CN108555698B - 一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效超精密剪切增稠‑化学协同抛光方法，包括如下步骤：1）将工件固定在实施设备的抛光固动盘上；2）配制高效超精密剪切增稠‑化学协同抛光液，抛光液包括抛光磨粒或微粉、剪切增稠增强相、水及绿色化学环保物质；3）将配制的抛光液添加到防尘罩内，开启抛光液循环装置，使得抛光液在经抛光工具供给至工件表面；4）开启驱动装置及驱动机构，使得抛光工具相对于工件运动，对工件的加工表面进行抛光。本发明利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、剪切增稠与绿色化学作用协同，提高加工效率、精度，并扩展可加工材料及面形。

Description

一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体是涉及一种剪切增稠-化学协同抛光方法。

背景技术

抛光一直都是超精密加工最主要的一种方法，主要作用是降低工件表面粗糙度、去除损伤层、修正面形误差，获得高精度和高表面质量的终加工手段。研究和开发高效、高质量、高精度、低成本超精密加工方法一直是抛光技术发展主要方向之一。科学技术的众多应用领域里，出现了诸如特种光学玻璃、蓝宝石、氮化硅、单晶硅、钽酸锂等各种硬脆或软脆性难加工材料；此外，各类科技产品的表面形状也越来越向曲面甚至复杂曲面延伸，进一步增加了其超精密加工的难度。曲面不仅包括圆柱面、球面等轴对称面形，还包括由多曲率的曲面组合以达到某些数学特征的高精度、追求功能与美学效果的复杂曲面，已经广泛成为现代高新技术领域工业产品及其零部件的工作面。例如：复杂曲面航空发动机叶片可有效提高工作效能；非球面光学零件能够有效地矫正各种类型像差，大大提高了仪器与设备的识别能力；生物医用植入物、汽车零部件等越来越多的应用曲面外形，达到功能需求和美观性。

目前开发的可用于多种材料（包含塑性、脆性、硬脆性、软脆性等难加工材料）、各类面形零件（非球曲面、异形面以及包含平面、柱面、球面等基础形面）精密加工或超精密抛光技术主要包括计算机控制表面成型技术、磁场或电场辅助抛光、磨粒流加工、气囊抛光和化学机械抛光等。计算机控制表面成型技术属于传统的接触式抛光方法，一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求，但抛光工具曲率与被加工曲面曲率吻合差，影响了加工精度。磁场（或电场）辅助抛光方法是利用磁场（或电场）控制磁性磨粒或磁流变抛光液（或电流变液））对工件表面进行抛光，是一类高效、柔性的抛光方法，能够获得很好的加工效果，但其关键性的磁流变液制作成本与电流变抛光的电流变液、磁悬浮抛光用磁流体一样较为昂贵，使用成本制约了这类抛光方法的应用。磨粒流加工是通过复杂的磨粒流推动系统，将黏弹体（含磨粒）在一定压力下往复通过工件表面实现材料去除，工件材料去除效率较低，工件的表面质量受磨粒尺寸差异影响大。气囊抛光是使用一个气压可控的充气气囊作为抛光工具进行抛光加工，受加工工具尺寸限制，其仅可加工中-大口径面形工件，且边缘抛光精度控制较差。依靠磨粒-工件-环境之间的机械与化学作用，化学机械抛光利用含有磨料的化学抛光液实现了对蓝宝石、石英的超光滑、少/无损伤加工，且无需精度很高的抛光设备，但化学抛光液需要环保处理。电解抛光利用金属表面微观凸点在特定电解液中和适当电流密度下，发生阳极溶解的原理进行抛光，可以保证良好的加工精度和表面质量，获得较高的加工效率，成本较低，适用于金属工件。然而，电解抛光存在以下不足：对表面有序化组织敏感性较大；较难保持零件尺寸和几何形状的精确度；抛光后工件表面易存有斑点。弹性发射加工可获得超光滑无损表面，但材料去除量仅为原子级单位，加工效率低而受到应用限制；应力盘抛光优先去除表面最高点，能很好地控制中、高频误差，但主要用于超大型空间非球面镜的加工且成本高。

