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CN108581816B - 三相流动压空化抛光方法及装置 - Google Patents

三相流动压空化抛光方法及装置 Download PDF

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CN108581816B CN201810280953.6A CN201810280953A CN108581816B CN 108581816 B CN108581816 B CN 108581816B CN 201810280953 A CN201810280953 A CN 201810280953A CN 108581816 B CN108581816 B CN 108581816B
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Abstract

一种三相流动压空化抛光方法，自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，圆柱形抛光工具与自由曲面工件不直接接触并且浸没于抛光液中，串并混联抛光平台控制抛光工具相对工件的位姿，使工具和工件表面始终保持一个微小的加工间隙；伺服电机通过连接装置驱动圆柱形抛光工具在工件上方高速旋转，使混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过工具与工件之间的楔形间隙时产生挤压而提高了压力，产生动压；磨粒压入工件表面产生表面及亚表面损伤，实现工件表面极高精度的抛光。本发明在不造成表面及亚表面的损伤的前提下，提高抛光效率。

Description

三相流动压空化抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种三相流动压空化抛光方法及装置。
背景技术
随着科学技术的发展，超精密加工技术既是现代制造科学技术的重要发展方向，又是未来先进制造技术的重要基础。超精密加工的兴起，使目前大部分的工件的表面粗糙度等都得到了显著的改善，同时，产品的性能和可靠性也得到的提升。随之而来的问题是对不同领域的零件精度要求日益增高。为了得到更高的加工精度和表面质量，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。超光滑表面加工技术在超精密加工技术中占据着十分重要的地位，是一个国家科技水平与综合国力的重要体现。然而通常情况下，超光滑表面加工为了能够实现原子级材料的去除，加工的时候会采用很小的作用力对工件表面进行加工，加工时间往往较长，并且加工效率十分低下，同时加工成本也会很高。由此可见，如何在保证不造成表面及亚表面损伤的情况下提高加工效率、降低加工是精密制造领域急需解决的技术难题。
为了实现这些零件的超光滑表面抛光，国内已经研制出了许多种超光滑表面加工方法。现有的超光滑表面加工方法，总体可以分成两类，一类通过加工工具与工件表面直接接触来进行加工，如：传统的利用砂带、砂轮或其它柔性材料作为工具进行的磨削、抛光等。这一类加工方法利用工具上的微细磨粒对工件表面形成的微切削以去除工件表面的微隆起，以达到抛光的效果。虽然加工效率较高，但是也有一定的缺点和局限性。
1.由于磨粒的粒径大小不一，导致工具表面的磨粒抛光作用力不均匀，不可避免地对工件造成表面及亚表面损伤。
2.由于工具接触式的加工方式，无法对一些外形结构比较特殊的工件进行加工，如工件的内壁、孔等部位，因工具难以伸入而无法进行加工。另一类加工方法则不依靠加工工具与工件表面直接接触进行抛光，如：流体抛光、电解抛光、化学抛光、磁研磨抛光等。这一类加工方法中，流体抛光的使用最为广泛。流体抛光是依靠高速流动的液体及其携带的磨粒冲刷工件表面达到抛光的目的。目前的二相流抛光方法同样存在一些缺点：
