面的加工，已有的这些加工方法并不能完全满足加工需求，例如，数控小工具、气囊抛光方法是典型的摩擦剪切类的抛光方法，较大的正压力是获得较高去除率的前提，在抛光工具较大的压力和高频旋转运动影响下，薄壁曲面将承受压力、振动的作用而产生形变，甚至碎裂；同时，亚表面缺陷会不断扩展，影响表面、亚表面损伤的去除能力。水射流、磁射流等抛光技术是典型的利用冲蚀剪切去除原理实现工件材料去除的抛光方法。抛光工具的去除率较低，去除函数在小尺度范围内呈“w”形状，且存在一定的曲率效应，影响光学元件表面抛光的收敛效率。磁流变抛光技术是一种通过磁场调控抛光缎带柔性的方法，通过流体效应剪切实现材料的去除，抛光时正压力很小，不会导致薄壁异形曲面发生变形，同时剪切去除的方式不会带来亚表面损伤和缺陷，但是一方面对于材质较硬、化学性质不活泼的材料，抛光工具的去除效率偏低，且磁流变抛光液中磁性颗粒易团聚、沉降，影响去除效率稳定性；另一方面，传统的磁流变抛光装置结构复杂，抛光头工具既包括抛光液循环装置又包括磁场发生装置，为抛光工具的小型化带来困难，同时抛光头公转难以实现，非对称去除函数形状影响了面形的收敛效率，限制其在薄壁异形曲面加工过程的进一步扩展应用。

磁流变弹性体是一种新型的磁流变智能材料，它是以高分子聚合物为基体，混合有磁性颗粒。铁磁颗粒之间的相互作用力大小受到外界磁场大小的控制，从微观铁磁颗粒之间的相互作用力到材料自身宏观粘弹特性、柔性等表现特性，具有磁场响应迅速、可逆且稳定性好、颗粒不易沉降等材料特性优势。

磁流变弹性体在叶片叶轮类零件抛光领域已经有了初步的应用，在专利“一种基于磁流变弹性体的抛光方法与装置”(cn103447890b)中，采用混有磨粒、高分子聚合物和铁磁性颗粒的磁流变弹性体作为抛光材料，通过控制磁场强度从而控制磁流变弹性体的机械性能，工具头自转并与被加工表面接触，实现材料的去除。但该发明只适用于叶片、叶轮等机械零部件的抛光，针对各种类型的薄壁异形曲面以及光学元件的高效率、高精度加工，该发明存在以下几个方面的限制：

(1)该发明的加工方式类似于小工具抛光原理，抛光工具必须与被加工区域垂直以实现法向加工，保持接触区域受力均匀，保持去除率稳定；因此受工艺原理以及工具结构限制，该发明无法满足腔体类异形曲面的抛光加工需求；

(2)该发明的加工方式主要是通过对磁流变弹性体抛光工具施加被加工区域法线方向的载荷来实现材料的去除，因为工具尺寸很小，在自转运动下中心速度为零并随径向方向逐渐增大，剪切力的分布与速度大小有关，如果该发明通过对磨粒施加剪切力来实现材料的去除就会出现工具中心区域没有材料去除的情况，去除函数形状无法满足高精度加工要求。而若通过对抛光工具施加正压力以实现材料去除的加工方式，其本质上是其磁流变弹性体磨头内的磨粒被压入材料表面，产生裂纹、扩张、破损的去除模式，这种抛光方式难以满足光学元件高质量高精度表面的要求；同时针对薄壁异形曲面，正压力作用下曲面可能发生变形、破碎，直接导致加工无法进行。

(3)该发明将磨料固结在磁流变弹性体材料之中，其本质上与砂轮磨削、固结磨料研磨的二体去除机理一致，很难控制材料在塑形域实现去除，难以满足光学元件表面质量要求。同时，抛光过程中弹性体表面的磨料不断发生剥落，而弹性体基底层磨损情况受弹性体硬度的变化以及加工条件不确定的影响难以控制，磨粒无法及时更新，影响去除的稳定性。

(4)该发明在实际抛光过程中，工具高速转动会产生大量的热量，缺乏液体冷却会导致表面出现烧伤，加工碎屑无法及时被带走，使表面质量出现恶化。同时，缺乏液体润滑效应会导致工具磨损严重，影响工件表面质量和工具的使用寿命。

