一種雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置，該裝置的組成包括：拋光頭、八面體磁軛、磁致伸縮棒、棒狀磁軛、線圈和底座；兩根磁致伸縮棒通過下部的凸臺分別固定在底座兩邊的凹槽內，棒狀磁軛通過下部的凸臺固定在底座中間的凹槽內；兩根磁致伸縮棒通過上部的凸臺分別固定在八面體磁軛底端兩邊的凹槽內，棒狀磁軛通過上部的凸臺固定在八面體磁軛底端中間的凹槽內；拋光頭底部的軸通過螺紋連接固定在八面體磁軛端部的孔內。本發(fā)明是具有體積小、結構簡單、使用方便等優(yōu)點，在工作頻率在0?2kHz的范圍內，徑向振幅可調范圍為0?45μm。
【專利說明】
一種雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明設計了一種基于磁致伸縮材料可控輸出方向的雙棒型磁致伸縮拋光裝置，該裝置在軸向和徑向都能產生較大的輸出位移，與四棒型磁致伸縮拋光裝置相比，在保證輸出特性的情況下簡化了結構，豐富了該拋光裝置的應用場合。核心部分為一種由鐵鎵磁致伸縮材料制作的雙棒振動元件，通過改變通入纏繞在磁致伸縮棒上兩線圈中的電流方向控制拋光裝置的輸出位移方向。
技術背景
[0002]目前非球面加工采用單點金剛石的超精密車削和樹脂結合劑微粉砂輪的超精密磨削加工方法。超精密的車削和磨削加工不可避免地會在零件表面形成加工紋路和表面缺陷層，這些表面質量缺陷會直接影響到零件的性能。為了進一步提高小口徑非球面的加工精度，還需要在超精密車削、磨削加工后進行超精密拋光。
[0003]目前報道的四棒型磁致伸縮拋光裝置，由四個磁致伸縮棒對稱分布產生伸縮變化來推動拋光頭運動，通過改變通入線圈中的電流相位可以使拋光頭產生線性和橢圓等形式的運動;該拋光裝置的核心部件磁致伸縮棒的直徑小，橫截面積小于7mm2，產生的輸出力較小，容易斷裂，并且結構復雜，限制了拋光裝置的應用。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現有拋光加工方法中存在的問題，設計了一種基于磁致伸縮材料的可控輸出方向的雙棒型磁致伸縮拋光裝置。該拋光裝置采用雙棒代替四棒作為核心部件;采用導磁能力較強的硅鋼片作為軛鐵，改善磁路磁場的分布;為增大拋光頭的橫截面積并減小裝置的尺寸，硅鋼片磁軛采用八面體形狀;磁致伸縮棒的直徑為10_，為防止高頻渦流損耗帶來的發(fā)熱影響，磁致伸縮棒進行切片處理。本發(fā)明裝置中八面體磁軛的設計既保證了拋光頭橫截面積不至于太小，又使磁軛的體積減小；質量也隨之減小，使磁致伸縮棒產生的輸出力可以推動拋光頭使之產生運動。兩棒之間的導磁磁軛保證了兩磁致伸縮棒的磁路相互獨立，不會相互干擾，影響裝置功能的實現。
[0005]本發(fā)明的技術方案為:
[0006]—種雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置，該裝置的組成包括:拋光頭、八面體磁軛、磁致伸縮棒、棒狀磁軛、線圈和底座；
[0007]所述的拋光頭的材質為不銹鋼，下部為軸，中部為圓柱體，上部為圓臺狀;其中，拋光頭長度范圍為35-37mm，下部軸的長為拋光頭總長的三分之二；圓柱體的高度為剩余部分的三分之二 ；圓臺高為剩余部分的三分之一，圓臺上表面圓的直徑為下表面圓直徑的五分之三;所述的軸的直徑范圍為9.5-10.5_，圓柱體直徑比軸的直徑大1.8-2.2mm；
[0008]所述的八面體磁軛是由多層硅鋼片粘結的長方體、經過切割加工成的一個整體，其上表面為正方形，下表面為長方形，兩側各為一個斜面，前部上下兩個梯形斜面的交匯處形成一條棱線，前部與后部形狀大小完全對稱相同，前后兩條棱線形成的水平中間截面也為長方形；中間截面將八面體分為上下兩部分，兩部分高度之比為1:1;其中，上表面、中間截面、下表面長方形長度比為14:25:36;寬度比為7:9:5;上表面正方形邊長為14mm;整個八面體磁軛的高度范圍為38-42mm;上表面中間有開孔，直徑與拋光頭的下部軸相匹配;其底端開有三處凹槽，兩邊為圓形、中間為長方形；
