CN103237402B - 大气等离子体加工装置 - Google Patents

Abstract

大气等离子体加工装置，它属于等离子体加工设备的技术领域。它是为了解决现有五轴机床不能满足大气等离子体加工响应速度快、一体化等离子体发生装置装夹、屏蔽外界电磁干扰、工作舱密闭性需求的问题。它的壳体罩在底座的上端面上，并联机构采用3-PRS型并联机构，并联机构的上端面都连接在壳体的上端内表面上，并联机构的下侧活动端分别与三角平台的三个角连接，等离子体发生装置设置在三角平台的中部上，水平运动工作平台的下端面与底座上端面的中部连接，水平运动工作平台的上端面用于装夹待加工工件。本发明解决了普通五轴机床响应速度慢、一体化等离子体发生装置装夹不便，不能满足大气等离子体加工需求的问题。<u/>

Description

大气等离子体加工装置

技术领域

本发明属于等离子体加工设备的技术领域。

背景技术

科学技术快速发展的今天，微型化、智能化、轻量化的硅基超精密零件在天文，航空航天，军事和能源等领域应用越来越广泛，需求越来越多，对于材料加工表面质量要求也越来越高，诸如纳米级的表面粗糙度，加工表面无变质层和亚表面损伤等要求。在这种背景下，大气等离子体加工方法被提出，通过活性等离子体来激活并促进化学反应的进行，反应去除为原子级，可达到极高的表面质量。由于大气等离子体加工技术属于非接触式化学加工，所以不会产生机械接触力导致的工件表面损伤，因此无加工表面变质层和亚表面损伤。

由于大气等离子体加工的诸多优势，引起了诸如日本大阪大学，美国Lawrence Livermore国家实验室及英国克兰菲尔德大学相关学者的关注，广泛开展了其加工工艺及机床设计研究。

大气等离子体加工方式包括电容耦合等离子体(CCP)加工方式，电感耦合等离子体(ICP)加工方式及电容耦合等离子体成型电极加工方式，每种加工方式材料去除率和加工后所得到的表面质量不同。采用不同加工方式，常需更换机床，工件需要重新装夹，使加工工艺复杂；工件重新定位也降低了加工精度。

现有的普通五轴机床满足不了大气等离子体加工需求，如将匹配器和等离子体负载源集成后，其整体体积增加，体积过大，不便于安装在常规机床回转主轴上；集成后的一体化等离子体发生装置，需要特殊的动平台支撑；大气等离子体加工需要密闭的工作舱和电磁屏蔽罩，以便将加工后的废气回收处理及屏蔽外界电磁干扰，同时将采用ICP加工方式时所产生电磁辐射屏蔽在工作舱内，保证工作人员的安全；此外，工作台需要较高的速度，才能保证加工需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气等离子体加工装置，是为了解决现有五轴机床不能满足大气等离子体加工响应速度快、一体化等离子体发生装置装夹、屏蔽外界电磁干扰、工作舱密闭性需求的问题。

所述的目的是通过以下方案实现的：所述的一种大气等离子体加工装置，它包含并联机构、等离子体发生装置、三角平台、水平运动工作平台、底座、壳体、射频电源、混合等离子体气源、气冷式等离子体保护气罩喷嘴；

