CN104440584A - 一种磨粒流微孔抛光装置及其抛光工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨粒流微孔抛光装置，其包括用于夹持工件并使工件的微孔定位的夹具、安装于夹具的基座板、设于基座板和夹具内并与微孔对应连通的空腔、设于空腔内将该空腔分隔为空化腔和储液腔的间隔器件、盖于空化腔的激光高透保护镜、可产生朝向空化腔的激光束的激光器、位于激光器与激光高透保护镜之间将激光束聚焦于空化腔中的聚焦透镜、可将去离子水引入空化腔的引流通道、设于引流通道的单向阀。利用激光聚焦对去离子水形成空化，形成巨大的局部压力，冲击间隔器件，将磨粒流体高速流动推送到微孔中，摩擦微孔孔壁降低微孔内表面的粗糙度实现对微孔抛光。本发明还公开了一种高效率对微孔进行超精密抛光的磨粒流微孔抛光工艺。

Description

一种磨粒流微孔抛光装置及其抛光工艺

技术领域

本发明涉及精密加工，尤其涉及一种针对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光的磨粒流微孔抛光装置。本发明还涉及一种对微孔进行抛光的磨粒流微孔抛光工艺。

背景技术

各种微孔在飞机、汽车、电器、化工、食品、生物医疗等行业中的应用越来越广泛。如印刷电路板上微孔、内燃机燃料喷嘴、化纤细丝喷嘴、金丝球焊机上的劈刀孔等。其中化纤丝喷嘴的喷孔最小直径约10微米；金丝球焊机劈刀微孔最小约25微米。目前利用常规技术加工这些产品的微孔内表面粗糙度都不够理想，难以满足产品日益提高的小型化和精细化的质量要求，正是在这种背景下，开发各种高效和便捷的微孔抛光技术便成为当下微纳制造业的迫切需求。

目前适合于微孔加工的方法主要有：机械钻孔、激光打孔、电火花加工和电解加工。但是，用机械钻孔的方法，在微孔的出口处会留下毛刺，这种毛刺会影响使用效果，用激光和电火花加工都会在微孔孔壁处留下再铸层，从而影响微孔的使用寿命，使得微孔的孔壁表面质量发生恶化。例如传统方法加工的汽车喷油嘴，粗糙度大，在压力室中有翻边毛刺，喷油嘴流量系数只有0.5~0.6。为了满足越来越严格的排放法规要求，柴油机要求喷油嘴流量系数在0．8以上，需要进一步提高其流量系数。

由于微孔尺寸小，用常规方法难以改善内壁粗糙度，而磨粒流加工方法正是在这种情况下应运而生。磨料流加工(AbrasiveFlow Machining，简称“AFM”)在国内也称为挤压珩磨，是在挤压珩磨机作用下，利用具有流动性的粘弹性半固状磨料对被加工零件表面进行往复运动，从而对零件的各种型腔和交叉孔径、边棱进行研磨抛光、倒圆角、去毛刺。

磨粒流是磨粒相对于被加工表面的挤压运动实现的，孔越小则抛光工艺越难以实现，所需要的挤压力越大，对液压系统与设备的要求越高，因而目前磨粒流工艺无法抛光孔径小于50微米的微孔。目前，磨粒流抛光技术在汽车喷嘴制造业得到广泛使用，但利用磨粒流抛光比汽车喷油嘴还小的微孔，例如50um的微小陶瓷孔（使用在金丝球焊机劈刀上），则存在一定困难。根据微管道流体阻力计算公式可知，孔径越小，使液体进入微孔的压力越大（压力与孔径的平方成反比）。因此，对于微孔，磨粒流如何高速的挤入孔道内便是需要解决的难题。如果借鉴常规磨粒流设备压力范围0.7MPa-22.4MPa，则50um孔洞的磨粒流抛光压力需要达到12.8MPa-411.1MPa，如果是抛光30um的孔则将达到31MPa-995MPa，如此大的入口压力，通过液压系统来实现已是非常困难，对液压元件和管路有极高的要求，而且在如此大的高压下，整个设备系统是极不安全的。为实现微孔的磨粒流抛光，必须要有稳定、安全和超高压的驱动压力。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可提供局部高压对极小微孔进行抛光的磨粒流微孔抛光装置及其抛光工艺。

