磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头及该永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法技术

磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头及该永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法，涉及抛光头及其结构参数优化方法。本发明专利技术解决了现有小直径永磁体球形抛光头的磁场分布不均匀、磁流变液吸附厚度、强度不一致的问题。本发明专利技术所述的抛光头是对称结构，由球头和圆柱体的球杆组成，球杆末端中心带有装配孔，球杆的首端固定有球头，球头是球体的一部分，在球杆与球头的连接处的外表面上设置有环形凹槽。本发明专利技术所述的优化方法是根据抛光头的三维仿真模型及其抛光时的工作环境采用仿真软件仿真进行磁场有限元分析，获得抛光头周围的磁场强度分布均匀误差，当所述误差小于5%时完成优化。本发明专利技术适用于对小曲率半径、异形面的磁流变抛光加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法，属于永磁体球形抛光头设计及制造

技术介绍
随着现代科学技术的日益发展，在国防、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，需要各种高精度高表面质量的光学零件，这些高精度零件其表面粗糙度Ra大多要求达到纳米量级，目前主要采用超精密切削、超精密磨削与磁流变抛光等技术手段实现其加工。对于一些形状较为简单、尺度较大的光学零件，目前常采用磁流变抛光的方法实现其加工。磁 流变抛光的基本原理是在外加磁场作用下，磁流变液的粘度、屈服强度会显著增加，在磁流变液中加入磨料，利用其固化作用对工件表面进行光整加工。磁流变抛光不会有工具磨损，磁流体的流动对工件形状的适应性好，加工热量会及时被带走，并且能达到纳米级的加工表面质量。但是，在航空航天、聚变能源及生物医疗等行业，许多尖端产品需要高精度高表面质量的异形结构零件，如熔石英半球谐振子零件、光学微透镜阵列等，这类零件由于结构形状复杂，表面多为自由曲面，并且曲面过渡部分曲率半径较小，采用常规的超精密切肖IJ、磨削与磁流变抛光加工方法难以实现其加工。针对这一情况，目前已有采用小直径球头金刚石砂轮等对其实现高精度加工方面的报道。对于表面质量更高的异形零件，常见的磁流变“抛光盘、电磁铁”抛光形式不能满足工件的形状和尺度要求，必须使用小直径永磁体球形抛光头来吸附磁流变液对其实现加工。目前已有直接使用小直径永磁体球形抛光头进行磁流变抛光的应用实例，但是现有的小直径永磁体球形抛光头，由于其磁化方向固定，抛光头上的磁场分布不均勻，不同部位的磁流变液吸附厚度、强度不一致，从而影响工件的形状精度和加工表面质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有小直径永磁体球形抛光头，由于其磁化方向固定，抛光头上的磁场分布不均匀，不同部位的磁流变液吸附厚度、强度不一致，从而影响工件的形状精度和加工表面质量的问题。本专利技术设计的是一种。本专利技术所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头是对称结构，所述球形抛光头由球头和球杆组成，所述球杆为直径为DD的圆柱体，该球杆的末端中心带有直径为D的装配孔，该装配孔的深度为H，该球杆的首端固定有球头，该球头是半径为R的球体的一部分，并且该球头的圆心位于球杆的轴线上，球头的圆心距离球杆末端的距离为HH，其特征在于，在球杆与球头的连接处的外表面上设置有环形凹槽，该环形凹槽的宽度为A、深度为B，环形凹槽与球杆末端的距离为L。本专利技术中所述的球头的半径R等于球杆的直径DD的一半。上述磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法为步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ；步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均勻误差，当所述磁场强度均勻性误差小于5%时,将对应的参数以及球头半径R作为结构参数优化结果。本专利技术中所述的球头的半径R还可以大于O. 47倍球杆(2)的直径DD的且小于或等于I. 6倍的球杆(2)的直径DD。 