專利名稱：基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤及拋光方法
技術領域：
本發明屬于先進光學制造領域，具體涉及的是一種基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤及拋光方法。
背景技術：
現代光學系統對光學元件表面質量提出了極其嚴格的要求，武器裝備、空間觀測、激光核聚變、極紫外光刻等不僅要求光學元件具有極高的面形精度，同時也要對全頻段誤差分布做出嚴格的控制。目前的計算機控制光學表面成形技術(CCOS)與傳統技術相比能大大提高加工效率，且具有設備簡單、造價低廉等優勢，逐漸成為加工非球面的主要方法。但是由于其采用的剛性小磨頭與被加工零件表面不吻合及其子口徑修磨加工特性等原因，導致CCOS技術加工出的光學元件表面通常帶有明顯的中頻誤差即波紋度誤差。這種誤差會使光線發生小角度散射，從而使成像產生耀斑，嚴重影響像的對比度。因此研究抑制CCOS 技術產生的中高頻誤差的方法便成為光學加工界普遍關注的課題。20世紀70年代初，Itek公司的W. J. Rupp率先提出CCOS技術思想，并由R. A. Jones設計完成了世界上第一臺計算機控制拋光機。這種技術采用比被加工元件尺寸小得多的柔性拋光工具(一般是工件的1/8-1/15)，根據干涉儀等光學表面面形檢測儀器測得的面形數據，建立加工過程的控制模型，選擇合適的拋光參數，在計算機控制下按照一定的路徑和相應的磨頭駐留時間來加工工件表面，使其面形向理想形狀收斂。正是在這種技術思想的引導下，世界各個發達國家開始研究不同形式的CCOS技術，目前主要有氣囊拋光(airsac polishing)、射流拋光(fluent jet polishing)、磁流變拋光(magnetorheologicalfinishing)、離子束拋光(ion beam finishing)。在實際加工非球面光學元件的過程中，這幾種加工技術能大大提高加工效率，但同時也存在中高頻誤差，以剛性小磨具拋光最為嚴重。自CCOS技術誕生之初，研究人員就已經意識到該技術在拋光加工中帶來的中高頻誤差。1990年Pravin K. Mehta等發表文章提出flexible polishing tools (柔性拋光工具)，以彈性力學為理論基礎分析了柔性拋光工具的受力分布和彈性變形情況，擬解決傳統剛性小磨頭與拋光工件面形不吻合及受力不均勻等問題。其論文中大量的理論分析、有限元仿真為研究新型拋光小磨具做了開創性的工作。基于Pravin K. Mehta等人的研究,亞利桑那大學的 Michael T. Tuell 和 James H. Burge 等人進一步提出 semi-flexible tool (被動半剛性盤)。這種被動半剛性盤由剛性基底、變形層、金屬薄板以及拋光層構成，之所以采用這種特殊的夾層式結構，是為了使磨盤在具有足夠的剛度的同時，又能按照拋光的面形被動變形，這樣才能在盡量不破壞原有面形的同時，盡可能去除中頻誤差。在被動半剛性磨盤中，剛性基底用于傳遞外加載荷，變形層則保證了金屬薄板被動變形的可達性。利用這種拋光盤對鏡面進行平滑處理，對中頻誤差由一定抑制作用。但磨盤本身無法主動控制變形、彈性模量等參數，限制了其進一步廣泛應用。近年來，亞利桑那大學的Dae Wook Kim等在前人工作基礎上，從材料力學角度出發采用一種非牛頓流體材料，設計出一種新型拋光工具visco-elastic polishing tool (粘彈性拋光工具)。這種拋光工具采用和被動半剛性磨盤類似的結構，只是將變形層的材料改為非牛頓流體。該非牛頓流體對作用時間長的力可以保持其流體的柔性，而對于作用時間短的力則表現出類似薄板一樣的剛性。以此非牛頓流體為變形層，拋光盤能對中高頻誤差保持較高的剛性，從而實現特定頻率誤差去除，對于低頻面形拋光盤又具有很好的變形能力，從而保持鏡面原有面形不變。以上所述的各種不同小磨具拋光磨盤設計方法，旨在小磨具的柔性和剛性之間尋求一個平衡點，以達到去除鏡面中頻誤差的同時又能很好的保持其原始面形不變。然而無論是采用被動半剛性盤或是使用非牛頓流體，小磨具磨盤自身的剛性都不是可控變化的，從而降低了小磨具對各種不同面形的適應能力，限制了其抑制中頻誤差能力。