壳体F罩在底座E的上端面上，并联机构、等离子体发生装置、三角平台、水平运动工作平台都设置在壳体F中；并联机构采用3-PRS型并联机构，是三自由度的并联机构，其三条支链以120度对称分布在三角平台周围，并联机构的上端面都连接在壳体F的上端内表面上，并联机构的下侧活动端分别与三角平台的三个角连接，使三角平台能具有三个自由度，可垂直运动和以一定角度绕两个水平轴转动，等离子体发生装置设置在三角平台的中部上，水平运动工作平台的下端面与底座上端面的中部连接，水平运动工作平台的上端面用于装夹待加工工件；所述等离子体发生装置由匹配器、电容耦合等离子体射流炬模块、电感耦合等离子体炬模块、成形电极模块组成：所述电容耦合等离子体射流炬模块由电容耦合等离子体射流炬、第一连接支架、第一绝缘连接架、第一保护罩组成；第一绝缘连接架的底端面连接在第一连接支架的中部，电容耦合等离子体射流炬的外壳中部镶嵌在第一绝缘连接架的孔中，第一保护罩围绕在电容耦合等离子体射流炬的周围，并与第一连接支架连接，使电容耦合等离子体射流炬的喷嘴露在第一连接支架和第一保护罩的外部；所述电感耦合等离子体炬模块由电感耦合等离子体炬、第二连接支架、第二绝缘连接架、第二保护罩组成；第二绝缘连接架的底端面连接在第二连接支架的中部，电感耦合等离子体炬的外壳中部镶嵌在第二绝缘连接架的孔中，第二保护罩围绕在电感耦合等离子体炬的周围，并与第二连接支架连接，使电感耦合等离子体炬的喷嘴露在第二连接支架和第二保护罩的外部；所述成形电极模块由成形电极、第三连接支架、第三绝缘连接架、第三保护罩组成；第三绝缘连接架的上端面与第三连接支架的下端面连接，成形电极的上端面与第三绝缘连接架的下端面连接，成形电极的导电引线穿过第三绝缘连接架上的孔和第三连接支架下侧的孔后设置在第三连接支架的中部附近，第三保护罩围绕在导电引线的周围，并与第三连接支架连接；当匹配器与电容耦合等离子体射流炬模块组合连接时，电容耦合等离子体射流炬模块2的第一连接支架的上端面与匹配器的下面端面连接，匹配器的正极引线穿过第一连接支架上端的孔后与电容耦合等离子体射流炬的正极引线导电连接，匹配器的负极引线穿过第一连接支架上端的孔后与电容耦合等离子体射流炬的负极引线导电连接；当匹配器与电感耦合等离子体炬模块组合连接时，电感耦合等离子体炬模块的第二连接支架的上端面与匹配器的下面端面连接，匹配器的正极引线穿过第二连接支架上端的孔后与电感耦合等离子体炬的正极引线导电连接，匹配器的负极引线穿过第二连接支架上端的孔后与电感耦合等离子体炬的负极引线导电连接；当匹配器与成形电极模块组合连接时，成形电极模块的第三连接支架的上端面与匹配器的下面端面连接，匹配器的正极引线穿过第三连接支架上端的孔后与成形电极的正极引线导电连接；气冷式等离子体保护气罩喷嘴由固定板、圆管形保护罩、圆管形炬管延长件组成；圆管形保护罩的内孔呈锥形，其内侧壁上有三个间隔120度分布通气孔，并保证气流的均匀性；三个通气孔都与圆管形保护罩内锥孔的圆面相切，使气体沿切向进入；圆管形炬管延长件下端外面的圆周上设置有一个圆盘，圆盘的外圆面呈锥形，固定板中部设置有通孔，圆管形保护罩上端外圆面镶嵌在通孔中，圆管形炬管延长件上端外圆面镶嵌在圆管形保护罩上端内孔中，圆管形炬管延长件下端处圆盘的外圆锥形面与圆管形保护罩的下端内圆面密封连接或之间设置有间隙，使圆管形炬管延长件下侧外圆面与圆管形保护罩下侧外圆面围成一圈环形气腔，使环形气腔与三个通气孔导气连通；当圆管形炬管延长件下端处圆盘的外圆锥形面与圆管形保护罩的下端内圆面之间设置有间隙时，间隙与环形气腔导气连通；当匹配器与电容耦合等离子体射流炬模块组合连接时，其中电容耦合等离子体射流炬的喷嘴与圆管形炬管延长件的上端口连接，并使圆管形炬管延长件上端口的内直径与电容耦合等离子体射流炬喷嘴的内直径相等；当匹配器与电感耦合等离子体炬模块组合连接时，其中电感耦合等离子体炬的喷嘴与圆管形炬管延长件的上端口连接，并使圆管形炬管延长件上端口的内直径与电感耦合等离子体炬喷嘴的内直径相等；匹配器的输入端连接射频电源的输出端，混合等离子体气源的气体输出端口与电容耦合等离子体射流炬模块的气体输入端口连接或电感耦合等离子体炬模块的气体输入端口连接或成形电极模块的气体输入端口连接；三个通气孔的输入端口与混合等离子体气源的保护气体输出端口连接。

