一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置及方法
阅读说明：本技术 一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置及方法 (Cluster magnetorheological polishing device and method capable of achieving complex surface shape processing ) 是由 卢明明 林洁琼 李卫幸 周家康 杜永盛 张立敏 刘宇阳 赵世昕 刘长青 赵德春 于 2021-10-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及超精密加工领域,一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置,其中偏摆机构安装在第一竖直面移动机构的动力端,竖直面移动机构通过动力端驱动偏摆机构在竖直面内移动,第一转动电机安装在偏摆机构的动力端,第一转动电机可由偏摆机构带动在第二竖直面内形成偏摆动作,第一转动电机的动力端通过旋转轴连接抛光工件夹具头,该抛光工件夹具头用于夹持待抛光的工件,抛光工件夹具头可由第一转动电机驱动旋转,抛光盘的顶面为抛光面,抛光盘的顶面具有用于盛放磁流抛光液的容纳槽,抛光盘内置磁场发生装置。本抛光装置,在实现复杂面形加工的同时增加抛光过程抛光力。本发明还提出一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光方法。(The invention relates to the field of ultra-precision machining, in particular to a cluster magnetorheological polishing device capable of realizing complex surface shape machining, wherein a deflection mechanism is arranged at a power end of a first vertical surface moving mechanism, the vertical surface moving mechanism drives the deflection mechanism to move in a vertical surface through the power end, a first rotating motor is arranged at the power end of the deflection mechanism, the first rotating motor can be driven by the deflection mechanism to form deflection motion in a second vertical surface, the power end of the first rotating motor is connected with a polishing workpiece fixture head through a rotating shaft, the polishing workpiece fixture head is used for clamping a workpiece to be polished, the polishing workpiece fixture head can be driven by the first rotating motor to rotate, the top surface of a polishing disc is a polishing surface, the top surface of the polishing disc is provided with a containing groove for containing polishing liquid, and a magnetic field generating device is arranged in the polishing disc. The polishing device increases the polishing force in the polishing process while realizing the processing of a complex surface shape. The invention also provides a cluster magneto-rheological polishing method capable of realizing complex surface shape processing.)
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置及方法。
背景技术