已授权中国发明专利（ZL201210192915.8），专利名称：一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法，主要是利用抛光液与工件接触部分受剪切而增稠，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。已授权中国发明专利（ZL201310275700.7），专利名称：基于非牛顿流体剪切增稠机理的抛光装置，它包括带有计算机控制运行轨迹的抛光工具系统、用来提供性能稳定的非牛顿流体磨料液循环装置、工作台以及同各组件相连的控制系统。工作台可以装夹各类尺寸大小的工件，并且具有多个的自由度，便于适应各类面形抛光时所需要的工件位姿的变换。由于上述2项专利技术仅仅单纯依靠驱动抛光液槽使抛光液相对工件运动来相对被动地产生剪切增稠效应，难以形成对工件加工区域液膜的边界主动约束及流动轨迹的有效控制，虽然可以一定程度上降低塑性材料的柱面、球面等外圆面（或其它凸曲面）以及单晶硅片材料的表面粗糙度，但是加工效率尚需进一步提升，尤其对氮化硅、蓝宝石等硬脆性材料的加工质量与效率均有所限制，更难加工凹曲面零件（如蓝宝石材料曲面工件、轴承外圈滚道等），从而限制了可加工材料的范围；此外，存在着如何有效控制该方法的材料去除确定性来保证面形精度等问题，难以达到一些特殊加工要求。

已授权中国发明专利（ZL 201410436510.3），专利名称：基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工方法，是一种基于非牛顿流体剪切增稠与电解效应的复合加工，必须使用导电电极等构件，解决电解抛光工件表面易存有斑点的问题，提高加工效率；但该方法对于可加工工件的面形适应性差，不能解决材料去除的确定性问题，难以实现工件材料的确定性抛光和高面形精度，所加工工件必须具有导电性能（如金属性导电材料），限制了可加工材料的范围，如不能加工导电类的金属塑性材料等等，此外，所存在的电解液属于非环保物质，依然对环境有一定的影响，增加了一定的绿色环保处理的成本，从而一定程度上提高了加工成本。

已授权中国发明专利（ZL201410436897.2），专利名称：非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，包括抛光工具、抛光工具夹具、工件夹具和抛光池，所述工件夹具的导电件与电源阳极连接，所述抛光工具夹具的导电件与电源阴极连接。在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备出抛光液，并添加电解液成分，使抛光液即具有电解作用又具有剪切增稠效果。电源通电后，在阳极工件与阴极抛光工具间产生电化学反应，工件表面的金属被电解溶解，随之工件表面会形成一层妨碍电化学反应的氧化膜。工件表面凸起处的氧化膜首先被磨掉，暴露出新鲜金属，电化学反应得以在凸起处继续进行。而凹陷处的氧化膜未被去除，化学反应受到阻碍，该处金属得到了保护。同时由于电流的尖峰效应，凸起处电场强度大，对金属的腐蚀能力也强，加上剪切增稠作用下磨粒对工件表面凸起处的去除作用更强，这几方面的共同作用影响，使得工件表面凸起处迅速被去除，表面粗糙度也迅速减小。该专利主要通过电解和剪切增稠效应，利用阳极工件与随极工具间的电化学反应来加工工件，因而对于导电性材料的加工具有一定的效果，但对于不能导电的诸如硬脆性等难加工材料却无法实现好的加工效果；且电解液不具备环保性质，后续处理成本高。

已授权中国发明专利（ZL200610029268.3），专利名称：用于抛光低介电材料的抛光液，该抛光液包括磨料和水，还包括一种或多种金属螯合剂、唑类成膜剂和氧化剂，其能在较低的压力下具有较高的低介电材料的去除速率以及对其它材料的合适的抛光选择比，抛光后的表面光洁度较好。但这种抛光液仅用于抛光低介电材料，对于非低介电材料工件抛光质量不佳，加工材料范围小；没有对工件面形及精度进行控制，不能保证加工诸如曲面工件等面形；该发明具有螯合剂、唑类成膜剂和氧化剂等具有非环保性质的物质，并增加了抛光废液的处理环节与成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种适用加工材料与面形范围广、生产效率高、生产的产品精度高的高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法，其实施设备包括抛光工具、抛光工具夹具、抛光固动盘、防尘罩及抛光液循环装置，所述抛光固动盘安装在防尘罩内，抛光固动盘用于安装工件，抛光固动盘与驱动机构连接；所述的防尘罩上设有抛光工具夹具，抛光工具安装在抛光工具夹具上，抛光工具夹具顶部设有驱动装置，驱动装置与抛光工具连接；抛光工具设置在防尘罩内，位于工件夹具的正上方；防尘罩底部设有抛光液出口；

所述的抛光工具包括抛光液性状调节室和中空管，中空管上端与抛光液性状调节室出口连接，抛光液性状调节室进口与抛光液循环装置的出口连接，抛光液循环装置的进口与抛光液出口连接，所述的抛光工具的下端处设有凹腔，凹腔内设有液流边界约束机构，液流边界约束机构能够主动约束液流并吻合工件面形；

