DE69932242T2

DE69932242T2 - Vorrichtung zum abrasiven formen einer oberfläche mittels eines magnetorheologischen flüssigkeitsstrahls

Info

Publication number: DE69932242T2
Application number: DE69932242T
Authority: DE
Inventors: I. William Rochester KORDONSKI; Donald Rochester GOLINI; Stephen Rush HOGAN; Arpad Rochester SEKERES
Original assignee: QED Technologies International LLC
Current assignee: QED Technologies International LLC
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: EP1087860B1; DE69932242D1; EP1087860A4; US5971835A; EP1087860A1; JP4002732B2; WO1999048643A1; JP2003526521A; AU3362699A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und eine Vorrichtung (ein System) zur Formgebung und zum Polieren (Endbearbeitung) einer Oberfläche, und insbesondere auf Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen und Polieren einer Oberfläche durch das Auftreffen eines abrasiven Strahls und insbesondere auf Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen und Polieren einer Oberfläche durch das Auftreten eines magnetisch modifizierbaren und magnetisch zu leitenden Strahls.
2. Besprechung der verwandten Technik
Wasserstrahle, die abrasive Partikel enthalten, werden bekannter Weise zum Schneiden oder zum Formen von Materialien verwendet, wie beispielsweise von Glas, Keramik, Plastik und Metall. Diese Technologie ist im Allgemeinen als Endbearbeitung mit abrasivem Strahl bekannt, oder als Abrasivsuspensionsstrahlformgebung oder als Abrasivflussbearbeitung. Typischerweise treffen solche Strahlen auf das zu schneidende Substrat mit einer relativ hohen Geschwindigkeit auf, die 10 Meter pro Sekunde überschreiten kann. Wenn der Strahl auf die Auftreffzone aufschlägt, schneiden die abrasiven Partikel im Wasserträger Partikel bzw. Späne der Substratoberfläche ab. Die Rate der Materialentfernung ist eine Funktion der kinetischen Energie des Strahls, der Schärfe, der Größe und der Härte der abrasiven Partikel, des Materials des Substrats, der Distanz von der Strahldüse zum Werkstück und des Auftreffwinkels des Strahls.
Es ist in der Praxis schwierig gewesen, eine Technologie mit abrasivem Flüssigkeitsstrahl zur präzisen Endbearbeitung von Oberflächen von Objekten mit hohen Anforderungen anzupassen, wie beispielsweise für optische Komponenten. Eine grundlegende Eigenschaft eines Strömungsmittelstrahls ist, dass er beginnt, seinen Zusammenhalt zu lösen, wenn der Strahl aus einer Düse austritt, und zwar aufgrund einer Kombination von abrupt aufgeprägten Druckgradienten in Längs- und Querrichtung, aufgrund von Oberflächenspannungskräften und aerodynamischer Störung. Ein Wasserstrahl tendiert dazu, sich sofort auszubreiten und in Tröpfchen zu zerbrechen, und zwar innerhalb einer kurzen Distanz von einer Düse, typischerweise innerhalb weniger Düsendurchmesser der Düsenzumessöffnung, wodurch damit die Querschnittsfläche des Strahls vergrößert wird und proportional die kinetische Einheitsenergie innerhalb des Strahls verringert wird. Aus diesem Grund ist die Düse eines abrasiven Schneidstrahls typischerweise so nah wie praktisch möglich an dem zu schneidenden Werkstück gelegen. Das Reduzieren von Drücken und Flussraten, um den Strahl in einen Flussbereich zu bringen, wo er polieren kann und nicht schneiden, dient auch dazu, dass der Strahl sich weiter zersetzt, so dass er nicht leicht auf einen kleinen Bereich des Werkstückes zu konzentrieren ist. Die Vergrößerung der Geschwindigkeit eines Schneidmediums durch Zugabe von viskositätsverstärkenden Mitteln kann dabei helfen, den Strahl zu stabilisieren, steigert jedoch auch proportional den Widerstand gegen einen Strömungsmittelfluss im Liefersystem und die Pumpenleistung, die erforderlich ist, um das Strömungsmittel zur Düse zu liefern, was einen Strahl mit hoher Geschwindigkeit und hoher Viskosität weder zum Schneiden noch zum Polieren praktisch macht.
