CN106584218A - 一种微细结构化表面光整加工方法、介质及装置 - Google Patents

Abstract

本发明针对微细结构化表面（特征尺寸小于500 µm）光整中微细特征结构易于破坏、光整均一性难以保障、材料去除率低等关键科技难题，发明了一种磁力和速度驱动特制磁性剪切增稠光整介质的新型微细结构表面智能可控光整方法与装置。通过装置的磁场控制单元、运动控制单元以及辅助线圈控制单元进行有效控制交变磁场，并配合主轴转速调整，实现智能控制光整作用力以及特制磁性剪切增稠光整介质的运动形式和作用范围，从而达到微细特征结构表面的高效柔性光整加工。提供了特制磁性剪切增稠光整介质的组织成份以及制造工艺方法。本发明能够避免传统光整工艺对零部件/构件的结构化微细特征光整时的操作空间限制和制造难度，从而实现高效、高精度、高质量柔性光整加工。

Description

一种微细结构化表面光整加工方法、介质及装置

技术领域

本发明涉及一种微细结构化表面可控光整加工方法、特殊光整介质以及光整装置，属于难加工材料零部件/构件关键微细特征结构表面的高效精密光整加工技术领域。

背景技术

机械零部件/构件的表面光整加工技术是机械精密加工后工件表面完整性进一步提高的延续，通过不切除或仅切除极薄的材料表面层，以实现去除表面微瑕疵、微裂纹、拉伸残余应力层、降低工件表面粗糙度或者增强压缩残余应力以强化表面强度、提高零部件/构件服役寿命等。目前，常用的表面光整工艺方法主要包括机械磨削与抛光、化学抛光、电解光整、化学机械抛光、超声波辅助磨抛、挤压研磨、流体光整、磁流变抛光、磁力研磨等。机械磨削与抛光作为经典的接触式光整方法，利用磨料、磨具或者抛光垫在相互运动状态下与工件表面的直接机械接触，平滑被加工工件的表面。化学抛光与电解抛光的原理相似，通过抛光液的配备，不需要复杂的机械设备，即可实现形状复杂的工件表面抛光，但是，抛光的表面粗糙度较高，一般在十至数十微米量级。化学机械抛光是利用化学与机械复合加工的原理，在半导体硅片与光电晶体基片抛光中，实现亚纳米级超光滑表面抛光，但是加工成本非常昂贵，并且一般仅用于平面光整。依靠超声波振荡磨料悬浮液的超声抛光方法，加工宏观力小，不会引起工件变形，结合化学和电化学的复合作用，可有效提高加工效率。依靠高速流动的液体及其携带的磨粒冲刷工件表面的抛光方法，对复杂弯曲盲孔的内表面光整具有显著的加工优势。通过磁场驱动，利用磁性磨料介质或者磁流变光整介质对工件表面进行光整的工艺方法，具有加工效率高、加工条件易于控制、光整表面完整性良好等特点，广泛应用于难加工材料的表面光整。然而，现有的表面光整方法主要针对宏观表面光整加工，对于微细结构化表面，特别是复杂微织构表面，易于破坏微细特征，难以保障材料去除均一性，以及存在材料去除率低等技术障碍，较难直接应用。随着当前精密模具设计与制造技术的快速发展，模具的结构化表面特征向高精度、微细化发展，模具的微型特征尺寸已经超越500 µm以下，甚至向纳米尺度发展。因此，开发新型的高效、高精度、高质量的微细结构化（特征尺寸小于500 µm）表面光整加工方法与技术具有重要的理论意义和实际应用价值。

本发明针对微细结构化表面（特征尺寸小于500 µm）光整中微细特征结构易于破坏、光整均一性难以保障、材料去除率低等关键科技难题，发明了一种磁力驱动特制磁性剪切增稠光整介质的新型光整方法与装置，通过操作力的非接触式控制，避免传统工具对零部件/构件的结构化特征光整时加工干涉，从而实现高效高质量光整。

