CN105834917B - 一种气液固三相磨粒流循环加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液固三相磨粒流循环加工方法，包括机架、加工池、真空夹具、三自由度夹具、抛光工具、真空泵、搅拌箱和水泵；加工池固定在机架上，真空夹具固定在加工池底部；搅拌箱和水泵均固定在机架上，搅拌箱的侧面上部开有磨粒流进料口，搅拌箱的下部沿圆周方向均布三个磨粒流出口；抛光工具通过三自由度夹具固定在真空夹具的上方。本发明引入微尺度气泡和高速气流，利用气泡溃灭和气流驱动流体加速大幅度提高磨粒产生加工作用的几率、力度和作用方向的随机性，有利于形成高效的原子级材料去除且表面纹理随机性的镜面效果；抛光工具本身无运动构件，有利于实现超光滑表面加工。

Description

一种气液固三相磨粒流循环加工方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种气液固三相磨粒流循环加工方法。

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，主要用于大面积脆硬材料超光滑表面的高效原子级材料去除，表面粗糙度达到Rq1nm以下，且光学纹波和表面损伤情况符合超光滑表面加工要求，并极大的提高了加工效率。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运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性要求来看，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装置驱动，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、自动化程度不够高，不能定时定量的对工件加工，需要由加工人员自己监控。

2、磨粒流回收使用效率低，加工过程中磨粒沉淀使得磨粒流加工效果变差。

3、加工面积小，无法实现实现超光滑表面大面积高效的原子级材料去除。

4、加工对象单一，无法适应多种工件。

5、流体相对工件表面的流速偏低、流动方向单一。这时，由于流体流速不足以达到湍流状态，一般处于层流状态，磨粒流动方向基本一致，只有与工件直接接触的表层流体处的磨粒有机会与被加工表面接触，因此真正发挥切削作用的磨粒只是流体中磨粒的极小部分，并仅从单一方向作用于凸起峰，加工效率自然不高。

6、流体相对工件表面的法向冲击力力过大或作用力与工件表面的夹角不合理。这时，流体流速虽可以达到很高，但磨粒冲击方向仍基本一致，冲击流与工件直接接触的面积小，若法向冲击力力过小，则加工效率很低，法向冲击力力过大或作用力与工件表面的夹角不合理则可能导致表面损伤和新的不光滑表面出现，因此很难把握加工品质与加工效率的协调关系。

基于目前存在的一些问题，本发明设计了一种气液固三相磨粒流循环加工方法及装置。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种气液固三相磨粒流循环加工方法，采用在固液二相磨粒流中注入气流形成气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡，大幅度增加磨粒流中的磨粒的运动速度，并能对固液二相磨粒流进行循环利用，增加了加工质量和加工效率。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种气液固三相磨粒流循环加工方法，包括如下步骤：

a、利用内设空腔、上表面开有若干与内腔连通的通孔且底部设有真空泵接口的真空夹具固定加工工件，真空夹具底部的真空泵接口通过真空管道连接真空泵，真空泵运行时将空腔内抽真空从而实现加工工件的吸附夹紧；

b、利用三自由度夹具驱动抛光工具沿竖直方向运动，使抛光工具与加工工件表面形成大面积的高度为H1的微距间隙；

c、利用水泵将搅拌箱中的固液二相磨粒流抽出，并向抛光工具中注入固液二相磨粒流，再利用气泡发生装置沿多个方向的气流注入孔向固液二相磨粒流中注入气流，在抛光工具中形成含有微尺度气泡的气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡；

d、利用三自由度夹具驱动抛光工具在X轴和Y轴方向呈S型周期移动，移动的同时抛光工具中的气液固三相磨粒流对加工工件进行抛光加工；

e、利用水罩挡住因冲击加工工件而飞散的气液固三相磨粒流并通过漏斗将气液固三相磨粒流收集，将收集后的气液固三相磨粒流通入搅拌箱中搅拌，准备下一轮的抛光加工。

进一步的，所述抛光加工分为T1、T2和T3三个时间段，T1时间段内抛光工具与加工工件表面高度为H1，经过T1时间后将微距间隙高度调整为H2，进行二次抛光加工；经过T2时间后将微距间隙高度调整为H3，加工T3时间后完成整个加工过程。

