CN103372806A - 用于复杂曲面轮廓部件的表面处理的自动抛光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自动抛光设备和利用该设备对诸如复杂曲面轮廓的部件的工件的进行表面处理的方法。该设备通过将工件安装在能够使其沿着多个转轴实现不同朝向的装置上并将工件浸入到可控的磨料浆的流体中而进行自动抛光。本发明的设备为自由曲面提供均匀的表面处理。其还具有精确、成本低、非破坏性和无污染的优点。

Description

用于复杂曲面轮廓部件的表面处理的自动抛光设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年4月13日提交的美国临时专利申请序列号61/686,852的优先权，通过引用将该申请全文并入本文中。
技术领域
本发明涉及自动抛光设备，具体地，涉及用于复杂曲面轮廓部件的表面抛光的基于流体的抛光设备。
背景技术
抛光是利用机械或化学反应形成光滑且有光泽的表面的重要工艺，其已经由制造工业使用了好几百年。与手工抛光相比，使用自动抛光机(例如用于抛光半导体晶圆和抛光精密光学元件的机器)的工艺更加高效。然而，这类自动抛光机的使用局限于表面轮廓形状规则的部件。由于在许多情况下，被抛光部件的表面轮廓未如半导体晶圆或光学透镜那样形状规则，因此手工抛光在众多工业(例如，表、珠宝、模具，等)中仍被广泛使用。大多数现有的自动抛光机均不能应用于复杂曲面轮廓的部件，例如由金属或金属合金、玉石、象牙和陶瓷等材料制成的小型的表部件和珠宝部件。对高效的且灵活性堪比熟练技工的自动抛光技术存在大量的需求。此外，与手工抛光相比，基于机器的抛光技术可产生更均匀和可靠的抛光效果。一般认为，手工抛光可以达到的最佳表面粗糙度为R＞0.1μm，而基于机器的抛光可以将表面粗糙度降低一个量级。举例来说，对于需要对成型工具钢进行精确表面处理的模具工业而言，这是重要的。
许多现有技术试图克服复杂曲面轮廓部件的表面处理的难题。美国专利6,171,175公开了一种应用常规的磨削、研磨、珩磨技术的手工抛光方法或使用改进的自适应机械工具的自动抛光方法，但上述方法中没有一种能够在可接受的效率水平上提供足够的精度。计算机编程的机器抛光(欧洲专利号EP1935564)、磁流变抛光(美国专利号5,449,313)或离子束加工(美国专利申请公开号20070227878)具有高精度的优点，但成本太高。基于流体的加工，例如：磨料流加工(美国专利号4,936,057)、磁性研磨加工(美国专利号4,175,930)、流体喷射抛光(美国专利号7,455,573)，可以平衡精度需求和成本，但仅适用于强度能抵抗流体冲力的硬工件。化学抛光(美国专利号4,826,563)、电化学抛光(美国专利号4,740,280)和等离子体电解抛光(美国专利申请公开号20100200424)提供了一种精确、柔和且低成本的表面加工方案。然而，化学废物和废水的处理和处置是棘手的。在许多情况下，由于有环保法规的监管，这种涉及化学反应物的湿抛光方法是受限制的。以上通过引用将这些引述的参考文献的公开内容及其全文并入本文中。
因此有需要开发一种新的成本低、环境友好、精确、柔和且适于不同类型的工件(包括复杂曲面轮廓部件)的抛光方法。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种替代的抛光设备。该设备包括磨料浆的可控流体的浴；用于安装至少一个工件的至少一个装置，使用该装置可以沿着多个转轴改变工件的朝向；以及盛放磨料浆的至少一个容器。本发明的设备为自由曲面提供均匀的表面处理。同时其还具有精确、成本低、非破坏性和无污染的优点。用于安装至少一个工件的至少一个装置包括第一旋转平台，第一旋转平台可以是单转轴、双转轴或三转轴旋转平台并在设备运行期间浸入到磨料浆的流体中。第一旋转平台是可以自动调整的，从而以可控的方式改变其上所安装的工件的朝向。磨料浆包括多个磨料颗粒和由液体泵驱动的承载液体。视需要可选择，磨料浆由多个磨料颗粒与多个弹性聚合物颗粒和承载液体预先混合而成。亦可选择，将多个相对较小的磨料颗粒预先涂覆在相对较大的弹性聚合物颗粒的表面上。而相对较大的弹性聚合物颗粒还可以内含磁性核以便由位于容器下面的多个磁性条驱动的磨料浆的流动。根据工件的形状，本发明的设备还可以被改进以包括用于驱动第一旋转平台的旋转的第二旋转平台。
