CN104972404B - 一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够达到原子级别材料去除效果的气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，包括智能电气控制柜、气泵、抛光加工平台、两个伺服控制磨粒流输送泵、搅拌器、气管和磨粒流输送软管，所述气泵通过气管连接抛光加工平台，所述抛光加工平台通过磨粒流输送软管与两个伺服控制磨粒流输送泵和搅拌器连接成一条液固二相磨粒流循环系统；整个抛光装置由所述智能电气控制柜进行加工过程控制；本发明利用气液固三相磨粒流高速湍流涡旋在循环系统中反复对所述工件进行抛光加工可以提高磨粒流的利用效率，并可以有效过滤加工残留物以较少污水排放，实现清洁加工，节约能源，绿色环保。

Description

一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置

技术领域

本发明涉及流体超光滑表面研磨抛光装置，更具体的说，涉及一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置。

背景技术

在现代光学、电子信息及薄膜科学等高新技术领域，需要在精密光学零件和功能晶体材料表面实现超光滑表面加工(Ultrasmooth Surface Manufacturing)，例如软X射线光学系统、激光陀螺反射镜、高密度波分复用器、高能激光反射镜、功能光学器件、光学窗口等。

精密光学零件和功能晶体材料零件均属于高端光学装备和电子制造装备的关键零部件，而超光滑表面加工装备本身则属于超精密加工高端装备，因此，针对超光滑表面加工的关键科学问题开展研究，探索超光滑表面加工的新原理，新工艺和新装备，符合国家战略性新兴产业(高端装备制造)发展的需求。

超光滑表面除要求极低的表面粗糙度值(<1nm RMS)，更重要的是必须在获得工件表面极高的形状精度同时，确保功能晶体材料工件表面晶格完整性，防止出现加工变质层和导致亚表面损伤，对于精密光学零件表面则要求极低的表面波纹度，从而实现低散射特性、高透射率及表面反射率。一般来说，超光滑表面加工为实现原子级材料去除，加工时对工件表面的作用力很小，因此属于典型的慢工出细活的加工方式，效率极低，且加工成本很高。在确保不出现加工变质层和亚表面损伤的前提下实现低成本、高效率的超光滑表面加工是精密制造领域急需解决的技术难题。

现有超光滑表面加工方法，总体可分为两类，一类依靠加工工具接触工件表面实现加工(如使用砂轮、砂带或其它柔性材料作为工具的磨削、抛光等)，另一类则不依靠加工工具直接接触工件表面，而是利用携带微细磨粒的磨粒流的高速流动实现对工件表面的加工，可以将这一类加工方法统称为流体抛光。当前主要的磨粒流抛光加工方法主要有：挤压珩磨抛光、磨粒水射流抛光、磁流变抛光、磁射流抛光、电流变液抛光等。这些方法利用磨粒流与加工表面接触时的壁面冲击效应，形成磨粒对表面的微切削实现表面材料去除，达到光整加工效果。

但由于上述磨粒流加工方法的固有特点，加工后很多尚不能获得满意的表面粗糙度。现有的一些流体抛光加工方法中流体相对工件表面的流速偏低且流动方向单一(以工具相对工件旋转，带动两者之间缝隙处流体流动的方法，例如磁流变抛光则属于这种情况)。这时，由于流体流速不足以达到湍流状态，一般处于层流状态，磨粒流动方向基本一致，只有与工件直接接触的表层流体处的磨粒有机会与被加工表面接触，因此真正发挥切削作用的磨粒只是流体中磨粒的极少部分，并仅从单一方向作用于凸起峰，加工效率自然不高。另外一些流体抛光加工方法中还存在流体相对工件表面的法向冲击力力过大或作用力与工件表面的夹角不合理(以磨粒水射流方式冲击工件表面的抛光方则属于这种情况)的缺陷。这时，流体流速虽可以达到很高，但磨粒冲击方向仍基本一致，冲击流与工件直接接触的面积小，若法向冲击力力过小，则加工效率很低，法向冲击力过大或作用力与工件表面的夹角不合理则可能导致表面损伤和新的不光滑表面出现，因此很难把握加工品质与加工效率的协调关系。从如今社会对超精密光学零件和功能晶体材料的广阔需求前景来考虑，解决超光滑表面精密制造的技术难题，尚需提出新的解决方法以达到原子级别的超光滑表面精密加工效果。

