[發明專利]用于薄壁異形曲面的磁致固態流變效應拋光裝置及方法

在審

• 申請號: 201910488077.0
• 申請日: 2019-06-05
• 公開（公告）號: CN110064997A
• 公開（公告）日: 2019-07-30
• 發明（設計）人: 黃文;張云飛;李凱隆;張建飛;陳立;鄭永成;周濤;田東;樊煒;陳玉川
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所
• 主分類號: B24B29/02
• 分類號: B24B29/02;B24B1/00;B24B41/04;B24B57/02
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 伍星

本發明公開了用于薄壁異形曲面的磁致固態流變效應拋光裝置及方法，包括拋光輪、能夠帶動所述拋光輪轉動的公轉軸，還包括能夠帶動所述拋光輪轉動的自轉軸，所述自轉軸與公轉軸的軸線相互垂直，所述拋光輪內部中空，拋光輪外表面包覆磁流變彈性體，拋光輪自轉軸上設置相對位置可調的永磁鐵；還包括用于噴出拋光液的供液管道，拋光液噴射在磁流變彈性體與被加工工件之間。本發明的目的在于提供用于薄壁異形曲面的磁致固態流變效應拋光裝置及方法，以解決現有技術中磁流變拋光技術無法應用于薄壁異形曲面的高精度拋光領域的問題，實現將磁流變拋光技術有效應用到光學元件薄壁異形曲面拋光中的目的。

技術領域

本發明涉及高精度拋光領域，具體涉及用于薄壁異形曲面的磁致固態流變效應拋光裝置及方法。

背景技術

薄壁異形曲面是重大光學工程和國防武器系統中的一類重要元器件，正在朝尺寸小型化、形狀復雜化、材料特殊化、表面無損化等方向發展，其超精密加工難度較大，已成為我國科學技術發展的瓶頸。例如，金剛石膜頭罩是我國長波紅外遠程空空導彈中的關鍵部件，采用超硬材料和高陡度非球面結構設計，要求達到亞微米級面形精度和納米級表面粗糙度；半球諧振子是我國第三代慣性導航儀—半球諧振陀螺儀中的關鍵器件，采用狹小深腔異形曲面結構設計，要求內外表面達到亞微米級面形精度以及近無損傷表面完整性，目前超精密加工精度和效率遠遠滿足不了我國國防發展需要。

在重大光學工程和國防科技的需求牽引下，基于化學-機械作用、高能物理作用等材料可控去除機理多種高確定性拋光技術被發明出來，如數控小工具、氣囊、磁流變、射流等拋光技術，大大提高了大口徑平面、球面、非球面以及自由曲面的超精密加工精度和效率。但對于薄壁異性曲面的加工，已有的這些加工方法并不能完全滿足加工需求，例如，數控小工具、氣囊拋光方法是典型的摩擦剪切類的拋光方法，較大的正壓力是獲得較高去除率的前提，在拋光工具較大的壓力和高頻旋轉運動影響下，薄壁曲面將承受壓力、振動的作用而產生形變，甚至碎裂；同時，亞表面缺陷會不斷擴展，影響表面、亞表面損傷的去除能力。水射流、磁射流等拋光技術是典型的利用沖蝕剪切去除原理實現工件材料去除的拋光方法。拋光工具的去除率較低，去除函數在小尺度范圍內呈“W”形狀，且存在一定的曲率效應，影響光學元件表面拋光的收斂效率。磁流變拋光技術是一種通過磁場調控拋光緞帶柔性的方法，通過流體效應剪切實現材料的去除，拋光時正壓力很小，不會導致薄壁異形曲面發生變形，同時剪切去除的方式不會帶來亞表面損傷和缺陷，但是一方面對于材質較硬、化學性質不活潑的材料，拋光工具的去除效率偏低，且磁流變拋光液中磁性顆粒易團聚、沉降，影響去除效率穩定性；另一方面，傳統的磁流變拋光裝置結構復雜，拋光頭工具既包括拋光液循環裝置又包括磁場發生裝置，為拋光工具的小型化帶來困難，同時拋光頭公轉難以實現，非對稱去除函數形狀影響了面形的收斂效率，限制其在薄壁異形曲面加工過程的進一步擴展應用。

磁流變彈性體是一種新型的磁流變智能材料，它是以高分子聚合物為基體，混合有磁性顆粒。鐵磁顆粒之間的相互作用力大小受到外界磁場大小的控制，從微觀鐵磁顆粒之間的相互作用力到材料自身宏觀粘彈特性、柔性等表現特性，具有磁場響應迅速、可逆且穩定性好、顆粒不易沉降等材料特性優勢。

磁流變彈性體在葉片葉輪類零件拋光領域已經有了初步的應用，在專利“一種基于磁流變彈性體的拋光方法與裝置”(CN103447890B)中，采用混有磨粒、高分子聚合物和鐵磁性顆粒的磁流變彈性體作為拋光材料，通過控制磁場強度從而控制磁流變彈性體的機械性能，工具頭自轉并與被加工表面接觸，實現材料的去除。但該發明只適用于葉片、葉輪等機械零部件的拋光，針對各種類型的薄壁異形曲面以及光學元件的高效率、高精度加工，該發明存在以下幾個方面的限制：

(1)該發明的加工方式類似于小工具拋光原理，拋光工具必須與被加工區域垂直以實現法向加工，保持接觸區域受力均勻，保持去除率穩定；因此受工藝原理以及工具結構限制，該發明無法滿足腔體類異形曲面的拋光加工需求；