CN104308749A - 一种新型强约束流可控抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型强约束流可控抛光装置，包括喷嘴护套可动机构、间隙控制机构、磨粒流输入座、预压系统和固定板，喷嘴护套可动机构通过直线轴承安装在竖直放置的固定板上，磨粒流输入座套装在喷嘴护套可动机构上并且通过固定螺栓固定安装在固定板上，预压系统装在喷嘴护套可动机构顶部，间隙控制系统用于监控喷嘴护套可动机构的移动距离；喷嘴护套可动机构包括竖直放置的磨粒流直管、喷嘴和喷嘴护套。本发明结构简单紧凑，生产成本低，利用强约束流对待加工工件表面进行加工，避免了磨料射流抛光中的射流束发散和冲击损伤等问题，使得加工后待加工工件不仅能够达到较高的材料去除效果，而且加工后的工件拥有极好的表面加工质量。

Description

一种新型强约束流可控抛光装置

技术领域

本发明涉及抛光领域，尤其涉及强约束磨粒流喷射抛光领域，具体的说是一种新型强约束流可控抛光装置。

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，因而被广泛的应用于各个领域，但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。超精密抛光技术如小磨头抛光、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尽管能够达到较高的抛光精度和较好的抛光效果。但都存在不同程度的抛光缺陷，比如气囊抛光和小磨头抛光加工压力较大，加工后的工件表面会产生划痕，离子束抛光可获得极高的表面粗糙度，但材料去除率极低，通常仅用于化学机械等抛光工艺后，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，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。本发明针对现有硬脆材料零件的抛光加工中加工精度低、加工效率较低、损伤较大、成本较高的不足，提出一种精度高、加工效率高、损伤小、成本低的强约束磨粒流超精密加工装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对磨料射流抛光中存在的射流束发散与冲击损伤等问题，提供了一种加工过程完全可控的新型强约束流抛光装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型强约束流可控抛光装置，用于对待加工工件表面进行抛光，包括喷嘴护套可动机构、间隙控制机构、磨粒流输入座、预压系统和固定板，喷嘴护套可动机构通过直线轴承安装在竖直放置的固定板上，磨粒流输入座套装在喷嘴护套可动机构上并且通过固定螺栓固定安装在固定板上，预压系统装在所述喷嘴护套可动机构顶部用于对喷嘴护套可动机构施加预压力，间隙控制系统用于监控所述喷嘴护套可动机构的移动距离；

所述喷嘴护套可动机构包括竖直放置的磨粒流直管、喷嘴和喷嘴护套，所述喷嘴装在磨粒流直管的底端，所述磨粒流直管上开有通孔并与设置在磨粒流输入座套上的磨粒流输入孔对齐。

进一步的，所述间隙监控系统包括位移传感器、传感器安装座和传感器检测板，所述位移传感器通过传感器安装座与磨粒流输入座固接，所述传感器检测板固定在磨粒流直管上，所述位移传感器用于测量所述位于传感器与所述传感器检测板的相对移动距离。

进一步的，所述预压系统为砝码型预压系统，包括砝码支座板、砝码安装板，所述砝码支座板通过砝码安装板固定在磨粒流直管顶端。

进一步的，所述预压系统为气缸型预压系统，包括安装在所述磨粒流直管顶端的压盖、气缸安装板、气缸和气缸支架，所述气缸通过气缸支架固定在气缸安装板上，所述气缸安装板固接所述固定板，所述气缸的活塞杆连接所述压盖。

进一步的，所述气缸型预压系统上还设有精密调压阀，通过调节精密调压阀控制输出气缸的大小来控制预压力的大小。

进一步的，所述磨粒流直管上通孔的两侧开有环槽，用于加装O型密封圈将所述磨粒流直管与所述磨粒流输入座套密封处理。

进一步的，所述喷嘴为锥形结构喷嘴。

进一步的，所述喷嘴护套采用耐磨的高分子材料制成。

本发明的技术思路是：根据硬脆材料零件复杂曲面高精度超光滑低损伤光学表面的加工需求，针对磨料射流抛光中存在的射流束发散与冲击损伤等问题，本发明提供了一种加工过程完全可控的新型强约束流可控抛光装置，通过抛光工具头对磨料射流施加平行于工件表面的约束，改变了磨粒射流形成的机制，强制磨粒射流沿着工件表面运动，将磨粒射流对工件表面的作用力几乎全部转化为切向剪切应力，工件的材料去除主要依赖磨粒对工件表面的剪切和划擦作用，而不是机械冲击，既减小了冲击损伤，又提高了抛光加工的精度与效率，无须极小极细的喷嘴即可实现射流加工，而且可根据不同的加工工件表面跟换不同的抛光工具头，大大提高了加工的范围，而且在抛光过程中抛光头与工件表面形成的间隙完全可控，加工后的工件不仅能够达到较高的材料去除效果，而且加工后的工件拥有极好的的表面加工质量。

