CN1073910C - 确定性磁流变流体精整加工 - Google Patents

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Abstract

一种采用磁流变流体(16)精加工工件表面的设备(10)及方法,其中将工件(26)定位安置于载液表面(14)附近处,使会聚的间隙(22)限定在工件表面和载液表面(14)之间,将磁场施加于间隙(22)中,将磁流变流体(16)引入产生工作区域的间隙(22),以形成瞬时精加工工具,用以接合工件表面并将工件表面上的材料去除。

Description

确定性磁流变流体 精整加工
技术领域
本发明涉及采用磁流变流体(magnetorheological fluids)进行精整加工的方法及设备,以及所采用的流体成份。
背景技术
用于精加工如光学透镜一类工件的工艺,一般包括在该工件表面上去除材料,以实现以下三个目的:(1)消除表面伤痕;(2)使表面光洁度提高;(3)修正几何形状。许多公知的精加工工艺能实现(1)和(2)两项目的,但难以实现目的(3)。这类工艺的实例包括在树脂研磨具或聚乙烯研磨具上的全缝隙接触抛光工(full aperture contact polishing)。在修正光学透镜形状方面,这类工艺总的来说效率低下,而且常常要求多次重复。其他工艺例如离子束研磨也能实现目的(3),但在实现目的(1)和(2)方面是无效的。离子束研磨不能使表面平滑,而且已经表明,如果不精确地进行控制这类工艺还会产生表面伤痕。
精密光学件的精加工一般要求产生一种表面,它与所要求的形状不符合的误差从最高峰至最低谷应在0.5微米之内。光学精加工一般要求相当高的材料去除率,即使如玻璃那样的硬材料也是如此,光学精加工通常还要求去除足够数量的材料,以便消除由前面磨削作业产生的表面伤痕,使微观表面不平度到达20rms或更少。
传统的精加工工艺采用精确成形的、粘弹性树脂或聚乙烯发泡面层研磨具,通过研磨膏向工件传递压力和速度。研磨具大到足以覆盖透镜的整个光学表面可用的部分,因此被称之为全缝隙研磨具(full aperture lap)。精加工工具的工作表面必须符合所要求的工件表面。如果粘弹性精加工工具是顺从性的,例如,如果是用树脂、松香或腊制作的工具,那末工具在精加工过程中产生的热和压力的影响下会产生变形。这种精加工工具就丧失了所要求的表面形状,并呈现出具体工件的尚未修整过的表面形状。虽然可以继续完成达到工件表面的光洁度,但该工具进一步修整工件表面形状的能力严重地降低了。在精加工工序重新开始前,必须将该精加工工具压靠金属模进行重新成形,使其具有所要求的形状。这种反复过程是不可预测的,而且是费时的。它要求有高度熟练的技工或高明的光学仪器制造商,而且还要求为每一工件形状做一个金属模设备。
另一方面,当工具是用安装在金属衬板模上的、硬薄的聚乙烯垫来制作的情况下,粘弹性精加工工具可以少一些顺从性。在精加工期间这类精加工工具保持所期望的形状方面较好,但它随着时间的推移而磨损,使其材料去除率下降。随着工具对工件表面光整的能力的降低,使得难以达到所要求的工件表面光洁度。高明的光学仪器商必须定期地停止、修整或更换该聚乙烯硬垫,然后再继续进行精加工。
所有传统全缝隙粘弹性精加工工具的一个缺点是粒子材料嵌入的问题。玻璃碎片和/或磨削精加工微粒时间一长会嵌入在工具表面。该表面就会被玻璃覆盖而变得光滑。这样就使材料去除率降低。此外,嵌入的粒料会刮擦工件表面,这会在精加工结束后损伤工件。这种工具的损坏形式是无法预料的,正是由于这些原因,为适于大规模生产,对复杂表面的精加工是复杂和困难的。
一些精加工工艺采用部分间隙研磨具,亦即采用一种小于要求精加工工件的部分的精加工工具。这种情况可参看如授于Ando等人的美国专利US,4,956,944。但是,这种工艺采用的是固体精加工工具,因而也就具有采用全尺寸研磨具的工艺所具有的相同缺点。
一些包括采用固体工具和采用离子束轰击工艺在内的研磨工艺,也可以采用部分缝隙研磨具。虽然这类工艺能够修整工件的形状或构形,但它们不能使表面光洁,而且还可能由于使表面受损伤而使表面粗糙。
在抛光工艺中采用含有磁性粒料的流体是公知的。授予Kato等人的美国专利US,4,821,466公开了一种抛光工艺,在此工艺中,将一种浸泡在含有胶状磁性粒料的“悬浮垫”,通过由不均匀磁场所产生的弹性浮力推向工件。这种抛光工艺具有类似于使用全缝隙粘弹性抛光工具的、对形状进行修整的基本能力。该悬浮体的形状和磁场的形状必须制作得能达到特定的所要求的表面形状。为了用与此相同的工艺去抛光另一种形状,需要不同的抛光运动以及不同的悬浮体的设计和制作,以及可能的不同的磁体形状。所以为了改变光学镜片形状,需要使主要工艺和机器改型。
通过将工件浸泡在含有磁性粒料的流体中,并对该流体施加旋转磁场,来对工件进行抛光也是公知的。例如可以参看授予Simjian的美国专利US,2,735,232。据说该旋转磁场使流体围绕着工件循环流动,由此而使工件进行抛光。这种方法的缺点是:不可能对工件上产生足够高的压力,因此不能达到令人满意的材料去除率。此外用这种方法也根本不可能修整光学件的表面形状误差。
发明目的
根据上述情况,本发明的一个目的是提供一种采用具有磁流变流体的改进的、精加工方法及设备,另一个目的是提供一种用于所述方法和设备的磁流变流体。
本发明的又一目的是提供一种可用于精加工光学片的精加工系统。
本发明的又一目的是提供一种精加工系统,该系统提供一种高级的光整作用,它基本上既不产生表面和表面下层损伤(擦伤、裂痕或下层表面裂痕),又基本上消除了存在于表面及表面下层的损伤。
本发明的又一个目的是提供一种既能使表面光整又能修整表面形状的精加工系统。
本发明的又一目的是提供一种易于自动化而且在其应用中是柔性的精加工系统。
本发明的又一目的是提供使所述精加工系统自动化的装置。
本发明的又一目的是提供一种对各种材料均有相当高的去除率的精加工系统。
本发明的又一目的是提供一种精加工系统,它将许多不同材料的表面光整到精密光学件所允许的标准。
本发明的又一目的是提供一种精加工系统,对于如硅那样的硬材料或如兰宝石那样的超硬材料的去除率,可以通过将毫微晶体金刚石磨料添加入标准MR液体组份,或者加入到优化的MR液体组份的方法加速。
本发明的另一目的是提供一种精加工系统,其中精加工工具本身能自动调整,以适应任何一种工件表面形状-或者是凹、凸形或者是平的形状,均无需改变精加工机器的结构,如更换精确成形的研磨具。
本发明的另一目的是提供一种精加工系统,其中精加工工具是以精加工研磨具形式的除去作用来表征的。
本发明的另一目的是提供一种精加工系统,它包括一种磁流变流体,该流体在加热、磨耗和裸露于空气的工作条件下不会降解老化。
这些和其他一些目的是通过采用本发明的MR精加工方法及设备来实现的。采用MR流体的精加工工件表面的方法步骤如下:将工件置于一载液表面附近,使此工件表面的一部分与该载液表面之间确定一会聚间隙;基本上在该间隙处施加一磁场;通过该会聚间隙导入磁场强化了的MR流体,从而在MR流体内建立一工作区域,以便形成与工件表面部分接合并除去材料的瞬时精加工工具;以及使工件或工作区域相对于另一个工件或工作区域运动,以便将工件表面的不同部分在预定的时间周期内露裸于工作区域,从而有选择地将该工件表面的所述部分进行光整加工到预定的程度。采用MR流体精加工工件的设备包括:用于承载MR流体的一载液表面;一工件夹持器,它用于夹持工件并将此工件表面的一部分定位于载液表面附近处,在载液表面与工件表面部分之间确定一会聚间隙,从而使载液表面通过该间隙运送MR流体;一磁体,它用于在该间隙处施加磁场,用以使经过此间隙的MR流体强化,以便产生一种瞬时精加工工具,用于接合并去除工件表面部分处的材料;以及用于使工件或工作区域相对另一个工件或工作区域运动的装置,以便在预定时间周期将工件表面的不同部分裸露于工作区域,有选择地将此工件的表面部分光整加工到预定程度。
