CN103317413A

CN103317413A - 电磁自激振动电流变复合抛光方法及装置

Info

Publication number: CN103317413A
Application number: CN2013102780840A
Authority: CN
Inventors: 程灏波; 王谭; 杨昊; 苏景诗; 冯云鹏; 管祥彪; 谭汉元
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: CN103317413B

Abstract

本发明公开了一种属于精密光学表面加工领域的抛光方法及装置。本发明的装置中工具头数控台和工件数控台与床身固定；工具头支架背面安装在工具头数控台上，上端通过电机支架固定有电机，内侧与电磁自激振动装置的外壳固定；电磁自激振动装置内部转动部件上端与电机转子下端固定，下端与延长柱上端固定；延长柱上套有高压集电环，底部安装有电场发生装置；载物台安装于工件数控台上。外部引入的高压电场使电场发生装置附近的电流变抛光液发生电流变效应，形成具有一定去除能力的柔性抛光头，并在电机和电磁自激振动装置的带动下旋转和振动，实现抛光。本发明装置结构紧凑、简单、操作方便，特别适合于小曲率曲面的高效、高精度加工。

Description

电磁自激振动电流变复合抛光方法及装置

技术领域

本发明涉及超精密光学加工技术领域，尤其是涉及对光学元件加工的电磁自激振动电流变复合抛光方法及装置。

技术背景

随着科学技术的不断发展，人们对光学元件的要求也渐渐提高，因此伴随着新的抛光技术应运而生。在1999年，电流变抛光技术(Electrorheological Finishing，简称ERF)应用于抛光领域；电流变液是由介于纳米与微米尺度之间的介电颗粒与高绝缘液体混合而成的复杂流体，在施加电场时，介电颗粒在感应偶极矩的作用下，沿着电场线的方向形成链状、柱状结构，这些链状、柱状结构改变了电流变液体的流变特性，从而改变电流变液的表观粘度，并且它的屈服强度随着外加电场强度的增大而增加；因此在电流变液中混入磨料后，当施加外加电场时，电流变液抛光液在工具电极附近就会形成具有一定表观粘度和剪切力的柔性抛光头，并跟随工具电极运动对工件表面产生剪切，实现抛光。电流变液抛光技术具有无亚表面损伤、有利于获得较高的表面粗糙度和超光滑表面、污染小和适用性广泛等的优点。

目前应用这种技术的工具主要有针状电极、平行平板电极和轮状电极；采用传统的针状电流变抛光工具进行抛光时，抛光区域中心处由于线速度为零，同时由于传统工具正负电极都是采用分离式安装(即正极旋转，负极固定不动或正极不动，负极旋转)，导致正负电极之间的电力线会因电极的高速旋转而发生断裂，从而影响电流变效应的稳定性；采用平行平板电极式结构有效的解决了电场断裂的现象，同时在一定程度上增加了电流变抛光液的旋转速度，但是同样存在着去除效率低的问题；通过采用轮状电极带动电流变抛光液旋转，有效的增加了抛光的线速度，从而使得加工效率得到明显的提高，但是为了保证加工去除的效率，轮状电极半径应该保证在一定范围内，因此导致所能加工曲面面型的曲率受到了限制。

发明内容

本发明针对以上问题提出了电磁自激振动电流变复合抛光方法及装置。该抛光装置使用具有旋转使能的平行平板电极电流变抛光机构能够实现小曲率曲面的高精度加工；通过合理引入电磁自激振动实现电场发生装置的高速纵向往复运动，从而对由电流变效应产生的柔性磨头产生纵向作用，提高加工效率。

本发明解决的技术问题所采用的方案是：

本发明是电磁自激振动电流变复合抛光装置，包括工具头支架、电磁自激振动装置、低压碳刷、电机支架、电机、延长柱、高压集电环、高压碳刷、绝缘柱、电场发生装置、工具头数控台、床身、工件数控台和载物台等。

上述组成部分的连接关系为：

所述工具头支架安装于工具头数控台上；电机通过电机支架与工具头支架固定；电磁自激振动装置的外壳与工具头支架固定，并且其内部转动部件的上端与电机转子下端通过联轴器固定，内部转动部件下端与延长柱上端固定；低压碳刷穿过工具头支架绝缘固定在电磁自激振动装置外壳的两侧；延长柱上固定安装高压集电环，下部安装有电场发生装置；高压集电环两导电环分别与电场发生装置的阳极片和阴极片导通；高压碳刷与高压集电环接触导通，并通过绝缘柱与电磁自激振动装置的外壳固定；工具头数控台和工件数控台安装于床身；载物台安装在工件数控台上。

