专利名称：一种逆构电极的电流变均匀抛光方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新的抛光方法及其装置，属于光整加工领域。
背景技术：
电流变抛光是利用电流变液的电流变效应进行抛光的一种新型光整加工技术。电流变液是一种悬浮液，它由大介电常数的分散相和绝缘性良好的连续相组成。在电场作用下，电流变液的粘度变大，变为类固体，具有明显的抗剪切屈服能力，这种现象称为电流变效应。电流变抛光的原理是把磨料混入电流变液中，在电场作用下可以凝聚为一个柔性的抛光头，使用该柔性抛光头对工件进行抛光，抛光头硬度与接触点处的电场强度有关。与常规的抛光技术相比，电流变抛光具有以下几个方面的优点
(1)电流变抛光的磨头具有自我更新能力，抛光过程中不需要修形，因此可以保持稳定的去除率，特别适合数控加工。(2)由于是软接触，不会破坏工件的亚表面层，可以获得较高的表面质量。(3)抛光过程中柔性抛光头贴合工件表面，对抛光对象的面型、尺寸没有限制。(4)具有较高的柔性，磨头硬度可调，抛光过程可控。电流变抛光技术的产生为微小型非球面光学元件及硬质合金模具的高精度表面处理提供了一种新的手段。由于它适用面广，加工成本低，也可用于常规工件的加工，具有很高的实用价值。一般来说，对于特定的抛光工具，其去除模型是固定不变的，为了获得较高的表面质量，需要依据去除模型及抛光区域的曲面信息进行轨迹规划。在该技术路线中，最关键， 最复杂的工作就是轨迹规划。由于常规抛光工具抛光去除率的非均勻性，一次抛光后工件表面去除不勻，具有较大误差。常用解决办法是多次反复抛光，依靠概率获得较优的面形及表面质量。该方法致使抛光时间长，效果差，难以获得超高精度表面，因此目前对抛光轨迹规划的研究是提高研抛精度的主要途径，但由于原理上的局限，很难获得可控的高精度的表面质量。而电流变抛光技术所使用的抛光头是由智能材料一电流变液构成的。抛光头的硬度是可以通过改变电场强度控制，而电场强度又可以通过改变电压的方法方便调节。由于电流变液的这种性质，可以在抛光过程中主动改变电压，使其在抛光区域内具有均勻的去除模型。基于这种思想考虑，发明了一种逆构电极的电流变均勻抛光方法及其抛光装置。
发明内容
本发明提供一种逆构电极的电流变均勻抛光方法与装置，以解决很难获得可控的高精度的表面质量的问题。本发明采取的技术方案是包括下列步骤 (1)、获得平面面型信息；(2)、确定刀位位置及抛光间隙；
(3)、在工件表面注入电流变液；
(4)、由抛光区域的面型信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均勻去除率时的抛光压力分布；
已知平面抛光时抛光速度ν =-，则在抛光区域沿半径方向的抛光速度分布是圆心处线速度最低，沿半径方向线速度逐渐增大，在边缘处线速度最大，抛光去除率服从 Preston方程P=kp ν，若使去除率r在抛光区域均勻，则抛光压力P在半径方向的分布应与抛光速度P成反比，才能保证抛光压力与抛光速度的乘积为常数；
(5)、由压力分布反求电场分布
由于抛光静压力
当电流变抛光液配方一定时t力常数。则抛光区域内电场强度的平方与抛光压力！ 成正比。(6)、由电场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之电极电压分布模型；
(7)、由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各电极移动至预定位置， 控制各高压电源输出，使各电极加载所需电压；
(8)、抛光作业。本抛光方法的核心思想是，在一抛光区域内，已知工件的曲面信息及各点上的抛光线速度，通过改变作用于抛光区域各点的抛光压力，获得各点均勻去除率，也相当于构造一个完全贴合工件表面的磨刀，可使各点获得均勻的材料去除率。如图1所示，为达到抛光区域内各点去除率均勻分布的目的，在已知抛光区域内曲面信息及抛光速度分布的情况下，由Preston经验公式计算抛光压力分布。利用电流变效应对电场的依赖，通过改变抛光工具的电极分布及电极上电压大小，使抛光区域内电场分布发生改变，从而改变抛光压力在抛光区域内的分布，当工件面型发生改变时，电极分布实时调整，使其在抛光区域内始终具有均勻的去除率。这样一来，抛光区域内材料的去除是均勻的，连续抛光时简单的轨迹规划即可得到较好的表面质量。对于电流变抛光来说，只需调整电极的分布即可改变其电场分布，这也是电流变抛光特有的优势之一。本发明最大的特色是利用电流变液的流变特性，构造各点硬度不均勻的柔性抛光头，配合抛光速度，得到均勻的抛光去除率，以刀具的硬度改变适应面型的变化。通过均勻去除率的获得减少后续轨迹规划的工作量，是本发明的重要创新之处。