本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明的大气等离子体加工装置并联机构部分，解决了普通五轴机床响应速度慢、一体化等离子体发生装置装夹不便，不能满足大气等离子体加工需求的问题，设计了特殊的并联机构动平台，安装一体化等离子体发生装置。

2、本发明机床外壳和机床底座所形成的密封舱，有效密闭了反应气体和加工尾气，便于尾气收集和处理，环保效益好；且密闭舱避上安装有屏蔽网，能有效屏蔽舱外电磁干扰；采用电感耦合等离子体炬加工时，电感线圈产生的电磁辐射，屏蔽在工作舱内，保证操作人员的安全。

3、本发明的一体化等离子体发生装置，集成了电容耦合等离子体源和电感耦合等离子体源，模块化设计，为实现不同加工目的，可简便快速更换等离子体源模块，而不需成套更换匹配器和等离子体源，极大的降低了成本，节省了加工时间，一机多用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是当匹配器1与电容耦合等离子体射流炬模块2组合连接时的结构示意图；

图3是当匹配器1与电感耦合等离子体炬模块3组合连接时的结构示意图；

图4是当匹配器1与成形电极模块4组合连接时的结构示意图；

图5是气冷式等离子体保护气罩喷嘴K的结构示意图；

图6是图5的仰视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，它包含并联机构A、等离子体发生装置B、三角平台C、水平运动工作平台D、底座E、壳体F、射频电源G、混合等离子体气源H、气冷式等离子体保护气罩喷嘴K；