发明内容

本发明的目的就在于确保不出现加工变质层和亚表面损伤的前提下实现精密制造领域低成本、高效率超光滑表面加工的技术难题，提出了一种能够达到原子级别材料去除效果的气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，包括智能电气控制柜、气泵、抛光加工平台、两个伺服控制磨粒流输送泵、搅拌器、气管和磨粒流输送软管，所述气泵通过气管连接抛光加工平台，所述抛光加工平台通过磨粒流输送软管与两个伺服控制磨粒流输送泵和搅拌器连接成一条液固二相磨粒流循环系统；整个抛光装置由所述智能电气控制柜进行加工过程控制。

所述抛光加工平台包括机架、高精度丝杠传动系统、机架传动构件、圆盘形抛光工具、不锈钢旋转接头、气管接头、工件夹具、工件夹具安装底座和不锈钢水槽，所述不锈钢水槽安装在机架上，工件夹具安装底座固定在不锈钢水槽底部，工件夹具固定在工件夹具安装底座上；所述不锈钢水槽两侧的机架上固定有左右对称分布的高精度丝杠传动系统，两个高精度丝杠传动系统连接机架传动构件并驱动所述机架传动构件上下运动；圆盘形抛光工具安装在所述工件夹具正上方的机架传动构件上；所述两个高精度丝杠传动系统通过驱动所述机架传动构件上下运动带动所述圆盘形抛光工具在所述不锈钢水槽中上下运动。

所述圆盘形抛光工具与被加工工件的上表面形成大面积的微距缝隙，圆盘形抛光工具设有内腔，圆盘形抛光工具的顶面设有与内腔连通的用于注入抛光磨粒的磨粒注入通道，所述磨粒注入通道通过不锈钢旋转接头连接磨粒流输送软管并通过磨粒流输送软管与两个伺服控制磨粒流输送泵连通；所述圆盘形抛光工具的侧面还设有均匀分布的至少两个气流注入通道，所述气流注入通道与所述内腔连通并用于向所述内腔注入高速气流，所述气流注入通道通过气管接头连接气管并通过气管连接气泵。

进一步的，所述磨粒注入通道最优数目为三条，气流注入通道最优数目为三条。

进一步的，所述高精度丝杠传动系统包括步进电机、丝杠和直线导轨，丝杠和直线导轨竖直安装，所述丝杠的一端通过联轴器连接步进电机，步进电机固定在所述机架上；所述丝杠的另一端通过轴承座固定在所述机架上；所述直线导轨的两端直接固定在所述机架上；所述机架传动构件连接丝杠和直线导轨并受所述步进电机的驱动在所述不锈钢水槽内上下运动。

进一步的，所述圆盘形抛光工具顶面还设有树脂玻璃视窗，所述树脂玻璃视窗为由树脂材料制成的无色透明圆形玻璃。通过所述树脂玻璃视窗可以视觉观察所述圆盘形抛光工具内腔中的流体运动，且所述树脂玻璃视窗具有良好的机械加工性能，通过螺钉固定安装在圆盘形抛光工具的顶面，提高了装置的稳固性。

进一步的，所述工件夹具安装底座的外表面采用镀铬处理工艺进行处理。该工艺提高了工件夹具安装底座的抗腐蚀、抗锈蚀性能，进而提高了装置的使用寿命，防止磨粒流被铁锈等杂质污染。

进一步的，所述智能电气控制柜包括PLC智能控制器、继电器、伺服电机驱动器、各类传感器和其他电器元器件，所述智能电气控制柜通过所述各类传感器精确的感知与之关联设备的工作状态，及时发出指令对与之关联的设备进行高精度控制。

