一種磁流變拋光方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于磁流變拋光技術(shù),具體涉及一種磁流變拋光方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代信息電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,在IT、電子行業(yè),超光滑元件應(yīng)用 越來越多,如藍(lán)寶石襯底、單晶硅表面、手機(jī)后蓋等,這類元件的加工批量大,其表面要滿足 超光滑,光澤度高,色澤均勻,無劃傷等要求。目前,市場(chǎng)上的研磨拋光機(jī)都是采用平面互研 原理,工件卡在游心輪中,在上下拋光盤的研磨作用下實(shí)現(xiàn)拋光。這種拋光方式的局限性就 是只能加工平面,不能加工弧面等曲面。
[0003 ]磁流變液是一種智能材料,是由高導(dǎo)磁率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁 性液體混合而成的懸浮體。它在常態(tài)下是液體,當(dāng)加載磁場(chǎng)時(shí),發(fā)生液一固相變,當(dāng)去除磁 場(chǎng)時(shí),又發(fā)生固一液相變。在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi),磁流變液的表現(xiàn)粘度和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān), 這種現(xiàn)象稱為磁流變效應(yīng)。利用磁流變液的磁流變效應(yīng),可以將磨粒聚集于拋光區(qū)域形成 柔性磨頭,具有磨頭硬度可調(diào),磨粒自銳,面型貼合好等優(yōu)點(diǎn),用于拋光加工性能優(yōu)良。
[0004] 現(xiàn)有的磁流變拋光裝置拋光作業(yè)時(shí)可以通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度改變磨頭的硬度,但整 個(gè)拋光區(qū)域的材料去除模型是固定的。無法完成復(fù)雜曲面的拋光。
[0005] 中國(guó)專利201310001871.0中提出了一種雙面磁流變拋光裝置,該裝置將工件安裝 在內(nèi)拋光套筒與外拋光套筒之間,內(nèi)拋光套筒和外拋光套筒隨拋光主軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過連接管 路向內(nèi)外拋光套筒與工件之間的間隙內(nèi)注入磁流變液,啟動(dòng)控制器并由控制器向內(nèi)套筒電 磁鐵和外套筒電磁鐵提供間歇性電流,每個(gè)電磁鐵組相當(dāng)于一組拋光頭,分別對(duì)加工工件 內(nèi)外表面。但整個(gè)裝置比較復(fù)雜,且無法對(duì)復(fù)雜曲面工件進(jìn)行加工。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種可同時(shí)加工平面和弧面的磁流變拋光方法及裝置。
[0007] 本發(fā)明提供的磁流變拋光方法,是將工件置于設(shè)有磁場(chǎng)的磁流變液中,使工件做 至少兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)對(duì)工件的表面進(jìn)行拋光加工。
[0008] 所述磁場(chǎng)為由多個(gè)采用極性相反的兩個(gè)電磁極組成的電磁極組產(chǎn)生的梯度磁場(chǎng)。
[0009] 所述電磁極組設(shè)在所述磁流變液的下方或側(cè)面。
[0010] 本發(fā)明提供的磁流變拋光裝置,包括用于盛裝磁流變液的拋光液槽、設(shè)在所述拋 光液槽下方或側(cè)面可在拋光液槽內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁場(chǎng)發(fā)生裝置、設(shè)在所述拋光液槽上方夾持 工件且使工件做至少兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
[0011] 所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置采用多個(gè)可產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的由極性相反的兩個(gè)電磁極組成的 電磁極組。
[0012] 構(gòu)成所述多個(gè)電磁極組的電磁極采用均勻布置且兩相鄰磁極的極性相反的柱狀 磁極或者采用成環(huán)形布置且兩相鄰磁極的極性相反的三角狀磁極。
[0013] 所述磁場(chǎng)發(fā)生裝置包括至少一個(gè)可產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的由極性相反的兩個(gè)電磁極組 成的電磁極組,構(gòu)成所述電磁極組的電磁極采用至少兩個(gè)同心圓設(shè)置且兩相鄰磁極的極性 相反的環(huán)狀磁極,所述拋光液槽為圓桶形,在拋光液槽外周邊設(shè)有外線圈,所述外線圈的下 平面和所述環(huán)狀磁極的上平面齊平。
[0014] 所述工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括搖擺機(jī)構(gòu)、設(shè)在搖擺機(jī)構(gòu)上的公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和設(shè)在所述公轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)上的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),所述工件設(shè)在所述自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上;所述搖擺機(jī)構(gòu)包括機(jī)頭、第一擺動(dòng)伺服電 機(jī),所述機(jī)頭和第一擺動(dòng)伺服電機(jī)之間通過齒輪對(duì)嚙合;所述公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在所述機(jī)頭 上的公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、公轉(zhuǎn)大盤和工件運(yùn)動(dòng)架,所述公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過公轉(zhuǎn)主軸與公轉(zhuǎn)大盤 連接,所述工件運(yùn)動(dòng)架為至少一個(gè)設(shè)在公轉(zhuǎn)大盤的下面;所述自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在工件運(yùn)動(dòng) 架上的第一自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和安裝工件的至少一個(gè)工件軸,所述工件軸通過齒輪機(jī)構(gòu)與第一 自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)連接