壳体F罩在底座E的上端面上，并联机构A、等离子体发生装置B、三角平台C、水平运动工作平台D都设置在壳体F中；并联机构A采用3-PRS型并联机构，是三自由度的并联机构，其三条支链以120度对称分布在三角平台C周围，并联机构A的上端面都连接在壳体F的上端内表面上，并联机构A的下侧活动端分别与三角平台C的三个角连接，使三角平台C能具有三个自由度，可垂直运动和以一定角度绕两个水平轴转动，等离子体发生装置B设置在三角平台C的中部上，水平运动工作平台D的下端面与底座E上端面的中部连接，水平运动工作平台D的上端面用于装夹待加工工件；所述等离子体发生装置B由匹配器1、电容耦合等离子体射流炬模块2、电感耦合等离子体炬模块3、成形电极模块4组成：所述电容耦合等离子体射流炬模块2由电容耦合等离子体射流炬2-1、第一连接支架2-2、第一绝缘连接架2-3、第一保护罩2-4组成；第一绝缘连接架2-3的底端面连接在第一连接支架2-2的中部，电容耦合等离子体射流炬2-1的外壳中部镶嵌在第一绝缘连接架2-3的孔2-5中，第一保护罩2-4围绕在电容耦合等离子体射流炬2-1的周围，并与第一连接支架2-2连接，使电容耦合等离子体射流炬2-1的喷嘴露在第一连接支架2-2和第一保护罩2-4的外部；所述电感耦合等离子体炬模块3由电感耦合等离子体炬3-1、第二连接支架3-2、第二绝缘连接架3-3、第二保护罩3-4组成；第二绝缘连接架3-3的底端面连接在第二连接支架3-2的中部，电感耦合等离子体炬3-1的外壳中部镶嵌在第二绝缘连接架3-3的孔3-5中，第二保护罩3-4围绕在电感耦合等离子体炬3-1的周围，并与第二连接支架3-2连接，使电感耦合等离子体炬3-1的喷嘴露在第二连接支架3-2和第二保护罩3-4的外部；所述成形电极模块4由成形电极4-1、第三连接支架4-2、第三绝缘连接架4-3、第三保护罩4-4组成；第三绝缘连接架4-3的上端面与第三连接支架4-2的下端面连接，成形电极4-1的上端面与第三绝缘连接架4-3的下端面连接，成形电极4-1的导电引线4-5穿过第三绝缘连接架4-3上的孔和第三连接支架4-2下侧的孔后设置在第三连接支架4-2的中部附近，第三保护罩4-4围绕在导电引线4-5的周围，并与第三连接支架4-2连接；当匹配器1与电容耦合等离子体射流炬模块2组合连接时，电容耦合等离子体射流炬模块2的第一连接支架2-2的上端面与匹配器1的下面端面连接，匹配器1的正极引线穿过第一连接支架2-2上端的孔后与电容耦合等离子体射流炬2-1的正极引线导电连接，匹配器1的负极引线穿过第一连接支架2-2上端的孔后与电容耦合等离子体射流炬2-1的负极引线导电连接；当匹配器1与电感耦合等离子体炬模块3组合连接时，电感耦合等离子体炬模块3的第二连接支架3-2的上端面与匹配器1的下面端面连接，匹配器1的正极引线穿过第二连接支架3-2上端的孔后与电感耦合等离子体炬3-1的正极引线导电连接，匹配器1的负极引线穿过第二连接支架3-2上端的孔后与电感耦合等离子体炬3-1的负极引线导电连接；当匹配器1与成形电极模块4组合连接时，成形电极模块4的第三连接支架4-2的上端面与匹配器1的下面端面连接，匹配器1的正极引线穿过第三连接支架4-2上端的孔后与成形电极4-1的正极引线导电连接；气冷式等离子体保护气罩喷嘴K由固定板K1、圆管形保护罩K2、圆管形炬管延长件K3组成；圆管形保护罩K2的内孔呈锥形，其内侧壁上有三个间隔120度分布通气孔K2-1，并保证气流的均匀性；三个通气孔K2-1都与圆管形保护罩K2内锥孔的圆面相切，使气体沿切向进入；圆管形炬管延长件K3下端外面的圆周上设置有一个圆盘K3-1，圆盘K3-1的外圆面呈锥形，固定板K1中部设置有通孔K1-1，圆管形保护罩K2上端外圆面镶嵌在通孔K1-1中，圆管形炬管延长件K3上端外圆面镶嵌在圆管形保护罩K2上端内孔中，圆管形炬管延长件K3下端处圆盘K3-1的外圆锥形面与圆管形保护罩K2的下端内圆面密封连接或之间设置有间隙K3-2，使圆管形炬管延长件K3下侧外圆面与圆管形保护罩K2下侧外圆面围成一圈环形气腔K3-4，使环形气腔K3-4与三个通气孔K2-1导气连通；当圆管形炬管延长件K3下端处圆盘K3-1的外圆锥形面与圆管形保护罩K2的下端内圆面之间设置有间隙K3-2时，间隙K3-2与环形气腔K3-4导气连通；当匹配器1与电容耦合等离子体射流炬模块2组合连接时，其中电容耦合等离子体射流炬2-1的喷嘴与圆管形炬管延长件K3的上端口连接，并使圆管形炬管延长件K3上端口的内直径与电容耦合等离子体射流炬2-1喷嘴的内直径相等；当匹配器1与电感耦合等离子体炬模块3组合连接时，其中电感耦合等离子体炬3-1的喷嘴与圆管形炬管延长件K3的上端口连接，并使圆管形炬管延长件K3上端口的内直径与电感耦合等离子体炬3-1喷嘴的内直径相等；匹配器1的输入端连接射频电源G的输出端，混合等离子体气源H的气体输出端口与电容耦合等离子体射流炬模块2的气体输入端口连接或电感耦合等离子体炬模块3的气体输入端口连接或成形电极模块4的气体输入端口连接；三个通气孔K2-1的输入端口与混合等离子体气源H的保护气体输出端口连接。