在待加工工件表面加工前，抛光工具下端面即喷嘴护套的下端面在预压力的作用下被压在工件表面上，一旦抛光工具中的磨粒流压力大于外界预压力时，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。通过控制抛光工具头的停留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，通过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，由于在抛光过程中，抛光工具头与工件表面的间隙大小很大程度上决定了工件的表面加工效果，本装置能够时时对加工间隙进行监控，使工件与抛光头的间隙控制在最佳的加工状态，实现最优加工。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明结构简单紧凑，生产成本低，利用强约束流对待加工工件表面进行加工，避免了磨料射流抛光中的射流束发散和冲击损伤等问题，使得加工后待加工工件不仅能够达到较高的材料去除效果，而且加工后的工件拥有极好的表面加工质量。

附图说明

图1是砝码型抛光装置的主视图。

图2是砝码型抛光装置的俯视图。

图3是气缸型抛光装置主视图。

图4是气缸型抛光装置俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合图1、图2、图3和图4，整个强约束抛光装置由间隙监控系统、预压系统、磨粒流输入座、喷嘴护套可动机构等构成，其中砝码型抛光装置与气缸型抛光装置共有部件包括喷嘴护套1、喷嘴2、直线轴承3、磨粒流直管4、轴承下安装座5、传感器检测板6、磨粒流输入座7、O型密封圈8、轴承上安装座9，十字切槽扁圆头螺钉14、内六角花形圆柱螺钉15、传感器安装座16、内六角花形圆柱螺钉17。砝码型抛光装置还包括砝码座10、砝码安装板11、砝码支座板12、十字切槽扁圆头螺钉13。气缸型抛光装置包括压盖18、浮动接头19、气缸安装板20、气缸21、气缸型支架板22、气缸型安装板23、内六角花形圆柱螺钉24。

所述监控系统由传感器检测板6，位移传感器感等构成，其中位移传感器安装在所述传感器安装座16上，所述传感器检测板6与所述磨粒流直管4通过内六角花形圆柱螺钉15紧固连接，通过传感器检测所述传感器检测板的位移，经A/D转换器将信号转变为数字信号，传送至显示器读取此时的传感器检测板位移。

所述预压系统包括砝码型预压系统和气缸型预压系统，其中砝码预压系统主要由所述砝码型安装座10、所述砝码安装板11、所述砝码支座板12等构成，所述砝码安装座10与所述磨粒流直管4通过螺纹连接，所述砝码安装板11与所述砝码支座板12相连接，通过在所述砝码安装座10上加载砝码使所述喷嘴护套可动机构对待加工工件表面施加一预压力，所述气缸型预压系统要包括压盖18、浮动接头19、气缸安装板20、气缸21、气缸型支架板22、气缸型安装板23，其中所述紧凑型气缸21安装在气缸安装板20上，所述浮动接头19一端与所述气缸型压盖18相连，另一端与所述紧凑型气缸21相连。所述气缸型压盖18的一侧与所述磨粒流直管4通过螺纹连接，通过调节所述紧凑型气缸21内部的气压大小，经与之相连的浮动接头18的作用可控制所述喷嘴护套可动机构对工件表面施加的预压力的大小，而且控制精度较高。

所述磨粒流输入座7安装在安装板上，通过螺钉紧固连接，上顶端开有磨料输入孔，一侧连接有所述传感器安装座16，两端面开有一竖直通孔，所述喷嘴护套可动机构从竖直通孔中穿过，所述喷嘴护套可动机构主要包括喷嘴护套1、喷嘴2、磨粒流直管4等，所述喷嘴护套1外壁开有外螺纹，所述喷嘴内壁开有内螺纹，所述喷嘴护套1与所述喷嘴2通过螺纹紧密连接，所述磨粒流直管4中部开有通孔，通孔两侧分别开有开环槽，便于加装O型密封圈进行密封，所述磨粒流直管4一侧内壁开有内螺纹，与所述喷嘴2通过螺纹紧密连接，另一侧开有外螺纹，在砝码型抛光装置中，所述磨粒流直管4另一端与砝码座通过螺纹连接，而在气缸型抛光装置中，磨粒流直管4一端则与气缸型压盖18紧密相连，所述喷嘴可动机构竖直安装在装置中，两侧分别与所述直线轴承3相配合，保证整个机构只能上下移动，减少径向窜动，所述传感器检测板6安装在所述喷嘴可动机构上，通过十字切槽扁圆螺钉18紧固连接，所述两直线轴承分别安装在轴承上安装座9和轴承下安装座5上，所述两轴承座分别与支架板通过螺钉紧密连接。

在砝码型抛光装置中，所述砝码型支架板12与所述砝码形安装板11相连接，在气缸型抛光装置中，所述22气缸型支架板与所述气缸型安装板23通过螺栓紧固连接，所述气缸安装板12与气缸型支架板通过螺钉连接，所述紧凑型气缸安装在所述气缸安装板12上。通过调节紧凑型气缸的气压大小，即可实现竖直方向对加工工件的预压控制。

