专利名称：磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头及该永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法
技术领域：
本发明涉及小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法，属于永磁体球形抛光头设计及制造技术领域。
背景技术：
随着现代科学技术的日益发展，在国防、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，需要各种高精度高表面质量的光学零件，这些高精度零件其表面粗糙度Ra大多要求达到纳米量级，目前主要采用超精密切削、超精密磨削与磁流变抛光等技术手段实现其加工。对于一些形状较为简单、尺度较大的光学零件，目前常采用磁流变抛光的方法实现其加工。磁 流变抛光的基本原理是在外加磁场作用下，磁流变液的粘度、屈服强度会显著增加，在磁流变液中加入磨料，利用其固化作用对工件表面进行光整加工。磁流变抛光不会有工具磨损，磁流体的流动对工件形状的适应性好，加工热量会及时被带走，并且能达到纳米级的加工表面质量。但是，在航空航天、聚变能源及生物医疗等行业，许多尖端产品需要高精度高表面质量的异形结构零件，如熔石英半球谐振子零件、光学微透镜阵列等，这类零件由于结构形状复杂，表面多为自由曲面，并且曲面过渡部分曲率半径较小，采用常规的超精密切肖IJ、磨削与磁流变抛光加工方法难以实现其加工。针对这一情况，目前已有采用小直径球头金刚石砂轮等对其实现高精度加工方面的报道。对于表面质量更高的异形零件，常见的磁流变“抛光盘、电磁铁”抛光形式不能满足工件的形状和尺度要求，必须使用小直径永磁体球形抛光头来吸附磁流变液对其实现加工。目前已有直接使用小直径永磁体球形抛光头进行磁流变抛光的应用实例，但是现有的小直径永磁体球形抛光头，由于其磁化方向固定，抛光头上的磁场分布不均勻，不同部位的磁流变液吸附厚度、强度不一致，从而影响工件的形状精度和加工表面质量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有小直径永磁体球形抛光头，由于其磁化方向固定，抛光头上的磁场分布不均匀，不同部位的磁流变液吸附厚度、强度不一致，从而影响工件的形状精度和加工表面质量的问题。本发明设计的是一种磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头及该永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法。本发明所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头是对称结构，所述球形抛光头由球头和球杆组成，所述球杆为直径为DD的圆柱体，该球杆的末端中心带有直径为D的装配孔，该装配孔的深度为H，该球杆的首端固定有球头，该球头是半径为R的球体的一部分，并且该球头的圆心位于球杆的轴线上，球头的圆心距离球杆末端的距离为HH，其特征在于，在球杆与球头的连接处的外表面上设置有环形凹槽，该环形凹槽的宽度为A、深度为B，环形凹槽与球杆末端的距离为L。
本发明中所述的球头的半径R等于球杆的直径DD的一半。上述磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法为步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ；步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均勻误差，当所述磁场强度均勻性误差小于5%时,将对应的参数以及球头半径R作为结构参数优化结果。本发明中所述的球头的半径R还可以大于O. 47倍球杆(2)的直径DD的且小于或等于I. 6倍的球杆(2)的直径DD。
上述磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法为步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ；步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，此时，获得初步的参数优化结果；步骤三、增加抛光头的球杆的直径DD、抛光头的球头圆心至底端的距离HH两个参数，通过正交试验调整其它参数，每次调整参数之后，采用采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，对应的所有结构参数作为最终的参数优化结果。本发明所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头的材料为基于钕铁硼的永磁体材料。