用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，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，抛光轮自转轴上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。本发明专利技术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。

Magneto-solid Rheological Effect Polishing Device and Method for Thin-walled Profiled Surface

【技术实现步骤摘要】
用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法
本专利技术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。
技术介绍
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专利技术出来，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。但该专利技术只适用于叶片、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，该专利技术存在以下几个方面的限制：(1)该专利技术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，该专利技术无法满足腔体类异形曲面的抛光加工需求；(2)该专利技术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，如果该专利技术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)该专利技术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)该专利技术在实际抛光过程中，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.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)，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.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)，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置，其特征在于，所述抛光液(7)内含有磨粒(9)，抛光液(7)的含水率大于或等于80％。6.根据权利要求5所述的用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文，张云飞，李凯隆，张建飞，陈立，郑永成，周涛，田东，樊炜，陈玉川，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51