进一步的，所述的抛光加工包括气液固三相磨粒流中的微尺度气泡溃灭时对加工工件表面的切削作用、抛光工具中形成含有微尺度气泡的气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡对加工工件表面的冲击作用和通过控制气液固三相磨粒流中微尺度气泡溃灭过程中产生的冲击力作用于气液固三相磨粒流中的微细磨粒时加速微细磨粒对加工工件表面的切削作用。

一种气液固三相磨粒流循环加工装置，包括机架、加工池、真空夹具、三自由度夹具、抛光工具、真空泵、搅拌箱和水泵；所述加工池固定在机架上，所述加工池包括水罩和与水罩底部一体式成型的棱台形漏斗，棱台形漏斗底部设有出水口；所述真空夹具固定在加工池底部，真空夹具内部设有空腔，真空夹具表面开有与所述空腔相连通的多个通孔，真空夹具底部设有与所述空腔连通的真空泵接口，真空夹具底部的真空泵接口通过真空管道连接固定在机架上的真空泵；所述搅拌箱和水泵均固定在机架上，搅拌箱的侧面上部开有磨粒流进料口，所述磨粒流进料口通过回料管连接棱台形漏斗底部的出水口，所述搅拌箱的下部沿圆周方向均布三个磨粒流出口；所述抛光工具通过三自由度夹具固定在所述真空夹具的上方，所述抛光工具的侧面沿圆周方向均布三个磨粒流入口和两个气体入口，每个气体入口处均设置有气泡发生装置，气泡发生装置通过管道连接固定在机架上的气泵，搅拌箱下部的三个磨粒流出口与抛光工具上的三个磨粒流入口一一对应，每个磨粒流出口均通过磨粒流管道和设置在管道上的水泵将搅拌箱中的固液二相磨粒流送入抛光工具中。

进一步的，所述三自由度夹具包括X轴线性模组、驱动X轴线性模组沿X轴方向自由运动的X轴驱动电机、Y轴线性模组、驱动Y轴线性模组沿Y轴方向自由运动的Y轴驱动电机、Z轴线性模组、驱动Z轴线性模组沿Z轴方向自由运动的Z轴驱动电机。

进一步的，所述搅拌箱顶部设有搅拌电机，搅拌电机通过穿过所述搅拌箱顶部的搅拌轴连接设置在搅拌箱内部的搅拌叶片并驱动所述搅拌叶片在所述搅拌箱内转动。

本发明的有益效果在于：

1、本发明引入微尺度气泡和高速气流，利用气泡溃灭和气流驱动流体加速大幅度提高磨粒产生加工作用的几率、力度和作用方向的随机性，有利于形成高效的原子级材料去除且表面纹理随机性的镜面效果。

2、本发明利用非接触式的抛光工具在工件表面形成微距大面积缝隙，克服了现有流体抛光基本是采用小工具加工大面积的形式，可以对大面积平面或曲率变换缓和的大面积曲面进行大面积加工，液固二相磨粒流在大面积加工时需要很大的流量才能形成湍流状态，而气液固三相磨粒流则不需要很大的流量的液流泵，依靠气流驱动即可形成湍流状态，降低了对设备的成本要求并提高了加工效率。

3、本发明中大面积的微距缝隙对流体流动状态形成了约束，使得流体中运动的磨粒沿工件表面切向方面冲击表面凸起峰的几率大大超过沿法相方向撞击凸起峰的几率，因此对避免表面损伤层有很大好处。