包括如下步骤：

（1）将工件固定在实施设备的抛光固动盘上。

（2）配制抛光液，抛光液成份包括以下质量百分比的组分：抛光磨粒或微粉10wt%-20wt%、剪切增稠增强相20wt%-30wt%、水39wt%-50wt%及绿色化学环保物质1wt%-26wt%，先将抛光磨粒或微粉与剪切增稠增强相在混料机中充分混合，随后，将抛光磨粒或微粉与剪切增稠增强相的混合物加入水中，并搅拌均匀，再将绿色化学环保物质在25℃中混入，制成剪切增稠-化学协同抛光液。

（3）将配制的抛光液添加到防尘罩内，开启抛光液循环装置，使得抛光液在经抛光工具供给至工件表面，并通过中空管上的温度调节器调节工作区抛光液的温度。

（4）开启驱动装置及驱动机构，使得抛光工具相对于工件运动，对工件的加工表面进行抛光。

上述的高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法中，步骤（2）中所述的抛光磨粒或微粉采用的是Al₂O₃、CBN、金刚石、SiO₂、氧化铈、SiC等中的一种或几种的混合物（或者其它成分的可去除工件材料的磨粒）。

上述的高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法中，步骤（2）中所述的剪切增稠增强相采用的是天然植物纤维聚合物或天然植物纤维聚合物基复合材料，绿色化学环保物质采用的是天然绿色植物提取液或者能实现酸碱中性变换的绿色化学环保混合物。

上述的高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法中，实施设备的抛光液循环装置包括抛光液净化装置、抛光液温控调节装置、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置、供给泵、化学物质供给装置及支管路；所述的供给泵的进口通关管道与抛光液出口连接，管道上设有抛光液净化装置、抛光液温控调节装置、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置；供给泵的出口与化学物质供给装置的进口连接，化学物质供给装置的出口与抛光液性状调节室进口连接；支管路的进口连接在供给泵的出口与化学物质供给装置的进口连接的管道上，支管路的出口对应于工件设置；支管路上设有抛光液性状调节装置；

步骤4）中，抛光过程中，当需要对抛光液进行补给时，通过向抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置内添加抛光液对抛光液进行补给；当需要对绿色化学环保物质补给时，通过向抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置或化学物质供给装置内添加绿色化学环保物质进行补给；当需要对抛光液的性状进行调节时，通过抛光液性状调节装置对抛光液的性状进行调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、剪切增稠与绿色化学作用协同，提高加工效率、精度，并扩展可加工材料（包含塑性、脆性、硬脆性、软脆性等难加工材料）及面形（非球曲面、异形面以及包含平面、柱面、球面等基础形面）。

（2）本发明属于柔性加工方式，液流边界主动约束机构可依据实际液流边界和剪切增稠弹性层尺寸需要，其中的约束基面做一定的运动（如微动旋转、上下移动，达到控制边界与剪切增稠弹性层尺寸），在剪切增稠弹性层的调节、动态压力调节及吻合待加工工件面形时会自适应变形，主动吻合待加工工件的面形及复杂曲面，能够有效地控制抛光区域的流场与动态压力分布，更能进一步主动控制剪切增稠弹性层的尺寸，改善抛光液流场动态分布，提高材料去除确定性，表面变质层少，可用于多种面形（非球曲面、异形面以及包含平面、柱面、球面等基础形面）加工。

（3）本发明采用的抛光液的原料易获取，绿色环保型，成本较低，磨粒在其中的分散性好，能高效率发挥绿色化学作用。其中绿色化学天然环保物质可以是天然绿色植物提取液物质，或者可受温度影响（常温下呈中性物质，加工时能在加工区域位置随着加工温度变化至一定数值的条件下而呈酸碱性的物质，能在流出加工区域位置随着温度降低，循环流动快速恢复成初始抛光液的中性特性，保持原有的环保特性），或者一些能实现酸碱中性变换的绿色化学混合物（保证初始中性、加工区域发挥化学作用、循环流动时恢复成环保中性）。

（4）本发明对加工设备要求相对较低。

附图说明

图1是本发明的实施设备的结构图。

图2是图1中I处放大图。

图3是本发明的实施设备加工凹曲面时的结构图。

图4是本发明的实施设备加工凸曲面时的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-4所示，本发明的实施设备包括抛光固动盘31、防尘罩30及抛光液循环装置，所述防尘罩30的顶部设有四个抛光工具夹具11，抛光工具夹具11沿圆周方向均匀布置，每个抛光工具夹具11上安装有一个抛光工具1，抛光工具夹具11顶部安装有一个驱动装置9，驱动装置9与抛光工具1连接，能够驱动抛光工具1转动。所述的抛光工具1包括抛光液性状调节室10和中空管，中空管上端与抛光液性状调节室10出口连接，下端位于防尘罩30内，中空管上设有温度控制器34。抛光液性状调节室10进口与抛光液循环装置的出口连接，抛光液循环装置的进口与防尘罩30底部的抛光液出口连接。所述的抛光工具1的下端处设有凹腔，凹腔内设有液流边界约束机构2，液流边界约束机构2为具有贯通孔隙的圆盘结构。液流边界约束机构2通过驱动机构33安装在凹腔内，驱动机构33能够驱动液流边界约束机构2旋转及上下运动。

