專利名稱：電流變效應(yīng)研磨裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電流變效應(yīng)研磨裝置。
背景技術(shù)：
隨著信息電子化和光電信號傳輸?shù)母咚倩痛笕萘炕?，融合電子技術(shù)和光學技術(shù)的光電子產(chǎn)品的需求越來越大，如CD/DVD光學讀數(shù)頭、光纖通訊中光/電(PD)和電/光(LD)信號轉(zhuǎn)換器、投影儀、激光打印機、分子激光器等，光電產(chǎn)品的核心部件之一就是光路中使用的非球面光學元件(透鏡、反射鏡)，非球面光學元件的制造方法有陶瓷、光學玻璃等硬脆材料的單件小批量機械加工成型和塑料、玻璃等可加熱塑性化材料的工業(yè)量產(chǎn)化模壓加工成型，但模壓模具的非球曲面也需要通過機械加工達到精度要求。非球面光學元件要達到良好的光學性能，非球曲面的加工精度必須達到0.5微米以下的形狀精度和30納米以下表面粗糙度的超光滑程度，非球曲面的加工方法主要有金剛石刀具切削、磨削和研磨及其組合，研磨是最終得到超光滑非球曲面的有效加工方法。
超光滑平面的應(yīng)用也越來越多，如光盤模具表面，最終也需要通過研磨加工達到所需形狀精度和表面粗糙度。具有超光滑表面要求的零件使用的材料越來越多采用光學玻璃、工程陶瓷等硬脆材料。
研磨加工是利用涂敷或壓嵌游離磨料與研磨劑的混合物，在一定剛性的軟質(zhì)研磨工具上，通過研磨工具與工件向磨料施加一定壓力，磨料在研磨工具與工件界面上作滾動與滑動，從被研磨工件表面去除極薄的材料，達到提高工件形狀精度和表面精度的目的。
現(xiàn)有的研磨裝置主要由安裝在連接電機的主軸上的研磨工具和用于安裝工件的連接電機的旋轉(zhuǎn)工作臺構(gòu)成。工作時，將工件安裝在工作臺上，研磨工具與工件之間保持一定的運動關(guān)系，研磨工具對游離磨料施加一定的壓力對工件表面進行研磨加工。
現(xiàn)有的研磨方法主要有(1)由金屬材料制成研磨工具基體，磨料游離或壓嵌在研磨工具表面的機械研磨，例如鑄鐵研磨盤加研磨劑/研磨膏；(2)在機械研磨過程中增加化學/電化學作用的機械化學研磨，他們均屬于游離磨料加工。
現(xiàn)有游離磨料加工方法存在的問題如下游離磨料微粒在研磨工具與工件之間的運動速度、軌跡、滯留時間等都無法有效控制，在研磨工具與工件界面上的游離態(tài)磨料只有較大尺寸的游離磨粒產(chǎn)生加工作用，相當部分的較小尺寸游離磨料未曾與工件表面產(chǎn)生干涉作用即脫離研磨盤與工件界面，造成研磨加工精度和效率低下。對于研磨這種游離磨料加工方法，提高游離磨料加工效率和加工精度的關(guān)鍵是如何確保研磨工具與工件接觸界面具有均勻的磨料濃度分布，并且能長時間穩(wěn)定地保持這一狀態(tài)，現(xiàn)有的機械和化學的研磨方法都無法做到這一點，因而影響了超光滑表面研磨加工的精度和效率。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型針對現(xiàn)有超光滑表面研磨加工技術(shù)存在的問題，提供一種應(yīng)用電流變效應(yīng)研磨裝置，以粒子分散懸浮型電流變液和游離磨料為研磨劑，利用電流變液在電場作用下粘度增大的電流變特性使游離磨料形成陣列式磨粒球團均勻穩(wěn)定地分布于研磨工具表面，由磨粒球團中外圍的多個磨料微粒產(chǎn)生研磨加工作用，消除由于磨料尺寸不均勻的影響，達到高效率高精度研磨加工超光滑表面的效果。
本實用新型的目的在于提供電流變效應(yīng)研磨裝置。
電流變液是由電場強度可以控制其粘度的功能性液體材料的總稱，粒子分散懸浮型電流變液在電場作用下分散粒子成鏈分布，其表觀粘度可比無電場時增大幾個數(shù)量級，使不能抗剪切的液體產(chǎn)生屈服具有明顯的屈服應(yīng)力，這一現(xiàn)電流變效應(yīng)研磨方法是以粒子分散懸浮型電流變液中加入游離磨料作為研磨劑置于研磨工具基體與工件之間，以表面具有尖錐體的研磨工具基體為電場一極，在研磨工具基體與工件之間(研磨工具基體近旁)設(shè)置具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬片作為電場另一極，在兩電極之間施加1000～5000V/mm電壓，構(gòu)成研磨工具，可以對工件進行研磨加工。
粒子分散型電流變液可以是現(xiàn)有的商品化電流變液，也可以是本發(fā)明特制的電流變液，其重量份數(shù)組成如下固體分散顆粒與分散相液體的體積分數(shù)比8～45％；添加劑體積分數(shù)1-5％。粒子分散型電流變液的固體分散顆粒主要有金屬氧化物和金屬鹽無機化合物兩類。