随着信息电子化的社会发展，光学元件透镜、反射镜作为现代光学系统中光学器件的核心元件，对光学零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求越来越高，这对光学制造技术不断提出新的挑战。无论是那种元件要达到良好的光学性能，其表面精度就需要达到超光滑程度，面形精度相应也有较高的要求，即无损伤和缺陷。无论是光学平面元件还是半导体基片，均需要进行平坦化加工，其传统工艺主要是高效研磨、超精密抛光、化学机械抛光和磁流变抛光，因此，半导体材料的制造越来越依赖研磨抛光技术来满足其生产要求。
1948年，美国科学家Rabinow首次发现磁流变现象，开创了磁流变抛光技术先河。1974年，W.I.Kordonski和美国罗彻斯特大学Jacobs等人合作将电磁学、流体动力学、分析化学、加工工艺学等相结合而提出的一种新型的光学表面加工方法，具有抛光效果好、不产生次表面损伤、适合复杂表面加工等传统抛光所不具备的优点。磁流变抛光(Magnetorheological Finishing，MRF)，是利用磁流变液在磁场作用下产生的磁流变效应来约束和夹持磨料，使磨粒处于半固着状态进行光学表面抛光的一种加工工艺，已发展成为一种新型光学表面加工方法。其具有加工效果好、适用于复杂表面抛光、无次表面损伤产生等传统加工方法所不具备的优点，已被证明是一种有效的超光滑、低损伤的确定性新型光学表面加工技术。
一些技术仅适用于加工简单面型加工，相对较复杂的面型加工存在光整效果不佳，光整效果不明显。还有一些技术，由于静态磁场形成的磁流变效应抛光垫缺乏自我修整和磨料更新自锐的机制，难以保持加工后工件的性能稳定。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置，在实现复杂面形加工的同时增加抛光过程抛光力，改善传统磁流变抛光抛光效率低、稳定性差及难以实现超精密加工要求等问题。本发明还提出一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置，包括竖直面移动机构、偏摆机构、第一转动电机、旋转轴、抛光工件夹具头和抛光盘，其中偏摆机构安装在第一竖直面移动机构的动力端，竖直面移动机构通过动力端驱动偏摆机构在竖直面内移动，所述第一转动电机安装在偏摆机构的动力端，所述第一转动电机可由偏摆机构带动在第二竖直面内形成偏摆动作，所述第一竖直面和第二竖直面平行，所述第一转动电机的动力端通过旋转轴连接抛光工件夹具头，该抛光工件夹具头用于夹持待抛光的工件，所述抛光工件夹具头可由第一转动电机驱动旋转，所述抛光盘设置在抛光工件夹具头的下方，且抛光盘的顶面为抛光面，抛光盘的顶面具有用于盛放磁流抛光液的容纳槽，抛光盘内置磁场发生装置。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述竖直面移动机构包括机床夹具、X轴驱动电机、X轴导轨组件、Y轴驱动导轨组件和Y轴驱动电机，其中Y轴驱动导轨组件包括垂向设置的导轨，所述X轴导轨组件可滑动的安装在Y轴驱动导轨组件的导轨上，所述Y轴驱动电机的动力端与所述X轴导轨组件动力连接，以驱动X轴导轨组件在Y轴驱动导轨组件的导轨上垂向移动；所述X轴导轨组件包括水平设置的导轨，所述机床夹具可滑动的安装在X轴导轨组件的导轨上，所述X轴驱动电机的动力端与所述机床夹具动力连接，以驱动机床夹具水平移动，所述偏摆机构安装在机床夹具上。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述偏摆机构的动力端具有导轨、滑块和安装固定挡板，所述导轨安装在偏摆机构的动力端，所述滑块可滑动的安装在导轨上，所述偏摆机构的驱动机构为偏摆电机。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述抛光工件夹具头处安装工件夹具，工件夹具包括盘状主体和连接轴，所述连接轴安装在盘状主体的一端且与盘状主体同轴设置，所述连接轴具有外螺纹，所述工件夹具通过连接轴与抛光工件夹具头螺纹连接。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述盘状主体设有以盘状主体轴心为中心环形阵列式排布的若干个工件夹持工位，相邻两个工件夹持工位之间开设键槽，该键槽垂向贯穿盘状主体，且键槽有盘状主体外环面向盘状主体的轴心方向延伸。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述工件夹持工位为环形镂空的孔，所述工件夹持工位的内环面靠近盘状主体外侧壁一侧与盘状主体外侧壁之间开设缺口，该缺口通过紧定螺栓连接，该紧定螺栓用于控制工件夹持工位的开度。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述抛光盘包括底座，底座为圆柱状结构，底座的下端面中心位置与旋转驱动装置连接，该旋转驱动装置连接用于驱动抛光盘转动，所述底座的顶面具有开口向上的凹槽，该凹槽内设有横置的隔板，该隔板下方形成第一腔室，该第一腔室内固定安装有永磁铁，隔板的上方形成容纳槽。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述永磁铁包括环形排列的多个，永磁铁的外形为类蜂窝结构，该类蜂窝结构可以增大抛光过程中的磁场，进而增大抛光过程中的抛光力。