所述液流边界约束机构2可依据不同加工工件面形配备相应的抛光约束基面35并具有一定规律的微孔隙阵列、曲面适应待加工工件面形形态等特征，使抛光液流入与流出，形成主动约束可控的剪切增稠弹性层。智能系统36可依据实际液流边界和剪切增稠弹性层尺寸需要控制其中的约束基面35做一定的运动（如旋转、上下移动，达到控制边界与剪切增稠弹性层尺寸），能够有效地控制抛光区域的流场与动态压力分布，更能进一步主动控制剪切增稠弹性层的尺寸。

所述的抛光固动盘31安装在防尘罩30内，防尘罩的底部设有驱动装置19，驱动装置19的输出轴与抛光固动盘31连接，抛光固动盘31底部设有摆动机构18，摆动机构呈上大下小的锥形。抛光固动盘31上设有用于安装工件的工件夹具4，工件夹具4位于抛光工具1的正下方。抛光固动盘31上可依据工件3尺寸大小，能同时装夹2个及以上数量的工件及其抛光加工系统29，以利于提高加工效率；整个抛光加工区域处于防尘罩30保护之中。

所述的抛光液循环装置包括抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路；所述的供给泵17的进口通关管道13与抛光液出口连接，管道13上设有抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16。供给泵17的出口与化学物质供给装置7的进口连接，化学物质供给装置7的出口与抛光液性状调节室10的进口8连接。支管路的进口连接在供给泵17的出口与化学物质供给装置7的进口连接的管道上，支管路的出口对应于工件设置。支管路上设有抛光液性状调节装置6。所述化学物质供给装置7能够向抛光工具1的进口8提供绿色环保化学物质（能提供H⁺、OH^-等物质或其它调节剂）。所述的绿色化学天然环保物质可以是天然绿色植物提取液物质，或者可受温度影响（常温下呈中性物质，加工时能在加工区域位置随着加工温度变化至一定数值的条件下而呈酸碱性的物质，能在流出加工区域位置随着温度降低，循环流动快速恢复成初始抛光液的中性特性，保持原有的环保特性），或者一些能实现酸碱中性变换的绿色化学环保混合物（保证初始中性、加工区域发挥化学作用、循环流动时恢复成环保中性）。加工后的抛光液12经抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17之后成为用于加工的抛光液5。

所述抛光液净化装置14包括采用分层级、多维过滤加工磨屑（不仅仅可过滤净化金属导电等塑性材料，还能过滤净化硬脆、软脆等不导电的难加工材料）及加工杂质的多维层次的过滤器件、抛光液有效物质收集器等。其中：金属类材料可考虑电磁力效应与振动等进行分离；硬脆软脆性材料可采取颗粒大小分层筛除等方式分离。

所述抛光液温控调节装置15可将抛光液温度调节在25℃~50℃，其通过低温水布置“M”形的冷却方式，可以快速地将温度调节至合适范围。

所述抛光液补给与绿色环保化学物质混合装置16包括抛光液补给器、绿色环保化学物质补给装置、抛光液剪切增强相性状调节器等。

所述的液流边界约束机构2可依据实际液流边界和剪切增稠弹性层尺寸需要，其约束基面35具有一定的表面纹理，并做一定的运动（如旋转、上下移动，达到控制边界与剪切增稠弹性层尺寸），用以吻合工件3面形（平面等基础面形或曲面复杂异型面等），其经过特殊制造工艺使得其内部具有贯通孔隙31，抛光液5不仅可由抛光工具1下端的中空管流出至工件3表面，也可经贯通孔隙31流经工件3表面的加工区。约束抛光机构2可被驱动机构33驱动微动旋转和上下移动，并被驱动机构9驱动控制抛光液5与液流边界约束机构2表面之间的剪切增稠弹性层、液流流场及动态压力，同时，液流边界约束机构2的约束基面35在剪切增稠弹性层的调节、动态压力调节及吻合待加工工件面形时会自适应变形，主动吻合待加工工件的面形及复杂曲面，呈现出图1中微小平面形态以及吻合工件的平面面形、图3中凸形态“n”以吻合工件的凹曲面形，呈现出图4中的凹“u”形态以吻合工件的凸曲面形。