本发明还提供了一种用磁流变流体精加工工件表面的方法,包括:将一轮子环绕沿水平方向定向的轴线转动,所述轮子包括确定一运动载液表面的外缘,将工件定位于载液表面附近,以便在工件表面的部分和载液表面间存有间隙;基本上在所述间隙处施加一磁场;将磁流变流体置于运动载液表面上,以便将磁场强化的磁流变流体由载液表面携带,并至少使一些磁流变流体流过确定工作区域的所述间隙,并形成瞬时精加工工具,用于与工件表面的部分接合并去除工件表面这部分的材料,和将工件相对于工作区域运动,以便使工件表面的不同部分裸露于工作区域达预定的时间周期,将所述工件表面部分精加工到预定程度。
本发明还提供了一种用磁流变流体精加工工件表面的设备,包括:一可连续运动的载液表面;一将来自磁流变流体源的磁流变流体放置在载液表面上的喷嘴;一工件夹持器,用来夹持工件并将工件表面的一部分定位安置在载液表面附近,以确定在载液表面和工件表面部分间的会聚间隙,所述载液表面可移动通过工件,从而使磁流变流体流过所述间隙。一用于在所述间隙处施加磁场的磁体,磁场用于强化流经所述间隙的磁流变流体,以便产生一种用于与该工件表面部分接合、并在工件表面部分除去材料的瞬时精加工工具;使工件或工作区域相对其中另一个运动的装置,用于在预定的时间周期将工件表面的不同部分露裸于工作区域,以便有选择地精加工所述工件表面部分到预定程度;一收集器,用于收集从载液表面上流过间隙的磁流变流体;以及一再循环装置,用于使磁流变流体返回到磁流变流体源。
本发明还提供了一种用磁流变流体精加工工件表面的设备,包括:一可围绕水平方向定向的轴线转动的垂直轮子,所述轮子有确定载液表面的外缘;一喷嘴,用于将来自流体源的磁流变流体置于载液表面上,从而携带流体随着轮子转动通过载液表面;一工件夹持器,用于夹持工件并将工件表面的部分定位于载液表面附近,工件和载液表面之间有一间隙,其中当轮子转动时,载液表面运动通过工件,以携带磁流变流体流过所述间隙;一个用于将磁场施加于所述间隙的磁体,使流过所述间隙的磁流变流体强化,在流体中形成一个工作区域,用以与该工件表面的部分接合,并在此将材料去除;用于使工件相对工作区域运动的装置,以便使工件表面的不同部分裸露于工作区域达预定时间周期,精加工所述工件表面部分到预定程度;以及一收集从载液表面流过间隙的磁流变流体、并使流体返回到流体源的收集器。
附图说明
下面对附图作简要介绍。
图1是本发明精加工设备实施例的立体图;
图2是图1所示设备的部分放大图;
图3A-C是本发明的载液轮及MR流体带示意性简图,它们分别用于精加工凹、平和凸形工件;
图3D是带有附加磁极片的图3C的剖视图;
图4A和4B分别表示MR流体在使用平载液面和环形载液面情况下,撞击工件的角度示意性简图;
图5A是本发明实施例的磁极片的剖视图;
图5B是磁极片的正视图;
图5C是磁极片的顶视图;
图6A及6B是在本发明实施例磁极片周围的磁场大小及方向的磁场图;
图7是本发明实施例的流体循环系统的示意图;
图8A是本发明实施例的流体传送喷嘴与垂直轮接触情况时的侧剖视图;
图8B是流体传送喷嘴实施例的正视图;
图9A是使用图9B的刮削器成形的工件的立体图;
图9B是在MR流体中产生锯齿图型的刮削器立体图;
图9C是图9B所示工件用Rank Taylor Hobsen form Talysurf靠模铣床加工后的工件廊形图;
图9D是用于产生三角形MR流体带的刮削器的立体图;
图10A是本发明实施例流体收集器的侧剖视图;
图10B是收集器的正视图;
图10C是收集器的底视图;
图11A本发明的液箱示意图;
图11B是用于本发明的替换的液箱示意图;
图12是一个图表,它展示用不同大小的磨料粒所达到的精加工斑的宽度和长度;
图13是一个图表,它标明体积除去率,使一单元的初始除去率标准化,其在六小时或更长时间内对不同载液流体组成的三种MR流体进行测量;
图14A是用于获得图14B和14C所示MRF除去功能“斑”的装置的简图;
图14B和14C各表示5秒钟精加工后在BK7玻璃上的MRF除去功能“斑”;
图15A至15C各表示在旋转工件上的精加工斑的作用;
图16是本发明的计算机控制算法流程图;
图17A和17B各代表在熔融的石英上的MRF除去功能“斑”;
图17C和17D各代表在SK7玻璃上的MRF除去功能“斑”;
图18是在本发明实施例中使用的软件的用户接口部分,分别标示本发明精加工过的工件的初始阶段、预期阶段及最后阶段的工件干涉图;
图19A-C是本发明可能替换的精加工设备示意图;
图20A和20B是本发明可能替换的精加工设备的两个示意简图。
最佳实施例描述
磁流变(“MR”)流体是在载液流体内包括均匀弥散的、非胶体磁性材料,设计MR流体是为在施加于磁场中时用来改变流变性能(如塑性、弹性以及表观粘性)以及其他流体性能。公知磁流体组份的通常用途包括振动吸收器、联轴器以及驱动模件。
本发明致力于改善磁流变精加工工件表面的方法及设备。根据本发明,将工件表面置于载液表面上方,在载液表面与工件表面间确定一间隙。将MR流体置于载液表面上,然后载液表面就将MR流体传送过间隙。将磁场施加于间隙,使正在流过间隙的MR流体基本上硬化,以便形成使工件表面上的材料除去的过渡工作区域即精加工斑。精加工斑比工件表面小,相对载液表面移动工件表面,使工件能移动过精加工斑。利用控制精加工斑在不同区域位置上的停留时间,该工艺方法可以实现对表面的光整加工、除去表面伤痕或在所要求的精密公差范围内进行形状的修整。在精加工工件的过程中,MR流体将热量、磨料粒及工件材料粒带走,同时又连续地将新磨料粒输送到工作区域。
图1展示本发明的MR精加工设备10的实施例。设备10包括一个垂直定向的载液轮12,轮12有确定载液表面的外缘14(在图2中更详细地展示)。(虽然没有示出,但载液表面可以有一个圆槽内侧的底壁,一可转动的或皮带或其他任何适合的运动表面的上表面,在图19和20中公开了一些可能的替换方案。)垂直的载液轮支承着MR流体16的一带状容量。通过流体传送喷嘴18将MR流体带置于轮12的一侧面上,并且由于轮12的旋转将MR流体带传送到另一侧,在此处的流体被流体收集器20回收。轮12将流体带送过工件表面与载液表面之间的间隙22,在间隙22由磁体施加最佳的磁场,垂直载液轮最好用非磁性材料如铝或塑料制作。
最好载液轮的外缘不是平的,以便能形成一个圆柱,但是作为一种替代,沿其整过宽度可以是凸形曲面。在一推荐实施例中,轮12是球形截面,也就是说跨越外缘宽度的曲率半径等于轮的圆周面半径。在精加工斑处有外凸形曲面的载液轮的优点是,它可以如图3所示被用来精加工平、凹及凸形表面。其结果是,垂直定向的本发明载液轮能用于精加工任何形状,例如其中包括圆柱形和复曲面形状。但是,专门用于精加工平表面的轮只是具有在其整个宽度上是平的外缘才最有利。
使用垂直载液轮的另一个优点是:此轮以比平载液表面较陡斜的角将MR流体传送进入接触工件。如图4所示,与平载液面24相比,载液面通常沿与工件相切的角度使MR流体带与工件26接触,载液轮12使MR流体带以更钝的角度冲击在工件26上。其结果是,当MR流体带通过精加工斑区域时,流体带不太可能受工件的外缘28的阻碍。本发明者已发现,通过采用垂直载液轮所获得的优点并不会降低去除率。
