[发明专利]用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法

说明书

本发明公开了用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，包括抛光轮、能够带动所述抛光轮转动的公转轴，还包括能够带动所述抛光轮转动的自转轴，所述自转轴与公转轴的轴线相互垂直，所述抛光轮内部中空，抛光轮外表面包覆磁流变弹性体，抛光轮自转轴上设置相对位置可调的永磁铁；还包括用于喷出抛光液的供液管道，抛光液喷射在磁流变弹性体与被加工工件之间。本发明的目的在于提供用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法，以解决现有技术中磁流变抛光技术无法应用于薄壁异形曲面的高精度抛光领域的问题，实现将磁流变抛光技术有效应用到光学元件薄壁异形曲面抛光中的目的。

技术领域

本发明涉及高精度抛光领域，具体涉及用于薄壁异形曲面的磁致固态流变效应抛光装置及方法。

背景技术

薄壁异形曲面是重大光学工程和国防武器系统中的一类重要元器件，正在朝尺寸小型化、形状复杂化、材料特殊化、表面无损化等方向发展，其超精密加工难度较大，已成为我国科学技术发展的瓶颈。例如，金刚石膜头罩是我国长波红外远程空空导弹中的关键部件，采用超硬材料和高陡度非球面结构设计，要求达到亚微米级面形精度和纳米级表面粗糙度；半球谐振子是我国第三代惯性导航仪—半球谐振陀螺仪中的关键器件，采用狭小深腔异形曲面结构设计，要求内外表面达到亚微米级面形精度以及近无损伤表面完整性，目前超精密加工精度和效率远远满足不了我国国防发展需要。

在重大光学工程和国防科技的需求牵引下，基于化学-机械作用、高能物理作用等材料可控去除机理多种高确定性抛光技术被发明出来，如数控小工具、气囊、磁流变、射流等抛光技术，大大提高了大口径平面、球面、非球面以及自由曲面的超精密加工精度和效率。但对于薄壁异性曲面的加工，已有的这些加工方法并不能完全满足加工需求，例如，数控小工具、气囊抛光方法是典型的摩擦剪切类的抛光方法，较大的正压力是获得较高去除率的前提，在抛光工具较大的压力和高频旋转运动影响下，薄壁曲面将承受压力、振动的作用而产生形变，甚至碎裂；同时，亚表面缺陷会不断扩展，影响表面、亚表面损伤的去除能力。水射流、磁射流等抛光技术是典型的利用冲蚀剪切去除原理实现工件材料去除的抛光方法。抛光工具的去除率较低，去除函数在小尺度范围内呈“W”形状，且存在一定的曲率效应，影响光学元件表面抛光的收敛效率。磁流变抛光技术是一种通过磁场调控抛光缎带柔性的方法，通过流体效应剪切实现材料的去除，抛光时正压力很小，不会导致薄壁异形曲面发生变形，同时剪切去除的方式不会带来亚表面损伤和缺陷，但是一方面对于材质较硬、化学性质不活泼的材料，抛光工具的去除效率偏低，且磁流变抛光液中磁性颗粒易团聚、沉降，影响去除效率稳定性；另一方面，传统的磁流变抛光装置结构复杂，抛光头工具既包括抛光液循环装置又包括磁场发生装置，为抛光工具的小型化带来困难，同时抛光头公转难以实现，非对称去除函数形状影响了面形的收敛效率，限制其在薄壁异形曲面加工过程的进一步扩展应用。

磁流变弹性体是一种新型的磁流变智能材料，它是以高分子聚合物为基体，混合有磁性颗粒。铁磁颗粒之间的相互作用力大小受到外界磁场大小的控制，从微观铁磁颗粒之间的相互作用力到材料自身宏观粘弹特性、柔性等表现特性，具有磁场响应迅速、可逆且稳定性好、颗粒不易沉降等材料特性优势。

磁流变弹性体在叶片叶轮类零件抛光领域已经有了初步的应用，在专利“一种基于磁流变弹性体的抛光方法与装置”(CN103447890B)中，采用混有磨粒、高分子聚合物和铁磁性颗粒的磁流变弹性体作为抛光材料，通过控制磁场强度从而控制磁流变弹性体的机械性能，工具头自转并与被加工表面接触，实现材料的去除。但该发明只适用于叶片、叶轮等机械零部件的抛光，针对各种类型的薄壁异形曲面以及光学元件的高效率、高精度加工，该发明存在以下几个方面的限制：

(1)该发明的加工方式类似于小工具抛光原理，抛光工具必须与被加工区域垂直以实现法向加工，保持接触区域受力均匀，保持去除率稳定；因此受工艺原理以及工具结构限制，该发明无法满足腔体类异形曲面的抛光加工需求；