4、本发明抛光工具本身无运动构件，加工中无振动，更有利于实现超光滑表面加工。

5、本发明中的固液二相磨粒流在加工池中循环流动，极大节省了固液二相磨粒流的消耗，降低了加工成本。

附图说明

图1是本发明一种气液固三相磨粒流循环加工装置的结构示意图。

图中，1-机架、2-三自由度夹具、3-加工池、4-抛光工具、5-真空夹具、6-水罩、7-棱台形漏斗、8-搅拌箱、9-搅拌电机、10-搅拌叶片、11-水泵、12-真空泵、13-气泵。

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所示，一种气液固三相磨粒流循环加工装置，包括机架1、加工池3、真空夹具5、三自由度夹具2、抛光工具4、真空泵12、搅拌箱8和水泵11；所述加工池3固定在机架1上，所述加工池3包括水罩6和与水罩6底部一体式成型的棱台形漏斗7，棱台形漏斗7底部设有出水口；所述真空夹具5固定在加工池3底部，真空夹具5内部设有空腔，真空夹具5表面开有与所述空腔相连通的多个通孔，真空夹具5底部设有与所述空腔连通的真空泵接口，真空夹具5底部的真空泵接口通过真空管道连接固定在机架1上的真空泵12；所述搅拌箱8和水泵11均固定在机架1上，搅拌箱8的侧面上部开有磨粒流进料口，所述磨粒流进料口通过回料管连接棱台形漏斗7底部的出水口，所述搅拌箱8的下部沿圆周方向均布三个磨粒流出口；所述抛光工具4通过三自由度夹具2固定在所述真空夹具5的上方，所述抛光工具4的侧面沿圆周方向均布三个磨粒流入口和两个气体入口，每个气体入口处均设置有气泡发生装置，气泡发生装置通过管道连接固定在机架1上的气泵13，搅拌箱8下部的三个磨粒流出口与抛光工具4上的三个磨粒流入口一一对应，每个磨粒流出口均通过磨粒流管道和设置在管道上的水泵11将搅拌箱8中的固液二相磨粒流送入抛光工具4中。

所述三自由度夹具2包括X轴线性模组、驱动X轴线性模组沿X轴方向自由运动的X轴驱动电机、Y轴线性模组、驱动Y轴线性模组沿Y轴方向自由运动的Y轴驱动电机、Z轴线性模组、驱动Z轴线性模组沿Z轴方向自由运动的Z轴驱动电机。

所述搅拌箱8顶部设有搅拌电机9，搅拌电机9通过穿过所述搅拌箱8顶部的搅拌轴连接设置在搅拌箱8内部的搅拌叶片10并驱动所述搅拌叶片10在所述搅拌箱8内转动。

在加工时，为了控制抛光工具的位置，需要制定如下几个工艺参数：X轴线性模组、Y轴线性模组和Z轴线性模组的运动行程；以及X轴驱动电机、Y轴驱动电机和Z轴驱动电机的功率。

为了实现加工循环并保持固液二相磨粒流的加工特性，需要制定如下几个工艺参数：棱台形漏斗的出水口直径、水泵的功率、搅拌箱的磨粒流进料口直径、搅拌箱的出口直径和搅拌电机的功率。

为了能够适应多种加工工件的抛光加工，需要制定如下几个参数：真空夹具表面开设的通孔数量及通孔直径、真空夹具底部的抽真空接口的直径和真空泵的功率。

针对特定的加工对象，需要制定相应的加工方案，主要需要制定如下几个加工参数：三道抛光工序中抛光工具与真空间距之间的微距间隙高度H1、H2和H3、三道抛光工序的加工时间T1、T2和T3,；以及抛光工具S型周期循环移动路线和循环周期T。