Die Schrift DD298751 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung eines kohärenten versteiften Strömungsmittelstrahl von ferromagnetischen Partikeln. Die ferromagnetischen Partikel werden in der Mitte des Strahls durch Elektromagneten konzentriert, die ein Magnetfeld in dem Strömungsmittelstrahl einrichten. Es gibt immer noch eine Bewegung von Partikeln in Beziehung zu benachbarten Partikeln.
Eine weitere Einschränkung der Anwendung eines abrasiven Wasserstrahls zum Polieren ist, dass der Strahl gegen das Werkstück nur durch Einstellung von entweder der Ausrichtung der Düse oder der Position des Werkstückes zu positionieren ist. Der Strahl selbst kann nicht umgelenkt oder geführt werden, sobald er die Düsenzumessöffnung verlässt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein prinzipielles Ziel der Erfindung, einen Strömungsmittelstrahl vorzusehen, der Kollimation und Zusammenhalt über eine Distanz von vielen Düsendurchmessern von einer Düsenzumessöffnung hält. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 11 vorzusehen.
Kurz beschrieben wird gesagt, dass ein Strömungsmittel, welches auswählbare Steigerungen der Viskosität durch den Aufbau eines Magnetfeldes ausführen kann, ein magnetorheologisches Strömungsmittel ist. Beispiele von magnetorheologischen Strömungsmitteln, die zur Anwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, werden offenbart im US-Patent 5 525 249, ausgegeben am 11. Juni 1996 an Kordonsky u.A., welches hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Magnetorheologische Strömungsmittel (MR-Strömungsmittel), wie beispielsweise jene, die als VersaFlo^TM MR-Serien-Strömungsmittel von der Lord Corporation, Cary, North Carolina USA geliefert werden, zeigen die Fähigkeit, Partikelfibrillen (Faseranordnungen) zu zeigen, und eine hohe Elastizität zu entwickeln (im Wesentlichen fest zu werden) und zwar durch das Anlegen eines Magnetfeldes. Die Fibrillen sind mit den Kraftlinien des Magnetfeldes ausgerichtet. Magnetorheologische Strömungsmittel sind in einer Vielzahl von "Vorrichtungen mit steuerbaren Strömungsmitteln" bekannt, wie beispielsweise in Dämpfern, Kupplungen, Bremsen, Ventilen und Halterungen, wo die Strömungsmittel in Abwesenheit eines angelegten Magnetfeldes eine niedrige eigene bzw. innewohnende Viskosität haben und frei durch den Spalt zwischen zwei Platten fließen können, jedoch eine hohe offensichtliche Viskosität (hohe Elastizität bzw. Scherfestigkeit) gewinnen, wenn ein Feld an den Platten angelegt wird. Die Elastizitäts- und Viskositätsveränderungen sind jedoch anisotrop: keine Veränderung der Eigenschaften tritt in der Richtung parallel zu Linien des Magnetfeldes auf, und die maximale Veränderung tritt in der Richtung senkrecht zu den Linien des Magnetfeldes auf. Aus diesem Grund sagt man, dass die Eigenschaften "auswählbar" und "steuerbar" sind, und zwar durch Auswahl und Steuerung der Richtung und der Größe des aufzubringenden Magnetfeldes. Es sei auch bemerkt, dass die auswählbaren Viskositätsveränderungen, die magnetorheologischen Strömungsmitteln aufgebracht werden können, schnell durch Verringerung oder Eliminieren des aufgebrachten Magnetfeldes umkehrbar sind.
