【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于抛光设备，具体涉及一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头及抛光方法。
技术介绍
1、近年来在国家重大科学工程以及各种光机电产品需求日益增长的推动下，复杂曲面零件在汽车、造船、航空航天、光学等领域中的需求愈加广泛。复杂模具曲面指的是制造曲面零件时模具上呈现的复杂形状，而复杂曲面零件的生产制造离不开模具，例如冲压、铸造工艺以及在大批量生产光学元件时用到的超精密压型法、模具补偿变形法。虽然随着计算机300技术、数字控制技术的发展，已基本实现了自动化加工复杂曲面零件，但其光整加工仍需要人工辅助完成，效率低且难以保证良好的面形精度和表面质量，这已成为制约复杂曲面制造技术发展的主要因素。
2、近年来在以上背景下超精密抛光技术飞速发展，业内出现了很多超精密抛光方法，如囊体抛光、离子束抛光、剪切增稠抛光、振动辅助抛光及流体动压抛光等，上述各种抛光方法均具有不同的加工原理，导致它们的技术难度、去除函数稳定性、加工效率、亚表面损伤、边缘效应及其经济性都存在差别。囊体抛光技术有自适应性强的特点，相较于传统的刚性抛光头作业，能够适应更加复杂的表面抛光，同时具有较高的去除效率和较低的经济成本，因此在超精密抛光领域占有一席之地。囊体抛光过程中弹性囊体与待加工工件表面直接接触，且弹性囊体需要在抛光过程中对工件施加持续挤压力来维持与工件表面相匹配的形状，导致囊体抛光时难以进行低压力的抛光作业；并且，囊体气压与囊体材料本身力学性能对磨具与工件间接触区域内的磨料运动状态产生直接影响，进而对工件抛光过程的材料去除效率与表面抛光质量产生影响。p>
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头及复合抛光装置。
2、第一方面，本专利技术提供一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其包括基盘、囊体、电热丝和冷却介质输送管。囊体固定在基盘上。囊体的内部填充有可变刚度凝胶；可变刚度凝胶的内部埋设有冷却介质输送管和电热丝。电热丝和冷却介质输送管用于调节可变刚度凝胶的温度；可变刚度凝胶的刚度随温度的变化而变化。工作过程中，冷却介质输送管连接至外部的冷却液供给设备。通过改变可变刚度凝胶的温度，控制囊体在刚性状态与柔性状态之间切换。
3、作为优选，该囊体式抛光头还包括外部输入接头、内部输入接头、外部输出接头和内部输出接头。所述的基盘上开设有输入孔和输出孔。外部输入接头、内部输入接头分别安装在输入孔的顶端、底端；外部输出接头、内部输出接头分别安装在输出孔的顶端、底端；内部输入接头、内部输出接头与冷却介质输送管的两端分别对接；外部输入接头与外部的冷却液供给设备连接。
4、作为优选，所述的外部输入接头、内部输入接头、外部输出接头和内部输出接头中均安装有单向阀。
5、作为优选，所述的冷却液供给设备中存储的冷却液为液氮。
6、作为优选，所述的冷却介质输送管的输入口与冷却介质输送管最远离基盘的位置之间形成形成冷却介质输送管的输入段；所述的冷却介质输送管最远离基盘的位置与冷却介质输送管的输出口之间形成形成冷却介质输送管的输出段；输入段和输出段均呈螺旋形，且在远离基盘的方向上，螺旋半径均逐渐减小。
7、作为优选，所述的电热丝缠绕在冷却介质输送管的外侧。
8、作为优选，所述囊体的外侧面设置有能够随囊体的变形而改变形状的磨粒层。
9、作为优选，所述的基盘背离囊体的侧面上开设有环形沟槽；环形沟槽中安装有线圈。
10、作为优选，所述的线圈和电热丝的供电线均通过导电滑环13引出至外部的能够调节输出电压的供电元件。
11、作为优选，所述的基盘底部设置有内凹的连接槽；连接槽上设置有内螺纹；囊体与基盘之间通过固定圈连接；固定圈上端设有外螺纹，固定圈与基盘通过螺纹连接；囊体的开口边缘处被夹持在在固定圈与基盘之间。
12、第二方面，本专利技术提供一种抛光方法，其使用前述的囊体式抛光头；该抛光方法包括以下步骤：
13、步骤一、通过电热丝加热可变刚度凝胶，使得囊体切换至柔性状态。
14、步骤二、使用囊体挤压被抛光工件；囊体和可变刚度凝胶根据被抛光工件的表面形状发生自适应变形。
15、步骤三、向冷却介质输送管通入冷却液，使得囊体切换至刚性状态，维持与被抛光工件表面相匹配的形状不变。