在间隙处的磁场可以用任何装置建立,其中包括用永久磁体或电磁体。本发明的实施例装置中,磁场是由配置磁极片30的DC电磁体产生的。电磁体装备在载液面下面,用于给MR流体施加磁场。极片30之间的空间体积可以称作磁隙。磁隙外面的磁场称作散射场。在散射场内的磁场磁力线是连接磁极的弧形。在本发明的磁极片之间的磁隙安置于载液面的下面。本发明的磁极片可用于图1所示的垂直轮12或用于其它合适形状的载液表面。MR流体带被载液表面传送过散射场。当载液表面是垂直载液轮的外缘时,磁极片适合于安置在外缘下面的载液轮的任一侧边上。
本发明设想的磁极片,在工件和载液表面之间的间隙中产生最佳散射场,在此处产生精加工斑或工作区域。设计的磁极片在流体收集器处的磁场强度减小,以便防止MR流体强化,并有助于采集流体。这些目的可通过磁极片达到,该磁极片在磁隙上方;即在散射斑的方向上;产生强化的散射场,而在磁隙下面产生减小的散射场。
专门为用于垂直载液轮设计的磁极片实施例展示于图5中,它具有上述的那些特征。图6A,6B是磁极片实施例的截面廓形,它包括磁场(强度)量级的场向量及在磁极片内和环绕磁极片的方向。该设计的附加优点是,它可以用传统的机加工制造而不是用CNC机加工制造,因而可以大大地降低制造成本。
该实施例的设备还附加包括一流体循环系统(见图7)。流体循环系统包括流体传送喷嘴18,流体收集器20,以及使流体从收集器20再返回传送喷嘴的再循环装置。本发明的流体循环系统可使用包括图1中所示载液轮在内的任何载液表面。
为了减少由于与空气接触而产生载液流体的蒸发和MR流体的老化,流体循环系统除去流体带被传送到载液表面的那一段以外,最好减少MR流体对大气的裸露。由于流体循环系统在精加工设备的外面,所以MR流体可以在喷嘴和收集器之间经受任何次数的调整操作,使MR流体带的再生性及可预测性能大大地提高。
用于垂直载液轮12的流体传送喷嘴18的实例示于图8。流体传送喷嘴最好用如铁那样的软磁材料制作。软磁喷嘴使MR流体在离开喷嘴前不受磁场作用,因而防止流体强化。喷嘴和给喷嘴送液的管最好提供MR流体的层流。喷嘴可以是内锥形。喷嘴可以与载液表面的载液排放端接触,也可以不与其接触。如果是相接触的,特氟隆(Teflon)涂料或类似的涂料对于防止载液表面的磨损是有好处的。在排出喷嘴时的流体的轨迹最好与载液表面相切。
在一个实施例中,当MR流体设置在载液表面上时,MR流体带的形状是由流体传送喷嘴成形的。在一替换实施例中,该流体带可由与载液接触或不接触的刮削器成形,其中,刮削器有一开孔,该孔使由喷嘴传送到载液面上的MR流体成形。由于在本实施例中,MR流体在刮削器后形成一池,所以载液表面可配置有如一圆槽的侧壁那样的侧壁(未示出)。喷嘴或刮削器最好安放在经受某种磁场强度的区域内,使MR流体带具有足够的可塑性,以便大致保持其由喷嘴或刮削器形成的形状。
喷嘴或刮削器的形状是确定流体带截面尺寸的一个因素。流体带又可以影响精加工斑的大小:一个窄的流体带能产生一个窄的精加工斑。窄的斑在精加工过程中能提供较高的分解能力,因此在精加工十分小的工件时特别有用。图9D是刮削器48的一个立体图,刮削器48用来产生有三角形截面的流体带,因而它产生了三角形流体带。该“锥形的”流体带已成功地用于直径小至5毫米的透镜的精加工中。
图9B是用来产生锯齿形图案的刮削器50的立体图,刮削器50产生了锯齿形带。制造这种刮削器的目的是为了展示产生一种维持自身形状,并将此形状传递给工件的流体带的能力。图9A是一个由K7玻璃制造的原始平工件的立体图,它通过与由图9B的刮削器形成的流体带接触五分钟形成。图9C是图9A所示工件的廓形,它是用Rank Taylor Hobsen Form Talysurf靠模铣床制作的。
图7是流体循环系统的图解说明。如图所示,MR流体可以用一个或多个传送泵32加压。流体循环系统最好以线速度等于或大于载液表面的线速度将MR流体传送至载液表面。在MR流体传送率低于载液表面速度时,可能会形成不连续的流体带。当MR流体传送速度大于载液表面速度时,就产生一个较厚的流体带。流体带的厚度可通过改善MR流体传送率来控制。用数学方式来表达时,流体传送率Q(cm3/sec)等于流体带截面积S(cm2)乘以载液表面的线速度V(cm/sec):Q=S×V。对于给定的载液表面速度来说,流体传送率Q增加,致使流体带横截面积S增加。同样,对于给定的流体传送率Q来说,载液表面速度V降低,导致流体带横截面积S的增加。
流体收集器20(图10)可以包括一个橡胶、柔性塑料或其它类似材料制造的检拾刮削器52,刮削器52的作用像一个橡皮刮板一样使流体与载液表面分开。检拾刮削器52的轮子结合部分应该与载液表面的形状相吻合。轮子结合部分最好形成杯形或U形,让MR流体带进入其敞开侧内。流体收集器20最好连接到一个或多个轴吸泵34,以便引入MR流体。流体收集器20具有或由一种软磁性材料如铁一类材料制作的磁防护盖进行覆盖是有利的。该磁防护盖使MR流体基本上脱离周围磁场的效应,以便使流体回复到较小粘度的状态。此外,将收集器20安置在离磁极片的距离远于离喷嘴的距离是有利的,这样可以减小其露裸于磁场中的强度。
循环系统使用蠕动泵是有利的,这样可以使含有磨料粒的MR流体与可老化的、难以被更换的部件之间的接触减少。在一种蠕动泵中,其经受MR流体磨损的部件仅是一种塑料管短件,它至少可以使用数百小时,并可廉价地进行更换。蠕动泵本身是很便宜的。已经发现,它们可以以低流率运行而在流体带内不产生间隙。可以平行方式使用两个或更多个泵,以便错开可能产生的脉动,由此而使它们的振幅减小。在推荐实施例中,采用两个三头传送泵32,其中的每个驱动头均相互偏置60°。
MASTERFLEX6485-82 PharMed管材可用于流体循环系统的抽吸部分。IMPERIAL-EASTMAN 3/8管材可用于系统的传送部分。EASY LOADMASTERFLER泵,型号no.7529-00可用作传送泵。型号为7019-25的COLE-PALMER MASTERFLEX泵可以用作抽吸泵。永磁马达型号2M168C,Dayton可以用来驱动这些泵,其采用的DC速度控制器型号为5×485CDayton。
由收集器从载液轮上去除的MR流体可以如图11A所示送至液池36。PP NALGENE,1000毫升的分液漏斗可用作液池。最好将MR流体以足够的力传送到这样的一个液池,以便通过破坏由施加磁场产生的残留磁性粒结构,使MR流体均匀。但是,液池也可为此目的而具有一外加的搅拌装置如搅拌器38。试验室搅拌器TLINE,型号为102可用于此目的。作为一种替换,也可使用其他的混合或均匀设备。液池可以用如不锈钢那样的非磁性耐磨损材料制作。液池可以是锥形或其它形状,这种形状不会产生使MR流体聚集的沉积区域。此外,液池的构形可使得能达到大液池容积的搅拌器装在液池内,以便不留下沉积区(见图11B)。
流体循环系统还可以包括如冷却机构那样的温度调节装置,用以通过MR流体将在精加工区域产生的热量带走。MR流体的温度还可被MR流体循环泵或电磁体运行所产生的热量增高。未调节的高温会降低MR流体的粘度,而且还会使其载液流体蒸发率变高。未调节的高温还会使设备的另部件热膨胀,以致使工件在MR流体中的位置不精确以及丧失形状控制。在一个设备实例中,通过将MR流体浸泡在液池中的冷却螺旋管中而使MR流体冷却。通过把冷却螺旋管连接到密封环形水冷却器,如Brinkman LaudaRM6,将恒温冷却的水供入冷却螺旋管。MR流体的温度通常保持在21-22℃左右。