本发明的优点有I)采用本发明所述的抛光头实施抛光，在抛光过程中，抛光头的球头表面磁场强度均勻分布，更适用于对小曲率半径内凹异形零件(曲率半径在R4mm RlOmm)的非磁性材料工件抛光加工。2)米用本发明所述的抛光头实施抛光,在抛光过程中，由于球头表面的磁场分布均匀，在球头处能够产生均匀的材料去除率，由此提高异形零件超精密抛光时的加工精度和加工表面的质量。3)本发明的材料基于钕铁硼的永磁体材料，因此能够产生较大的磁感应强度、并吸附磁流变液，提高材料去除率；材料去除率的改变可以通过调节抛光头与工件表面间隙实现，该抛光头结构可用于各种形状较为复杂的异形零件加工。4)本发明所述的抛光头结构简单，制造成本较低，并且没有常规磁流变抛光时的磁场发生装置，便于推广应用。5)本发明所述的抛光头结构简单，且便于在机床上装夹，更换简便。6)本发明所述的抛光头整体空间尺寸较小，易于进行抛光机床的改装。
本发明所述的永磁体球形抛光头适用于对小曲率半径、异形面的磁流变抛光加工。
图I是具体实施方式
二所述的小直径永磁体球形抛光头的结构示意图。图2是具体实施方式
四 所述的小直径永磁体球形抛光头的结构示意图。图3现有永磁体抛光头的结构示意图。图4是具体实施方式
十中所述的二维仿真图。图5是将图4网格化后的图。图6是采用仿真软件对图5进行仿真的结果示意图。图7是图6的局部放大图。图8是图6中磁流变液吸附层的放大图。图9是具体实施方式
三中所述的、对该实施方式所述球形抛光头仿真的结果示意图。图10是图9中的磁流变液吸附层的放大图。图11是具体实施方式
五中所述的、对该实施方式所述球形抛光头仿真的结果示意图。图12是图11中的磁流变液吸附层的放大图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头是对称结构，所述球形抛光头由球头I和球杆2组成，所述球杆2为直径为DD的圆柱体，该球杆2的末端中心带有直径为D的装配孔，该装配孔的深度为H，该球杆2的首端固定有球头1，该球头I是半径为R的球体的一部分，并且该球头I的圆心位于球杆2的轴线上，球头I的圆心距离球杆2末端的距离为HH，其特征在于，在球杆2与球头I的连接处的外表面上设置有环形凹槽3，该环形凹槽3的宽度为A、深度为B，环形凹槽3与球杆2末端的距离为L0本实施方式所述的永磁体抛光头在抛光过程中，都能够在其球头表面的磁流变液吸附层中(O. 2_厚度)产生均匀的磁感应强度分布，更适用于对小曲率半径、异形曲面的磁流变抛光加工。
具体实施方式
二 本实施方式是对具体实施方式
一所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头的进一步限定，本实施方式中，所述球头I的半径R等于球杆2的直径DD的一半。本实施方式所述的永磁体球形抛光头是现有抛光头结构基础上，增加了环形凹槽，该种结构制造较为方便，也容易达到较高的精度，并且磁场分布均匀，适用于对磁场强度要求不高、加工曲面较小的抛光头制备，适合于大多数抛光头的制作情况。
具体实施方式
三本实施方式是对具体实施方式
二所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头的进一步限定，本实施方式中，所述环形凹槽3沿球杆2长度方向的宽度A大于I. 5mm且小于或等于2mm,该凹槽3的深度B为大于Omm且小于或等于O. 3mm,环形凹槽3与球杆2末端的距离L为大于I. 5mm且小于或等于I. 8mm,装配孔的直径D为大于2. Omm且小于或等于2. 5mm,装配孔的深度H为大于2. 5mm且小于或等于4mm,球头I的半径为I. 8mm。本实施方式是对具体实施方式
二所述的永磁体球形抛光头结构参数的进一步限定。下面，采用仿真的方法对本实施方式所述的永磁体球形剖光头在抛光过程中，其球头部位磁感应强度分布的情况进行分析采用仿真软件对本实施方式所述的抛光头在抛光过程中，其周围的磁感应强度进行仿真获得结果参见图9所示，根据该图与图6的对比可以清楚的获知，在A、B两个区域的磁场分布比现有常规的抛光头相比较，这两处区域的磁感应强度产生了一定的补偿作用。图10是图9中磁流变液吸附层处的磁感应强度分布图，从该图可以获知，本实施方式所述的抛光头在抛光过程中，其磁流变液吸附层中产生的是均匀性较好的磁感应强度分布，磁感应强度沿径向呈梯度分布，沿球面磁场分布均匀，该结构产生的吸附层磁场强度 在O. 5 O. 65T左右。在仿真过程中，调整各参数，跟记录每组参数对应的仿真结果，根据所有仿真结果分析能够获知，当改变这些结构参数时，抛光头的磁场强度将会发生变化，但对应的永磁球形抛光头表面部分的磁场强度均勻性误差均在5%以内。本实施方式所述的永磁体球形抛光头是在现有抛光头结构基础上扩孔、并加工出环槽实现，制造较为方便，也容易达到较高的精度，并且磁场分布均匀，适用于对磁场强度要求不高、加工曲面较小的抛光头制备，适合于大多数抛光头的制作情况。