发明内容

本发明提供一种微细结构化表面可控光整加工方法、介质与装置。利用交变线圈产生磁场的作用实现特制磁性剪切增稠光整介质的智能控制，解决表面光整作用力的动态控制问题，提高光整质量与效率；同时，通过施加驱动信号产生特制光整介质的耦合振动，进一步提高光整效率。

本发明的一种微细结构化表面光整加工方法、特殊磁性剪切增稠介质及其光整装置所提供的技术方案如下：

1.所述装置：包括磁场控制单元，运动控制单元，辅助线圈控制单元。磁场控制单元主要包括高速主轴、主轴连接板、导磁体、电磁线圈、线圈底座；所述主轴连接板一端连接高速主轴，另一端连接电磁线圈底座；所述电磁线圈绕制在电磁线圈底座上。运动控制单元主要包括三轴精密电动位移平台，提供加工零部件/构件的三自由度移动；辅助线圈控制单元主要包括主要辅助线圈、连接板，所述连接板一端连接辅助线圈，另一端连接在三轴精密电动位移平台上，且放置在待光整零部件/构件表面的下方；所述装置还包括零部件/构件夹具、夹具连接板；所述夹具连接板一端连接夹具，另一端连接三轴精密电动位移平台；所述夹具上具有真空吸附进气孔，可实现微细结构化零部件/构件的吸附夹持，避免机械式点接触对薄壁易于损坏零部件/构件产生应力集中；

2.所述光整方法，通过以下步骤实现：

(1)电磁线圈绕制在线圈底座上；

(2)待光整加工零部件/构件通过三轴精密电动位移平台调整至磁场作用区域；

(3)垂直分布的两对电磁线圈通电后形成的磁场力施加于特制磁性剪切增稠光整介质上；

(4)三轴精密电动位移平台控制待光整的零部件/构件微细表面结构至磁场作用区，依靠其行程控制实现加工件的精密定位；

(5)通过控制施加于电磁线圈的驱动信号和调整主轴转动速度，改变特制磁性剪切增稠光整介质和微细结构化表面之间的作用力和作用范围，进而实现对光整介质的智能控制；

(6)通过增大电磁线圈施加高频信号产生的径向振动磁场力以及辅助线圈产生的轴向振动磁场力，进一步提高微细表面结构的光整加工效率；

3.所述特制磁性剪切增稠光整介质的组成成份与制造工艺如下：

(1)特制磁性剪切增稠光整介质成份由磨料、磁性介质、分散相、分散介质、氧化剂、活化剂、PH调节剂组成；磨料选用金属氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金刚石），粒度为1-200 μm；磁性介质选用羟基铁，粒度为1-50 μm；分散相选用碳酸钙、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），粒径小于1 μm；分散介质选用水、盐溶液、有机物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等）或者矿物油等；氧化剂和活化剂选用过氧化钠、次氯酸钠、高锰酸钾或者过氧化钙等；PH调节剂选用强酸弱碱盐或强碱弱酸盐，如碳酸钠、碳酸钾或者碳酸氢钠等；

(2)特制磁性剪切增稠光整介质制造工艺如下：利用油浴搅拌法或球磨法在超声辅助下将分散相与分散介质混合，制成分散体系，固体质量含量为10%-80%。当分散相的粒径为1nm-100 nm，选用油浴搅拌法与超声分散法相结合的方式制作所述分散体系，在70-90℃油浴温度下，将定量的分散相缓慢加入分散介质中，并在超声辅助下进行机械搅拌1-2 h，控制速度范围200-350 r/min，直至分散相充分且均匀地分散到分散介质中，制成分散体系；当分散相的粒径为100 nm-1 μm时，选用球磨法与超声分散法结合的方式制作所述分散体系，运用磨球干磨定量的分散相0.5-1 h，随后加入定量的分散介质在超声辅助下进行球磨3-5 h，制成所述分散体系；将定量所述分散体系与定量磨料、磁性介质、氧化剂、活化剂、PH调节剂，在超声辅助下进行球磨1-2 h，制成磨料分散体系，并置入真空干燥箱内24 h，控制温度范围20-27℃，除去所述磨料分散体系中的气泡，制造成特制光整介质。

