一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置

摘要

本发明公开一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置。所述励磁装置主要包括至少两个磁极组和一片导磁片(3)，所述磁极组包括两片在水平方向上叠置的永磁体磁极(1)和位于两所述永磁体磁极(1)之间的连接柱(2)，所述两磁极组通过导磁片(3)连接，所述励磁装置抛光端形成高强度的梯度磁场，当磁流变液流经该磁场区域会形成“柔性抛光缎带”，用该“柔性抛光缎带”对工件表面进行抛光。与现有技术相比，本发明励磁装置由于磁场的可扩展性，在小范围内可形成多条“柔性抛光缎带”，增大抛光面积，提高工作效率；同时，“柔性抛光缎带”硬度低，与工件表面弹性接触，在加工过程中不会对工件造成二次损伤，可实现工件表面的高精度、高质量加工。

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工及理论仿真技术领域，尤其是一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置。

背景技术

随着科学技术的发展，现代光学系统对光学零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求越来越高，这对光学制造技术不断提出新的挑战。

传统加工方法加工周期长、加工效率低，而且无法有效控制损伤。特别是针对大口径光学元件，传统加工由于自身工艺方法的限制，无法很好的应用到其加工过程中来。

针对传统加工方法存在的缺点，出现了包括CCOS(计算机控制光学表面成型)、离子束抛光、弹性发射抛光、磁流变抛光等在内的多种抛光技术。这些技术在满足光学元件低损伤制造要求的同时，能够最大限度的实现面形的高精度加工，但是在加工过程中，还是存在工艺反复迭代，加工周期长等不可避免的问题，这就给大口径光学元件的高精度、低缺陷、高效率加工提出了新的要求。

发明内容

本发明提供一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置，用于克服现有技术中加工周期长、加工效率低，而且无法有效控制损伤等缺陷，实现高效工作，且能实现对元件表面的高精度、高质量加工。

为实现上述目的，本发明提出一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置，所述励磁装置主要包括至少两个磁极组和一片导磁片3，所述磁极组包括两片在水平方向上叠置的永磁体磁极1和位于两所述永磁体磁极1之间的连接柱2；所述永磁体磁极1竖直方向上端与所述连接柱2通过连接件固定连接；

所述连接柱2竖直方向下端位于两片所述永磁体磁极1内，并与两片所述永磁体磁极1共同围设成一个开口的空腔；所述空腔开口为所述永磁体磁极组内两永磁体磁极1竖直方向下端圆弧最低点水平方向间隙，在9～10mm之间；

所述永磁体磁极1竖直方向下端呈圆弧形，所述永磁体磁极1近空腔内侧的倾斜边沿与竖直方向呈14～16度倾斜，所述倾斜边沿在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度在34～36mm之间；所述永磁体磁极1的纵向宽度在145～150mm之间；

相邻两所述磁极组在水平方向上叠置且两磁极组之间通过导磁片3连接，所述两磁极组与所述导磁片3通过连接件固定连接；所述导磁片3水平厚度在8～12mm之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明的励磁装置，主要包括磁极组和导磁片3，所述磁极组包括两片在水平方向上叠置的永磁体磁极1和位于两所述永磁体磁极1之间的连接柱2，该装置整体结构简单；所述励磁装置竖直方向下端会形成高强度的梯度磁场，该磁场强度和形状有利于“柔性抛光缎带”的形成，该“柔性抛光缎带”的硬度低，用该“柔性抛光缎带”对工件表面进行抛光不会对工件形成二次损伤，可实现工件表面的高精度、高质量加工；再次，所述励磁装置的连接和分布有利于磁流变缎带的扩展，显著提高了磁流变抛光过程中的加工效率；此外，整个装置对环境要求不高，整个工艺过程易于实现。

2、本发明的励磁装置包括至少两个磁极组，所述磁极组的数量可根据需求增加，因此能够满足多种不同的需求，大大拓展了本发明励磁装置的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置正视图；