实施例1

如图1、图2所示，本发明用于加工尺寸为：长×宽×高30mm×30mm×6mm氮化硅材料平面工件时，其加工步骤如下：

1）将工件固定在实施设备的抛光固动盘31上，同时装夹3个工件及其抛光加工系统29，利于提高生产效率。

2）配置高效剪切增稠-化学协同抛光液，准备如下质量百分比的组分：抛光磨粒金刚石（或SiO₂、SiC）15%、剪切增稠增强相25%、水50%及绿色化学环保物质10%；先将抛光磨粒与剪切增稠增强相在混料机中充分混合12小时，随后，将SiC与剪切增稠增强相的混合物加入水中，并搅拌一定时间至均匀状态，再将绿色化学环保物质在25℃中混入，制成高效剪切增稠-化学协同抛光液5。剪切增稠增强相采用的是天然植物纤维聚合物或天然植物纤维聚合物基复合材料（如分子式为Ω-(OH^-)_c或相应的纤维复合材料，Ω为纤维官能团，c为相应的OH^-的数目）；绿色化学环保物质采用的是天然绿色植物提取液或者一些能实现酸碱中性变换的绿色化学环保混合物（如分子式可为H⁺ _a-ϴ-(OH^-)_b的物质，ϴ为官能团，a、b为相应的H⁺和OH^-的数目）。所述的绿色化学天然环保物质可受温度影响，常温下呈中性物质，加工时能在加工区域位置随着加工温度变化至一定数值的条件下而呈酸碱性的物质，能在流出加工区域位置随着温度降低，循环流动快速恢复成初始抛光液的中性特性，保持原有的环保特性。

3）将配制的抛光液添加到防尘罩30内，开启抛光液循环装置，使抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路，使得高效剪切增稠-化学协同抛光液5在经抛光工具1供给至工件3表面，并通过中空管上的温度调节器34调节工作区抛光液的温度。抛光液5不仅可由抛光工具1下端的中空管流出至工件3表面，也可经贯通孔隙31流经工件3表面的加工区。

4）开启驱动装置9及驱动机构33，使得抛光工具1相对于工件运动。由于待加工工件为氮化硅平面，利用智能系统36依据实际液流边界和剪切增稠弹性层尺寸需要控制其中的约束基面35做一定的运动（如旋转、上下移动，达到控制边界与剪切增稠弹性层尺寸），液流边界约束机构2控制抛光区域的流场与动态压力分布以及吻合待加工氮化硅面形时会自适应变形，主动吻合待加工氮化硅的面形及复杂曲面，呈现出图1或图2中微小平面形态以及吻合氮化硅的平面面形、接触状态；从而保证后续对氮化硅的加工表面进行抛光。

抛光过程中，在工件3表面表层与加工区域抛光液5因温度调节器34使得液流边界约束机构2中的贯通孔隙32区域温度变化（及由抛光中产生热量影响温度变化）而抛光液绿色化学环保物质23的“中性物质-酸或碱性”可逆转换，产生H⁺、OH^-等物质或调节剂，酸碱性的粒子与工件表层产生一定的化学效应，工件3表面的材料被“软化”，随之工件3表面会形成一层“软化层”28。同时氮化硅工件3与抛光工具1做相对运动，从而使抛光液5在氮化硅工件3与抛光工具1中液流边界约束机构2下方受剪切作用发生剪切增稠现象，呈现出图1或图2中的剪切增稠弹性层L，该区域的抛光液5（C-S）的粘度增大，增强了对磨粒或微粉22的把持作用，形成“增稠粒子弹性簇”24，抛光液5中具有抛光作用的磨粒或微粉22对工件3表面产生微切削作用。氮化硅工件表面3上的微观凸起（即氮化硅工件3的表面层27上生成切屑26的工件表面微观层）首先被剪切去除，产生切屑26，暴露出新鲜表面材料。微观“凹”位置的“软化层”28已被抛光液5化学“软化”，将在后续持续抛光加工中得到快速去除，表面粗糙度大为减小，并降低工件表面亚表面损伤；化学作用与剪切增稠作用协同来去除材料，使得氮化硅加工效率大大提高。

抛光液5经循环装置，包括抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路，进行供给-净化-供给的循环。抛光液温控调节装置15可将抛光液温度调节在25℃~50℃，其通过低温水布置“M”形的冷却方式，可以快速地将温度调节至合适范围。支管路上设有抛光液性状调节装置6。所述化学物质供给装置7能够向抛光工具1的进口8提供绿色环保化学物质（能提供H⁺、OH^-等物质或其它调节剂）。加工后的抛光液12经抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17之后成为用于加工的抛光液5。抛光液5经净化装置14包括采用分层级、多维过滤加工磨屑（不仅仅可过滤净化金属导电等塑性材料，还能过滤净化硬脆、软脆等不导电的难加工材料）及加工杂质的多维层次的过滤器件、抛光液有效物质收集器等。其中：金属类材料可考虑电磁力效应与振动等进行分离；硬脆软脆性材料可采取颗粒大小分层筛除等方式分离。抛光液补给与绿色环保化学物质混合装置16供给抛光液5。