进一步的，气泵的容量为32升、最大压力为2兆帕，所述气泵通过气管向所述圆盘形抛光工具中注入高速气流，进而驱动圆盘形抛光工具内的液固二相磨粒流高速旋转以达到湍流状态，形成气液固三相磨粒流高速湍流涡旋。

进一步的，所述气管为直径为八分的硬质塑料管。气管具有良好的抗弯折性能，保证了所述气流注入通道内的高速气流的稳定性和每一条多向气流注入通道内气流的流速和压力的一致性。

进一步的，所述磨粒流输送软管为内嵌钢丝的透明橡胶软管。磨粒流输送软管具有十分良好的抗弯折性能，防止高速流体在通过弯折处会产生扰流等复杂变化，进而保证了注入所述圆盘形抛光工具内腔中所述液固二相磨粒流的稳定性。

本发明的有益效果在于：

1)利用非接触式圆盘形抛光工具在工件表面形成大面积微距缝隙，可以对大面积平面或曲率变化缓和的大面积曲面工件进行高效原子级材料去除，表面粗糙度达到Rq1纳米以下，且光学波纹和表面损伤情况符合超光滑表面加工要求，加工效率较现有技术提高一倍以上。

2)气液固三相磨粒流中的微尺寸气泡在掺合量和流速的控制下可以以适当的方式溃灭，溃灭过程中对附近的磨粒产生加速推动作用，大幅度提高了磨粒产生的加工作用的几率。

3)本发明可以提升超精密加工装置的研发技术基础，促进我国超精密加工装置的发展。

4)利用气液固三相磨粒流高速湍流涡旋在循环系统中反复对所述工件进行抛光加工可以提高磨粒流的利用效率，并可以有效过滤加工残留物以较少污水排放，实现清洁加工，节约能源，绿色环保。

附图说明

图1是本发明一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置的结构示意图。

图2是本发明圆盘形抛光装置的结构示意图。

图3是本发明圆盘形抛光装置的俯视图。

图4是本发明抛光加工平台的结构示意图。

图中，1-智能电气控制柜、2-抛光加工平台、3(5)-伺服控制磨粒流输送泵、4-搅拌器、6-磨粒流输送软管、7-气管、8-气泵、9-工件、10-有效抛光区、11-磨粒、12-气液固三相磨粒流高速湍流涡旋、13-树脂玻璃视窗、21-机架、22-轴承座、23-直线导轨、24-丝杠螺母、25-丝杠、26-联轴器、27-步进电机、28-机架传动构件、29-圆盘形抛光工具、211-不锈钢旋转接头、212-气管接头、214-工件夹具、215-工件夹具安装底座、216-不锈钢水槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，包括智能电气控制柜1、气泵8、抛光加工平台2、两个伺服控制磨粒流输送泵3、5、搅拌器4、气管7和磨粒流输送软管6，所述气泵8通过气管7连接抛光加工平台2，所述抛光加工平台2通过磨粒流输送软管6与两个伺服控制磨粒流输送泵3、5和搅拌器4连接成一条液固二相磨粒流循环系统；整个抛光装置由所述智能电气控制柜1进行加工过程控制；

所述抛光加工平台2包括机架21、高精度丝杠传动系统、机架传动构件28、圆盘形抛光工具29、不锈钢旋转接头211、气管接头212、工件夹具、工件夹具安装底座215和不锈钢水槽216，所述不锈钢水槽216安装在机架21上，工件夹具安装底座215固定在不锈钢水槽216底部，工件夹具固定在工件夹具安装底座215上；所述不锈钢水槽216两侧的机架21上固定有左右对称分布的高精度丝杠传动系统，两个高精度丝杠25传动系统连接机架传动构件28并驱动所述机架传动构件28上下运动；圆盘形抛光工具29安装在所述工件夹具正上方的机架传动构件28上；所述两个高精度丝杠25传动系统通过驱动所述机架传动构件28上下运动带动所述圆盘形抛光工具29在所述不锈钢水槽216中上下运动；