图2为本发明一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置侧视图；

图3为本发明一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置结构示意图；

图4a为所述空腔开口为2mm时仿真结果；

图4b为所述空腔开口为4mm时仿真结果；

图4c为所述空腔开口为6mm时仿真结果；

图4d为所述空腔开口为8mm时仿真结果；

图4e为所述空腔开口为9mm时仿真结果；

图4f为所述空腔开口为10mm时仿真结果；

附图标号说明：1：永磁体磁极，2：连接柱，3：导磁片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参照图1至图2，其中图2中x轴方向表示纵向；y轴方向表示水平方向；z轴表示竖直方向。

本实施例提供一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置，所述励磁装置主要包括两个磁极组和一片导磁片3，所述磁极组包括两片在水平方向上叠置的永磁体磁极1和位于两所述永磁体磁极1之间的连接柱2；所述永磁体磁极1竖直方向上端与所述连接柱2通过连接件固定连接；

所述连接柱2竖直方向下端位于两片所述永磁体磁极1内，并与两片所述永磁体磁极1共同围设成一个开口的空腔；所述空腔开口为所述永磁体磁极组内两永磁体磁极1竖直方向下端圆弧最低点水平方向间隙，为9mm；

所述永磁体磁极1竖直方向下端呈圆弧形，所述永磁体磁极1近空腔内侧的倾斜边沿与竖直方向呈14～16度倾斜，所述倾斜边沿在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度为35mm；所述永磁体磁极1的纵向宽度为150mm；

相邻两所述磁极组在水平方向上叠置且两磁极组之间通过导磁片3连接，所述两磁极组与所述导磁片3通过连接件固定连接；所述导磁片3水平厚度为10mm。

所述永磁体磁极1和导磁片3均采用先成型，后充磁的方式加工而成，采用所述加工方式能实现对磁体磁性方向的控制。

所述励磁装置，高强度的剃度磁场在其竖直方向下端形成，该端为抛光端，该端所处的区域为抛光区域。

优选地，所述励磁装置包裹在一个中空圆柱形抛光轮内，外径为200mm，内径为194mm；所述励磁装置的水平方向沿所述抛光轮的轴向设置，所述永磁体磁极1竖直方向下端圆弧弧度与抛光轮弧度一致，且距抛光轮内壁1mm，从而使远励磁装置抛光端的磁场强度维持在较低水平，利于磁流变液从固态到液态转变；所述永磁体磁极1竖直方向上端的水平厚度为10mm，所述永磁体磁极1竖直方向高度与抛光轮圆形中空内部空间的径向尺寸相匹配；所述永磁体磁极1材料为钕铁硼，具有优异的磁性能。

优选地，所述连接柱2水平厚度为26.9mm；所述连接柱2竖直方向高度为永磁体磁极1竖直方向高度的1/3，该厚度和高度均会影响永磁体磁极组竖直方向下端空腔的体积和所述空腔开口的大小；所述连接柱2纵向宽度与永磁体磁极1纵向宽度一致，有助于梯度磁场在永磁体磁极组竖直方向下端形成；所述连接柱2的材料为生铁，生铁具有坚硬、耐磨、铸造性好等优异性能。

优选地，所述导磁片3的形状、竖直方向高度、纵向宽度均与相邻永磁体磁极1远连接柱2侧一致，该设计有利于“柔性抛光缎带”形成；所述导磁片3的材料为钕铁硼，具有优异的磁性能。

优选地，所述空腔自竖直方向上端至竖直方向下端水平厚度逐渐减小，该结构的空腔有利于磁场在永磁体磁极组竖直方向下端形成，且形成的磁场为梯度磁场，有利于“柔性抛光缎带”的形成；所述磁流变液由铁粉、抛光液、分散剂按质量比150～225：45～55：1混合而成。

优选地，所述连接件为不导磁材料，例如：不锈钢、铜合金，避免对磁场造成干扰，使整个装置的性能稳定。

优选地，所述励磁装置磁极结构的设计通过磁场仿真来实现，所述磁场仿真以Solidworks为建模软件、Ansys为磁场仿真软件，所述磁场仿真对永磁体磁极1纵向宽度、永磁体磁极1倾斜边沿近空腔侧在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度、空腔开口、导磁片3水平厚度参数条件进行优化，得到励磁装置磁极结构各个参数最优值：

