CN104985488A - 基于空化效应的软脆材料加工装置 - Google Patents

基于空化效应的软脆材料加工装置 Download PDF

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Abstract

一种基于空化效应的软脆材料加工装置，包括加工池，所述加工池内设有用于固定待加工软脆材料工件的夹具，所述夹具上方设有弹性摩擦轮，所述夹具与所述弹性摩擦轮之间的区域为加工工位，所述夹具与用于带动所述夹具运动的夹具驱动机构连接，所述弹性摩擦轮与用于带动弹性摩擦轮运动的摩擦轮驱动机构连接，所述加工池的上方布置用于使加工池内的加工液在加工工位附近发生空化的空化系统。本发明提出了一种高效、高质量与低成本的基于空化效应的软脆材料加工装置。

Description

基于空化效应的软脆材料加工装置
技术领域
本发明属于精密超精密加工领域，尤其是一种针对软脆材料的加工装置。
背景技术
软脆材料是硬度低、脆性大材料的总称。在工程中常用的软脆材料主要有砷化镓(GaAs)晶体、氟化钙(CaF2)、磷酸二氢钾(KDP)等，由于其具有许多金属难以比拟的优异性能，在电子、光学、仪器仪表、航空航天、国防及民用工业等诸多领域有着越来越广泛的作用。这些软脆电子材料虽具有优异的物理性能，但它们既脆又软(如GaAs的莫氏硬度为4.5，InP的莫氏硬度为3)，与硅的硬度相比(Si的莫氏硬度为7)相差甚远。因为软脆材料的特性，加工时表面易产生划痕、凹坑、磨粒嵌入或吸咐等加工缺陷，这大大的限制了软脆材料的应用和发展。因此，如何实现软脆材料的高质高效、低成本精密超精密加工已成为当前国内外关注的课题。
目前，对于软脆材料，其加工方法主要有：单点金刚石飞刀切削技术、研磨抛光技术、固结磨粒抛光、水合抛光等。
单点金刚石切削技术采用天然单晶金刚石作刀具，车削加工光学零件表面。它通常采用“飞刀”切削加工方式，高速旋转的飞刀去除工件表面一层材料，直接获得超光滑表面，不需再进行抛光加工。这种方法虽然加工效率高，但由于国内机床精度和刚度不足，飞刀切削时，机床床身与主轴发生共振在晶体表面产生小尺度波纹，严重影响元器件的性能。研磨抛光是实现软脆材料的精密超精密加工的最主要方法，传统的研磨抛光采用的是游离磨料方式加工，在加工软脆材料时，会有硬质磨粒划伤、嵌入或吸附在材料表面形成加工缺陷，而且加工时磨料随机分布易造成材料去除量不均匀和面形难以控制，加工效率不高，且磨料利用率极低，成本高(磨料成本占加工成本的70％)，加工完成后材料表面清洗困难。为了提高材料的去除效率，国内外专家提出了固结磨粒抛光技术。这种固结磨料技术虽然加工效率高，但由于磨粒固结在抛光垫上，加工时磨粒易掉落，使软脆材料表面形成划痕、凹坑等缺陷，同时其对抛光垫的要求较高，抛光垫的制作、自我修整等都有待于解决。为了解决软脆材料表面质量问题，国内外专家又提出了水合抛光方法。这种方法采用了无磨粒加工技术，可以获得无损伤表面质量，但其加工效率很低。
综上所述，虽然软脆材料加工方法很多，但它们不是加工效率低，就是材料表面容易形成划痕、凹坑等表面质量问题，可见要想获得加工效率高且低损伤的工件表面相当困难，因此，为解决这一问题，迫切需要开发一种设备简单、高效、高加工质量和低成本的加工装置。
发明内容
为了克服现有技术存在的加工设备复杂成本高、加工效率低、加工质量低的问题，本发明提出了一种高效、高质量与低成本的基于空化效应的软脆材料加工装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于空化效应的软脆材料加工装置，包括加工池，所述加工池内设有用于固定待加工软脆材料工件的夹具，所述夹具上方设有弹性摩擦轮，所述夹具与所述弹性摩擦轮之间的区域为加工工位，所述夹具与用于带动所述夹具运动的夹具驱动机构连接，所述弹性摩擦轮与用于带动弹性摩擦轮运动的摩擦轮驱动机构连接，所述加工池的上方布置用于使加工池内的加工液在加工工位附近发生空化的空化系统。
进一步，所述空化系统包括空化器和流量计，所述空化器的出口安装流量计，所述空化器的出口位于所述加工池内且位于所述夹具的上方。
再进一步，所述空化系统还包括加工液出口管道、加工液入口管道、调节阀和泵，所述加工池底部的循环出口与所述加工液出口管道的一端连接，所述加工液出口管道内安装泵和调节阀，所述加工液出口管道的另一端与所述空化器的进口连接，所述空化器的出口与所述加工液入口管道的一端连接，所述加工液入口管道的另一端位于所述加工池内且位于所述夹具的上方。
更进一步，所述弹性摩擦轮为工作表面设有气泡通道的空心轮，所述空化器的出口与所述气泡通道连通。这是一种实现的方式。
所述空化器与流量计之间以及空化器与调节阀之间的管路上各设有一个压力计。
所述空化系统还包括一个溢流阀，溢流阀的一端通过管路与加工池连通，另一端通过管路与所述泵的输出端连通.
所述弹性摩擦轮由刚性材料制成的轮体和包裹在轮体外围的软质或弹性层构成。
所述的弹性摩擦轮是平形轮、斜边轮、筒形轮、杯形轮或蝶形轮。
夹具驱动机构用于驱动夹具平动及转动，摩擦轮驱动机构用于驱动弹性摩擦轮平动及转动。
