專利名稱：用于基材的磁流變拋光的系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于漿基磨蝕性拋光和磨光基材的系統，特別涉及采用磁流變流體和在球形承載輪附近的磁體以磁性地硬化輪上加工區(qū)域中的流體的系統；更具體地說，涉及硬化磁體設置在承載輪本身內的系統；再具體地說，涉及硬化磁體是可變磁場永磁體組件的改善的系統。
背景技術：
使用磁性地硬化的磁流變流體(MRF)來磨蝕性拋光和磨光基材是眾所周知的。包含分散在液體載體中的軟磁磨蝕性顆粒的這種流體在有磁場存在時呈現出磁致塑性行為。 磁流變流體的表觀粘度能夠磁性地增加多個量級，使得磁流變流體的稠密度從幾乎水狀改變至非常濃的膏狀。當將這種膏適當地施加至待加工或磨光的基材表面例如光學元件時， 能夠獲得非常高水平的拋光質量、精度和控制。1999年9月14日授予Kordonski等人的美國專利No. 5，951，369公開了基材的確定性磁流變拋光的方法、流體和裝置。該專利在本文稱為“‘369”。在例如'369專利中所公開那樣的典型磁流變拋光系統中，加工表面包括垂直地取向的非磁性輪，該輪具有繞輪轂對稱地底切的沿軸向延伸的輪緣。特殊形狀的磁極片在底切輪緣下方朝輪的兩相反側延伸，以在輪的表面上提供磁加工區(qū)域，優(yōu)選在大致上死點位置處。輪的表面優(yōu)選是球體的中緯部分。安裝在加工區(qū)域上方的是基材接收器，例如可旋轉的夾盤，以向加工區(qū)域中延伸待拋光的基材。夾盤能夠以多種運動模式被可編程地操作，并且優(yōu)選受控于可編程控制器或計算機。磁流變流體從作為帶狀物的成形噴嘴以非磁化狀態(tài)擠出到旋轉輪的加工表面上， 所述旋轉輪將流體攜帶至加工區(qū)域，流體在加工區(qū)域中磁化成糊狀稠密度。在加工區(qū)域中， 糊狀磁流變流體對基材進行磨蝕性加工，稱作磁流變磨光或拋光。離開加工區(qū)域后，輪上的流體再次變成非磁化狀態(tài)，并被刮刀從輪的加工表面刮離，以進行再循環(huán)和再利用。向輪供給且從輪回收的流體由一封閉的流體供給系統管理，正如'369文獻中公開的那樣。磁流變流體被抽吸泵從刮刀取出，將送至一容器中，磁流變流體的溫度在該容器中被測量并調節(jié)至目標值。例如，通過設定加壓泵(通常為蠕動或離心泵)的旋轉速度，能夠實現以指定流量從容器向噴嘴進行再循環(huán)，從而通過加工區(qū)域。因為蠕動泵呈現出脈動流，在這種用途中在泵的下游需要脈動緩沖器。向加工區(qū)域供給的磁流變流體的流量受到高度控制。一在線流量計設置在流體再循環(huán)系統中，并經由控制器連接以調控泵。一毛細管粘度計設置在流體供給系統中到輪表面上的出口處。來自流量計和粘度計的輸出信號輸入給計算機中的算法，其計算向輪供給的磁流變流體的表觀粘度，并控制承載流體向粘度計前方的混合室中的再循環(huán)磁流變流體(其在使用期間通過蒸發(fā)損失承載流體)的補給速率，以將表觀粘度調節(jié)至目標值。
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1997年4月1日授予Jacobs等人的美國專利5，616，066(' 066)公開了一種磁流變拋光系統，其包括永磁環(huán)形磁體，該環(huán)形磁體在非磁鼓內的非磁性底座上固定地設置有南北軟鐵環(huán)形磁極片，所述非磁鼓在其外表面上提供承載表面。丨066系統的一個嚴重缺點是由于圓柱形承載輪表面而不能拋光凹面。另一缺點是永磁體只提供一個磁場值，因此不能實現通過改變磁場強度進行取出速率的控制。再一缺點是永久磁場使得用于流體切換的系統清洗和維持困難。2001年10月30日授予Kordonski等人的美國專利No. 