为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种磨粒流微孔抛光装置，其包括用于夹持工件并使工件中需要抛光的微孔实现定位的夹具、安装于夹具的基座板、设于基座板和夹具内侧并与工件的微孔位置对应连通的空腔、设于所述空腔内将该空腔分隔为容纳去离子水的空化腔和容纳粘弹性磨粒流体的储液腔的间隔器件、盖于空化腔的与工件相对一侧的激光高透保护镜、可产生朝向所述空化腔的激光束的激光器、位于激光器与激光高透保护镜之间可将激光束聚焦于所述空化腔中的聚焦透镜、可将压力去离子水引入所述空化腔的引流通道、设于引流通道的单向阀。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述间隔器件是可局部挤压变形的铝合金板或阻隔去离子水的活塞体。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述铝合金板朝向空化腔一侧涂覆有吸收层。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述储液腔为锥状，其大头开口盖有所述铝合金板或活塞体，小头开口与微孔连通。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述夹具包括座体和夹板，所述座体设有嵌装工件的工作槽，所述夹板压紧工件并设有供磨粒流排出的通孔，所述座体另一侧设置与工作槽位置对应的空腔。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述座体与基座板之间设有供空化腔注入去离子水时排气的排气槽。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述夹具与基座板相对一侧设有可接收经过微孔排出的磨粒流体的回收储罐。

作为本发明磨粒流微孔抛光装置的技术方案的一种改进，所述磨粒流微孔抛光装置还设有可储存压力去离子水的供料储罐，所述引流通道通过导入管至伸入供料储罐的去离子水液位以下，供料储罐的顶部连接压力气管。

为了解决现有技术中无法对小于50微米的微孔进行抛光的缺陷，本发明采用的工艺技术方案是：一种磨粒流微孔抛光工艺，用于对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光，所述磨粒流微孔抛光工艺使用权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹具，并使工件中需要抛光的微孔与储存有粘弹性磨粒流体的储液腔对应连通，空化腔中充满去离子水；

S2、驱动压力去离子水经引流通道进入空化腔，并设有单向阀阻止去离子水逆向回流；

S3、启动激光器产生激光束，激光束穿过聚焦透镜形成焦点于空化腔内，激光将流体击穿、电离而形成空泡，空泡在空化腔间隔器附近溃灭形成速度为80m/s以上的高速微射流和冲击波，进而驱使间隔器件产生构件移动或变形从而推动粘弹性磨粒流体进入微孔对微孔进行摩擦抛光；

S4、持续给予周期性的激光照射，空化腔内不断产生空泡，空泡不断溃灭产生微射流和冲击波，推动磨粒流体进入微孔中进行抛光。

作为本发明磨粒流微孔抛光工艺的技术方案的一种改进，所述磨粒流体中含有磨粒以及填充于磨粒之间的填充液，所述磨粒的粒径为微孔孔径的0.05~0.2倍。 

本发明的有益效果是：利用激光聚焦到空化腔中的去离子水处，由于激光聚集的焦点所产生的激化作用，聚焦处的流体会瞬间电离、击穿，形成等离子体而生成空泡（也称为空化），利用空泡溃灭阶段形成的射流和巨大的局部压力，冲击铝合金板材或其它结构形式的间隔器件，使得空化腔膨胀产生的推力传递到储液腔，将储液腔体积压缩使其内部存储的粘弹性磨粒流体（具有流动性的粘弹性半固状磨料）推送到微孔中。去离子水持续发生空化，不断推送磨粒流在微孔中高速流动，并摩擦微孔孔壁降低微孔内表面的粗糙度从而实现对微孔的抛光。

