一种基于磁场辅助的非牛顿流体增稠抛光方法及抛光系统

技术领域

本发明属于超精密加工领域，尤其涉及一种抛光方法及抛光系统。

背景技术

自由曲面、非球面等复杂曲面已经逐渐应用于航空航天、光学系统、动力机械部件、生物医用模具等众多应用领域的零件设计。高精度表面对于各种设备的意义重大：例如，有效提高航天器关键零部件寿命和可靠性；对光学系统中高精度非球面透镜多种像差的矫正，优化其鉴别能力，降低装置成本；提升车用高精密复杂曲面零部件表面精度，减少机械磨损，全面优化工作效能。据统计，多达3成的模具型腔采用自由曲面设计，其他复杂曲面的应用就更为广泛。因此，对于复杂曲面加工精度和加工效率的要求日益提高，并且对于工业生产能力的要求更为严苛。

为解决复杂曲面抛光加工的问题，研究人员提出了射流抛光、离子束抛光以及等离子体加工等技术，但是这些技术在设备成本、加工条件、边缘效应的控制等方面存在较大缺陷。磁流变抛光技术是一种流变体柔性抛光技术，具备较高去除效率的同时，还可以自适应复杂曲面面形的加工，具备对材料去除效率的瞬态控制能力，但其抛光耗材中羰基铁粉占到抛光液体积分数的50％左右，且羰基铁粉价格昂贵，是其大规模工业化应用的严重制约。浙江工业大学超精密加工中心吕海冰等人基于非牛顿流体特性提出了剪切增稠抛光技术，该种抛光技术在非牛顿流体中添加磨粒，制备得到剪切增稠抛光液；在抛光加工过程中，工件与抛光液发生相对运动，抛光液流体在与工件接触的区域发生剪切、碰撞等作用，导致该区域流体黏度急剧增大，在工件表面形成类似于“固着”状态的抛光模，将磨粒夹持，并作用于工件表面，产生微切削作用，实现表面的材料去除，进而实现工件表面质量的提升，成本低廉，且无亚表面损伤。但是，由于剪切增稠抛光对电机转速、扭矩参数等方面的要求较为严苛，同时其发生剧烈增稠区域狭小，随着表面质量的提高，增稠效果减弱，导致抛光效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种耗材成本低、抛光效率高、抛光效果好的基于磁场辅助的非牛顿流体增稠抛光方法，该方法可以实现抛光工件的超精密抛光，本发明还相应提供一种利用上述系统的抛光系统。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于磁场辅助的非牛顿流体增稠的抛光方法，包括以下步骤：

S1：将具有磁流变特性的非牛顿流体抛光液加入抛光液槽中，再通过一带驱动系统的夹持装置使抛光工件浸泡于上述非牛顿流体抛光液中，并开启磁场发生装置，使非牛顿流体抛光液的黏度增大；

S2：在上述驱动系统的作用下，夹持装置带动抛光工件转动使抛光工件与非牛顿流体抛光液发生相对运动，非牛顿流体抛光液中的磨粒对抛光工件表面进行切削(微细切削作用或化学机械切削)，即完成抛光过程。

上述抛光方法中，优选的，所述具有磁流变特性的非牛顿流体抛光液的成分包括以下质量百分比的组分：40-45％多羟基高聚体、10-15％的高纯度羰基铁磁性颗粒与20-25％的1-3μm精抛三氧化二铝磨粒、20-25％水。采用本发明中的技术构思，可大大减小价格昂贵的羰基铁磁性颗粒的使用量，整个抛光液的成本更低。

上述抛光方法中，优选的，夹持装置带动抛光工件转动时还控制抛光液槽同步转动，且控制抛光液槽的转动方向与抛光工件的转动方向相反。抛光液槽反转，可有效提高抛光工件相对于抛光液相对运动的速度，增大非牛顿流体的黏度，实现抛光效率的有效提升。

上述抛光方法中，优选的，开启磁场发生装置之前还开启一用于控制抛光液槽中非牛顿流体抛光液性质稳定的抛光液循环系统。抛光液循环系统可使重新注入抛光液槽的抛光液均一稳定，同时，抛光液循环系统具备控制抛光液槽中抛光液温度和黏度的作用。

上述抛光方法中，优选的，所述抛光工件为非磁性材料。如非磁性金属、陶瓷等高硬度、高脆性材料。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于磁场辅助的非牛顿流体增稠抛光系统，包括工作台、抛光液槽、用于提供磁场辅助的磁场发生装置、用于固定抛光工件并带动抛光工件转动的夹持装置以及用于控制抛光过程的控制器，所述抛光液槽设于所述工作台上，所述磁场发生装置设置于所述抛光液槽的侧面，所述夹持装置设于所述抛光液槽的上方。

