CN108381305A - 一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统 - Google Patents

一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统 Download PDF

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张晓峰
杨强
曹中臣
林彬
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency

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Abstract

一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统，其包括超声电源、敞口容器、抛光液、球面阵列安装基座、压电陶瓷片和声透镜；本发明效果：可利用球面阵列上的多个声透镜来有效提高聚焦区超声强度，同时可通过调整球面阵列半径、声透镜与待加工件的相对位置来控制加工区域和强度；球面阵列可有效降低对超声电源的要求，各超声单元的驱动电压电流相位相同，不需要复杂的移相电路；可将球面阵列上压电陶瓷片产生的超声振动在待加工件表面加工区域聚焦，聚焦的超声波可以快速地对待加工件的待加工局部区域进行抛光去除，且可控制在聚焦加工区域的驻留时间来准确修正加工表面的面形，所以本装置既适用于精确面形修正也适用于普通表面抛光。

Description

一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统
技术领域
本发明属于精密零件抛光技术领域，特别是涉及一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统。
背景技术
随着现代科技和制造技术的飞速发展,对零件的表面形状精度、表面粗糙度以及亚表面损伤程度的要求越来越高。传统的加工方法在加工过程中无法对加工过程和主要的参数进行精密的控制，以致无法实现确定性的加工，因为其无法实现确定性就不可能很好地对实验的过程进行精确的控制与预测，所以实现确定性对整个加工过程具有至关重要的作用。而抛光作为加工过程的最后一步更需要实现其确定性，只有这样才能更好地提高工件表面的质量。确定性抛光研究的主要内容是采取各种各样的手段来分析诸如抛光速率、倾斜角度、磁场强度等因素对确定性抛光的影响。为了对工件实现确定性抛光，近几年出现了不少的确定性抛光方法，比较典型的有：磁流变抛光、离子束抛光、磁射流抛光、气囊抛光等确定性抛光方法。
目前，基于超声的流体振动抛光的加工原理主要是在抛光槽的顶部或侧面安装多个超声换能器，形成超声换能器阵列，而加工工件则在抛光液中做行星运动以保持一定的均匀性。但是这种超声流体抛光方法的缺点是：加工工件完全浸没在抛光槽中，这样激振的磨料和激射流会对整个工件的各个表面进行材料去除，而且各个部位的去除量都难以控制，所以当前的超声流体振动抛光方法无法对工件表面进行高质量的修正，因而不能实现确定性抛光。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统。
为了达到上述目的，本发明提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统包括超声电源、敞口容器、抛光液、球面阵列安装基座、压电陶瓷片和声透镜；其中，敞口容器的内部盛有抛光液，内部底面放置待加工件；球面阵列安装基座呈球冠状，设在敞口容器内位于待加工件正上方的部位且浸于抛光液中；多个压电陶瓷片固定在球面阵列安装基座的底面上，其中一个位于中心部位，其余呈同心圆方式设置多圈；每个压电陶瓷片下端分别安装一个声透镜，并且所有声透镜的焦点会聚于待加工件的加工点上；由所有压电陶瓷片和声透镜构成球面阵列，每个压电陶瓷片和与其相连接的声透镜组成超声单元；超声电源设置在敞口容器上方，用于驱动压电陶瓷片产生超声振动。
所述的声透镜采用平-凹或平-凸声透镜，平-凹声透镜的材料选用有机玻璃、环氧树脂或铝合金，平-凸声透镜的材料选用聚四氟乙烯。
所述的抛光液中的抛光颗粒采用氧化铈、氧化铝、氧化硅或纳米金刚石。
所述的球面阵列安装基座的底部与待加工件之间的距离为10mm至1m。
本发明提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统具有如下有益效果：
1)可利用球面阵列上的多个声透镜来有效提高聚焦区超声强度，同时可以通过调整球面阵列半径、声透镜与待加工件的相对位置来控制加工区域和强度；
2)球面阵列可有效降低对超声电源的要求，各超声单元的驱动电压电流相位相同，不需要复杂的移相电路；3)可以将球面阵列上压电陶瓷片产生的超声振动在待加工件表面加工区域聚焦，聚焦的超声波可以快速地对待加工件的待加工局部区域进行抛光去除，并且可以控制在聚焦加工区域的驻留时间来准确修正加工表面的面形，所以本装置既适用于精确面形修正也适用于普通表面抛光。
附图说明
图1为本发明提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统结构示意图。
图2为本装置俯视图。