流体循环系统还可包括如自动粘度控制系统那样的组份调节装置,以使因蒸发或其它因素在MR流体中失去的载液流体恢复。自动粘度控制系统54可通过自动地将载液流体滴入水池以补充损失,用来维持MR流体的恒定粘度。粘度控制系统可包括一个粘度监测设备,它在原理方面将载液流体泵44与载液流体56的液池在功能上连接。在图7所示的示例设备中,粘度是通过采用一个或多个置于传送管路中的压力探测器42进行监测的,这是因为传送泵和传送喷嘴之间的压力变化,对于一个恒定流率来说是与粘度变化成比例的。推荐的压力探测器是如Cooper PFD 102那样的隔膜式传感器,其原因是该探测器使导致MR流体沉积和堵塞探测器的滞留区域变小。压力探测器信号(或者,当使用多个探测器时,来自各连续的压力探测器的信号差),在流体流率恒定时与MR流体的粘度成比例。将压力探测器信号(或信号差)与一基准值比较,如果此信号大于基准值,则将误差信号传送至继电器或马达驱动器,驱动载液流体小型泵44运转,直至该信号返回到最高值以下,在一些实施例中,必须选择压力探测器信号(或信号差)与误差信号之间的比例常数使能避免过校正(导致振荡),或避免欠校正(导致粘度控制缓慢)。
另外,MR流体磁性粒子聚集可以利用一种感应探测器,如一个缠绕携带流动MR流体的管的螺旋线圈来监测。来自螺旋线圈的较高感应读数标示着较高的磁性颗粒的集中度,以及较高的MR流体粘度。但是,该技术在感测由于温度或非磁性颗粒集中度的变化而产生的明显的粘度变化是无效的,所以只能将其作为MR流体稳定性的辅助指示器。已证实压力测量比感应测量更灵敏。
选择稳定的MR流体大大地加强了精加工的复制的和可预测的能力。在本领域中有许多MR流体组份是公知的,其中包括油基和水基流体。本申请拟采用的一种MR流体,最好是以一种含水载液流体为基体的用于多数场合的MR流体。然而,含水载液流体可能不适用于如可溶水的工件那样的一些工件。如同含有KDP(KH2PO4)晶体的工件。
MR流体含有如羰基铁颗粒那样的非胶体磁性颗粒。表1展示由GAF有限公司提供的四种羰基铁粉,而且已证明用于MR流体中。
                        表1
  种类     说明     中径     最大颗粒
 S-1110 可提供的最大尺寸     5.170μm     22.79μm
 S-1701 硅涂覆粒子     4.667μm     15.17μm
 N-1370 5%氮化粒子     3.845μm     15.17μm
 S-3700 可提供的最小尺寸     3.089μm     13.24μm
为了使材料的去除增强,MR流体也可以含有如二氧化铈(CeO2)那样的非磁性磨料。非磁性磨料的选择取决于待精加工工件的物理性能(如硬度)和化学性能(如化学稳定性)。表2列出了采用本发明的方法在使用回转环槽载液轮的设备上,用此MR流体精加工熔融石英工件时,不同磨粒的MR流体的构成及所获得的材料去除率。
去除率是通过用Zygo Mark IV XP干涉仅对精加工前后的工件廓形进行比较测量的。第一、二组配方不加磨料,它们只是根据羰基铁的磨刮性质。表3列出了各种材料的工件在采用含有二氧化铈磨料(表2中的D配方)的标准MR流体配方,和含有二氧化铈及弥散金刚石磨料(表2中的E配方)的加强配方情况下,用本发明的方法在采用旋转槽载液表面设备上所获得的去除率。这些资料证明,本发明的方法对于精加工甚至如青玉(Al2O3)那样的特硬材料也是有效的。
                            表2
磨料种类 磨料尺寸μm 磨料体积%   Cl体积%   水体积% 甘油剂体积% Na2CO3体积%     顶峰去除率μm/Min  体积去除率mm3/Min
A 无,合理的CIS-3700,3μm  --  0.00  44.36  53.27  2.05  0.31     1.28  0.176
B 无,合理的CIS-1701,4.5μm  --  0.00  46.04  51.53  2.12  0.67     1.836  0.1556
C 小量二氧化铈1663  1  4.84  35.16  57.23  2.38  0.39     2.064  0.2808
D 标准二氧化铈铈硅石4250  3.5  5.7  36.05  55.11  2.41  0.74     2.104  0.22
E 标准二氧化铈铈硅石4250W/15克弥散金刚石  --  --  --  --  --  --     2.4  0.36
F 混合物:二氧化铈和Al2O3  3.5/1.0  4.2/4.2  36.09  53.18  2.33  0.00     1.992  0.2464
G 氧化铝#1  2.1  8.67  35.8  53.16  2.26  0.12     1.4  0.1604
H 三氧化二铝#9  7.0  8.77  36.25  52.6  2.28  0.1     1.632  0.1552
I SiC  4  6.72  36 08  54.91  2.2  0.09     1.124  0.1257
J B.C  7  5.94  36.19  55.22  2.28  0.37     0.574  0.0667
                           表3
工件材料    硬度HR    标准峰顶除去率μm/Min   加强的峰顶去除率μm/Min    标准体积去除率mm3/Min   增强的体积去除率mm3/Min
氧化铝     2000     .0313     .524     .00189     .0294
    1100     1.46     4.03     .23     .6
TaFD5     683     1.872     1.776     0.205     0.23
熔融石英     669     2.076     2.4     .29     .36
LaK10     650     2.42     2.256     .45     .504
SK7     559     6.936     .108
BK7     527     4.03     4.62     .48     .7
K7     516     4.87     3.792     .53     .636
K2F6     434     8.592     .88
SF7     405     5.556     .726
SF56     366     9.24     6.024     1.24     .058
LHGB     338     9.156     23.93     1.43     3.84
ZnSe     120     2.445     6.42     .1935     .276
本发明的优点是精加工斑对于磨料颗粒尺寸很不敏感。图12是用各种尺寸的磨料颗粒所达到的精加工斑长度和宽度图表。精加工斑用一种ZygoMark IV XP干涉仪测量。精加工斑尺寸对于2-40μm颗粒来说相对地保持恒定。本发明的另一优点是,不期望的、超大尺寸的磨料粒很少造成麻烦,这是由于它们跟随着实体研磨具而不可能嵌入工件表面和刮伤工件表面。
MR流体还可以含有如甘油那样的一种稳定剂。稳定剂用来增加MR流体粘度,并且帮助建立磁性颗粒和磨料颗粒维持在悬浮状态的条件。但是,使用过量的甘油这样的稳定剂会在精加工如硅酸盐玻璃一类的某些材料时造成损害。认为产生这样结果的原因是由于甘油的作用阻碍了水的水合作用能力,因而使玻璃表面软化。
