超声波磁流变复合抛光方法及装置.pdf

一种超声波磁流变复合抛光方法及装置，它涉及超精密加工和光学加工技术领域。本发明方法采用小直径中空的回转抛光工具头(5)，在其内部通入混有磨料的磁流变液(13)，并施加一定的磁场，使磁流变液(13)在工具头(5)上形成有一定去除能力的柔性抛光工具，同时，施加超声振动，而实现抛光去除作用。本发明装置中超声波发生装置(3)的上端与电主轴(1)的输出端固定连接，其下部空套电磁铁(4)，其下端固定连接工具头(5)。本发明的抛光方法采用小直径中空的回转工具头，可实现较小曲率半径的凹曲面的抛光、特别是深凹面光学元件加工，可推广应用于自由曲面光学元件的超精密加工，提高抛光的去除效率；抛光设备具有结构简单、紧凑、操作方便、加工精度高的优点。

1、  超声波磁流变复合抛光方法，其特征在于步骤如下：一、在搅拌、恒温及恒粘度控制装置中加入混有磨料的磁流变抛光液，并将工件固定在工件数控工作台面的夹具上；启动泵，使混有磨料的磁流变抛光液靠泵的压力，经循环管路等从工具头的内孔流出；二、启动电主轴、超声波发生装置，同时给电磁铁通电，使工具头表面的磁流变抛光液粘度在毫秒级时间内迅速增大，变为半固体状，形成柔性抛光头，随工具头旋转并作高频振动；三、主轴数控工作台控制抛光头的位置，加工工件由工件数控工作台带动，形成要求的加工轨迹，最终获得高精度的光学表面；四、抛光后的磁流变液进入回收槽，流入搅拌、恒温及恒粘度控制装置，再由泵抽出，通过循环管路进入旋转接头，经内部通路，从工具头的内孔流出，如此反复，循环使用磁流变液；所述超声波发生装置的振动频率≥16千赫；所述工具头的旋转速度≤10000转/分；所述电磁铁的磁感应强度≥1000高斯。

2、  超声波磁流变复合抛光装置，它由电主轴(1)、主轴数控工作台(2)、超声波发生装置(3)、电磁铁(4)、中空的工具头(5)、夹具(7)、工件数控工作台(8)、床身(9)、回收槽(10)、搅拌、恒温及恒粘度控制装置(11)、下循环管路(12)、泵(14)、上循环管路(15)、旋转接头(16)及内部通路(17)组成，其特征在于主轴数控工作台(2)的右端与床身(9)上部的左端固定连接，电主轴(1)的一侧与主轴数控工作台(2)的左端固定连接，超声波发生装置(3)的上端与电主轴(1)的输出端固定连接，中空的工具头(5)的上端与超声波发生装置(3)的下端固定连接，电磁铁(4)空套在超声波发生装置(3)下部，工件数控工作台(8)的下端与床身(9)的基部上端固定连接，夹具(7)的下端与工作数控工作台(8)的上端面固定连接，回收槽(10)固定在夹具(7)外围的工件数控工作台(8)上，下循环管路(12)的上端与回收槽(10)的下端相连接，下循环管路(12)的下端与搅拌、恒温及恒粘度控制装置(11)的上端相连接，上循环管路(15)的下端与搅拌、恒温及恒粘度控制装置(11)的下侧相连接，上循环管路(15)上串接有泵(14)，旋转接头(16)固定在电主轴(1)的上端，上循环管路(15)的上端与旋转接头(16)相连接，电主轴(1)、超声波发生装置(3)和中空的工具头(5)内设有内部通道(17)，内部通道(17)的上端与旋转接头(16)相连通。

3、  根据权利要求2所述的超声波磁流变复合抛光装置，其特征在于中空的工具头(5)的加工端为球形。