图1是本发明结构的示意图2是图1中套筒及电极的结构示意图； 图3是本发明集电环的示意图； 图4是本发明内部工具电极的示意图； 图5是本发明均勻去除时抛光速度与半径关系曲线图； 图6是本发明均勻去除时抛光压力与半径关系曲线图；图7是本发明均勻去除时沿半径方向电场强度分布图。
具体实施例方式包括下列步骤
(1)、获得平面面型信息；
(2)、确定刀位位置及抛光间隙；
(3)、在工件表面注入电流变液；
(4)、由抛光区域的面型信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均勻去除率时的抛光压力分布；
已知平面抛光时抛光速度ν =^"，则在抛光区域半径方向的抛光速度分布如图6a所示，圆心处线速度最低，沿半径方向线速度逐渐增大，在边缘处线速度最大；抛光去除率服从Preston方程V，若使去除率^在抛光区域均勻，则抛光压力ρ在半径方向的分布应如图6b所示，与抛光速度I'成反比，才能保证抛光压力与抛光速度的乘积为常数；
(5)、由压力分布反求电场分布
由于抛光静压力P=K^
当电流变抛光液配方一定时，&为常数。则抛光区域内电场强度沿半径方向的分布如图7，电场强度的平方与抛光压力P成正比；
(6)、由电场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之电极电压分布模型；
(7)、由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各电极移动至预定位置， 控制各高压电源输出，使各电极加载所需电压；
(8)、抛光作业。在该步骤中，每次移动时，面形信息，各电极位置、电压都要进行改变。由于抛光作业速度较慢，电极位置的变化速度远大于抛光速度，因此位置变化时间可以忽略不计，近似认为能实时变化。本发明提出的逆构电极的电流变均勻抛光方法的理论依据是 电流变抛光近似于挤压抛光，抛光去除率服从Preston方程
>-k,p V
式中k,为I^eston系数，在相同的工艺参数下I为常数。在电流变抛光中，相同工艺
主要指抛光液的配方一定，抛光工件材料相同。P为抛允区域内工件表面所受压力ι力抛光区域内电流变抛光头与工件表面的相对速度，这里指线速度。在主轴旋转的抛光模式下，抛光区域内沿半径方向，各点角速度相同，线速度不同。线速度V =I
式中G为角速度，『为抛光半径。当电流变液作为一个类固体小磨头对工件表面抛光时，电流变液形成的类固体抛光头垂直作用于工件表面，其对工件表面的静压力可表示为式中p.为抛光头的屈服应力。σ为作用于工件表面的抛光头重力。/ 为抛光头所受浮力。p.为作用于工件表面的静压力。 由于抛光头浸于同质的电流变液中，其重力与浮力相抵消，即
因此起作用的主要是抛光头的屈服应力，电流变液的屈服应力
式中《 是分散相的体积浓度为真空的介电常数； 力基础液的相对介电系数； *为电流变液粒子形成的粒子链发生断裂时粒子链的倾斜角度ι力局域场的修正系数； E为外加电场强度； 为介电失配系数。因此抛光静压力 ρ· = p=k^B2
当电流变抛光液配方一定时ι力常数。为了获得均勻的去除率模型，要求在抛光区域内各点去除率y为常数，即k,py为
常数。在相同的工艺参数下、为常数。的值已知为 ，则当P=+时，可以获得均
K.yV= ΦΓK1V
勻的去除率模型。P是需要K制的量，可以通过改变抛光区域内电场强度分布来实现抛光压力的改变。电场强度分布的改变拟通过如下方法解决
用η根尖锥状的电极等间隔排列，各个电极尖端在同一平面上。改变各个电极上加载的电压或者各个电极的长度，则由其共同作用形成的抛光区域电场将发生改变。根据抛光区域不同的面型，反求其所需的电场分布，进而逆构电极分布，即是本发明所提出的逆构电极的电流变均勻抛光方法。本抛光方法的实施需要一种逆构电极的电流变均勻抛光装置的支持，具体结构是