金屬氧化物有二氧化硅(SiO2)、二氧化錫(SnO2)、二氧化鈦(TiO2)、三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、氧化亞銅(CuO)等的其中一種或一種以上混合物；金屬無機鹽類無機化合物有碳酸鈣(CaCO3)、鈦酸鹽、硅鋁酸鹽等的其中一種或一種以上混合物。
分散相液體有硅油，礦物油，變壓器油，錠子油，或煤油等。
添加劑有水、表面活性劑、肥皂水、或脂肪酸。
電流變效應(yīng)研磨方法中在粒子分散型電流變液中加入的游離磨料微粉有碳化硅(SiC)、金剛石、立方氮化鵬(CBN)、三氧化二鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋯(ZrO2)等的其中一種或一種以上混合物，磨料直徑小于10微米，游離磨料與電流變液的重量體積比小于0.3g/cc。
本實用新型的電流變效應(yīng)研磨裝置由安裝在連接電機的主軸上的研磨工具和用于安裝工件的連接電機的工作臺構(gòu)成，其特點是所述研磨工具由研磨工具基體與研磨工具近旁設(shè)置的具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬片和電流變液及游離磨料組成的研磨劑所構(gòu)成，工具基體是電場一極，具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬片作為電場另一極，兩電極間施加1000～5000V/mm電場。
為了實現(xiàn)聚集和約束游離磨料微粒的效果，所述研磨工具基體的表面具有陣列分布的尖錐體形狀。
為了實現(xiàn)對非球曲面、自由曲面的研磨，所述研磨工具的研磨端面整體宏觀上呈平面、弧面或球體形狀。
為了在研磨工具基體表面的尖錐體與安裝在近旁具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬片形成穩(wěn)定電場，所述金屬片是銅片。
本實用新型的作用原理是利用粒子分散懸浮型電流變液在電場作用下分散粒子成鏈分布粘度增大的電流變效應(yīng)，將游離微細磨料混入電流變液體中，游離磨料微粒會被電流變液分散粒子鏈粘接約束在一起，當以尖錐形狀工具為電場的陰極(或陽極)、設(shè)置在附近的具有孔洞的金屬銅片為陽極(或陰極)時電力線一端聚集于工具基體尖錐體的尖端另一端輻射到金屬銅片孔內(nèi)側(cè)，同時電流變粒子鏈產(chǎn)生一端聚集另一端輻射而形成游離磨粒球團，在研磨工具基體表面具有點陣式微小尖錐體分布時就會形成有組織的點陣式分布微小游離磨料球團，當研磨工具與工件之間相對運動時微小游離磨料球團隨之在工件表面形成復雜運動軌跡并產(chǎn)生微切削作用，可以對工件表面實施研磨加工達到超光滑程度。
本實用新型與現(xiàn)有研磨技術(shù)根本的不同表現(xiàn)在1)研磨工具基體表面具有陣列式微小錐尖體分布而不是光滑平面；2)研磨工具與工件界面上產(chǎn)生研磨作用的是陣列的微小游離磨粒球團而不是單層、單個游離磨料，因而減小了游離磨料尺寸不均勻性對加工精度和效率的影響；3)磨料微粒的微切削力是電流變效應(yīng)產(chǎn)生的通過微小游離磨料球團施加于工件表面的，游離磨料球團本身具有效應(yīng)產(chǎn)生的通過微小游離磨料球團施加于工件表面的，游離磨料球團本身具有彈性，作用過程均勻、和緩、可控，而不是機械研磨中通過研磨工具基體與工件之間的機械作用向游離磨料施加的，有利于得到超光滑表面。
上述研磨工具基體形狀可以是平面、弧面和球面；在其工作表面上具有陣列式分布的微小尺寸尖錐體，研磨工具基體為導體與高壓電源的正極(或負極)相連形成電場的陽極(或陰極)，研磨工具與運動機構(gòu)電絕緣。
上述電極銅片上開有點陣分布的孔，孔的分布規(guī)律與研磨工具基體相同，孔直徑尺寸大于研磨工具基體錐尖直徑尺寸，銅片具有適當厚度，銅片與高壓電源負極(或正極)相連形成電場的陰極(或陽極)，電極銅片由絕緣保持架與研磨工具基體相連保持同步運動，電極銅片與工件表面保持一定的間隙，防止劃傷加工表面。
采用具有高壓電絕緣性能和高強度材料的絕緣連接架將電極銅片和研磨工具基體機械聯(lián)結(jié)為一體。
上述高壓電源由220V工頻電源經(jīng)過調(diào)壓、變壓和整流后得到500至5000伏可以線性調(diào)節(jié)的電壓，可以是直流也可以是工頻。電源最大電流強度與研磨工具微尺寸尖錐體數(shù)量有關(guān)，按每個尖錐體5毫安計算。
