CN110170887B - 一种激光与磁流变液耦合抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光与磁流变液耦合抛光装置，该装置包括激光发射器、激光导轨、电磁铁、抛光轮、可旋转支架、激光导轨滑块、底座、工件进给装置和磁流变液循环装置。本装置将磁流变与激光耦合作用用于抛光，加工效率和加工精度高，加工质量好，加工条件易控制。磁流变液在电磁铁的磁场作用下变为类固体，相对于一个个柔性磨头，在抛光轮带动下和工件产生相对运动，起到打磨抛光的作用。激光能够通过热传导将热量传递到工件的表面，降低工件表面的抗剪切力，软化表面，提高抛光效率和质量。工件进给装置实现对形状不规则的零件的各个位置的精密加工。磁流变液循环装置实现磁流变液的循环利用。本装置机械设计巧妙，制造成本低。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，具体是一种激光与磁流变液耦合抛光装置。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对精密仪器以及测量精度的要求也越来越高，尤其是在光学领域。由于当前追求光学***拥有高分辨率、大视场等特点，故普遍采用非球面镜设计，但受抛光工具尺寸等诸多因素的影响，小曲率半径凹非球面和自由曲面元件的超精密加工技术是目前光学加工所面临的巨大难题。
目前抛光技术大致分为直接接触抛光、界面反应抛光(准接触抛光)和非接触抛光。直接接触抛光是抛光盘和工件在抛光过程中直接接触，依靠抛光磨料的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料，其优点是设备简单、工艺条件易于保证，但效率低下、周期长、成本高而且加工质量无法保证。界面反应抛光是利用固相反应或水合反应在工件表面生成反应物，再通过抛光盘的摩擦力将其去除。非接触抛光是指工件不与抛光盘接触，在非接触状态下只让磨料流经被加工表面来进行抛光的方法。非接触抛光的去除量极小，可用于加工功能晶体材料元件和光学元件。这些抛光技术在成本、效率以及抛光精度上都存在或多或少的缺陷，因此需要一种比较综合的抛光方法，而磁流变抛光已被证明是一种有效的超光滑低损伤的加工技术。
磁流变液在未加磁场时，就如普通流体一样；加上一定强度磁场后，磁流变液会迅速变为具有粘塑性的Bingham介质，磁场消失后又可以变回为流动的液体。磁流变抛光技术正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间的快速相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。
申请号为201310229989.9的文献公开了一种磁流变平面往复抛光装置，工件固定在非导磁夹具上，夹具与工件轴之间设有软磁板，装有磁流变液的载液槽位于夹具下部，抛光时工件浸入磁流变液中。在软磁板和电磁铁作用下工作区域产生匀强磁场，工作时，位于载液槽下部的电磁铁由往复传动机构驱动，如此磁流变液形成的“小磨头”与工件抛光表面平行作直线往复移动，配合工件转动，达到精密抛光的目的。这种抛光装置优点是结构简单，操作方便，易于加工狭长工作面；缺点是加工效率低，表面粗糙度不达标，加工工件形状受限制，无法对各点进行抛光，磁流变液无法循环使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种激光与磁流变液耦合抛光装置。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种激光与磁流变液耦合抛光装置，其特征在于该装置包括激光发射器、激光导轨、电磁铁、抛光轮、可旋转支架、激光导轨滑块、底座、工件进给装置和磁流变液循环装置；所述磁流变液循环装置包括回收漏斗、回收磁流变液蠕动泵、磁流变液搅拌箱、喷射磁流变液蠕动泵、磁流变液喷嘴、中空支撑管、喷嘴转盘和喷嘴定位盘；