综上所述，现有技术中还没有运用磁流变弹性体来对薄壁异形曲面进行高精度抛光的技术方案。现有磁流变抛光方法存在的材料去除效率偏低、抛光液中的磁性颗粒易发生沉降、抛光工具小型化困难以及针对磁流变弹性体的应用探索不足等问题，限制了其在薄壁异形曲面加工过程中进一步的扩展应用，急需寻求一种新的工艺克服现存的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，以解决现有技术中磁流变抛光技术无法应用于薄壁异形曲面的高精度抛光领域的问题，实现将磁流变抛光技术有效应用到光学元件薄壁异形曲面抛光中的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，包括抛光轮、能够带动所述抛光轮转动的公转轴，还包括能够带动所述抛光轮转动的自转轴，所述自转轴与公转轴的轴线相互垂直，所述抛光轮内部中空，抛光轮外表面包覆磁流变弹性体，抛光轮内部设置相对位置可调的永磁铁；还包括用于喷出抛光液的供液管道，抛光液喷射在磁流变弹性体与被加工工件之间。

针对现有技术中磁流变抛光技术无法应用于薄壁异形曲面的高精度抛光的问题，本发明首先提出用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，包括抛光轮、能够带动所述抛光轮转动的自转轴，以上属于现有技术。本发明还包括能够带动抛光轮进行转动的公转轴，由于自转轴与公转轴的轴线相互垂直，因此自转轴对抛光轮的驱动与公转轴对抛光轮的驱动是相互独立互不干扰的。抛光轮内部中空，抛光轮外表面包覆磁流变弹性体，因此随着抛光轮的转动，磁流变弹性体也随之进行转动。永磁铁位于中空的抛光轮的内部，永磁铁的磁场相对磁流变弹性体可调，本领域技术人员可以通过任意现有技术来调整永磁铁的相对位置，进而调整磁场。还包括用于喷出抛光液的供液管道，抛光液喷射在磁流变弹性体与被加工工件之间。本方法是利用磁流变弹性体中的磁性颗粒在磁场作用下产生磁致固态流变效应，柔性缎带裹挟磨粒与工件发生相对运动，相比于传统磁流变抛光，固态流变效应形成的柔性缎带能够提供更大的剪切力，从而提高磨粒对材料的剪切去除效率。通过磁流变弹性体代替传统的磁流变抛光液，一方面，有利于克服传统磁流变抛光面临的抛光液中磁性颗粒聚焦沉降，从而影响使用性能的问题；另一方面，工具在结构上省去了磁流变抛光液循环装置，有利于磁流变抛光工具的轻量化，并且通过永磁铁来提供磁场，有利于装置小型化，同时可实现工具公转运动，使去除函数呈旋转对称的形状，有利于实现薄壁异形曲面的高效率、高精度加工。

所述永磁铁为两块，两块永磁铁均通过螺纹连接安装于自转轴上，永磁铁作用在抛光轮工作端的磁场强度通过调节两块永磁铁之间的间距来控制。所述两块永磁体以一定间距对称固定于自转轴上，随着自转轴转动，可通过改变两块永磁体的间距来调整作用在抛光轮表面磁流变弹性体上的磁场强度的大小。从而使得磁流变弹性体在永磁铁磁场的控制下发生磁致固态流变效应改变弹性体的粘弹性和柔性，弹性体夹持抛光液中的磨粒与工件接触并发生相对运动。

进一步的，所述磁流变弹性体由基体、分布在基体中的磁性颗粒组成。

所述基体为高分子聚合物，所述磁性颗粒为颗粒大小为1～200μm的羰基铁粉。

所述抛光液内含有磨粒，抛光液的含水率为大于或等于80％。

与现有的磁流变弹性体抛光技术相比，本申请的磁流变弹性体中不含磨粒，通过抛光液提供磨粒，加工过程材料满足三体去除机理，更容易实现纳米级材料去除，获得高质量的表面。同时，抛光液中水分含量远大于传统磁流变抛光液含水率，润滑及冷却效果更加理想，而水分含量的增大还会促使加工过程中材料与水的水合反应速率增大，形成更加易于去除的水合层，提高材料去除效率。

所述磨粒为氧化铈、氧化铝、金刚石或其他典型抛光磨粒。

用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光方法，包括以下步骤：

(a)在抛光轮外表面包覆磁流变弹性体，在抛光轮内部设置永磁铁，将抛光轮与被加工工件的薄壁异形曲面保持一定间距，使磁场作用下的磁流变弹性体形成的柔性缎带与被加工工件表面接触，接触深度为0.1～1mm；