实施例2

如图3所示，本发明用于加工尺寸参数为：直径40mm，焦距100mm的光学玻璃材料凹曲面工件时，其操作步骤如下：

1）将工件固定在实施设备的抛光固动盘31上，同时装夹2个工件及其抛光加工系统29，利于提高生产效率。

2）配置高效剪切增稠-化学协同抛光液，准备如下质量百分比的抛光微粉氧化铈20%、剪切增稠增强相30%、水45%及绿色化学环保物质5%；先将氧化铈与剪切增稠增强相在混料机中充分混合12小时，随后，将氧化铈与剪切增稠增强的混合物加入水中，并搅拌一定时间至均匀状态，再将绿色化学环保物质在25℃中混入，制成高效剪切增稠-化学协同抛光液5。剪切增稠增强相采用的是天然植物纤维聚合物或天然植物纤维聚合物基复合材料（如分子式为Ω-(OH^-)_c或相应的纤维复合材料，Ω为纤维官能团，c为相应的OH^-的数目）。所述的绿色化学天然环保物质可受温度影响，常温下呈中性物质，加工时能在加工区域位置随着加工温度变化至一定数值的条件下而呈酸碱性的物质，能在流出加工区域位置随着温度降低，循环流动快速恢复成初始抛光液的中性特性，保持原有的环保特性。绿色化学环保物质采用的是天然绿色植物提取液或者一些能实现酸碱中性变换的绿色化学环保混合物（如分子式可为H⁺ _a-ϴ-(OH^-)_b的物质，ϴ为官能团，a、b为相应的H⁺和OH^-的数目）。

3）将配制的抛光液添加到防尘罩30内，开启抛光液循环装置，使抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路，使得高效剪切增稠-化学协同抛光液5在经抛光工具1供给至工件3表面。抛光液5不仅可由抛光工具1下端的中空管流出至工件3表面，也可经贯通孔隙31流经工件3表面的加工区，并通过中空管上的温度调节器调节工作区抛光液的温度。

4）开启驱动装置9及驱动机构33，使得抛光工具1相对于工件运动。由于待加工工件为光学玻璃平面，智能系统36可依据实际液流边界和剪切增稠弹性层尺寸需要控制其中的约束基面35做一定的运动（如旋转、上下移动，达到控制边界与剪切增稠弹性层尺寸），液流边界约束机构2控制抛光区域的流场与动态压力分布以及吻合待加工光学玻璃凹曲面面形时会自适应变形，主动吻合待加工光学玻璃凹曲面面形及复杂曲面，呈现出图1或图2中微小平面形态以及吻合特光学玻璃凹曲面面形、接触状态；从而保证后续对光学玻璃的加工表面进行抛光。

抛光过程中，在工件3表面表层与加工区域抛光液5因温度调节器34使得液流边界约束机构2中的贯通孔隙32区域温度变化（及由抛光中产生热量影响温度变化）而抛光液绿色化学环保物质23的“中性物质-酸或碱性”可逆转换，产生H⁺、OH^-等物质或调节剂，酸碱性的粒子与工件表层产生一定的化学效应，工件3表面的材料被“软化”，随之工件3表面会形成一层“软化层”28。同时光学玻璃凹曲面工件3与抛光工具1做相对运动，从而使抛光液5在光学玻璃凹曲面工件3与抛光工具1中液流边界约束机构2下方受剪切作用发生剪切增稠现象，呈现出图1或图2中的剪切增稠弹性层L，该区域的抛光液5（C-S）的粘度增大，增强了对磨粒或微粉22的把持作用，形成“增稠粒子弹性簇”24，抛光液5中具有抛光作用的磨粒或微粉22对工件3表面产生微切削作用。光学玻璃凹曲面工件表面3上的微观凸起（即光学玻璃凹曲面工件3的表面层27上生成切屑26的工件表面微观层）首先被剪切去除，产生切屑26，暴露出新鲜表面材料。微观“凹”位置的“软化层”28已被抛光液5化学“软化”，将在后续持续抛光加工中得到快速去除，表面粗糙度大为减小，并降低工件表面亚表面损伤；化学作用与剪切增稠作用协同来去除材料，使得光学玻璃凹曲面加工效率大大提高。