所述电磁自激振动装置由外壳、低压碳刷、下轴承、下隔磁套、上线圈触头、下线圈、线圈架、上隔磁套、上线圈、下线圈触头、低压集电环、绝缘套、电枢、上铁芯、下铁芯、绝缘振杆、上轴承和上轴承座组成；带有下线圈的下隔磁套通过下轴承旋转安装在电磁自激振动装置的外壳的底部，上线圈触头安装在下隔磁套的内部并与其绝缘，上铁芯和下铁芯分别和电枢的上端和下端固定，下铁芯的底端与上线圈触头的上端面相对，电枢安装于绝缘套内并且具有一定的振动自由度，绝缘套固定在线圈架中，带有上线圈的上隔磁套通过线圈架与下隔磁套固定，下线圈触头安装在上隔磁套内并与之绝缘，下线圈触头的下端面与上铁芯的顶端相对，低压集电环套装在上隔磁套上，两导电环分别与绝缘固定在电磁自激振动装置外壳上的低压碳刷接触，上隔磁套的上端通过上轴承旋转安装在上轴承座上，上轴承座与电磁自激振动装置的外壳固定，绝缘振杆上端安装在下铁芯的下端，通过下隔磁套穿出，并可以相对于下隔磁套纵向***；除外壳、低压碳刷和上轴承座之外的零件构成了电磁自激振动装置的内部转动部件；低压集电环第一导电环通过导线与电枢导通，低压集电环第二导电环一路利用导线依次与上线圈和上线圈触头连接，一路利用导线依次与下线圈和下线圈触头连接。

所述电磁自激振动装置的外壳、上轴承座、线圈架和电枢为低磁导率材料制成，上线圈触头和下线圈触头为高磁导率材料；电磁自激振动装置在初始状态，上铁芯与下线圈触头接触导通。

所述电场发生装置由阳极片、阴极片和绝缘壳组成；阴极片和阳极片平行安装在绝缘壳的两侧，相互不导通，且有部分伸出绝缘壳。

所述电场发生装置和延长柱底部形成一个空腔，腔内可以聚集一定体积的抛光液，且腔的大小可根据延长柱的伸入长度调节。

本发明所述电磁自激振动电流变复合抛光装置的使用方法如下：

工作时，工件固定安装在载物台上；在电场发生装置附近添加电流变抛光液；外部通过高压碳刷和高压集电环给电场发生装置施加一定的电压，使电流变抛光液形成具有一定去除能力的柔性抛光头；工具头数控台和工件数控台带动抛光工具头和工件运动到指定位置后，电机依次通过电磁自激振动装置内部转动部件和延长柱带动电场发生装置旋转，电磁自激振动装置在低压碳刷通电后通过延长柱带动电场发生装置沿纵向做高速振动；进而带动电流变抛光液相对于工件旋转和振动，实现高效和高精度加工。

有益效果：本发明的目的是解决电流变抛光技术目前所存在的问题。该抛光装置使用具有旋转使能的片状电极电流变抛光，即柔性小工具头；通过使用电磁自激振动装置实现电场发生装置的纵向高速振动，进而作用于由电流变效应产生的柔性抛光头；因此由柔性工具头和工件间相对的高速旋转和振动产生的切削作用和空化作用，使得加工效率有效的提高。该装置不仅能够适用于普通面型而且特别适用于小曲率曲面的高效、高精度加工，更进一步能够推广应用于自由曲面光学元件的加工。抛光设备具有结构简单、紧凑、操作方便、加工精度高的优点。

说明书附图

图1为本发明电磁自激振动电流变复合抛光装置示意图。

图2为本发明抛光装置的电磁自激振动装置示意图。

图3为本发明抛光装置的电磁自激振动装置中心剖面图。

图4为本发明抛光装置的抛光工具电流变磨头部分剖面图。

图5为本发明抛光装置的抛光工具剖面图。

图6为本发明抛光装置的抛光工具加工运动使能图。

其中：1-工具头支架，2-电磁自激振动装置，3-低压碳刷，4-电机支架，5-电机，6-延长柱，7-高压集电环，8-高压碳刷，9-电场发生装置，10-工具头数控台，11-床身，12-工件数控台，13-载物台，14-工件，15-电流变抛光液，16-外壳，17-下轴承，18-下隔磁套，19-上线圈触头，20-下线圈，21-线圈架，22-上隔磁套，23-上线圈，24-下线圈触头，25-低压集电环，26-绝缘套，27-电枢，28-上铁芯，29-下铁芯，30-绝缘振杆，31-上轴承，32-上轴承座，33-绝缘柱，34-阳极片，35-阴极片，36-绝缘壳。

具体实施方案

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。如图1，电磁自激振动电流变复合抛光装置示意图，包括工具头支架1、电磁自激振动装置2、低压碳刷3、电机支架4、电机5、延长柱6、高压集电环7、高压碳刷8、电场发生装置9、工具头数控台10、床身11、工件数控台12和载物台13。