所述圆盘形抛光工具29与被加工工件9的上表面形成大面积的微距缝隙，圆盘形抛光工具29设有内腔，圆盘形抛光工具29的顶面设有与内腔连通的用于注入抛光磨粒的磨粒注入通道，所述磨粒注入通道通过不锈钢旋转接头211连接磨粒流输送软管6并通过磨粒流输送软管6与两个伺服控制磨粒流输送泵3、5连通；所述圆盘形抛光工具29的侧面还设有均匀分布的至少两个气流注入通道，所述气流注入通道与所述内腔连通并用于向所述内腔注入高速气流，所述气流注入通道通过气管接头212连接气管7并通过气管7连接气泵8。。

所述磨粒注入通道最优数目为三条，气流注入通道最优数目为三条。

所述高精度丝杠25传动系统包括步进电机27、丝杠25和直线导轨23，丝杠25和直线导轨23竖直安装，所述丝杠25的一端通过联轴器26连接步进电机27，步进电机27固定在所述机架21上；所述丝杠25的另一端通过轴承座22固定在所述机架21上；所述直线导轨23的两端直接固定在所述机架21上；所述机架传动构件28连接丝杠25和直线导轨23并受所述步进电机27的驱动在所述不锈钢水槽216内上下运动。

所述圆盘形抛光工具29顶面还设有树脂玻璃视窗，所述树脂玻璃视窗为由树脂材料制成的无色透明圆形玻璃。

所述工件夹具安装底座215的外表面采用镀铬处理工艺进行处理。

所述智能电气控制柜1包括PLC智能控制器、继电器、伺服电机驱动器、各类传感器和其他电器元器件，所述智能电气控制柜1通过所述各类传感器精确的感知与之关联设备的工作状态，及时发出指令对与之关联的设备进行高精度控制。

气泵8的容量为32升、最大压力为2兆帕。所述气泵8通过气管7向所述圆盘形抛光工具29中注入高速气流，进而驱动圆盘形抛光工具内的液固二相磨粒流高速旋转以达到湍流状态，形成气液固三相磨粒流高速湍流涡旋12。

所述气管7为直径为八分的硬质塑料管。气管7具有良好的抗弯折性能，保证了所述气流注入通道内的高速气流的稳定性和每一条多向气流注入通道内气流的流速和压力的一致性。

所述磨粒流输送软管6为内嵌钢丝的透明橡胶软管。磨粒流输送软管6具有十分良好的抗弯折性能，防止高速流体在通过弯折处会产生扰流等复杂变化，进而保证了注入所述圆盘形抛光工具内腔中所述液固二相磨粒流的稳定性。

不锈钢旋转接头211一端的公制螺纹接头旋紧固定在所述圆盘形抛光工具29上，另一端的软管接头套在所述磨粒流输送软管6内由钢丝抱箍扎紧。气管接头212一端的公制螺纹接头旋紧固定在所述圆盘形抛光工具29上，另一端的卡套式气管接头则与气管7连接。工件9安装在工件夹具214上，工件夹具214安装在工件夹具安装底座215上，其中，工件9与圆盘形抛光工具29同心安装，且两者之间间距不大于1毫米，以形成所述大面积微距缝隙。

该装置的具体实施步骤如下：向圆盘形抛光工具29内腔中高速注入液固二相磨粒流，其在有效抛光区10的大面积微距间隙内驱动形成气液固三相磨粒流高速湍流涡旋12，在向圆盘形抛光工具29内腔中注入液固二相磨粒流的同时，利用多向气流注入方法向圆盘形抛光工具29内腔的液固二相磨粒流中注入高速气流，高速气流沿着液固二相磨粒流的外边缘注入，提高气液固三相磨粒流高速湍流涡旋12在有效抛光区10内的旋转速度。通过视觉观察气液固三相磨粒流高速湍流涡旋12的运动规律，调节相关控制参数使所述气液固三相磨粒流高速湍流涡旋12达到最佳的工作状态进行抛光加工。进行一定时间的抛光加工后，对工件9进行测试分析，对比验证所述磨粒11对所述工件9的切削效果，进而优化抛光加工工艺方案，最后拟定具体的抛光加工工艺方案，对工件9进行抛光加工。