抛光液5经循环装置，包括抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路，进行供给-净化-供给的循环。抛光液温控调节装置15可将抛光液温度调节在25℃~50℃，其通过低温水布置“M”形的冷却方式，可以快速地将温度调节至合适范围。支管路上设有抛光液性状调节装置6。所述化学物质供给装置7能够向抛光工具1的进口8提供绿色环保化学物质（能提供H⁺、OH^-等物质或其它调节剂）。加工后的抛光液12经抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17之后成为用于加工的抛光液5。抛光液5经净化装置14包括采用分层级、多维过滤加工磨屑（不仅仅可过滤净化金属导电等塑性材料，还能过滤净化硬脆、软脆等不导电的难加工材料）及加工杂质的多维层次的过滤器件、抛光液有效物质收集器等。其中：金属类材料可考虑电磁力效应与振动等进行分离；硬脆软脆性材料可采取颗粒大小分层筛除等方式分离。抛光液补给与绿色环保化学物质混合装置16供给抛光液5。

实施例3

如图4所示，本发明用于加工尺寸参数为直径30mm，焦距80mm的凸曲面光学玻璃时，其步骤如下：

1）将工件固定在实施设备的抛光固动盘31上，同时装夹3个工件及其抛光加工系统29，利于提高生产效率。

2）配置高效剪切增稠-化学协同抛光液，准备如下质量百分比的抛光微粉Al₂O₃10%、剪切增稠增强相25%、水39%及绿色化学环保物质26%；先将Al₂O₃与剪切增稠增强相在混料机中充分混合12小时，随后，将此混合物加入水中，并搅拌一定时间至均匀状态，再将绿色化学环保物质在25℃中混入，制成高效剪切增稠-化学协同抛光液5。剪切增稠增强相采用的是天然植物纤维聚合物或天然植物纤维聚合物基复合材料（如分子式为Ω-(OH^-)_c或相应的纤维复合材料，Ω为纤维官能团，c为相应的OH^-的数目）。所述的绿色化学天然环保物质可受温度影响，常温下呈中性物质，加工时能在加工区域位置随着加工温度变化至一定数值的条件下而呈酸碱性的物质，能在流出加工区域位置随着温度降低，循环流动快速恢复成初始抛光液的中性特性，保持原有的环保特性。绿色化学环保物质采用的是天然绿色植物提取液或者一些能实现酸碱中性变换的绿色化学环保混合物（如分子式可为H⁺ _a-ϴ-(OH^-)_b的物质，ϴ为官能团，a、b为相应的H⁺和OH^-的数目）。

3）将配制的抛光液添加到防尘罩30内，开启抛光液循环装置，使抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路，使得高效剪切增稠-化学协同抛光液5在经抛光工具1供给至工件3表面。抛光液5不仅可由抛光工具1下端的中空管流出至工件3表面，也可经贯通孔隙31流经工件3表面的加工区，并通过中空管上的温度调节器调节工作区抛光液的温度。

4）开启驱动装置9及驱动机构33，使得抛光工具1相对于工件运动。由于待加工工件为特种光学玻璃平面，智能系统36可依据实际液流边界和剪切增稠弹性层尺寸需要控制其中的约束基面35做一定的运动（如旋转、上下移动，达到控制边界与剪切增稠弹性层尺寸），液流边界约束机构2控制抛光区域的流场与动态压力分布以及吻合待加工光学玻璃凸曲面面形时会自适应变形，主动吻合待加工光学玻璃凸曲面面形及复杂曲面，呈现出图1或图2中微小平面形态以及吻合光学玻璃凸曲面面形、接触状态；从而保证后续对光学玻璃的加工表面进行抛光。

抛光过程中，在工件3表面表层与加工区域抛光液5因温度调节器34使得液流边界约束机构2中的贯通孔隙32区域温度变化（及由抛光中产生热量影响温度变化）而抛光液绿色化学环保物质23的“中性物质-酸或碱性”可逆转换，产生H⁺、OH^-等物质或调节剂，酸碱性的粒子与工件表层产生一定的化学效应，工件3表面的材料被“软化”，随之工件3表面会形成一层“软化层”28。同时光学玻璃凸曲面工件3与抛光工具1做相对运动，从而使抛光液5在光学玻璃凸曲面工件3与抛光工具1中液流边界约束机构2下方受剪切作用发生剪切增稠现象，呈现出图1或图2中的剪切增稠弹性层L，该区域的抛光液5（C-S）的粘度增大，增强了对磨粒或微粉22的把持作用，形成“增稠粒子弹性簇”24，抛光液5中具有抛光作用的磨粒或微粉22对工件3表面产生微切削作用。光学玻璃凸曲面工件表面3上的微观凸起（即光学玻璃凸曲面工件3的表面层27上生成切屑26的工件表面微观层）首先被剪切去除，产生切屑26，暴露出新鲜表面材料。微观“凹”位置的“软化层”28已被抛光液5化学“软化”，将在后续持续抛光加工中得到快速去除，表面粗糙度大为减小，并降低工件表面亚表面损伤；化学作用与剪切增稠作用协同来去除材料，使得光学玻璃凸曲面加工效率大大提高。

