CN104589183B - 超声研磨蓝宝石镜片的加工装置 - Google Patents
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Abstract
超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，包括支座（18）和超声振动加载系统，支座（18）上设有工作台（17）和机床床身（2），所述机床床身（2）上设有位于工作台（17）上方的研磨头驱动系统和研磨液供给系统，工作台（17）上设有镜片固定安装系统，支座（18）上设有用于操控工作台（17）沿X向、Y向的水平运动及Z向升降运动的辅助运动系统。本发明具有工艺先进、加工成本相对较低、生产效率高、加工质量好，充分利用研究机构现有的机床设备和真空吸盘的优点，能够对热度越来越高的蓝宝石镜片进行高效高质量的研磨加工，满足未来企业需求。
Description
技术领域
本发明属于超声振动研磨加工技术领域，特别涉及一种超声研磨蓝宝石镜片的加工装置。
背景技术
随着蓝宝石这个词越来越多的出现在了一些新产品的硬件参数里，“蓝宝石”的热度开始急剧升温，而且据传某一大品牌手机还会采用蓝宝石玻璃屏幕，进一步提升了蓝宝石原料的热度。 资料显示蓝宝石的硬度达到了莫氏9级，仅次于钻石，拥有比普通玻璃高出数十倍的硬度与耐磨擦力，使用蓝宝石原料打造摄像头镜片或者手机屏幕，可以极大的提高摄像头的防刮耐磨性能，保证清晰成像。由于蓝宝石相对于普通玻璃的性能上的优势，蓝宝石玻璃在手机和其他移动电子产品的应用日益广泛，必然会出现蓝宝石资源的短缺，其原因主要是由其加工工艺决定的：在加工蓝宝石镜片时，表面处理是产能最大的瓶颈之一，切割后的表面要经过2-3个小时的双面抛光才能达到>90%的透光率,蓝宝石加工的特点造成其资源不可能像普通玻璃一样多，而且目前没有研究出一种有效的替代加工工艺，所以发明一种新型的蓝宝石镜片的加工工艺及装置就有着比较重大的意义。
超声振动加工技术，对这方面的研究已经比较成熟，这项技术由于在研磨加工过程中的复杂性，还需要进一步研究深入实践中。
这种加工方法被用于被加工工件具有良好的耐磨、耐腐蚀性，特别是对同等的加工条件下的工件加工，将超声振动研磨加工视为下一代超精密加工方法中的新宠。
对于超声振动研磨加工是属于一种脉冲加工方法，在工件加工过程中，刀具会离开工件，其运动的速度大小和方向会发生不断的变化。关于超声振动研磨加工工艺效果主要有以下几个方面：
1、研磨切削力小；
2、研磨切削低温效果；
3、较低的工件表面粗糙度与高加工精度；
4、提高研磨液的使用效果；
5、研磨效率提高。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种工艺先进、加工成本相对较低、生产效率高、加工质量好的一种超声研磨蓝宝石镜片的加工装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，包括支座18和超声振动加载系统，支座18上设有工作台17和机床床身2，所述机床床身2上设有位于工作台17上方的研磨头驱动系统和研磨液供给系统，工作台17上设有镜片固定安装系统，支座18上设有用于操控工作台17沿X向、Y向的水平运动及Z向升降运动的辅助运动系统；
所述研磨头驱动系统包括可调速电动机8、主轴箱4、气缸28、花键轴5、X向铰链机构9、Y向铰链机构10、磨具安装盘24和研磨头23，可调速电动机8设在机床床身2侧部，主轴箱4通过安装螺栓3设在机床床身2上并位于工作台17上方，花键轴5垂直设置，花键轴5上部位于主轴箱4内，花键轴5下端伸出主轴箱4，主轴箱4内设有上定位座40和下定位座41，可调速电动机8的动力输出端带传动连接有位于上定位座40和下定位座41之间的带轮7，带轮7通过花键连接安装在花键轴5上，带轮7上表面与上定位座40下表面之间、带轮7下表面与下定位座41上表面之间均设有一个推力轴承26，主轴箱4上部设有两个气缸28，两个气缸28通过连接板27与花键轴5上端相连，X向铰链机构9上端与花键轴5下端铰接，Y向铰链机构10上端与X向铰链机构9下端铰接，磨具安装盘24中心通过垂直设置的带孔螺钉25固定在Y向铰链机构10下端，磨具安装盘24下端设有凹槽，研磨头23过盈配合连接于磨具安装盘24的凹槽内。