上述抛光系统中，优选的，所述夹持装置通过一三自由度控制系统与工作台连接，所述三自由度控制系统包括可自由移动的支撑架及用于带动所述支撑架自由移动的支撑架驱动系统，所述夹持装置固设于所述支撑架上。三自由控制系统的存在，可以便于夹持装置的自由移动，上下料更加便洁。

上述抛光系统中，优选的，所述夹持装置包括用于固定抛光工件的夹具以及用于带动夹具转动的第一驱动系统，所述第一驱动系统包括第一驱动电机与第一连接主轴，所述夹具通过第一连接主轴与第一驱动电机连接。

上述抛光系统中，优选的，所述抛光液槽还连接有用于驱动抛光液槽转动的第二驱动系统，所述第二驱动系统包括第二驱动电机及第二连接主轴，所述抛光液槽通过第二连接主轴与第二驱动电机连接。

上述抛光系统中，优选的，所述抛光液槽还连接有抛光液循环系统，所述抛光液循环系统包括进口与出口均与抛光液槽连接的循环管路，所述循环管路上设有循环泵和用于将抛光液中大颗粒磨屑去除的过滤装置，所述循环管路的入口与所述抛光液槽的底部连通。循环泵的选型，匹配抛光消耗，且循环过程中，对抛光液进行搅拌过滤，将凝聚的磁性粒子簇打散，使重新注入抛光液槽的抛光液均一稳定。另外，抛光液循环系统还可以维持抛光液温度的稳定。

上述抛光系统中，所述磁场发生装置与抛光工件在同一水平位置，以在抛光液槽四周形成磁极交错排布的花瓣状电磁场和磁性毛刷。由于四周均布的小磁极为N极、S极交错排布，因此，磁力线从俯视图看，呈现花瓣状排布；这样做的好处是，磁场强度分布更为均匀，有利于控制增稠效应的剪切强度，以及控制表面材料去除率的均匀性与稳定性。

本发明的工作原理如下：磁场辅助与非牛顿流体两种机理的夹持共同作用下形成更为高效的柔性“固着磨具”，可实现高效、柔性微细切削材料去除。具体的，在磁场发生装置的作用下，抛光液中的磁性颗粒发生极化成链，增大流体中团簇的粒径，宏观上增大了抛光液的黏度，增益抛光工件与非牛顿流体抛光液高速相对运动造成的流体增稠现象，进而形成更为高效的柔性“固着”高黏度磨具，实现对抛光工件表面的材料去除，达到更好的抛光效果。本发明中，布置在抛光液槽侧面的磁场发生装置可通过电流控制磁场辅助的强度，针对复杂曲面面形特点进行磁场分布控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用磁场辅助抛光，抛光工件无需在较高的转速下，抛光液即可达到更大的黏度，同时，磁场强度分布更为均匀，有利于控制增稠效应的剪切强度，抛光工件的加工效率与表面质量相比于传统的剪切增稠抛光有了显著的提高。

2、本发明基于流体柔性抛光原理，对于复杂曲面面形抛光工件的适应性强，针对其表面流场分布特征。虽然非牛顿流体的增稠现象是来自于对粗糙表面微观凸起的自适应局部聚集，夹持着磨粒与表面凸起部分发生碰撞、剪切，进而造成了材料去除，但是复杂曲面的流场在宏观运动过程当中与平面平动或者圆柱面转动完全不同，不同位置的流场根据其运动的不同而存在差异。通过调节磁场发生装置有效控制磁场强度和磁场分布，弥补了由于流场差异造成的材料去除不均，实现对复杂曲面工件的均匀抛光加工，使工件获得更高的加工精度，使复杂曲面的表面材料去除率更加稳定、高效。

3、由于非牛顿流体的特性，对于复杂曲面表面粗糙度在加工时具有自适应性，材料去除率随着表面粗糙度的降低而降低，因此无法满足高效率超精密抛光的加工需求。本发明通过励磁装置控制，在一定程度上控制抛光液黏度变化，使其在表面粗糙度较低的情况下保持较高的材料去除率，提高了传统剪切增稠抛光在精抛阶段的加工效率，实现了超精密抛光过程工艺的简化。

4、本发明基于磁场辅助的非牛顿流体增稠抛光原理，由于磁场作用对铁磁颗粒聚集的促进作用，降低了对电机高转速高扭矩高稳定性的要求，装置成本更低；相比于磁流变抛光技术中采用大比重的羰基铁粉磁流变液，本发明的羰基铁粉占比较低，使耗材成本降低，且有利于抛光液沉降稳定性的提升，具备实现工业化生产的潜力。

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获得其他的附图。

图1为本发明中抛光系统的结构示意图。

图2为本发明中抛光原理示意图(图中a为磨粒，b为羰基铁磁性颗粒，c为多羟基高聚体颗粒)。

图例说明：

1、抛光液槽；2、抛光工件；3、第一连接主轴；4、第一驱动电机；6、磁场发生装置；8、控制器；9、第二连接主轴；10、第二驱动电机；11、抛光液循环系统；12、夹具；14、工作台；15、支撑架；16、循环管路；20、夹持装置；21、循环泵；22、过滤装置。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

