CN107717687B - 一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，包括气液固混合装置、空化抛光工具和工件固定平台，工件安装在工件固定平台上；空化抛光工具安置在工件上方且空化抛光工具的下底面与工件的上表面平行，气液固混合装置连接空化抛光工具并将混合后的气液固三相磨粒流通入空化抛光工具中；本发明利用气液固混合装置将气体混入液固两相磨粒流中，增加了工件表面气泡溃灭的概率，提供了抛光效率；气体入口利用微孔即较小的细孔混入空气，便于控制高压气体的混入量，提高了加工的稳定性；利用入口较大出口较小的流道设计实现了液体本身的结构空化，提高了加工效率；通过空化抛光工具上圆角的设计实现液体二次空化，提高了加工效率。

Description

一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具

技术领域

本发明涉及超精密抛光工具，更具体的说，尤其涉及一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具。

背景技术

随着电子信息技术的发展，精密和超精密的光学和半导体元器件被越来越多的使用。光学材料和半导体材料的表面实现高效的超光滑加工变得越来越重要。

液体抛光作为新兴的抛光方式，由于加工过程中不产生无亚表层损伤且表面粗糙度低等特点，逐渐被应用到光学材料和半导体材料加工中，然而液体抛光效率低的天生缺陷极大的限制了液体抛光的实际使用，使得液体抛光技术难以在实际生产中大范围推广。另外现有的液体抛光技术大多需要速度快，流量大，压力高的流体进行抛光作业，这也使得液体抛光对加工设备普遍都有较高的要求，从而造成流体抛光加工成本高。

在流体加工中引入气体，利用气泡溃灭产生的微射流驱动磨粒撞击加工工件，从而提高流体加工的效率是流体抛光的一种趋势。例如申请号为CN201510056821.1的中国发明专利提出了一种基于三相磨粒流的超光滑表面精密流体圆盘抛光装置，在入口处通入微气泡，利用微气泡的溃灭提高加工效率，然而该方法仅通过外部注入气泡的方式，产生的空化为伪空化，产生的微射流能量远小于结构空化或超声空化产生的微射流能量，无法实质性的提高加工效率；同时该方法利用三个入口通入磨粒流，无法在圆周上达到均匀地去除。再比如申请号为CN201610914661.4的中国发明专利提出了一种基于结构空化效应的高效流体光整加工方法及装置，利用文丘里管结构产生结构空化以提高加工效率，然而其在圆周设置多个文丘里管空化单元的方法依然存在圆周方向去除率不均匀的问题；专利CN201510056123.1提出一种利用气液固三相磨粒流的超声波抛光加工装置，利用超声产生空化提高加工效率，然而超声发生器价格昂贵能耗高，增加效率的同时也增加了加工成本。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的缺陷，提出了一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，在不增加加工成本的基础上，改变抛光工具结构从而改善现有三相磨粒流加工效率低以及抛光去除量不均匀的问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，包括气液固混合装置，还包括空化抛光工具和工件固定平台，需要加工的工件安装在工件固定平台上；所述空化抛光工具安置在工件上方且空化抛光工具的下底面与工件的上表面平行，气液固混合装置连接空化抛光工具并将混合后的气液固三相磨粒流通入空化抛光工具中；所述空化抛光工具包括外约束体和内约束体，所述外约束体上设置有流道入口、内部流道、中心螺纹孔和内锥形流道约束面，外约束体上的流道入口与气液固混合装置上的气液固三相磨粒流出口相连通，所述内约束体上设置有中心螺杆、外锥形流道约束面，所述外约束体和内约束体通过外约束体上的中心螺纹孔和内约束体上的中心螺杆配合连接，所述外约束体的内锥形流道约束面与内约束体的外锥形流道约束面共同形成环形约束流道，该环形约束流道通过外约束体上的内部流道与外约束体的流道入口相通。

进一步的，所述气液固混合装置上设置有液固二相磨粒流入口、气体入口和气液固三相磨粒流出口，气液固混合装置与空化抛光工具通过螺纹连接并在连接后实现气液固三相磨粒流出口和空化抛光工具的流道入口的连通。

进一步的，所述气液固混合装置的液固二相磨粒流入口、气体入口和气液固三相磨粒流出口互相连通，液固二相磨粒流入口和气液固三相磨粒流出口呈一直线布置，气体入口垂直于液固二相磨粒流入口和气液固三相磨粒流出口内液体的流动方向布置，气体入口与液固二相磨粒流入口和气液固三相磨粒流出口之间通过微孔连通。

进一步的，所述空化抛光工具的外约束体和内约束体形成的环形约束流道靠近流道入口处的流道间隙较大，靠近下底面出口处的流道间隙较小。

进一步的，所述空化抛光工具的外约束体的外圆柱面与下表面之间为圆角。

进一步的，所述工件固定平台包括上平台、下平台、密封圈和螺钉，所述上平台的上表面设置有工件固定凹槽，上平台的下表面设置有空腔，工件固定凹槽与空腔通过有规律排布的小孔连通，所述下平台中心设置通孔，上平台与下平台通过螺钉连接，上平台与下平台的连接面放置密封圈。