附图说明
图1是具有用于盛放磨料浆的圆形容器和用于安装待抛光的工件的三转轴旋转平台的设备的一种实施方式的示意图。磨料流体由液体泵驱动。
图2是具有用于盛放磨料浆的圆形容器和用于安装待抛光的工件的三转轴旋转平台的设备的另一种实施方式的示意图。磨料浆包括磁性颗粒并且磨料流体由电磁力驱动。插图示出了磁性磨料浆的结构。
图3是具有用于盛放磨料浆的圆柱形容器和用于安装待抛光的工件的双转轴旋转平台的设备的又一种实施方式的示意图。该方式通过旋转圆柱形容器以实现磨料浆和工件之间的相对移动。
图4是具有用于盛放磨料浆的固定(不可旋转)圆柱形容器和用于安装工件的第一单转轴旋转平台的设备的另一实施方式的示意图。该方式通过圆柱形容器外的第二旋转平台控制圆柱形容器内的第一旋转平台绕其旋转以实现磨料浆和工件之间的相对移动。
图5示出了一钢工件在应用图2中示出的实施方式之一中的方法进行抛光之前和之后的表面粗糙度。
具体实施方式
图1示出了本发明的一种示例性实施方式。该实施方式中的自动抛光设备包括装有磨料浆12的圆形容器11，磨料浆12包括多个磨料颗粒和由液体泵13驱动的承载液体，其中，液体泵13驱动磨料浆在圆形容器11中形成磨料浆流体12。待抛光的工件15安装在三转轴旋转平台16上，三转轴旋转平台16浸入到磨料浆流体12内。通过三转轴旋转平台16以可控的方式改变工件15的朝向，三转轴旋转平台16能够自动调整以便实现对工件15的柔和和均匀的表面处理。在一个实例中，工件15是复杂曲面轮廓的铝制品，其尺寸小于50(长)x50(宽)x50(高)mm3。工件15浸入到磨料浆12中，磨料浆12包含600目碳化硅(SiC)磨料颗粒、诸如基于硅酮的弹性聚合物的其他聚合物以及承载液体。磨料浆流体12由圆形容器11内的液体泵13驱动。圆形容器11由塑料制成，并且圆形容器11的内径为200mm，外径为400mm，高度为400mm。与其他形状的容器(例如圆柱形容器)相比，圆形容器11将磨料浆12的流体以相对恒定的速度(范围为0.3-3.0m/s)限定在圆形轨道内。磨料浆12和工件15之间的相对移动产生了曲面上的自适应抛光。同时，通过使用自动三转轴旋转平台16，控制工件15的朝向周期性地沿着三转轴以约为一分钟一周的速率缓慢地变化，从而实现均匀的表面抛光。以此方法操作，原切(as-cut)的工件15可以在30-60分钟内达成如镜面般的光泽表面。
图2示出了本发明的另一实施方式，其具有用于盛放磁性磨料浆22的圆形容器21以及用于安装待抛光的工件24的三转轴旋转平台23。在该实施方式中，磁性磨料浆22包括多个尺寸大约为1mm的弹性聚合物颗粒。每个弹性聚合物颗粒具有位于颗粒内部的磁性核和多个尺寸大约为1-100μm的磨料颗粒，这些磨料颗粒预先涂覆在弹性聚合物颗粒的表面上。在该实施方式中，在圆形容器21内流动的磁性磨料浆22由磁性板25上的多个磁铁驱动，磁性板25由电机26驱动以在圆形容器21之下旋转。待抛光的工件24安装在三转轴旋转平台23上，三转轴旋转平台23浸入到磁性磨料浆流体22内。通过三转轴旋转平台23以可控的方式改变工件24的朝向，三转轴旋转平台23能够自动调整以便实现对工件24的柔和且均匀的表面处理。在一个实例中，工件24是复杂曲面轮廓的钢制品，其尺寸小于50(长)x50(宽)x50(高)mm3。工件24浸入到磁性磨料浆22中，磁性磨料浆22包括尺寸大约为1mm的基于硅酮的弹性聚合物颗粒。每个弹性聚合物颗粒在颗粒内具有专门处理过的0.3mm(直径)x1mm(长度)磁性不锈钢针的磁性核。