6，506，102(' 102)，其通過引用并入本文，改善了' 066的系統，并公開了包括具有水平軸線的垂直取向的承載輪的磁流變拋光用系統。承載輪優(yōu)選是球體的中緯部分，使得承載表面是球面。該輪大體呈碗狀，包括一圓形板，該圓形板連接至旋轉驅動器件并支承從板橫向延伸的球面。一具有平坦的南北磁極片的電磁體設置在輪內，在球體的殼體內，且優(yōu)選在構成輪的球面部分的殼體內。磁體延伸跨越約120°的中心輪角度，使得磁流變流體在加工區(qū)域的遠前方和遠后方維持在部分硬化狀態(tài)。隨著硬化松弛，磁刮刀從輪去除磁流變流體，并將之返回至常規(guī)的流體供給系統，以進行調節(jié)并重新擠出到輪上。將磁體配置在輪內在承載表面的兩側提供了不受妨礙的空間，使得在拋光期間肯定延伸超過輪面邊緣的大凹狀基材能夠被容納。磁體的角度使磁流變流體保持在輪上跨越其延伸的中心角度，允許在輪的下死點位置處或附近的加工區(qū)域中進行取向和拋光。丨102系統的好處是使用電磁體而不是永磁體就能實現通過改變向電磁體供給的電流強度來改變其它控制參數，即磁場強度。‘ 102系統的缺點是電磁體的增加的尺寸(與相等強度的永磁體相比)對球形輪的最小尺寸施加了限制，因此限制了待拋光凹狀基材的最小曲率半徑。本領域所需的是一種具有較小半徑的球形拋光輪的磁流變流體系統。本發(fā)明的一個主要目的是為比迄今為止使用現有技術磁流變流體系統能夠實現的更小半徑的凹部進行拋光。本發(fā)明的另一目的是提供一種用于磁流變拋光凹狀基材的系統，其中工件凹部的半徑并不受限于磁系統的尺寸。本發(fā)明的再一目的是提供一種采用永磁體來進行基材的磁流變拋光的系統，其中拋光能夠以任何期望的磁場強度進行。 本發(fā)明的再一目的是降低維修成本和磁流變拋光中的電能消耗。

發(fā)明內容
簡要地說，本發(fā)明的用于基材的磁流變拋光的改善的系統包括具有水平軸線的垂直取向的碗狀球形承載輪。該輪包括一圓形板，該圓形板連接至旋轉驅動器，并支承從板橫向延伸的球面。一具有南北磁極片的可變磁場永磁體系統設置在所述輪內，優(yōu)選在由所述輪限定出的球形部分的殼體內。磁極片延伸跨越約120°的中心輪角度。一磁刮刀從輪去除磁流變流體。永磁體組件的比較小的尺寸允許使用小型輪，來在承載表面的任一側上提供不受妨礙的空間，以使陡峭的凹狀基材(其在拋光運動期間必須延伸超過輪緣)能夠被容納以進行拋光。磁極片的角度使磁流變流體保持在輪上，跨越其延伸的中心角度。
可變磁場永磁體磁系統的操作原理在于在具有主非磁性間隙和副非磁性間隙的磁路中重新分布由永磁體生成的磁通量?？勺兇艌龃朋w系統包括兩個磁極片，這兩個磁極片由例如鐵等軟磁材料制成，限定出磁體，并在中心貫穿有圓柱形空腔。兩個鐵半部在主間隙和副間隙處由例如黃銅、鋁或塑料等非磁性材料結合在一起。由例如釤-鈷、釹-鐵-硼、 陶瓷或類似物形成且沿圓柱軸線的法線磁化的圓柱形永磁體插入所述空腔中，并且致動器被安裝以允許磁體繞其縱向軸線旋轉至任何期望的角度。旋轉的作用通過鐵磁極片使磁通量在磁路中的分布改變；因此，能夠通過使永磁體旋轉并定位在提供所需磁場強度的任何角度，來控制間隙中的磁場強度。因為兩個間隙處的磁場還有效地經過磁極片上方，主間隙處的雜散場在輪外延伸并通過輪表面上的磁流變流體層，因此能夠如拋光控制所期望的那樣改變磁流變流體的硬化。與主間隙分開180°的副間隙的尺寸和形狀影響主間隙處的磁場的強度。