进一步的，所述空化抛光工具下底面为平面或固定曲率曲面。

进一步的，所述微孔的孔径在0.1～0.2mm之间。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用气液固混合装置将气体混入液固二相磨粒流中，增加了工件表面气泡溃灭的概率，提供了抛光效率。

2、本发明的气体入口利用微孔即较小的细孔混入空气，便于控制高压气体的混入量，提高了加工的稳定性。

3、本发明利用入口较大出口较小的流道设计实现了液体本身的结构空化，提高了加工效率。

4、本发明通过空化抛光工具上圆角的设计实现液体二次空化，提高了加工效率。

5、本发明通过多次空化和外部空气混入使抛光工具可在较低的入口流速下工作，从而降低了配套设备的费用，且加工效率依然得到保障。

6、本发明利用流道的结构将单个入口的磨粒流均匀地与加工工件接触，确保了加工材料去除的均匀性，提高了加工工件表面的一致性。

7、本发明可以通过改变空化抛光工具的下底面形状，可实现对平面或定曲率曲面工具的加工。

附图说明

图1是本发明一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具的剖面结构示意图。

图2是本发明一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具的三维结构示意图。

图3是本发明空化抛光工具的俯视图。

图4是本发明工件固定平台的三维结构示意图。

图5是本发明实施例二中空化抛光工具剖面示意图。

图中，1-气液固混合装置、11-液固二相磨粒流入口、12-气体入口、13-气液固三相磨粒流出口、14-微孔、2-空化抛光工具、21-外约束体、211-流道入口、212-内部流道、213-中心螺纹孔、214-内锥形流道约束面、22-内约束体、221-中心螺杆、222-外锥形流道约束面、23-环形约束流道、3-工件固定平台、31-上平台、32-下平台、33-密封圈、34-螺钉、4-工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例一：

如图1、图2、图3和图4所示，一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，包括气液固混合装置1，还包括空化抛光工具2和工件固定平台3，需要加工的工件4安装在工件固定平台3上；空化抛光工具2下底面为平面，所述空化抛光工具2安置在工件4上方且空化抛光工具2的下底面与工件4的上表面平行，气液固混合装置1连接空化抛光工具2并将混合后的气液固三相磨粒流通入空化抛光工具2中。

所述空化抛光工具2包括外约束体21和内约束体22，所述外约束体21上设置有流道入口211、内部流道212、中心螺纹孔213和内锥形流道约束面214，内锥形流道约束面214为外约束体21底面向上凹陷的面，外约束体21上端设置有与气液固混合装置1配合连接的安装槽，并且在安装槽的内侧设置有内螺纹，内部流道212设置在安装槽的底部，中心螺纹孔213设置在内部流道212的中部，内部流道212环绕整个中心螺纹孔213分布；外约束体21上的流道入口211与气液固混合装置1上的气液固三相磨粒流出口13相连通。

所述内约束体22上设置有中心螺杆221、外锥形流道约束面222，内约束体22整体呈圆锥形，且外锥形流道约束面222的高度与外约束体21上内锥形流道约束面214的高度相等，内约束体22的上端设置有中心螺杆221，中心螺杆221的尺寸与外约束体21上中心螺纹孔213的尺寸相配合，外约束体21和内约束体22通过外约束体21上的中心螺纹孔213和内约束体22上的中心螺杆221配合连接，所述外约束体21的内锥形流道约束面214与内约束体22的外锥形流道约束面222共同形成环形约束流道23，该环形约束流道23通过外约束体21上的内部流道212与外约束体21的流道入口211相通。

所述气液固混合装置1上设置有液固二相磨粒流入口11、气体入口12和气液固三相磨粒流出口13，气液固混合装置1与空化抛光工具2通过螺纹连接并在连接后实现气液固三相磨粒流出口13和空化抛光工具2的流道入口211的连通。所述气液固混合装置1的液固二相磨粒流入口11、气体入口12和气液固三相磨粒流出口13互相连通，液固二相磨粒流入口11和气液固三相磨粒流出口13呈一直线布置，气体入口12垂直于液固二相磨粒流入口11和气液固三相磨粒流出口13内液体的流动方向布置，气体入口12与液固二相磨粒流入口11和气液固三相磨粒流出口13之间通过微孔14连通。所述微孔14的最佳孔径在0.1～0.2mm之间，经试验验证发现该尺寸下可以获得更好的抛光加工效果。

所述空化抛光工具2的外约束体21和内约束体22形成的环形约束流道23靠近流道入口211处的流道间隙较大，靠近下底面出口处的流道间隙较小。

所述空化抛光工具2的外约束体21的外圆柱面与下表面之间为圆角。气液固三相磨粒流经过该圆角时压力突然减小使气液固三相磨粒流产生第二次空化效应。

所述工件固定平台3包括上平台31、下平台32、密封圈33和螺钉34，所述上平台31的上表面设置有工件固定凹槽，上平台31的下表面设置有空腔，工件固定凹槽与空腔通过有规律排布的小孔连通，所述下平台32中心设置通孔，上平台31与下平台32通过螺钉34连接，上平台31与下平台32的连接面放置密封圈33。