多个尺寸大约为1-100μm的SiC磨料颗粒预先涂覆或胶水混合在弹性聚合物颗粒的表面上。这样的磁性磨料浆流体22在圆形容器21内流动，由多个在圆形容器21之下旋转的磁铁或多个位于圆形容器21之下的交替改变圆形容器21内的电磁场的电磁铁驱动。圆形容器21由塑料制成，容器21的内径为200mm，外径为400mm，高度为400mm。圆形容器21将磁性磨料浆22的流体限定在圆形轨道中，并且由磁力驱动的磁性磨料浆22的流体移动的速度快至30Hz。此外，按照预先设定，其自动一分钟一次地切换顺时针和逆时针方向。这种磁性磨料流体和工件24之间的相对移动产生了曲面上的有效抛光。同时，通过使用自动三转轴旋转平台23，控制工件24的朝向以约为一分钟一周的速率沿着三个转轴周期性地缓慢变化，从而可以实现均匀的表面抛光。在这样的操作中，在磨料浆中使用承载液体并非是必需的。即，可以利用磁性磨料聚合物颗粒的“干流”实现抛光工艺。在某些实施方式中，工件24不需要与水或油接触是有利的。视乎工件的大小及其表面的复杂性，应用这种方法，原切的工件24可以在30-60分钟内达成如镜面般的光泽表面。图5示出了经过这样处理的钢工件样本的表面轮廓，其使用Tencor仪器公司的Alpha Step测量得到。从仪器的直接读取数据显示，在所述抛光处理之后，表面粗糙度(Ra)从3.7μm改进至0.1μm。
图3示出了本发明的另一实施方式。在该实施方式中，磨料浆31包括预先混合的多个磨料颗粒、多个弹性聚合物颗粒和承载液体。磨料浆31盛放在圆柱形容器32中，圆柱形容器32的直径大约为400mm并且是可旋转的，如此，磨料浆31与旋转的圆柱形容器32一起旋转，其中，圆柱形容器32由连接到其底部的旋转式平台33驱动。旋转式平台33进一步由电机34驱动。待抛光的工件35安装在双转轴旋转平台36上，双转轴旋转平台36浸入在磨料浆流体内并且与圆柱形容器32中心处的旋转轴相距大约100-150mm。通过双转轴旋转平台36以可控的方式改变工件35的朝向，双转轴旋转平台36能够自动调整以便实现对工件35的柔和且均匀的表面处理。在一个实例中，工件35是尺寸小于50(长)x50(宽)x50(高)mm3的猛犸象牙雕饰。磨料浆31包含1200目Al2O3磨料颗粒和基于硅酮的弹性聚合物颗粒以及基于油的承载液体。磨料浆31盛放在直径为400mm和高度为400mm的不锈圆柱形容器32中。磨料浆31以60-600rpm的速率与旋转的圆柱形容器32一起旋转，其中，圆柱形容器32由连接到其底部的旋转式平台33驱动。工件35安装在双转轴旋转平台36中，双转轴旋转平台36浸入在磨料浆流体内，工件35与圆柱形容器32中心处的旋转轴相距100-150mm。如此配置使得磨料浆31和工件35以1-10m/s的线性速度相对移动。通过使用相对精细和柔性的磨料浆31，上述旋转运动在相对较软的材料的复杂曲面上提供了柔和抛光。对于诸如猛犸象牙雕饰的工件35而言，仅沿着工件的垂直轴的外形轮廓需要被抛光，而支撑工件的底面是平面且采用其他方法处理。在这种特殊情况下，安装工件35的多转轴旋转平台可以简化为双转轴旋转平台36，并且如图3所示，旋转平台的其中一个旋转轴与待抛光雕饰的垂直轴重合。通过使用自动双转轴旋转平台36，控制工件35的朝向周期性地沿着双转轴以约为一分钟一周的速率缓慢变化，从而可以实现均匀的表面抛光。视乎精度或色彩效果的要求，这种精细工件35的抛光过程大约需要耗时1-10小时。
