专利名称：电流变效应研磨装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电流变效应研磨装置。
背景技术：
随着信息电子化和光电信号传输的高速化和大容量化，融合电子技术和光学技术的光电子产品的需求越来越大，如CD/DVD光学读数头、光纤通讯中光/电(PD)和电/光(LD)信号转换器、投影仪、激光打印机、分子激光器等，光电产品的核心部件之一就是光路中使用的非球面光学元件(透镜、反射镜)，非球面光学元件的制造方法有陶瓷、光学玻璃等硬脆材料的单件小批量机械加工成型和塑料、玻璃等可加热塑性化材料的工业量产化模压加工成型，但模压模具的非球曲面也需要通过机械加工达到精度要求。非球面光学元件要达到良好的光学性能，非球曲面的加工精度必须达到0.5微米以下的形状精度和30纳米以下表面粗糙度的超光滑程度，非球曲面的加工方法主要有金刚石刀具切削、磨削和研磨及其组合，研磨是最终得到超光滑非球曲面的有效加工方法。
超光滑平面的应用也越来越多，如光盘模具表面，最终也需要通过研磨加工达到所需形状精度和表面粗糙度。具有超光滑表面要求的零件使用的材料越来越多采用光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料。
研磨加工是利用涂敷或压嵌游离磨料与研磨剂的混合物，在一定刚性的软质研磨工具上，通过研磨工具与工件向磨料施加一定压力，磨料在研磨工具与工件界面上作滚动与滑动，从被研磨工件表面去除极薄的材料，达到提高工件形状精度和表面精度的目的。
现有的研磨装置主要由安装在连接电机的主轴上的研磨工具和用于安装工件的连接电机的旋转工作台构成。工作时，将工件安装在工作台上，研磨工具与工件之间保持一定的运动关系，研磨工具对游离磨料施加一定的压力对工件表面进行研磨加工。
现有的研磨方法主要有(1)由金属材料制成研磨工具基体，磨料游离或压嵌在研磨工具表面的机械研磨，例如铸铁研磨盘加研磨剂/研磨膏；(2)在机械研磨过程中增加化学/电化学作用的机械化学研磨，他们均属于游离磨料加工。
现有游离磨料加工方法存在的问题如下游离磨料微粒在研磨工具与工件之间的运动速度、轨迹、滞留时间等都无法有效控制，在研磨工具与工件界面上的游离态磨料只有较大尺寸的游离磨粒产生加工作用，相当部分的较小尺寸游离磨料未曾与工件表面产生干涉作用即脱离研磨盘与工件界面，造成研磨加工精度和效率低下。对于研磨这种游离磨料加工方法，提高游离磨料加工效率和加工精度的关键是如何确保研磨工具与工件接触界面具有均匀的磨料浓度分布，并且能长时间稳定地保持这一状态，现有的机械和化学的研磨方法都无法做到这一点，因而影响了超光滑表面研磨加工的精度和效率。
发明内容
本实用新型针对现有超光滑表面研磨加工技术存在的问题，提供一种应用电流变效应研磨装置，以粒子分散悬浮型电流变液和游离磨料为研磨剂，利用电流变液在电场作用下粘度增大的电流变特性使游离磨料形成阵列式磨粒球团均匀稳定地分布于研磨工具表面，由磨粒球团中外围的多个磨料微粒产生研磨加工作用，消除由于磨料尺寸不均匀的影响，达到高效率高精度研磨加工超光滑表面的效果。
本实用新型的目的在于提供电流变效应研磨装置。
电流变液是由电场强度可以控制其粘度的功能性液体材料的总称，粒子分散悬浮型电流变液在电场作用下分散粒子成链分布，其表观粘度可比无电场时增大几个数量级，使不能抗剪切的液体产生屈服具有明显的屈服应力，这一现电流变效应研磨方法是以粒子分散悬浮型电流变液中加入游离磨料作为研磨剂置于研磨工具基体与工件之间，以表面具有尖锥体的研磨工具基体为电场一极，在研磨工具基体与工件之间(研磨工具基体近旁)设置具有孔洞结构的金属片作为电场另一极，在两电极之间施加1000～5000V/mm电压，构成研磨工具，可以对工件进行研磨加工。
