CN104786112B - 基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法及装置，采用将工件表面进行区域划分，并在每一部分区域上，采用不同功率、不同距离的超声波气泡发生器进行综合渐进式加工方法；包括控制系统、腔体机架、步进电机、主动芯轴、主动链轮、从动齿轮、链条、十字托架、四工位旋转装置、升降机构和超声波气泡发生器，本发明通过四工位同时加工，加工效率大为提升；可以针对不同的加工工件，指定相适应的加工方法，主要指可以设置多种高度距离和多种功率大小；加工过程具有渐进性，保证加工质量和效率；四工位的公转带动工件安装平台的自转，可以对工件不同角度的加工；整个加工过程为系统自动控制，无需人员值守。

Description

基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法及装置
技术领域
本发明涉及一种超光滑表面抛光加工设备技术领域，更具体的说，涉及一种基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法及装置。
背景技术
气液固三相磨粒流加工是指借助气相进一步驱动磨粒流加工的一种新方法。主要应用于要求表面粗糙度极低(<1nm RMS)的K9光学玻璃以及单晶硅的加工。磨粒流加工主要是指不依靠加工工具直接接触工件表面，而是利用携带微细磨粒的磨粒流的高速流动实现对工件表面的加工，也将这一方法称为流体抛光。
从超光滑表面加工的特殊要求看，流体抛光使用柔性非常好的流体驱动微细磨粒对工件表面加工，可以有效避免加工层变质和亚表面损伤，是非常合理的超光滑表面加工方法。而气液固三相磨粒流在原有二相磨粒流基础上增加了超声波气泡发生器驱动，采用具有多个磨粒流入口的抛光工具，可以形成高速湍流涡旋，极大的提高了磨粒流加工效率。但是，现有三相磨粒流加工系统，存在以下缺点：1、自动化程度不高，不能定时定量的对工件加工，需要由加工人员自己监控。2、超声波气泡发生器不能对工件表面均匀产生气泡，从而不能保证工件表面加工的一致性。3、加工没有渐进性。现有超声波气泡发生器只能以某种功率某种高度驱动磨粒加工工件，若加工一直采用大功率加工，则不能保证精加工后期小材料去除量，慢进给的要求，若一直采用小功率加工，则不能保证加工效率。4、只能针对单工件加工，批量加工难以保证。5、加工过程单一，没有个性化需求。目前加工不管加工对象是何材料，均采用相同功率加工。如何提高加工效率，提高加工工件品质，以及满足不同工件对加工的需求，是目前气液固三相磨粒流超声波加工设备开发人员致力于攻克的课题。
基于目前存在的一些问题，设计研发出了一种自动化，渐进高效的气液固三相磨粒流超声波加工方法及装置方法上采用基于将工件表面区域划分在每一部分区域采用多种功率，多种距离综合渐进式的加工方法。装置上，设计研发新型的三相磨粒流加工机构，大幅提高了加工效率，显著提升了加工工件的品质。采用可调节式的超声波气泡发生器托架，以及采用可调节功率的超声波气泡发生器，很好的保证了不同加工工件对装置的需求以及加工稳定性的需求。同时机构采用多工位布置方式，为批量化加工提供支持。
发明内容
本发明的目的在于解决现有三相磨粒流超声波加工系统自动化程度不高，不能均匀保证加工工件表面的均匀一致性，加工工件效率低下，工件加工没有渐进性，不能很好适应不同工件对加工的需求，提出了一种自动化，渐进高效的三相磨粒流超声波加工方法及装置，方法上，采用基于将工件表面区域划分，在每一部分区域采用多种功率，多种距离综合渐进式的加工方法。装置上，设计研发新型的三相磨粒流加工机构，大幅提高了加工效率，显著提升了加工工件的品质。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法，采用将工件表面进行区域划分，并在每一部分区域上，采用不同功率、不同距离的超声波气泡发生器进行综合渐进式加工方法；
所述的将工件表面进行区域划分是指根据超声波发生器的气泡发生区域大小将工件表面划分成四个区域；
所述的采用不同功率是指根据不同的加工对象，在划分的区域上，均采用P1、P2、P3三种加工功率，其中P1＞P2＞P3；
所述采用不同距离是指根据不同的加工对象，在划分的区域上，均采用a、b、c三种不同的加工高度，其中a＞b＞c；
所述的综合渐进式加工方法是指根据不同的加工对象，设定加工时间T，对每一部分工件区域，均进行以下模式的加工：超声波气泡发生器先按照功率P1，按距离c，b，a加工，再按照功率P2，按距离c，b，a加工，最后按照功率P3，按距离c，b，a加工。
基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，包括控制系统、腔体机架、步进电机、主动芯轴、主动链轮、从动齿轮、链条、十字托架、四工位旋转装置、升降机构和超声波气泡发生器，所述腔体机架上设有横梁，主动芯轴的顶端穿过横梁连接步进电机，步进电机通过电机座固定在横梁上；所述主动芯轴的底端固接十字托架的中心；所述十字托架的四个端点处设有四根竖直安装的从动芯轴，所述从动芯轴的底端通过轴承连接十字托架，从动芯轴的顶端固接工件安装平台；每根所述从动芯轴上均固定有从动链轮，主动芯轴上固定有与每个从动链轮对应的主动链轮，每个所述主动链轮和从动链轮均通过链条连接；每个所述工件安装平台的上方还设有抛光工具，所述抛光工具固定在腔体机架的内壁上；每个所述工件安装平台的上方还设有超声波气泡发生器，四个超声波气泡发生器通过连接底座固定成一个整体并通过升降机构驱动在工件安装平台正上方进行升降运动；所述控制系统对整个装置进行加工过程控制。