图4示出了本发明的另一实施方式。在该实施方式中，磨料浆41包括多个尺寸大约为100-1000μm的弹性聚合物颗粒，其表面预先涂覆多个尺寸大约为1-100μm的磨料颗粒。磨料浆41盛放在固定(不可旋转)的圆柱形容器42中，圆柱形容器42的直径大约为400mm。待抛光的工件43(例如，带图案的不锈钢板)安装在单转轴旋转平台44上，单转轴旋转平台44浸入在磨料浆41的流体中并且与固定圆柱形容器42的中心轴相距大约100-150mm。第一旋转平台44还安装在第二旋转平台45上，第二旋转平台45沿着固定圆柱形容器42的中心轴旋转。第二旋转平台45由电机46驱动。通过能够自动调整的第一旋转平台44以可控的方式改变工件43的朝向，同时又通过第二旋转平台45驱动磨料浆41和工件43之间的相对移动，从而实现对工件的柔和且均匀的表面处理。在一个实例中，磨料浆41包括尺寸大约为100-1000μm的基于硅酮的弹性聚合物颗粒。多个尺寸大约为1-100μm的SiC磨料颗粒预先涂覆或胶水混合在弹性聚合物颗粒的表面上。磨料浆41盛放在直径为400mm和高度为400mm的固定(不可旋转)的不锈钢圆柱形容器42中。工件43是尺寸为100(长)x50(宽)x0.5(高)mm3的带图案的不锈钢板。板上的贯穿图案(孔和线)的常规尺寸在0.5-5mm之间，且其要求在抛光完成时在板的两面图案上的直线和转角均需要光滑。为了抛光不锈钢板的贯穿图案，磨料浆41必须流过板，以适当的力穿过图案，而力的大小必须控制在其不会使0.5mm厚的不锈钢板变形。在这一特定的实施方式中，安装样本的旋转平台可以简化为单转轴旋转平台44。在这种装置中，工件43安装在第一单转轴旋转平台44中，而沿着板的纵向方向的中心线与单转轴旋转平台44的旋转轴对齐。其沿着该轴以约为一分钟一周的速率缓慢地旋转，从而提供均匀的操作。另一方面，第一旋转平台44还安装在第二旋转平台45上，第二旋转平台45由电机46驱动并且悬空置于容器42的顶部。第二旋转平台45沿着圆柱形容器的中心轴旋转，而工件43浸入在磨料浆41内与中心轴相距100-150mm的位置。因为第二旋转平台45以60-600rpm的速率旋转，所以工件43除了前述的由第一旋转平台44驱动的缓慢旋转之外，还在磨料浆41中沿着中心轴以1-10m/s的线速度旋转。磨料浆41和工件43之间的相对移动由第二旋转平台45驱动的快速旋转主导，而工件43的朝向则由第一旋转平台44驱动的缓慢旋转控制。在这种操作中，尽管不锈钢是硬质材料，也可以在一个小时内完成图案边缘的修边的加工处理。
如有需要，本文讨论的不同功能可以以不同的顺序执行和/或彼此同时执行。此外，如有需要，上述功能/实施方式中的一个或多个可以是可选的或可以组合在一起。
例如，磨料浆可以由下述材料构成：
(a)磨料颗粒和承载液体；或
(b)磨料颗粒和弹性聚合物颗粒；或
(c)磨料颗粒、弹性聚合物颗粒以及承载液体；或
(d)磨料颗粒和磁性颗粒；或
(e)磨料颗粒、磁性颗粒以及承载液体；或
(f)磨料颗粒、磁性颗粒以及弹性聚合物颗粒；或
(g)磨料颗粒、磁性颗粒、弹性聚合物颗粒以及承载液体；
并且，磨料颗粒不限于上文说明书所述的SiC或Al2O3颗粒。
在工业应用方面，容器和旋转平台可以轻易地放大以满足各种应用中的需求，所使用的容器数目可以是多个，所配置的驱动力可以是一种或多种，而每个容器中可以配置多个旋转平台以安装多个工件。
尽管本发明的各种方面在独立权利要求中列出，但本发明的其他方面包括上述实施方式和/或具有独立权利要求特征的从属权利要求中的特征的其他组合，并不仅仅是权利要求中明确列出的组合。
还注意到，尽管上文描述了本发明的示例性实施方式，但这些说明不应被视为限制性的。而且，可以对上述示例性实施方式进行若干变型和改动，而不脱离由随附权利要求限定的本发明的范围。
工业适用性
本发明用于以一种完全自动的抛光方法抛光规则和不规则形状的物体，替代了传统的手工抛光或部分自动抛光方法。自动抛光设备的设置是灵活的，并且磨料流体的组分也可以变化以适应不同形状和尺寸的工件。本发明中的安装装置的多转轴旋转平台也在自动调整期间使得工件沿着不同转轴以不同的朝向移动。

Claims (13)

1.一种用于工件的表面处理的自动抛光设备，包括：
至少一个容器，用于盛放磨料浆；
一个或多个驱动装置，用于控制所述磨料浆和所述磨料浆中的工件之间的相对移动；及
一个或多个安装装置，用于将至少一个工件安装在所述磨料浆内，