本发明的有益效果是：1、本发明所述的一种微细结构化表面光整加工方法，通过交变磁场的调节，便于控制磁场作用力，易于光整加工的数字化智能控制；2、本发明所述的一种微细结构化表面光整加工方法，通过调整两对电磁线圈导磁体的相对位置，产生不同分布的磁力线分布。远距离配置下产生的内部封闭磁场，在重叠区内磁性剪切增稠光整介质处于稳定状态，可在高速主轴的带动下高速运动；近距离配置下可产生磁场聚集凸起的磁性剪切增稠光整介质可以作为柔性光整“小型聚集磨具”，避免刚性加工工具对微结构化表面加工空间的限制；3、本发明所述的一种微细结构化表面光整加工装置的电磁线圈和辅助线圈，通过施加驱动信号可在微细结构化表面光整进程中耦合振动，提高光整加工效率。

附图说明

图1是具体实施方式一、二所述的一种微细结构化表面光整加工方法的磁场形成示意图。

图2是具体实施方式三所述的一种微细结构化表面光整加工装置的整体结构示意图。

图3是具体实施方式三所述的一种微细结构化表面光整加工装置的线圈配置结构示意图。

图4是具体实施方式所述的一种微细结构化表面光整加工装置中加工零部件/构件的结构化表面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3和图4，说明具体所述方法主要通过以下基本步骤实现：

(1)电磁线圈（3-2）绕制在线圈底座上（3-3）；

(2)待加工零部件/构件（2-4）通过三轴精密电动位移平台（2-6）调整至磁场作用区域；

(3)垂直分布的两对电磁线圈（3-2）通电后形成的磁场力施加于特制磁性剪切增稠光整介质（4-2）上；

(4)三轴精密电动位移平台（2-6）控制待光整的微细结构化零部件/构件（2-4）至磁场作用区，依靠其行程控制实现加工件的精密定位；

(5)通过控制施加于电磁线圈（3-2）的磁场驱动信号和调整主轴（2-1）转动速度，改变特制磁性剪切增稠光整介质（4-2）和零部件/构件（2-4）间的作用力和作用方式，进而实现对光整介质的数字化智能控制；

(6)通过增大电磁线圈（3-2）施加高频信号产生的径向振动磁场力以及辅助线圈（2-10）产生的轴向振动磁场力，提高表面光整加工效率。

通过调整两对电磁线圈导磁体（1-1）的相对位置，产生不同分布磁力线（1-2）。当远距离配置条件下，产生内部封闭磁场，在重叠区（1-3）内，磁性剪切增稠光整介质（4-2）处于稳定状态，在高速主轴（2-1）的带动下高速运动，实现微细结构化表面高效柔性光整；当近距离配置条件下，产生磁场聚集凸起的磁性剪切增稠光整介质（4-2）可作为柔性光整“小型聚集磨具”（1-4），），实现微细结构化表面高效柔性光整。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式所述装置包括磁场控制单元（2-3）、运动控制单元、辅助线圈（2-10）控制单元。磁场控制单元（2-3）主要包括高速主轴（2-1）、主轴连接板（2-2）、导磁体（3-1）、电磁线圈（3-2）、线圈底座（3-3），所述主轴连接板（2-2）一端连接高速主轴（2-1），另一端连接电磁线圈底座（3-3），所述电磁线圈（3-2）绕制在电磁线圈底座（3-3）上；运动控制单元主要包括三轴精密电动位移平台（2-6），提供加工零部件/构件（2-4）的三自由度移动；辅助线圈（2-10）控制单元主要包括主要辅助线圈（2-10）、连接板（2-11），所述连接板一端连接辅助线圈（2-10），另一端连接在三轴精密电动位移平台（2-6）上，且放置在待光整零部件/构件（2-4）的下方。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式所述装置包括零部件/构件（2-4）夹具（2-5）、夹具连接板（2-9）；所述夹具连接板（2-9）一端连接夹具（2-5），另一端连接三轴精密电动位移平台（2-6），其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式所述夹具（2-5）上加工真空吸附进气孔（2-8），可实现微细结构化零部件/构件的吸附夹持，避免机械式点接触对薄壁构件产生应力集中，其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：结合图2和图4说明本实施方式所述的电磁线圈（3-2）、辅助线圈（2-10）可通过控制器（2-7）施加驱动信号，产生交变磁场，调节控制信号可实现光整介质（4-2）对零部件/构件（2-4）凹槽侧壁面（4-1）和凹槽底面（4-3）的光整加工，形成数字化加工控制，其它组成和连接关系与具体实施方式二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式所述电磁线圈（3-2）和辅助线圈（2-10）施加驱动信号后产生的径向和轴向复合振动有助于提高凹槽侧壁面（4-1）和凹槽底面（4-3）光整加工效率，其它组成和连接关系与具体实施方式二、三或四相同。