工作时，智能电气控制柜1先关闭气泵8、伺服控制磨粒流输送泵3、5和搅拌器4，首先往不锈钢水槽216中加入一定量抛光液和磨粒形成液固二相磨粒流6，之后由智能电气控制柜1控制开启抛光加工平台2中的步进电机27，进而驱动安装在机架21上的圆盘形抛光工具29高精度运动，使圆盘形抛光工具29运动到圆盘形抛光工具底面5与工件9上表面距离不大于1毫米处。此时，再由智能电气控制柜1控制开启伺服控制磨粒流输送泵3、5和搅拌器4，最后由智能电气控制柜1控制开启气泵8，向圆盘形抛光工具内腔4中注入高速气流；通过智能电气控制柜1调节各种设备的工作参数，从树脂玻璃视窗13视觉观察圆盘形抛光工具内腔4内磨粒流的运动情况，调节到最佳的加工状态进行抛光加工作业。

抛光装置的搭建过程：

①伺服控制磨粒流输送泵的选择：

伺服控制磨粒流输送泵的选择是抛光装置搭建的核心问题。对于本发明来说，伺服控制磨粒流输送泵应该满足两个基本条件：输送泵的最大流量和最大出口压力等技术参数应该为能够在多向液固二相磨粒流注入通道内产生湍流的基本要求的1.5倍；输送泵能够输送含有固体磨粒颗粒的二相流体。

多向液固二相磨粒流注入通道的水力直径为d＝0.032m

对于管道流动，其层流到湍流的临届雷诺数Recr应在2100～4000之间，既当雷诺数Re小于2000时为层流状态，当雷诺数Re大于4000是为湍流状态。取Recr的浮动区间上限4000，管道流体雷诺数与流速、水力直径成正比，与流体粘度成反比。已知室温下水的运动粘度，这时可以得到多向液固二相磨粒流注入通道产生湍流临界流速与流量；可以选择泵的型号，初步选择为意大利SEKO品牌的MS1系列机械隔膜计量泵，流量为5.5～530升/小时，最大压力为10bar，其最大雷诺数完全可以满足湍流充分发生的要求。

②磨料和工件的选择

根据抛光加工装置实际需求，所需磨料的形状要比较规则，最好是直径为纳米级别的球形颗粒。

根据上述要求，本装置所选取的参考磨粒有以下两种：

磨粒1：碳化硅(SiC)微粉，其基本特征参数如下：比重3.2，颜色：黑色或者绿色，目数：100000～1000。

磨粒2：氧化铝(Al2O3)微粉，其基本特征参数如下：比重3.95，颜色：白色，目数：100000～1000。

本装置所选取的工件为：圆形单晶硅片或者圆形K9玻璃等平面或者曲率变换缓慢的大面积元器件。

③抛光加工平台的设计

为了解决设备在加工中生锈问题，抛光加工平台的机架、工件夹具安装底座采用喷塑处理工艺，不锈钢水槽、丝杠、丝杠螺母、直线导轨、连接螺钉都采用不锈钢材料，机架传动构件、圆盘形抛光工具、工件夹具采用铝制。

对称安装在机架上的一对高精度丝杠传动系统，丝杠的有效传动行程为300毫米，平行布置在高精度丝杠传动系统两侧的高精度直线导轨的有效传动行程也为300毫米，所以圆盘形抛光工具安装在机架传动构件上的圆盘形抛光工具移动的行程为300毫米。工件夹具安装在工件夹具安装底座上，置于不锈钢水槽内，工件夹具与圆盘形抛光工具同轴心安装，圆盘形抛光工具的底面与工件上表面间距不大于1毫米，由智能控制器精确控制实现。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (9)