發明內容
為了解決小磨具拋光時與工件表面不吻合、受力不均勻的問題，有效抑制傳統剛性小磨具拋光帶來的嚴重的中頻誤差或稱波紋度誤差，本發明的目的是提供一種基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤及實現拋光的方法。·為實現本發明的目的，本發明的第一方面是提供一種基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，包括一轉軸，具有一輸出端；一基底，具有一容置部、多個凸臺、外上部、外下部和側壁；多個凸臺對稱位于外上部和側壁的外側，每個凸臺上具有一固接孔，每個固接孔中心對稱于轉軸；一十字萬向節，具有第一連接端和第二連接端，第一連接端與外上部的中心位置固定連接，第二連接端連接在轉軸的輸出端上；一組電流線圈，具有電流輸入端，一組電流線圈的輸入端與電刷的電流輸出端連接，用于將電刷輸出的電流引入一組電流線圈；一鐵芯，在鐵芯的外部繞設一組電流線圈組成一體結構并置于容置部中；一機械密封部件，具有多個凸緣部、上端口、內底部及外底部；每個凸緣部對稱設于上端口的外側；每個凸緣部上設有孔，每個凸緣部的孔與每個凸臺的固接孔通過螺絲固定連接，機械密封部件的內部嵌設有基底且形成密封的一體結構；磁流變液，密封于外下部與內底部之間，電流線圈產生的磁場用于將磁流變液從液態到固態連續變化生成可控變形層；一拋光層，其上表面固接在機械密封部件的外底部；拋光層的下表面與被拋光工件的上表面緊密貼合；—電刷,具有電流輸出端和固定部，固定端固接在轉軸上；一外圍電路，與電刷連接，用于控制電流線圈中電流的大小，調節控制磁流變液的彈性模量。為實現本發明的目的，本發明的第二方面是提供一種基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤的拋光方法，其步驟包括如下步驟SI :在剛度可控小磨具拋光盤的外底部接觸工件表面被拋光區域A處時，轉軸夾持在機床的動力轉軸上獲得驅動力，驅動所述拋光盤的基底旋轉；步驟S2 :由外圍電路控制電流線圈中磁場大小，調節磁流變液彈性模量，所述磁流變液彈性模量表示剛度G = 3 UrMs *NI，其中Utl為真空磁導率，w為鐵芯的相對磁導率，N為線圈匝數，I為線圈中電流大小，小為磁流變液磁性顆粒的體積含量，Ms為磁性顆粒的飽和磁化強度；步驟S3 :在轉軸的壓力控制下，拋光層與被拋光工件上表面的A位置緊密接觸，對被拋光工件的A位置進行拋光，A位置處的材料去除量A z (x，y)滿足如下方程
權利要求
1.一種基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于包括 一轉軸，具有一輸出端； 一基底，具有一容置部、多個凸臺、外上部、外下部和側壁；多個凸臺對稱位于外上部和側壁的外側，每個凸臺上具有一固接孔，每個固接孔中心對稱于轉軸； 一十字萬向節，具有第一連接端和第二連接端，第一連接端與外上部的中心位置固定連接，第二連接端連接在轉軸的輸出端上； 一組電流線圈，具有電流輸入端，一組電流線圈的輸入端與電刷的電流輸出端連接，用于將電刷輸出的電流引入一組電流線圈； 一鐵芯，在鐵芯的外部繞設一組電流線圈組成一體結構并置于容置部中； 一機械密封部件，具有多個凸緣部、上端口、內底部及外底部；每個凸緣部對稱設于上端口的外側；每個凸緣部上設有孔，每個凸緣部的孔與每個凸臺的固接孔通過螺絲固定連接，機械密封部件的內部嵌設有基底且形成密封的一體結構； 磁流變液，密封于外下部與內底部之間，電流線圈產生的磁場用于將磁流變液從液態到固態連續變化生成可控變形層； 一拋光層，其上表面固接在機械密封部件的外底部；拋光層的下表面與被拋光工件的上表面緊密貼合； 一電刷，具有電流輸出端和固定部，固定端固接在轉軸上； 一外圍電路，與電刷連接，用于控制電流線圈中電流的大小，調節控制磁流變液的彈性模量。
