基于磁流变抛光技术的实验装置研究

机械设计与制造　一１５８一　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第ｌ０期　２００８年ｌ０月　文章编号：１００１—３９９７（２００８）１０—０１５８—０２　基于磁流变抛光技术的实验装置研究　李蓓智赵华杨建国周虎　（东华大学机械工程学院，上海２０１６２０）　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍａｇｎｅｔＯｒｈｅＯＩＯｇｉｃａｌ　ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｖｉｃｅ　ＬＩ　Ｂｅｉ－ｚｈｉ，ＺＨＡＯ　Ｈｕａ，ＹＡＮＧ　Ｊｉａｎ－ｇｕｏ，ＺＨＯＵ　Ｈｕ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　【摘要】在介绍了磁流变抛光的基本原理的基础上，对磁流变抛光的实验装置进行了分类设计，从　工件与抛光盘的相对位置和磁流变液的注入形式考虑，分别通过平置式、倒置式和正置式，使抛光装置与　不同机床进行整合，实现了模块化设计理念。同时对不同的整合方案进行了比较，得出合理的设计方案。　关键词：磁流变抛光；磁流变液：抛光区；磁场　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｅ　ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃｌａｆｉｎｉｓｈｉｎｇ　ｓｉ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｔｈｅ　ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ　ａｎｄ　ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｗｈｅｅｌ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｊｅｔ　ｅｍｔｈｏｄ　ｆｏ　ＭＦＲ，ｔｈｅ　ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇ－　ｉｃａｌ　ｉｆｎｉｓｈｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｌｓａｓｉｉｆｅｄ　ｔｏ　ｈｏｒｉｚｏｎｔｌａ　ｐｌａｃｉｎｇ，ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｐｌｃａｉｎｇ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｕｐｓｉｄｅ－ｄｏｗｎ　ｐｌｃａｉｎｇ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｏｌｓｉｈｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐ——　ｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｅ　ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｍ　Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｃｏｍｐ￣ｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｓｃｈｅｍｅｓ，ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　Ｏｎｅ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｉｆｎｉｓｈｉｎｇ；ＭＲＦ；Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｓｐｏｔ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　中图分类号：ＴＨ１２８。ＴＧ５８０．６９２文献标识码：Ａ　近年来，随着科学技术的发展，对高性能的非球面零件的需　求越来越迫切。在激光核聚变、航空、航天、宇宙探测、军事侦察以　２实验装置设计　基于磁流变抛光技术的实验装置的研制具有以下几个特点：　及彩色显像管制造业等诸多领域对非球面光学部件的要求与日　（１）基本达到磁流变抛光的工艺加工条件。　俱增，远远超过了传统光学制造业的生产能力。这就自然的对光　（２）尽可能在现有设备上进行改造，运用模块化设计理念，降　学非球面的自动化生产提出了迫切的要求＿ｌＩ。传统的抛光技术在　低成本。　进行抛光的同时在工件表面残留破坏层，对于不规则曲面的抛光　（３）满足实验条件，以便通过实验实现装置优化。　