現在將參考附圖通過示例方式來描述本發(fā)明，附圖中圖1是通過計算機化磁建模生成的正視截面圖，是通過本發(fā)明的可變磁場永磁體系統取得的，并示出了圓柱形永磁體中的磁場垂直取向時在主間隙和副間隙處的零磁場；圖2是與圖1所示類似的正視截面圖，示出了圓柱形永磁體中的磁場水平取向時在間隙處的最大磁場；圖3是與圖1和2所示類似的正視截面圖，示出了圓柱形永磁體中的磁場以45° 取向時在間隙處的中間強度磁場；圖4是對于各種圓柱形磁體取向的在主間隙處的輪上方的磁通量強度作為拋光輪上方的角度位置的函數的曲線圖；圖5是本發(fā)明的磁流變流體裝置的等距視圖；圖6是沿圖5中的平面6-6所取的截面圖；而圖7是沿圖5中的平面7-7所取的截面圖。在整個附圖中，相應附圖標記指示相應的部分。本文給出的示例以一種形式示出了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，并且這種示例不應解釋為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
具體實施例方式參考圖1，本發(fā)明的可變磁場永磁體系統10包括由軟磁材料優(yōu)選為鐵制成的兩個磁極12、14，限定出中心被圓柱形空腔16貫穿的磁體15。磁體半部12、14由例如黃銅、鋁或塑料等非磁性材料結合在一起，在半部12、14之間限定出主磁間隙18和副磁間隙19。 沿圓柱軸線22的法線磁化的圓柱形永磁體20插入空腔16中，并且致動器110(圖5-7所示)被安裝以允許磁體20繞軸線22旋轉。這種磁體可從例如美國Illinois州Elk Grove Village的Dexter Magnetic Technologies公司獲得。旋轉的作用使磁通量M在磁路中的分布改變。當永磁體的磁場沈如圖1所示垂直地取向時，通量M在用作對立磁分路的兩個半部12、14之間均勻地分布。在該情況下，在間隙18、19中不存在凈磁場(“零”位置)。現在參考圖2，通過在空腔16內將磁體20從圖1所示位置旋轉90°到一個新位置，永磁體20內的磁場沈水平地取向，使通量M橫切磁極片12、14之間的間隙18、19?？煽闯?，磁體20的該位置在間隙18、19中形成最大的磁場強度(“最大”位置)?，F在參考圖3，永磁體20的一示例性中間旋轉位置(磁場角度=45° )形成中間磁場強度30、31，其取決于磁場沈所取向的角度。因此，能夠通過使永磁體20旋轉并定位在提供主磁場30所需強度的任何角度，來控制磁場30、31分別在間隙18、19中的強度。因為磁場30還有效地經過磁極片12、14 (雜散場3 上方，所以可變磁場30延伸穿過承載輪(未示出，但在圖5-7中可見)上的磁流變流體112的層，因此可控地改變磁流變流體的硬化，正如控制拋光速率所期望的。注意，副間隙19的幾何結構(尺寸和形狀)影響主間隙18處的磁場30，因此是在主間隙18處生成期望磁場強度的重要參數。優(yōu)選地，副間隙19的加工寬度等于或大于主間隙18的寬度。參考圖4，對于磁場沈的表示為偏離包含軸線22的平面34且平行于橫切間隙18 的平面36 (如圖1所示)的角度的各個角度，示出了沿承載輪周緣的磁強度的代表曲線。因此，曲線40代表圖1中的90°取向；曲線42代表圖2中的0°取向；曲線44代表圖3中的 45°取向；而曲線46代表30°取向。參考圖5-7，本發(fā)明的用于基材102的磁流變拋光的改善的系統100包括具有水平軸線的垂直地取向的承載輪104。承載輪104優(yōu)選是球體的中緯部分，以使承載表面106 是球面。輪104大體呈碗狀，包括一圓形板108，圓形板108連接至旋轉驅動器件110并支承從板108橫向延伸的球面106。具有南北磁極片12、14的可變磁場永磁體系統10設置在輪104內，在球體的殼體內，優(yōu)選在由輪限定出的球形部分的殼體內，優(yōu)選被蓋板105封裝。 優(yōu)選地，磁極片12、14延伸跨越約120°的中心輪角度，使得磁流變流體112在完全硬化加工區(qū)域114的遠前方和遠后方維持在部分硬化狀態(tài)。隨著硬化松弛，磁刮刀116從輪上去除磁流變流體112，并將之返回常規(guī)的流體供給系統(未示出)，以進行調節(jié)并重新擠出到輪上。