專利名稱：直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電流變效應(yīng)的直流脈沖式雙電極微小型研 磨拋光工具，屬于光學(xué)表面加工工具領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)元器件在光纖通信、國防、醫(yī)療、辦公自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用 越來越廣泛，隨著信息電子化、光電信號傳輸?shù)母咚倩痛笕萘炕?融合電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的電子圖像傳輸處理技術(shù)越來越重要，為適 應(yīng)今后多媒體網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展的需要，必須在光學(xué)元器件的制造技 術(shù)方面尋求新突破。光學(xué)非球面微透鏡即是一個典型例子，非球面鏡 具有校正像差、改善像質(zhì)、擴大視場等優(yōu)點，并可使光學(xué)系統(tǒng)分辨率 提高、結(jié)構(gòu)簡化、重量減輕。然而，和傳統(tǒng)的球面鏡相比，非球面的 加工和檢測更為困難，主要因為
(1) 大多數(shù)非球面只有一根對稱軸，而球面有無數(shù)根對稱軸，所 以非球面不能采用球面加工時的對研方法來完成；
(2) 非球面各點的曲率半徑不同，而球面則各點相同，所以非球 面面形不易修正；
(3) 非球面對零件另一面的偏斜無法用球面透鏡所采用的定心磨 邊方法來解決。
傳統(tǒng)的光學(xué)加工方法遠不能滿足非球面加工的要求。傳統(tǒng)手工研 拋方法人為因素較多，存在很大的盲目性，并且在研拋過程中各種工 藝參數(shù)容易發(fā)生變化，因此它是一種非確定量的加工手段?；?Preston方程的計算機控制光學(xué)表面成形(Computer Controlled Optical Surfacing, CCOS)法，是加工非球面及自由曲面光學(xué)零件 的重要的確定量研拋技術(shù)，它的出現(xiàn)給非球面光學(xué)零件的加工帶來了 革命性變化。計算機控制小工具拋光采用數(shù)控系統(tǒng)，按照所編制的加工程序自動驅(qū)動拋光模在工件表面上進行拋光，數(shù)控機床為拋光模提 供需要的運動。對于小口徑至微小口徑關(guān)鍵光學(xué)元件，由于待加工的 區(qū)域小，要求工具與工件間點對點的對應(yīng)關(guān)系更加確定，其技術(shù)進步
的目標(biāo)是實現(xiàn)光學(xué)元件表面殘余誤差的確定性(Deterministic)去 除。
基于電流變效應(yīng)的電流變液體輔助拋光技術(shù)是一種新興的微量 研磨拋光技術(shù)。電流變液(Electrorheological Fluids, ERF)是一 種在外加電場作用下，其流變學(xué)特性會發(fā)生迅速、明顯、可逆和低能 耗轉(zhuǎn)變的流體。借助于電場施加方式的靈活性，設(shè)計結(jié)構(gòu)精巧的電流 體拋光工具，通過外電場對電流體的硬度和形狀實時控制，創(chuàng)造一個 更小接觸區(qū)域的壓力斑點，也就是一個能夠與被加工光學(xué)表面相吻合 的"柔性拋光斑"。電流體拋光不再需要瀝青拋光模，并且由于拋光 斑點尺寸更小，從而提供了一種可以準(zhǔn)確控制去除量的確定性拋光策 略方法的可能性，同時保證低粗糙度的加工表面質(zhì)量。技術(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵 之一是:適于拋光加工的化學(xué)、物理性能穩(wěn)定的電流體拋光液的配制； 關(guān)鍵之二是工具裝置的精巧設(shè)計，要充分考慮外電場施加方式、電場 強度矢量等參數(shù)的優(yōu)化匹配，設(shè)計出集成正負電極于一體的點接觸式 加工工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了設(shè)計一種點接觸式、一體化的小型確定性研 拋工具，解決電流變研拋技術(shù)中存在的工具正負電極一體化方案難度 大、安全性低的問題，提供一種結(jié)構(gòu)精巧、集成度高、工作區(qū)域小型 化、實現(xiàn)確定性拋光的專用工具。
本發(fā)明的目的是由下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的一種探針狀脈沖電流變效應(yīng)微量研拋工具是由緊頂螺 母，外殼，電池，電路板和電極組成；底蓋、上蓋、電池蓋、錐形套 通過螺母連接形成圓柱型錐頭狀殼體，電極夾板通過螺母固定于圓柱 型錐頭狀殼體錐頭端內(nèi)部，電極夾板一端夾持兩個針狀電極并從圓柱型錐頭狀殼體錐頭端穿出，另一端與電路板連接，電路板另一端接電 池，電極夾板、電路板、電池均在圓柱型錐頭狀殼體內(nèi)部，且電極夾 板、電路板通過螺母固定于底蓋和上蓋上，緊頂螺母通過定位槽固定 于圓柱型錐頭狀殼體電池蓋一端的頂部。
所述的電路板為低壓直流電源到高壓脈沖的轉(zhuǎn)換電路，由逆變 器，脈沖產(chǎn)生電路和脈沖升壓變壓器構(gòu)成；所述的針狀電極與電極夾 板連接的一端為扁四方體狀，另一端為探針狀圓錐體。
為保證研磨工具的輕巧和絕緣性，所述底蓋，上蓋，電池蓋，錐 形套和電極夾板由聚四氟乙烯制成。
本發(fā)明的有益效果是基于電流變效應(yīng)的直流脈沖式雙電極微小 型研磨拋光工具，可以按照設(shè)定的運動方式，結(jié)合多自由度數(shù)控機床， 實現(xiàn)對微小工件表面材料的確定性去除。在電流變液中加入游離態(tài)磨 料(如氧化鋁、氧化鈰、金剛石微粉等)作為拋光液施加于工具與工 件之間，由堿性電池供電，通過所述電路板，輸出高壓脈沖至電極， 電流變液與磨料混合液在電極間約2000伏特/毫米的電場作用下磨 粒被約束于成鏈分布的電流變粒子之間，形成錐尖局部亞毫米尺寸具 有粘彈性的類固體Bingham介質(zhì)柔性微磨頭，作用于工件表面實現(xiàn)材 料的去除，并在這一過程中，通過工具與工件之間運動軌跡的控制， 達到對工件全口徑范圍的確定性拋光加工并將加工中產(chǎn)生的熱量進 行充分釋放。實際使用結(jié)果表明，本發(fā)明的微量研拋工具對改善小口 徑工件表面微觀質(zhì)量可以達到優(yōu)良的效果。


