一种基于光流变效应的变刚度磨具制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光流变效应的变刚度磨具，其特征是该磨具包含光源基体、变形层、光流变液和磨料层；光源基体能够发出特定波长的光；变形层由橡胶层、纤维织物层和金属织物层组成，有着良好的变形能力；光流变液被变形层和光源基体密封包覆，其粘弹性可根据光的波长的不同而产生相应变化；大量超硬磨料群粘接在变形层的外表面构成磨料层。磨具的刚度可调可控，其基本原理是利用光流变液的光流变效应，即光流变液的粘弹性在不同波长的光照下会发生改变，从而改变变形层的变形能力，进而改变磨具的刚度，因此磨具能够精准贴合有着自由曲面的硬脆材料工件以实现顺应性磨削，极大提高了磨削加工后工件形状精度，降低了工件的表面粗糙度。面粗糙度。面粗糙度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光流变效应的变刚度磨具


[0001]本专利技术涉及一种变刚度磨具，特别是一种基于光流变效应的变刚度磨具。

技术介绍

[0002]陶瓷等硬脆材料由于其优异的耐高温强度、抗氧化性和化学稳定性，在航空航天、国防军工，精密仪器等众多领域有着广泛的应用。随着相关领域技术的飞速发展，对于有着自由曲面硬脆材质零件的需求越来越大，特别是对自由曲面的表面加工质量要求也在不断提高。这种硬脆材质零件的自由曲面通常是采用磨削加工而成，而传统砂轮的磨削为刚性磨削，在加工自由曲面硬脆材料的过程中，无法在去除材料的同时保证工件原有的形状精度，因此难以加工出有着高形状精度和低表面粗糙度的自由曲面硬脆材质零件，且加工难度大、效率低、成本高。
[0003]为了提高自由曲面硬脆材料的表面加工质量，公开号为CN108161588B的专利“一种基于光流变材料的抛光方法与装置”，提出将磨料与光流变液混合配置成光流变抛光体直接对工件进行抛光加工，并通过控制光的波长以控制光流变抛光体的刚度，实现了对工件的柔性加工，有效提高了工件材料的去除率。显然，该抛光装置本质上属于游离磨料加工。
[0004]公开号为CN109986416A的专利“一种自由曲面均匀仿形磨削装置及磨削方法”，该装置通过改变外加磁场强度以改变磁流变液的粘弹性，进而控制砂带对工件的磨削压力，有效改善了叶片砂带磨削加工过程中的磨削力不均匀和难以调控的问题。显然，该专利以“磁流变效应”为技术核心。