[0015] 所述工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、設(shè)在所述公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的搖擺機(jī)構(gòu)和設(shè)在公轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)與所述搖擺機(jī)構(gòu)之間的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);所述公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括機(jī)頭、設(shè)在所述機(jī)頭上的公轉(zhuǎn)伺服 電機(jī)、公轉(zhuǎn)大盤和工件運(yùn)動(dòng)架,所述公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過公轉(zhuǎn)主軸與公轉(zhuǎn)大盤連接,所述工件 運(yùn)動(dòng)架為至少一個(gè)設(shè)在公轉(zhuǎn)大盤的下面;所述搖擺機(jī)構(gòu)包括設(shè)在所述工件運(yùn)動(dòng)架上的第二 擺動(dòng)伺服電機(jī)、通過第一傘形齒輪機(jī)構(gòu)與第二擺動(dòng)伺服電機(jī)連接的中間齒輪箱;所述自轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)包括設(shè)在所述工件運(yùn)動(dòng)架上的第二自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、設(shè)在所述中間齒輪箱上的第二傘形 齒輪機(jī)構(gòu)和安裝工件的工件軸,所述第二自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通過第二傘形齒輪機(jī)構(gòu)與工件軸連 接;所述第二擺動(dòng)伺服電機(jī)和第二自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)設(shè)在所述公轉(zhuǎn)大盤上。
[0016] 所述工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和設(shè)在公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);所述公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和 自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為行星運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),所述工件通過工件軸安裝在所述公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之間。
[0017] 本發(fā)明的有益效果:
[0018] 本發(fā)明的特點(diǎn)是在具有磁場(chǎng)的磁流變液中使工件做多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),在梯度磁 場(chǎng)的作用下,由于液體形態(tài)的磁流變液會(huì)變成具有強(qiáng)粘彈性作用的液固態(tài),其沿著磁力線 方向形成的磁鏈將夾持著磨粒,相當(dāng)于一個(gè)個(gè)磁柔性小磨頭,利用工件與磁流變液產(chǎn)生相 對(duì)運(yùn)動(dòng),通過控制工件的多自由度運(yùn)動(dòng),能夠在一次裝夾下,同時(shí)對(duì)一個(gè)或多個(gè)工件的外表 面進(jìn)行拋光加工,其外表面可以是平面、弧面或復(fù)雜曲面。本發(fā)明通過試用證明:可以很有 效的解決復(fù)雜形面難以拋光的難題,可減少工件加工的工序,有效提高拋光效率,同時(shí)應(yīng)用 工件的多自由運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)。
[0019] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明裝置實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是實(shí)施例1中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3是圖2的俯視圖。
[0023] 圖4是實(shí)施例1中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁極布置示意圖。
[0024] 圖5是本發(fā)明裝置實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖6是實(shí)施例2中工件運(yùn)動(dòng)架的不同結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖7是實(shí)施例2加工工件平面的示意圖。
[0027]圖8是實(shí)施例2加工工件曲面的示意圖。
[0028] 圖9是本發(fā)明裝置實(shí)施例3中的另一種工件運(yùn)動(dòng)架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖10是本發(fā)明裝置中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的不同結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖11是圖10的俯視圖。
[0031] 圖12是本發(fā)明裝置中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖13圖12中磁場(chǎng)發(fā)生裝置的俯視圖。
[0033]圖14是圖12所示磁場(chǎng)發(fā)生裝置的磁力線示意圖。
[0034] 圖15是本發(fā)明中另一種磁場(chǎng)發(fā)生裝置的布置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 實(shí)施例1