所述匹配器1的可采用常州瑞思杰尔电子科技有限公司生产的型号为PSG-III的匹配器，其射频输入频率为27.12MHz或40.68MHz。

所述电容耦合等离子体射流炬2-1的具体结构设计可参见中国专利200610010156.3“用于超光滑表面加工的电容耦合式射频常压等离子体炬”。

所述电感耦合等离子体炬3-1采用电感耦合等离子体质谱技术与电感耦合等离子体发射光谱分析技术中常见的Fassel炬管和Greenfild炬管。

当匹配器1与成形电极模块4组合连接时，应配合地电极共同工作使用。

工作原理：本发明将匹配器和等离子体炬集成为一体，匹配器功率直接加载到等离子体炬上，无需负载线连接，缩短了匹配器和负载之间的距离，可有效降低外界对装置的电磁干扰，同时使阻抗匹配效果更加稳定；采用ICP模块时，无需负载线，大功率工作时，安全性高；一体化设计便于机构整体置于机床动平台，随动平台按要求运动，不影响ICP稳定性。等离子体发生装置采用了模块化设计，可根据加工需求采用不同的等离子发生模块，工件无需重复装夹，可实现不同的加工目的，加工模块互换性强；采用气冷式等离子体喷嘴，可使加工反应充分进行，并减小沉积现象，同时降低等离子体及工件表面温度，起到冷却工件的作用；大气等离子体加工装置提高了加工效率，等离子体源模块互换性好，可实现不同面型加工需求。一机多用，综合性好，加工精度高。

Claims (1)

1.大气等离子体加工装置，其特征在于它包含并联机构(A)、等离子体发生装置(B)、三角平台(C)、水平运动工作平台(D)、底座(E)、壳体(F)、射频电源(G)、混合等离子体气源(H)、气冷式等离子体保护气罩喷嘴(K)；