工件材料為光學玻璃、工程陶瓷等非導電或弱導電硬脆材料，工件與工作臺之間電絕緣。
研磨工具運動機構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)主運動。
加工裝置由工件運動機構(gòu)工作臺和機體等組成，工作臺具有回轉(zhuǎn)或插補關(guān)系運動。
本實用新型的有益效果在研磨工具表面形成的微小游離磨料球團陣列，游離磨料微粒均勻而穩(wěn)定地分布于研磨工具表面并作用于工件加工表面，解決了現(xiàn)有研磨技術(shù)游離磨料在工件界面無法分布均勻和磨料尺寸不均勻影響研磨精度和效率的難題，施加電場的強度決定游離磨料球團的直徑和磨料微粒的結(jié)合強度，加工過程特征介于固定磨料與游離磨料之間，一方面可以始終保持工件加工界面上游離磨料的濃度和均勻性，同時電流變效應(yīng)對游離磨料微粒屬于軟約束離心力和微切削力作用都可能使磨料微粒掙脫，磨粒磨鈍受到過大的切削力時會導致接近固態(tài)的電流變液屈服流動磨粒逃逸，加工過程中的磨粒自我更新機制使鋒利磨料不斷進入磨粒球團參與研磨，微小游離磨料球團的尺寸具有動態(tài)穩(wěn)定性，不需要考慮困擾一般加工過程的工具磨損問題，另一方面微小游離磨料球團本身具有粘彈性，研磨過程中不會象固定磨料磨具損傷工件已加工表面，達到高效率高精度研磨加工目的。


圖1是本實用新型電流變效應(yīng)研磨的工作原理圖；圖2是本實用新型應(yīng)用電流變效應(yīng)形成游離磨料球團的俯視圖；圖3是本實用新型方法使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型方法使用的裝置的另一結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實用新型所用高壓電源原理圖。
圖中各編號含義1—研磨工具基體，2.銅片電極，3.絕緣連接架，4.高壓電源，5.粒子分散型電流液，6.游離磨料微粒，7.工件，8.絕緣層，9.研磨機床主軸，10.機床主軸電機，11.機床主軸傳動機構(gòu)，12.機床主軸移動機構(gòu)，13.旋轉(zhuǎn)工作臺，14.工作臺轉(zhuǎn)動電機，15.工件運動傳動機構(gòu)，16.工作臺轉(zhuǎn)動軸，17.研磨劑噴嘴，18.研磨劑(磨料與粒子分散型電流變液混合液)，19.Z向伺服電機，20.X向伺服電機，21.Y向伺服電機。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步具體的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。
參照圖1、2，本實用新型利用電流變效應(yīng)制作超光滑表面加工用研磨工具，在研磨工具基體微尺寸尖錐體端部形成單點微小游離磨料球團，其基本的構(gòu)成包括表面具有點陣分布錐尖體的研磨工具基體1、銅片電極2、電絕緣連接架3、高壓電源4、粒子分散型電流液體5、磨料微粒6和工件7，由于研磨工具基體尖錐體作為電場一極，銅片作為電場另一極，研磨工具基體錐尖體置于銅片電極孔中央，在電場作用下電流變粒子成鏈分布，一端聚集于錐尖體尖端另一端輻射到銅片孔內(nèi)側(cè)周圍，同時電流變粒子將磨料微粒約束在鏈之間，磨料微粒和電流變粒子構(gòu)成微小游離磨料球團，研磨工具基體的陣列尖錐體形成微小游離磨料球團分布陣列，構(gòu)成電流變效應(yīng)研磨工具。
圖3示出了本實用新型用于超光滑平面研磨加工的具體結(jié)構(gòu)，由圖可見，電絕緣連接架3將研磨工具基體1與銅片電極2機械聯(lián)結(jié)為整體，研磨工具基體1和銅片電極2由高壓電源4施加電場，研磨工具基體與研磨機床主軸由絕緣片8保持電絕緣并機械連接在一起，研磨工具(由1、2、3、4、5、6組成)和研磨機床主軸9在電機10和傳動機構(gòu)11的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，并且在機床主軸移動機構(gòu)12的作用下沿旋轉(zhuǎn)工作臺13的半徑方向移動，工件7安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺13上，電動機14通過傳動機構(gòu)15帶動工件主軸及工作臺13旋轉(zhuǎn)，研磨劑(磨料與粒子分散型電流變液混合液)18通過噴嘴17補充到研磨工具與工件界面。