1.流体流速不高且流动方向单一。流体相对于工件表面的流速无法达到湍流状态，而处于流动方向单一的层流状态，使抛光液内的磨粒冲击方向一致，对工件产生划痕，造成表面及亚表面的损伤。
2.由于磨粒流动方向基本一致，导致只有贴于工件表面的一层磨粒起到抛光作用，抛光效率低下。
3.磨粒流的回收使用效率低下，在加工过程中产生磨粒沉积，影响抛光的效果和效率。
发明内容
为了克服现有的抛光方法的抛光效率较低的不足，本发明为了抛光自由曲面工件时，在不造成表面及亚表面的损伤的前提下，提高抛光效率，提出了一种三相流动压空化抛光方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种三相流动压空化抛光方法，自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，安装于容器上方的是由三自由度串联平台与三杆并联平台组成的串并混联平台，圆柱形抛光工具与伺服电机安装于串并混联平台末端；抛光液容器两侧装有磨粒流输送泵，输送泵通过磨粒流输送软管与另一侧的搅拌器相连；超声波发生器则安装于多自由度机械末端；圆柱形抛光工具与自由曲面工件不直接接触并且浸没于抛光液中，串并混联抛光平台控制抛光工具相对工件的位姿，使工具和工件表面始终保持一个微小的加工间隙；伺服电机通过连接装置驱动圆柱形抛光工具在工件上方高速旋转，使混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过工具与工件之间的楔形间隙时产生挤压而提高了压力，产生动压；加入于抛光液中的磨粒在动压的作用下不断地近似水平的角度去冲击工件表面微观凸起的部分，对工件形成一定的材料去除；通过调整安装在机械臂末端的超声波气泡发生器与工具之间的距离与角度，使变幅杆对准工具及工件之间的微间隙工作，在变幅杆末端产生空化气泡，空化气泡在超声波正压相和负压相作用下不断膨胀和压缩，经过液体动压区域时由于动压区域的压力变化，空化气泡发生溃灭；溃灭产生的能量驱动混有磨粒的抛光液，增大磨粒冲击速度，增加磨粒冲击随机性，提高抛光效率，避免磨粒单一方向的流动对工件产生划痕，同时避免工具工件直接接触，磨粒压入工件表面产生表面及亚表面损伤，实现工件表面极高精度的抛光。
进一步，抛光过程中为了避免抛光液中的磨粒沉积，利用磨粒流输送软管将搅拌器与安装在抛光液容器两侧的两个磨粒流输送泵连接成一条磨粒流循环系统。
再进一步，圆柱形抛光工具表面或光滑或开有沟槽，自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，工具与工件都完全浸没于混有磨粒的抛光液中；三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨上组成串并混联平台，抛光工具安装在串并混联机构末端，由串联平台沿X、Y、Z方向控制工具的位置，并联平台控制工具的姿态，使抛光工具相对于工件的位姿可以精确控制。
更进一步，工具在工件上方保持微间隙的同时伺服电机驱动抛光工具高速旋转，混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过工具与工件之间的楔形间隙时因产生挤压而提高了压力，产生动压；加入于抛光液中的磨粒在动压的作用下不断地近似水平的角度去冲击工件表面微观凸起的部分，对工件形成一定的材料去除。
超声波气泡发生器通过连接装置安装于多自由度机械臂末端，多自由度机械臂不断调整超声波发生器变幅杆相对于动压区域的位姿，使变幅杆末端产生的空化气泡正好经过动压区域。超声波气泡发生器工作时，变幅杆末端产生大量空化气泡，空化气泡在超声波正压相和负压相作用下不断膨胀和收缩，经过液体动压区域时由于动压区域的压力变化，空化气泡发生快速溃灭。