所述激光导轨固定于底座上；可旋转支架的顶部安装有激光发射器，底部固定有激光导轨滑块；激光导轨滑块与激光导轨配合；所述抛光轮可转动安装于底座上；所述电磁铁固定于底座上，位于抛光轮正下方；所述回收漏斗通过中空支撑管固定于底座上；回收漏斗与中空支撑管连通；喷嘴定位盘固定于底座上；喷嘴转盘可转动安装于喷嘴定位盘中并通过喷嘴定位盘实现定位；磁流变液喷嘴固定于喷嘴转盘上；回收漏斗通过中空支撑管和导管与磁流变液搅拌箱连通，导管上安装有回收磁流变液蠕动泵；磁流变液喷嘴通过导管与磁流变液搅拌箱连通，导管上安装有喷射磁流变液蠕动泵。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本装置将磁流变与激光耦合作用用于抛光，加工效率和加工精度高，加工质量好，加工条件易控制，绿色环保无噪声污染，表面粗糙度低，可以达到0.1μm。磁流变液在电磁铁的磁场作用下变为类固体，相对于一个个柔性磨头，在抛光轮带动下和工件产生相对运动，起到打磨抛光的作用。激光能够通过热传导将热量传递到工件的表面，降低工件表面的抗剪切力，软化表面，提高抛光效率和质量。
(2)通过工件进给装置使得夹具带动工件能够沿X、Y和Z方向自由移动，实现对形状不规则的零件的各个位置的精密加工，工件形状不受限制且抛光程度可控，实现了全方位定点抛光。
(3)当磁流变液离开磁场时又会变为液体，在抛光轮作用下被离心力带到磁流变液循环装置中，实现磁流变液的循环利用。
(4)采用电磁铁的方式控制磁场强度，可根据抛光需要实时控制场强，配合工件进给装置实现高精度抛光工件。
(5)可根据工件与抛光轮的位置，通过可旋转支架和激光导轨滑块调整激光发射器的位置和角度，将激光准确发射到与工件作用的磁流变液上。
(6)磁流变液喷嘴安装在喷嘴转盘上，可根据加工位置旋转到合适的仰角，通过喷嘴定位盘固定，实现精密加工。
(7)本装置大大简化了结构规模，机械设计巧妙，操作简单，制造成本低，普适性强，在提高效率的同时确保高质量抛光也降低了维护成本。
附图说明
图1为本发明一种实施例的整体结构轴测示意图。
图2为本发明一种实施例的整体结构主视示意图。
图3为本发明一种实施例的整体结构俯视示意图。
图4为本发明一种实施例的工件进给装置轴测示意图。
图5为本发明一种实施例的顶部支架与Z轴支架安装示意图。
图6为本发明一种实施例的夹具顶梁与顶部支架安装示意图。
图7为本发明一种实施例的整体结构去掉工件进给装置后的轴测示意图。
图8为本发明一种实施例的磁流变液循环装置轴测示意图。
图9为本发明一种实施例的夹具轴测示意图。
图中：1、夹具顶梁；2、顶部支架；3、Z轴支架；4、Z轴主支撑架；5、激光发射器；6、回收漏斗；7、激光导轨；8、回收磁流变液蠕动泵；9、磁流变液搅拌箱；10、喷射磁流变液蠕动泵；11、电磁铁；12、抛光轮；13、磁流变液喷嘴；14、液压杆；15、夹具；16、Z轴支架电机；17、Z轴支架滚珠丝杠；18、顶部支架电机；19、顶部支架滚珠丝杠；20、中空支撑管；21、工件；22、立柱支架；23、Z轴支架导轨；24、顶部支架导轨；25、立柱支架导轨；26、可旋转支架；27、立柱支架导轨滑块；28、Z轴支架导轨滑块；29、顶部支架导轨滑块；30、激光导轨滑块；31、抛光轮轴承座；32、喷嘴转盘；33、喷嘴定位盘；34、底座；35、顶部支架丝杠螺母；36、夹具顶梁丝杠螺母。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种激光与磁流变液耦合抛光装置(简称装置，参见图1-9)，其特征在于该装置包括激光发射器5、激光导轨7、电磁铁11、抛光轮12、可旋转支架26、激光导轨滑块30、底座34、工件进给装置和磁流变液循环装置；