附图说明

图1是本发明一种磨粒流微孔抛光装置的单孔抛光实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

如图1所示，本发明一种磨粒流微孔抛光装置，其包括用于夹持工件10并使工件10中需要抛光的微孔11实现定位的夹具12、安装于夹具12的基座板15、设于基座板15和夹具12内侧并与工件10的微孔11位置对应连通的空腔、设于所述空腔内将该空腔分隔为容纳去离子水的空化腔23和容纳粘弹性磨粒流体的储液腔17的间隔器件、盖于空化腔23的与工件10相对一侧的激光高透保护镜20、可产生朝向所述空化腔23的激光束22的激光器、位于激光器与激光高透保护镜20之间可将激光束聚焦于空化腔23中的聚焦透镜21、可将压力去离子水引入空化腔23的引流通道25、设于引流通道25的单向阀28。利用激光聚焦到空化腔23中的去离子水处，由于激光聚集的焦点所产生的激化作用，聚焦处的流体会瞬间电离、击穿，形成等离子体而生成空泡（也称为空化），利用空泡溃灭阶段形成的射流和巨大的局部压力，冲击铝合金板材或其他结构形式的间隔器件，使得空化腔膨胀产生的推力传递到储液腔17，将储液腔17体积压缩使其内部存储的粘弹性磨粒流体（具有流动性的粘弹性半固状磨料）推送到微孔11中。设置间隔器件可以使空化推动和抛光分别选择不同材料，即选择能产生较大推动力的空化泡的去离子水等介质作为空化动力的耗材，而另外选择抛光效果更佳的粘弹性磨粒流作为抛光材料，使得抛光效果更佳，效率更高。去离子水持续发生空化，不断推送磨粒流在微孔11中高速流动，并摩擦微孔11孔壁降低微孔内表面的粗糙度从而实现对微孔11的抛光。

设置单向阀28使得磨粒流只能从压力储罐内流出经过引流通道25进入到空化腔23内，无法倒流回来，从而流体激发产生压力推送的磨粒流只能向微孔11喷射。

工件装夹完毕后，在储液腔17内注入粘弹性的磨粒流体，装上新的铝合金板或其他间隔器件构成充满磨粒流体的储液腔17。空化腔23注入去离子水充满该空化腔，启动激光器，产生空化，空泡在空化腔间隔器附近溃灭形成高速微射流和冲击波，使储液腔17缩小从而使粘弹性磨粒流体从微孔穿过实现抛光。储液腔17一侧对应于工件10中待抛光的微孔11并且彼此连通，最好开口大小一致并对应，利用夹具夹紧工件，使得工件10固定在夹具12，从而使得储液腔17与微孔11位置相对固定地对应。同时，在空化腔23设置覆盖其开口的激光高透保护镜20，并固定贴合于夹具12并通过密封圈接合使得空化腔23密封不透气，激光器产生的激光束22经聚焦透镜21聚焦于空化腔23中，利用激光聚焦到流体介质中，聚焦处的流体由于激光聚集的焦点所产生的激化作用被激光瞬间击穿、电离而形成空泡（也称为空化）。空泡在流体中会出现周期性的膨胀和收缩，从而溃灭形成微射流和冲击波，该射流的速度极快（高达100m／s），利用该射流产生的局部高速和巨大的局部压力，推动间隔器件推动储液腔17内的磨粒流体向具有开放口的微孔11流动，从而推动粘弹性磨粒流进入微孔11。在持续周期性的激光照射下，持续推动磨粒流使带有粘弹性磨粒的磨粒流不断的高速注入微孔11中并穿流而过，从而使磨粒与微孔11内壁产生磨削作用降低微孔内表面的粗糙度，最终达到抛光内孔的目的。

