CN102962776A - 电场致流变射流抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场致流变射流抛光装置。包括工作舱、转台、机床、喷射装置、过滤器、搅拌箱、冷却装置、升压装置、导流管和电流变抛光液。所述机床具有三维直线运动；喷射装置固定在机床的水平移动轴动装置上，并和转台载上物台面相对；工作舱将喷射装置和转台载物台密封；过滤器安置在工作舱和搅拌箱之间；冷却装置安置在搅拌箱外壁；升压系统安置在喷射装置和搅拌箱之间；系统各部件通过导流管连接组成液体回路。工作时，电流变抛光液经升压装置升压并输入通电喷射装置，经喷射装置塑形并发生电流变效应形成稳定的准直射流束，对工件抛光；废液处理后循环使用。本发明结合了电流变抛光和射流抛光技术，属于光学精密加工范畴。

Description

电场致流变射流抛光装置

技术领域

本发明涉及一种光学精密抛光装置，尤其是涉及对光学元件加工的电场致流变射流抛光装置，属于超精密光学表面加工领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对光学元件的要求也渐渐提高，因此伴随着新的抛光技术应运而生。19世纪80年，磨料水射流抛光技术（Fluid Jet Polishing，简称FJP）迅速发展起来；在抛光过程中，混合有磨料粒子的抛光液经高压泵加速后，以一定的速度从喷嘴喷出冲击工件表面，由于冲击作用抛光液柱沿径向散开，产生相对于工件表面的切向速度，使得磨料粒子与工件表面产生相对运动，对工件表面进行切削、划刻加工，实现抛光加工；抛光结束后，液体回收再利用。对于这种抛光技术，由于液柱脱离喷嘴的瞬间所受的束缚压力差和在喷射过程中吸卷效应的作用，使得能够获得稳定喷射的距离非常有限，一般在7-8个喷嘴直径范围内，因此严重影响了这种技术的应用范畴。

随着磁射流抛光技术（Magnetorheological Jet Polishing，简称MJP）的发展，有效的增加了稳定喷射的距离，从而实现较远距离的精确加工；这种技术主要是利用较低的压力系统将混合有磨料的磁流变液吸入安装在电磁线圈内部的铁磁材料制成的喷嘴并喷射，在电磁线圈产生的局部轴向磁场的作用下磁流变抛光液发生流变效应，增加液体的表观粘度，进而增加喷射液柱的稳定性，实现较远距离的确定性抛光。目前使用较为广泛的磁流变液的铁磁粒子主要是羰基铁粉，这种材料虽然较大的提高了磁流变液的特性，但是在常温常压下为有毒固体，因此对环境污染较大；而且由于羰基铁分的使用，该技术不能够加工应用于强激光领域的光学元件。

在1999年，电流变技术（Electrorheological Finishing，简称ERF）应用于抛光领域；主要是利用电流变液在电场作用下表观粘度会发生变化，并且它的屈服强度随着外加电场强度的增大而增加；因此在电流变液中混入磨料后，当施加外加电场时，电流变液在工具电极附近就会形成具有一定表观粘度和剪切力的柔性抛光头，并跟随工具电极运动对工件表面产生剪切，实现抛光。目前应用这种技术的工具有针状电极和轮状电极；对于针状电极抛光工具，由于其剪切速度小且抛光压力有限，导致去除效率较低；对于轮状电极抛光工具，其增加了抛光的相对速度，但是抛光压力主要还是依靠液体发生电流变效应后屈服应力的变化，因此抛光压力的变化范围也受到电场的限制。

发明内容

本发明主要针对目前电流变抛光技术、射流抛光技术和磁射流抛光技术所面临的问题，提供一种污染较小的能够适合较远距离精确而又稳定加工的电场致流变射流抛光装置。所谓电场致流变射流抛光技术是一项将电流变抛光技术和射流技术相结合的抛光技术，主要是在喷嘴和工件之间加沿喷射方向的电场，使得具有一定速度的电流变抛光液在电场的作用下发生电流变效应，变为表观粘度较大的类固态流体，从而减小了由于脱离喷嘴时束缚压力差和喷射过程中吸卷效应造成的液柱扰动；当液柱喷射到工件表面时对工件产生去除。

本发明解决的技术问题所采用的技术方案是：

本发明是一种电场致流变射流抛光装置，包括工作舱、转台、机床、喷射装置、过滤器、搅拌箱、冷却装置、升压装置、导流管和电流变抛光液。

所述的机床提供X、Y和Z方向的精密直线运动轴；转台配有精密载物台并提供载物台的精密旋转；X向轴动装置固定有喷射装置；喷射装置配置有喷嘴和产生沿喷射方向电场的发生装置；工作舱在不影响喷射装置和转台载物台运动使能的同时对其密封并回收废液；过滤器实现对废液过滤净化；搅拌箱配有均匀慢速搅拌的驱动电机和搅拌叶片；冷却装置配置在搅拌箱的外侧；升压装置配置在搅拌箱和喷射装置之间。