粒子分散型电流变液可以是现有的商品化电流变液，也可以是本发明特制的电流变液，其重量份数组成如下固体分散颗粒与分散相液体的体积分数比8～45％；添加剂体积分数1-5％。粒子分散型电流变液的固体分散颗粒主要有金属氧化物和金属盐无机化合物两类。
金属氧化物有二氧化硅(SiO2)、二氧化锡(SnO2)、二氧化钛(TiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化亚铜(CuO)等的其中一种或一种以上混合物；金属无机盐类无机化合物有碳酸钙(CaCO3)、钛酸盐、硅铝酸盐等的其中一种或一种以上混合物。
分散相液体有硅油，矿物油，变压器油，锭子油，或煤油等。
添加剂有水、表面活性剂、肥皂水、或脂肪酸。
电流变效应研磨方法中在粒子分散型电流变液中加入的游离磨料微粉有碳化硅(SiC)、金刚石、立方氮化鹏(CBN)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)等的其中一种或一种以上混合物，磨料直径小于10微米，游离磨料与电流变液的重量体积比小于0.3g/cc。
本实用新型的电流变效应研磨装置由安装在连接电机的主轴上的研磨工具和用于安装工件的连接电机的工作台构成，其特点是所述研磨工具由研磨工具基体与研磨工具近旁设置的具有孔洞结构的金属片和电流变液及游离磨料组成的研磨剂所构成，工具基体是电场一极，具有孔洞结构的金属片作为电场另一极，两电极间施加1000～5000V/mm电场。
为了实现聚集和约束游离磨料微粒的效果，所述研磨工具基体的表面具有阵列分布的尖锥体形状。
为了实现对非球曲面、自由曲面的研磨，所述研磨工具的研磨端面整体宏观上呈平面、弧面或球体形状。
为了在研磨工具基体表面的尖锥体与安装在近旁具有孔洞结构的金属片形成稳定电场，所述金属片是铜片。
本实用新型的作用原理是利用粒子分散悬浮型电流变液在电场作用下分散粒子成链分布粘度增大的电流变效应，将游离微细磨料混入电流变液体中，游离磨料微粒会被电流变液分散粒子链粘接约束在一起，当以尖锥形状工具为电场的阴极(或阳极)、设置在附近的具有孔洞的金属铜片为阳极(或阴极)时电力线一端聚集于工具基体尖锥体的尖端另一端辐射到金属铜片孔内侧，同时电流变粒子链产生一端聚集另一端辐射而形成游离磨粒球团，在研磨工具基体表面具有点阵式微小尖锥体分布时就会形成有组织的点阵式分布微小游离磨料球团，当研磨工具与工件之间相对运动时微小游离磨料球团随之在工件表面形成复杂运动轨迹并产生微切削作用，可以对工件表面实施研磨加工达到超光滑程度。
本实用新型与现有研磨技术根本的不同表现在1)研磨工具基体表面具有阵列式微小锥尖体分布而不是光滑平面；2)研磨工具与工件界面上产生研磨作用的是阵列的微小游离磨粒球团而不是单层、单个游离磨料，因而减小了游离磨料尺寸不均匀性对加工精度和效率的影响；3)磨料微粒的微切削力是电流变效应产生的通过微小游离磨料球团施加于工件表面的，游离磨料球团本身具有效应产生的通过微小游离磨料球团施加于工件表面的，游离磨料球团本身具有弹性，作用过程均匀、和缓、可控，而不是机械研磨中通过研磨工具基体与工件之间的机械作用向游离磨料施加的，有利于得到超光滑表面。
上述研磨工具基体形状可以是平面、弧面和球面；在其工作表面上具有阵列式分布的微小尺寸尖锥体，研磨工具基体为导体与高压电源的正极(或负极)相连形成电场的阳极(或阴极)，研磨工具与运动机构电绝缘。
上述电极铜片上开有点阵分布的孔，孔的分布规律与研磨工具基体相同，孔直径尺寸大于研磨工具基体锥尖直径尺寸，铜片具有适当厚度，铜片与高压电源负极(或正极)相连形成电场的阴极(或阳极)，电极铜片由绝缘保持架与研磨工具基体相连保持同步运动，电极铜片与工件表面保持一定的间隙，防止划伤加工表面。