喷嘴是射流抛光设备的重要元件，它的结构和造型决定了射流的流动特性和动力特性，对抛光元件的表面粗糙度和抛光过程中的去除函数有直接的影响。因此，研究和优化喷嘴的几何造型，对于研究射流抛光具有重要意义，大量的实验研究表明，锥柱型喷嘴出口速度分布比较均匀，出口紊动强度与壁面紊动强度分布都比较小，而且，出口磨粒浓度和壁面浓度分布也表现最为均匀，所以本发明选用锥形结构的喷嘴。

喷嘴护套是直接与被加工的光学元件接触，并且事先对光学元件进行预压，因而对喷嘴护套有较高的要求，由于喷嘴护套由预压力系统事先预压在光学元件上，为了保证喷嘴护套尽可能的不损伤光学元件的表面，喷嘴护套必须具有良好的弹性，通过喷嘴护套本身的材料特性，降低损伤。在抛光过程中需要对抛光流场进行观测，掌握整个抛光过程中磨料流的运动流场特性，便于日后对抛光的工艺参数进行相应的调整，实现最佳的抛光效果，而且喷嘴护套在加工的过程中需要持久耐磨，所以在本发明中主要选用以高分子材料为主，例如尼龙、聚氨酯等作为喷嘴护套的材料。预压系统有两种选择，对于砝码型预压系统，在加工的过程中操作简单方便，但控制精度不高，相比于砝码型预压系统，气缸型预压系统能够实现精确的的监控和测量，但是加工过程中的影响因素较多，对于简单的装备来说不便于操控。所以针对于不同要求的工件加工来说，可选用不同的预压系统。

抛光工具头的夹具设计不合理或安装不当对试验结果的影响甚大，因此要认识到高压射流抛光中夹具的重要性，根据试验要求，加工装置中能较好的夹持抛光工具头，同时对不同表面的加工工件又需要选用不同结构的喷嘴护套，为了更换和装卸的方便，本发明选用了螺纹连接。而在选择和使用夹具时，要注意周围环境对夹具的影响。所以，考虑到上述要求，决定该夹具主要是以螺栓连接法为主。

本发明中的抛光装置在磨料流的作用下，喷嘴护套会和磨料流直管一起顶升，为了使顶升所需的压力减小，因而在进行设计的过程中需要尽量减少磨料流直管与固定机构的摩擦力，所以选择了直线轴承，并采用上下布置，保证整个机构在轴向只能上下移动，减少径向窜动。

由于在磨料流加工过程中，需要对磨料流直管和磨料输入孔之间的间隙进行密封处理，本发明选用了O型圈进行密封，相比其它密封件其密封部位结构简单，安装部位紧凑，而且重量较轻，用作固定密封时几乎没有泄漏，用作运动密封时，只在速度较高时才有些泄漏，运动摩擦阻力很小，对于压力交变的场合也能适应。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种新型强约束流可控抛光装置，用于对待加工工件表面进行抛光，其特征在于：包括喷嘴护套可动机构、间隙控制机构、磨粒流输入座、预压系统和固定板，喷嘴护套可动机构通过直线轴承安装在竖直放置的固定板上，磨粒流输入座套装在喷嘴护套可动机构上并且通过固定螺栓固定安装在固定板上，预压系统装在所述喷嘴护套可动机构顶部用于对喷嘴护套可动机构施加预压力，间隙控制系统用于监控所述喷嘴护套可动机构的移动距离；

所述喷嘴护套可动机构包括竖直放置的磨粒流直管、喷嘴和喷嘴护套，所述喷嘴装在磨粒流直管的底端，所述磨粒流直管上开有通孔并与设置在磨粒流输入座套上的磨粒流输入孔对齐。

2.根据权利要求1所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述间隙监控系统包括位移传感器、传感器安装座和传感器检测板，所述位移传感器通过传感器安装座与磨粒流输入座固接，所述传感器检测板固定在磨粒流直管上，所述位移传感器用于测量所述位于传感器与所述传感器检测板的相对移动距离。

3.根据权利要求1所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述预压系统为砝码型预压系统，包括砝码支座板、砝码安装板，所述砝码支座板通过砝码安装板固定在磨粒流直管顶端。

4.根据权利要求1所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述预压系统为气缸型预压系统，包括安装在所述磨粒流直管顶端的压盖、气缸安装板、气缸和气缸支架，所述气缸通过气缸支架固定在气缸安装板上，所述气缸安装板固接所述固定板，所述气缸的活塞杆连接所述压盖。

5.根据权利要求4所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述气缸型预压系统上还设有精密调压阀，通过调节精密调压阀控制输出气缸的大小来控制预压力的大小。

6.根据权利要求1所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述磨粒流直管上通孔的两侧开有环槽，用于加装O型密封圈将所述磨粒流直管与所述磨粒流输入座套密封处理。

7.根据权利要求1所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述喷嘴为锥形结构喷嘴。

8.根据权利要求1所述的一种新型强约束流可控抛光装置，其特征在于：所述喷嘴护套采用耐磨的高分子材料制成。