In der vorliegenden Erfindung wird ein kontinuierlicher Strom eines magnetorheologischen Strömungsmittels durch ein nicht ferromagnetisches Rohr geleitet, welches axial zu den schraubenförmigen Windungen eines Elektromagneten angeordnet ist. Vorzugsweise wird das magnetorheologische Strömungsmittel mit einem fein verteilten abrasiven Material kombiniert, beispielsweise mit Cer-Oxid, mit Diamantstaub oder mit Eisenoxid, so dass das abrasive Mittel zumindest zeitweise darin suspendiert ist. Der Fluss von Elektrizität durch den Elektromagneten erzeugt ein Magentfeld, welches eine feldorientierte Struktur von Fibrillen bzw. Faseranordnungen aus den magnetischen Partikeln bildet und dadurch das fließende magnetorheologische Strömungsmittel in eine nahezu feste Stange versteift, die eine sehr hohe Elastizität bzw. Scherfestigkeit zeigt, wenn sie senkrecht zur Flussrichtung geschert wird, und eine niedrige Scherfestigkeit bzw. Scherspannung, wenn sie in der Richtung des Flusses geschert wird, wie beispielsweise entlang der Wand des Rohrs. Eine solche anisotrope Fibrillenanordnung gestattet, dass das versteifte Strömungsmittel leicht durch das Rohr fließt, ohne hohe Pumpendrücke zu erfordern, wie für ein herkömmliches isotropes hochviskoses Strömungsmittel erforderlich wäre. Das Rohr definiert eine Düse, die eine speziell geformte Austrittszumessöffnung haben kann, die einen kleineren Durchmesser haben kann als das Rohr selbst. Die magnetorheologische Stange, die aus der Düse ausgestoßen wird, definiert einen stark kollimierten, im Wesentlichen festen Strahl aus dem magnetorheologischen Strömungsmittel. Seim Verlassen der Düse läuft der magnetorheologische Strömungsmittelstrahl über das Elektromagnetfeld hinaus, und die anisotrope Fibrillenbildung innerhalb des Strahls beginnt allmählich abzunehmen. Jedoch kann eine zurückbleibende hohe Viskosität und somit eine daraus folgende Stabilisierung des magnetorheologischen Strahls für eine ausreichende Zeit andauern, so dass der Strahl bis zu mehreren Fuß ohne beträchtliches Aufspreizen und einen Verlust der Struktur laufen kann. Dies gestattet die Anwendung des abrasiven Strahls, um die Oberfläche eines Werkstückes in einer gewissen Distanz von der Düse zu formen und/oder zu polieren.
Magnetorheologische Strömungsmittel, die zur Anwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können nur magnetisch "weiche" Partikel oder nur magnetisch "harte" Partikel oder Mischungen aus den beiden aufweisen. Mischungen weisen vorzugsweise einen Hauptteil von harten Partikeln und einen geringeren Anteil von weichen Partikeln auf.
Weichemagnetische Partikel sind derart definiert, dass sie mehrere magnetische Domänen haben, typischerweise tausende von solchen Domänen bzw. Bereichen, die durch ein Magnetfeld auszurichten sind, die jedoch in Abwesenheit eines Magnetfeldes zufäilig orientiert sind. Weichmagnetische Partikel halten keine magnetische Orientierung in Abwesenheit eines aufgeprägten Magnetfeldes. Beispiele von weichmagnetischen Materialien sind Eisen, Carbonyl-Eisen und Eisenlegierungen mit Kobalt und Nickel.
Hartmagnetische Partikel sind derart definiert, dass sie eine einzige magnetische Domäne haben, die durch ein Magnetfeld auszurichten ist. Solche Partikel sind typischerweise nadelförmig, was eine physische Ausrichtung der Partikel durch einen Magneten gestattet, wie bei der Herstellung von magnetischen Aufzeichnungsmaterialien. Die Polarität von irgendeiner Domäne kann dann umgekehrt werden durch Aufprägen eines umgekehrten Magnetfeldes, und die umgekehrte Polarität wird beibehalten, wenn das Feld weggenommen wird, wie bei der Aufzeichnung von Bits in einer Magnetaufzeichnungsvorrichtung. Beispiele von hartmagnetischen Materialien sind γ-Eisenoxid und Chromdioxid.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Strahl in eine Abdeckung gleitet, die ein endzubearbeitendes Werkstück umgibt. Die bleibende Härte des Strahls bewirkt, dass die abrasiven Partikel aggressiv auf das Werkstück auftreffen. Das Werkstück kann für eine Drehung in mehreren Achsen und eine Verschiebung montiert werden, um die vorbestimmten Notwendigkeiten zur Entfernung von Material des Werkstückes zu erfüllen. Zusätzlich kann der Elektromagnet in ähnlicher Weise befestigt werden, um den Strahl über die Oberfläche des Werkstückes zu bewegen.
In einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel kann weiterhin die Vorrichtung der Erfindung mit einer Vielzahl von unabhängig anzutreibenden Elektromagneten versehen werden, vorzugsweise vier, die an den Ecken eines Quadrates angeordnet sind, welches in einer Ebene senkrecht zum Strahl an einer Stelle im Raum zwischen der Düsenaustrittszumessöffnung und der Oberfläche des Werkstückes vorgesehen ist. Die Magneten können dynamisch durch Mittel angetrieben werden, von denen bekannt ist, dass sie bewirken, dass der Strahl des magnetisch ansprechenden versteiften Strömungsmittels abgelenkt wird, wie erwünscht, und zwar auf einen speziellen Zielbereich auf dem Werkstück, oder wo bekannt ist, dass der Strahl über die Oberfläche des Werkstückes in einem komplexen vorbestimmten Muster bewegt wird.
Die Intensität des abrasiven Angriffs auf das Werkstück ist besonders gut steuerbar, weil die Form, die Lage und die offensichtliche Viskosität des Strahls auf der Arbeitsfläche gesteuert werden kann durch Steuerung des Elektromagneten, der Richtungsmagneten, der Strömungsmitteltemperatur und des Pumpendruckes (Flussrate). Dies gestattet eine programmierte Formgebung und/oder Polierwirkung auf einer Oberfläche von einem Rohling, beispielsweise auf einem Linsenrohling. Die tatsächliche Form und Rauhigkeit der Rohlingsfläche wird bestimmt, bevor der Poliervorgang beginnt, vorzugsweise und beispielsweise durch bekannte interferrometrische Techniken, und wird mit einer erwünschten Endform und Oberflächenglätte verglichen. Die Formen und Lagen der zu entfernenden anomalen Formen werden in eine computerbetätigte Steuervorrichtung programmiert, die die Intensität und die Ruhezeit des Strahls berechnet, wenn dieser über das Werkstück läuft, um das erwünschte Ergebnis zu erreichen..
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorangegangenen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung genauso wie gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele davon werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlicher, in denen die Figuren Folgendes darstellen:
1 eine teilweise schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei die Vorrichtung im Betrieb gezeigt ist;
2 eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 2-2 in 1 aufgenommen wurde;
3 eine Ansicht wie jene, die in 1 gezeigt ist, von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, die das Hinzufügen von Strahllenkmagneten zeigt; und
4 ist eine Querschnittsansicht, die entlang der Linie 4-4 in 3 aufgenommen wurde.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf die 1 und 2 ist dort ein Ausführungsbeispiel 10 der Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt. Ein endzubearbeitendes Werkstück 12 (geformt und/oder poliert) ist in einer Tragspannvorrichtung 14 befestigt, die wiederum zur Drehung in Lagern 16 der Lagerbefestigung 18 getragen wird. Das Werkstück kann beispielsweise ein gegossener Rohling für Glas- oder Plastiklinsen oder ein anderes optisches Element sein, oder ein ähnliches Metall- oder Keramikelement, welches einen besonders hohen Grad an Genauigkeit bei seiner Endform und bei der Glätte seiner Oberfläche erfordert. Die Bearbeitungsflexibilität des Systems, wie unten beschrieben, gestattet, dass das Werkstück eine unregelmäßige asymmetrische Form hat, falls dies erwünscht ist.