永磁體20的比較小的尺寸允許使用小型輪，來在承載表面的任一側上提供不受妨礙的空間，以使陡峭的或深凹狀基材(其必須延伸超過輪緣)能夠被容納以進行拋光。如上所述，可變磁場永磁體磁系統的操作原理在于在包括主間隙18和副間隙19 的磁路中重新分布由永磁體20生成的磁通量。致動器118被安裝，以允許磁體及其磁化軸線旋轉至期望角度。傳感器120(例如定位電位計、光學編碼器或類似物)被提供，以允許測量磁體角度。優(yōu)選地，在主間隙18或副間隙19中安裝霍爾效應傳感器或一些其它適當的探頭(未示出)，來測量磁通密度，以經由常規(guī)的可編程控制器件(未示出)通過包括傳感器120的常規(guī)反饋回路來控制致動器118，以設定期望的磁場強度。雖然參考多種不同的具體實施例描述了本發(fā)明，但是應該理解的是，在所述創(chuàng)新概念的范圍和精神內可做出若干變化。因此，希望的是本發(fā)明并不局限于所述實施例，而是覆蓋所附權利要求限定的全部范圍。
權利要求
1.一種永磁體系統，用于可控地改變磁場的強度，包括a)由軟磁材料形成的第一和第二磁極片，共同限定出磁體，所述第一和第二磁極片具有形成于它們的相對端部之間的主間隙和副間隙，并且在所述磁體中形成有圓柱形空腔；b)圓柱形永磁體，沿其縱向軸線的法線磁化并可旋轉地設置在所述圓柱形空腔中。
2.如權利要求1所述的永磁體系統，其中，所述軟磁材料是鐵。
3.如權利要求1所述的永磁體系統，其中，所述圓柱形永磁體由包括稀土元素的材料形成。
4.如權利要求3所述的永磁體系統，其中，所述永磁體包括從由釤、鈷、釹、鐵、硼和陶瓷組成的組中選出的材料。
5.如權利要求1所述的永磁體系統，其中，位于所述相對的磁極片端部之間的所述副間隙的寬度至少等于所述主間隙的寬度。
6.一種用于基材的磁流變拋光的系統，包括a)承載輪；b)用于驅動所述承載輪的電機器件；c)設置在所述承載輪附近并由軟磁材料形成的第一和第二磁極片，共同限定出磁體， 所述第一和第二磁極片具有形成于它們的相對端部之間的主間隙和副間隙，并且在所述磁體中形成有圓柱形空腔；和d)圓柱形永磁體，沿其縱向軸線的法線磁化并可旋轉地設置在所述圓柱形空腔中。
7.如權利要求6所述的系統，還包括致動器件，所述致動器件可操作地連接至所述圓柱形永磁體，以使所述圓柱形永磁體繞所述軸線選擇性地旋轉，以改變所述第一和第二磁極片內的磁通量的方向和強度，從而改變所述主間隙和副間隙內的磁場強度。
8.如權利要求7所述的系統，還包括a)第一傳感器件，用于確定所述圓柱形永磁體相對于所述主間隙和副間隙的角度位置；和b)控制器件，連接至所述致動器件，并響應于來自所述第一傳感器件的信號。
9.如權利要求8所述的系統，還包括第二傳感器件，連接至所述控制器件，用于確定所述主間隙和副間隙中的至少一個中的磁場強度。
全文摘要
一種用于基材的磁流變拋光的系統。用于承載磁流變拋光流體的球形輪容納可變磁場永磁體系統，所述可變磁場永磁體系統具有被主間隙和副間隙分開的南北鐵磁極片，并在中心貫穿有一圓柱形空腔。在所述空腔中可旋轉地設置有沿圓柱軸線的法線磁化的圓柱形永磁體。一致動器允許永磁體旋轉至任何角度，該旋轉通過磁極片改變磁通量在磁路中的分布。因此，能夠通過使永磁體定位在提供所需磁場強度的任何角度，來控制間隙中的磁場強度。因為磁場還經過在輪面外部限定出雜散場的磁極片上方，可變磁場延伸穿過輪上的磁流變流體層，因此改變磁流變流體的硬化，正如拋光控制所期望的。
文檔編號B24B57/02GK102341216SQ201080010348
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月2日 優(yōu)先權日2009年3月6日
發(fā)明者W.考登斯基 申請人:Qed技術國際股份有限公司