4、  根据权利要求2所述的超声波磁流变复合抛光装置，其特征在于搅拌、恒温及恒粘度控制装置(11)由电机及减速器(22)、传动轴(23)、搅拌叶片(24)、冷却装置(25)、温度传感器(26)、温度控制装置(27)、粘度控制装置(28)、磁流变液载液补充装置(29)、管路(30)、粘度检测装置(31)及箱体(32)组成，电机及减速器(22)设置在箱体(32)上部的中心处，传动轴(23)的上端与电机及减速器(22)的输出轴固定连接，传动轴(23)的下端与搅拌叶片(24)固定连接，冷却装置(25)固定在箱体(32)外壁的下部、温度控制装置(27)设置在箱体(32)上部的一侧，温度传感器(26)设在箱体(32)内的下部，温度传感器(26)与温度控制装置电连接，温度控制装置(27)与冷却装置(25)电连接，粘度控制装置(28)和磁流变液载液补充装置(29)分别设置在箱体(32)上部的另一侧，粘度检测装置(31)设在箱体(32)内的下部，粘度检测装置(31)与粘度控制装置(28)电连接，粘度控制装置(28)与磁流变液载液补充装置(29)电连接，磁流变液载液补充装置(29)与箱体(32)之间连接有管路(30)。

超声波磁流变复合抛光方法及装置
技术领域：
本发明涉及超精密加工和光学加工技术领域，具体涉及通过超声波磁流变复合抛光对光学玻璃等材料器件表面进行超精密加工的方法及为实现该方法所设计的装置。
背景技术：
随着非球面器件的广泛应用，不但对其精度、可靠性的要求日益提高，还要求具备高效、成批生产的能力。抛光作为光学精密加工的最重要的工序，主要是去除前加工工序产生的表面破坏层，修正面形误差，减小工件表面粗糙度。磁流变抛光(MRF)技术是国外近年出现的光学非球面加工新技术，1992年白俄罗斯的Wm I.Kordonski和I.Prokhorov等人最早将磁流变技术应用于光学玻璃器件的精密加工，1995年美国Rochester大学光学加工中心COM(Thecenter for Optic Manufacturing)和Kordonski合作，首次将磁流变技术应用到光学加工中，对以磁流变为基础的光学抛光(MRF)技术进行了大量的实验研究。磁流变抛光技术实现了对光学材料的机械、化学综合去除作用，不仅提高了抛光效率，使抛光过程容易控制，又不会产生表面破坏层，适合现代光学系统对光学器件的加工工艺性能的需求。磁流变抛光的基本原理是将含有一定浓度微细磨料的磁流变液注入抛光区域，同时在该区域施加一可控的高梯度磁场，在磁场的作用下，此区域的磁流变液产生流变效应，粘度在毫秒级时间内迅速增大，在抛光轮表面形成半固体状的抛光工具，由抛光轮带动在流体动压的作用下实现抛光。磁流变抛光技术由美国Rochester大学光学制造中心(COM)和QED公司研究成功后，在光学非球面加工方面取得了很好的效果，在国外被认为是光学精密抛光技术的革命性的变革，使抛光技术从手工技艺走向科学，大大提高了光学非球面加工的效率。但是由于抛光轮半径的限制，该方法比较适合于加工凸曲面、平面和曲率半径较大的凹曲面，不能加工具有较小曲率半径的凹曲面(目前美国QED公司最新推出的Q22-XE数控磁流变抛光机床可加工最小凹曲面曲率半径为15mm)，尤其不能加工深凹面。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是克服目前磁流变抛光技术的缺陷，提供一种超声波磁流变复合抛光方法及装置，可实现小曲率半径深凹非球面光学元件的超精密加工，并推广应用于自由曲面光学元件的超精密加工。本发明的抛光方法其步骤如下：一、在搅拌、恒温及恒粘度控制装置中加入混有磨料的磁流变抛光液，并将工件固定在工件数控工作台面的夹具上；启动泵，使混有磨料的磁流变抛光液靠泵的压力，经循环管路等从工具头的内孔流出。二、启动电主轴、超声波发生装置，同时给电磁铁通电，使工具头表面的磁流变抛光液粘度在毫秒级时间内迅速增大，变为半固体状，形成柔性抛光头，随工具头旋转并作高频振动。三、主轴数控工作台控制抛光头的位置，加工工件由工件数控工作台带动，形成要求的加工轨迹，最终获得高精度的光学表面。四、抛光后的磁流变液进入回收槽，流入搅拌、恒温及恒粘度控制装置，再由泵抽出，通过循环管路进入旋转接头，经内部通路，从工具头的内孔流出，如此反复，从而实现磁流变液的循环使用，并始终保持稳定的抛光特性。