所述的抛光装置采用电场致流变射流抛光方式。

所述喷射装置内配置喷嘴和电场发生装置，喷嘴由导电耐磨材料制成并且接地，电场发生装置能够产生具有一定强度的沿喷射方向的电场。

所述电场发生装置具有液体喷射通路，并和喷嘴液体出口相对。

所述工作舱具有在不影响转台和喷射装置运动的情况下对其进行密封的功能，和对废液回收的功能。

所述升压装置的压力可调，搅拌箱电机采用低速电机。

所述液体回路采用耐磨损、耐腐蚀材料。

本发明电场致流变射流抛光装置的工作过程如下：

工作时，按照一定比例混合的磨料、添加剂和电流变液制成的电流变抛光液在搅拌箱内搅拌均匀，电场发生装置通电，机床和转台分别控制喷射装置和工件运动到指定的加工位置；混合均匀的电流变抛光液经过导流管输入到升压装置，液体通过升压装置升压；具有一定压力的电流变抛光液经喷射装置内的喷嘴和电场发生装置产生的轴向电场作用后喷出，形成具有一定压力的稳定射流束；射流束喷射到安装在载物台上工件，实现对工件的去除；废液经工作舱回收进入到过滤器，过滤器对废液过滤净化，滤除工件碎屑的电流变抛光液通过导流管输送到搅拌箱内循环使用；整个加工中冷却装置维持抛光液的温度在一定范围内。

有益效果

本发明有以下优点：

1)本发明是结合电流变抛光技术和射流抛光技术的抛光设备。通过喷嘴和电场发生装置的结合使用，使得抛光射流束更加稳定。由于射流的作用，增加了电流变抛光压力的变化范围；由于电流变效应的作用，增加了射流的稳定性。

2)抛光液未脱离喷嘴之前不受电场作用，液体粘度较低，降低了对抛光系统的要求，从而降低了成本。

3)射流束从喷嘴喷口喷出瞬间，进入电场，通过沿喷射方向的电场作用后，发生电流变效应，表观粘度增加，抑制了由于束缚突变和吸卷效应带来的扰动，使得喷射更加稳定。

4)属于柔性抛光，抛光的压力和抛光的剪切速度可以通过升压系统调节，提高了去除效率。

5)采用接地喷嘴作为阴极，增加了安全性，简化了装置。

6)电流变液采用淀粉作为固相颗粒，不仅扩大了加工范畴而且降低了对环境的污染。

附图说明

图1为本发明的电场致流变射流抛光装置的结构示意图；

图2为本发明的喷射装置采用的第一种结构；

图3为本发明的喷射装置采用第一种结构的电通量密度和通量梯度图；

图4为本发明的喷射装置采用的第二种结构；

图5为本发明的喷射装置采用第二种结构的电通量密度和通量梯度图；

其中，1-工作舱，2-转台，3-机床，4-喷射装置，5-过滤器，6-搅拌箱，7-冷却装置，8-升压装置，9-电流变抛光液，10-工件，11-第一导流管，12-第二导流管，13-准直射流束，14-废液，15-第三导流管，16-保护壳，17-喷嘴，18-阳极板，19-阴极板，20-电场。

具体实施方案

下面结合附图对本发明装置实施方式做进一步详细说明。如图1，为本发明装置的电场致流变射流抛光装置的结构示意图，包括工作舱1、转台2、机床3、喷射装置4、过滤器5，搅拌箱6、冷却装置7、升压装置8、电流变抛光液9、工件10、第一导流管11、第二导流管12、准直射流束13、废液14和第三导流管15。

其中，机床3提供X、Y和Z方向的精密直线运动轴；喷射装置4内装置有喷嘴和电场发生装置，其整体固定在机床3的X轴动装置上，实现三维精密直线运动；载物台安装在转台2的台面上，与喷射装置4相对安置；工件10安装在转台2的载物台上，工作面与喷射装置4的出口相对；工作舱1在不影响喷射装置4和转台2的载物台运动的情况下对其密封，并对废液14进行回收；工作舱1和过滤器5导通；过滤器5通过第三导流管15和搅拌箱6导通；搅拌箱6配备有均匀慢速搅拌电机和搅拌叶片；冷却装置7安装在搅拌箱6的外壁上；喷射装置4和搅拌箱6之间配置有升压装置8，并通过第一导流管11和第二导流管12连接。

所述喷射装置4内配置喷嘴和电场发生装置。

所述所属喷嘴为导电耐磨材料制成，并且接地。

所述升压装置8的压力可调，搅拌箱6配置的搅拌电机采用低速电机。

所述工作舱1在不影响转台2和喷射装置4运动的情况下对其进行密封。

所述整个装置的液体回路采用耐磨损、耐腐蚀材料。

如图2，为本发明的喷射装置4采用的第一种结构。该种结构的喷射装置4配置有保护壳16、喷嘴17和阳极板18，9为电流变抛光液。其中喷嘴17为阴极并接地，阳极板18中心有通液孔并与喷嘴17相对应形成射流通路。