[0009 ]所述棒狀磁軛為多層硅鋼片材料粘合成的長方體，長方體的長與磁致伸縮棒的直徑相同，上下兩端切割有長方形凸臺；
[0010]所述的圓柱體磁致伸縮棒為兩個，每個圓柱體磁致伸縮棒上下兩端各自切割有圓形凸臺，下端面凸臺用于與底座配合;上端面凸臺用于與八面體磁軛的下端面的圓形凹槽進行配合;磁致伸縮棒上纏繞線圈，兩根圓柱體磁致伸縮棒上所纏繞的線圈的匝數相同；磁致伸縮棒的長度范圍為52-54mm;
[0011]所述的底座為矩形鋼材，寬度與磁致伸縮棒的直徑相同，長度與八面體磁軛的底端下表面長方形的長度大小相同；底座的上表面均勻間隔開有三個凹槽，兩邊為圓形、中間為長方形，磁致伸縮棒、棒狀磁軛安裝在對應的凹槽內；
[0012]兩根磁致伸縮棒通過下部的凸臺分別固定在底座兩邊的凹槽內，棒狀磁軛通過下部的凸臺固定在底座中間的凹槽內；兩根磁致伸縮棒通過上部的凸臺分別固定在八面體磁軛底端兩邊的凹槽內，棒狀磁軛通過上部的凸臺固定在八面體磁軛底端中間的凹槽內；拋光頭底部的軸通過螺紋連接固定在八面體磁軛端部的孔內。
[0013]所述的組成八面體磁軛或棒狀磁軛的硅鋼片的單層厚度為0.5-1_。
[0014]所述的磁致伸縮棒采用鐵鎵磁致伸縮材料。
[0015]本發(fā)明的實質性特點為:
[0016]該裝置主要由拋光頭、八面體磁軛、磁致伸縮棒、棒狀磁軛、底座五部分構成。其中，拋光頭采用高硬度的不銹鋼(12Crl7Ni7)車削而成。底座采用具有較高導磁能力的工業(yè)20號鋼。磁軛為有高導磁能力的硅鋼片材料。磁致伸縮主體元件采用棒狀鐵鎵磁致伸縮材料(Fe83Ga17)，在每根細棒上纏繞線圈，兩磁致伸縮棒與磁軛形成閉合磁路，通過改變線圈內電流的大小和方向，改變線圈內的磁場強度，使兩磁致伸縮細棒有不同程度的伸長，導致拋光頭形成軸向或徑向運動。八面體磁軛通過線切割將長方體切割為八面體，一方面可以簡化裝置結構，減小體積;另一方面可以減小裝置剛度，使裝置在徑向可以產生較大輸出位移;還可以使拋光頭的截面積增加，增大拋光頭與被拋光器件的接觸面積。通過與底座配合，固定兩根磁致伸縮棒與棒狀磁軛部分。底座一方面和主體部分構成磁路，提高磁場強度，另一方面提供自由度約束，方便夾具固定。
[0017]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明通過控制輸入兩線圈中的電流方向，使拋光裝置既可以產生軸向輸出形變，又可以產生徑向輸出位移。通過控制輸入線圈中的電流的大小或頻率，可以改變輸出位移的大小。本發(fā)明同時注重磁路結構設計，使磁致伸縮主體元件兩個FeGa棒和底座構成閉合的磁路，減少了漏磁，提高了磁場的利用率，減少的所需線圈的體積。同時為防止兩磁致伸縮棒中的磁場相互干擾，在兩磁致伸縮棒之間添加了導磁能力強的硅鋼片材料的磁軛用于導磁。為了減小渦流損耗帶來的不利影響，磁致伸縮棒與硅鋼片磁軛都進行切片處理。
[0018]本發(fā)明是一種接觸型磁致伸縮拋光裝置，具有體積小、結構簡單、使用方便等優(yōu)點，既可以在線圈中輸入相位相同的電流，使其在軸向產生輸出位移，最大位移可達5.5μπι，可通過控制電流大小和頻率以改變輸出位移大小，在工作頻率在7-9kHz的范圍內，軸向振幅可調范圍為0-5.5μπι;在加工不同材料和不同形狀的零件時，不需要更換拋光頭，只需要通過控制電流的大小和頻率改變振動的振幅，來滿足不同的加工需求，在工作頻率在0-2kHz的范圍內，徑向振幅可調范圍為0-45μηι。
【附圖說明】
[0019]圖1為鐵鎵磁致伸縮材料施加偏置磁場時的λ-Η曲線；
[0020]圖2為拋光裝置的整體裝配圖；
[0021 ]圖3為拋光裝置的拋光頭結構圖；