本实施例的基于磁场辅助的非牛顿流体增稠的抛光方法，包括以下步骤：

S1：将抛光液槽1固定在工作台14上，将具有磁流变特性的非牛顿流体抛光液加入抛光液槽1中，再通过一带驱动系统的夹持装置20使抛光工件2浸泡于上述非牛顿流体抛光液中，并开启磁场发生装置6，使非牛顿流体抛光液的黏度增大；

S2：在上述驱动系统的作用下，夹持装置20带动抛光工件2转动使抛光工件2与非牛顿流体抛光液发生相对运动，非牛顿流体抛光液中的磨粒对抛光工件2表面进行切削，即完成抛光过程。

本实施例中，具有磁流变特性的非牛顿流体抛光液的成分包括以下质量百分比的组分：40％的多羟基高聚体、15％的高纯度羰基铁磁性颗粒与20％的1-3μm精抛三氧化二铝磨粒、25％的去离子水。抛光工件2为非磁性材料。

如图1所示，本实施例的基于磁场辅助的非牛顿流体增稠抛光系统，包括工作台14、抛光液槽1、用于提供磁场辅助的磁场发生装置6、用于固定抛光工件2并带动抛光工件2转动的夹持装置20以及用于控制抛光过程的控制器8，抛光液槽1设于工作台14上，磁场发生装置6设置于抛光液槽1的侧面(如励磁装置，可沿抛光液槽1的侧面周布，形成花瓣状磁场强度分布)，夹持装置20设于抛光液槽1的上方。

本实施例中，夹持装置20通过一三自由度控制系统与工作台14连接，三自由度控制系统包括可自由移动的支撑架15及用于带动支撑架15自由移动的支撑架驱动系统，夹持装置20固设于支撑架15上。本实施例中的支撑架驱动系统为常规的驱动电机即可，只要能带动夹持装置20可沿工作台14向X轴、Y轴、Z轴移动即可。

本实施例中，夹持装置20包括用于固定抛光工件2的夹具12以及用于带动夹具12转动的第一驱动系统，第一驱动系统包括第一驱动电机4与第一连接主轴3，夹具12通过第一连接主轴3与第一驱动电机4连接。

本实施例中，抛光液槽1还连接有用于驱动抛光液槽1转动的第二驱动系统，第二驱动系统包括第二驱动电机10及第二连接主轴9，抛光液槽1通过第二连接主轴9与第二驱动电机10连接。

本实施例中，抛光液槽1还连接有抛光液循环系统11，抛光液循环系统11包括进口与出口均与抛光液槽1连接的循环管路16，循环管路16上设有循环泵21和用于将抛光液中大颗粒磨屑去除的过滤装置22，循环管路16的入口与抛光液槽1的底部连通。

本实施例中，磁场发生装置6与抛光工件2在同一水平位置。

本实施例中，第一驱动电机4、第二驱动电机10、循环泵21等部件没有特别的要求，常规的驱动电机及泵即可，能实现本实施例中的功能即可。

本实施例中，如图2所示，在磁场发生装置6的作用下，抛光液中的磁性颗粒发生极化成链(图2中多个b组合成链)，增大流体中团簇的粒径，宏观上增大了抛光液的黏度，增益抛光工件2与非牛顿流体抛光液高速相对运动造成的流体增稠现象，进而形成更为高效的柔性“固着”高黏度磨具，实现对抛光工件2表面的材料去除，达到更好的抛光效果。

实施例2：

本实施例的基于磁场辅助的非牛顿流体增稠的抛光方法，包括以下步骤：

S1：将抛光液槽1固定在工作台14上，将具有磁流变特性的非牛顿流体抛光液加入抛光液槽1中，再通过一带驱动系统的夹持装置20使抛光工件2浸泡于上述非牛顿流体抛光液中；

S2：开启用于控制抛光液槽1中非牛顿流体抛光液性质稳定的抛光液循环系统11；

S3：开启磁场发生装置6，使非牛顿流体抛光液的黏度增大；

S4：在上述驱动系统的作用下，夹持装置20带动抛光工件2转动使抛光工件2与非牛顿流体抛光液发生相对运动，同时，控制抛光液槽1同步反向转动，非牛顿流体抛光液中的磨粒对抛光工件2表面进行切削，即完成抛光过程。

本实施例中，具有磁流变特性的非牛顿流体抛光液的成分包括以下质量百分比的组分：45％的多羟基高聚体、10％的高纯度羰基铁磁性颗粒与20％的1-3μm精抛三氧化二铝磨粒、25％的去离子水。

本实施例中，抛光工件2为非磁性材料。

本实施例中，抛光系统与抛光原理与实施例1中相同。