专利摘要

本发明为一种可控振幅小口径非球面抛光装置，该装置的组成包括抛光头、磁致伸缩主体元件和底座；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的材质为镓磁致伸缩材料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；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。本发明具有体积小、结构简单、使用方便等优点，可以在小零件上进行抛光作业，在加工不同材料和不同形状的零件时，不需要更换抛光头。

权利要求

1.一种可控振幅小口径非球面抛光装置，其特征为该装置的组成包括抛光头、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。

2.如权利要求1所述的可控振幅小口径非球面抛光装置，其特征为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。

3.如权利要求1所述的可控振幅小口径非球面抛光装置，其特征为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。

4. 如权利要求1所述的可控振幅小口径非球面抛光装置，其特征为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。

5.如权利要求1所述的可控振幅小口径非球面抛光装置，其特征为所述的磁致伸缩主体元件的四根磁致伸缩细棒上分别绕有的线圈的线径为0.2mm，匝数为250匝。

6.如权利要求1所述的可控振幅小口径非球面抛光装置，其特征为所述的聚氨酯橡胶套的厚度为1～2mm。

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。

所述的磁致伸缩主体元件的四根磁致伸缩细棒上分别绕有的线圈的线径为0.2mm，匝数为250匝。

所述的聚氨酯橡胶套的厚度为1～2mm。

本发明的有益效果为：本发明通过控制输入的各路电流之间的相位差，可以输出多种抛光运动形式：线性、椭圆或圆；控制输入电流的大小或频率，可以输出可控的振动幅度。本发明同时注重磁路结构，使磁致伸缩主体元件和底座构成闭合的磁路，减少了漏磁，提高了磁场的利用率，减少的所需线圈的体积。

本发明是一种接触型抛光装置，具有体积小、结构简单、使用方便等优点，可以在小零件上进行抛光作业(直径10mm以下)，在加工不同材料和不同形状的零件时，不需要更换抛光头，只需要通过控制电流改变抛光运动形式，或者通过控制电流的大小和频率改变振动的振幅，来满足不同的加工需求。在工作频率在6-9kHz的范围内，振幅可调范围为0-30μm，最大材料去除率可以达到0.5μm/min。

附图说明

图1为铁镓磁致伸缩材料的λ-H回线。

图2为抛光装置的整体装配图。

图3为抛光装置的磁致伸缩主体元件结构图。

图4为抛光装置的底座结构图。

图5为抛光装置的抛光头结构图。

图6为电流频率为8000Hz的条件下抛光装置输出的径向振幅波形。

其中，1-聚氨酯橡胶套；2-抛光头；3-磁致伸缩主体元件；4-线圈；5-底座；6-孔；7-十字凹槽；8-磁致伸缩细棒；9-十字凸台；10-凹槽平面；11-球头刀；12-轴。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，但它们不是对本发明作任何限制。

本发明所述的一种可控振幅小口径非球面抛光装置如图2所示，其组成包括：抛光头2、磁致伸缩主体元件3和底座5；

所述的抛光头2的结构如图5，其材质为不锈钢，下部为轴12，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1；

所述的磁致伸缩主体元件3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7，十字凹槽7的四边成为四根磁致伸缩细棒，四根磁致伸缩细棒8均匀对称分布，长度和粗细相同；顶部设置有开孔6，直径与抛光头11的轴12匹配；每根磁致伸缩细棒8上分别绕上线圈4；十字凹槽7的两条凹槽的宽度相同；

所述的底座5为圆柱形棒材，直径同磁致伸缩主体元件3；底座的顶部开有十字凸台9，十字凸台9的每条凸台的宽度同十字凹槽7的凹槽宽度；

抛光头2通过轴12与磁致伸缩元件3的孔6进行过盈配合，磁致伸缩元件3通过四个磁致伸缩细棒8构成的十字凹槽7与底座5的十字凸台9进行过盈配合。

磁致伸缩主体元件采用铁镓磁致伸缩材料，其具有输出功率高、抗疲劳能力强、适应恶劣环境等优点，本发明采用的铁镓磁致伸缩材料(Fe₈₃Ga₁₇)，其磁致伸缩系数和外加磁场的关系如图1所示，其中横轴坐标H代表磁场强度，单位为kA/m，纵轴坐标λ代表磁致伸缩系数，单位为百万分之一。