16、步骤四、囊体式抛光头对被抛光工件进行接触式抛光或非接触式抛光。
17、第三方面，本专利技术提供一种能场辅助的复合抛光装置，其包括超声波发生器、超声振子、磁场发生器、抛光主轴、夹持机构、液氮供应泵、真空吸附夹具、收集池和前述的囊体式抛光头。收集池的底部与夹具主轴的顶端固定。真空吸附夹具固定在收集池内，用于装夹工件；抛光主轴安装在夹持机构上；囊体式抛光头安装在抛光主轴的底端。囊体式抛光头位于真空吸附夹具的上方。夹具主轴和抛光主轴均能够在动力元件的驱动下旋转。
18、所述的超声振子安装在夹持机构上。超声波发生器用于驱动超声振子进行超声振动。收集池中安装有第二电磁铁。
19、作为优选，所述收集池的上方设置有用于喷射抛光液的喷嘴。
20、本专利技术具有的有益效果是：
21、1.本专利技术利用可变刚度凝胶的刚度随温度变化而变化的特性，提供了一种能够通过调节温度来改变刚度的囊体式抛光头；该囊体式抛光头能够在柔性状态下根据工件表面进行适应性变形，并在变形后切换至刚性状态；并利用变形得到的与工件表面相匹配的表面对工件进行抛光，同时兼具弹性抛光作业充分接触的优点，以及刚性抛光作业低压力的优点；因此，本专利技术能够在低压力(小于1.0psi)下进行抛光处理。低压力下的抛光可减少低强度介质的撕裂及过抛，大大降低抛光过程中器件图案的敏感性，同时还能减少研具磨损，延长研具寿命。
22、2.本专利技术以可变刚度凝胶取代空气作为填充材料，可降低抛光头的气密要求，并且该凝胶的刚度变化速度很快，能根据需要改变凝胶温度改变抛光头的刚度或者形状，使得该抛光头能实现平面、球面、非球面、甚至任意曲面的抛光。
23、3.本专利技术应用冷却介质输送管和电热丝对温度以及对抛光头中的凝胶压力的实时控制，使得抛光过程中，待抛件和抛光头接触以一定路径、压力、角度接触实现抛光加工。
24、4.本专利技术通过可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头将超声加工、化学机械抛光与磁流体抛光三项加工技术进行多元复合，将声场、磁场集合一体，实现新型复合的能场辅助抛光技术。该新型复合加工方法整合了超声振动辅助、化学机械抛光、磁力抛光等先进加工技术的优势，又相互弥补缺点。该复合加工系统具有灵活的选择自由度，便于根据被加工材料的加工工艺性能与加工质量要求进行选择加工方式。
25、5.本专利技术具有加工效率高、表面质量好、成本低、自动化程度高、易于操作的优点。
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1.一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，包括基盘(1)、囊体(2)；还包括其特征在于：电热丝和冷却介质输送管(9)；囊体(2)固定在基盘(1)上；囊体(2)的内部填充有可变刚度凝胶(11)；可变刚度凝胶(11)的内部埋设有冷却介质输送管(9)和电热丝；电热丝和冷却介质输送管(9)用于调节可变刚度凝胶(11)的温度；可变刚度凝胶(11)的刚度随温度的变化而变化；工作过程中，冷却介质输送管(9)连接至外部的冷却液供给设备；通过改变可变刚度凝胶(11)的温度，控制囊体(2)在刚性状态与柔性状态之间切换。
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：还包括外部输入接头(4)、内部输入接头(5)、外部输出接头(6)和内部输出接头(7)；所述的基盘(1)上开设有输入孔和输出孔；外部输入接头(4)、内部输入接头(5)分别安装在输入孔的顶端、底端；外部输出接头(6)、内部输出接头(7)分别安装在输出孔的顶端、底端；内部输入接头(5)、内部输出接头(7)与冷却介质输送管(9)的两端分别对接；外部输入接头(4)与外部的冷却液供给设备连接；所述的外部输入接头(4
3.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的冷却液供给设备中存储的冷却液为液氮。