Das Werkstück, die Lager und die Lagerbefestigung werden durch eine Abdeckung 20 umgeben, die als ein Traggehäuse und als eine Abschirmung für die Endbearbeitungsvorgänge dient. Außerhalb der Abdeckung ist eine mehrachsige Positionierungseinrichtung 22, beispielsweise eine 5-Achsen-CNC-Maschine, die von Boston Digital Corp., Milford, Massachusetts USA erhältlich ist, deren Ausgangswelle 24 durch eine Öffnung in der Abdeckung 20 mit der Spannvorrichtung 14 verbunden ist und eine Universalverbindung bzw. ein Kreuzgelenk 26 aufweisen kann. Die Positionierungseinrichtung 22 ist vorzugsweise programmierbar, um das Werkstück 12 über irgendeine erwünschte Reihe von Orientierungen zu drehen und/oder geradlinig während des Endbearbeitungsvorgangs zu bewegen. Vorzugsweise wird die Form des Werkstückes charakterisiert bzw. festgestellt, wie beispielsweise durch Laser-Interferometrie, bevor das Werkstück zur Endbearbeitung befestigt wird, und eine dreidimensionale Karte wird für die zu entfernenden Bereiche erzeugt. Anweisungen für Werkstückbewegungen, um diesen Entfernungsvorgang zu erreichen, werden in die CNC-Positionierungseinrichtung eingegeben. Alternativ kann das Werkstück während der Endbearbeitung abgetastet werden, und die Ergebnisse können zur Positionierungseinrichtung in Echtzeit zurückgespeist werden.
Ein Elektromagnet 28, der ein axiales Magnetfeld von beispielsweise ungefähr 1000 Gauss erzeugen kann, wird so montiert, dass eine Verlängerung der Elektromagnetachse im Raum einen Teil der Oberfläche schneidet, die auf dem Werkstück 12 (end-)bearbeitet werden soll. Vorzugsweise kann der elektrische Strom, der zum Elektromagneten 28 geliefert wird, variiert werden, um die Stärke des Magnetfeldes zu variieren, wie erwünscht. Der Elektromagnet 28 ist in herkömmlicher Weise mit elektrisch leitenden Wicklungen 29 gewickelt, die vorzugsweise in einer magnetisch keinen Einfluss nehmende Hülle 31 enthalten sind, die beispielsweise aus Stahl geformt ist. Der Elektromagnet 28 ist entlang seiner axialen Länge mit einem Rohr versehen, welches eine Düse 30 definiert. Das Rohr ist aus einem nicht ferromagnetischen Material geformt, wie beispielsweise aus Glas, aus Keramik oder aus einem rostfreien Stahl der Serie 300. Der Elektromagnet 28 kann innerhalb oder außerhalb der Abdeckung montiert sein, wobei die letztere Position aus Sauberkeitsgründen vorzuziehen ist. Die Düse 30 steht mit dem inneren der Abdeckung 20 durch eine Öffnung 32 in Verbindung. Eine Pumpe 34 ist für einen Strömungsmittelfluss zwischen einem Strömungsmittelreservoir 36 und der Düse 30 angeschlossen. Vorzugsweise ist das Reservoir 36 mit steuerbaren Kühlmitteln versehen, wie beispielsweise mit einer herkömmlichen Kühlspule 38, um das Arbeitsströmungsmittel zu temperieren. Das Reservoir 36 enthält eine Menge eines magnetorheologischen Strömungsmittels (MR-Strömungsmittel) 40, welches vorzugsweise ein fein verteiltes abrasives Material aufweist, wie beispielsweise Cer-Oxid, Diamantstaub, Aluminiumoxid oder Kombinationen davon.
Im Betrieb wird das magnetorheologische Strömungsmittel, welches eine niedrige inhärente Viskosität hat, aus dem Reservoir durch die Pumpe herausgezogen und durch die Düse im Elektromagneten gepumpt. Wenn das magnetorheologische Strömungsmittel in das axiale Elektromagnetfeld in der Düse eintritt, werden die magnetischen Momente der magnetischen Partikel ausgerichtet, um Fibrillen bzw. Faseranordnungen zu bilden, die eine stangenartige Struktur in das Strömungsmittel bringen. Das Strömungsmittel wird stark versteift, und zwar auf eine physikalische Textur wie nasser Ton, und die offensichtliche Viskosität quer zur Flussrichtung wird sehr hoch. Das versteifte Strömungsmittel wird aus der Düse in Richtung des Werkstückes als stangenartiger stark kollimierter Strahl 35 ausgestoßen. Beim Herauslaufen aus dem Elektromagnetfeld hält der Strahl seine induzierte anisotrope Struktur und die residuellen "gespeicherten" Theologischen Eigenschaften, die zersetzende aerodynamische Kräfte am Strahl dämpfen, und die auch gegen zersetzende Oberflächenspannungskräfte wirken. Die übrige bzw. remanente Anisotropie wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Verwendung der magnetisch keinen Einfluss nehmenden Hülle 31 für den Elektromagneten 28 verbessert. Alle Magnetkraftlinien werden somit in der Hülle gehalten. Das umfassende Magnetfeld, welches sich axial über die Wicklungen eines nicht abgeschirmten Elektromagneten hinaus erstreckt, welches progressiv divergent ist, kann in nicht wünschenswerter Weise die übrige Anisotropie im Strahl verringern. Als eine Folge kann der Strahl an einer relativ großen Distanz von der Düse kohärent bleiben. Weil hartmagnetische Partikel ihre eingebrachte Pola rität behalten, behalten magnetorheologische Strömungsmittel, die hartmagnetische Partikel enthalten, die Fibrillenstruktur über die Düse hinaus in einem wesentlich größeren Ausmaß, als dies jene tun, die nur weichmagnetische Partikel enthalten.