本发明利用激光空化产生的局部巨大压力作为微孔磨粒流抛光的推动力，取代了传统液压系统推动力，激光空化所形成的局部压力比传统磨粒流液压系统的压力大很多，直接在需要抛光的微孔附近在流体内部自发激发产生巨大压力，减少压力传导过程导致的压力损失，从而能够轻易的将带有磨粒的流体（磨粒流）高速推送到直径非常小的微孔中，对微孔内表面进行抛光，弥补现有技术的不足，实现微孔的超精密抛光。而常规磨粒流设备是难以将流体推送到50um的微孔中的。同时，由于激光空化产生的是局部压力，比液压系统形成的整体巨大压力更安全，不存在高压环境下的人身安全问题，便于开展生产。

更佳地，所述间隔器件是可局部挤压变形的铝合金板18或阻隔去离子水的活塞体，都可以将空化腔23中产生的巨大局部冲击铝合金板18或活塞体，使活塞体移动或铝合金板变形，将压力传递到储液腔17推动磨粒流体对微孔11进行抛光。

更佳地，所述铝合金板18朝向空化腔23一侧涂覆有吸收层19，该层可以吸收激光能量产生等离子体冲击波，冲击板材，使得空泡和吸收层19同时对板材产生冲击导致铝合金板材变形，连续的激光脉冲照射对铝合金板材进行持续的变形，变形后板材挤压磨粒流的储存空间，将粘弹性磨粒流推送到微孔11中，从而实现对微孔11的抛光。

更佳地，所述储液腔17为锥状，其大头开口盖有所述铝合金板18或活塞体，小头开口与微孔11连通，便于构建较大的空化腔23与储液腔17界面，增大储液腔的容量，也便于较大光束的激光射入，产生更大的射流推动压力，同时所产生的压力都从较小的喷射口喷出，提高喷射的射流压力，提高磨粒流的射流速度，并且使得磨粒流中磨粒在倾斜壁面的导引下产生非直线的运动，增加磨粒与微孔11的接触几率，提高抛光的效率。

更佳地，所述夹具12包括座体14和夹板13，所述座体14设有嵌装工件的工作槽，所述夹板13压紧工件10并设有供磨粒流排出的通孔，从而可以装夹工件10并提供粘弹性磨粒流的出口。所述座体14另一侧设置与工作槽位置对应的空腔，该空腔可以构建空化腔23和储液腔17。

更佳地，所述座体14与基座板15之间设有供空化腔23注入去离子水时排气的排气槽29，使得去离子水可以充满空化腔23，避免气体夹杂在水中阻挡激光在水中的聚焦。

更佳地，所述夹具12与基座板15相对（相背离）的一侧设有可接收经过微孔11排出的磨粒流体的回收储罐33，可以将磨粒流循环回收利用，节省原材料，同时保持工作区域清洁卫生。

更佳地，所述磨粒流微孔抛光装置还设有可储存压力去离子水的供料储罐30，所述引流通道25通过导入管26至伸入供料储罐30的去离子水液位以下，供料储罐的顶部连接压力气管31并连接压力空气，在压缩空气注入供料储罐30的作用下迫使去离子水不断补充进入空化腔23中。

为了解决现有技术中无法对小于50微米的微孔进行抛光的缺陷，本发明采用的如下新型的工艺技术，实现超细微孔进行超精密高效率抛光。一种磨粒流微孔抛光工艺，用于对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光，所述磨粒流微孔抛光工艺使用权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，包括以下步骤：

S1、将工件10安装在夹具12，并使工件10中需要抛光的微孔11与储存有粘弹性磨粒流体的储液腔17对应连通，磨粒流可以从储液腔17进入并喷射流过微孔11，空化腔23中充满去离子水。

S2、驱动压力去离子水经引流通道进入空化腔23，并设有单向阀28阻止去离子水逆向回流；使得空化腔23内充盈去离子水，使得空化作用产生的气泡起到巨大的膨胀力，使空化腔23对外做功，持续的激光聚焦激化空化使其持续提供抛光过程所需的推动力。

