CN103084985A - 一种约束磨粒流的超精密加工装置 - Google Patents
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Abstract
一种约束磨粒流的超精密加工装置，包括抛光工具头、供料装置、回收底座和运动执行机构，抛光工具头中，护套套装在喷嘴的安装台阶上，喷嘴与抛光头管座固定连接，弹簧套装在喷嘴上并压紧护套，护套和喷嘴配合面上开有密封槽，护套为由对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成的护套，喷嘴中心打通孔，抛光头管座内设有供磨粒流流入的通道，抛光头管座固定在安装板上，激光位移传感器固定在抛光头管座的一侧，安装板与运动执行机构连接；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，回收槽内有磨粒流回收出口。本发明精度高、加工效率高、损伤小、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及加工装置。
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，不再适用于此类元件的超精密加工。
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，导致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低、加工效率较低、损伤较大、成本较高的不足，本发明提出一种精度高、加工效率高、损伤小、成本低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：
一种约束磨粒流的超精密加工装置，包括抛光工具头、供料装置、回收底座和运动执行机构，所述抛光工具头包括喷嘴、护套、安装板、抛光头管座、弹簧和激光位移传感器，所述护套套装在喷嘴的安装台阶上，所述喷嘴与抛光头管座固定连接，所述弹簧套装在喷嘴上并压紧护套，所述护套和喷嘴配合面上开有密封槽，所述护套为由对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成的护套，所述喷嘴中心打通孔，所述抛光头管座内设有供磨粒流流入的通道，所述抛光头管座固定在安装板上，所述激光位移传感器固定在抛光头管座的一侧，所述安装板与运动执行机构连接；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，所述回收槽内有磨粒流回收出口。
进一步，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。
更进一步，所述喷嘴上部铣有安装平面，所述抛光头管座四周均布螺纹孔通过螺栓与安装板连接，所述抛光头管座中心有与喷嘴连接的中心螺纹孔，所述抛光头管座从侧面设有管螺纹孔且与中心螺纹孔相通，所述磨粒流供料管与抛光头上的管螺纹孔连接。
所述激光位移传感器处于抛光工具头运动方向的前端，所述激光位移传感器与上位机连接，所述上位机与所述运动执行机构连接。
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。通过激光位移传感器可准确测量出工件表面信息，通过控制抛光工具头的停留抛光的时间或磨粒流流量进行超精密抛光加工。
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：精度高、加工效率高、损伤小、成本低。
附图说明
图1是一种约束磨粒流的超精密加工装置的示意图。
图2是抛光头管座的示意图。
图3是图2的B-B截面图。
图4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4，一种约束磨粒流的超精密加工装置，包括抛光工具头、供料装置、回收底座21和运动执行机构20，所述抛光工具头包括喷嘴3、护套1、安装板9、抛光头管座6、弹簧5、激光位移传感器7，所述护套1套装在喷嘴3的安装台阶上，所述喷嘴3与抛光头管座6通过螺纹连接，所述弹簧5套装在喷嘴3上并压紧护套1，所述安装板9上有抛光头管座安装孔10，所述抛光头管座6通过螺栓固定在安装板9上，所述激光位移传感器7固定在抛光头管座6的一侧，所述安装板9四周通过安装孔8与运动执行机构20连接。
所述护套1和喷嘴3配合面上开有密封槽2，所述护套1采用对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成，所述喷嘴3中心打通孔4，所述喷嘴3上部铣有安装平面14，所述抛光头管座6四周均布螺纹孔11通过螺栓与安装板9连接，所述抛光头管座6中心有与喷嘴连接的中心螺纹孔12，所述抛光头管座6从侧面设有管螺纹孔13且与中心螺纹孔相通12，所述回收底座21中心为安装工件的凸台，所述工件22通过销柱23固定在凸台上，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24，所述磨粒流回收出口24通过管道与回收泵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，所述供料泵通过管道15与抛光头上的管螺纹孔13连接，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。
进一步，所述激光位移传感器7安装在抛光头管座6的一侧，加工过程中始终位抛光头运动方向的前端，所述激光位移传感器7可准确测量出抛光头与工件表面的距离大小，根据激光位移传感器反馈的信息控制抛光工具头在激光位移传感器测量点的驻留时间，从而实现工件可控去除的超精密加工。
Claims (4)
1.一种约束磨粒流的超精密加工装置，其特征在于：包括抛光工具头、供料装置、回收底座和运动执行机构，所述抛光工具头包括喷嘴、护套、安装板、抛光头管座、弹簧和激光位移传感器，所述护套套装在喷嘴的安装台阶上，所述喷嘴与抛光头管座固定连接，所述弹簧套装在喷嘴上并压紧护套，所述护套和喷嘴配合面上开有密封槽，所述护套为由对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成的护套，所述喷嘴中心打通孔，所述抛光头管座内设有供磨粒流流入的通道，所述抛光头管座固定在安装板上，所述激光位移传感器固定在抛光头管座的一侧，所述安装板与运动执行机构连接；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，所述回收槽内有磨粒流回收出口。
2.如权利要求1所述的约束磨粒流的超精密加工装置，其特征在于：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所述的约束磨粒流的超精密加工装置，其特征在于：所述喷嘴上部铣有安装平面，所述抛光头管座四周均布螺纹孔通过螺栓与安装板连接，所述抛光头管座中心有与喷嘴连接的中心螺纹孔，所述抛光头管座从侧面设有管螺纹孔且与中心螺纹孔相通，所述磨粒流供料管与抛光头上的管螺纹孔连接。
4.如权利要求1或2所述的约束磨粒流的超精密加工装置，其特征在于：所述激光位移传感器处于抛光工具头运动方向的前端，所述激光位移传感器与上位机连接，所述上位机与所述运动执行机构连接。
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