在第二个技术方案中，一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光方法，使用在第一个技术方案中所述的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置，包括如下步骤：
步骤1、将待加工工件固定在可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光工件夹具头上，通过测量工具测量待加工工件到抛光盘的间隙，根据实际加工需求调节加工间隙到合适的值；
步骤2、将磁流变抛光液放置在抛光盘表面，定量控制抛光盘中的磁流变抛光液的量，保证抛光盘中的磁场发生装置形成的抛光膜膜厚基本一致；
步骤3、启动整机控制电源，启动竖直面移动机构对应档位，通过竖直面移动机分别实现抛光工件夹具头上待加工工件水平运动和竖直运动，直至待加工工件运动到适当的工作位置停止；
步骤4、启动控制柜里的控制程序，在控制面板上启动工件转速控制按钮，转动转速旋转按钮调节待加工工件的旋转速度，测量待加工工件此时的工件转速，直至待加工工件的旋转速度达到实际加工需求。
使用本发明的有益效果是：
1、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置有两个相互垂直的滑动导轨，不同的电动机控制不同的滑动导轨分别实现X方向(左右方向)，Y方向(上下方向)运动。
2、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光盘与抛光工件夹具头分别由不同的电动机控制，可以实现抛光盘与抛光工件夹具头的异步运动。
3、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光工件夹具头是可调夹具，可以根据具体加工要求设计相应的抛光工件夹具头。
4、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光工件夹具头可夹持多个工件，同时实现多个工件的加工。
5、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光盘在电动机控制下，也可以实现抛光盘的X向和Y向运动。
6、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光工件夹具头既可以实现水平方向上的偏摆运动同时可以实现XY坐标系平面内的偏摆运动。
7、本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光盘内置有环形排列多个永磁铁，排列后的外形单个类蜂窝结构，该结构可以增大抛光过程中的磁场，进而增大抛光过程中的抛光力，实现抛光力的可控。
附图说明
图1是本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置总体图。
图2是图1中A处局部方法图。
图3是本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的一种抛光工件夹具头结构的轴测图。
图4是本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的一种抛光工件夹具头结构的主视图。
图5是本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光盘局部放大图。
图6是本发明的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的磁场发生装置水平方向示意图。
图7是图6中沿A-A面的剖视图。
图8是可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置磁场发生装置垂直方向示意图。
图9是图8中沿B-B面的剖视图。
附图标记包括：
1-X轴驱动电机，2-X轴导轨组件，3-Y轴驱动导轨组件，4-Y轴驱动电机，5-偏摆电机，6-机床夹具，7-偏摆机构，8-抛光盘，81-底座，82-隔板，83-第一腔室，84-容纳槽，85-永磁铁，9-机床框架，10-控制箱，11-滑块，12-抛光工件夹具头，13-第一转动电机，14-工件夹具，15-旋转轴，16-固定挡板，17-连接轴，18-工件夹持工位，19-键槽，20-紧定螺栓。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图1-图9所示，本实施例提出一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置，包括竖直面移动机构、偏摆机构7、第一转动电机13、旋转轴15、抛光工件夹具头12和抛光盘8，其中偏摆机构7安装在第一竖直面移动机构的动力端，竖直面移动机构通过动力端驱动偏摆机构7在竖直面内移动，第一转动电机13安装在偏摆机构7的动力端，第一转动电机13可由偏摆机构7带动在第二竖直面内形成偏摆动作，第一竖直面和第二竖直面平行，第一转动电机13的动力端通过旋转轴15连接抛光工件夹具头12，该抛光工件夹具头12用于夹持待抛光的工件，抛光工件夹具头12可由第一转动电机13驱动旋转，抛光盘8设置在抛光工件夹具头12的下方，且抛光盘8的顶面为抛光面，抛光盘8的顶面具有用于盛放磁流抛光液的容纳槽84，抛光盘8内置磁场发生装置。