圖1為直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具外部結(jié)構(gòu)三維圖； 圖2為直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維圖； 圖3為直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具尖端電場分布有 限元分析圖4為直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具電路板電路系統(tǒng) 框圖；圖中l(wèi)-緊頂螺母，2-底蓋，3-上蓋，4-電池蓋，5-錐形套，6-電池， 7-電路板，8-電極夾板，9-針狀電極。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。 實施例
本發(fā)明提出一種探針狀脈沖電流變效應(yīng)微量研磨工具如圖1和 圖2所示，所述的底蓋(2)，上蓋(3)，電池蓋(4),錐形套(5) 通過螺母連接形成圓柱型錐頭狀殼體，電極夾板(8)通過螺母固定 于圓柱型錐頭狀殼體錐頭端內(nèi)部，電極夾板(8) —端夾持兩個針狀 電極(9)并從圓柱型錐頭狀殼體錐頭端穿出，另一端與電路板(7) 連接，電路板(7)另一端接電池(6)，電極夾板(8)、電路板(7)、 電池(6)均在圓柱型錐頭狀殼體內(nèi)部，且電極夾板(8)、電路板(7) 通過螺母固定于底蓋(2)和上蓋(3)上，緊頂螺母(1)通過定位 槽固定于圓柱型錐頭狀殼體電池蓋(4) 一端的頂部。所述的電路板 (7)為低壓直流電源到高壓脈沖的轉(zhuǎn)換電路，由逆變器，脈沖產(chǎn)生 電路和脈沖升壓變壓器構(gòu)成；所述的針狀電極(9)與電極夾板(8) 連接的一端為扁四方體狀，另一端為探針狀圓錐體，錐體尖端直徑為 0. 1mi，兩個針狀電極的尖端間距為0.3mm。為保證研磨工具的輕巧 和絕緣性，所述底蓋(2)，上蓋(3)，電池蓋(4)，錐形套(5)和 電極夾板(8)由聚四氟乙烯制成。
緊頂螺母(1)將研磨工具固定于驅(qū)動設(shè)備上，帶動工具自轉(zhuǎn)運 動。圖3為本發(fā)明的電場分布特征有限元分析結(jié)果，在工具頭尖端電 力線分布密集，其攜帶電流變液體的能力最強。加工中，整個研磨工 具轉(zhuǎn)動，利用電流變液體特有的Winslow效應(yīng)，即電場作用下表觀粘 度顯著增強特性，攜帶具有拋光能力的散粒磨料，在兩個針狀電極之 間形成鏈狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合工具和被加工件之間的運動，實現(xiàn)工件表面的 微量材料去除，達到微細加工和拋光的目的。
本發(fā)明適用于小口徑光學(xué)異型曲面的拋光加工。
權(quán)利要求
1. 一種直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具，包括緊頂螺母，外殼，電池，電路板和電極，其特征在于底蓋(2)、上蓋(3)、電池蓋(4)、錐形套(5)通過螺母連接形成圓柱型錐頭狀殼體，電極夾板(8)通過螺母固定于圓柱型錐頭狀殼體錐頭端內(nèi)部，電極夾板(8)一端夾持兩個針狀電極(9)并從圓柱型錐頭狀殼體錐頭端穿出，另一端與電路板(7)連接，電路板(7)另一端接電池(6)，電極夾板(8)、電路板(7)、電池(6)均在圓柱型錐頭狀殼體內(nèi)部，且電極夾板(8)、電路板(7)通過螺母固定于底蓋(2)和上蓋(3)上，緊頂螺母(1)通過定位槽固定于圓柱型錐頭狀殼體電池蓋(4)一端的頂部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工 具，其特征在于所述底蓋(2)，上蓋(3)，電池蓋(4)，錐形套(5) 和電極夾板(8)由聚四氟乙烯制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工 具，其特征在于所述的針狀電極(9)與電極夾板(8)連接的一端 為扁四方體狀，另一端為探針狀圓錐體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工 具，其特征在于所述的電路板(7)由逆變器，脈沖產(chǎn)生電路和脈 沖升壓變壓器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明為直流脈沖式雙電極微小型研磨拋光工具，屬于光學(xué)表面加工工具領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是為了設(shè)計一種點接觸式、一體化的小型確定性研拋工具，該拋光工具由緊頂螺母，外殼，電池，電路板和電極組成。本發(fā)明通過振蕩電路系統(tǒng)，輸出脈沖高壓至兩針狀正負電極，正負電極之間的高壓場致電流變液體發(fā)生流變效應(yīng)，表觀粘度顯著增強并且發(fā)生聚集，具有研磨拋光能力的散粒磨料離散分布在兩針狀電極之間形成鏈狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合工具和被加工工件之間的相對運動，實現(xiàn)工件表面的材料去除，達到微細研磨和拋光的目的。本發(fā)明適用于小口徑光學(xué)異型曲面的超精密加工。
文檔編號B24B23/00GK101284367SQ200810106728
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者任力強, 程灝波 申請人:北京理工大學(xué)