采用具有高压电绝缘性能和高强度材料的绝缘连接架将电极铜片和研磨工具基体机械联结为一体。
上述高压电源由220V工频电源经过调压、变压和整流后得到500至5000伏可以线性调节的电压，可以是直流也可以是工频。电源最大电流强度与研磨工具微尺寸尖锥体数量有关，按每个尖锥体5毫安计算。
工件材料为光学玻璃、工程陶瓷等非导电或弱导电硬脆材料，工件与工作台之间电绝缘。
研磨工具运动机构具有旋转主运动。
加工装置由工件运动机构工作台和机体等组成，工作台具有回转或插补关系运动。
本实用新型的有益效果在研磨工具表面形成的微小游离磨料球团阵列，游离磨料微粒均匀而稳定地分布于研磨工具表面并作用于工件加工表面，解决了现有研磨技术游离磨料在工件界面无法分布均匀和磨料尺寸不均匀影响研磨精度和效率的难题，施加电场的强度决定游离磨料球团的直径和磨料微粒的结合强度，加工过程特征介于固定磨料与游离磨料之间，一方面可以始终保持工件加工界面上游离磨料的浓度和均匀性，同时电流变效应对游离磨料微粒属于软约束离心力和微切削力作用都可能使磨料微粒挣脱，磨粒磨钝受到过大的切削力时会导致接近固态的电流变液屈服流动磨粒逃逸，加工过程中的磨粒自我更新机制使锋利磨料不断进入磨粒球团参与研磨，微小游离磨料球团的尺寸具有动态稳定性，不需要考虑困扰一般加工过程的工具磨损问题，另一方面微小游离磨料球团本身具有粘弹性，研磨过程中不会象固定磨料磨具损伤工件已加工表面，达到高效率高精度研磨加工目的。
图1是本实用新型电流变效应研磨的工作原理图；图2是本实用新型应用电流变效应形成游离磨料球团的俯视图；图3是本实用新型方法使用的装置的结构示意图；图4是本实用新型方法使用的装置的另一结构示意图；图5是本实用新型所用高压电源原理图。
图中各编号含义1—研磨工具基体，2.铜片电极，3.绝缘连接架，4.高压电源，5.粒子分散型电流液，6.游离磨料微粒，7.工件，8.绝缘层，9.研磨机床主轴，10.机床主轴电机，11.机床主轴传动机构，12.机床主轴移动机构，13.旋转工作台，14.工作台转动电机，15.工件运动传动机构，16.工作台转动轴，17.研磨剂喷嘴，18.研磨剂(磨料与粒子分散型电流变液混合液)，19.Z向伺服电机，20.X向伺服电机，21.Y向伺服电机。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步具体的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
参照图1、2，本实用新型利用电流变效应制作超光滑表面加工用研磨工具，在研磨工具基体微尺寸尖锥体端部形成单点微小游离磨料球团，其基本的构成包括表面具有点阵分布锥尖体的研磨工具基体1、铜片电极2、电绝缘连接架3、高压电源4、粒子分散型电流液体5、磨料微粒6和工件7，由于研磨工具基体尖锥体作为电场一极，铜片作为电场另一极，研磨工具基体锥尖体置于铜片电极孔中央，在电场作用下电流变粒子成链分布，一端聚集于锥尖体尖端另一端辐射到铜片孔内侧周围，同时电流变粒子将磨料微粒约束在链之间，磨料微粒和电流变粒子构成微小游离磨料球团，研磨工具基体的阵列尖锥体形成微小游离磨料球团分布阵列，构成电流变效应研磨工具。