圖4示出了本實用新型用于超光滑曲面研磨加工的具體結(jié)構(gòu)，由圖可見，研磨工具基體1、銅片電極2、電絕緣連接架3以及粒子分散型電流變液5、游離磨料微粒6和高壓電源4構(gòu)成宏觀的球形研磨工具，研磨工具與研磨機床主軸9連接在一起并經(jīng)過絕緣片8與研磨機床主軸9絕緣，研磨機床主軸9在電機10和傳動機構(gòu)11的驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，在Z向伺服電機19的作用下研磨機床主軸9及研磨工具(由1、2、3、4、5、6組成)可以Z向上下運動，并且可以與工圖5示出了本實用新型用于產(chǎn)生電流變效應(yīng)高壓電源原理圖，220V工頻電源經(jīng)過調(diào)壓、變壓和整流后得到500至5000伏可以調(diào)節(jié)的直流或交流工頻電壓。
權(quán)利要求1.一種電流變效應(yīng)研磨裝置，由安裝在連接電機的主軸上的研磨工具和用于安裝工件的連接電機的工作臺構(gòu)成，其特征在于所述研磨工具由研磨工具基體與研磨工具近旁設(shè)置的具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬片和電流變液及游離磨料組成的研磨劑所構(gòu)成，工具基體是電場一極，具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬片作為電場另一極，兩電極間施加1000～5000V/mm電場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變效應(yīng)研磨裝置，其特征在于上述研磨工具基體形狀可以是平面、弧面或球面；在其工作表面上具有陣列式分布的微小尺寸尖錐體，研磨工具基體為導體與高壓電源的正極或負極相連形成電場的陽極或陰極，研磨工具與運動機構(gòu)電絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流變效應(yīng)研磨裝置，其特征在于上述研磨工具的研磨端面整體宏觀上呈平面、弧面或球體形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變效應(yīng)研磨裝置，其特征在于上述金屬片是銅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的電流變效應(yīng)研磨裝置，其特征在于上述電極銅片上開有點陣分布的孔，孔的分布規(guī)律與研磨工具基體相同，孔直徑尺寸大于研磨工具基體錐尖直徑尺寸，銅片具有適當厚度，銅片與高壓電源負極或正極相連形成電場的陰極或陽極，電極銅片由絕緣保持架與研磨工具基體相連保持同步運動，電極銅片與工件表面保持一定的間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變效應(yīng)研磨裝置，其特征在于上述游離磨料微粉有碳化硅、金剛石、立方氮化鵬、三氧化二鋁、氮化硅、氧化鋯等的其中一種或一種以上混合物，磨料直徑小于10微米，游離磨料與電流變液的重量體積比小于0.3g/cc。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流變效應(yīng)研磨裝置，其特征在于上述電流變液可以是現(xiàn)有的商品化電流變液，也可以是本實用新型特制的電流變液，其重量份數(shù)組成如下固體分散顆粒與分散相液體的體積分數(shù)比8～45％；添加劑體積分數(shù)1-5％。
專利摘要本實用新型涉及電流變效應(yīng)研磨裝置，由安裝在連接電機的主軸上的研磨工具和用于安裝工件的連接電機的工作臺構(gòu)成，所述研磨工具由研磨工具基體與研磨工具近旁設(shè)置的具有孔洞結(jié)構(gòu)的金屬薄片和電流變液及游離磨料組成的研磨劑所構(gòu)成，本實用新型在研磨工具表面形成的微小游離磨粒球團陣列，游離磨料微粒均勻而穩(wěn)定地分布于研磨工具表面作用于工件表面，解決了現(xiàn)有研磨技術(shù)磨料難以均勻分布于研磨工具與工件界面的難題，施加電場的強度決定微小游離磨料球團的直徑和磨料微粒的結(jié)合強度，加工過程特征介于固定磨料與游離磨料之間，同時不需要考慮微小游離磨料球團的磨損問題，達到高效率高精度研磨加工的目的。
文檔編號B24B37/00GK2637098SQ03274129
公開日2004年9月1日 申請日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月3日
發(fā)明者閻秋生 申請人:廣東工業(yè)大學