由于不稳定的MR流体产生较少可预测的精加工斑,在MR精加工作业中MR流体形成老化是很困难的。由于在含水膏体中采用了细碎的铁微粒,所以锈蚀会对目前类型的MR流体产生稳定性问题。由于铁氧化物与羰基铁的磁性不同,所以MR流体在锈蚀时磁性颗粒连续地变化,因此,锈蚀是产生不可预测性的一种原因。此外,在MR流体中产生的锈蚀会脏污工件。
由于MR流体局部地露裸于大气中,这会吸收使流体的pH值降低的二氧化炭,还会使金属氧化。采用去离子水作载液流体可使腐蚀减低,但不能完全解决问题,而且会增加不方便和提高费用。
本发明发现:加入足以使pH值升至10左右的碱,既可以改善流体稳定性同时又能增大去除率。在应用中特别有效的碱是如Na2CO3那样的缓冲剂溶液。使用碱性溶液缓冲剂的另一优点是,不再需要去离子水,而且可用自来水来代替。图13是指示体积去除率的图表,它展示在过去六个或更多小时的时间周期后用三种不同载液流体组成的MR流体,所测量的单位时间内的体积去除率与初始去除率相比较:去离子(DI)水其pH值为7;含NaOH的DI水其pH值为10;含Na2CO3的自来水其pH值为10(注意:去离子水(DI)理论上的pH值假定为7,其原因是它不含有离子,其pH值不能用传统的探测器测量)。精加工作业是用本发明的方法在使用旋转槽载液表面的设备上进行的,精加工作业对相同的工件用相同的配方但不同载液流体进行,并对除去率如上述那样进行测量。对于pH为10的含炭酸钠的流体来说,其去除率仍是高的;在使用7小时后相对初始去除率,pH为10的含氢氧化钠的流体的去除率下降至80%,pH值为7的流体的去除率,在两小时后降到其初始去除率的60%左右,而且变得不稳定。表4表明体积去除率(每秒钟内除去材料的体积)增长约39%。其峰顶去除率(每秒钟除去材料的厚度)约增长了50%,这是采用pH为10的载液流体(运作1和运作2)的情况下,与采用pH为7的载液流体(运作3和运作4)相比较后得出的结果。在表4中的精加工运作是采用相同的配方,使用旋转槽载液表面设备,用本发明方法对相同另件进行的,其测量的除去率如上所述。
                           表4
S1710 CI配方全部都用S1701羰基铁(CI)和去离子水 运作14.4%甘油剂24.7%二氧化铈32.4%CI20转/分pH为10-11 运作24.0%甘油剂21.7%二氧化铈28.9%CI20转/分pH为9-10 运作34.0%甘油剂22.2%二氧化铈29.5%CI20转/分pH为7 运作44.0%甘油剂22.2%二氧化铈29.5%CI20转/分pH为7
峰顶去除率μm/Min     2.42.4     2.82.82.62.6     1.6     1.841.75
平均峰顶去除率     2.4     2.7     1.6     1.8
体积去除率mm3/Min     0.150.17     0.180.150.150.16 0.11 0.1240.124
平均体积去除率     0.16     0.16     0.11     0.12
本发明考虑一种具有含水载液流体的MR流体,它包括碱性缓冲剂溶液如炭酸钠,业已证明了此种溶液可以改善稳定性、抗锈蚀、增大除去率,而且还可与自来水配制。
待精加工的工件26可以安装在带有可转动主轴46的工件夹持器上,该夹持器最好用非磁性材料制作。将主轴下降并使工件与MR流体带接触,从而产生精加工斑(图14)。当角度θ变化时,精加工斑可以从透镜中央移动到边缘(图15)。对于旋转对称的工件来说,主轴应使工件围绕着工件主轴轴线转动。由于工件在旋转和摆动,精加工斑从中央到边缘以环圈方式在工件表面上去除材料,从而导致透镜或其他的工件相对主轴轴线对称。控制在透镜上每一位置处停留的时间,因而修正工件的形状误差。停留时间的确定及工件主轴运动的控制最好由计算机进行。
θ角是相对垂直方向测量的。主轴围绕枢轴肖转动θ角度,而且可以沿任一方向转过角度θ。但是最好主轴沿垂直或平行于MR流体运动的方向转动。在图1所示设备中,载液轮12能环绕Z轴转动,以使操作者能改变θ角相对MR流体运动方向的转动方向。
通常,主轴转动速率可保持恒定。一般速度为75转/分。但是,对于精加工非回转对称性工件或修正非回转对称的伤痕时,主轴旋转速可以随主轴旋转位置的函数而变化。对于如圆柱体那样的工件,无任何主轴旋转的情况下,主轴运动可以包括横向运动和枢轴运动,对于平面工件,在无任何枢轴转动的情况下,主轴运动可包括横向运动和主轴旋转的组合运动,或者可以包括网板方式的横向运动。
在一种用于使精加工斑运动越过工件表面的系统中,仅仅θ角是可变的。在此系统中,将主轴下降一直降到使工件与MR流体带接触。接着主轴就环绕着一机械枢轴点B-轴转动,转过θ角,B-轴具有一转动接头将主轴保持在载液表面上方。如图1所示,B-轴平行于Y-轴,在此系统中,如果工件是球形的,就保持恒定的加工间隙(即工件和载液表面之间的间隙),如果工件是非球形,就不保持这种间隙。本发明的优点在于,精加工斑在间隙高度上允许有大的改变。正因为如此,甚至在主轴被限制作球形运动时,非球形工件也可进行精加工,如在下面讨论的例2所表明的那样。
另一种精加工回转对称工件的系统展示于图1中。在该实施例中,使主轴运动减少到三个活动自由度,它不同于工件的主轴旋转运动。主轴运动限制在XZ平面中。主轴可以沿Z轴线作上、下横向运动,沿X轴线作左、右横向运动,并可绕B-轴作通过θ角的顺时针或逆时针方向旋转。
该机器还有两个被动的自由度。载液轮及其支承基座可以手动方式绕Z轴转动,从而使该轮或者与X轴平行,或者与X轴垂直。主轴可以手动方式沿Y轴转动,以便使主轴与载液轮在机器调整期间精确地对准。
通过同步地移动主动轴,使工件可以安置得使加工间隙维持在恒定值,而且可使精加工区域沿直径从工件的中心部位向其边缘运动。这种运动与工件绕其自身轴线的转动一起,可使透镜的整个表面运动通过工作区。
主轴臂运动的控制可以用任何便利的机械装置来实现。主轴臂控制器直接由计算机控制是有利的。
计算机控制的工件精加工可以用图16展示的方法来实施。可以使用一种所谓的Forbes-Dumas Finishing Algorithm(FDFA)计算机编码。它要求三种输入:A)MRF去除功能即精加工“斑”的形状和大小;B)初始工件表面形状;及C)加工要求,例如是去除材料还是形状修正,或者是两者都要求。作为输出,该FDFA产生一种大家已称为MCOP的一种机器控制运作程序。FDFA也可以产生一种残余表面形状误差预报,该误差在加工处理后将仍然留在工件上。MRF机器由MCOP控制,对工件进行精加工。
MRF去除功能可以通过在待精加工的相同形状、相同材料的一个试验件上产生一个斑得到。如采用Zy go Mark IVXP那样的干涉仪记录的去除“斑”的干涉图可以得到,并将其输入计算机控制编码系统。另外,一种预先记录的并存储的“斑”廓形可以从数据库中调出来使用。
精加工斑对于机器工作台、磁场强度、工件几何形状、载液表面速度、MR流体性能、主轴/载液表面的几何形状,以及待精加工材料的特性来说是特定的。图14B展示了用于直径40mm、曲率半径84mm、BK7玻璃透镜的去除“斑”(流体运动方向以箭头表示),它是在载液表面上方高1mm处的MR流体接触5秒钟后产生的。所使用的是旋转槽载液表面设备。对于这种设备来说,从槽中心到内边缘的半径为23CM,到其外边缘的半径是30CM,该槽以20转/分的速度转动,在间隙处的磁场强度为2-4KG,主轴臂倾转角θ=2°并将主轴臂锁定,以防止工件转动。这种深度廓形表示,精加工斑具有“D”形,在透镜表面上的深陷入悬胶液中的峰顶区域已被去除,峰顶去除率为4.6μm/min,体积去除率为0.48mm3/min。