亦有很大的缺憾，而磁流变抛光是利用磁流　（４）加工光学平面玻璃，使加工工件表面粗糙度提高（１—２）个　变液的相变特性来进行抛光，属于柔性抛光，不会在其工件　精度等级，面形精度提高（Ｏ．５—１）个精度等级。　表面残留破坏层，而且加工效率比较高，尤其是在对不规则曲面　根据以上设计要求，从工件与抛光盘的相对位置和磁流变液　进行抛光时更能体现其优越性［２１３１。　的注入形式考虑，磁流变抛光装置主要有三种形式：平置式、倒置　１磁流变抛光原理　式及正置式。　磁流变液（Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｆｌｕｉｄｓ　ＭＲＦ）是一种新型智能　２．１平置式　材料，它由高磁导率低磁滞性的微小软磁颗粒、非导磁母液以及　如图１所示，磁流变液储存在平放的抛光盘上的凹槽中，在　稳定剂混合而成。磁流变液在零磁场下，呈现出低粘度的牛顿流　旋转的抛光盘的带动下，磁流变液进入磁场作用区域，实现对光　体特性，在强磁场作用下呈现出高粘度、低流动性的Ｂｉｎｇｈａｍ流　学玻璃工件的抛光作用。　体特性，这使得它可在液一固两相间转换，且这种转换是瞬间的、　可逆的，通过改变磁场，这种转换可平稳陕速地完成，且流变后的　工件　剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系问。　磁流变液　磁流变液应用于抛光技术的原理是：载液和均匀分散于其中　的磁性介质微粒组成的均匀混合悬浮液，在外加磁场的作用下，　磁流区域　磁流变液体的粘度会随着磁场的增强而增强，形成类固体的结构　从而具有较高的屈服强度。磁流变抛光就是在磁流变液中加入抛　图１平置式原理图　光粉，利用磁流变液固化现象来对工件表面进行抛光。在强磁场　这种布置方式设备简单，磁流变液在无磁场状态时容易控　的作用下，使磁流变液在加工区域形成一个有一定硬度和弹性，　制。但存在着以下缺点：（１）磁流变液不能够循环使用，致使磨屑　能承受较大剪切应力的可控的点状区域的抛光工具。　和加工热量不能及时带走，从而影响工件的加工质量和磁流变液　女来稿日期：２００７—１２—２６　第１０期　李蓓智等：基于磁流变抛光技术的实验装置研究　一１５９　的使用寿命。（２）由于磁流变液暴露在空气中的面积大以及热量　分级控制，大拖板和小拖板分别控制工件ｘ轴和Ｙ轴方向的平　不能及时带走的原因，导致磁流变抛光液蒸发陕而使得其成分稳　定性差。（３）抛光盘的直径大且精度低，导致抛光盘旋转时颤动　动，通过以上三个自由度控制，实现工件加工面各点的定位加工。　大，造成工件与抛光盘的间隙变化大，严重影响抛光带的材料去　除的稳定性。（４）￣ＪＩＹＫ空间小，影响被加工工件的尺寸范围。（５）抛　光时磁流变液的厚度无法稳定控制。　由于水平盘式抛光轮结构上的，无法实现点状加工，不　能实现对被加工工件的定量去除，所以此种设计适用于磁流变抛　光的初期研究，用以观察磁流变液磁化特性、简单的工件加工工　况分析等。　．　２＿２倒置式　如图２所示，磁场发生装置置于抛光轮的内部空腔中，工件　置于抛光轮的正下方。　图２倒置式原理图　磁流变液从喷嘴喷出到抛光轮外缘表面，在流经抛光轮与工　件形成的工作间隙时，由于磁场的作用在此处产生一个缎带突　起，形成“柔性抛光膜”，对工件材料进行剪切去除。采用这种方式　具有以下几方面的优点：（Ｉ）工件装夹方便，大尺寸、大质量工件　可直接置于工作台上，而不需要设计专门的夹具。（２）由于磁场发　生器装置的实现，通过调节电流大小可以控制“柔性抛光膜”的形　状、大小和硬度等特征，可以根据实际情况选择合适的去除函数　和工艺参数。（３）通过控制工件与抛光轮的间隙能够实现微小区　域的抛光，这就是提高抛光精度和表面质量。　难点：（１）磁流变液的循环系统不易实现，此流变液从喷嘴喷　出，由于受到重力作用，较难稳定地吸附在抛光轮外缘表面，容易　造成进入抛光区域的磁流变液厚度不均，影响抛光精度和工件表　面质量，且进入回收装置之前不能是固体状态，这对磁场发生器　的设计提出了很高的要求。（２）由于一般机床的工作台只能在ｘ　轴和Ｙ轴方向进行平动，因此抛光装置只能进行平面加工，曲面　加工难以实现，大大了加工类型。　因此倒置式磁流变抛光装置适用于大尺寸、大质量、难以装　夹的平面加工工件。　根据倒置式设计的特点，分别将抛光装置和６２５０车床和　Ｍ７３０磨床整合，具体方案如下。　２．２．１与６２５０车床的整合　如图３所示，为磁流变抛光装置与６２５０车床整合效果图，由　于６２５０的普及性很高，所以该方案对磁流变抛光研究有着较大的　现实意义。如图４所示，三爪卡盘定心并转动抛光轮主轴，转速可　图３磁流变抛光装置与６２５０车床整合效果图　难点：（１）工件无法转动，大大降低了加工效率，需另行设计　二Ｉ＝件转动平台。（２）需通过垫片实现工件竖直方向的平动，无法在　加工过程中控制磨头与工件间的间隙，要解决此问题需另行设计　工件升降平台。（３）由于抛光轮主轴位置固定，了抛光轮下方　空间，因此无法安置厚度较大的工件。　磁场发　抛光轮　生装置　工件　三爪卡盘　小拖板　大拖板　图４磁流变抛光装置与６２５０车床整合抛光区效果图　２．２．