[发明专利]一种基于光流变效应的变刚度磨具

说明书

本发明公开了一种基于光流变效应的变刚度磨具，其特征是该磨具包含光源基体、变形层、光流变液和磨料层；光源基体能够发出特定波长的光；变形层由橡胶层、纤维织物层和金属织物层组成，有着良好的变形能力；光流变液被变形层和光源基体密封包覆，其粘弹性可根据光的波长的不同而产生相应变化；大量超硬磨料群粘接在变形层的外表面构成磨料层。磨具的刚度可调可控，其基本原理是利用光流变液的光流变效应，即光流变液的粘弹性在不同波长的光照下会发生改变，从而改变变形层的变形能力，进而改变磨具的刚度，因此磨具能够精准贴合有着自由曲面的硬脆材料工件以实现顺应性磨削，极大提高了磨削加工后工件形状精度，降低了工件的表面粗糙度。

技术领域

本发明涉及一种变刚度磨具，特别是一种基于光流变效应的变刚度磨具。

背景技术

陶瓷等硬脆材料由于其优异的耐高温强度、抗氧化性和化学稳定性，在航空航天、国防军工，精密仪器等众多领域有着广泛的应用。随着相关领域技术的飞速发展，对于有着自由曲面硬脆材质零件的需求越来越大，特别是对自由曲面的表面加工质量要求也在不断提高。这种硬脆材质零件的自由曲面通常是采用磨削加工而成，而传统砂轮的磨削为刚性磨削，在加工自由曲面硬脆材料的过程中，无法在去除材料的同时保证工件原有的形状精度，因此难以加工出有着高形状精度和低表面粗糙度的自由曲面硬脆材质零件，且加工难度大、效率低、成本高。

为了提高自由曲面硬脆材料的表面加工质量，公开号为CN108161588B的专利“一种基于光流变材料的抛光方法与装置”，提出将磨料与光流变液混合配置成光流变抛光体直接对工件进行抛光加工，并通过控制光的波长以控制光流变抛光体的刚度，实现了对工件的柔性加工，有效提高了工件材料的去除率。显然，该抛光装置本质上属于游离磨料加工。

公开号为CN109986416A的专利“一种自由曲面均匀仿形磨削装置及磨削方法”，该装置通过改变外加磁场强度以改变磁流变液的粘弹性，进而控制砂带对工件的磨削压力，有效改善了叶片砂带磨削加工过程中的磨削力不均匀和难以调控的问题。显然，该专利以“磁流变效应”为技术核心。

发明内容

为了解决上述磨削装置和现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于光流变效应的变刚度磨具，用于提高硬脆材料自由曲面磨削加工后的形状精度，降低其表面粗糙度。其基本原理是利用光流变液的光流变效应改变磨具刚度，即在磨具内充入光流变液，光流变液的粘弹性在不同波长的光照下会发生改变，从而改变变形层的变形能力，进而改变磨具的刚度，因此磨具能够始终贴合工件的自由曲面以实现顺应性磨削，极大提高了工件磨削表面质量。

为实现上述目的，一种基于光流变效应的变刚度磨具，该磨具包含光源基体、变形层、光流变液和磨料层。光流变液被变形层和光源基体密封包覆，大量有序排布的超硬磨料群粘接在变形层的外表面构成磨料层。所述变形层由里及表依次是橡胶层、纤维织物层和金属织物层，金属织物层上预先电镀了一层有序排布的超硬磨料群，结合剂为镍，由于变形层、光流变液均属于弹性体，所以该磨具为“半弹性”磨具，能够对具有自由曲面的工件进行自适应磨削。光流变液由表面活性剂和光敏反离子组成，光流变液在受到光源基体所发出不同波长光的照射下会产生光流变效应。当光源基体发出紫外光时，光流变液内的光敏反离子会发生光异构化并形成光敏离子，光敏离子与带阳离子的表面活性剂的结合能力减弱，导致表面活性剂分子之间的静电斥力增强，因此光流变液结构松散、粘弹性下降，从而变形层更容易变形，即磨具的刚度变小，在其他磨削参数不变时，磨具对工件的磨削力变小，材料去除率降低。当光源基体发出可见光时，光敏离子恢复为光敏反离子，光流变液的粘弹性增强，即磨具的刚度变大，在其他磨削参数不变时，磨具对工件的磨削力变大，材料去除率增大。

光源基体发出的光的波长调节范围为200～800nm。

橡胶层材料为丁苯橡胶，厚度为1～2mm。

纤维织物层为凯夫拉纤维网，厚度为0.1～0.2mm。

金属织物层为由金属铜编织而成的铜丝网，厚度为0.1～0.2mm。