CN105643375B - 一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置 - Google Patents

一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置，该装置是针对一种浸没式超声波表面处理方法设计制造的，其特征在于：该装置主要有加工池、超声波发生及放大装置、真空模块和温控系统四大部分构成，进一步提高加工效率，减少超声能量的损耗。操作方法为：首先将配制好的加工液(10)加入加工池(14)中，打开磁控开关(13)，将固定好待加工产品(6)的加工篮(5)吸附在加工盖(1)上，关闭加工盖，进行真空处理，完成后利用磁控系统控制加工篮沿导轨(7)滑下，确保待加工产品浸没在加工液中，根据产品材质设置超声能量场强度进行超声波表面加工，实现对产品表面的高效处理。

Description

一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置
技术领域
本发明属于浸没式超声波加工处理和表面加工领域，涉及一种针对聚合物、金属等不同材质产品的浸没式超声波表面处理的方法，具体是一种超声波表面处理装置。
背景技术
目前常用的表面处理方法有手工处理，化学处理，机械处理等。手工处理是利用刮刀、钢丝刷或砂轮等工具，手动加工工件表面，此方法劳动强度大，生产效率低，质量差，清理不彻底。化学处理主要是利用酸性或碱性溶液与工件表面的毛刺、污物等发生化学反应，使其溶解在溶液中，以达到处理工件表面的目的。对于此方法，若时间控制不当，容易出现过蚀现象，且浸入缝隙或孔穴中的化学试剂难以彻底清除，若处理不当，将为工件后续使用过程埋下安全隐患，且化学物易挥发，成本高，排放液的环境成本高。
机械处理是目前使用最广泛的表面处理方法，主要包括抛光法、抛丸法和喷丸法。机械抛光法是在专用的抛光机上进行抛光，靠极细的抛光粉和磨面间产生的相对加工和滚压作用来实现表面加工，该技术难以处理复杂曲面和工件内表面。抛丸法是利用离心力将弹丸加速，抛射至工件进行表面处理的方法，该方法灵活性差，受场地限制。喷丸又分为喷丸和喷砂，喷丸处理是将无数钢丸高速且连续喷射，捶打 到零件表面，形成一定厚度的强化层，用喷丸进行表面处理，打击力大，效果明显。但喷丸处理薄板工件时，容易使工件变形。喷砂适用于对工件表面要求较高时，此方法建设费用高，维修工作量及维修费用极大，并且喷砂过程中产生大量的矽尘无法清除，严重影响操作工人的健康并污染环境。机械处理可以大大降低工作人员的劳动强度，提高表面处理效率，然而缺点也很明显，由于基于FDM技术的3D打印主要使用聚合物材料，材料的熔点低，强度低，机械摩擦、冲击会使工件温度升高，强度降低，导致加工失效，本方法也难以处理尺寸较小、结构复杂的产品。
现有的超声波表面处理方法主要是超声磨削，该方法是通过在普通磨削工具上施加超声振动而获得的一种新工艺，它能够有效提高机械磨削的加工效率、改善表面加工质量、降低工具损耗和能量消耗等。
中国专利申请号为200910213757中公开了一种超声磨削设备，主要是一种针对硅锭和瓷砖、瓷片等硬质材料进行的磨边，磨面和倒角的超声磨削设备。中国专利申请号01205966.8中公开了一种硬质材料超声磨削空槽加工机，其能实现工件表面的空槽加工，中国专利申请号为200510094277.6中公开了一种工程陶瓷叶片型面数控展成蠕动超声磨削工艺及装置，该工艺主要用于叶轮叶片加工，而且是工件进行超声振动。
但由于此类方法的主要技术仍基于传统的机械磨削，因此它尚不能较好的实现复杂曲面及工件内表面的加工处理，且该方法对尺寸和形状要求较高。
本研究团队提出了一种针对聚合物3D打印产品的浸没式超声波表面处理方法，中国专利申请号201510771226.6。该方法是一种基于超声波空化效应提出的全新的超声表面加工方法。该方法不同与传统的磨削，它是采用浸没式加工方法，将工件浸入加工液中，只利用超声波能量场产生剧烈的高密度空化效应，使液体中携带的悬浮磨料颗粒高速冲击工件表面而实现对工件表面的加工，不施加任何其他机械外力，具有对产品的尺寸和形状要求低、对材料的适用性广、低温加工避免材料熔融、能耗低、适合加工复杂曲面等突出优点。
发明内容
本发明是针对一种浸没式超声波表面处理的方法，设计和制造的高声能密度单槽真空混频超声波表面处理装置，该装置主要由加工池、超声波发生及放大装置、真空模块和温控模块四大部分构成，来进一步提高加工效率，减少超声能量的损耗，实现对待加工产品表面粗糙度的高效处理。
该方法是基于超声空化的原理实现的，其原理是利用超声空化气泡爆破产生的激波带动加工液中的磨料对产品表面进行冲击，实现对产品的表面处理。加工液中溶解的细小空气泡会吸收并隔断超声波振动面上产生的有效超声波，而且在高能量密度超声波场中，溶解的气泡会上升至液面破裂，带走大部分的超声波能量，此类气泡会大大降低声能的有效利用率。因此，本发明在加工池中设有真空装置，在超声加工前实现对加工液和工件表面的脱气预处理。因此加工池同时具有加工前预处理和工件加工的功能。针对加工池需经计算设计合理的 参数，以确保真空脱气时的变形量不会对超声阵子产生显著影响。
为了确保整个预处理和加工过程中加工腔内的真空度，本发明设计了非接触式磁控工件运移系统。在加工篮顶部与加工盖接触处配有电磁铁，在加工篮对角上设有导轨，保证真空处理时，加工液与待加工工件不接触，以便完成工件表面的脱气处理；在脱气完成后，通过电磁铁控制加工篮沿导轨滑下至加工液内。加工篮底部设有四个可调式支撑脚，可用以调整工件在加工池中所处的深度。
由于空化强度会随超声强度的增大而增大，高声能密度会使空化泡崩溃更加猛烈，也会加大悬浮的磨料颗粒对工件表面的冲击力。因此，在加工池四周及底面设置超声波发生及放大装置，超声波振子设在加工池的五个面上，每个面上的振子数量需根据加工液特性和加工工件性质确定。五个面同时向加工液中发射超声波，可在加工液中得到高密度超声能量场。也可通过单独控制五个发射面，获得不同特性的超声能量场。
由于超声频率较高时，在液体中空化强度低而空化密度大，而工作频率较低时则相反。在一个加工池中，安装有两种或两种以上不同频率的换能器，由多只发生器分别推动各自频率的换能器。低频超声波的强度高，对工件表面加工有利，高频超声波空化密度高，冲击波能穿达凹槽、细缝、深孔等细微结构。同时加工池中多种频率的超声波，也可在一定程度上克服单频加工驻波场造成的加工不均匀问题。因此本发明所使用的超声频率根据加工工件性质，采用混频式设计。
此外，本发明还设有加热温控模块、真空度监测和控制模块。 温度控制系统通过热电偶测温，设有温控表，可将加工液加热至所需温度；加工池中的真空度可通过加工盖上的气压表显示，通过控制面版设置和控制。
附图说明
图1、图2是超声波表面处理装置示意图(图1为前视图、图2为俯视图)、图3为安装简图(加工盖安装)、图4为超声加工简图(超声加工处理)、图5为磁控运移系统简图。
图中：(1)加工盖；(2)气压表；(3)电磁铁；(4)通气阀；(5)加工篮；(6)待加工产品；(7)导轨；(8)超声波发生及放大装置；(9)温控系统；(10)加工液；(11)真空泵；(12)控制面板；(13)机箱；(14)加工池；(15)加工篮支撑脚。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
步骤一：根据待加工产品(6)的基体材料以及表面的粗糙程度配置加工液(10),将配好的加工液加入超声波加工设备中的加工池(14)中；
步骤二：将待加工产品(6)放在加工篮(5)中，并固定好位置，防止超声加工处理时待加工产品漂浮和移位，根据要求提前调节好加工篮支撑脚(15)的高度，支撑脚底部设有缓冲垫，开启电磁铁(3)开关，将加工篮吸附在加工盖(1)上；
步骤三：启动温度控制模块(9)，加热至设定的温度；同时开启真空泵(11)，对加工池(14)进行脱气处理，可通过气压表(2)检测和控制，也可通过控制板(12)提前设置真空度；
步骤四：真空处理完成后，关闭电磁铁(3)开关，让加工篮沿导轨(7)滑下，确保待加工产品浸没在加工液中；
步骤五：根据要求调整超声波模块(8)的频率、功率、加工时间等参数，使其与待加工产品(6)相匹配，开启特定方向的超声波，此时超声波会使加工液(10)产生大量的空化气泡，这些微气泡会不断溃陷，产生微激波带动磨料高速冲击产品表面，进行加工处理。
步骤四：待加工时间达到预先设定的时间后，超声波模块关闭，打开通气阀(4)，待加工池内气压与外界气压平衡后取出待加工产品(6)，进行表面形貌测量。