所述喷嘴17和阳极板18组成电场发生装置，其能够产生具有一定强度的沿喷射方向的电场。

如图3，为本发明的喷射装置采用第一种结构的电通量密度和通量梯度图。给喷射装置4内阳极板18通正电压后，在喷嘴17和阳极板18之间产生沿喷射方向分布的电场20，并且电场20主要集中分布在从喷嘴17喷出的电流变抛光液9的喷射路径上。

如图4，为本发明的喷射装置采用的第二种结构。该种结构喷射装置4配置有保护壳16、喷嘴17、阴极板19和阳极板18，9为电流变抛光液。其中喷嘴17接地，阴极板19安装在喷嘴17上并和喷嘴17导通形成阴极，阳极板18通正电压。

所述喷嘴17、阴极板19和阳极板18组成电场发生装置，其能够产生具有一定强度的沿喷射方向的电场。

如图5，为本发明的喷射装置采用第二种结构的电通量密度和通量梯度图。给喷射装置4内阳极板18通正电压后，在喷嘴17、阴极板19和阳极板18之间产生沿喷射方向分布的电场20，电场20在喷嘴17出口以外电流变抛光液9的喷射路径上分布较密。

加工中，电流变抛光液9在搅拌箱6内混合均匀，工件10安装在工作舱1内转台2的载物台上，阳极板18通正电压，机床3、转台2分别带动工作舱1内喷射装置4、工件10到指定位置；被搅拌均匀的电流变抛光液9经第一导流管11被吸入升压装置8升压；具有一定压力电流变抛光液9经过第二导流管12进入喷射装置4，经喷嘴17和电场20作用后形成稳定性较高的准直射流束13，对工件上的指定位置进行喷射抛光；抛光后的废液14经工作舱1回收后导流到过滤器5，过滤器5将废液14中的工件10碎屑和电流变抛光液9分离；分离后的电流变抛光液9经第三导流管15重新进入到搅拌箱6内进行搅拌；整个加工过程中安置在搅拌箱6外壁的冷却装置7始终维持电流变抛光液9在一定温度范围内。

Claims (7)

1.电场致流变射流抛光装置，包括工作舱、转台、机床、喷射装置、过滤器、搅拌箱、冷却装置、升压装置、导流管和电流变抛光液。所述的机床提供X、Y和Z方向的精密运动；转台配有精密载物台并提供载物台的精密旋转；X向轴动装置固定有喷射装置；喷射装置配置有喷嘴和产生沿喷射方向电场的发生装置；工作舱在不影响喷射装置和载物台运动的同时对其密封并回废液；过滤器实现对抛光液的净化；搅拌箱内配有均匀慢速搅拌的驱动电机和搅拌叶片；冷却装置配置在搅拌箱的外侧；升压装置配置在搅拌箱和喷射装置之间。

本发明电场致流变射流抛光装置的工作过程如下：

工作时，将混有一定磨料和添加剂的电流变液制成的电流变抛光液在搅拌箱内搅拌均匀，电场发生装置通电，机床和转台分别控制喷射装置和工件运动到指定的加工位置；混合均匀的电流变抛光液经过导流管从搅拌箱吸入升压装置，升压装置给电流变抛光液提供稳定持续的压力；具有一定压力的抛光液经喷射装置内的喷嘴和电场发生装置产生的轴向电场后喷出，形成具有一定压力的稳定射流束；射流束喷射到安装在载物台上的工件，对工件表面进行去除；废液经工作舱回收进入到过滤器，过滤器对抛光液净化后通过导流管输送到搅拌箱内循环使用；整个加工中冷却装置维持抛光液的温度在一定范围内。

2.根据权利要求1所述的电场致流变射流抛光装置，其特征在于：所述的抛光装置采用电场致流变射流抛光方式。

3.根据权利要求1所述的电场致流变射流抛光装置，其特征在于：所述喷射装置内配置喷嘴和电场发生装置，喷嘴由导电耐磨材料制成并且接地，电场发生装置能够产生具有一定强度的沿喷射方向的电场。

4.根据权利要求1所述的电场致流变射流抛光装置，其特征在于：所述电场发生装置具有液体喷射通路，并和喷嘴液体出口相对。

5.根据权利要求1所述的电场致流变射流抛光装置，其特征在于：所述工作舱具有在不影响转台和喷射装置运动的情况下对其进行密封的功能，且具有对废液回收的功能。

6.根据权利要求1所述的电场致流变射流抛光装置，其特征在于：所述升压装置的压力可调，搅拌箱电机采用低速电机。

7.根据权利要求1所述的电场致流变射流抛光装置，其特征在于：所述液体回路采用耐磨损、耐腐蚀材料。

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