磁致伸缩主体元件3采用的材料形状为圆柱形棒材，直径为10mm，长度为40mm，先经过线切割加工，从棒材一端切出一个完全对称的十字凹槽7，凹槽宽度均为3.6mm，深度为20mm，获得四个完全相同和对称的磁致伸缩细棒8，横截面是扇形，再在磁致伸缩主体元件3另一端的中心位置打孔6，孔的直径为3mm，深度为8mm。加工完成后，磁致伸缩主体元件的形状如图3所示。

底座采用工业10号钢，通过车床加工出一段长度为20mm，直径为10mm的圆柱形棒材，应用铣床加工出一个完全对称的十字凸台9，凸台宽度为3.6mm，高度为5mm，加工时，要保证四个凹槽平面10在同一平面上。通过加工时对凸台宽度进行公差控制，使底座的十字凸台9与磁致伸缩主体元件的十字凹槽7能够实现过盈配合。加工完成后，底座的形状如图4所示。

抛光头采用高强度的不锈钢轴(12Cr17Ni7)为材料，形状为圆柱形棒材，长度为40mm，直径为6mm。在棒材的一端通过车床加工出一个直径为3mm，长度为7.5mm的轴12，加工时对轴12的直径进行公差控制，使轴能够与磁致伸缩主体元件的孔6实现过盈配合。棒材的另一端通过车床加工出一个球形头11，其中球的半径为1mm，圆台的长度为5.41mm，下圆周直径是6mm，上圆周直径是1.44mm，加工完成后，抛光头的形状如图5所示。

装配过程：在磁致伸缩主体元件3的四根磁致伸缩细棒8底部留出5mm区域与底座5进行拼配安装，剩余区域缠线圈4，要求线径为0.2mm，匝数为250匝，然后将底座的十字凸台9和磁致伸缩主体元件的十字凹槽7进行配合固定，施加一定的轴向压力后在接触面用AB胶进行粘接，最后使磁致伸缩主体部分的孔6和抛光头的轴12配合固定，在抛光头的球形头11上加装聚氨酯橡胶套1(IRHD90)，厚度为1.5mm，如图2所示。

控制过程：用卡具将装配好的抛光装置进行固定，然后在每根细棒的线圈4中分别并联接通直流电流(偏置磁场)和交流电流(交变磁场)。通直流电流的规则：每个线圈通相同大小的直流电流，在对角线的线圈上通的直流电流产生的磁通是同向的，在相邻线圈上通的直流电流产生的磁通是反向的，这样可以使直流磁路闭合。通交流电流的规则：每个线圈通的交流电流的频率和幅值大小完全相同，按一定顺序(顺时针方向或者逆时针方向)交流电流的相位分别为0°、θ°、180°和(180+θ)°，其中θ的范围为0-180°，这样可以使交流磁路闭合。要求偏置电流0.12A，交变电流峰值0.15A。通过控制所通的交流电流的频率，可以改变抛光装置的振动频率，同时改变输出振幅。通过控制所通的交流电流的θ角，可以控制抛光装置的振动形式：当θ＝0°或180°时，抛光头的输出为线性的往复运动；当0°<θ<90°或90°<θ<180°时，打磨头端的输出为椭圆的运动轨迹；当θ＝90°时，打磨头端的输出为圆的运动轨迹。

本发明的设计的工作频率为6-9kHz，图6为抛光装置在8kHz时的输出径向振幅波形，振幅可以达到30μm，图中横坐标T代表时间，单位为毫秒，纵坐标X代表输出径向振幅，单位为微米。由图6可知，本发明在径向有较大振幅，可以满足抛光要求。

本发明未尽事宜为公知技术。

一种可控振幅的小口径非球面抛光装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。