所述研磨液供给系统包括研磨液存储器1、上输流管43和下输流管11，研磨液存储器1设在机床床身2顶部，花键轴5中心轴向设有上端敞口下端封堵的上输流通道42，研磨液存储器1的出口通过上输流管11与上输流通道42上端连接，Y向铰链机构10内部轴向设有上端封堵下端敞口的下输流通道44，上输流通道42和下输流通道44通过下输流管11连接，下输流管11设有两根，研磨头23轴向设有研磨液小孔通道，下输流通道44通过带孔螺钉25的中心孔与研磨头23上的研磨液小孔通道连通。
所述镜片固定安装系统包括蓝宝石镜片22、真空发生器21、真空吸盘13、支撑板16和夹具15，支撑板16通过夹具15安装固定在工作台17上，真空吸盘13下表面通过垂直设置的支撑钉20设在支撑板16上，真空发生器21设在真空吸盘13侧部，真空发生器21的工作端与真空吸盘13连接，蓝宝石镜片22下表面吸附在真空吸盘13上。
所述超声振动加载系统包括X向超声振动装置14、Y向超声振动装置19和超声电源系统31，X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19整体固定在支撑板16上，X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19的动力驱动端分别与真空吸盘13侧部连接，支撑钉20位于X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19的变幅节点下方。
所述花键轴5通过双排圆锥滚子轴承29与连接板27连接，两个气缸28关于花键轴5的中心线对称设置。
采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，有以下特别之处：
（1）本发明提供了新的蓝宝石研磨加工装置，大多数利用现有的设备、装置；在加入X、Y向二维超声振动的条件下，经实际验证，镜片的表面粗糙度和几何精度都得到明显提高，加工效率也大幅增加。
（2）本发明的研磨头驱动系统，采用的是模块化设计，拆装方便，结构简单，工作可靠，且只需利用现有的工作台能进行X、Y向和升降运动的普通数控研磨机，将相应装置固定在其上即可实现。
（3）本发明中磨头安装盘上部的X 向铰链机构和Y向铰链机构，能使由于安装或制造造成的研磨头面与工件表面之间的不平行度得到自适应，自动消除两者之间的位置误差，能够很好的保证加工质量。
（4）本发明在蓝宝石镜片的安装固定上，采用了真空吸盘吸附技术，镜片安装准确方便快捷，加工过程中也安全可靠，能同时进行多工件加工，大大缩短辅助加工时间。
综上所述，本发明结合现有的机床和真空吸盘，通过研磨头驱动系统的主轴绕Z轴的旋转运动和机床工作台的辅助运动（X、Y向的移动和升降运动），且在机床的X、Y轴向对工件加载二维超声振动，在这种特殊条件下，对镜片进行研磨加工。本发明具有工艺先进、加工成本相对较低、生产效率高、加工质量好，充分利用研究机构现有的机床设备和真空吸盘的优点，能够对热度越来越高的蓝宝石镜片进行高效高质量的研磨加工，满足未来企业需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中镜片安装固定系统和超声振动加载系统的俯视图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，包括支座18和超声振动加载系统，支座18上设有工作台17和机床床身2，机床床身2上设有位于工作台17上方的研磨头驱动系统和研磨液供给系统，工作台17上设有镜片固定安装系统，支座18上设有用于操控工作台17沿X向、Y向的水平运动及Z向升降运动的辅助运动系统。