抛光液5经循环装置，包括抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17、化学物质供给装置7及支管路，进行供给-净化-供给的循环。抛光液温控调节装置15可将抛光液温度调节在25℃~50℃，其通过低温水布置“M”形的冷却方式，可以快速地将温度调节至合适范围。支管路上设有抛光液性状调节装置6。所述化学物质供给装置7能够向抛光工具1的进口8提供绿色环保化学物质（能提供H⁺、OH^-等物质或其它调节剂）。加工后的抛光液12经抛光液净化装置14、抛光液温控调节装置15、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置16、供给泵17之后成为用于加工的抛光液5。抛光液5经净化装置14包括采用分层级、多维过滤加工磨屑（不仅仅可过滤净化金属导电等塑性材料，还能过滤净化硬脆、软脆等不导电的难加工材料）及加工杂质的多维层次的过滤器件、抛光液有效物质收集器等。其中：金属类材料可考虑电磁力效应与振动等进行分离；硬脆软脆性材料可采取颗粒大小分层筛除等方式分离。抛光液补给与绿色环保化学物质混合装置16供给抛光液5。

Claims (3)

1.一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法，其实施设备包括抛光工具、抛光工具夹具、抛光固动盘、防尘罩及抛光液循环装置，所述抛光固动盘安装在防尘罩内，抛光固动盘用于安装工件，抛光固动盘与驱动机构连接；所述的防尘罩上设有抛光工具夹具，抛光工具安装在抛光工具夹具上，抛光工具夹具顶部设有驱动装置，驱动装置与抛光工具连接；抛光工具设置在防尘罩内，位于工件夹具的正上方；防尘罩底部设有抛光液出口；

所述的抛光工具包括抛光液性状调节室和中空管，中空管上端与抛光液性状调节室出口连接，抛光液性状调节室进口与抛光液循环装置的出口连接，抛光液循环装置的进口与抛光液出口连接，中空管上设有温度调节器；所述的抛光工具的下端处设有凹腔，凹腔内设有液流边界约束机构，液流边界约束机构能够主动约束液流并吻合工件面形；

包括如下步骤：

（1）将工件固定在实施设备的抛光固动盘上；

（2）配制抛光液，抛光液成份包括以下质量百分比的组分：抛光磨粒或微粉10wt%-20wt%、剪切增稠增强相20wt%-30wt%、水39wt%-50wt%及绿色化学环保物质1wt%-26wt%，先将抛光磨粒或微粉与剪切增稠增强相在混料机中充分混合，随后，将抛光磨粒或微粉与剪切增稠增强相的混合物加入水中，并搅拌均匀，再将绿色化学环保物质混入，制成剪切增稠-化学协同抛光液；

所述的剪切增稠增强相采用的是天然植物纤维聚合物或天然植物纤维聚合物基复合材料，绿色化学环保物质采用的是天然绿色植物提取液或者能实现酸碱中性变换的绿色化学环保混合物；

（3）将配制的抛光液添加到防尘罩内，开启抛光液循环装置，使得抛光液在经抛光工具供给至工件表面，并通过中空管上的温度调节器调节工作区抛光液的温度；

（4）开启驱动装置及驱动机构，使得抛光工具相对于工件运动，对工件的加工表面进行抛光。

2.根据权利要求1所述的高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法，步骤（2）中所述的抛光磨粒或微粉采用的是Al₂O₃、CBN、金刚石、SiO₂、氧化铈、SiC中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1所述的高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法，实施设备的抛光液循环装置包括抛光液净化装置、抛光液温控调节装置、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置、供给泵、化学物质供给装置及支管路；所述的供给泵的进口通关管道与抛光液出口连接，管道上设有抛光液净化装置、抛光液温控调节装置、抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置；供给泵的出口与化学物质供给装置的进口连接，化学物质供给装置的出口与抛光液性状调节室进口连接；支管路的进口连接在供给泵的出口与化学物质供给装置的进口连接的管道上，支管路的出口对应于工件设置；支管路上设有抛光液性状调节装置；

步骤4）中，抛光过程中，当需要对抛光液进行补给时，通过向抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置内添加抛光液对抛光液进行补给；当需要对绿色化学环保物质补给时，通过向抛光液补给与绿色化学环保物质混合装置或化学物质供给装置内添加绿色化学环保物质进行补给；当需要对抛光液的性状进行调节时，通过抛光液性状调节装置对抛光液的性状进行调节。

Images