(b)转动抛光轮，调节永磁铁作用在抛光轮工作端的磁场强度；通过供液管道向磁流变弹性体与被加工工件之间持续喷射抛光液；抛光轮转动过程中磁流变弹性体形成的柔性缎带带动抛光液中的磨粒与工件发生相对运动。

本方法是基于剪切机理来对工件表面进行抛光，与现有技术中通过抛光工具向工件施加正压力的抛光方法而言，抛光机理完全不同，能够满足光学元件高质量高精度表面的要求；同时针对薄壁异形曲面，正压力作用下曲面可能发生变形、破碎，直接导致加工无法进行，本方法完全克服了这些缺陷，磁流变弹性体中的磁性颗粒在磁场作用下产生固态流变效应，柔性缎带裹挟磨粒与工件发生相对运动，相比于传统磁流变抛光，固态流变效应形成的柔性缎带能够提供更大的剪切力，从而提高磨粒对材料的剪切去除效率。本方法在加工过程中可通过控制抛光轮中永磁铁的位置及柔性缎带与工件的接触深度、抛光液浓度、抛光液供给压力、加工点的驻留时间及运动轨迹来改变材料去除量，控制被加工表面的面形精度和表面质量，实现薄壁异形曲面的精密抛光工艺。其中抛光轮可独立在自转轴带动下运动，也可在自转及公转轴协同带动下运动。

所述永磁铁固定于自转轴上，通过改变两块永磁铁的间距来控制永磁铁的磁场变化。

所述磁流变弹性体由基体、分布在基体中的磁性颗粒组成；所述抛光液内含有磨粒，抛光液的含水率为大于或等于80％；所述抛光液的供给压力范围为0.1～1mpa。

所述抛光轮的外径为10～400mm。可满足不同曲率曲面的加工需求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，利用磁流变弹性体中的磁性颗粒在磁场作用下产生固态流变效应，柔性缎带裹挟磨粒与工件发生相对运动，相比于传统磁流变抛光，固态流变效应形成的柔性缎带能够提供更大的剪切力，从而提高磨粒对材料的剪切去除效率。

2、本发明用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，通过磁流变弹性体代替传统的磁流变抛光液，一方面，有利于克服传统磁流变抛光面临的抛光液中磁性颗粒团聚、沉降，从而影响使用性能的问题；另一方面，工具在结构上省去了磁流变抛光液循环装置，有利于磁流变抛光工具的轻量化、小型化，同时可实现工具自转或自转加公转运动，使去除函数呈旋转对称的形状，有利于实现薄壁异形曲面的高效率、高精度加工。

3、本发明用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，磁流变弹性体中不含磨粒，通过抛光液提供磨粒，加工过程材料满足三体去除机理，更容易实现纳米级的材料去除，获得高质量的表面。同时，抛光液中水分含量远大于传统磁流变抛光液，润滑及冷却效果更加理想，而水分含量的增大还会促使加工过程中材料与水的水合反应速率增大，形成更加易于去除的水合层，提高材料去除效率。

4、本发明用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，轮式结构抛光原理无需满足法向加工的要求，因为磁场控制下的磁流变弹性体均匀分布于抛光轮圆周表面，从中心到被加工区域相当于增加了一个摆动轴，材料又是通过抛光缎带的剪切力实现去除，因此，只要保证抛光轮与被加工区域的接触间隙大小，被加工区域与抛光轮圆周上任意部分接触都能够保证材料去除的稳定性，能够完全满足深腔类曲面等多种类型的薄壁异形曲面的加工要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的结构示意图；

图2为图1中a处的局部放大图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-公转轴，2-自转轴，3-抛光轮，4-磁流变弹性体，5-永磁铁，6-供液管道，7-抛光液，8-磁性颗粒，9-磨粒，10-被加工工件，11-磁感线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1与图2所示的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，包括抛光轮3、能够带动所述抛光轮3转动的公转轴1，还包括能够带动所述抛光轮3转动的自转轴2，所述自转轴2与公转轴1的轴线相互垂直，所述抛光轮3内部中空，抛光轮3外表面包覆磁流变弹性体4，抛光轮3内部设置磁场相对磁流变弹性体4可调的永磁铁5；还包括用于喷出抛光液7的供液管道6，抛光液7喷射在磁流变弹性体4与被加工工件10之间。其中磁流变弹性体中不含磨粒，通过抛光液提供磨粒。

