[发明专利]一种可控振幅的小口径非球面抛光装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型抛光装置，特别涉及小口径非球面的抛光装置，核心部分为一种由铁镓磁致伸缩材料制作的振动元件。该抛光装置利用铁镓合金的磁致伸缩特性，可在抛光装置的振动端输出振动，为小口径非球面零件提供高效率和高质量的抛光加工。

技术背景

小口径非球面零件是一种非常重要的产品构件，例如在光学等系统中使用小口径非球面零件能够改善成像质量，提高仪器的光学性能，减少光学零件的数目，从而简化仪器结构，减轻仪器重量和降低生产成本。随着光电通讯、生物工程、航空航天产业的迅速发展，小口径非球面零件的需求急剧增长。

小口径非球面的表面质量不仅要求达到纳米级的表面粗糙度，而且要求有亚微米级的形状精度和极小的亚表面损伤。另外小口径非球面的加工空间较小，加工工具很难对其进行加工。目前，小口径非球面加工采用单点金刚石的超精密车削和树脂结合剂微粉砂轮的超精密磨削加工方法。超精密的车削和磨削加工不可避免地会在零件表面形成加工纹路和表面缺陷层，这些表面质量缺陷会直接影响到零件的性能。为了进一步提高小口径非球面的加工精度，还需要在超精密车削、磨削加工后进行超精密抛光。

目前，针对非球面的超精密抛光可以分为接触型抛光和非接触型抛光，接触型抛光有：气囊抛光，磁流变抛光，手工抛光等；非接触型抛光方式有：射流抛光，离子束抛光，化学抛光等。考虑到小口径非球面加工空间狭小，以及成本、高精度的抛光要求，主要利用气囊抛光、手工抛光、射流抛光等。采用气囊抛光方法，虽然可以获得很高的加工精度，但不同的加工型面需要不同的抛光头，加工适应性不强，且抛光头需要不断的修整来保持加工精度，使加工效率和精度受到影响；手工抛光不需要自动化的抛光设备，加工成本较低，但手工抛光存在加工效率低且加工精度不稳定等问题；射流抛光依靠磨粒射流冲击作用去除材料，适用于小口径深凹非球面的抛光，但抛光去除率较低。

发明内容

针对现有抛光加工方法中存在的问题，考虑到小口径非球面零件的加工特点，结合磁致伸缩材料特性，设计了一种基于磁致伸缩材料的可控振幅的抛光装置。该抛光装置主要由抛光头、磁致伸缩元件、底座三部分构成。其中，抛光头采用高硬度的不锈钢(12Cr17Ni7)车削而成，并在圆形头部加装聚氨酯橡胶(IRHD90)套，提高打磨头的耐磨程度，并提高抛光精度。底座采用具有较高导磁能力的工业10号钢。主体元件采用圆柱形铁镓磁致伸缩材料(Fe₈₃Ga₁₇)，通过线切割加工将圆柱形材料的一端切割出四根磁致伸缩细棒，并在每根细棒上绕上线圈，通过改变线圈内电流的大小，改变线圈内的磁场强度，使四根磁致伸缩细棒有不同程度的伸长，导致抛光头三维运动。通过与底座配合，固定主体元件的四根磁致伸缩棒。底座一方面和主体部分构成磁路，提高线圈内的磁场强度，另一方面提供自由度约束，方便夹具固定。

本发明的技术方案为：

一种可控振幅小口径非球面抛光装置，其组成包括抛光头、磁致伸缩主体元件和底座；

所述的抛光头的材质为不锈钢，下部为轴，中部为圆柱体，上部为圆台状，顶部为球面，上部和顶部一体套有相同形状的的聚氨酯橡胶套；

所述的磁致伸缩主体元件的材质为圆柱状铁镓磁致伸缩材料Fe₈₃Ga₁₇，其底部通过线切割开出十字凹槽，十字凹槽的四边成为四根磁致伸缩细棒，四根磁致伸缩细棒均匀对称分布，长度和粗细相同；顶部设置有开孔，直径与抛光头的轴匹配；每根磁致伸缩细棒上分别绕上线圈；十字凹槽的两条凹槽的宽度相同；

所述的底座为圆柱形棒材，直径同磁致伸缩主体元件；底座的顶部开有十字凸台，十字凸台的每条凸台的宽度同十字凹槽的凹槽宽度；

抛光头通过轴与磁致伸缩元件的孔进行过盈配合，磁致伸缩元件通过四个磁致伸缩细棒构成的十字凹槽与底座的十字凸台进行过盈配合。

所述的磁致伸缩主体元件为圆柱形棒材，直径为10mm，长度为40mm；十字凹槽的凹槽宽度均为3.6mm，深度为20mm；磁致伸缩主体元件另一端孔的直径为3mm，深度为8mm。

所述的底座采用工业10号钢，长度为20mm，直径为10mm的圆柱形棒材；十字凸台的凸台宽度为3.6mm，高度为5mm。

所述的抛光头为不锈钢圆柱形棒材，长度为40mm，直径为6mm；抛光头的直径为3mm，长度为7.5mm；球形头上球的半径为1mm，圆台的高度5.41mm，下圆周直径是6mm，上圆周直径是1.44mm。