具体实施方式
四本实施方式是对具体实施方式
一所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头的进一步限定,本实施方式中所述的球头I的半径R大于O. 47倍球杆
(2)的直径DD的且小于或等于I. 6倍的球杆(2)的直径DD。本实施方式所述的现有抛光头结构基础上，扩孔、并加工出环槽，并调整了球头半径的大小，本实施方式中所述的球头的直径可以不等于球杆(2)的直径DD，当球头的直径大于球杆(2)的直径DD时，在抛光过程中所产生的吸附层磁场强度比具体实施方式
二所述的结构的磁场强度更强。
具体实施方式
五本实施方式是对具体实施方式
四所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头的进一步限定，本实施方式中所述的环形凹槽3沿球杆2长度方向的宽度A大于Omm且小于或等于O. 2mm,该凹槽3的深度B为大于Omm且小于或等于O. 2mm,环形凹槽3与球杆2末端的距离L为大于I且小于或等于I. 2mm,装配孔的直径D为大于
2.Omm且小于或等于3. Omm,装配孔的深度H为大于I. 8mm且小于或等于2. 5mm,球头I的半径R为大于I. 7mm且小于或等于2. 0mm，球头I的圆心距离球杆2末端的距离HH为大于
2.5mm且小于或等于3. 5mm,球杆2为直径DD为大于2. 5mm且小于或等于3. 5mm。采用仿真的方法，对本实施方式所述的永磁体球形剖光头在抛光过程中，其球头部位磁感应强度分布的情况进行分析采用仿真软件对本实施方式所述的抛光头在抛光过程中，其周围的磁感应强度进行仿真获得结果参见图11所示，图12是图11中磁流变液吸附层处的磁感应强度分布图，从该图可以获知，本实施方式所述的抛光头在抛光过程中，其磁流变液吸附层中产生的是均匀性较好的磁感应强度分布，磁感应强度沿径向呈梯度分布，沿球面磁场分布均勻，该结构产生的吸附层磁场强度在O. 58、. 75T左右，与具体实施方式
三所述的抛光头相比较，其磁感强度梯度增加了约0.1T。本实施方式与具体实施方式
四所述的永磁体球形抛光头，是在具体实施方式
二或三所述的型抛光头的结构基础之上，增加球头的直径，使得在抛光过程中，球头表面的磁场强度更强。该种结构虽然由于需要加工超过半球面的表面，其制造过程有一定的难度，不易达到较高的制造精度，但是，其在抛光过程中其球头表面的磁感应强度大，更适合对曲面较大的零件进行抛光。
具体实施方式
六本实施方式是对具体实施方式
一至五所述的任意一个实施方式所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头的进一步限定，本实施方式中，所述球形抛光头的材料为基于钕铁硼的永磁体材料。
具体实施方式
七本实施方式所述的是对具体实施方式
二所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头的结构参数优化设计的方法，该方法包括步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆2末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ；步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均勻误差，当所述磁场强度均勻性误差小于5%时,将对应的参数以及球头半径R作为结构参数优化结果。本实施方式所述的剖光头结构参数优化的方法能够保证永磁体球头部分吸附的磁流变液剪切强度均匀分布，进而达到有效提高异形零件超精密抛光时的加工精度和表面质量的目的。本实施方式所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头的优选过程中，在步骤二中，可以将球头半径R固定取值1.8_，然后利用正交实验的方法对A、B、D、H和L六个结构参数进行比较，所述正交实验的方案可以采用表I所述的16组参数。表I,单位mm,
权利要求
1.磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头，它是对称结构，所述球形抛光头由球头(I)和球杆(2)组成，所述球杆(2)为直径为DD的圆柱体，该球杆(2)的末端中心带有直径为D的装配孔，该装配孔的深度为H，该球杆(2)的首端固定有球头(I )，该球头(I)是半径为R的球体的一部分，并且该球头(I)的圆心位于球杆(2)的轴线上，球头(I)的圆心距离球杆(2)末端的距离为HH，其特征在于，在球杆(2)与球头(I)的连接处的外表面上设置有环形凹槽(3)，该环形凹槽(3)的宽度为A、深度为B，环形凹槽(3)与球杆(2)末端的距离为L。