结合图2所示，本实施例中，竖直面移动机构包括机床夹具6、X轴驱动电机1、X轴导轨组件2、Y轴驱动导轨组件3和Y轴驱动电机4，其中Y轴驱动导轨组件3包括垂向设置的导轨，X轴导轨组件2可滑动的安装在Y轴驱动导轨组件3的导轨上，Y轴驱动电机4的动力端与X轴导轨组件2动力连接，以驱动X轴导轨组件2在Y轴驱动导轨组件3的导轨上垂向移动；X轴导轨组件2包括水平设置的导轨，机床夹具6可滑动的安装在X轴导轨组件2的导轨上，X轴驱动电机1的动力端与机床夹具6动力连接，以驱动机床夹具6水平移动，偏摆机构7安装在机床夹具6上。
具体的，Y轴驱动导轨组件3通过螺钉固定在机床框架9上，XY坐标系平面内的偏摆机构77通过螺钉与Y轴驱动导轨组件3相连接，竖直面移动机构通过螺钉与XY坐标系平面内的偏摆机构7相连接。
本实施方式中，控制箱10内置有控制X轴导轨组件2、Y轴驱动导轨组件3、偏摆机构7、抛光盘8分别实现相应运动的控制线路和相对应的控制面板。可实现复杂路径加工的集群磁流变抛光装置包括实现整个抛光工艺的控制箱10，总体控制抛光盘8、竖直面移动机构、抛光工具夹头的旋转运动和偏摆运动。
偏摆机构7的动力端具有导轨(图中未示出)、滑块11和安装固定挡板16，导轨安装在偏摆机构7的动力端，滑块11可滑动的安装在导轨上，偏摆机构7的驱动机构为偏摆电机5，偏摆机构7可通过导轨和滑块11的配合进行小距离的位移。
如图3、图4所示，本实施例中，抛光工件夹具头12处安装工件夹具14，工件夹具14包括盘状主体和连接轴17，连接轴17安装在盘状主体的一端且与盘状主体同轴设置，连接轴17具有外螺纹，工件夹具14通过连接轴17与抛光工件夹具头12螺纹连接。具体的，盘状主体设有以盘状主体轴心为中心环形阵列式排布的若干个工件夹持工位18，相邻两个工件夹持工位18之间开设键槽19，该键槽19垂向贯穿盘状主体，且键槽19有盘状主体外环面向盘状主体的轴心方向延伸。工件夹持工位18为环形镂空的孔，工件夹持工位18的内环面靠近盘状主体外侧壁一侧与盘状主体外侧壁之间开设缺口，该缺口通过紧定螺栓20连接，该紧定螺栓20用于控制工件夹持工位18的开度。
结合图5-图9所示，抛光盘8包括底座81，底座81为圆柱状结构，底座81的下端面中心位置与旋转驱动装置连接，该旋转驱动装置连接用于驱动抛光盘8转动，底座81的顶面具有开口向上的凹槽，该凹槽内设有横置的隔板82，该隔板82下方形成第一腔室83，该第一腔室83内固定安装有永磁铁85，隔板82的上方形成容纳槽84。
结合上述内容，本实施方式的可实现复杂路径加工的集群磁流变抛光装置中第一转动电机13控制抛光工件夹具头12的旋转运动，机床框架9中内置电动机控制抛光盘8的旋转运动，可以满足抛光过程中抛光盘8和抛光头异步运动。
本实施方式的可实现复杂路径加工的集群磁流变抛光装置中偏摆电机5控制偏摆机构7进行偏摆运动，抛光工件夹具头12及控制抛光工件夹具头12的第一转动电机13固定安装在与导轨相匹配的滑块11上，抛光工件夹具头12会随着与滑动导轨相匹配的滑块11在滑动导轨的运动轨迹运动，实现复杂路径加工。
本实施例中，永磁铁85包括环形排列的多个，永磁铁85的外形为类蜂窝结构，该类蜂窝结构可以增大抛光过程中的磁场，进而增大抛光过程中的抛光力，实现抛光力的可控。
实施例2
本实施例提出一种可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光方法，使用实施例1中的可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置，包括如下步骤：
步骤1、将待加工工件固定在可实现复杂面形加工的集群磁流变抛光装置的抛光工件夹具头12上，通过测量工具测量待加工工件到抛光盘8的间隙，根据实际加工需求调节加工间隙到合适的值。
步骤2、将磁流变抛光液放置在抛光盘8表面，定量控制抛光盘8中的磁流变抛光液的量，保证抛光盘8中的磁场发生装置形成的抛光膜膜厚基本一致。
步骤3、启动整机控制电源，启动竖直面移动机构对应档位，通过竖直面移动机分别实现抛光工件夹具头12上待加工工件水平运动和竖直运动，直至待加工工件运动到适当的工作位置停止。
步骤4、启动控制箱10里的控制程序，在控制面板上启动工件转速控制按钮，转动转速旋转按钮调节待加工工件的旋转速度，测量待加工工件此时的工件转速，直至待加工工件的旋转速度达到实际加工需求。
步骤5、启动控制箱10里的控制程序，在控制面板上启动抛光盘8转速控制按钮，转动转速旋转按钮调节抛光盘8的旋转速度，测量抛光盘8的转速，直至抛光盘8的旋转速度达到实际加工需求。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
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