所述超声波发生装置的振动频率≥16千赫；所述工具头的旋转速度≤10000转/分；所述电磁铁的磁感应强度≥1000高斯。本发明的抛光装置由电主轴1、主轴数控工作台2、超声波发生装置3、电磁铁4、中空的工具头5、夹具7、工件数控工作台8、床身9、回收槽10、搅拌、恒温及恒粘度控制装置11、下循环管路12、泵14、上循环管路15、旋转接头16及内部通路17组成，其特征在于主轴数控工作台2的右端与床身9上部的左端固定连接，电主轴1的一侧与主轴数控工作台2的左端固定连接，超声波发生装置3的上端与电主轴1的输出端固定连接，中空的工具头5的上端与超声波发生装置3的下端固定连接，电磁铁4空套在超声波发生装置3下部(需保证电磁铁的骨架与超声波发生装置不接触)，电磁铁或固定在电主轴1上，或固定在主轴数控工作台2上，可控制工具头周围的磁场强度，以控制磁流变液的流变特性(亦可采用永磁铁)。工件数控工作台8的下端与床身9的基部上端固定连接，夹具7的下端与工件数控工作台8的上端面固定连接，回收槽10固定在夹具7外围的工件数控工作台8上，下循环管路12的上端与回收槽10的下端相连接，下循环管路12的下端与搅拌、恒温及恒粘度控制装置11的上端相连接，上循环管路15的下端与搅拌、恒温及恒粘度控制装置11的下侧相连接，上循环管路15上串接有泵14，旋转接头16固定在电主轴1的上端，上循环管路15的上端与旋转接头16相连接，电主轴1、超声波发生装置3和中空地工具头5内设有内部通道17，内部通道17的上端与旋转接头16相连通。搅拌、恒温及恒粘度控制装置11由电机及减速器22、传动轴23、搅拌叶片24、冷却装置25、温度传感器26、温度控制装置27、粘度控制装置28、磁流变液载液补充装置29、管路30、粘度检测装置31及箱体32组成。电机及减速器22设置在箱体32上部的中心处，传动轴23的上端与电机及减速器22的输出轴固定连接，传动轴23的下端与搅拌叶片24固定连接，冷却装置25固定在箱体32外壁的下部、温度控制装置27设置在箱体32上部的一侧，温度传感器26设在箱体32内的下部，温度传感器26与温度控制装置电连接，温度控制装置27与冷却装置25电连接，粘度控制装置28和磁流变液载液补充装置29分别设置在箱体32上部的另一侧，粘度检测装置31设在箱体32内的下部，粘度检测装置31与粘度控制装置28电连接，粘度控制装置28与磁流变液载液补充装置29电连接，磁流变液载液补充装置29与箱体32之间连接有管路30。本发明的抛光方法具有如下优点：用超声波磁流变复合抛光，能量集中作用于加工区域，提高了加工质量和效率；采用小直径的中空抛光工具头，适用于加工具有较小曲率半径的凹曲面光学元件，尤其适于深凹面光学元件的加工；与数控技术相结合，不仅能加工球面，还能加工非球面，并可推广应用于加工自由曲面光学元件。本发明的抛光装置具有结构简单、紧凑、操作方便、加工精度高的优点。本发明在非球面光学元件的超精密加工领域中有很大的应用价值。实验证明，经本发明方法抛光后的光学玻璃(K9)表面粗糙度已经达到纳米级。
附图说明：
图1是本发明抛光装置的结构示意图，图2是具体实施方式三的结构示意图。图3是具体实施方式四的结构示意图。图4为搅拌、恒温及恒粘度控制装置11的结构示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：本实施方式的抛光方法其步骤如下：一、在搅拌、恒温及恒粘度控制装置中加入混有磨料的磁流变抛光液，并将工件固定在工件数控工作台面的夹具上；启动泵，使混有磨料的磁流变抛光液靠泵的压力，经循环管路等从工具头的内孔流出。二、启动电主轴、超声波发生装置，同时给电磁铁通电，使工具头表面的磁流变抛光液粘度在毫秒级时间内迅速增大，变为半固体状，形成柔性抛光头，随工具头旋转并作高频振动。三、主轴数控工作台控制抛光头的位置，加工工件由工件数控工作台带动，形成要求的加工轨迹，最终获得高精度的光学表面。四、抛光后的磁流变液进入回收槽，流入搅拌、恒温及恒粘度控制装置，再由泵抽出，通过循环管路进入旋转接头，经内部通路，从工具头的内孔流出，如此反复，从而实现磁流变液的循环使用，并始终保持稳定的抛光特性。所述超声波发生装置的振动频率≥16千赫，一般为16-1000千赫；所述工具头的旋转速度≤10000转/分；所述电磁铁的磁感应强度≥1000高斯，一般为1000-20000高斯。