[0022]圖4為拋光裝置八面體磁軛部分結構圖，其中圖4a)為磁軛整體結構圖；圖4b)為磁軛整體結構下表面仰視圖；
[0023]圖5為拋光裝置棒狀磁軛部分結構圖；
[0024]圖6為拋光裝置的磁致伸縮棒結構圖；
[0025]圖7為拋光裝置的底座結構圖；
[0026]圖8為電流頻率為8kHz的條件下拋光裝置輸出的軸向振幅波形；
[0027 ]圖9為電流頻率為IkHz的條件下拋光裝置輸出的徑向振幅波形；
[0028]其中，1-拋光頭；2-八面體磁軛;3-磁致伸縮棒;4-棒狀磁軛;5-線圈；6_底座；7_軸;8-上表面;9-中間截面;I O-下表面；
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和技術方案詳細說明本發(fā)明的具體實施，但它們不是對本發(fā)明作任何限制。
[0030]本發(fā)明所述的一種雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置如圖2所示，其組成包括:拋光頭
1、八面體磁軛2、磁致伸縮棒3、棒狀磁軛4、線圈5和底座6;
[0031]所述的拋光頭I的結構如圖3，其材質為不銹鋼，下部為軸7，中部為圓柱體，上部為圓臺狀(說明:為半球體水平截去上部之后的形狀)；其中，拋光頭長度范圍為35-37mm，下部軸7的長為拋光頭總長的三分之二；圓柱體的高度為剩余部分的三分之二，即全長的九分之二；圓臺高為剩余部分的三分之一，圓臺上表面圓的直徑為下表面圓直徑的五分之三；
[0032]所述的軸7的直徑范圍為9.5-10.5mm，圓柱體上下表面直徑比軸7的直徑大1.8-2.2mm;圓柱體上下表面直徑比圓臺下表面的直徑大1.8-2.2mm;
[0033]所述的八面體磁軛2是通過線切割將長方體切割出的一個整體，其上表面8為正方形，下表面10為長方形，兩側各為一個斜面，前部上下兩個梯形斜面的交匯處形成一條棱線，前部與后部形狀大小完全對稱相同，前后兩條棱線形成的水平中間截面9也為長方形；中間截面將八面體分為上下兩部分，兩部分高度之比為1:1;其中，上表面、中間截面、下表面長方形長度比為14: 25:36；寬度比為7:9:5;上表面正方形邊長為14mm;整個八面體磁軛的高度范圍為38-42mm;上表面8中間有開孔，直徑與拋光頭I的下部軸7相匹配;其底端均勻間隔開有三個凹槽，兩邊為圓形、中間為長方形，用于與兩磁致伸縮棒3、棒狀磁軛4相配合；
[0034]所述棒狀磁軛4上下兩端切割出長方形凸臺，其中，上面的凸臺與八面體磁軛2底端的長方形凹槽配合，下面的凸臺與底座6上凹槽配合；
[0035]所述的圓柱體磁致伸縮棒3為兩個，每個圓柱體磁致伸縮棒3上下兩端各自切割有圓形凸臺，下端面凸臺用于與底座6配合;上端面凸臺用于與八面體磁軛2的下端面10的圓形凹槽進行配合;磁致伸縮棒上纏繞線圈5，兩根圓柱體磁致伸縮棒3上所纏繞的線圈5的匝數相同；磁致伸縮棒的長度范圍為52-54_，優(yōu)選為53_。
[0036]所述的底座6為矩形鋼材，寬度與磁致伸縮棒3的直徑相同，長度與八面體磁軛2的底端下表面長方形的長度大小相同；底座上均勻間隔開有三個凹槽(位置與八面體磁軛2底端的凹槽位置對應)，與磁致伸縮棒3、棒狀磁軛4相配合；
[0037]拋光頭I通過底部軸與八面體磁軛2端部的孔通過螺紋連接;兩個圓柱體磁致伸縮棒3，棒狀磁軛4分別與底座6、八面體磁軛2的凹槽進行配合。
[0038]磁致伸縮棒3采用鐵鎵磁致伸縮材料，其具有輸出功率高、抗疲勞能力強、適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點，本發(fā)明采用的鐵鎵磁致伸縮材料(Fe83Ga17)(是公知材料，見李勇勝，張世榮，楊紅川，李擴社，徐靜，于敦波.Fe-Ga合金磁致伸縮材料的研究進展.稀有金屬.2006