Das magnetorheologische Strömungsmittel trifft kontinuierlich auf das Werkstück, welches von der Positionierungseinrichtung über eine vorprogrammierte Reihe von Bewegungen angetrieben wird, um Teile der Werkstückoberfläche sequentiell dem Strahl zur Abrasion darzubieten. Die enge Kohärenz des Strahls sieht einen sehr hohen Wirkungsgrad, eine hohe Selektivität und eine Steuerung bei der Materialentfernung vor. Magnetorheologisches Strömungsmittel, welches vom Werkstück abprallt, wird in der Abdeckung gesammelt und zurück zum Reservoir zur Aufbereitung und erneuten Verwendung gefördert.
Mit Bezug auf die 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel 42 ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel 10, außer dass der Elektromagnet von der Abdeckung beabstandet ist, um die Anordnung einer Vielzahl von Feldmagneten um den versteiften Strahl 35 herum zu gestatten, wenn er von der Düse 30 zum Werkstück 12 läuft. Vorzugsweise gibt es vier solche Magneten 44, 46, 48 und 50, die an den Ecken eines Quadrates angeordnet sind, welches in einer Ebene senkrecht zur Flussrichtung des Strahls enthalten ist. Die Magneten können verbunden werden und in bekannter Weise (ähnlich der Elektromagnetlenkung eines Ionenstrahls oder eines Kathodenstrahls) angetrieben werden, um einen daraus resultierenden magnetischen Gradienten an den Strahl anzulegen, um die Laufbahn des Strahls zu verändern. Der Gradient kann dynamisch bezüglich der Größe und der Richtung variiert werden, wie erwünscht, um eine zweidimensionale Abtastung bzw. Bewegung des Strahls über die Oberfläche des Werkstückes während der (End-)Bearbeitung vorzusehen.
Beispiel
In einer Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, wurde ein magnetorheologisches Strömungsmittel mit einer Viskosität von 500 cp, welches 36 Volumenprozent Carbonyl-Eisen, 6 Volumenprozent Cer-Oxid, 55 Volumenprozent Wasser und 3 Volumenprozent Stabilisatoren enthielt, unter Verwendung einer Hydra-Zell-Membranpumpe, Modell M-03 (Wanner Engineering, Inc., Minneapolis, Minnesota USA) mit einer Flussrate von ungefähr 4 Litern/min gepumpt, um eine Düsenstrahlgeschwindigkeit von 10 mls vorzusehen. Die Düse wurde entlang der Bohrung von 12,5 mm eines Elektromagneten mit 1600 Wicklungen angeordnet, wobei der Elektromagnet ein Magnetfeld von 1 Kilo-Gauss erzeugte. Die Düsenzumessöffnung hatte 3,5 mm Durchmesser, war bündig mit der Elektromagnetstirnseite und war bündig mit der Außenseite der Öffnung in der Abdeckung montiert. Ein Werkstück aus flachem BK7-Glas wurde in der Spannvorrichtung montiert, um einen Strahlauftreffwinkel von 90° vorzusehen.