本发明的技术构思为：空化系统中的泵将加工池中的加工液输送进入空化器，经过空化器后加工液实现空化并输出进入加工池，到达工件表面。空化系统可以不断的将加工池中的加工液进行循环空化，其中的溢流阀、调节阀、流量计、压力计可以实现对空化系统的稳压、系统卸荷和安全保护作用。加工液通过空化系统后在工件表面产生大量的空泡；空泡溃灭时，会释放大量的能量，能量转化为强烈的微射流并在工件表面产生一定的冲击压力；冲击压力以微小值反复作用于工件表面，引起工件表面的疲劳破坏，以机械作用的形式去除工件表面的材料；另一方面，H2O的化学键在能量的作用下被打开，生成自由基，在基液中产生局部的高浓度氧化剂，氧化剂与工件表面发生化学反应，在表面生成极微的氧化层；加工过程中，工件与弹性摩擦轮之间做相对运动，对工件表面的化学氧化层和疲劳破坏层施加机械摩擦作用；在机械与化学的共同作用下，从而实现对软脆工件表面的材料去除。这种方法由于无磨料使用，不必担心工件表面出现划痕、磨粒嵌入、凹坑等加工缺陷，从而可以对软脆材料进行高效高质量的加工。
本发明的有益效果主要表现在：(1)本发明提供了一种基于空化效应的软脆材料加工装置，适用范围广，可以加工各种软脆材料；(2)加工效率高；(3)由于加工过程中不使用任何磨料，表面无划痕、凹坑、磨粒嵌入等损伤，加工表面质量好，且易清洗；(4)由于空化效应易于实现，因而使用成本低，对加工设备要求较低。
附图说明
图1是基于空化效应的软脆材料加工装置示意图。
图2是利用本发明装置对平面工件进行加工的具体实施实例示意图。
图3是本发明装置中的加工液出口管道与弹性摩擦轮连为一体时对工件加工的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于空化效应的软脆材料加工装置，包括加工池1，加工池1内设有用于固定工件4的夹具3，夹具3上方设有弹性摩擦轮5；所述夹具3和所述弹性摩擦轮5可以相对运动；还包括在加工过程中用于使加工液2在工件4附近发生空化的空化系统。
所述空化系统包括通过管路依次连通泵13、调节阀11、空化器10和流量计8；所述空化系统还包括一端与所述泵13连接的加工液入口管道7，以及一端与所述流量计8连接的加工液出口管道6；所述加工液入口管道7的另一端与加工池上的循环出口连接；所述加工液出口管道6的另一端位于夹具3上方。
作为优化，所述弹性摩擦轮5为工作表面设有气泡通道的空心轮，其内部与加工液出口管道6连通。
所述空化系统中，空化器10与流量计8之间以及空化器10与调节阀11之间的管路上各设有一个压力计9。
所述空化系统还包括一个溢流阀12，溢流阀12的一端通过管路与加工池1连通，另一端通过管路与所述泵13的输出端连通。
所述弹性摩擦轮5由刚性材料(刚性材料可以是金属、陶瓷和硬质塑料)制成的轮体和包裹在轮体外围的软质或弹性层(软质或弹性层的材质可以是橡胶、塑料、聚氨酯、尼龙、毛毡、以及织物)构成。刚性材料以及软质或弹性材料的种类可以根据待加工工件4的材料特性、形状特性、表面特性、加工质量、加工效率和加工精度等要求进行选取。
所述的弹性摩擦轮5是平形轮、斜边轮、筒形轮、杯形轮或蝶形轮。
所述弹性摩擦轮5与用于驱动弹性摩擦轮5平动(平动包括相对于工件4的上下左右前后运动)及转动的第一驱动装置14连接；所述的夹具3与用于驱动夹具平动(平动包括相对于弹性摩擦轮5的上下左右前后运动)及转动的第二驱动装置15连接。
所述的夹具3可以固定各种形状的工件4，包括球、圆柱滚子、平面以及其他形状不规则的工件。
启动空化系统后，经过空化器10空化的加工液2输送到工件4表面，从而在工件4表面形成大量空泡16，通过空泡溃灭以及弹性摩擦轮5共同作用于工件4表面，从而实现对工件4的加工。
本实施例的基于空化效应的软脆材料加工装置，可实现对各种软脆材料的高效、高质量、低成本的加工要求。
参照图2，以水作为加工液2，抛光对象为磷化铟平面工件4，对其上表面进行加工。加工液2在泵13的作用下进入加工液空化系统中，经过空化器10后加工液2被空化，被空化的加工液通过管路输送到加工池1中的工件4表面，从而在工件4表面形成大量的空泡16，由于空泡16周围加工液2的压力变化，空泡16发生溃灭，瞬间产生强烈的微射流与冲击波17，同时使水分解形成高浓度的氧化自由基，其能量效应和机械效应会引起特殊的物理和化学效果在工件表面产生空蚀现象，随着工件4与弹性摩擦轮5(为杯型轮时)发生相对运动，最终去除磷化铟工件表面材料，经测定，用此实施例的方法可实现对磷化铟工件材料去除率达60μm/h，表面粗糙度Ra可达到0.2nm。
参照图3，空化系统中的结构与图1、图2保持一致，以水作为加工液2，抛光对象为砷化镓平面工件4，对其上表面进行加工。此实施例中加工液出口管道6与工作表面设有气泡通道(气泡通道为多孔状结构或是轮辐状结构)的空心的弹性摩擦轮5连为一体。加工液2通过空化系统的空化作用后经过加工液出口管道6从弹性摩擦轮5的侧面中心进入，通过气泡通道后，直接在弹性摩擦轮5与工件4表面之间生成空泡16，由于空泡16周围加工液2的压力变化，空泡16发生溃灭，瞬间产生强烈的微射流与冲击波17，同时使水分解形成高浓度的氧化自由基，其能量效应和机械效应会引起特殊的物理和化学效果在工件4表面产生空蚀现象，加工过程中，弹性摩擦轮5与工件4做相对运动，对工件4表面的化学氧化层和疲劳破坏层18施加机械摩擦作用；从而在机械与化学的共同作用下，最终去除砷化镓工件表面材料，经测定，用此实施例的方法可实现对砷化镓工件材料去除率达58μm/h，表面粗糙度Ra可达到0.2nm。