图3为本装置中声透镜的超声波会聚原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例与附图对本发明提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统包括超声电源1、敞口容器2、抛光液3、球面阵列安装基座4、压电陶瓷片5和声透镜6；其中，敞口容器2的内部盛有抛光液3，内部底面放置待加工件7；球面阵列安装基座4呈球冠状，设在敞口容器2内位于待加工件7正上方的部位且浸于抛光液3中；多个压电陶瓷片5固定在球面阵列安装基座4的底面上，其中一个位于中心部位，其余呈同心圆方式设置多圈；每个压电陶瓷片5下端分别安装一个声透镜6，并且所有声透镜6的焦点会聚于待加工件7的加工点上；由所有压电陶瓷片5和声透镜6构成球面阵列，每个压电陶瓷片5和与其相连接的声透镜6组成超声单元；超声电源1设置在敞口容器2上方，用于驱动压电陶瓷片5产生超声振动。
所述的声透镜6采用平-凹或平-凸声透镜，平-凹声透镜的材料选用有机玻璃、环氧树脂或铝合金，平-凸声透镜的材料选用聚四氟乙烯。
所述的抛光液3中的抛光颗粒采用氧化铈、氧化铝、氧化硅或纳米金刚石。
所述的球面阵列安装基座4的底部与待加工件7之间的距离为10mm至1m。
现将本发明提供的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统工作原理阐述如下：
在对待加工件7进行抛光加工之前，需要首先对声透镜6和球面阵列进行精准的定位，才能将整个球面阵列上压电陶瓷片5产生的超声波准确聚焦于同一块加工区域上，所以对于一套确定的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统而言，如图3所示，其上声透镜6的焦距f为：
式中RC—折射表面的曲率半径；γ—RC与声轴之间的夹角。α＝n2/(1-n2)，其中折射指数n＝C1/C2(C1为抛光液中的声速，C2为声透镜中的声速)；“+”代表凹折射面，“-”代表凸折射表面。而对于接近平行于声轴的声束，γ＝0，其焦距为：
据此计算出声透镜6在抛光液3中的焦距。
然后将敞口容器2固定于数控机床上，将待加工件7固定在敞口容器2的内部底面上，再将抛光液3倒入敞口容器2中。之后将装有声透镜5和压电陶瓷片6的球面阵列安装基座4置于敞口容器2内待加工件7的正上方，并使抛光液3的液面需略高于球面阵列安装基座4的顶面，而且声透镜6的焦点应在按照上述计算结果确定的待加工件7的加工点上。再根据待加工件7表面的面形误差计算出在各加工点超声聚焦驻留时间和规划出最优加工路径，形成加工方案，最后将加工方案导入数控机床；然后在数控机床的控制下启动超声电源1，利用超声电源1产生的高频电激励所有球面阵列中压电陶瓷片5产生超声振动，压电陶瓷片5产生的超声振动的频率范围为100kHz到20MHz之间，当频率在100kHz到850kHz范围内时，主要是利用空化作用和超声振动驱动抛光液3中抛光颗粒对待加工件7表面进行抛光加工；当频率在850kHz到20MHz范围内时，主要是利用超声振动驱动抛光液3中抛光颗粒对待加工件7表面进行抛光加工。可通过控制声透镜6与待加工件7的相对位置来调整待加工件7的加工区域大小和加工强度。
另外，可将装有声透镜5和压电陶瓷片6的球面阵列安装基座4固定于可灵活调整移动的工业机器人机械臂上，通过调整机械臂来控制超声波会聚的焦点位置，这样能够灵活控制待加工件7的加工区域大小和加工强度。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅是示意性的，而不是限制性的，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述的装置包括超声电源(1)、敞口容器(2)、抛光液(3)、球面阵列安装基座(4)、压电陶瓷片(5)和声透镜(6)；其中，敞口容器(2)的内部盛有抛光液(3)，内部底面放置待加工件(7)；球面阵列安装基座(4)呈球冠状，设在敞口容器(2)内位于待加工件(7)正上方的部位且浸于抛光液(3)中；多个压电陶瓷片(5)固定在球面阵列安装基座(4)的底面上，其中一个位于中心部位，其余呈同心圆方式设置多圈；每个压电陶瓷片(5)下端分别安装一个声透镜(6)，并且所有声透镜(6)的焦点会聚于待加工件(7)的加工点上；由所有压电陶瓷片(5)和声透镜(6)构成球面阵列，每个压电陶瓷片(5)和与其相连接的声透镜(6)组成超声单元；超声电源(1)设置在敞口容器(2)上方，用于驱动压电陶瓷片(5)产生超声振动。
2.根据权利要求1所述的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述的声透镜(6)采用平-凹或平-凸声透镜，平-凹声透镜的材料选用有机玻璃、环氧树脂或铝合金，平-凸声透镜的材料选用聚四氟乙烯。
3.根据权利要求1所述的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述的抛光液(3)中的抛光颗粒采用氧化铈、氧化铝、氧化硅或纳米金刚石。
4.根据权利要求1所述的基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述的球面阵列安装基座(4)的底部与待加工件(7)之间的距离为10mm至1m。
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