基于具体实施方式一到六所述的一种微细结构化表面光整加工方法、介质及装置，以微细沟槽表面作为测试试样，进行具有微米级特征结构工件的表面光整加工，可通过电磁线圈的控制信号和调整主轴转动速度形成对的磁性剪切增稠光整介质（4-2）光整作用强度与范围的数字化智能控制。

Claims (8)

1.一种微细结构化表面特制磁性剪切增稠光整介质的组成成份与制造工艺如下：

（1）特制磁性剪切增稠光整介质成份由磨料、磁性介质、分散相、分散介质、氧化剂、活化剂、PH调节剂组成；磨料选用金属氧化物磨料、碳化硅、石榴石等普通磨料或者超硬磨料（立方氧化硼和金刚石），粒度为1-200 μm；磁性介质选用羟基铁，粒度为1-50 μm；分散相选用碳酸钙、二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），粒径小于1 μm；分散介质选用水、盐溶液、有机物（乙二醇（EG）、丙二醇（PG）、丁二醇（BG）或者聚乙二醇（PEG）等）或者矿物油等；氧化剂和活化剂选用过氧化钠、次氯酸钠、高锰酸钾或者过氧化钙等；PH调节剂选用强酸弱碱盐或强碱弱酸盐，如碳酸钠、碳酸钾或者碳酸氢钠等；

特制磁性剪切增稠光整介质制造工艺如下：利用油浴搅拌法或球磨法在超声辅助下将分散相与分散介质混合，制成分散体系，固体质量含量为10%-80%；

（2）当分散相的粒径为1 nm-100 nm，选用油浴搅拌法与超声分散法相结合的方式制作所述分散体系，在70-90℃油浴温度下，将定量的分散相缓慢加入分散介质中，并在超声辅助下进行机械搅拌1-2 h，控制速度范围200-350 r/min，直至分散相充分且均匀地分散到分散介质中，制成分散体系；当分散相的粒径为100 nm-1 μm时，选用球磨法与超声分散法结合的方式制作所述分散体系，运用磨球干磨定量的分散相0.5-1 h，随后加入定量的分散介质在超声辅助下进行球磨3-5 h，制成所述分散体系；将定量所述分散体系与定量磨料、磁性介质、氧化剂、活化剂、PH调节剂混合，在超声辅助下进行球磨1-2 h，制成磨料分散体系，并置入真空干燥箱内24 h，控制温度范围20-27℃，除去所述磨料分散体系中的气泡，制造成特制磁性剪切增稠光整介质。