精加工斑与材料种类有关。图17展示两类不同型式玻璃上产生的精加工斑干涉图:两类玻璃为熔融石英和SK7。对于熔熔石英工件获得精加工斑的过程是:将工件下降到离载液表面上方高度为1mm处的悬胶液内,θ角为0°,使磁场接通20秒钟,关闭磁场将工件升高使其离出该悬胶液。取自沿平行(11)和垂直(L)于流动方向的,深廓形线扫描显示在精加工斑下面,它们指出对于此种玻璃的峰顶去除率为2.3μm/Min。就SK7工件来说,通过首先打开磁场而获得精加工斑。然后安装主轴上的工件就摆动过一角度,到达接近垂直的入射角方向而进入载液表面上方高度为1mm处的悬胶液中。并且在其中保持4秒钟,然后再摆动返回,由于SK7的组份及物理性能,使其精加工进程快于熔融石英的进程。测得的峰顶去除率为9.4μm/Min。对于这些玻璃来说,它们的精加工斑形状很相似。这是MR工艺方法的一个特点。
在待精加工面的初始表面误差廓形中FDFA的第二输入,对于球形表面来说是展示初始偏离最适合球形的另一个干涉图。对于非球形表面,输入可以是用类似于Rank Taylor Hobsen Form Talysurf的一种记录笔仪器获得的表面误差廓形。
第三输入是加工处理目的。它可能是直接(dc)去除材料,以消除表面下层的伤痕,或是形状修正,或者是消除伤痕与形状修正的组合。
计算机编码系统将去除功能与初始表面形状相组合,给MRF机器上的主轴臂角度控制器导出一种运作程序。编码系统规定控制器的角度和加速度,在正、反角度间要求的摆动次数,以及总测定处理时间。最后,编码系统还可以给出从加工处理循环中所期望的预测形状图。
在图1所示的实施例中,用于主轴臂角度控制器的操作程序,可以通过使用“虚拟枢轴点”导出。该虚拟枢轴点在精加工任何表面时确定。虚拟枢轴点与包括待精加工的表面的球的中心相重合。对于球形表面来说,虚拟枢轴点相对工件是固定不动的。在工件是凸形的情况下,虚拟枢轴点位于工件表面上方,而如果工件是凹形时,虚拟枢轴点就置于工件表面下方。在工件是非球形的情况下,将虚拟枢轴点适当地改变,使其与待精加工区域的局部曲率相一致。
主轴臂控制器的MCOP使主轴臂运动,以便使虚拟枢轴点维持在预定位置。在这里,MCOP的输入是待加工工件的曲率半径。在非球形的情况下,该非球形位移等式必须作为一种输入提供,虚拟枢轴点近似法能够环绕空间中的三个自变的一任意点作模拟转动。枢轴点可以是恒定的(对于球面来说)或可变的(对于非球面来说)。在没有模拟的即虚拟的枢轴点的情况下,需要几个专用机器用来进行在一个机器上能完成的许多任务。
实例1
表5展示采用用于dc去除材料、形状修正和表面光整的FDFA,进行三个周期精加工工艺过程的结果。该工件是一种球形凸状熔融石英件,其直径为40mm,曲率半径是58mm,这是在OpticamSX上产生的。
                          表5
周期 材料去除量:μm 持续时间:分钟 形状误差:*μm P-V 表面不平度rms
初始状态     --     --     0.31     40
#1dc去除材料/完整表面     3.0     32     0.42     8
#2形状修正     0.7     6     0.14     7
#3dc去除材料/形状修正     3.0     42     0.09     8
第一周期持续32分钟,均匀地从表面上除去3μm材料,使表面不平度从40减至8(用一种非过渡的Zygo Maxim3D光学靠模机测量)。对称表面波前误差在去除3μm材料的情况下增加0.11μm。第二周期使形状误差从0.42μm下降至0.14μm。这是在六分钟内径向有选择地去除材料0.7μm的情况下实现的。第三个周期又去除3μm材料,它使均匀形状误差减低至0.09μm。其最终表面不平度又变为8。
图18展示第2周期#2的Forbes/Dumas用户接口部分。初始状态的、预测的和实际的表面形状误差的干涉图展示于附图的上部。每个干涉图的下面是代表径向截面的线扫描图,它表示与最佳配合球形相比的对称波前误差。应注意,这种形状修正周期在该表面中央部位去除了一个孔。
实例2
表6展示利用FDFA的两周期精加工工艺过程的结果,它表示在第一周期1#中只是dc去除材料使表面光滑,在第二周期2#中进行形状修正。工件是凹状非球形BK7玻璃件,其直径47mm,对70mm的曲率半径有140μm的非球面偏差,这是在OpticamSM上产生的。
                          表6
周期 材料去除量:μm 周期时间:分钟 rms*不平度ss  P-V形状μm
初始状态     --     --     9400     6.42
#1 dc ssdd除去材料/表面光整     12     100     10     4.40
#2形状修正     4     40     10     0.86
第一周期持续100分钟,它从表面上均匀地去除12μm,使表面不平度从9400降低到10rms(用Zygo New Wiew20 X Mirau光学仿形机测量),而且消除一切表面伤痕。对称表面波前误差从6.42μm降低到4.40μm。第二周期将形状误差从4.40μm减少到0.86μm。这是在40分钟内径向有选择地去除4μm材料实现的。最终表面不平度为10rms。
实例1和2的精加工工艺是在一种具有机械固定的枢轴点的设备上进行的。但是,实例2中的工件是非球形的,它与球形表面有140μm的偏差。结果是,载液表面与工件之间的间隙在精加工作业期间是变化的。由于在效果上精加工斑在整个非球形表面上不变化,实例2表明精加工斑对于在载液表面与工件之间的间隙高度相当不敏感。

Claims (110)

1.一种用磁流变流体精加工工件表面的方法,包括:
(a)将工件定位于一连续载液表面附近,使在工件表面部分和载液表面间确定一会聚间隙;
(b)大体上在所述间隙施加一磁场;
(c)将来自磁流变流体源的磁流变流体放置于载液表面上;
(d)使载液表面移过所述工件,使经磁场强化的磁流变流体流过所述会聚间隙,确定构成一瞬时精加工工具的工作区域,用于在工件表面的部分处接合并去除材料;
(e)使工件或工作区域相对两者中的另一个运动,以使工件表面的不同部分露裸于工作区域一个预定时间周期,有选择地将所述工件的所述表面部分进行精加工到预定程度;
(f)将已从所述载液表面上流过所述间隙的磁流变流体收集起来;以及
(g)使在(f)步骤中收集的磁流变流体返回到磁流变流体源。
2.如权利要求1所述方法,其中,所述载液表面沿垂直方向定向的轮子的外缘延伸,所述使载液表面运动的步骤包括使轮子转动。
3.如权利要求1所述方法,其中,所述载液表面包括轮子的外缘,所述轮子可环绕沿水平方向定向的轴线转动,所述使载液表面移动的步骤包括使轮子绕此轴线旋转。
4.如权利要求1所述方法,其中,所述载液表面包括连续的柔性皮带的外表面。
5.如权利要求1所述方法,其中,所述载液表面包括沿水平方向定向的圆盘的上表面,所述运动载液表面的步骤包括使圆盘转动。
6.如权利要求1所述方法,其中,所述载液表面包括一环形槽的底表面,所述使载液表面运动的步骤包括使该槽转动。
7.如权利要求1所述方法,其中,所述放置磁变流流体的步骤包括从喷嘴中喷出磁流变流体。
8.如权利要求7所述方法,其中,所述喷嘴沿大致与所述载液表面相切的方向,并沿此载液表面运动的方向喷出磁流变流体至载液表面上。