所述磨粒流循环系统由两个磨粒流输送泵、搅拌器和磨粒流输送软管组成。两个磨粒流输送泵分别安装于抛光加工平台两侧，通过磨粒流输送软管与另一侧的搅拌器相连。液固二相磨粒流循环系统能有效避免磨粒沉积于抛光液容器底部，提高磨粒流的回收使用效率，从而提升抛光效率。
一种三相流动压空化抛光装置，所述装置包括三自由度串联平台、三杆并联平台、混有磨粒的抛光液、磨粒流输送泵、磨粒流输送软管、搅拌器、多自由度机械臂、工件、抛光液容器、夹具、伺服电机、联轴器、抛光工具和超声波气泡发生器，安装于抛光液容器上方的三自由度串联平台主要由X、Y、Z方向导轨组成，三个方向的导轨分别由电机驱动，用于控制抛光工具的位置；三杆并联平台由动平台与静平台组成，其中动平台由三根可伸缩杆组成，用于控制抛光工具的姿态；三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨上组成串并混联平台，抛光工具与伺服电机相连安装在串并混联机构末端，使抛光工具与工件保持微间隙的同时高速旋转，产生动压区域；自由曲面工件则通过夹具固定于抛光液容器底部，并且完全浸没于混有磨粒的抛光液中；两个磨粒流输送泵分别安装于抛光液容器两侧，通过磨粒流输送软管与另一侧搅拌器相连，用于避免抛光过程中的磨粒沉积；超声波气泡发生器通过连接装置安装于多自由度机械臂末端，使超声波发生器变幅杆末端产生的空化气泡正好经过动压区域。
所述抛光工具为圆柱形抛光工具，圆柱形抛光工具则通过连接装置与伺服电机相连安装于三杆并联平台末端，工具表面为带沟槽或光滑。
两个磨粒流输送泵分别安装于抛光加工平台两侧，通过磨粒流输送软管与搅拌器和抛光液容器相连；磨粒流循环系统在抛光过程中不停地对抛光容器中的磨粒流进行循环搅拌与输送。
本发明的有益效果主要表现在：在不造成表面及亚表面的损伤的前提下，提高抛光效率。
附图说明
图1为本发明三相流动压空化抛光装置的整体结构示意图。
图2为本发明三相流动压空化抛光装置的局部结构示意图。
图中，1-Z方向导轨电机、2-X方向导轨电机、14-Y方向导轨电机、3-Y方向导轨、4-X方向导轨、5-静平台、6-动平台、7-混有磨粒的抛光液、8(11)-磨粒流输送泵、9-磨粒流输送软管、10-搅拌器、12-Z方向导轨、13-多自由度机械臂、15-工件、16-抛光液容器、17-工件夹具、18-可伸缩杆、19-可伸缩杆电机、20-伺服电机、21-联轴器、22-带沟槽的圆柱形抛光工具、23-联轴器、24-超声波气泡发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种三相流动压空化抛光方法，自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，安装于容器上方的是由三自由度串联平台与三杆并联平台组成的串并混联平台，圆柱形抛光工具与伺服电机安装于串并混联平台末端；抛光液容器两侧装有磨粒流输送泵，输送泵通过磨粒流输送软管与另一侧的搅拌器相连；超声波发生器则安装于多自由度机械末端；圆柱形抛光工具与自由曲面工件不直接接触并且浸没于抛光液中，串并混联抛光平台控制抛光工具相对工件的位姿，使工具和工件表面始终保持一个微小的加工间隙；伺服电机通过连接装置驱动圆柱形抛光工具在工件上方高速旋转，使混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过工具与工件之间的楔形间隙时产生挤压而提高了压力，产生动压；加入于抛光液中的磨粒在动压的作用下不断地近似水平的角度去冲击工件表面微观凸起的部分，对工件形成一定的材料去除；通过调整安装在机械臂末端的超声波气泡发生器与工具之间的距离与角度，使变幅杆对准工具及工件之间的微间隙工作，在变幅杆末端产生空化气泡，空化气泡在超声波正压相和负压相作用下不断膨胀和压缩，经过液体动压区域时由于动压区域的压力变化，空化气泡发生溃灭；溃灭产生的能量驱动混有磨粒的抛光液，增大磨粒冲击速度，增加磨粒冲击随机性，提高抛光效率，避免磨粒单一方向的流动对工件产生划痕，同时避免工具工件直接接触，磨粒压入工件表面产生表面及亚表面损伤，实现工件表面极高精度的抛光。
