CN103084961A - 硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置 - Google Patents

Abstract

一种硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置，紧定螺钉套装在固定座中心孔内，弹簧套装在紧定螺钉外，紧定螺钉另一端与抛光工具头连接并压紧弹簧，固定座与执行机构固定，固定座中心孔上方有沉孔，沉孔内安装力传感器，紧定螺钉顶端与力传感器之间安装橡胶圈，工件固定在回收底座上；抛光工具头呈圆柱型，抛光工具头上端面中心有螺纹孔，抛光工具头从下端面打盲孔形成磨粒流容腔，抛光工具头侧面有磨料进料孔，磨料进料孔与磨粒流容腔相通，回收底座中心为安装工件的凸台，凸台四周有磨粒流回收槽，回收槽外围有一圈磨粒流挡板，磨粒流挡板高于工件上表面。本发明高精度、高效率、低损伤、低成本。

Description

硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置

技术领域

本发明涉及超精密加工装置。

背景技术

 光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料具有硬度高、耐磨性和抗蚀性好等优异机械性能以及独特的光学性能，其加工精度和表面质量要求也越来越严格，硬脆材料零件的超精密加工技术成为迫切需求和最具挑战性的加工技术领域之一。

 传统的机械抛光方法在材料可控去除、表面损伤和加工效率等方面存在明显缺陷，难以满足高精度超光滑低损伤表面的加工要求，不再适用于此类硬脆材料的超精密加工。

如何实现高精度高质量高效率的抛光加工是硬脆材料超精密加工急需解决的问题。采用计算机控制的确定性抛光(CCOS)技术，通过确定的去除函数，进行逐点可控抛光，可以获得高精度高质量的加工表面，在此基础上开发的先进抛光技术如计算机控制小磨头抛光、离子束抛光、气囊抛光、磨料射流抛光、磁流变抛光与磁射流抛光等代表了超精密抛光技术的发展方向。但是气囊抛光去除率有限，对于工件中存在的高频信息很难去除，这也是计算机控制光学表面成形技术中普遍存在的现象。离子束抛光等可获得极高的表面粗糙度，但材料去除率极低，通常仅用于CMP等抛光工艺后，进一步减小工件表面损伤层，提高表面质量，且加工成本高。磁流变抛光在有效去除低频面形误差的同时，容易产生中高频误差，从而恶化光学系统的成像质量，对于强激光高聚能系统高分辨率探测系统尤为显著。另一方面，磁流变装置复杂，需要针对不同的工件材料配置不同的磁流变液，加工成本较高。由于磨料流无约束，导致微磨料射流到工件表面是发散的，不是确定的集束，因此微磨料射流的加工精度偏低。另外，微磨粒射流对工件表面的机械冲击容易引起加工损伤，不能满足低损伤光学元件抛光的实际需要。磁射流抛光技术减小了磨粒流的发散角，在高陡度的凹形光学零件和内腔等复杂形面的确定性精密抛光中具有潜在的独特优势。但是，磁射流抛光需要特殊的磁流变液，与磁流变抛光一样，加工成本较高。

发明内容

本发明针对现有硬脆材料零件的抛光加工的加工精度较低、工作效率较低、损伤较大、成本高的不足，本发明提出一种高精度、高效率、低损伤、低成本的硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置，包括抛光工具头、弹簧、紧定螺钉、力传感器、固定座、回收底座和执行机构，所述紧定螺钉套装在固定座中心孔内，所述弹簧套装在紧定螺钉外，所述紧定螺钉另一端与抛光工具头连接并压紧弹簧，所述固定座与执行机构固定，所述固定座中心孔上方有沉孔，所述沉孔内安装力传感器，所述紧定螺钉顶端与力传感器之间安装橡胶圈，所述工件固定在回收底座上；

所述抛光工具头呈圆柱型，所述抛光工具头上端面中心有螺纹孔，所述抛光工具头从下端面打盲孔形成磨粒流容腔，所述抛光工具头侧面有磨料进料孔，所述磨料进料孔与磨粒流容腔相通，所述抛光工具头为对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成的工具头；

所述回收底座中心为安装工件的凸台，所述凸台四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外围有一圈磨粒流挡板，所述磨粒流挡板高于工件上表面。

进一步，所述回收槽内有磨粒流回收出口，所述磨粒流回收出口通过管道与回收泵的进料口连接，所述回收泵的出料口与搅拌装置的进料口接通，所述搅拌装置的出料口与供料泵的进料口连接，所述供料泵的出料孔与抛光工具头上端面的磨料进料孔接通。所述压力表安装在搅拌装置和供料装置的连接气管之间，所述供料泵和回收泵上都有流量调节装置。

再进一步，所述抛光工具头通过执行机构带动初始状态时下端面被压在工件表面上。

本发明的技术构思为：抛光工具头通过弹簧预加一个可调的弹性压力，抛光工具头里没有磨粒流或者磨粒流的压力不够大时，抛光工具下端面被压在工件表面上；一旦抛光工具中的磨粒流压力大于外加弹性压力，抛光工具下端面与工件表面形成一个缝隙，磨粒流从该缝隙沿着抛光工具端面流出，强制磨粒对工件表面进行抛光加工。所述力传感器可测量当前位置磨粒流对抛光工具头的压力大小，设定好传感器压力的初始值，加工过程中当传感器力值大于设定值时，执行机构控制抛光工具头在当前位置持续加工，直到力值小于等于设定值再进行下一位置的加工。