上述磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法为步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ；步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，此时，获得初步的参数优化结果；步骤三、增加抛光头的球杆的直径DD、抛光头的球头圆心至底端的距离HH两个参数，通过正交试验调整其它参数，每次调整参数之后，采用采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，对应的所有结构参数作为最终的参数优化结果。本专利技术所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头的材料为基于钕铁硼的永磁体材料。本专利技术的优点有I)采用本专利技术所述的抛光头实施抛光，在抛光过程中，抛光头的球头表面磁场强度均勻分布，更适用于对小曲率半径内凹异形零件(曲率半径在R4mm RlOmm)的非磁性材料工件抛光加工。2)米用本专利技术所述的抛光头实施抛光,在抛光过程中，由于球头表面的磁场分布均匀，在球头处能够产生均匀的材料去除率，由此提高异形零件超精密抛光时的加工精度和加工表面的质量。3)本专利技术的材料基于钕铁硼的永磁体材料，因此能够产生较大的磁感应强度、并吸附磁流变液，提高材料去除率；材料去除率的改变可以通过调节抛光头与工件表面间隙实现，该抛光头结构可用于各种形状较为复杂的异形零件加工。4)本专利技术所述的抛光头结构简单，制造成本较低，并且没有常规磁流变抛光时的磁场发生装置，便于推广应用。5)本专利技术所述的抛光头结构简单，且便于在机床上装夹，更换简便。6)本专利技术所述的抛光头整体空间尺寸较小，易于进行抛光机床的改装。本专利技术所述的永磁体球形抛光头适用于对小曲率半径、异形面的磁流变抛光加工。附图说明图I是具体实施方式二所述的小直径永磁体球形抛光头的结构示意图。图2是具体实施方式四 所述的小直径永磁体球形抛光头的结构示意图。图3现有永磁体抛光头的结构示意图。图4是具体实施方式十中所述的二维仿真图。图5是将图4网格化后的图。图6是采用仿真软件对图5进行仿真的结果示意图。图7是图6的局部放大图。图8是图6中磁流变液吸附层的放大图。图9是具体实施方式三中所述的、对该实施方式所述球形抛光头仿真的结果示意图。图10是图9中的磁流变液吸附层的放大图。图11是具体实施方式五中所述的、对该实施方式所述球形抛光头仿真的结果示意图。图12是图11中的磁流变液吸附层的放大图。具体实施例方式具体实施方式一本实施方式所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头是对称结构，所述球形抛光头由球头I和球杆2组成，所述球杆2为直径为DD的圆柱体，该球杆2的末端中心带有直径为D的装配孔，该装配孔的深度为H，该球杆2的首端固定有球头1，该球头I是半径为R的球体的一部分，并且该球头I的圆心位于球杆2的轴线上，球头I的圆心距离球杆2末端的距离为HH，其特征在于，在球杆2与球头I的连接处的外表面上设置有环形凹槽3，该环形凹槽3的宽度为A、深度为B，环形凹槽3与球杆2末端的距离为L0本实施方式所述的永磁体抛光头在抛光过程中，都能够在其球头表面的磁流变液吸附层中(O. 2_厚度)产生均匀的磁感应强度分布，更适用于对小曲率半径、异形曲面的磁流变抛光加工。具体实施方式二 本实施方式是对具体实施方式一所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头的进一步限定，本实施方式中，所述球头I的半径R等于球杆2的直径DD的一半。本实施方式所述的永磁体球形抛光头是现有抛光头结构基础本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头，它是对称结构，所述球形抛光头由球头（1）和球杆（2）组成，所述球杆（2）为直径为DD的圆柱体，该球杆（2）的末端中心带有直径为D的装配孔，该装配孔的深度为H，该球杆（2）的首端固定有球头（1），该球头（1）是半径为R的球体的一部分，并且该球头（1）的圆心位于球杆（2）的轴线上，球头（1）的圆心距离球杆（2）末端的距离为HH，其特征在于，在球杆（2）与球头（1）的连接处的外表面上设置有环形凹槽（3），该环形凹槽（3）的宽度为A、深度为B，环形凹槽（3）与球杆（2）末端的距离为L。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，左泽轩，刘赫男，方针，苏银蕊，余波，彭慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：