其中，工具头支架1安装于工具头数控台10上；电机5通过电机支架4与工具头支架1固定；电磁自激振动装置2的外壳16与工具头支架1固定，并且其内部旋转部件的上端与电机5转子下端固定，内部旋转部件的下端与延长柱6上端固定；低压碳刷3穿过工具头支架1并绝缘安装在电磁自激振动装置2的外壳16的两侧；延长柱6上安装有高压集电环7，下部安装有电场发生装置9；高压集电环7的两个导电环和电场发生装置9导通；高压碳刷8通过绝缘柱33固定在电磁自激振动装置2的外壳16上，并且高压电刷8的两个触头分别与高压集电环7的两个导电环接触；工具头数控台10和工件数控台12安装在床身11上；载物台13安装在工件数控台12上。

图3为本发明抛光装置的电磁自激振动装置2中心剖面图。电磁自激振动装置2由外壳16、低压碳刷3、下轴承17、下隔磁套18、上线圈触头19、下线圈20、线圈架21、上隔磁套22、上线圈23、下线圈触头24、低压集电环25、绝缘套26、电枢27、上铁芯28、下铁芯29、绝缘振杆30、上轴承31和上轴承座32组成；带有下线圈20的下隔磁套18通过下轴承17旋转安装在电磁自激振动装置2外壳16的底部；上线圈触头19安装在下隔磁套18的内部并与其绝缘；上铁芯28的下端与电枢27的上端固定，下铁芯29的上端与电枢27的下端固定；下铁芯29的下端面与上线圈出头19的上端面相对；电枢27安装在绝缘套26内，并且相对于绝缘套26有且只有沿纵向振动的自由度；绝缘套26固定在线圈架21内；带有上线圈23的上隔磁套22通过线圈架21与下隔磁套18固定；下线圈触头24安装在上隔磁套22内并与之绝缘，下端面与上铁芯28的上端面相对；低压集电环25套装在上隔磁套22上，两导电环分别与绝缘固定在电磁自激振动装置2外壳16上的低压碳刷3接触并导通；上隔磁套22的上端通过上轴承31旋转安装在上轴承座32上，上轴承座32与电磁自激振动装置2外壳16固定；绝缘振杆30上端安装在下铁芯29的下端，通过下隔磁套18穿出，并可以相对于下隔磁套18***；除外壳16、低压碳刷3和上轴承座32之外的零件构成了电磁自激振动装置2的内部转动部件；低压集电环25第一导电环通过导线与电枢27导通，低压集电环25第二导电环一路利用导线依次与上线圈23和上线圈触头19连接，另一路利用导线依次与下线圈20和下线圈触头24连接；电磁自激振动装置2通电之前，上铁芯28与下线圈触头24接触导通。

其中，电磁自激振动装置2的外壳16、上轴承座32、线圈架21和电枢27为低磁导率材料制成，上线圈触头19和下线圈触头24为高磁导率材料。低压碳刷3通电后，电枢27、上铁芯28、下线圈触头24、下线圈20和外部电源构成的第一回路激发下线圈20工作，通过电磁力将下铁芯29向下拉向上线圈触头19，使得第一回路断开，同时导致由电枢27、下铁芯29、上线圈触头19、上线圈23和外部电源构成的第二回路导通激发上线圈23工作，从而将上铁芯28拉回初始位置；如此往复，形成自激振动，带动绝缘振杆30纵向往复运动。电机5的转子下端与电磁自激振动装置2的内部旋转部件的上隔磁套22的上端固定，电机5通电后，依次通过上隔磁套22、线圈架21、绝缘套26、电枢27和下铁芯29带动绝缘振杆30旋转。

图4为本发明抛光装置的抛光工具电流变磨头部分剖面图。其中电场发生装置9由阳极片34、阴极片35和绝缘壳36组成；阴极片35和阳极片34平行安装在绝缘壳36内的两侧，相互不导通，且有部分伸出绝缘壳36。延长柱6上端与绝缘振杆30下端固定，下端伸入到电场发生装置9内并固定，并和电场发生装置9形成一个腔，腔内可以聚集一定体积的电流变抛光液15，且腔的大小可根据延长柱6伸入电场发生装置9的长度调节。高压碳刷8的刷头与高压集电环7的两导电环接触导通，并通过绝缘柱33与电磁自激振动装置2的外壳16固定。