2.如權利要求I所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于，基底與機械密封部件具有相同的外觀結構且緊密配合形成密封結構，基底的外觀結構尺寸小于機械密封部件外觀結構。
3.如權利要求I所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于，所述基底為中空圓柱體結構或中空方柱體結構的剛性基底。
4.如權利要求I所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于，所述機械密封部件為剛性薄板制成中空圓柱筒形結構或中空方柱體結構。
5.如權利要求I所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于，所述鐵芯為實心圓柱體或方柱體結構鐵芯。
6.如權利要求I所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于，所述拋光層是通過樹脂粘接在機械密封部件的外底部。
7.如權利要求I所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，其特征在于，所述拋光層為軟性拋光層，拋光層是浙青、聚氨酯拋光墊或其他材質特性的材料。
8.一種使用權利要求I所述基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤的拋光方法，其拋光步驟包括如下 步驟SI :在剛度可控小磨具拋光盤的外底部接觸工件表面被拋光區域A處時，轉軸夾持在機床的動力轉軸上獲得驅動力，驅動所述拋光盤的基底旋轉； 步驟S2 :由外圍電路控制電流線圈中磁場大小，調節磁流變液彈性模量，所述磁流變液彈性模量表示剛度G = 3(tuA *NI，其中Utl為真空磁導率，w為鐵芯的相對磁導率，N為線圈匝數，I為線圈中電流大小，0為磁流變液磁性顆粒的體積含量，Ms為磁性顆粒的飽和磁化強度； 步驟S3 :在轉軸的壓力控制下，拋光層與被拋光工件上表面的A位置緊密接觸，對被拋光工件的A位置進行拋光，A位置處的材料去除量A z (x，y)滿足如下方程
9.如權利要求8所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤的拋光方法，其特征在于，所述B位置是被拋光工件表面不同于A位置的N個位置。
10.如權利要求8所述的基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤的拋光方法，其特征在于，所述拋光盤拋光區域為曲率半徑恒定區域。
全文摘要
本發明為基于磁流變液的剛度可控小磨具拋光盤，包括轉軸、基底、十字萬向節、電流線圈、鐵芯、機械密封部件、磁流變液、拋光層和外圍電路，基底中心對稱于轉軸；十字萬向節連接轉軸；電流線圈連接電刷；在鐵芯的外部繞設電流線圈并置于基底內部；機械密封部件的內部嵌設基底且形成密封結構；磁流變液密封于機械密封部件和基底之間；拋光層位于機械密封部件的外底部和被拋光工件的上表面之間緊密貼合；電刷固接在轉軸上；外圍電路與電刷連接，用于調節電流線圈中電流大小，控制磁流變液彈性模量。本發明還公開基于磁流變液的剛度可控小磨具的拋光方法，解決剛性磨盤加工中壓力分布不均勻及無法吻合被加工工件面形等問題，提高加工效率和精度。
文檔編號B24B1/00GK102785131SQ201210080070
公開日2012年11月21日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者萬勇建, 施春燕, 王佳 申請人:中國科學院光電技術研究所