S3、启动激光器产生激光束22，激光束22穿过聚焦透镜形成焦点于空化腔23内，激光将流体击穿、电离而形成空泡，空泡在空化腔间隔器附近溃灭形成速度为80m/s以上的高速微射流和冲击波，进而驱使间隔器件产生构件移动或变形从而推动粘弹性磨粒流体进入微孔11，磨料在推动力的推送下高速流动起来对微孔11内表面产生挤压和磨削作用，实现对微孔11进行摩擦抛光。粘弹性磨粒流体的浓度为20%。

S4、持续给予周期性的激光照射，空化腔23内不断产生空泡，空泡不断溃灭产生微射流和冲击波，推动储液腔17内的磨粒流不断的进入微孔11中进行抛光。

更佳地，所述磨粒的粒径为微孔孔径的0.05~0.2倍，便于磨粒自由流入和流出微孔，同时又可以对微孔内壁进行磨削，达到比较好的磨削效果。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述磨粒流微孔抛光装置包括用于夹持工件并使工件中需要抛光的微孔实现定位的夹具、安装于夹具的基座板、设于基座板和夹具内侧并与工件的微孔位置对应连通的空腔、设于所述空腔内将该空腔分隔为容纳去离子水的空化腔和容纳粘弹性磨粒流体的储液腔的间隔器件、盖于空化腔的与工件相对一侧的激光高透保护镜、可产生朝向所述空化腔的激光束的激光器、位于激光器与激光高透保护镜之间可将激光束聚焦于所述空化腔中的聚焦透镜、可将压力去离子水引入所述空化腔的引流通道、设于引流通道的单向阀。

2.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述间隔器件是可局部挤压变形的铝合金板或阻隔去离子水的活塞体。

3.根据权利要求2所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述铝合金板朝向空化腔一侧涂覆有吸收层。

4.根据权利要求2或3所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述储液腔为锥状，其大头开口盖有所述铝合金板或活塞体，小头开口与微孔连通。

5.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述夹具包括座体和夹板，所述座体设有嵌装工件的工作槽，所述夹板压紧工件并设有供磨粒流排出的通孔，所述座体另一侧设置与工作槽位置对应的空腔。

6.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述座体与基座板之间设有供空化腔注入去离子水时排气的排气槽。

7.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述夹具与基座板相对一侧设有可接收经过微孔排出的磨粒流体的回收储罐。

8.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，其特征在于：所述磨粒流微孔抛光装置还设有可储存压力去离子水的供料储罐，所述引流通道通过导入管至伸入供料储罐的去离子水液位以下，供料储罐的顶部连接压力气管。

9.一种磨粒流微孔抛光工艺，用于对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光，其特征在于，所述磨粒流微孔抛光工艺使用权利要求1所述的磨粒流微孔抛光装置，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹具，并使工件中需要抛光的微孔与储存有粘弹性磨粒流体的储液腔对应连通，空化腔中充满去离子水；

S2、驱动压力去离子水经引流通道进入空化腔，并设有单向阀阻止去离子水逆向回流；

S3、启动激光器产生激光束，激光束穿过聚焦透镜形成焦点于空化腔内，激光将流体击穿、电离而形成空泡，空泡在空化腔间隔器附近溃灭形成速度为80m/s以上的高速微射流和冲击波，进而驱使间隔器件产生构件移动或变形从而推动粘弹性磨粒流体进入微孔对微孔进行摩擦抛光；

S4、持续给予周期性的激光照射，空化腔内不断产生空泡，空泡不断溃灭产生微射流和冲击波，推动磨粒流体进入微孔中进行抛光。

10.根据权利要求9所述的磨粒流微孔抛光工艺，其特征在于：所述磨粒流体中含有磨粒以及填充于磨粒之间的填充液，所述磨粒的粒径为微孔孔径的0.05~0.2倍。