工件进给装置包括夹具顶梁1、顶部支架2、Z轴支架3、Z轴主支撑架4、液压杆14、夹具15、Z轴支架电机16、Z轴支架滚珠丝杠17、顶部支架电机18、顶部支架滚珠丝杠19、立柱支架22、Z轴支架导轨23、顶部支架导轨24、立柱支架导轨25、立柱支架导轨滑块27、Z轴支架导轨滑块28、顶部支架导轨滑块29、顶部支架丝杠螺母35和夹具顶梁丝杠螺母36；所述磁流变液循环装置包括回收漏斗6、回收磁流变液蠕动泵8、磁流变液搅拌箱9、喷射磁流变液蠕动泵10、磁流变液喷嘴13、中空支撑管20、喷嘴转盘32和喷嘴定位盘33；
若干根立柱支架22均匀固定在底座34上(本实施例是四根立柱支架22固定在底座34的四角)，其上均固定有立柱支架导轨25；Z轴支架3上均匀固定有立柱支架导轨滑块27(本实施例是Z轴支架3的四角均固定有一个立柱支架导轨滑块27)，立柱支架导轨滑块27与各自的立柱支架导轨25配合；Z轴主支撑架4固定在底座34上，其上固定有液压杆14(本实施例是两个Z轴主支撑架4对称固定在底座34中部，其上分别固定一个液压杆14)；液压杆14的输出端与Z轴支架3连接，实现Z轴支架3沿Z向的移动；Z轴支架3的顶部固定有Z轴支架导轨23，顶部支架2的底部固定有Z轴支架导轨滑块28，Z轴支架导轨滑块28与各自的Z轴支架导轨23配合；Z轴支架电机16固定于Z轴支架3上，其输出端与Z轴支架滚珠丝杠17固定连接；顶部支架2底部固定有顶部支架丝杠螺母35，Z轴支架滚珠丝杠17与顶部支架丝杠螺母35配合，实现顶部支架2沿Y向的移动；顶部支架2的顶部固定有顶部支架导轨24，夹具顶梁1的底部固定有顶部支架导轨滑块29，顶部支架导轨滑块29与各自的顶部支架导轨24配合；顶部支架电机18固定于顶部支架2上，其输出端与顶部支架滚珠丝杠19固定连接；夹具顶梁1的底部固定有夹具顶梁丝杠螺母36，顶部支架滚珠丝杠19与夹具顶梁丝杠螺母36配合，实现夹具顶梁1沿X向的移动；夹具15固定于夹具顶梁1上；加工时工件21固定于夹具15底部，夹具15带动工件21可实现在X、Y和Z方向的自由移动，实现对不规则形状零件的各个位置的精确加工；
所述激光导轨7固定于底座34上；可旋转支架26的顶部安装有激光发射器5，可根据加工位置调整激光发射仰角，底部固定有激光导轨滑块30；激光导轨滑块30与激光导轨7配合实现滑动，根据加工需要移动激光发射器5的位置；所述抛光轮12通过抛光轮轴承座31和轴承可转动安装于底座34上，位于在底座34的中心位置、Z轴主支撑架4的内侧；所述电磁铁11固定于底座34上，位于抛光轮12正下方，通过改变通入电流的大小，获得合适的磁场强度；所述回收漏斗6通过中空支撑管20固定于底座34上，位于激光发射器5和抛光轮12之间；回收漏斗6与中空支撑管20连通；喷嘴定位盘33固定于底座34上；喷嘴转盘32通过滚动轴承和轴配合可转动安装于喷嘴定位盘33中并通过喷嘴定位盘33实现定位(本实施例是调整好位置后通过键固定喷嘴转盘32的位置)；磁流变液喷嘴13固定于喷嘴转盘32上；磁流变液喷嘴13与回收漏斗6位于抛光轮12两侧，三者的中心在一条直线上；回收漏斗6通过中空支撑管20和导管与磁流变液搅拌箱9连通，导管上安装有回收磁流变液蠕动泵8；磁流变液喷嘴13通过导管与磁流变液搅拌箱9连通，导管上安装有喷射磁流变液蠕动泵10。
优选地，Z轴支架电机16和顶部支架电机18均采用三相进步电机。
优选地，Z轴主支撑架4和抛光轮轴承座31的中轴线共线。
优选地，回收漏斗6的漏斗口设置在距离抛光轮1-2mm处(即回收漏斗6距离抛光轮12的最近距离为1-2mm)，回收漏斗6的安装高度为抛光轮半径。
本发明的工作原理和工作流程是：
1、将工件21固定在夹具15上，通过Z轴支架电机16和Z轴支架滚珠丝杠17控制工件21沿Y向移动，通过顶部支架电机18和顶部支架滚珠丝杠19控制工件21沿X向移动，通过液压杆14控制工件21沿Z向移动，使得工件21的一个部位位于待抛光区域。