技术实现思路

[0005]为了解决上述磨削装置和现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于光流变效应的变刚度磨具，用于提高硬脆材料自由曲面磨削加工后的形状精度，降低其表面粗糙度。其基本原理是利用光流变液的光流变效应改变磨具刚度，即在磨具内充入光流变液，光流变液的粘弹性在不同波长的光照下会发生改变，从而改变变形层的变形能力，进而改变磨具的刚度，因此磨具能够始终贴合工件的自由曲面以实现顺应性磨削，极大提高了工件磨削表面质量。
[0006]为实现上述目的，一种基于光流变效应的变刚度磨具，该磨具包含光源基体、变形层、光流变液和磨料层。光流变液被变形层和光源基体密封包覆，大量有序排布的超硬磨料群粘接在变形层的外表面构成磨料层。所述变形层由里及表依次是橡胶层、纤维织物层和金属织物层，金属织物层上预先电镀了一层有序排布的超硬磨料群，结合剂为镍，由于变形层、光流变液均属于弹性体，所以该磨具为“半弹性”磨具，能够对具有自由曲面的工件进行自适应磨削。光流变液由表面活性剂和光敏反离子组成，光流变液在受到光源基体所发出不同波长光的照射下会产生光流变效应。当光源基体发出紫外光时，光流变液内的光敏反离子会发生光异构化并形成光敏离子，光敏离子与带阳离子的表面活性剂的结合能力减
弱，导致表面活性剂分子之间的静电斥力增强，因此光流变液结构松散、粘弹性下降，从而变形层更容易变形，即磨具的刚度变小，在其他磨削参数不变时，磨具对工件的磨削力变小，材料去除率降低。当光源基体发出可见光时，光敏离子恢复为光敏反离子，光流变液的粘弹性增强，即磨具的刚度变大，在其他磨削参数不变时，磨具对工件的磨削力变大，材料去除率增大。
[0007]光源基体发出的光的波长调节范围为200～800nm。
[0008]橡胶层材料为丁苯橡胶，厚度为1～2mm。
[0009]纤维织物层为凯夫拉纤维网，厚度为0.1～0.2mm。
[0010]金属织物层为由金属铜编织而成的铜丝网，厚度为0.1～0.2mm。
[0011]超硬磨料群为金刚石或者CBN磨料群，粒径为5～20um。
[0012]光敏反离子和表面活性剂分别为反式偶氮苯
‑4‑
苯甲酸和十八烷基二甲基氯化铵。
[0013]上述一种基于光流变效应的变刚度磨具，与现有的技术相比，其有益效果在于。
[0014]①
磨具刚度可逆可控。由表面活性剂和光敏反离子复配形成的光流变液有着良好的光敏可逆流变学性质。光流变液中的光敏反离子在紫外光照下不断光异构化为光敏离子，或光敏离子在可见光照下不断光异构化为光敏反离子，二者与带阳离子的表面活性剂分子的结合能力有所不同，从而导致表面活性剂分子之间的静电斥力不同，进而光流变液的粘弹性发生变化，即光流变液的粘弹性会随着外部光照的刺激发生可逆的变化。光源基体能够对光流变液发出不同波长的光照来控制光流变液的粘弹性，光流变液粘弹性的改变能够使磨具刚度发生改变。光流变液粘弹性的可逆性和可控性使得磨具的刚度具有可逆性和可控性。
[0015]②
磨具对工件自由曲面适应能力强，确保了工件原有的形状精度。磨具刚度的可逆性与可控性使得磨具能够根据工件自由曲面的变化对不同的曲面进行精准的自适应，即磨具可贴合工件自由曲面从而实现整体的顺应性，确保了工件原有的形状精度。
[0016]③
光流变液无需更换，使用寿命长。在磨削过程中，光流变效应只会使得光流变液中的光敏反离子与光敏离子二者之间根据情况需要不断地发生转换，而不会使光流变液体系中产生任何其他影响光流变液粘弹性的物质。因此光流变液可反复利用，无需更新替换。
[0017]④
磨料层更换操作方便，重复利用率高。磨具的磨削是依靠金属织物层上的一层有序排布的超硬磨料群来实现的，这些有序排布的超硬磨料群预先电镀在金属织物层上构成磨料层，当超硬磨料群达到使用寿命后，仅需更换金属织物层和磨料层，而橡胶层、纤维织物层、光流变液等磨具里层材料可以继续使用。磨具的更新替换操作方便，重复利用率高。
附图说明
[0018]图1是变刚度磨具的结构示意图。
[0019]图2是变刚度磨具的磨削示意图。
[0020]图3是光流变液粘弹性变化原理图。
[0021]以上图1至图3中的标示为：1、光源基体，2、变形层，2
‑
1、橡胶层，2
‑
2、纤维织物层，2
‑
3、金属织物层，3、光流变液，4、超硬磨料群，5、磨料层，6、工件，7、光敏离子，8、光敏反离
子，9、表面活性剂。
具体实施方式
[0022]下面结合附图对专利技术具体实施方式做进一步说明。
[0023]一种基于光流变效应的变刚度磨具，该磨具包含光源基体1、变形层2、光流变液3和磨料层5。所述的光源基体1的直径为Φ100mm，厚度为10mm。所述的变形层2由橡胶层2
‑
1、纤维织物层2
‑
2、金属织物层2
‑
3组成。所述的光流变液3被密封包覆于光源基体1与变形层2之间，其粘弹性由光的波长进行控制。所述磨料层5是由大量有序排布的超硬磨料群4组成，超硬磨料群4预先电镀在金属织物层2
‑
3上，结合剂为镍。
[0024]所述橡胶层2
‑
1材料为丁苯橡胶，厚度为1.5mm。纤维织物层2
‑
2是由凯夫拉纤维编织而成的纤维网，厚度为0.15mm，凯夫拉纤维有着高模量、高强度和高耐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光流变效应的变刚度磨具，其特征在于，该磨具包含光源基体(1)、变形层(2)、光流变液(3)和磨料层(5)；光流变液(3)被变形层(2)和光源基体(1)密封包覆，大量有序排布的超硬磨料群(4)粘接在变形层(2)的外表面构成磨料层(5)；所述变形层(2)由里及表依次是橡胶层(2
‑
1)、纤维织物层(2
‑
2)和金属织物层(2
‑
3)，金属织物层(2
‑
3)上预先电镀了一层有序排布的超硬磨料群(4)，结合剂为镍，由于变形层(2)、光流变液(3)均属于弹性体，所以该磨具为“半弹性”磨具，能够对具有自由曲面的工件(6)进行自适应磨削；光流变液(3)由表面活性剂(9)和光敏反离子(8)组成，光流变液(3)在受到光源基体(1)所发出不同波长光的照射下会产生光流变效应；当光源基体(1)发出紫外光时，光流变液(3)内的光敏反离子(8)会发生光异构化并形成光敏离子(7)，光敏离子(7)与带阳离子的表面活性剂(9)的结合能力减弱，导致表面活性剂(9)分子之间的静电斥力增强，因此光流变液(3)结构松散、粘弹性下降，从而变形层(2)更容易变形，即磨具的刚度变小，在其他磨削参数不变时，磨具对工件(6)的磨削力变小，材料去除率...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛聪，黄家浩，胡永乐，罗源嫱，唐昆，彭克立，黄钰彬，曹耀强，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：