本发明在进行抛光工作时，混有磨粒的液固二相磨粒流从气液固混合装置1的液固二相磨粒流入口11进入，高压气体从气液固混合装置1的气体入口12进入，气体与液固二相磨粒流混合后形成气液固三相磨粒流依次通过空化抛光工具2的流道入口211、内部流道212和环形约束流道23后从空化抛光工具2的下底面和工件4的上表面流出，气液固三相磨粒流在经过由大到小的环形约束流道23后实现第一次空化，在从空化抛光工具2下底面流出时经过圆角实现第二次空化，利用通入的气体和两次结构空化产生的气泡发生溃灭撞击磨粒实现工件表面的高效加工。

实施例二：

本实施例与实施例一的方案基本相同，区别在于工件4需要加工的上表面为固定曲率的曲面，且空化抛光工具2上内约束体22的下表面为固定曲率曲面，空化抛光工具2上内约束体22的下表面任意一点与工件4的上表面的最短距离是相等的，即工件4的上表面与空化抛光工具2中内约束体22的下表面平行。

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 (6)

1.一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，包括气液固混合装置（1），其特征在于：还包括空化抛光工具（2）和工件固定平台（3），需要加工的工件（4）安装在工件固定平台（3）上；所述空化抛光工具（2）安置在工件（4）上方且空化抛光工具（2）的下底面与工件（4）的上表面平行，气液固混合装置（1）连接空化抛光工具（2）并将混合后的气液固三相磨粒流通入空化抛光工具（2）中；所述空化抛光工具（2）包括外约束体（21）和内约束体（22），所述外约束体（21）上设置有流道入口（211）、内部流道（212）、中心螺纹孔（213）和内锥形流道约束面（214），外约束体（21）上的流道入口（211）与气液固混合装置（1）上的气液固三相磨粒流出口（13）相连通，所述内约束体（22）上设置有中心螺杆（221）、外锥形流道约束面（222），所述外约束体（21）和内约束体（22）通过外约束体（21）上的中心螺纹孔（213）和内约束体（22）上的中心螺杆（221）配合连接，所述外约束体（21）的内锥形流道约束面（214）与内约束体（22）的外锥形流道约束面（222）共同形成环形约束流道（23），该环形约束流道（23）通过外约束体（21）上的内部流道（212）与外约束体（21）的流道入口（211）相通；

所述空化抛光工具（2）的外约束体（21）和内约束体（22）形成的环形约束流道（23）靠近流道入口（211）处的流道间隙大于靠近下底面出口处的流道间隙，形成入口大于出口的流道设计；

所述空化抛光工具（2）的外约束体（21）的外圆柱面与下表面之间为圆角；

气液固三相磨粒流在经过由大到小的环形约束流道（23）后实现第一次空化，在从空化抛光工具（2）下底面流出时经过圆角实现第二次空化，利用通入的高压气体和两次结构空化产生的气泡发生溃灭撞击磨粒实现工件表面的高效加工。

2.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，其特征在于：所述气液固混合装置（1）上设置有液固二相磨粒流入口（11）、气体入口（12）和气液固三相磨粒流出口（13），气液固混合装置（1）与空化抛光工具（2）通过螺纹连接并在连接后实现气液固三相磨粒流出口（13）和空化抛光工具（2）的流道入口（211）的连通。

3.根据权利要求2所述的一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，其特征在于：所述气液固混合装置（1）的液固二相磨粒流入口（11）、气体入口（12）和气液固三相磨粒流出口（13）互相连通，液固二相磨粒流入口（11）和气液固三相磨粒流出口（13）呈一直线布置，气体入口（12）垂直于液固二相磨粒流入口（11）和气液固三相磨粒流出口（13）内液体的流动方向布置，气体入口（12）与液固二相磨粒流入口（11）和气液固三相磨粒流出口（13）之间通过微孔（14）连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，其特征在于：所述工件固定平台（3）包括上平台（31）、下平台（32）、密封圈（33）和螺钉（34），所述上平台（31）的上表面设置有工件固定凹槽，上平台（31）的下表面设置有空腔，工件固定凹槽与空腔通过有规律排布的小孔连通，所述下平台（32）中心设置通孔，上平台（31）与下平台（32）通过螺钉（34）连接，上平台（31）与下平台（32）的连接面放置密封圈（33）。

5.根据权利要求4所述的一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，其特征在于：所述空化抛光工具（2）下底面为平面或固定曲率曲面。

6.根据权利要求3所述的一种基于空化效应的气液固三相磨粒流抛光工具，其特征在于：所述微孔（14）的孔径在0.1~0.2mm之间。