进一步，抛光过程中为了避免抛光液中的磨粒沉积，利用磨粒流输送软管将搅拌器与安装在抛光液容器两侧的两个磨粒流输送泵连接成一条磨粒流循环系统。
再进一步，圆柱形抛光工具表面或光滑或开有沟槽，自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，工具与工件都完全浸没于混有磨粒的抛光液中；三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨上组成串并混联平台，抛光工具安装在串并混联机构末端，由串联平台沿X、Y、Z方向控制工具的位置，并联平台控制工具的姿态，使抛光工具相对于工件的位姿可以精确控制。
更进一步，工具在工件上方保持微间隙的同时伺服电机驱动抛光工具高速旋转，混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过工具与工件之间的楔形间隙时因产生挤压而提高了压力，产生动压；加入于抛光液中的磨粒在动压的作用下不断地近似水平的角度去冲击工件表面微观凸起的部分，对工件形成一定的材料去除。
超声波气泡发生器通过连接装置安装于多自由度机械臂末端，多自由度机械臂不断调整超声波发生器变幅杆相对于动压区域的位姿，使变幅杆末端产生的空化气泡正好经过动压区域。超声波气泡发生器工作时，变幅杆末端产生大量空化气泡，空化气泡在超声波正压相和负压相作用下不断膨胀和收缩，经过液体动压区域时由于动压区域的压力变化，空化气泡发生快速溃灭。
所述磨粒流循环系统由两个磨粒流输送泵、搅拌器和磨粒流输送软管组成。两个磨粒流输送泵分别安装于抛光加工平台两侧，通过磨粒流输送软管与另一侧的搅拌器相连。液固二相磨粒流循环系统能有效避免磨粒沉积于抛光液容器底部，提高磨粒流的回收使用效率，从而提升抛光效率。
一种三相流动压空化抛光装置，包括1-Z方向导轨电机、2-X方向导轨电机、3-Y方向导轨、4-X方向导轨、5-静平台、6-动平台、7-混有磨粒的抛光液、8(11)-磨粒流输送泵、9-磨粒流输送软管、10-搅拌器、12-Z方向导轨、13-多自由度机械臂、14-Y方向导轨电机、15-自由曲面工件、16-抛光液容器、17-工件夹具、18-可伸缩杆、19-可伸缩杆电机、20-伺服电机、21-联轴器、22-带沟槽的圆柱形抛光工具、23-联轴器、24-超声波气泡发生器。；所述的自由曲面工件15通过工件夹具17固定于抛光液容器16底部，并且完全浸没于混有磨粒的抛光液7内；三自由度串联平台主要由X方向导轨4、Y方向导轨3、Z方向导轨12组成并且安装于抛光液容器16上方，三个方向的导轨分别由导轨电机1、2、14驱动；三杆并联平台主要由静平台5与动平台6组成，其中动平台6主要由三根可伸缩杆18组成。三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨12末端组成串并混联平台。带沟槽的圆柱形抛光工具22与伺服电机20相连安装在串并混联机构末端，使抛光工具与工件保持微间隙的同时高速旋转，产生动压区域。两个磨粒流输送泵8、11分别安装于抛光液容器16两侧，通过磨粒流输送软管9与另一侧搅拌器10相连，用于避免抛光过程中的磨粒沉积。超声波气泡发生器24安装于多自由度机械臂13末端。