1.一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：包括智能电气控制柜(1)、气泵(8)、抛光加工平台(2)、两个伺服控制磨粒流输送泵(3、5)、搅拌器(4)、气管(7)和磨粒流输送软管(6)，所述气泵(8)通过气管(7)连接抛光加工平台(2)，所述抛光加工平台(2)通过磨粒流输送软管(6)与两个伺服控制磨粒流输送泵(3、5)和搅拌器(4)连接成一条液固二相磨粒流循环系统；整个抛光装置由所述智能电气控制柜(1)进行加工过程控制；

所述抛光加工平台(2)包括机架(21)、高精度丝杠传动系统、机架传动构件(28)、圆盘形抛光工具(29)、不锈钢旋转接头(211)、气管接头(212)、工件夹具、工件夹具安装底座(215)和不锈钢水槽(216)，所述不锈钢水槽(216)安装在机架(21)上，工件夹具安装底座(215)固定在不锈钢水槽(216)底部，工件夹具固定在工件夹具安装底座(215)上；所述不锈钢水槽(216)两侧的机架(21)上固定有左右对称分布的高精度丝杠传动系统，两个高精度丝杠(25)传动系统连接机架传动构件(28)并驱动所述机架传动构件(28)上下运动；圆盘形抛光工具(29)安装在所述工件夹具正上方的机架传动构件(28)上；所述两个高精度丝杠(25)传动系统通过驱动所述机架传动构件(28)上下运动带动所述圆盘形抛光工具(29)在所述不锈钢水槽(216)中上下运动；

所述圆盘形抛光工具(29)与被加工工件(9)的上表面形成大面积的微距缝隙，圆盘形抛光工具(29)设有内腔，圆盘形抛光工具(29)的顶面设有与内腔连通的用于注入抛光磨粒的磨粒注入通道，所述磨粒注入通道通过不锈钢旋转接头(211)连接磨粒流输送软管(6)并通过磨粒流输送软管(6)与两个伺服控制磨粒流输送泵(3、5)连通；所述圆盘形抛光工具(29)的侧面还设有均匀分布的至少两个气流注入通道，所述气流注入通道与所述内腔连通并用于向所述内腔注入高速气流，所述气流注入通道通过气管接头(212)连接气管(7)并通过气管(7)连接气泵(8)。

2.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述磨粒注入通道最优数目为三条，气流注入通道最优数目为三条。

3.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述高精度丝杠(25)传动系统包括步进电机(27)、丝杠(25)和直线导轨(23)，丝杠(25)和直线导轨(23)竖直安装，所述丝杠(25)的一端通过联轴器(26)连接步进电机(27)，步进电机(27)固定在所述机架(21)上；所述丝杠(25)的另一端通过轴承座(22)固定在所述机架(21)上；所述直线导轨(23)的两端直接固定在所述机架(21)上；所述机架传动构件(28)连接丝杠(25)和直线导轨(23)并受所述步进电机(27)的驱动在所述不锈钢水槽(216)内上下运动。

4.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述圆盘形抛光工具(29)顶面还设有树脂玻璃视窗，所述树脂玻璃视窗为由树脂材料制成的无色透明圆形玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述工件夹具安装底座(215)的外表面采用镀铬处理工艺进行处理。

6.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述智能电气控制柜(1)包括PLC智能控制器、继电器、伺服电机驱动器、各类传感器和其他电器元器件，所述智能电气控制柜(1)通过所述各类传感器精确的感知与之关联设备的工作状态，及时发出指令对与之关联的设备进行高精度控制。

7.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：气泵(8)的容量为32升、最大压力为2兆帕。

8.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述气管(7)为直径为八分的硬质塑料管。

9.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置，其特征在于：所述磨粒流输送软管(6)为内嵌钢丝的透明橡胶软管。