2.一种微细结构化表面光整加工方法，主要通过以下基本步骤实现：

（1）电磁线圈（3-2）绕制在线圈底座上（3-3）；

（2）待加工零部件/构件（2-4）通过三轴精密电动位移平台（2-6）调整至磁场作用区域；

（3）垂直分布的两对电磁线圈（3-2）通电后形成的磁场力施加于特制磁性剪切增稠光整介质（4-2）上；

（4）三轴精密电动位移平台（2-6）控制待光整的微细结构化零部件/构件（2-4）至磁场作用区，依靠其行程控制实现加工件的精密定位；

（5）通过控制施加于电磁线圈（3-2）的磁场驱动信号和调整主轴（2-1）转动速度，可以改变特制磁性剪切增稠光整介质（4-2）和零部件/构件（2-4）间的作用力和作用方式，进而实现对特制磁性剪切增稠光整介质（4-2）的数字化智能控制；

（6）电磁线圈（3-2）施加高频信号产生的径向振动磁场力以及辅助线圈（2-10）产生的轴向振动磁场力，进一步提高表面光整加工效率。

3.根据权利要求2所述的一种微细结构化表面光整加工方法，其特征在于：通过调整两对电磁线圈导磁体（1-1）的相对位置，产生不同分布磁力线（1-2）；当远距离配置条件下，产生内部封闭磁场，在重叠区（1-3）内，磁性剪切增稠光整介质（4-2）处于稳定状态，在高速主轴（2-1）的带动下高速相对运动，实现微细结构化表面高效柔性光整；当近距离配置条件下，产生磁场聚集凸起的磁性剪切增稠光整介质（4-2）可作为柔性光整“小型聚集磨具”（1-4），实现微细结构化表面高效柔性光整。

4.根据权利要求2、3所述的一种微细结构化表面光整加工方法的操作装置，其特征在于：所述装置包括磁场控制单元（2-3）、运动控制单元、辅助线圈（2-10）控制单元；磁场控制单元（2-3）主要包括高速主轴（2-1）、主轴连接板（2-2）、导磁体（3-1）、电磁线圈（3-2）、线圈底座（3-3）；所述主轴连接板（2-2）一端连接高速主轴（2-1），另一端连接电磁线圈底座（3-3）；所述电磁线圈（3-2）绕制在电磁线圈底座（3-3）上；运动控制单元主要包括三轴精密电动位移平台（2-6），提供加工零部件/构件（2-4）的三自由度移动；辅助线圈（2-10）控制单元主要包括主要辅助线圈（2-10）、连接板（2-11），所述连接板一端连接辅助线圈（2-10），另一端连接在三轴精密电动位移平台（2-6）上，且放置在待光整零部件/构件（2-4）的下方。

5.根据权利要求2、3所述的一种微细结构化表面光整加工方法的操作装置，其特征在于：所述装置包括零部件/构件（2-4）夹具（2-5）、夹具连接板（2-9）；所述夹具连接板（2-9）一端连接夹具（2-5），另一端连接三轴精密电动位移平台（2-6），其它组成和连接关系与权利要求4相同。

6.根据权利要求4、5所述的一种微细结构化表面光整加工方法的操作装置，其特征在于：所述夹具（2-5）上加工真空吸附进气孔（2-8），可实现微细结构化零部件/构件的吸附夹持，避免机械式点接触对薄壁构件产生应力集中，其它组成和连接关系与权利要求4或5相同。

7.根据权利要求4、5或6所述的一种微细结构化表面光整加工方法的操作装置，其特征在于：所述的电磁线圈（3-2）、辅助线圈（2-10）可通过控制器（2-7）施加驱动信号，产生交变磁场，调节控制信号可实现光整介质（4-2）对零部件/构件（2-4）凹槽侧壁面（4-1）和底面（4-3）的光整加工，形成数字化加工控制，其它组成和连接关系与权利要求4、5或6相同。

8.根据权利要求3、4或5一种微细结构化表面光整加工方法的操作装置，其特征在于：所述电磁线圈（3-2）和辅助线圈（2-10）施加驱动信号后产生的径向和轴向复合振动有助于提高表面光整加工效率，其它组成和连接关系与权利要求4、5或6相同。