三相流动压空化抛光装置工作时，串并混联抛光平台控制圆柱形抛光工具相对于工件的位姿，使抛光工具与工件表面始终保持一个微小的加工间隙，工具与工件完全浸没在抛光液中。由伺服电机驱动圆柱形抛光工具高速旋转，使混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，产生动压。抛光液中的磨粒在动压流的作用下源源不断地通过加工间隙，并以近似水平的角度去冲击工件表面微观凸起的部分，对工件形成一定的材料去除。超声波气泡发生机构不断调整变幅杆相对于动压区域的位姿，使变幅杆末端产生的空化气泡正好经过液体动压区域。由于动压区域压力变化，促使空化云溃灭，溃灭产生的能量驱动混有磨粒的抛光液，增大磨粒冲击速度，增加磨粒冲击随机性，提高抛光效率，避免磨粒单一方向的流动对工件产生划痕，实现工件表面极高精度的抛光。随着抛光进行，磨粒流循环系统对抛光容器中的磨粒进行循环输送，避免抛光液中的磨粒沉积。三相流动压空化抛光装置主要包括串并混联抛光平台、磨粒流循环系统、超声波气泡发生机构、工件、抛光液容器、夹具、抛光工具、混有磨粒的抛光液。
所述的串并混联抛光平台由三杆并联平台和三自由度串联平台组成。三自由度串联平台主要由X、Y、Z方向导轨组成，三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨上，三个方向的导轨分别由电机驱动；三杆并联平台主要由动平台与静平台组成，其中动平台主要由三根可伸缩杆组成，圆柱形抛光工具则通过连接装置与伺服电机相连安装于三杆并联平台末端，工具表面可带沟槽也可光滑。串联平台沿X、Y、Z方向控制工具的位置，并联平台控制工具的姿态，使抛光工具相对于工件的位姿可以精确控制。
所述的工具在工件上方保持微间隙，伺服电机驱动抛光工具高速旋转，混有磨粒的抛光液在工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过工具与工件之间的楔形间隙时因产生挤压而提高了压力，产生动压。加入于抛光液中的磨粒在动压的作用下不断地近似水平的角度去冲击工件表面微观凸起的部分，对工件形成一定的材料去除。
所述的超声波气泡发生机构由超声波气泡发生器与多自由度机械臂组成。超声波气泡发生器通过连接装置安装于多自由度机械臂末端，且不限于机械臂，可调节超声波发生器末端位姿的任何装置即可。多自由度机械臂不断调整超声波发生器变幅杆相对于动压区域的位姿，使变幅杆末端产生的空化气泡正好经过动压区域。超声波气泡发生器工作时，变幅杆末端产生大量空化气泡，空化气泡在超声波正压相和负压相作用下不断膨胀和收缩，经过液体动压区域时由于动压区域的压力变化，空化气泡发生快速溃灭。
所述的材料去除是液体动压和空化溃灭对磨粒运动状态和分布改变的综合结果，提高了抛光效率，避免工件表面及亚表面损伤，达到均匀一致抛光的效果。
所述的磨粒流循环系统由两个磨粒流输送泵与搅拌器组成。两个磨粒流输送泵分别安装于抛光加工平台两侧，通过磨粒流输送软管与搅拌器和抛光液容器相连。磨粒流循环系统在抛光过程中不停地对抛光容器中的磨粒流进行循环搅拌与输送，避免磨粒沉积于抛光液容器底部，提高磨粒流的回收使用效率，从而提升抛光效率。
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 (6)

1.一种三相流动压空化抛光方法，其特征在于：自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，安装于抛光液容器上方的是由三自由度串联平台与三杆并联平台组成的串并混联平台，圆柱形抛光工具与伺服电机安装于串并混联平台末端；抛光液容器两侧装有磨粒流输送泵，磨粒流输送泵通过磨粒流输送软管与抛光液容器一端的搅拌器相连；超声波气泡发生器安装于多自由度机械臂末端；圆柱形抛光工具与自由曲面工件不直接接触并且浸没于抛光液中，串并混联平台控制抛光工具相对自由曲面工件的位姿，使抛光工具和自由曲面工件表面始终保持一个微小的加工间隙；伺服电机通过连接装置驱动圆柱形抛光工具在自由曲面工件上方高速旋转，使混有磨粒的抛光液在抛光工具高速旋转的作用下一起旋转，抛光液经过抛光工具与自由曲面工件之间的楔形间隙时产生挤压而提高了压力，产生动压；加入于抛光液中的