图3示出了本实用新型用于超光滑平面研磨加工的具体结构，由图可见，电绝缘连接架3将研磨工具基体1与铜片电极2机械联结为整体，研磨工具基体1和铜片电极2由高压电源4施加电场，研磨工具基体与研磨机床主轴由绝缘片8保持电绝缘并机械连接在一起，研磨工具(由1、2、3、4、5、6组成)和研磨机床主轴9在电机10和传动机构11的驱动下转动，并且在机床主轴移动机构12的作用下沿旋转工作台13的半径方向移动，工件7安装在旋转工作台13上，电动机14通过传动机构15带动工件主轴及工作台13旋转，研磨剂(磨料与粒子分散型电流变液混合液)18通过喷嘴17补充到研磨工具与工件界面。
图4示出了本实用新型用于超光滑曲面研磨加工的具体结构，由图可见，研磨工具基体1、铜片电极2、电绝缘连接架3以及粒子分散型电流变液5、游离磨料微粒6和高压电源4构成宏观的球形研磨工具，研磨工具与研磨机床主轴9连接在一起并经过绝缘片8与研磨机床主轴9绝缘，研磨机床主轴9在电机10和传动机构11的驱动下转动，在Z向伺服电机19的作用下研磨机床主轴9及研磨工具(由1、2、3、4、5、6组成)可以Z向上下运动，并且可以与工图5示出了本实用新型用于产生电流变效应高压电源原理图，220V工频电源经过调压、变压和整流后得到500至5000伏可以调节的直流或交流工频电压。
权利要求1.一种电流变效应研磨装置，由安装在连接电机的主轴上的研磨工具和用于安装工件的连接电机的工作台构成，其特征在于所述研磨工具由研磨工具基体与研磨工具近旁设置的具有孔洞结构的金属片和电流变液及游离磨料组成的研磨剂所构成，工具基体是电场一极，具有孔洞结构的金属片作为电场另一极，两电极间施加1000～5000V/mm电场。
2.根据权利要求1所述的电流变效应研磨装置，其特征在于上述研磨工具基体形状可以是平面、弧面或球面；在其工作表面上具有阵列式分布的微小尺寸尖锥体，研磨工具基体为导体与高压电源的正极或负极相连形成电场的阳极或阴极，研磨工具与运动机构电绝缘。
3.根据权利要求1或2所述的电流变效应研磨装置，其特征在于上述研磨工具的研磨端面整体宏观上呈平面、弧面或球体形状。
4.根据权利要求1所述的电流变效应研磨装置，其特征在于上述金属片是铜片。
5.根据权利要求1或4所述的电流变效应研磨装置，其特征在于上述电极铜片上开有点阵分布的孔，孔的分布规律与研磨工具基体相同，孔直径尺寸大于研磨工具基体锥尖直径尺寸，铜片具有适当厚度，铜片与高压电源负极或正极相连形成电场的阴极或阳极，电极铜片由绝缘保持架与研磨工具基体相连保持同步运动，电极铜片与工件表面保持一定的间隙。
6.根据权利要求1所述的电流变效应研磨装置，其特征在于上述游离磨料微粉有碳化硅、金刚石、立方氮化鹏、三氧化二铝、氮化硅、氧化锆等的其中一种或一种以上混合物，磨料直径小于10微米，游离磨料与电流变液的重量体积比小于0.3g/cc。
7.根据权利要求1所述的电流变效应研磨装置，其特征在于上述电流变液可以是现有的商品化电流变液，也可以是本实用新型特制的电流变液，其重量份数组成如下固体分散颗粒与分散相液体的体积分数比8～45％；添加剂体积分数1-5％。
专利摘要本实用新型涉及电流变效应研磨装置，由安装在连接电机的主轴上的研磨工具和用于安装工件的连接电机的工作台构成，所述研磨工具由研磨工具基体与研磨工具近旁设置的具有孔洞结构的金属薄片和电流变液及游离磨料组成的研磨剂所构成，本实用新型在研磨工具表面形成的微小游离磨粒球团阵列，游离磨料微粒均匀而稳定地分布于研磨工具表面作用于工件表面，解决了现有研磨技术磨料难以均匀分布于研磨工具与工件界面的难题，施加电场的强度决定微小游离磨料球团的直径和磨料微粒的结合强度，加工过程特征介于固定磨料与游离磨料之间，同时不需要考虑微小游离磨料球团的磨损问题，达到高效率高精度研磨加工的目的。
文档编号B24B37/00GK2637098SQ03274129
公开日2004年9月1日 申请日期2003年9月3日 优先权日2003年9月3日
发明者阎秋生 申请人:广东工业大学