所述研磨头驱动系统包括可调速电动机8、主轴箱4、气缸28、花键轴5、X向铰链机构9、Y向铰链机构10、磨具安装盘24和研磨头23，可调速电动机8设在机床床身2侧部，主轴箱4通过安装螺栓3设在机床床身2上并位于工作台17上方，花键轴5垂直设置，花键轴5上部位于主轴箱4内，花键轴5下端伸出主轴箱4，主轴箱4内设有上定位座40和下定位座41，可调速电动机8的动力输出端带传动连接有位于上定位座40和下定位座41之间的带轮7，带轮7通过花键连接安装在花键轴5上，带轮7上表面与上定位座40下表面之间、带轮7下表面与下定位座41上表面之间均设有一个推力轴承26，主轴箱4上部设有两个气缸28，两个气缸28通过连接板27与花键轴5上端相连，X向铰链机构9上端与花键轴5下端铰接，Y向铰链机构10上端与X向铰链机构9下端铰接，磨具安装盘24中心通过垂直设置的带孔螺钉25固定在Y向铰链机构10下端，磨具安装盘24下端设有凹槽，研磨头23过盈配合连接于磨具安装盘24的凹槽内。
研磨液供给系统包括研磨液存储器1、上输流管43和下输流管11，研磨液存储器1设在机床床身2顶部，花键轴5中心轴向设有上端敞口下端封堵的上输流通道42，研磨液存储器1的出口通过上输流管11与上输流通道42上端连接，Y向铰链机构10内部轴向设有上端封堵下端敞口的下输流通道44，上输流通道42和下输流通道44通过下输流管11连接，下输流管11设有两根，研磨头23轴向设有研磨液小孔通道，下输流通道44通过带孔螺钉25的中心孔与研磨头23上的研磨液小孔通道连通。
镜片固定安装系统包括蓝宝石镜片22、真空发生器21、真空吸盘13、支撑板16和夹具15，支撑板16通过夹具15安装固定在工作台17上，真空吸盘13下表面通过垂直设置的支撑钉20设在支撑板16上，真空发生器21设在真空吸盘13侧部，真空发生器21的工作端与真空吸盘13连接，蓝宝石镜片22下表面吸附在真空吸盘13上。
超声振动加载系统包括X向超声振动装置14、Y向超声振动装置19和超声电源系统31，X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19整体固定在支撑板16上，X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19的动力驱动端分别与真空吸盘13侧部连接，支撑钉20位于X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19的变幅节点下方。
可调速电动机8通过带传动将动力传给带轮7，带轮7由两个推力轴承26定位，带轮7带动花键轴5旋转，并通过X向铰链机构9和Y向铰链机构10带动磨具安装盘24旋转；气缸28通过连接板27和其上的双排圆锥滚子轴承29，驱动花键轴5上下移动，花键轴5与带轮7之间花键配合的一段可轴向相对移动，这样就使磨具安装盘24整体做小行程的上下运动，使研磨头23研磨工件时保证一定的研磨压力并产生旋转运动；X向铰链机构9和Y向铰链机构10的串联设置是为了让磨具端面与镜片研磨的不平度自适应。研磨液由研磨液存储器1经上输流管43流进花键轴5内上输流通道42的，经由下输流管11、下输流通道44再通过带孔螺钉25和研磨头23，最终到达蓝宝石镜片22表面，满足研磨条件；真空发生器21使真空吸盘13产生真空，真空吸盘13表面有许多小孔，将蓝宝石镜片22排列整齐置于其上，蓝宝石镜片22即被牢固地吸在真空吸盘13表面。在真空吸盘13超声振动节点处设置支撑钉20，支撑钉20下端通过垂直设置的紧固螺钉固定在支撑板16上，支撑板16又由夹具15固定在工作台17上，夹具15通过螺栓与工作台17上的T型槽相连。X向超声振动装置14及 Y向超声振动装置19通过双头螺柱连接在真空吸盘13上，X向超声振动装置14和 Y向超声振动装置19的变幅杆分别被固定在支撑板16上特定位置处的两块立板上，启动超声电源系统31，真空吸盘13及蓝宝石镜片22产生二维超声振动。辅助运动系统主要就是依靠工作台17本身的X、Y向和升降运动来完成，对镜片进行快速进退和连续的研磨进给。
工作时，将蓝宝石镜片22在真空吸盘13上排列整齐，启动真空发生器21镜片被吸牢在真空吸盘13表面；打开X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19，镜片将获得一个二维超声振动；升高机床工作台17使蓝宝石镜片22与研磨头23接触，开启可调速电动机8调整转速，花键轴5开始旋转运动，随后打开研磨液开关开始供液，接着通过调整气缸28获得一定的研磨压力；机床工作台17带动超声系统实现进给运动，实现蓝宝石镜片的超声研磨加工。