磨粒在动压的作用下不断地以水平的角度去冲击自由曲面工件表面微观凸起的部分，对自由曲面工件形成一定的材料去除；通过调整安装在多自由度机械臂末端的超声波气泡发生器与抛光工具之间的距离与角度，使变幅杆对准抛光工具及自由曲面工件之间的微间隙工作，在变幅杆末端产生大量空化气泡，空化气泡在超声波正压相和负压相作用下不断膨胀和压缩，经过液体动压区域时由于动压区域的压力变化，空化气泡发生溃灭；溃灭产生的能量驱动混有磨粒的抛光液，增大磨粒冲击速度，增加磨粒冲击随机性，提高抛光效率，避免磨粒单一方向的流动对自由曲面工件产生划痕，同时避免抛光工具和自由曲面工件直接接触，磨粒压入自由曲面工件表面产生表面及亚表面损伤，实现自由曲面工件表面极高精度的抛光；
抛光过程中为了避免抛光液中的磨粒沉积，利用磨粒流输送软管将搅拌器与安装在抛光液容器两侧的两个磨粒流输送泵连接成一条磨粒流循环系统；超声波气泡发生器通过连接装置安装于多自由度机械臂末端，多自由度机械臂不断调整超声波气泡发生器变幅杆相对于动压区域的位姿，使变幅杆末端产生的空化气泡正好经过动压区域。
2.如权利要求1所述的三相流动压空化抛光方法，其特征在于：圆柱形抛光工具表面或光滑或开有沟槽，自由曲面工件通过夹具固定于抛光液容器底部，抛光工具与自由曲面工件都完全浸没于混有磨粒的抛光液中；三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨上组成串并混联平台，抛光工具安装在串并混联平台末端，由三自由度串联平台沿X、Y、Z方向控制抛光工具的位置，三杆并联平台控制抛光工具的姿态，使抛光工具相对于自由曲面工件的位姿能够精确控制。
3.如权利要求1所述的三相流动压空化抛光方法，其特征在于：所述磨粒流循环系统由两个磨粒流输送泵、搅拌器和磨粒流输送软管组成，两个磨粒流输送泵分别安装于抛光加工平台两侧，通过磨粒流输送软管与抛光加工平台一端的搅拌器相连，液固二相磨粒流循环系统能有效避免磨粒沉积于抛光液容器底部，提高磨粒流的回收使用效率，从而提升抛光效率。
4.一种如权利要求1所述的三相流动压空化抛光方法的装置，其特征在于：所述装置包括三自由度串联平台、三杆并联平台、混有磨粒的抛光液、磨粒流输送泵、磨粒流输送软管、搅拌器、多自由度机械臂、自由曲面工件、抛光液容器、夹具、伺服电机、联轴器、抛光工具和超声波气泡发生器，安装于抛光液容器上方的三自由度串联平台主要由X、Y、Z方向导轨组成，三个方向的导轨分别由电机驱动，用于控制抛光工具的位置；三杆并联平台由动平台与静平台组成，其中动平台由三根伸缩杆组成，用于控制抛光工具的姿态；三杆并联平台安装于三自由度串联平台的Z方向导轨上组成串并混联平台，抛光工具与伺服电机相连安装在串并混联平台末端，使抛光工具与自由曲面工件保持微间隙的同时高速旋转，产生动压区域；自由曲面工件则通过夹具固定于抛光液容器底部，并且完全浸没于混有磨粒的抛光液中；两个磨粒流输送泵分别安装于抛光液容器两侧，通过磨粒流输送软管与抛光液容器一端搅拌器相连，用于避免抛光过程中的磨粒沉积；超声波气泡发生器通过连接装置安装于多自由度机械臂末端，使超声波气泡发生器的变幅杆末端产生的空化气泡正好经过动压区域。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述抛光工具为圆柱形抛光工具，圆柱形抛光工具则通过连接装置与伺服电机相连安装于三杆并联平台末端，抛光工具表面为带沟槽或光滑。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：两个磨粒流输送泵分别安装于抛光加工平台两侧，通过磨粒流输送软管与搅拌器和抛光液容器相连；磨粒流循环系统在抛光过程中不停地对抛光容器中的磨粒流进行循环搅拌与输送。
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