Ergebnisse

1. Das Werkstück war stationär und wurde der Strahlbehandlung auf einem Punkt für 15 Minuten mit einem Elektromagnetstrom von 1,5 Ampere ausgesetzt. Der Punkt wurde durch Interferometrie vor und nach dem Polieren analysiert. Die Spitzenrate der Glasentfernung war 0,0785 μm/min, und die Entfernungsfunktion hatte eine Profilcharakteristik des Strömungsmittelgeschwindigkeitsprofils in der Zone, wo das Strömungsmittel nach dem Zusammenprall des Strahls mit der stationären Oberfläche des Werkstückes fließt.
2. Die Spindeldrehzahl wurde auf 200 U/min eingestellt, und ein darauf resultierender Ring wurde auf der Oberfläche des Glases für eine Stunde poliert. Nach dem Polieren wurde die Rauhigkeit in dem Ring und die Rauhigkeit außerhalb des Rings durch einen Chapman-Profilmesser gemessen. Die Oberflächenendbearbeitung in dem Ring wurde auf einen RMS-Wert im Bereich von 20–40 Angström verbessert.

Aus der vorangegangenen Beschreibung wird offensichtlich sein, dass ein verbessertes System für eine Endbearbeitung mit abrasivem Strahl von Präzisionselementen vorgesehen worden ist, wobei ein magnetorheologisches Strömungsmittel, welches abrasive Partikel enthält, auf eine hohe offensichtliche Viskosität in einem inneren Magnetfeld eines Elektromagneten versteift wird, mit einer hohen Geschwindigkeit aus einer Düse ausgestoßen wird und als kohärenter kollimierter Strahl auf der Oberfläche auftrifft, die zu bearbeiten ist. Variationen und Modifikationen des hier beschriebenen Endbearbeitungssystems mit magnetorheologischem abrasivem Strahl gemäß der Erfindung werden sich ohne Zweifel dem Fachmann aufdrängen. Entsprechend wird der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines kohärenten, versteiften Strömungsmittelstrahls, das die folgenden Schritte aufweist: a) Vorsehen eines Elektromagneten mit einer Achse und mit einem Axialrohr, das aus nicht magnetischem Material ausgebildet ist, wobei das Rohr eine Düse für den Strahl definiert; b) Vorsehen eines magnetorheologischen Strömungsmittels; c) Erregen des Elektromagneten zum Vorsehen eines Magnetfeldes mit Feldlinien, die im Wesentlichen parallel zu der Achse des Elektromagneten durch das Düsenrohr hindurchgehen; d) Pumpen des magnetorheologischen Strömungsmittels durch die Düse zum Versteifen des Strömungsmittels in der Gegenwart des Magnetfeldes; und e) Ausstoßen des versteiften Strömungsmittels aus der Düse zur Bildung des Strahls; dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifen des magnetorheologischen Strömungsmittelstrahls das Formen von Fibrillen bzw. faserartigen Strukturen aufweist, was eine stabförmige Struktur in dem Strömungsmittel induziert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das magnetorheologische Strömungsmittel Magnetpartikel aufweist, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus weichmagnetischen Partikeln, hartmagnetischen Partikeln und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die weichmagnetischen Partikel eine Vielzahl von magnetischen Domänen besitzen und ausgewählt sind aus der Materialgruppe bestehend aus Eisen, Karbonyl-Eisen, Magnetit, Legierungen aus Eisen mit Kobalt und Nickel und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die hartmagnetischen Partikel eire einzelne magnetische Domäne besitzen und ausgewählt sind aus der Materialgruppe bestehend aus Eisenoxid, Chromdioxid und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Mischung einen Hauptanteil aus den hartmagnetischen Partikeln und einen kleineren Anteil aus den weichmagnetischen Partikeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das magnetorheologische Strömungsmittel abrasiv wirkendes Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das abrasiv wirkende Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cer-Oxid, Diamantstaub, Aluminiumoxid und Mischungen daraus.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte aufweist: a) Vorsehen von wenigstens einem hinsichtlich seiner Energie variierbaren Elektromagneten, benachbart zum Pfad des Strahls; und b) Erregen des Elektromagneten zum Bilden eines Magnetfeldes in dem Pfad des Strahls, wobei das Feld Feldlinien besitzt, die im Wesentlich senkrecht zum Pfad verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner eine Vielzahl von unabhängig erregbaren Elektromagneten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, das vier Elektromagneten aufweist, wobei einer der vier Magneten an jeder Ecke eines Quadrats angeordnet ist und wobei das Quadrat in einer Ebene vorgesehen ist, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Strahlenpfad verläuft.