利用该装置进行的一种气液固三相磨粒流循环加工方法，包括如下步骤：

a、利用内设空腔、上表面开有若干与内腔连通的通孔且底部设有真空泵接口的真空夹具5固定加工工件，真空夹具5底部的真空泵接口通过真空管道连接真空泵12，真空泵12运行时将空腔内抽真空从而实现加工工件的吸附夹紧；

b、利用三自由度夹具2驱动抛光工具4沿竖直方向运动，使抛光工具4与加工工件表面形成大面积的高度为H1的微距间隙；

c、利用水泵11将搅拌箱8中的固液二相磨粒流抽出，并向抛光工具4中注入固液二相磨粒流，再利用气泡发生装置沿多个方向的气流注入孔向固液二相磨粒流中注入气流，在抛光工具4中形成含有微尺度气泡的气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡；

d、利用三自由度夹具2驱动抛光工具4在X轴和Y轴方向呈S型周期移动，移动的同时抛光工具4中的气液固三相磨粒流对加工工件进行抛光加工；

e、利用水罩6挡住因冲击加工工件而飞散的气液固三相磨粒流并通过漏斗将气液固三相磨粒流收集，将收集后的气液固三相磨粒流通入搅拌箱8中搅拌，准备下一轮的抛光加工。

所述抛光加工分为T1、T2和T3三个时间段，T1时间段内抛光工具4与加工工件表面高度为H1，经过T1时间后将微距间隙高度调整为H2，进行二次抛光加工；经过T2时间后将微距间隙高度调整为H3，加工T3时间后完成整个加工过程。

所述的抛光加工包括气液固三相磨粒流中的微尺度气泡溃灭时对加工工件表面的切削作用、抛光工具4中形成含有微尺度气泡的气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡对加工工件表面的冲击作用和通过控制气液固三相磨粒流中微尺度气泡溃灭过程中产生的冲击力作用于气液固三相磨粒流中的微细磨粒时加速微细磨粒对加工工件表面的切削作用。

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 (2)

1.一种气液固三相磨粒流循环加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

a、利用内设空腔、上表面开有若干与内腔连通的通孔且底部设有真空泵接口的真空夹具(5)固定加工工件，真空夹具(5)底部的真空泵接口通过真空管道连接真空泵(12)，真空泵(12)运行时将空腔内抽真空从而实现加工工件的吸附夹紧；

b、利用三自由度夹具(2)驱动抛光工具(4)沿竖直方向运动，使抛光工具(4)与加工工件表面形成大面积的高度为H1的微距间隙；

c、利用水泵(11)将搅拌箱(8)中的固液二相磨粒流抽出，并向抛光工具(4)中注入固液二相磨粒流，再利用气泡发生装置沿多个方向的气流注入孔向固液二相磨粒流中注入气流，在抛光工具(4)中形成含有微尺度气泡的气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡；

d、利用三自由度夹具(2)驱动抛光工具(4)在X轴和Y轴方向呈S型周期移动，移动的同时抛光工具(4)中的气液固三相磨粒流对加工工件进行抛光加工；

e、利用水罩(6)挡住因冲击加工工件而飞散的气液固三相磨粒流并通过漏斗将气液固三相磨粒流收集，将收集后的气液固三相磨粒流通入搅拌箱(8)中搅拌，准备下一轮的抛光加工；

所述抛光加工分为T1、T2和T3三个时间段，T1时间段内抛光工具(4)与加工工件表面高度为H1，经过T1时间后将微距间隙高度调整为H2，进行二次抛光加工；经过T2时间后将微距间隙高度调整为H3，加工T3时间后完成整个加工过程。

2.根据权利要求1所述的一种气液固三相磨粒流循环加工方法，其特征在于：所述的抛光加工包括气液固三相磨粒流中的微尺度气泡溃灭时对加工工件表面的切削作用、抛光工具(4)中形成含有微尺度气泡的气液固三相磨粒流的高速湍流漩涡对加工工件表面的冲击作用和通过控制气液固三相磨粒流中微尺度气泡溃灭过程中产生的冲击力作用于气液固三相磨粒流中的微细磨粒时加速微细磨粒对加工工件表面的切削作用。