9.如权利要求1所述方法,还包括的步骤是,将预定的几何形状传递给步骤(c)后的磁流变流体,以改变工作区域的形状。
10.如权利要求1所述方法,其中,施加磁场的步骤包括使会聚的间隙附近的散射场强化的步骤。
11.如权利要求1所述方法,其中,步骤(f)包括使用收集器收集来自载液表面的磁流变流体的步骤,还包括使收集器处的磁场强度变弱的步骤。
12.如权利要求11所述方法,其中,所述收集器受到磁屏蔽保护,以减小其内的磁场强度。
13.如权利要求1所述方法,其中,步骤(c)包括通过喷嘴喷出磁流变流体,喷嘴被以磁屏蔽方式保护,从而使磁场不施加于喷嘴内的磁流变流体。
14.如权利要求1所述方法,其中,步骤(e)包括使工件相对工作区域旋转的步骤。
15.如权利要求1所述方法,其中,工件安装于一可作枢轴运动的工件夹持器上,步骤(e)还包括作枢轴运动的工件夹持器使工件表面扫过工作区域的步骤。
16.如权利要求1所述方法,其中,步骤(e)还包括使工件在一平面内运动的步骤。
17.如权利要求16所述方法,其中,使工件运动的步骤包括使工件在一个平面内沿大体上平行于磁流变流体运动的方向运动的步骤。
18.如权利要求16所述方法,其中,包括使工件在一平面内沿大体上垂直于磁流变流体运动的方向运动的步骤。
19.如权利要求1所述方法,还包括监测在步骤(f)中收集的磁流变流体粘度的步骤。
20.如权利要求19所述方法,其中,监测磁流变流体粘度的步骤包括使磁流变流体以大致恒定的流率流过一管子、沿该管测量两点处的压力降、然后将压力降与一预定值进行比较的步骤。
21.如权利要求19所述方法,其中,如果监测的磁流变流体粘度与预定粘度有变化,该方法还包括将该粘度调整到预定值的步骤。
22.如权利要求21所述方法,其中,所述调整磁流变流体粘度的步骤还包括将载液流体添加入磁流变流体中的步骤。
23.如权利要求1所述方法,其中,所述磁流变流体有一初始预定的pH值,而且还具有监测和维持在步骤(f)中收集的磁流变流体的预定pH值的步骤。
24.如权利要求23所述方法,其中,所述预定pH值在7-11之间。
25.如权利要求23所述方法,其中,所述预定pH值在9-11之间。
26.如权利要求1所述方法,其中,还包括使在步骤(f)中收集的磁流变流体进行冷却的步骤。
27.如权利要求1所述方法,还包括监测在步骤(f)中收集的磁流变流体温度的步骤,以及如果所述监测温度的步骤检测到与预定温度值有变化时,将所述流体温度调整到此预定温度值的步骤。
28.如权利要求1所述方法,还包括通过收集来自载液表面的磁流变流体,并在磁流变流体置于载液表面之前限制它裸露于环境空气中,以防止磁流变流体变坏老化的步骤。
29.如权利要求1所述方法,还包括使在有磁场存在的情况下,已被聚集的、在步骤(f)中收集的磁流变流体重新均匀化的步骤。
30.如权利要求29所述方法,其中,使所述磁流变流体再均匀化的步骤包括,将所述流体以足够大的力喷注入液箱中,从而使所述流体内聚集的颗粒散裂开。
31.如权利要求29所述方法,其中,使所述磁流变流体重新均匀化的步骤包括搅拌所述流体的步骤。
32.如权利要求1所述方法,其中,所述磁流变流体包括非胶体磁性颗粒及含水载液流体,磁流变流体的pH值在7-11之间。
33.如权利要求32所述方法,其中,所述磁流变流体的pH值在9-11之间。
34.一种用磁流变流体精加工工件表面的设备,包括:
一可连续运动的载液表面;
一将来自磁流变流体源的磁流变流体放置在载液表面上的喷嘴;
一工件夹持器,用来夹持工件并将工件表面的一部分定位安置在载液表面附近,以确定在载液表面和工件表面部分间的会聚间隙,所述载液表面可移动通过工件,从而使磁流变流体流过所述间隙。
一用于在所述间隙处施加磁场的磁体,磁场用于强化流经所述间隙的磁流变流体,以便产生一种用于与该工件表面部分接合、并在工件表面部分除去材料的瞬时精加工工具;
使工件或工作区域相对其中另一个运动的装置,用于在预定的时间周期将工件表面的不同部分露裸于工作区域,以便有选择地精加工所述工件表面部分到预定程度;
一收集器,用于收集从载液表面上流过间隙的磁流变流体;以及
一再循环装置,用于使磁流变流体返回到磁流变流体源。
35.如权利要求34所述设备,其中,所述载液表面包括垂直定向轮子的外缘。
36.如权利要求35所述设备,其中,所述载液表面包括可环绕水平方向轴线转动的轮子的外缘。
37.如权利要求36所述设备,其中,所述轮子是由一种非磁性材料制作的。
38.如权利要求36所述设备,其中,所述载液表面在外缘宽度上是凹曲形。
39.如权利要求36所述设备,其中,所述载液表面包括球形截面。
40.如权利要求36所述设备,其中,所述载液表面具有圆柱形构形。
41.如权利要求34所述设备,还包括一粘度监测仪,用以监测由收集器收集的磁流变流体的粘度。
42.如权利要求41所述设备,其中,所述粘度监测仪包括一个用于以大体上恒定的流速传送磁流变流体的管子;测量所述管子两点间压力降的压力传感器;以及将此压力降与一预定值相比较的装置。
43.如权利要求41所述设备,还包括滴液器,用来向由收集器收集的磁流变流体添加载液流体,以便在粘度监测仪检测到的粘度不同于预定粘度值时,将该粘度调整到预定值。
44.如权利要求34所述设备,还包括冷却装置,用于冷却由收集器收集的磁流变流体。
45.如权利要求34所述设备,还包括混合器,用于使由收集器收集的、已在磁场中聚集的磁流变流体重新均匀化。
46.如权利要求45所述设备,其中,所述混合器包括搅拌器。
47.如权利要求34所述设备,还包括用于将预定形状传递给进入间隙的磁流变流体、从而使工作区域形状变化的装置。
48.如权利要求47所述设备,其中,所述传递形状的装置包括与所述载液表面接合的刮削器,所述刮削器具有使磁流变流体从其中流过的孔,所述孔与所述预定几何形状相适应。
49.如权利要求34所述设备,其中,所述磁体包括磁极片,磁极片的构形使在会聚间隙附近的散射磁场强化。
50.如权利要求34所述设备,其中,所述收集器包括一种软磁材料,用于使收集器受到磁屏蔽保护,从而使磁场不能施加于收集器内的磁流变流体。
51.如权利要求50所述设备,其中,所述收集器包括刮削器部分,用于与所述载液轮接合,以便加强从轮上去除磁流变流体。
52.如权利要求51所述设备,其中,所述刮削器部分是杯形构形。
53.如权利要求34所述设备,其中,所述喷嘴是由软磁性材料制作的,以使所述喷嘴受磁屏蔽保护,从而防止喷嘴内的磁流变流体受到磁场作用。
54.如权利要求34所述设备,其中,所述磁体包括磁极片,而且所述收集器的位置离磁极片的距离大于离喷嘴的距离。
55.如权利要求34所述设备,还包括使工件相对工作区域旋转的装置。
56.如权利要求34所述设备,其中,所述工件安装在可枢轴转动的工件夹持器上,该夹持器适于将工件扫过工作区域。
57.如权利要求34所述设备,还包括使工件在一平面内运动的装置。
58.如权利要求34所述设备,其中,将所述磁体安装在支承基座上,所述支承基座可相对工件转动。
59.一种磁流变流体,它包括非胶体磁性颗粒及含水载液流体,其中,磁流变流体的pH值在7-11之间。
60.如权利要求59所述磁流变流体,其中,所述流体的pH值在9-11之间。
61.如权利要求59所述磁流变流体,它还包括一种碱溶液缓冲剂。
62.如权利要求61所述磁流变流体,其中,所述碱性溶液缓冲剂是炭酸钠(Na2CO3)。
63.如权利要求59所述磁流变流体,其中,所述非胶体磁性颗粒是羰基铁。
64.如权利要求59所述磁流变流体,还包括磨料。
65.如权利要求64所述磁流变流体,其中,所述磨料是二氧化铈(CeO2)。