System zur Bearbeitung bzw. Endbearbeitung eines Werkstückes (12) durch Lenken eines magnetorheologischen Strömungsmittelstrahls darauf, wobei das System folgendes aufweist: a) eine Einspannvorrichtung (14) zum Halten des Werkstücks (12); b) einen Elektromagneten (28), der von dem Werkstück (12) beabstandet ist, und eine Achse besitzt, die zu dem Werkstück (12) gerichtet ist, und der ein Axialrohr besitzt, der aus einem nicht ferromagnetischen Material ausgebildet ist, wobei das Rohr eine Düse (30) für den Strahl definiert; Mittel zum Erregen des Elektromagneten (28) zum Vorsehen eines Magnetfeldes mit Feldlinien, welche durch das Düsenrohr im Wesentlichen parallel zur Achse des Elektromagneten (28) hindurchgehen; c) ein magnetorheologisches Strömungsmittel (40); und d) Pumpenmittel (34) zum Liefern einer Menge des Strömungsmittels (40) in die Düse (30) in das Magnetfeld zum magnetischen Versteifen des Strömungsmittels (40) darin und zum nachfolgenden Ausstoßens eines Strahls (35) des versteiften magnetorheologischen Strömungsmittels (40) aus der Düse (30), um es auf das Werkstück (12) auftreffen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregungsmittel konfiguriert sind zum Vorsehen eines versteiften Strömungsmittels (40), das Fibrillen bzw. faserförmige Strukturen bildet, die eine stabförmige Struktur in dem Strömungsmittel induzieren.
System nach Anspruch 11, das ferner Mittel (22) aufweist zum steuerbaren Bewegen der Befestigung (14) in einer Vielzahl von Arten zum Variieren des Auftreffortes des versteiften Strömungsmittels (40) auf dem Werkstück (12).
System nach Anspruch 11, das ferner ein Rückzirkulationssystem für das magnetorheologische, Strömungsmittel (40i aufweist, das wiederum Folgendes umfasst: a) eine Abdeckung (20) um das Werkstück (12) herum zum Sammeln des Strömungsmittels (40) nach dem Auftreffen auf das Werkstück (12), wobei die Abdeckung (20) eine Öffnung für den Eintritt des Strahls (35) von der Düse (30) aufweist; b) ein Reservoir (36) zum Aufnehmen des gesammelten Strömungsmittels (40) aus der Abdeckung (20) und zum Liefern an die Pumpenmittel; und c) ein Temperatursteuersystem, das betriebsmäßig mit dem Reservoir verbunden ist, zum Einstellen der Temperatur des Strömungsmittels (40).
System nach Anspruch 11, das ferner wenigsten ein hinsichtlich seiner Energie variierbaren Elektromagneten (44, 46, 48, 50) aufweist, und zwar benachbart zum Pfad des Strahls (35), und der Magnetfeldlinien besitzt, die im Wesentlichen senkrecht zum Pfad des Strahls angeordnet sind, um den Strahl (35) aus seiner ballistischen Flugbahn abzulenken.
System nach Anspruch 14, das ferner vier Elektromagneten (44, 46, 48, 50) aufweist, wobei die vier Magneten (44, 46, 48, 50) an jeder Ecke eines Quadrats angeordnet sind und, wobei das Quadrat in einer Ebene liegt, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Strahlpfad erstreckt.
System nach Anspruch 11, das ferner eine programmierbare elektronische Steuervorrichtung aufweist zum Einstellen von Prozessparametern, die einen Elektromagnetstrom, eine Pumpenströmungsrate, und eine Strömungsmitteltemperatur aufweisen, und zum Steuern des Betriebs der vier Elektromagneten zum Vorsehen eines zweidimensionaler Scannens bzw. Überstreichens des Strahls (35) über die Oberfläche des Werkstücks (12).