实施例2：

如图1与图2所示的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，在实施例1的基础上，所述永磁铁5为两块，两块永磁铁5均通过螺纹连接安装于自转轴2上，永磁铁5作用在抛光轮3工作端的磁场强度通过调节两块永磁铁5之间的间距来控制。所述磁流变弹性体4由基体、分布在基体中的磁性颗粒8组成。所述基体为高分子聚合物，所述磁性颗粒8为颗粒大小为1～200μm的羰基铁粉。所述抛光液7内含有磨粒9，抛光液7的含水率为大于或等于80％。所述磨粒9为氧化铈、氧化铝、金刚石中的一种或多种。

本实施例中两块永磁铁5之间的相对位置的调整方式为：两块永磁铁5通过螺纹连接安装在自转轴2上，在开始加工前，通过任意现有驱动方式实现以螺纹连接的永磁铁与自转轴之间相对位置的改变，从而对磁场进行调整；在调整到位后，即可保持永磁铁5与自转轴2的相对固定，开始转动抛光轮进行作业。即是，本实施例中的磁场调节是在加工之前、抛光轮不转动时，改变两块磁铁在螺纹轴上的相对位置即可。其中对于通过螺纹套设在自转轴2上的永磁铁2而言，螺纹连接状态下进行位置调整对于本领域技术人员均可实现，如通过任意驱动机构或装置进行临时的驱动即可，其具体调整方式与本申请的保护范围无关。甚至可以内置带电源的电磁铁，通过调整电流大小来改变磁场强度。

用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光方法，包括以下步骤：

(a)在抛光轮3外表面包覆磁流变弹性体4，在抛光轮3内部设置永磁铁5，将抛光轮3与被加工工件10的薄壁异形曲面保持一定间距，使磁场作用下的磁流变弹性体4形成的柔性缎带与被加工工件10表面接触，接触深度为0.1～1mm；

(b)转动抛光轮3，调节永磁铁5作用在抛光轮3工作端的磁场强度；通过供液管道6向磁流变弹性体4与被加工工件10之间持续喷射抛光液7；抛光轮3转动过程中磁流变弹性体4形成的柔性缎带带动抛光液7中的磨粒与工件10发生相对运动。

实施例3：

一种基于弹性体磁致固态流变效应的抛光方法所用的装置主要有：公转轴、自转轴、抛光轮、磁流变弹性体、永磁铁、供液管、抛光液。永磁铁5布置于中空抛光轮3之中，基体含有磁性颗粒8的磁流变弹性体4套在抛光轮3表面，抛光轮3安装在自转轴2上，自转轴2装在公转轴1上，供液管6提供含有磨粒9的抛光液7，抛光轮3与工件10保持一定的距离。

本实施例结合磁流变抛光方法和弹性体磁致固态流变效应的原理，利用永磁铁5产生磁场11控制磁流变弹性体4中的磁性颗粒8的分布及排布形式，从而改变磁流变弹性体4的柔性、剪切模量及其他力学性能。供液管6喷射含有磨粒9的抛光液7在弹性体4与工件10之间，抛光轮3在自转轴2及公转轴1旋转带动下与工件发生相对运动，调节两块永磁铁5在自转轴2上的位置进而控制磁流变弹性体4与工件10之间的磁场强度的大小，从而控制抛光轮3与工件10之间磁流变弹性体4所形成的柔性缎带的柔性，与工件10接触的柔性缎带裹挟磨粒9实现表面材料的高效率剪切去除。

本实施例采用的磁流变弹性体的基体材料可为硅橡胶、聚氨酯等多种高分子聚合物，基体中磁性颗粒选用羰基铁粉，其颗粒的大小为1-200μm，可根据应用需求选择合适的弹性体材料。

本实施例中抛光轮的大小可根据被加工曲面的曲率进行选择，直径范围为10-400mm，可满足不同曲率曲面的加工需求。

本实施例中在磁场作用下磁流变弹性体形成的柔性缎带与工件的接触深度在0.1mm～1mm之间，磨粒通过剪切运动实现材料的去除。

本实施例中将预先配制好的抛光液以一定的压力注入柔性缎带与工件接触区域，抛光液中抛光可以为氧化铈、氧化铝、氧化硅或纳米金刚石颗粒，抛光液的供给压力范围为：0.1-1mpa。

本实施例在加工过程中可通过控制抛光轮中永磁铁的位置及柔性缎带与工件的接触深度、抛光液浓度、抛光液供给压力、加工点的驻留时间及运动轨迹来材料去除量，从而控制加工区域面形精度和粗糙度，实现薄壁异形曲面的精密抛光工艺。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。