其中，所述一个或多个安装装置以可控的方式沿着一个或多个转轴自动地调整所述至少一个工件的朝向。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述磨料浆包括下述各项中的一种或多种：
多个磨料颗粒、承载液体、多个弹性聚合物颗粒和/或多个磁性颗粒。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述磨料浆是磁性的或非磁性的。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述磨料颗粒是碳化硅(SiC)和/或氧化铝(Al2O3)。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个驱动装置提供可控的驱动力，用于通过施加机械力、电磁力或机械力和电磁力的组合来控制所述磨料浆和所述磨料浆中的所述至少一个工件之间的相对移动。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个驱动装置包括一个或多个液体泵、磁性板、旋转式平台和/或旋转平台。
7.如权利要求1所述的设备，其中，通过下述方法进行所述相对移动：
将所述至少一个工件浸入到所述磨料浆的流体中，或在静态磨料浆中移动所述至少一个工件。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个工件的所述朝向沿着一个转轴、两个转轴或三个转轴变化。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个容器是圆形的；所述一个或多个驱动装置是液体泵；所述一个或多个安装装置包括三转轴旋转平台以使得能够以可控的方式使所述至少一个工件沿着三个不同的转轴改变朝向；所述磨料浆包括多个磨料颗粒和由所述液体泵驱动的承载液体以产生所述磨料浆的流体。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个容器是圆形的；所述驱动装置是所述容器之下的磁性板；所述一个或多个安装装置包括三转轴旋转平台以使得能够以可控的方式使所述至少一个工件沿着三个不同的转轴改变朝向；所述磨料浆包括多个磨料颗粒、多个弹性聚合物颗粒以及多个磁性颗粒，并且，其中，大约为1-100μm的所述磨料颗粒预先涂覆在每个大约为1mm的所述弹性聚合物颗粒上，而所述磁性颗粒嵌入到每个所述弹性聚合物颗粒的核中。
11.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个容器是圆柱形的和可旋转的，直径大约为400mm；所述一个或多个驱动装置是连接到所述容器的底部的旋转式平台；所述一个或多个安装装置包括双转轴旋转平台以使得能够以可控的方式使所述至少一个工件沿着两个不同的转轴改变朝向并且位于与所述至少一个容器的中心处的旋转轴相距大约100-150mm；所述磨料浆包括多个磨料颗粒、多个弹性聚合物颗粒和承载液体，其中，所述磨料颗粒与所述弹性聚合物颗粒预先混合。
12.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个容器是圆柱形的和不可旋转的；所述一个或多个驱动装置包括第二旋转平台；所述一个或多个安装装置包括第一旋转平台，其能够以可控的方式沿着一个转轴移动安装在所述安装装置上的所述至少一个工件，该转轴与所述容器的中心轴相距大约100-150mm，并且所述第一旋转平台的远端还连接到所述第二旋转平台上；所述磨料浆包括多个大约1-100μm的磨料颗粒、多个大约100-1000μm的弹性聚合物颗粒以及承载液体，其中，所述多个磨料颗粒预先涂覆在每个所述弹性聚合物颗粒的表面上。
13.一种通过权利要求1的设备抛光的工件，包括复杂曲面轮廓的部件、不规则形状制品和/或规则形状制品，其中，所述工件由金属或非金属材料制成。
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