(05))，當磁場為負值時，磁致伸縮系數也為正數，致使輸出位移為輸入電流頻率的兩倍，為了避免倍頻效應，在線圈中施加偏置磁場，其磁致伸縮系數與磁場的關系為圖1，其中橫軸坐標H代表磁場強度，縱軸坐標λ代表磁致伸縮系數。
[0039]拋光頭I采用高強度的不銹鋼軸(12Crl7Ni7)為材料，形狀為圓柱形棒材，長度為36mm，直徑為12mm。在棒材的一端通過車床加工出一個直徑為10mm，長度為24mm的軸7，軸7底端5mm處進行攻絲，加工時對軸7的直徑進行公差控制，使軸7能夠與八面體磁軛2的孔通過螺紋連接。圓柱體高8_，直徑為12mm ；棒材的另一端通過車床加工出一個圓臺狀頂部，圓臺的下端面圓直徑為10mm，圓臺尚度為4mm;加工完成后，拋光頭的形狀如圖3所不；
[0040]八面體磁軛2由多層硅鋼片材料粘合成的長方體切割而成，長方體的長為36mm，寬為18mm，高40mm ；為防止禍流損耗影響，娃鋼片每片厚度為Imm，再用絕緣膠進行粘合;切割成的八面體上表面8正方形邊長為14mm，中間截面9長為25mm，寬為18mm，下表面10長方形的長為36mm，寬為1mm;上表面8與中間截面9的高度為20mm，中間端面9與下表面10的高為20mm;下表面10底部左右兩端切割出兩圓柱體凹槽，凹槽直徑為6mm，深度為3mm，中間切出長方體凹槽，凹槽長為8mm，寬為6mm，深度為5mm，凹槽分別與磁致伸縮棒3、棒狀磁軛4相配合;上表面頂部開有圓柱體螺紋孔，孔直徑為10mm，深度為5mm，孔的直徑與拋光頭的軸7相配合;加工完成后，八面體磁軛的結構如圖4所示，圖4(b)為圖4(a)的下表面仰視圖；
[0041 ]棒狀磁軛4為多層硅鋼片材料粘合成的長方體，長方體的長與磁致伸縮棒3的直徑相同，為10mm，寬為8mm，高為55mm;娃鋼片每片厚度為1mm，再用絕緣膠進行粘合;長方體的上下5mm處進行線切割加工出長為8mm，寬為6mm的長方體凸臺，分別與八面體磁軛2進行過盈配合、與底座6進行過度配合;加工完成后，棒狀磁軛的結構如圖5所示；
[0042I磁致伸縮棒3為圓柱體FeGa材料，每根磁致伸縮棒的直徑為10mm，高度為53mm;為防止渦流損耗的影響，棒狀鐵鎵材料切片處理，棒材縱向切片厚度為1mm，并用絕緣膠進行粘合;磁致伸縮棒的下端5mm處開出直徑6mm的圓柱體凸臺，凸臺攻有螺紋，用于與底座6的螺紋孔配合;上端面設有直徑8mm，高度3mm的圓柱體凸臺，用于與八面體磁軛2的下端面凹槽進行配合;加工完成后，磁致伸縮棒的形狀如圖6所示。
[0043]底座6采用工業(yè)20號鋼，通過車床加工出一段長度為36mm，寬度為10mm，高度為25mm的長方體棒材，應用銑床加工在長方體棒材的一端左右兩邊分別加工出兩個圓柱體螺紋孔，孔的直徑為6mm，深度為5mm;在中心部位加工出一個長為8mm，寬為6mm，深度為5mm的長方體凹槽;通過加工時對凹槽寬度進行公差控制，使底座6的凹槽與磁致伸縮棒3通過螺紋連接，與棒狀磁軛4進行過度配合;加工完成后，底座的形狀如圖7所示；
[0044]裝配過程:在磁致伸縮棒除兩端凸臺外的剩余部分纏繞線圈5，要求線徑為0.5_，匝數均為585匝;將底座6的三個凹槽分別與磁致伸縮棒3，棒狀磁軛4進行配合固定;將八面體磁軛2的底部兩圓柱體凹槽與磁致伸縮棒3配合固定，施加一定的軸向壓力后在接觸面用AB膠進行粘接;將八面體磁軛2的底部長方體凹槽與棒狀磁軛4配合固定;最后使八面體磁軛2的螺紋孔和拋光頭的軸7通過螺紋連接;裝配結果如圖2所示。
[0045]控制過程:用卡具將裝配好的拋光裝置進行固定，然后在每根細棒的線圈5中分別并聯接通直流電流(偏置磁場)和交流電流(交變磁場)。通過控制兩線圈中通入電流的方向使拋光裝置產生不同方向的運動。當兩線圈中通入同向的輸入電流時，拋光裝置在軸向產生輸出位移，當兩線圈中通入反向的輸入電流時，拋光裝置在徑向產生輸出位移。通過控制所通的交流電流的頻率和大小可以改變拋光裝置的輸出振幅。