图5为本发明抛光装置的抛光工具整体的剖面图。

图6为本发明抛光装置的抛光工具加工运动使能图。工作时，工件14固定安装在载物台13上；在电场发生装置9附近添加电流变抛光液15；外部通过高压碳刷8和高压集电环7给电场发生装置9施加一定的电压，使阳极片34和阴极片35之间产生一定强度的电场，电流变抛光液15在此电场的作用下形成具有一定去除能力的柔性抛光头；工具头数控台10和工件数控台12带动抛光工具头和工件14运动到指定位置后；通电电机5依次通过电磁自激振动装置2内上隔磁套22、线圈架21、绝缘套26、电枢27、下铁芯29、绝缘振杆30和延长柱6带动电场发生装置9旋转；外部电源通过低压碳刷3激发电磁自激振动装置2工作，通过延长柱6带动电场发生装置9沿纵向高速往复运动；从而通过电场发生装置9带动电流变抛光液15相对于工件14高速旋转和振动，实现高效和高精度加工。

Claims

1.电磁自激振动电流变复合抛光装置，包括工具头支架、电磁自激振动装置、低压碳刷、电机支架、电机、延长柱、高压集电环、高压碳刷、绝缘柱、电场发生装置、工具头数控台、床身、工件数控台和载物台等；上述组成部分的连接关系为：所述工具头支架安装于工具头数控台上；电机通过电机支架与工具头支架固定；电磁自激振动装置的外壳与工具头支架固定，并且其内部转动部件的上端与电机转子下端通过联轴器固定，内部转动部件下端与延长柱上端固定；低压碳刷穿过工具头支架绝缘固定在电磁自激振动装置外壳的两侧；延长柱上固定安装高压集电环，下部安装有电场发生装置；高压集电环两导电环分别与电场发生装置的阳极片和阴极片导通；高压碳刷与高压集电环接触，并通过绝缘柱与电磁自激振动装置的外壳固定；工具头数控台和工件数控台安装于床身；载物台安装在工件数控台上。

2.电磁自激振动电流变复合抛光方法，其步骤如下：工作时，工件固定安装在载物台上；在电场发生装置附近添加电流变抛光液；外部通过高压碳刷和高压集电环给电场发生装置施加一定的电压，使电流变抛光液形成具有一定去除能力的柔性抛光头；工具头数控台和工件数控台带动抛光工具头和工件运动到指定位置后，电机依次通过电磁自激振动装置内部转动部件和延长柱带动电场发生装置旋转，电磁自激振动装置在低压碳刷通电后通过延长柱带动电场发生装置沿纵向做振动；进而带动电流变抛光液相对于工件旋转和振动，实现高效和高精度加工。

3.根据权利要求1所述的电磁自激振动电流变复合抛光装置，其特征在于：所述电磁自激振动装置由外壳、低压碳刷、下轴承、下隔磁套、上线圈触头、下线圈、线圈架、上隔磁套、上线圈、下线圈触头、低压集电环、绝缘套、电枢、上铁芯、下铁芯、绝缘振杆、上轴承和上轴承座组成；带有下线圈的下隔磁套通过下轴承旋转安装在电磁自激振动装置的外壳底部，上线圈触头安装在下隔磁套的内部并与其绝缘，上铁芯和下铁芯分别和电枢的上端和下端固定，电枢安装于绝缘套内并且具有一定的振动自由度，绝缘套固定在线圈架中，带有上线圈的上隔磁套通过线圈架与下隔磁套固定，下线圈触头安装在上隔磁套内并与之绝缘，低压集电环套装在上隔磁套上，两导电环分别与绝缘固定在电磁自激振动装置外壳上的碳刷接触，上隔磁套的上端通过上轴承旋转安装在上轴承座上，上轴承座与电磁自激振动装置外壳固定，绝缘振杆上端安装在下铁芯的下端，通过下隔磁套穿出，并能够相对于下隔磁套自由纵向振动；除外壳、低压碳刷和上轴承座之外的零件构成了电磁自激振动装置的内部转动部件；低压集电环第一导电环通过导线与电枢导通，低压集电环第二导电环一路利用导线依次与上线圈和上线圈触头连接，一路利用导线依次与下线圈和下线圈触头连接。

4.根据权利要求3所述的电磁自激振动电流变复合抛光装置，其特征在于：所述电磁自激振动装置的外壳、上轴承座、线圈架和电枢为低磁导率材料制成，上线圈触头和下线圈触头为高磁导率材料；电磁自激振动装置在初始状态，上铁芯与下线圈触头接触并导通。

5.根据权利要求1所述的电磁自激振动电流变复合抛光装置，其特征在于：所述电场发生装置由阳极片、阴极片和绝缘壳组成；阴极片和阳极片平行安装在绝缘壳的两侧，相互不导通，且有部分伸出绝缘壳。

6.根据权利要求1所述的电磁自激振动电流变复合抛光装置，其特征在于：所述电场发生装置和延长柱底部形成一个空腔，腔内可以聚集一定体积的抛光液，且腔的大小可根据延长柱的伸入长度调节。