    磨粒流在抛光工具的约束下，完全改变了磨料水射流的形成方式，无须极小极细的喷嘴即可实现射流加工，加工状态时抛光头压向工件表面，磨料流在抛光工具头的约束下，改变了射流方向，通过抛光工具头端面沿着与工件表面的切向高速流出。应用该方法进行抛光加工时将松散的磨粒流法向喷射的加工方式改变为强制约束的切向磨粒流加工方式，不仅解决了射流束界面的不稳定性问题，而且使得磨粒沿工件表面运动，强化了磨粒对工件表面的剪切作用，弱化了磨粒对工件表面的法向冲击作用，主要是磨粒流的剪切和划擦作用去除工件表面材料。因此，该方法既可以减小冲击损伤，又具有较强的材料去除能力。

磨粒流可以通过回收槽被回收循环利用，节约了加工成本，减少了环境污染。

本发明的有益效果为：高精度、高效率、低损伤、低成本。

附图说明

图1是一种硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置示意图。

 图2是系统原理示意图。

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-图2，一种硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置，包括抛光工具头5、弹簧4、紧定螺钉3、力传感器13、固定座2、回收底座6和执行机构1，所述紧定螺钉3套装在固定座2中心孔内，所述弹簧4套装在紧定螺钉3外，所述紧定螺钉3另一端与抛光工具头5通过螺纹连接并压紧弹簧4，所述固定座2通过螺栓与执行机构1固定，所述固定座2中心孔上方有沉孔，所述沉孔内安装力传感器13，所述紧定螺钉3顶端与力传感器13之间安装橡胶圈，所述工件8通过销柱7固定在回收底座6上。

所述抛光工具头5呈圆柱型，所述抛光工具头5上端面中心有螺纹孔，所述抛光工具头5从下端面打盲孔形成直径较大的磨粒流容腔10，所述抛光工具头5侧面有磨料进料孔11，所述磨料进料孔11与磨粒流容腔10相通，所述抛光工具头5采用对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成，所述回收底座6中心为安装工件的凸台，所述凸台四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外围有一圈磨粒流挡板，所述磨粒流挡板高于工件上表面，所述回收槽内有磨粒流回收出口9，所述磨粒流回收出口9通过管道15与回收泵19的进料口连接，所述回收泵19的出料口与搅拌装置18的进料口接通，所述搅拌装置18的出料口与供料泵16的进料口连接，所述供料泵16的出料孔与抛光工具头上端面的磨料进料孔11接通。所述压力表17安装在搅拌装置18和供料装置16的连接气管之间，所述供料泵16和回收泵18上都有流量调节装置。

进一步，所述抛光工具头5初始状态下通过执行机构1控制其下端面压在工件8的表面上，所述力传感器13可测量当前位置磨粒流对抛光工具头的压力大小，设定好传感器压力的初始值，加工过程中当传感器力值大于设定值时，执行机构控制抛光工具头在当前位置持续加工，直到力值小于等于设定值再进行下一位置的加工。 

Claims (3)

1.一种硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置，其特征在于：包括抛光工具头、弹簧、紧定螺钉、力传感器、固定座、回收底座和执行机构，所述紧定螺钉套装在固定座中心孔内，所述弹簧套装在紧定螺钉外，所述紧定螺钉另一端与抛光工具头连接并压紧弹簧，所述固定座与执行机构固定，所述固定座中心孔上方有沉孔，所述沉孔内安装力传感器，所述紧定螺钉顶端与力传感器之间安装橡胶圈，所述工件固定在回收底座上；

所述抛光工具头呈圆柱型，所述抛光工具头上端面中心有螺纹孔，所述抛光工具头从下端面打盲孔形成磨粒流容腔，所述抛光工具头侧面有磨料进料孔，所述磨料进料孔与磨粒流容腔相通，所述抛光工具头为对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成的工具头；

所述回收底座中心为安装工件的凸台，所述凸台四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外围有一圈磨粒流挡板，所述磨粒流挡板高于工件上表面。

2.如权利要求1所述的硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置，其特征在于：所述回收槽内有磨粒流回收出口，所述磨粒流回收出口通过管道与回收泵的进料口连接，所述回收泵的出料口与搅拌装置的进料口接通，所述搅拌装置的出料口与供料泵的进料口连接，所述供料泵的出料孔与抛光工具头上端面的磨料进料孔接通；

所述压力表安装在搅拌装置和供料装置的连接气管之间，所述供料泵和回收泵上都有流量调节装置。

3.如权利要求1或2所述的硬脆材料零件的约束磨粒流超精密加工装置，其特征在于：所述抛光工具头通过执行机构带动初始状态时下端面被压在工件表面上。

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