[0046]本發(fā)明所設計的拋光裝置在軸向運動的工作頻率為7_9kHz，徑向工作頻率為0-2kHz ；圖8為拋光裝置在8kHz時的輸出軸向振幅波形，振幅可以達到5.5μπι，圖中橫坐標T代表時間，單位為毫秒，縱坐標代表軸向輸出振幅，單位為微米。圖9為拋光裝置在IkHz時的輸出徑向振幅波形，振幅可以達到45μπι;圖中橫坐標T代表時間，單位為秒，縱坐標代表徑向輸出振幅，單位為微米。振動曲線理想情形是輸入為正弦信號時，輸出也為同頻正弦信號，由圖8、圖9看出裝置的輸出波形效果較好。并且裝置的輸出位移越大，加工效率越高，本裝置在尺寸較小的情況下可以產生較大的輸出位移。軸向最大位移可達5.5μπι，徑向可達45μπι可知本發(fā)明在軸向與徑向都有較大的輸出位移，可以滿足實際需求。
[0047]本發(fā)明未盡事宜為公知技術。
【主權項】
1.一種雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置，其特征為該裝置的組成包括:拋光頭、八面體磁軛、磁致伸縮棒、棒狀磁軛、線圈和底座； 所述的拋光頭的材質為不銹鋼，下部為軸，中部為圓柱體，上部為圓臺狀;其中，拋光頭長度范圍為35-37mm，下部軸的長為拋光頭總長的三分之二；圓柱體的高度為剩余部分的三分之二；圓臺高為剩余部分的三分之一，圓臺上表面圓的直徑為下表面圓直徑的五分之三；所述的軸的直徑范圍為9.5-10.5mm，圓柱體直徑比軸的直徑大1.8-2.2mm; 所述的八面體磁軛是由多層硅鋼片粘結的長方體、經過切割加工成的一個整體，其上表面為正方形，下表面為長方形，兩側各為一個斜面，前部上下兩個梯形斜面的交匯處形成一條棱線，前部與后部形狀大小完全對稱相同，前后兩條棱線形成的水平中間截面也為長方形；中間截面將八面體分為上下兩部分，兩部分高度之比為1:1;其中，上表面、中間截面、下表面長方形長度比為14:25:36;寬度比為7:9:5;上表面正方形邊長為14mm;整個八面體磁軛的高度范圍為38-42mm;上表面中間有開孔，直徑與拋光頭的下部軸相匹配;其底端開有三處凹槽，兩邊為圓形、中間為長方形； 所述棒狀磁軛為多層硅鋼片材料粘合成的長方體，長方體的長與磁致伸縮棒的直徑相同，上下兩端切割有長方形凸臺； 所述的圓柱體磁致伸縮棒為兩個，每個圓柱體磁致伸縮棒上下兩端各自切割有圓形凸臺，下端面凸臺用于與底座配合;上端面凸臺用于與八面體磁軛的下端面的圓形凹槽進行配合;磁致伸縮棒上纏繞線圈，兩根圓柱體磁致伸縮棒上所纏繞的線圈的匝數相同；磁致伸縮棒的長度范圍為52-54mm; 所述的底座為矩形鋼材，寬度與磁致伸縮棒的直徑相同，長度與八面體磁軛的底端下表面長方形的長度大小相同；底座的上表面均勻間隔開有三個凹槽，兩邊為圓形、中間為長方形，磁致伸縮棒、棒狀磁軛安裝在對應的凹槽內； 兩根磁致伸縮棒通過下部的凸臺分別固定在底座兩邊的凹槽內，棒狀磁軛通過下部的凸臺固定在底座中間的凹槽內；兩根磁致伸縮棒通過上部的凸臺分別固定在八面體磁軛底端兩邊的凹槽內，棒狀磁軛通過上部的凸臺固定在八面體磁軛底端中間的凹槽內；拋光頭底部的軸通過螺紋連接固定在八面體磁軛端部的孔內。2.如權利要求1所述的雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置，其特征為所述的組成八面體磁軛或棒狀磁軛的娃鋼片的單層厚度為0.5-1 _。3.如權利要求1所述的雙棒結構的磁致伸縮拋光裝置，其特征為所述的磁致伸縮棒采用鐵鎵磁致伸縮材料。
【文檔編號】B24B29/00GK105881176SQ201610454989
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月18日
【發(fā)明人】王博文, 崔曉靜, 李亞芳, 鄒尊強, 黃文美
【申請人】河北工業(yè)大學