2、开始抛光工件21此部位，根据需要调整抛光轮12的转速，根据需要改变电流大小控制电磁铁11形成的磁场强度。根据需要可通过喷嘴转盘32调整磁流变液喷嘴13的发射仰角。然后，先后打开回收磁流变液蠕动泵8和喷射磁流变液蠕动泵10，磁流变液在喷射磁流变液蠕动泵10的驱动下，经过磁流变液喷嘴13向抛光轮12喷射磁流变液，在电磁铁11的作用下变成类固体状态的磁流变液。接通激光发射器5的电源，通过可旋转支架26和激光导轨滑块30调整激光发射器5的位置和角度，将激光发射到与工件21作用的磁流变液(即抛光轮12顶部的磁流变液)上，降低工件表面的抗剪切力。抛光轮12带动类固体状态的磁流变液与工件21形成相对运动，进行抛光。磁流变液离开磁场作用区域后变为胶体或液体，由于场强下降，此时磁流变液与抛光轮12的摩擦力小于抛光轮12的离心力，被抛光轮12的离心力带到回收漏斗6上，在回收磁流变液蠕动泵8的作用下进入磁流变液搅拌箱9，混合均匀后，在喷射磁流变液蠕动泵10的作用下，再次经磁流变液喷嘴13喷到工件21上，实现磁流变液的循环利用。
3、通过工件进给装置调整工件21的位置，使得工件21的另一个部位位于待抛光区域。根据步骤2，完成此部位的抛光。
4、重复步骤3，完成整个工件21的抛光。
Claims (3)
1.一种激光与磁流变液耦合抛光装置，其特征在于该装置包括激光发射器、激光导轨、电磁铁、抛光轮、可旋转支架、激光导轨滑块、底座、工件进给装置和磁流变液循环装置；所述磁流变液循环装置包括回收漏斗、回收磁流变液蠕动泵、磁流变液搅拌箱、喷射磁流变液蠕动泵、磁流变液喷嘴、中空支撑管、喷嘴转盘和喷嘴定位盘；
所述激光导轨固定于底座上；可旋转支架的顶部安装有激光发射器，底部固定有激光导轨滑块；激光导轨滑块与激光导轨配合；所述抛光轮可转动安装于底座上；所述电磁铁固定于底座上，位于抛光轮正下方；所述回收漏斗通过中空支撑管固定于底座上；回收漏斗与中空支撑管连通；喷嘴定位盘固定于底座上；喷嘴转盘可转动安装于喷嘴定位盘中并通过喷嘴定位盘实现定位；磁流变液喷嘴固定于喷嘴转盘上；回收漏斗通过中空支撑管和导管与磁流变液搅拌箱连通，导管上安装有回收磁流变液蠕动泵；磁流变液喷嘴通过导管与磁流变液搅拌箱连通，导管上安装有喷射磁流变液蠕动泵；
磁流变液喷嘴与回收漏斗位于抛光轮两侧，三者的中心在一条直线上；
工件进给装置包括夹具顶梁、顶部支架、Z轴支架、Z轴主支撑架、液压杆、夹具、Z轴支架电机、Z轴支架滚珠丝杠、顶部支架电机、顶部支架滚珠丝杠、立柱支架、Z轴支架导轨、顶部支架导轨、立柱支架导轨、立柱支架导轨滑块、Z轴支架导轨滑块、顶部支架导轨滑块、顶部支架丝杠螺母和夹具顶梁丝杠螺母；若干根立柱支架均匀固定在底座上，其上均固定有立柱支架导轨；Z轴支架上均匀固定有立柱支架导轨滑块，立柱支架导轨滑块与各自的立柱支架导轨配合；Z轴主支撑架固定在底座上，其上固定有液压杆；液压杆的输出端与Z轴支架连接；Z轴支架的顶部固定有Z轴支架导轨，顶部支架的底部固定有Z轴支架导轨滑块，Z轴支架导轨滑块与各自的Z轴支架导轨配合；Z轴支架电机固定于Z轴支架上，其输出端与Z轴支架滚珠丝杠固定连接；顶部支架底部固定有顶部支架丝杠螺母，Z轴支架滚珠丝杠与顶部支架丝杠螺母配合；顶部支架的顶部固定有顶部支架导轨，夹具顶梁的底部固定有顶部支架导轨滑块，顶部支架导轨滑块与各自的顶部支架导轨配合；顶部支架电机固定于顶部支架上，其输出端与顶部支架滚珠丝杠固定连接；夹具顶梁的底部固定有夹具顶梁丝杠螺母，顶部支架滚珠丝杠与夹具顶梁丝杠螺母配合；夹具固定于夹具顶梁上。
2.根据权利要求1所述的激光与磁流变液耦合抛光装置，其特征在于回收漏斗的漏斗口设置在距离抛光轮1-2mm处，回收漏斗的安装高度为抛光轮半径。
3.根据权利要求1所述的激光与磁流变液耦合抛光装置，其特征在于Z轴支架电机和顶部支架电机均采用三相进步电机。
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