主轴电机1由支架2固连于Z轴工作台11上，齿轮4通过联轴器3与主轴电机相连， 齿轮4上的同步带5与套筒6相连，支架8通过内部轴承12将套筒6固连于ζ轴工作台上， 套筒6与内部工具电极连为一体，集电环9 一端固定在悬梁臂10上，悬梁臂10与ζ轴工作台11固定连接，抛光时，集电环9固定不动，包括套筒及内部工具电极在主轴电机带动下旋转。外部电源通过集电环对电极及电致伸缩材料供电。其集电环的结构是由导电铜环15，绝缘棒14，导线构成，9条导电铜环15嵌于中空绝缘棒14外壁上，各导电铜环的导线从内壁13引出，与外部电源相连。其内部工具电极结构是由三根嵌于绝缘中空圆柱18中的尖锥状电极7构成，该尖锥状电极上部为电致伸缩材料17，下部为尖锥状金属电极19，电极及电致伸缩材料的电极各由导线引出，与内壁周围电刷20相连，16为电刷安装孔，当电极为三根时，三根电极各引出一根导线，每个电致伸缩材料引出2根导线，共9根导线。使用时将集电环套入中空圆柱18中，内壁中各电刷分别对应各导电铜环，通过外部电源对电致伸缩材料及电极供电。
尖锥状电极的数量不限于3根，可以为任意根，电极数量越多，可以构建更为精确的电场分布。
权利要求
1.一种逆构电极的电流变均勻抛光方法，其特征在于包括下列步骤(1)、获得平面面型信息；(2)、确定刀位位置及抛光间隙；(3)、在工件表面注入电流变液；(4)、由抛光区域的面型信息及抛光区域内各点线速度分布，计算获得均勻去除率时的抛光压力分布；已知平面抛光时抛光速度ν = "，则在抛光区域沿半径方向的抛光速度分布是圆心处线速度最低，沿半径方向线速度逐渐增大，在边缘处线速度最大，抛光去除率服从 Preston方程P=kp V，若使去除率r在抛光区域均勻，则抛光压力I在半径方向的分布应与抛光速度P成反比，才能保证抛光压力与抛光速度的乘积为常数；(5)、由压力分布反求电场分布由于抛光静压力P=K^当电流变抛光液配方一定时，K为常数； 则抛光区域内电场强度的平方与抛光压力Γ成正比；(6)、由电场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之电极电压分布模型；(7)、由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各电极移动至预定位置， 控制各高压电源输出，使各电极加载所需电压；(8)、抛光作业。
2.一种用于如权利要求1所述的逆构电极的电流变均勻抛光装置，其特征在于主轴电机由支架固连于ζ轴工作台上，齿轮通过联轴器与主轴电机相连，齿轮上的同步带与套筒相连，支架通过内部轴承将套筒固连于ζ轴工作台上，套筒与内部工具电极连为一体，集电环一端固定在悬梁臂上，悬梁臂与ζ轴工作台固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种逆构电极的电流变均勻抛光装置，其特征在于集电环的结构是由导电铜环，绝缘棒，导线构成，9条导电铜环嵌于中空绝缘棒外壁上，各导电铜环的导线从内壁引出，与外部电源相连。
4.根据权利要求2或3所述的一种逆构电极的电流变均勻抛光装置，其特征在于内部工具电极结构是由三根嵌于绝缘中空圆柱中的尖锥状电极构成，该尖锥状电极上部为电致伸缩材料，下部为尖锥状金属电极，电极及电致伸缩材料的电极各由导线引出，与内壁周围电刷相连，内壁上有电刷安装孔，当电极为三根时，三根电极各引出一根导线，每个电致伸缩材料引出2根导线，共9根导线。
全文摘要
本发明涉及一种逆构电极的电流变均匀抛光方法与装置，属于光整加工领域。包括获得平面面型信息，确定刀位位置及抛光间隙，在工件表面注入电流变液，由压力分布反求电场分布，由电场强度分布，调用数据库，模糊判别，获得与之近似之电极电压分布模型；由所得模型，控制各驱动电源输出，控制电致伸缩材料使各电极移动至预定位置，控制各高压电源输出，使各电极加载所需电压，抛光作业。本发明利用电流变液的流变特性，构造各点硬度不均匀的柔性抛光头，配合抛光速度，得到均匀的抛光去除率，以刀具的硬度改变适应面型的变化。
文档编号B24B1/00GK102229066SQ20111011694
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月8日 优先权日2011年5月8日
发明者卾世举, 朱喜林, 李凝, 王彬, 罗罕频, 贺新升, 高春甫 申请人:浙江师范大学