4.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的冷却介质输送管(9)的输入口与冷却介质输送管(9)最远离基盘(1)的位置之间形成形成冷却介质输送管(9)的输入段；所述的冷却介质输送管(9)最远离基盘(1)的位置与冷却介质输送管(9)的输出口之间形成形成冷却介质输送管(9)的输出段；输入段和输出段均呈螺旋形，且在远离基盘(1)的方向上，螺旋半径均逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的电热丝缠绕在冷却介质输送管(9)的外侧。
6.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述囊体(2)的外侧面设置有能够随囊体(2)的变形而改变形状的磨粒层。
7.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的基盘背离囊体(2)的侧面上开设有环形沟槽；环形沟槽中安装有线圈(8)。
8.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的基盘(1)底部设置有内凹的连接槽；连接槽上设置有内螺纹；囊体(2)与基盘(1)之间通过固定圈(3)连接；固定圈(3)上端设有外螺纹，固定圈(3)与基盘(1)通过螺纹连接；囊体(2)的开口边缘处被夹持在在固定圈(3)与基盘(1)之间。
9.一种抛光方法，其特征在于：使用如权利要求1-8中任意一项所述的囊体式抛光头；该抛光方法包括以下步骤：
10.一种能场辅助的复合抛光装置，包括超声波发生器(100)、超声振子(200)、磁场发生器(400)、抛光主轴(500)、夹持机构(600)、液氮供应泵(700)、真空吸附夹具(800)、收集池(900)；其特征在于：还包括如权利要求1-8中任意一项所述的囊体式抛光头；收集池的底部与夹具主轴的顶端固定；真空吸附夹具(800)固定在收集池内，用于装夹工件；抛光主轴(500)安装在夹持机构(600)上；囊体式抛光头安装在抛光主轴(500)的底端；囊体式抛光头位于真空吸附夹具(800)的上方；夹具主轴和抛光主轴(500)均能够在动力元件的驱动下旋转；
...【技术特征摘要】
1.一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，包括基盘(1)、囊体(2)；还包括其特征在于：电热丝和冷却介质输送管(9)；囊体(2)固定在基盘(1)上；囊体(2)的内部填充有可变刚度凝胶(11)；可变刚度凝胶(11)的内部埋设有冷却介质输送管(9)和电热丝；电热丝和冷却介质输送管(9)用于调节可变刚度凝胶(11)的温度；可变刚度凝胶(11)的刚度随温度的变化而变化；工作过程中，冷却介质输送管(9)连接至外部的冷却液供给设备；通过改变可变刚度凝胶(11)的温度，控制囊体(2)在刚性状态与柔性状态之间切换。
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：还包括外部输入接头(4)、内部输入接头(5)、外部输出接头(6)和内部输出接头(7)；所述的基盘(1)上开设有输入孔和输出孔；外部输入接头(4)、内部输入接头(5)分别安装在输入孔的顶端、底端；外部输出接头(6)、内部输出接头(7)分别安装在输出孔的顶端、底端；内部输入接头(5)、内部输出接头(7)与冷却介质输送管(9)的两端分别对接；外部输入接头(4)与外部的冷却液供给设备连接；所述的外部输入接头(4)、内部输入接头(5)、外部输出接头(6)和内部输出接头(7)中均安装有单向阀。
3.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的冷却液供给设备中存储的冷却液为液氮。
4.根据权利要求1所述的一种可变刚度凝胶填充的囊体式抛光头，其特征在于：所述的冷却介质输送管(9)的输入口与冷却介质输送管(9)最远离基盘(1)的位置之间形成形成冷却介质输送管(9)的输入段；所述的冷却介质输送管(9)最远离基盘(1)的位置与冷却介质输送管(9)的输出口之间形成形成冷却介质输送管(9)的输出段；输...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭宗福，李兴科，倪敬，李祖吉，张振，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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