２与Ｍ７３０磨床的整合　如图５所示，为磁流变抛光装置与Ｍ７３０磨床整合效果图，　Ｍ７３０属于卧轴圆台平面磨床，该磨床在同一级别中，自身精度　高，可以提高抛光点的位置控制精度，如图６所示。工件装夹在加　工圆台上，原砂轮主轴用以定心抛光轮轴心并带动抛光轮转动，　卧轴平台沿ｚ轴方向平动，加工圆台绕ｚ轴的转动并沿ｘ轴方　向平动，通过三个自由度实现抛光点的位置控制。相比于６２５０车　床，Ｍ７３０不仅使抛光装置自由升降，实现了加工过程中磨头与工　件的间隙控制，同时由于加工圆台靠平动和转动配合实现抛光点　的位置控制，加工点位置水平方向控制精度高于靠ｘ、Ｙ两平动实　现的位置控制。　图５磁流变抛光装置与ｂ１７３０磨床整合效果图　难点：磁场发生装置的支撑机构需另行设计，需对机床进行　适当改造，容易破坏机床本身精度，因此保证磁场发生装置与卧　轴的联动尤为重要。　Ｎｏ．１０　一１６０一　机械设计与制造　Ｏｃｔ．２００８　磁场发　生装置　抛光轮　图６磁流变抛光装置与Ｍ７３０磨床整合的抛光区效果图　２．３正置式　如图７所示，将抛光轮竖直正立放置，被加工工件位于抛光　轮上方，磁流变抛光液被旋转的抛光轮带入抛光区域。利用圆形　抛光轮的顶部作为抛光工件的工作区域，除了具备倒置式的设计　的大多数优点外，该方案还解决了以下问题：（１）磁流变液从喷嘴　喷出，能吸附在抛光轮外表面，保证了进入抛光区域前的磁流变　液的厚度比较稳定，对抛光区域造成的压力比较恒定，从而使抛　光区域的去除比较稳定，有利于提高工件的面形精度。（２）磁流变　液的循环容易实现，易于被收集器回收，最大程度地减少了磁流　变液的多余消耗。（３）通过工件夹持机构的水平转动，可实现工件　的曲面加工，提高了磁流变抛光的对工件的通用性和实用价值闭。　图７正置式原理图　如图８所示，为磁流变抛光装置与ＶＭ一１３６０数控铣床整合　效果图，磁流变抛光装置、磁流变液循环系统均安放在铣床工作　平台上，工件装夹在龙门立柱上。　图８磁流变抛光装置与ＶＭ一１３６０数控铣床整合效果图　如图９所示，磁流变液在磁流变抛光液稳定控制系统中经过　稳定性控制后，由泵将其从喷嘴中射出，再由抛光轮带动进入抛　光区域，在电磁场的作用下对工件进行抛光。由于抛光后的磁流　变液的均匀性、温度以及成分发生了变化，因此经过收集器的回　收后，将磁流变液又送回稳定控制系统中重新进行搅拌、冷却、过　滤，不断循环，这样就可以保证抛光区的磁流变液成分的均匀性，　使抛光能够稳定进行。　图９磁流变抛光装置与ＶＭ一１３６０数控铣床整合的抛光区效果图　工作平台沿ｘ和Ｙ轴做直线平动，工件绕铣床主轴做ｚ轴　方向转动，这两种工作方式能够保证抛光磨头的运动轨迹覆盖整　个工件表面，使“柔性抛光膜”精确地到达工件表面的任意一点，　同时龙门立柱沿ｚ轴做直线平动，保证了抛光轮与工件之间的间　隙控制，通过控制抛光点驻留时间实现对工件表面的面形修正。　相对于前两种整合方案，此方案无需对机床做任何机构上的　改造，只需将单独制作的磁流变抛光装置与铣床进行组合，达到　了模块化设计的设计理念，可基本实现对工件的平面精密加工，　并且具有进一步深入研发的现实意义。如果在此基础上，与工件　装夹处设计一摆动模块，则可满足各种面形工件的磁流变成形抛　光要求。　‘　３结束语　磁流变抛光技术是一种超精密光学加工方法，由于其属于柔　性抛光，不同于传统的抛光方法，因此有着非常高的实用价值，是　现在以至今后光学器件超精密加工的主要方法。本文在研究了磁　流变抛光机理的基础上，提出了实验用的装置设计方案，对研制　成品磁流变抛光设备打下了基础。通过对不同设计方案的比较，　得出正置式的与数控铣床的整合方案最为合理，不但可以达到实　验目的，并且具有进一步深入研发的现实意义。在今后的研究中，　需对满足非平面加工的机构设计、与机床整合的控制系统、能根　据加工工件的表面粗糙度和面形精度自动生成工件加工轨迹和　磁流变抛光工艺参数的智能控制系统等关键技术进一步研究开　发，使磁流变抛光在精加工领域获得更为广泛的应用。　参考文献　１王贵林．Ｓｉｃ光学材料超精密研抛关键技术研究［Ｄ］：［硕士学位论文］．北　京：国防科技大学，２００２（１Ｏ）　２高宏刚，曹健林，朱墉．超光滑表面及其制造技术的发展［Ｊ］＿物理，２０００，２９　（１Ｏ）　３彭小强．确定性磁流变抛光的关键技术研究［Ｄ］：［博士学位论文］．北京：　国防科技　：学，２００４　４田玲．基于磁流变抛光技术．液压与气动，２００３（８）：４１～４３　５　Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ　Ｗ．Ｈｏｇａｎ曼Ｍａｇｎｅｔｏ—ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，１９８６　６　Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｏ－ｔｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＭａｔｅｒｉａｌＳｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９６，７（２）：１３１—１３７