具体实施方式二：(参见图1、图4)超声波磁流变复合抛光装置，它由电主轴1、主轴数控工作台2、超声波发生装置3、电磁铁4、中空的工具头5、夹具7、工件数控工作台8、床身9、回收槽10、搅拌、恒温及恒粘度控制装置11、下循环管路12、泵14、上循环管路15、旋转接头16及内部通路17组成，其特征在于主轴数控工作台2的右端与床身9上部的左端固定连接，电主轴1的一侧与主轴数控工作台2的左端固定连接，超声波发生装置3的上端与电主轴1的输出端固定连接，中空的工具头5的上端与超声波发生装置3的下端固定连接，电磁铁4空套在超声波发生装置3下部(需保证电磁铁的骨架与超声波发生装置不接触)，电磁铁或固定在电主轴1上，或固定在主轴数控工作台2上，可控制工具头周围的磁场强度，以控制磁流变液的流变特性(亦可采用永磁铁)。工件数控工作台8的下端与床身9的基部上端固定连接，夹具7的下端与工件数控工作台8的上端面固定连接，回收槽10固定在夹具7外围的工件数控工作台8上，下循环管路12的上端与回收槽10的下端相连接，下循环管路12的下端与搅拌、恒温及恒粘度控制装置11的上端相连接，上循环管路15的下端与搅拌、恒温及恒粘度控制装置11的下侧相连接，上循环管路15上串接有泵14，旋转接头16固定在电主轴1的上端，上循环管路15的上端与旋转接头16相连接，电主轴1、超声波发生装置3和中空的工具头5内设有内部通道17，内部通道17的上端与旋转接头16相连通。搅拌、恒温及恒粘度控制装置11由电机及减速器22、传动轴23、搅拌叶片24、冷却装置25、温度传感器26、温度控制装置27、粘度控制装置28、磁流变液载液补充装置29、管路30、粘度检测装置31及箱体32组成。其中电机及减速器22的输出轴与传动轴23上端相连，传动轴23下端与搅拌叶片24相连，这样，电机及减速器22可带动搅拌叶片24旋转，实现磁流变液的搅拌。冷却装置25围绕在箱体32外壁，由温度传感器26检测磁流变液的温度并传给温度控制装置27，再由温度控制装置27控制冷却装置25，从而实现磁流变液的恒温控制。磁流变液的粘度控制实现如下：粘度检测装置31检测磁流变液的粘度，并将检测结果传给粘度控制装置28，粘度控制装置28控制磁流变液载液补充装置29的载液流出量，载液经磁流变液载液补充装置29下端的管路30流入箱体32中。这样，通过搅拌、恒温及恒粘度控制，保证磁流变液始终具有稳定的抛光特性。若加工回转曲面，需三坐标数控系统(由工件数控工作台8与主轴数控工作台2共同构成)；若加工自由曲面，需五坐标数控系统。中空的工具头5的加工端为球形，加工时，磁流变液13分布在中空的工具头5的球形表面上作用于夹具7上的工件16。
具体实施方式三：(参见图2)本实施方式与具体实施方式一的不同点在于，由电机18、联轴器19、主轴箱20、主轴21替换电主轴1，电机18的输出端与主轴箱20的输入端之间用联轴器19联接，主轴箱20上的主轴21与超声波发生器3固定连接，其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：(参见图3)本实施方式与具体实施方式一的不同点在于，取消了电主轴1和旋转接头16，超声波发生装置3固定在主轴数控工作台2的左端。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。