2.根据权利要求I所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头，其特征在于，所述球头(I)的半径R等于球杆(2)的直径DD的一半。
3.根据权利要求2所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头,其特征在于，所述环形凹槽(3)沿球杆(2)长度方向的宽度A大于I. 5mm且小于或等于2mm，该凹槽(3)的深度B为大于Omm且小于或等于O. 3mm，环形凹槽(3)与球杆(2)末端的距离L为大于或等于I. 5mm且小于或等于I. 8mm，装配孔的直径D为大于或等于2. Omm且小于或等于2. 5mm,装配孔的深度H为大于或等于2. 5mm且小于或等于4_，球头(I)的半径为I. 8_。
4.根据权利要求I所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头，其特征在于，所述球头(I)的半径R大于O. 47倍球杆(2)的直径DD的且小于或等于I. 6倍的球杆(2)的直径DD。
5.根据权利要求4所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头,其特征在于，所述环形凹槽(3)沿球杆(2)长度方向的宽度A大于Omm且小于或等于O. 2mm，该凹槽(3)的深度B为大于Omm且小于或等于O. 2mm，环形凹槽(3)与球杆(2)末端的距离L为大于或等于I且小于或等于I. 2mm,装配孔的直径D为大于或等于2. Omm且小于或等于3. Omm,装配孔的深度H为大于或等于I. 8mm且小于或等于2. 5mm,球头(I)的半径R为大于或等于I. 7mm且小于或等于2. 0mm，球头(I)的圆心距离球杆(2)末端的距离HH为大于或等于2.5mm且小于或等于3. 5mm,球杆(2)为直径DD为大于或等于2. 5mm且小于3. 5mm。
6.根据权利要求I至5任意一项权利要求所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头，其特征在于，所述球形抛光头的材料为基于钕铁硼的永磁体材料。
7.对权利要求2所述的磁场分布均勻化的小直径永磁体球形抛光头结构参数优化方法，其特征是，所述方法包括 步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆(2)末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ； 步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，将对应的参数以及球头半径R作为结构参数优化结果。
8.权利要求4所述的磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头结构参数优化设计的方法，其特征是，所述方法包括 步骤一、构建待优化的永磁体球形抛光头的三维仿真模型；该三维仿真模型中，球杆(2)末端装配孔的直径为D，该装配孔的深度为H，球杆的直径为DD，球头的半径为R，环槽的宽度为A、深度为B，该环槽距离球形抛光头底端的距离为L ； 步骤二、固定球头半径R不变，利用正交方法对A、B、D、H和L进行参数优化，每次调整参数之后，采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，此时，获得初步的参数优化结果； 步骤三、增加抛光头的球杆的直径DD、抛光头的球头圆心至底端的距离HH两个参数，通过正交试验调整其它参数，每次调整参数之后，采用采用仿真软件对构建的仿真模型进行磁场有限元分析，获得该组参数对应的球头表面部分的磁场强度分布均匀误差，当所述磁场强度均匀性误差小于5%时，对应的所有结构参数作为最终的参数优化结果。
全文摘要
磁场分布均匀化的小直径永磁体球形抛光头及该永磁体球形抛光头结构参数优化设计方法，涉及抛光头及其结构参数优化方法。本发明解决了现有小直径永磁体球形抛光头的磁场分布不均匀、磁流变液吸附厚度、强度不一致的问题。本发明所述的抛光头是对称结构，由球头和圆柱体的球杆组成，球杆末端中心带有装配孔，球杆的首端固定有球头，球头是球体的一部分，在球杆与球头的连接处的外表面上设置有环形凹槽。本发明所述的优化方法是根据抛光头的三维仿真模型及其抛光时的工作环境采用仿真软件仿真进行磁场有限元分析，获得抛光头周围的磁场强度分布均匀误差，当所述误差小于5%时完成优化。本发明适用于对小曲率半径、异形面的磁流变抛光加工。
文档编号B24B31/14GK102909643SQ20121040458
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者陈明君, 左泽轩, 刘赫男, 方针, 苏银蕊, 余波, 彭慧 申请人:哈尔滨工业大学