本发明中的X向超声振动装置14、Y向超声振动装置19、超声电源系统31、夹具15、真空吸盘13、真空发生器21均为现有成熟技术，具体构造及原理不再赘述；真空吸盘13节点处支撑位置的确定借助于有限元分析的方法和多次实验的方法；本实施中的X向超声振动装置14和Y向超声振动装置19分别通过一个超声电源系统为之供电。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，包括支座（18）和超声振动加载系统，支座（18）上设有工作台（17）和机床床身（2），其特征在于：所述机床床身（2）上设有位于工作台（17）上方的研磨头驱动系统和研磨液供给系统，工作台（17）上设有镜片固定安装系统，支座（18）上设有用于操控工作台（17）沿X向、Y向的水平运动及Z向升降运动的辅助运动系统；
所述研磨头驱动系统包括可调速电动机（8）、主轴箱（4）、气缸（28）、花键轴（5）、X向铰链机构（9）、Y向铰链机构（10）、磨具安装盘（24）和研磨头（23），可调速电动机（8）设在机床床身（2）侧部，主轴箱（4）通过安装螺栓（3）设在机床床身（2）上并位于工作台（17）上方，花键轴（5）垂直设置，花键轴（5）上部位于主轴箱（4）内，花键轴（5）下端伸出主轴箱（4），主轴箱（4）内设有上定位座（40）和下定位座（41），可调速电动机（8）的动力输出端带传动连接有位于上定位座（40）和下定位座（41）之间的带轮（7），带轮（7）通过花键连接安装在花键轴（5）上，带轮（7）上表面与上定位座（40）下表面之间、带轮（7）下表面与下定位座（41）上表面之间均设有一个推力轴承（26），主轴箱（4）上部设有两个气缸（28），两个气缸（28）通过连接板（27）与花键轴（5）上端相连，X向铰链机构（9）上端与花键轴（5）下端铰接，Y向铰链机构（10）上端与X向铰链机构（9）下端铰接，磨具安装盘（24）中心通过垂直设置的带孔螺钉（25）固定在Y向铰链机构（10）下端，磨具安装盘（24）下端设有凹槽，研磨头（23）过盈配合连接于磨具安装盘（24）的凹槽内；
所述研磨液供给系统包括研磨液存储器（1）、上输流管（43）和下输流管（11），研磨液存储器（1）设在机床床身（2）顶部，花键轴（5）中心轴向设有上端敞口下端封堵的上输流通道（42），研磨液存储器（1）的出口通过上输流管（43）与上输流通道（42）上端连接，Y向铰链机构（10）内部轴向设有上端封堵下端敞口的下输流通道（44），上输流通道（42）和下输流通道（44）通过下输流管（11）连接，下输流管（11）设有两根，研磨头（23）轴向设有研磨液小孔通道，下输流通道（44）通过带孔螺钉（25）的中心孔与研磨头（23）上的研磨液小孔通道连通。
2.根据权利要求1所述的超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，其特征在于：所述镜片固定安装系统包括蓝宝石镜片（22）、真空发生器（21）、真空吸盘（13）、支撑板（16）和夹具（15），支撑板（16）通过夹具（15）安装固定在工作台（17）上，真空吸盘（13）下表面通过垂直设置的支撑钉（20）设在支撑板（16）上，真空发生器（21）设在真空吸盘（13）侧部，真空发生器（21）的工作端与真空吸盘（13）连接，蓝宝石镜片（22）下表面吸附在真空吸盘（13）上。
3.根据权利要求2所述的超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，其特征在于：所述超声振动加载系统包括X向超声振动装置（14）、Y向超声振动装置（19）和超声电源系统（31），X向超声振动装置（14）和Y向超声振动装置（19）整体固定在支撑板（16）上，X向超声振动装置（14）和Y向超声振动装置（19）的动力驱动端分别与真空吸盘（13）侧部连接，支撑钉（20）位于X向超声振动装置（14）和Y向超声振动装置（19）的变幅节点下方。
4.根据权利要求1所述的超声研磨蓝宝石镜片的加工装置，其特征在于：所述花键轴（5）通过双排圆锥滚子轴承（29）与连接板（27）连接，两个气缸（28）关于花键轴（5）的中心线对称设置。
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