永磁体磁极1纵向宽度为150mm；永磁体磁极1倾斜边沿近空腔侧在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度为35mm；空腔开口为9mm；导磁片3水平厚度为10mm。

当抛光轮将磁流变液带入抛光区高强度的梯度磁场中时，磁流变液不断变硬，成为具有粘塑性的Bingham(宾汉)介质，当抛光轮再将磁流变液带出抛光区时，磁流变液又变为流体，便于回收；其次，在梯度磁场的作用下，磁流变液形成“柔性抛光缎带”，该“柔性抛光缎带”的硬度低，用该“柔性抛光缎带”对工件表面进行抛光不会对工件形成二次损伤，可实现工件表面的高精度、高质量加工；再次，所述励磁装置的连接和分布有利于磁流变缎带的扩展，显著提高了磁流变抛光过程中的加工效率；此外，整个装置对环境要求不高，整个工艺过程易于实现。

实施例二

请参照图3，其中d：永磁体磁极1纵向宽度；2d₁：永磁体磁极1倾斜边沿近空腔侧在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度；2d₂：空腔开口；2d₃：导磁片3水平厚度。

本实施例采用磁场仿真来优化实施例一所述励磁装置的设计参数，所述磁场仿真以Solidworks为建模软件、Ansys为磁场仿真软件，所述磁场仿真对磁极结构中的永磁体磁极1纵向宽度、永磁体磁极1倾斜边沿近空腔侧在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度、空腔开口、导磁片3水平厚度参数条件进行优化。

具体步骤如下：

(1)先采用Solidworks对励磁装置进行建模，永磁体磁极1纵向宽度设置为150mm，永磁体磁极1倾斜边沿近空腔侧在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度设置为10mm，空腔开口分别设置为2mm、4mm、6mm、8mm、9mm、10mm，导磁片3水平厚度设置为10mm；再采用Ansys进行仿真时，永磁体磁极1和导磁片3的矫顽力分别设置为10KOe和12KOe，两永磁体磁极组剩余磁感应强度分别设置为0.8T和0.7T，导磁片3剩余磁感应强度设置为0.8T，永磁体磁极1极化方向沿永磁体磁极1竖直方向，导磁片3极化方向沿水平方向，永磁体磁极1材料设置为钕铁硼，导磁片3材料设置为汝铁硼，连接柱2材料设置为生铁，分别对不同空腔开口条件下的磁场强度和磁场形状进行仿真，仿真结果如图4a、4b、4c、4d、4e、4f所示。

“柔性抛光缎带”的形成与Z方向的磁场强度和磁场形状有关，由仿真结果可知，随着空腔开口的不断增大，抛光区域的磁场“鼓包”渐渐趋于平滑，峰值处的磁场强度不断减小，两永磁体磁极组组间的磁场强度即Z方向第二个“鼓包”，减小较为明显。当空腔开口大于10mm时，作用区域内Z方向的磁场形状趋于平缓，磁场强度不满足形成“鼓包”的设计要求；当间隙小于9mm时，Z方向三个“鼓包”的磁场强度差别较大，无法扩展成多个均匀的“柔性抛光缎带”。要严格控制空腔开口在9～10mm之间，否则将会影响磁场的强度和形状。从仿真结果来看，永磁体磁极1竖直方向下端倾斜边沿形成空腔的开口间隙最终选择9mm。

(2)采用步骤(1)的方法，获得永磁体磁极1纵向宽度最优值为150mm；永磁体磁极1倾斜边沿近空腔侧在与竖直方向呈14～16度倾斜方向上的长度最优值为35mm；导磁片3水平厚度最优值为10mm。

在所述励磁装置结构参数下仿真的磁场，磁场强度和形状均满足预设要求，在圆周方向也存在大约10mT的磁场，防止磁流变液在回收时飞溅。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。