66.如权利要求65所述磁流变流体,其中,所述磨料是二氧化铈和弥散金刚石颗粒。
67.如权利要求65所述磁流变流体,包括以体积百分比计的约5.7%的CeO2磨料,约36.05%的羰基铁,约55.11%的水,约2.41%的甘油,和约0.74%的Na2CO3
68.一种用磁流变流体精加工工件表面的方法,包括:
将一轮子环绕沿水平方向定向的轴线转动,所述轮子包括确定一运动载液表面的外缘;
将工件定位于载液表面附近,以便在工件表面的部分和载液表面间存有间隙;
基本上在所述间隙处施加一磁场;
将磁流变流体置于运动载液表面上,以便将磁场强化的磁流变流体由载液表面携带,并至少使一些磁流变流体流过确定工作区域的所述间隙,并形成瞬时精加工工具,用于与工件表面的部分接合并去除工件表面这部分的材料,和
将工件相对于工作区域运动,以便使工件表面的不同部分裸露于工作区域达预定的时间周期,将所述工件表面部分精加工到预定程度。
69.如权利要求68所述方法,还包括收集从载液表面流过工件的磁流变流体的步骤,用以在精加工工件时再使用。
70.如权利要求68所述方法,其中,所述放置磁流变流体的步骤包括从喷嘴喷射磁流变流体。
71.如权利要求70所述方法,其中,所述喷嘴将所述磁流变流体沿大体上与所述载液表面相切的方向,并沿载液表面运动的方向喷射在所述载液表面上。
72.如权利要求68所述方法,还包括将预定几何形状传递到工件表面的磁流变流体上游侧,以便使工作区域形状变化的步骤。
73.如权利要求68所述方法,其中,所述施加磁场的步骤包括强化间隙附近的散射场的步骤。
74.如权利要求68所述方法,还包括将已从载液表面流过工件表面、用以精加工工件的磁流变流体收集起来的步骤,所述收集磁流变流体的步骤还包括使杯形收集器表面接合抵靠载液表面,以便收集来自载液表面的磁流变流体的步骤。
75.如权利要求74所述方法,其中,所述收集器受磁屏蔽保护,以减低收集器中的磁场强度。
76.如权利要求68所述方法,其中,所述放置磁流变流体步骤包括通过一喷嘴喷射磁流变流体,喷嘴受磁屏蔽保护,以制止对喷嘴内的磁流变流体施加磁场。
77.如权利要求68所述方法,还包括使工件相对工作区域旋转的步骤。
78.如权利要求68所述方法,其中,将所述工件安装于可枢轴转动的工件夹持器上,使工件运动的步骤包括将工件夹持器作枢轴转动,以便使工件表面扫过工作区域的步骤。
79.如权利要求68所述方法,其中,所述使工件运动的步骤是使工件在平面内运动。
80.如权利要求79所述方法,其中,所述使工件运动的步骤是在一个平面内使工件大体上平行于磁流变流体运动方向的运动。
81.如权利要求79所述方法,其中,所述使工件在平面内沿一方向运动的步骤中,所述方向大体上与磁流变流体运动方向垂直。
82.如权利要求68所述方法,还包括收集已从载液表面上流过工件的磁流变流体,用以在精加工工件时再使用的步骤,还包括监测收集的磁流变流体粘度的步骤。
83.如权利要求82所述方法,其中,所述监测磁流变流体粘度的步骤包括,使收集的磁流变流体以大体上恒定的流率流近一管子,测量沿管子两点处的压力降,以及将此压力降与一预定值进行比较的步骤。
84.如权利要求82所述方法,还包括调整磁流变流体粘度的步骤,如果在监测流体粘度的步骤中检测到与预定的粘度值有变化时,就将流体的粘度调整到此预定值。
85.如权利要求84所述方法,其中,所述调整磁流变流体粘度的步骤包括将载液流体添加入磁流变流体中。
86.如权利要求68所述方法,还包括收集已从载液表面流过工件的磁流变流体,用以在精加工工件时再使用的步骤,还包括监测收集的磁流变流体的温度、以及在所述温度监测步骤中检测到的温度与预定温度值有变化时,调整磁流变流体的温度到预定值的步骤。
87.如权利要求68所述方法,还包括收集已从载液表面流过工件的磁流变流体,用以在精加工工件时再使用的步骤,还包括将磁场中聚集的磁流变流体重新均匀化的步骤。
88.如权利要求87所述方法,其中,所述将磁流变流体重新均匀化的步骤包括,将所述流体用足以使其内已聚集的颗粒散开的力喷射入液箱中。
89.一种用磁流变流体精加工工件表面的设备,包括:
一可围绕水平方向定向的轴线转动的垂直轮子,所述轮子有确定载液表面的外缘;
一喷嘴,用于将来自流体源的磁流变流体置于载液表面上,从而携带流体随着轮子转动通过载液表面;
一工件夹持器,用于夹持工件并将工件表面的部分定位于载液表面附近,工件和载液表面之间有一间隙,其中当轮子转动时,载液表面运动通过工件,以携带磁流变流体流过所述间隙;
一个用于将磁场施加于所述间隙的磁体,使流过所述间隙的磁流变流体强化,在流体中形成一个工作区域,用以与该工件表面的部分接合,并在此将材料去除;
用于使工件相对工作区域运动的装置,以便使工件表面的不同部分裸露于工作区域达预定时间周期,精加工所述工件表面部分到预定程度;以及
一收集从载液表面流过间隙的磁流变流体、并使流体返回到流体源的收集器。
90.如权利要求89所述设备,其中,所述轮子是用非磁性材料制作的。
91.如权利要求89所述设备,其中,所述载液表面在横越其外缘的整个宽度上呈凸状。
92.如权利要求89所述设备,其中,所述载液表面是球形截面。
93.如权利要求89所述设备,其中,所述载液表面呈圆柱形构形。
94.如权利要求89所述设备,还包括粘度监测仪,用于监测由收集器收集的磁流变流体的粘度。
95.如权利要求94所述设备,其中,所述粘度监测仪包括大致以恒定流率传送磁流变流体的管子;测量沿该管两点间的压力降的压力传感器;以及将此压力降与一预定值进行比较的装置。
96.如权利要求94所述设备,还包括用于将载液流体添加入由收集器收集的磁流变流体内的液滴器,用以在粘度监测器检测到流体的粘度与一预定值不同时,将流体的粘度调整到预定值。
97.如权利要求89所述设备,还包括用于冷却由收集器收集的磁流变流体的冷却装置。
98.如权利要求89所述设备,还包括混合器,用于使由收集器收集的、已在磁场内聚集的磁流变流体重新均匀化。
99.如权利要求98所述设备,其中,所述混合器包括搅拌器。
100.如权利要求89所述设备,还包括用于将预定的几何形状传递到进入间隙的磁流变流体的装置,以改变工作区域的形状。
101.如权利要求100所述设备,其中,所述传递形状的装置包括刮削器,该刮削器具有一个孔,以使磁流变流体流过,所述孔的形状对应于所述预定几何形状。
102.如权利要求89所述设备,其中,所述磁体包括磁极片,其构形使间隙附近的散射场增大。
103.如权利要求89所述设备,其中,所述收集器包括软磁性材料,用于以磁性屏蔽方式保护所述收集器,防止将磁场施加到收集器内的磁流变流体。
104.如权利要求89所述设备,其中,所述收集器包括刮削器部分,用以接合所述载液轮,以增强从轮子上去除磁流变流体的作用。
105.如权利要求104所述设备,其中,所述刮削器部分具有杯状构形。
106.如权利要求89所述设备,其中,所述喷嘴包括软磁性材料,用于以磁性屏蔽方式保护所述喷嘴,防止将磁场施加于喷嘴内的磁流变流体。
107.如权利要求89所述设备,还包括使工件相对于工作区域旋转的装置。
108.如权利要求89所述设备,其中,所述工件安装于枢轴转动的工件夹持器上,以将工件表面扫过工作区域。
109.如权利要求89所述设备,还包括用于使工件在一平面内运动的装置。
110.如权利要求89所述设备,其中,所述磁体安装于支承基座上,其中所述支承基座是可转动的。
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