Claims (8)

1.一种基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述加工装置包括加工池，所述加工池内设有用于固定待加工软脆材料工件的夹具，所述夹具上方设有弹性摩擦轮，所述夹具与所述弹性摩擦轮之间的区域为加工工位，所述夹具与用于带动所述夹具运动的夹具驱动机构连接，所述弹性摩擦轮与用于带动弹性摩擦轮运动的摩擦轮驱动机构连接，所述加工池的上方布置用于使加工池内的加工液在加工工位附近发生空化的空化系统。
2.如权利要求1所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述空化系统包括空化器和流量计，所述空化器的出口安装流量计，所述空化器的出口位于所述加工池内且位于所述夹具的上方。
3.如权利要求2所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述空化系统还包括加工液出口管道、加工液入口管道、调节阀和泵，所述加工池底部的循环出口与所述加工液出口管道的一端连接，所述加工液出口管道内安装泵和调节阀，所述加工液出口管道的另一端与所述空化器的进口连接，所述空化器的出口与所述加工液入口管道的一端连接，所述加工液入口管道的另一端位于所述加工池内且位于所述夹具的上方。
4.如权利要求1～3之一所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述弹性摩擦轮为工作表面设有气泡通道的空心轮，所述空化器的出口与所述气泡通道连通。
5.如权利要求3所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述空化器与流量计之间以及空化器与调节阀之间的管路上各设有一个压力计。
6.如权利要求3或5所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述空化系统还包括一个溢流阀，溢流阀的一端通过管路与加工池连通，另一端通过管路与所述泵的输出端连通.
7.如权利要求1～3之一所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述弹性摩擦轮由刚性材料制成的轮体和包裹在轮体外围的软质或弹性层构成。
8.如权利要求1～3之一所述的基于空化效应的软脆材料加工装置，其特征在于：所述的弹性摩擦轮是平形轮、斜边轮、筒形轮、杯形轮或蝶形轮。
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