[0036] 見圖1,本發(fā)明提供的磁流變拋光裝置,包括底座12和設(shè)在底座12-側(cè)的機(jī)架11, 底座12上設(shè)有磁場(chǎng)發(fā)生裝置13,磁場(chǎng)發(fā)生裝置13的上面設(shè)有用于盛裝磁流變液的拋光液槽 17,在機(jī)架11上設(shè)有升降機(jī)構(gòu),升降機(jī)構(gòu)上設(shè)有位于所述拋光液槽17上方夾持工件14且使 工件14做多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);所述升降機(jī)構(gòu)包括設(shè)在機(jī)架11上的伺服電機(jī)9 和滑動(dòng)座6,伺服電機(jī)9通過滾珠絲桿10與滑動(dòng)座6連接,滑動(dòng)座6安裝在沿機(jī)架11豎向布置 的導(dǎo)軌8上;所述工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在升降機(jī)構(gòu)上的搖擺機(jī)構(gòu)、設(shè)在搖擺機(jī)構(gòu)上的公轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)和設(shè)在所述公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);搖擺機(jī)構(gòu)包括設(shè)在滑動(dòng)座6上的擺動(dòng)伺服電機(jī)5、通 過擺動(dòng)主軸7安裝在滑動(dòng)座6上的機(jī)頭2,機(jī)頭2和擺動(dòng)伺服電機(jī)5之間通過齒輪3、4嚙合;公 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括設(shè)在機(jī)頭2上的公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1、公轉(zhuǎn)大盤16和工件運(yùn)動(dòng)架15,公轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1通 過公轉(zhuǎn)主軸18與公轉(zhuǎn)大盤16連接,工件運(yùn)動(dòng)架15為多個(gè)設(shè)在公轉(zhuǎn)大盤16的下面;自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 包括設(shè)在工件運(yùn)動(dòng)架15上的工件自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1502和安裝工件14的一個(gè)或多個(gè)工件軸 1501,工件軸1501通過齒輪機(jī)構(gòu)1503與工件自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1502連接;磁場(chǎng)發(fā)生裝置13如圖 2-一圖4所示,采用若干個(gè)均勻分布(也可不均勻分布)且相鄰磁極的極性相反(參見圖4中 的黑白兩色圓)的柱狀電磁極,每?jī)蓚€(gè)電磁極組成一個(gè)電磁極組A,磁場(chǎng)發(fā)生裝置13中的多 個(gè)電磁極組A可產(chǎn)生梯度磁場(chǎng);每個(gè)電磁極包括磁芯1302,磁芯1302的外表纏繞磁芯線圈 1303,極頭1301安裝在磁芯1302的頂部,磁芯1302和線圈1303整體安裝在一個(gè)底板1304上 面,兩個(gè)極頭1301間的間距為14mm。
[0037]工作原理:通電后,磁流變液在梯度磁場(chǎng)的作用下,會(huì)沿著磁力線方向形成磁鏈, 相當(dāng)于一個(gè)個(gè)小磁性磨頭。工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工件14在設(shè)有磁場(chǎng)的磁流變液中做多自由度 運(yùn)動(dòng)對(duì)工件的表面進(jìn)行拋光加工。伺服電機(jī)9通過滾珠絲桿10、滑動(dòng)座6可驅(qū)動(dòng)機(jī)頭2和工件 14沿導(dǎo)軌8上下運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)伺服電機(jī)5通過齒輪3、4驅(qū)動(dòng)機(jī)頭2和工件14來回?cái)[動(dòng),公轉(zhuǎn)伺服 電機(jī)1驅(qū)動(dòng)公轉(zhuǎn)大盤16、工件運(yùn)動(dòng)架15和工件14公轉(zhuǎn),工件運(yùn)動(dòng)架15上的自轉(zhuǎn)伺服電機(jī)1502 通過齒輪機(jī)構(gòu)1503驅(qū)動(dòng)工件14自轉(zhuǎn);當(dāng)工件14與磁流變液相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),磁流變液會(huì)對(duì)工件 表面產(chǎn)生去除作用,從而實(shí)現(xiàn)拋光。
[0038]由磁路定理,兩個(gè)極性相反的磁極會(huì)在間隙處漏磁,因此漏磁處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)梯度 磁場(chǎng)。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ很大,鐵芯有使磁感應(yīng)通量集中到自己內(nèi)部的作用。一個(gè)沒 有鐵芯的載流線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)線是彌散在整個(gè)空間的;若把同樣的線圈繞在一個(gè)閉合的 鐵芯上時(shí),則不僅磁通量的數(shù)值大大增加,而且磁感應(yīng)線幾乎是沿著鐵芯的。由安培環(huán)路定 理,
> 式中N和Ιο分別是線圈匝數(shù)和通電電流,Bi為磁感應(yīng) 強(qiáng)度,li為磁路長(zhǎng)度,μL為相對(duì)磁導(dǎo)率,μ〇為空氣磁導(dǎo)率。因此改變線圈的通電電流和磁路長(zhǎng) 度可改變磁感應(yīng)強(qiáng)度Β的大小。
[0039] 另外通電導(dǎo)線會(huì)在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生磁場(chǎng),依據(jù)畢奧-薩伐爾定律,
1,遞感應(yīng)強(qiáng)度Β是各個(gè)電流元Idl產(chǎn)生的元磁感應(yīng)強(qiáng)g
的 矢量疊加。因此,磁流變拋光磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是每個(gè)極頭產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度g矢量疊加, si
,改變磁場(chǎng)電流的大小可改變磁感應(yīng)強(qiáng)度g的方向,從而實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度i的 方向可調(diào)節(jié)。
[0040] 按畢奧一薩法爾定律,磁感應(yīng)強(qiáng)度是電流元和徑矢的叉乘,是軸矢量,改變徑矢的 可以改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。在每個(gè)極頭倒角可以改變徑矢,從而可以改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的 方向。
[0041] 本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn):
[0042] 1、磁場(chǎng)發(fā)生裝置的單個(gè)磁極設(shè)計(jì)