壳体(F)罩在底座(E)的上端面上，并联机构(A)、等离子体发生装置(B)、三角平台(C)、水平运动工作平台(D)都设置在壳体(F)中；并联机构(A)采用3-PRS型并联机构，是三自由度的并联机构，其三条支链以120度对称分布在三角平台(C)周围，并联机构(A)的上端面都连接在壳体(F)的上端内表面上，并联机构(A)的下侧活动端分别与三角平台(C)的三个角连接，使三角平台(C)能具有三个自由度，可垂直运动和以一定角度绕两个水平轴转动，等离子体发生装置(B)设置在三角平台(C)的中部上，水平运动工作平台(D)的下端面与底座(E)上端面的中部连接，水平运动工作平台(D)的上端面用于装夹待加工工件；所述等离子体发生装置(B)由匹配器(1)、电容耦合等离子体射流炬模块(2)、电感耦合等离子体炬模块(3)、成形电极模块(4)组成：所述电容耦合等离子体射流炬模块(2)由电容耦合等离子体射流炬(2-1)、第一连接支架(2-2)、第一绝缘连接架(2-3)、第一保护罩(2-4)组成；第一绝缘连接架(2-3)的底端面连接在第一连接支架(2-2)的中部，电容耦合等离子体射流炬(2-1)的外壳中部镶嵌在第一绝缘连接架(2-3)的孔(2-5)中，第一保护罩(2-4)围绕在电容耦合等离子体射流炬(2-1)的周围，并与第一连接支架(2-2)连接，使电容耦合等离子体射流炬(2-1)的喷嘴露在第一连接支架(2-2)和第一保护罩(2-4)的外部；所述电感耦合等离子体炬模块(3)由电感耦合等离子体炬(3-1)、第二连接支架(3-2)、第二绝缘连接架(3-3)、第二保护罩(3-4)组成；第二绝缘连接架(3-3)的底端面连接在第二连接支架(3-2)的中部，电感耦合等离子体炬(3-1)的外壳中部镶嵌在第二绝缘连接架(3-3)的孔(3-5)中，第二保护罩(3-4)围绕在电感耦合等离子体炬(3-1)的周围，并与第二连接支架(3-2)连接，使电感耦合等离子体炬(3-1)的喷嘴露在第二连接支架(3-2)和第二保护罩(3-4)的外部；所述成形电极模块(4)由成形电极(4-1)、第三连接支架(4-2)、第三绝缘连接架(4-3)、第三保护罩(4-4)组成；第三绝缘连接架(4-3)的上端面与第三连接支架(4-2)的下端面连接，成形电极(4-1)的上端面与第三绝缘连接架(4-3)的下端面连接，成形电极(4-1)的导电引线(4-5)穿过第三绝缘连接架(4-3)上的孔和第三连接支架(4-2)下侧的孔后设置在第三连接支架(4-2)的中部附近，第三保护罩(4-4)围绕在导电引线(4-5)的周围，并与第三连接支架(4-2)连接；当匹配器(1)与电容耦合等离子体射流炬模块(2)组合连接时，电容耦合等离子体射流炬模块(2)的第一连接支架(2-2)的上端面与匹配器(1)的下面端面连接，匹配器(1)的正极引线穿过第一连接支架(2-2)上端的孔后与电容耦合等离子体射流炬(2-1)的正极引线导电连接，匹配器(1)的负极引线穿过第一连接支架(2-2)上端的孔后与电容耦合等离子体射流炬(2-1)的负极引线导电连接；当匹配器(1)与电感耦合等离子体炬模块(3)组合连接时，电感耦合等离子体炬模块(3)的第二连接支架(3-2)的上端面与匹配器(1)的下面端面连接，匹配器(1)的正极引线穿过第二连接支架(3-2)上端的孔后与电感耦合等离子体炬(3-1)的正极引线导电连接，匹配器(1)的负极引线穿过第二连接支架(3-2)上端的孔后与电感耦合等离子体炬(3-1)的负极引线导电连接；当匹配器(1)与成形电极模块(4)组合连接时，成形电极模块(4)的第三连接支架(4-2)的上端面与匹配器(1)的下面端面连接，匹配器(1)的正极引线穿过第三连接支架(4-2)上端的孔后与成形电极(4-1)的正极引线导电连接；气冷式等离子体保护气罩喷嘴(K)由固定板(K1)、圆管形保护罩(K2)、圆管形炬管延长件(K3)组成；圆管形保护罩(K2)的内孔呈锥形，其内侧壁上有三个间隔120度分布通气孔(K2-1)，并保证气流的均匀性；三个通气孔(K2-1)都与圆管形保护罩(K2)内锥孔的圆面相切，使气体沿切向进入；圆管形炬管延长件(K3)下端外面的圆周上设置有一个圆盘(K3-1)，圆盘(K3-1)的外圆面呈锥形，固定板(K1)中部设置有通孔(K1-1)，圆管形保护罩(K2)上端外圆面镶嵌在通孔(K1-1)中，圆管形炬管延长件(K3)上端外圆面镶嵌在圆管形保护罩(K2)上端内孔中，圆管形炬管延长件(K3)下端处圆盘(K3-1)的外圆锥形面与圆管形保护罩(K2)的下端内圆面密封连接或之间设置有间隙(K3-2)，使圆管形炬管延长件(K3)下侧外圆面与圆管形保护罩(K2)下侧外圆面围成一圈环形气腔(K3-4)，使环形气腔(K3-4)与三个通气孔(K2-1)导气连通；当圆管形炬管延长件(K3)下端处圆盘(K3-1)的外圆锥形面与圆管形保护罩(K2)的下端内圆面之间设置有间隙(K3-2)时，间隙(K3-2)与环形气腔(K3-4)导气连通；当匹配器(1)与电容耦合等离子体射流炬模块(2)组合连接时，其中电容耦合等离子体射流炬(2-1)的喷嘴与圆管形炬管延长件(K3)的上端口连接，并使圆管形炬管延长件(K3)上端口的内直径与电容耦合等离子体射流炬(2-1)喷嘴的内直径相等；当匹配器(1)与电感耦合等离子体炬模块(3)组合连接时，其中电感耦合等离子体炬(3-1)的喷嘴与圆管形炬管延长件(K3)的上端口连接，并使圆管形炬管延长件(K3)上端口的内直径与电感耦合等离子体炬(3-1)喷嘴的内直径相等；匹配器(1)的输入端连接射频电源(G)的输出端，混合等离子体气源(H)的气体输出端口与电容耦合等离子体射流炬模块(2)的气体输入端口连接或电感耦合等离子体炬模块(3)的气体输入端口连接或成形电极模块(4)的气体输入端口连接；三个通气孔(K2-1)的输入端口与混合等离子体气源(H)的保护气体输出端口连接。