进一步的，所述主动芯轴上装有用于检测转动角度信号的角度传感器。
进一步的，所述从动链轮表面涂覆防水材料。
进一步的，所述四个从动链轮和主动链轮错开分布。
进一步的，所述固定超声波气泡发生器的连接底座上设有用于检测上下位移信号的位移传感器。
进一步的，所述升降机构包括滚珠丝杠和丝杠驱动电机，通过滚珠丝杠和丝杠驱动电机驱动整个连接底座上下运动从而带动四个超声波气泡发生器上下移动。
本发明的技术构思为：在单工位上，超声波气泡发生器对工件的1/4区域按照上述方法加工，加工完毕后，安装在四工位旋转装置上的步进电机带动十字托架转动，从而带动四工位旋转，固定在腔体机架上的主动链轮静止不动，在四工位旋转的同时，链条带动从动链轮旋转，从而带动工件安装平台自转，实现超声波气泡发生器对工件的另一1/4区域加工，同时角度传感器检测角度信号，反馈给步进电机作出相应动作。四工位旋转装置转动四次过后，就实现了对某一工件的全表面加工。
本发明的有益效果在于：四工位同时加工，加工效率大为提升；可以针对不同的加工工件，指定相适应的加工方法，主要指可以设置多种高度距离和多种功率大小；加工过程具有渐进性，保证加工质量和效率；四工位的公转带动工件安装平台的自转，可以对工件不同角度的加工；整个加工过程为系统自动控制，无需人员值守。
附图说明
图1是本发明基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置的立体结构示意图。
图2是本发明基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置的剖视图。
图3是本发明基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法的工件区域划分及旋转示意图。
图4是本发明基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法渐进式加工示意图。
图中，1-腔体机架、2-抛光工具、3-超声波气泡发生器、4-主动芯轴、5-步进电机、6-丝杠驱动电机、7-滚珠丝杠、8-连接底座、9-链条、10-十字托架、11-主动链轮、12-从动链轮、13-从动芯轴、14-工件安装平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～4所示，基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，包括控制系统、腔体机架1、步进电机、主动芯轴、主动链轮11、从动齿轮、链条9、十字托架10、四工位旋转装置、升降机构和超声波气泡发生器3，所述腔体机架1上设有横梁，主动芯轴4的顶端穿过横梁连接步进电机5，步进电机5通过电机座固定在横梁上；所述主动芯轴4的底端固接十字托架10的中心；所述十字托架10的四个端点处设有四根竖直安装的从动芯轴13，所述从动芯轴13的底端通过轴承连接十字托架10，从动芯轴13的顶端固接工件安装平台14；每根所述从动芯轴13上均固定有从动链轮12，主动芯轴4上固定有与每个从动链轮12对应的主动链轮11，每个所述主动链轮11和从动链轮12均通过链条9连接；每个所述工件安装平台14的上方还设有抛光工具2，所述抛光工具2固定在腔体机架1的内壁上；每个所述工件安装平台14的上方还设有超声波气泡发生器3，四个超声波气泡发生器3通过连接底座8固定成一个整体并通过升降机构驱动在工件安装平台14正上方进行升降运动；所述控制系统对整个装置进行加工过程控制。
所述主动芯轴4上装有用于检测转动角度信号的角度传感器。
所述从动链轮12表面涂覆防水材料。
所述四个从动链轮12和主动链轮11错开分布。
所述固定超声波气泡发生器3的连接底座8上设有用于检测上下位移信号的位移传感器。
所述升降机构包括滚珠丝杠7和丝杠驱动电机6，通过滚珠丝杠7和丝杠驱动电机6驱动整个连接底座8上下运动从而带动四个超声波气泡发生器3上下移动。
基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法，采用将工件表面进行区域划分，并在每一部分区域上，采用不同功率、不同距离的超声波气泡发生器进行综合渐进式加工方法；
所述的将工件表面进行区域划分是指根据超声波发生器的气泡发生区域大小将工件表面划分成四个区域；
所述的采用不同功率是指根据不同的加工对象，在划分的区域上，均采用P1、P2、P3三种加工功率，其中P1＞P2＞P3；
所述采用不同距离是指根据不同的加工对象，在划分的区域上，均采用a、b、c三种不同的加工高度，其中a＞b＞c；
所述的综合渐进式加工方法是指根据不同的加工对象，设定加工时间T，对每一部分工件区域，均进行以下模式的加工：超声波气泡发生器先按照功率P1，按距离c，b，a加工，再按照功率P2，按距离c，b，a加工，最后按照功率P3，按距离c，b，a加工。
三相磨粒流加工之前，针对特定加工对象，制定相应的加工方案，主要制定以下几个工艺参数：