Claims (4)

1.一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置，其特征在于：该装置是针对一种浸没式超声波表面处理方法设计制造的，其有加工池、超声波发生及放大装置、真空模块和温控模块四大部分构成，进一步提高加工效率，减少超声能量的损耗；在加工池中设有真空装置，在超声加工前实现对加工液和工件表面的脱气预处理，加工池同时具有加工前预处理和工件加工的功能；还包括非接触式磁控工件运移系统，在加工篮顶部与加工盖接触处配有电磁铁，在加工篮对角上设有导轨，保证真空处理时，加工液与待加工工件不接触，以便完成工件表面的脱气处理；在脱气完成后，通过电磁铁控制加工篮沿导轨滑下至加工液内；加工篮底部设有四个可调式支撑脚，用以调整工件在加工池中所处的深度；其操作方法为：首先将配制好的加工液加入加工池中，打开磁控开关，将固定好待加工产品的加工篮吸附在加工盖上，关闭加工盖，进行真空脱气处理，完成后利用磁控系统控制加工篮沿导轨滑下，确保待加工产品浸没在加工液中以便进行超声波表面加工，实现对产品表面的高效处理。
2.利用权利要求1所述的一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置，其特征在于：对加工池采用抽真空前处理，以去除加工液(10)中溶解的气体和待加工产品(6)表面附着的空气，。
3.利用权利要求1所述的一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置，其特征在于：真空处理时，依靠电磁力将加工篮(5)吸附在加工盖(1)上，以确保加工液(10)和待加工产品(6)不接触，真空处理结束后，关闭电磁开关，控制加工篮沿导轨下移，确保待加工产品浸没在加工液中，然后进行超声波表面加工处理。
4.利用权利要求1所述的一种高声能密度单槽真空混频浸没式超声波表面处理装置，为了获得高声能密度超声场，增强不同材质的表面处理效果，同时也为了克服单频加工驻波场造成的加工不均匀问题，设计了五面分控式混频超声波加工系统。
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