1)、超声波气泡发生器分别按哪几种功率加工，即确定P1、P2、P3。
2)、超声波气泡发生器离工件表面工作距离高度，即确定a、b、c。3、每种功率在相应的进给距离上加工停留时间T。
现假定针对某种材质工件，分别以P1，P2，P3这三种功率加工，其中P1>P2>P3，距离高度分别为a，b，c，a>b>c，每种进给距离和加工功率时间均为T，按以上参数，进行详细说明。
开始加工后，超声波气泡发生器3开始工作，按照加工工艺参数，超声波气泡发生器3先升到距离c位置处，之后以功率P1开始加工，经过时间T后，保持功率不变，距离位置上升到b处，保持功率不变，经过时间T后，距离位置上升到a处，经过时间T后，距离位置回到c处，此时以功率P2加工，再进行相同的过程，之后再以功率P3加工，再进行相同的过程，如附图4所示。当完成三种功率完成相应过程后，如图3所示，步进电机5带动十字托架10转动九十度，转动过程中，由于从动芯轴上的从动链轮12和主动芯轴4上的主动链轮11通过链条9连接，主动链轮11固定，从动芯轴13自由可转，从而由于链条作用，在十字托架10转动过程中带动工件安装平台14进行自转九十度。加工过程中，利用不同功率加工，很好的保证了工件加工的渐进性，可以保证不同加工对象对加工的个性化需求，避免大功率对工件的破环，同时又保证三相流中气泡对功率的要求。工件在一、二、三、四这四个工位上，分别以不同角度对准超声波气泡发生器，从而保证了工件表面加工一致性。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (7)

1.基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光方法，其特征在于：采用将工件表面进行区域划分，并在每一部分区域上，采用不同功率、不同距离的超声波气泡发生器进行综合渐进式加工方法；
所述的将工件表面进行区域划分是指根据超声波发生器的气泡发生区域大小将工件表面划分成四个区域；
所述的采用不同功率是指根据不同的加工对象，在划分的区域上，均采用P1、P2、P3三种加工功率，其中P1＞P2＞P3；
所述采用不同距离是指根据不同的加工对象，在划分的区域上，均采用a、b、c三种不同的加工高度，其中a＞b＞c；
所述的综合渐进式加工方法是指根据不同的加工对象，设定加工时间T，对每一部分工件区域，均进行以下模式的加工：超声波气泡发生器先按照功率P1，按距离c，b，a加工，再按照功率P2，按距离c，b，a加工，最后按照功率P3，按距离c，b，a加工。
2.基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，其特征在于：包括控制系统、腔体机架(1)、步进电机、主动芯轴、主动链轮(11)、从动齿轮、链条(9)、十字托架(10)、四工位旋转装置、升降机构和超声波气泡发生器(3)，所述腔体机架(1)上设有横梁，主动芯轴(4)的顶端穿过横梁连接步进电机(5)，步进电机(5)通过电机座固定在横梁上；所述主动芯轴(4)的底端固接十字托架(10)的中心；所述十字托架(10)的四个端点处设有四根竖直安装的从动芯轴(13)，所述从动芯轴(13)的底端通过轴承连接十字托架(10)，从动芯轴(13)的顶端固接工件安装平台(14)；每根所述从动芯轴(13)上均固定有从动链轮(12)，主动芯轴(4)上固定有与每个从动链轮(12)对应的主动链轮(11)，每个所述主动链轮(11)和从动链轮(12)均通过链条(9)连接；每个所述工件安装平台(14)的上方还设有抛光工具(2)，所述抛光工具(2)固定在腔体机架(1)的内壁上；每个所述工件安装平台(14)的上方还设有超声波气泡发生器(3)，四个超声波气泡发生器(3)通过连接底座(8)固定成一个整体并通过升降机构驱动在工件安装平台(14)正上方进行升降运动；所述控制系统对整个装置进行加工过程控制。
3.根据权利要求2所述的基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，其特征在于：所述主动芯轴(4)上装有用于检测转动角度信号的角度传感器。
4.根据权利要求2所述的基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，其特征在于：所述从动链轮(12)表面涂覆防水材料。
5.根据权利要求2所述的基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，其特征在于：所述四个从动链轮(12)和主动链轮(11)错开分布。
6.根据权利要求2所述的基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，其特征在于：所述固定超声波气泡发生器(3)的连接底座(8)上设有用于检测上下位移信号的位移传感器。
7.根据权利要求2所述的基于气液固三相磨粒流的渐进性抛光装置，其特征在于：所述升降机构包括滚珠丝杠(7)和丝杠驱动电机(6)，通过滚珠丝杠(7)和丝杠驱动电机(6)驱动整个连接底座(8)上下运动从而带动四个超声波气泡发生器(3)上下移动。
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