CN108747777A - 一种内循环式非牛顿流体抛光系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种内循环式非牛顿流体抛光系统及方法，包括抛光流体循环系统和抛光机械系统；抛光机械系统包括抛光盘、公转系统和自转系统，公转系统驱动抛光盘公转，所述的自转系统驱动抛光盘自转；抛光盘包括抛光盘底座和抛光垫，所述抛光垫安装在抛光盘底座的下方，抛光盘底座与抛光垫之间有一定距离的缝隙，且在抛光盘底座的中心设有一个流体入口，在底座的外圈设有流体出口；抛光垫中心设有一个与所述的流体入口贯通的入流通道；抛光垫的底部设有流体微流道；沿着流体流动方向，流体微流道的始端与入流通道连通，末端与回流通道连通，回流通道与所述的流体出口连通；流体出口和流体入口与抛光流体循环系统相连。

Description

一种内循环式非牛顿流体抛光系统与方法

技术领域

本发明属于超光滑表面加工技术领域，涉及一种内循环式非牛顿流体抛光的方法及其系统。

背景技术

随着科技的迅速发展，航空航天，光学系统，功能光电器，微电子，生物医学等科技领域对具有球面和非球面元件的需求量越来越大，并且对表面的粗糙度和面形精度提出了更高的要求。经过铣削，车削，磨削加工后的表面，会产生刀痕，磨痕，裂纹等亚表面损伤，而且在加工过程中的一些控制精度，加工工具的磨损等因素也都会造成工件的面形误差，从而影响表面的性能，降低使用的可靠性，因此需要抛光来去除表面损伤，达到表面粗糙度要求并对面形进行修正。

传统的非球面抛光，依靠经验丰富的技术工人手工操作，加工效率低，对操作人员要求极高，抛光质量和重复性难以保证。为满足现代科技对工件表面的严苛要求，很多国家都投入大量研究经费用于开发新型的超精密抛光方法，从而出现了一系列用于实现超光滑表面的加工方法，如磁流变抛光，弹性发射抛光，计算机控制小口径工具抛光，化学机械抛光等。但是众多抛光方法都或多或少存在缺点，比如计算机控制小口径工具抛光能够实现超光滑表面的加工，但是工具与工件表面为点接触或较小面积接触，抛光效率低；磁流变抛光去除函数稳定，可实现较高的抛光精度，但是磁流变抛光也同样是点接触，大面积抛光效率低；化学机械抛光抛光液的回收处理不便，污染环境，而且对外部环境要求较高。因此迫切需要发明一种高效，高精度，经济，绿色环保的抛光方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种内循环式非牛顿流体的抛光方法与系统，具有高效，高质量，经济，环保，对抛光环境要求低等优点。

本发明的技术方案：

本发明提出的一种内循环式非牛顿流体抛光系统，包括抛光流体循环系统和抛光机械系统；

所述的抛光机械系统包括抛光盘、公转系统和自转系统，所述的公转系统驱动抛光盘公转，所述的自转系统驱动抛光盘自转；

所述抛光盘包括抛光盘底座和抛光垫，所述抛光垫安装在抛光盘底座的下方，所述抛光盘底座与抛光垫之间有一定距离的缝隙，且在所述的抛光盘底座的中心设有一个流体入口，在底座的外圈设有流体出口；抛光垫中心设有一个与所述的流体入口贯通的入流通道；所述的抛光垫的底部设有流体微流道；沿着流体流动方向，流体微流道的始端与入流通道连通，末端与回流通道连通，所述的回流通道与所述的流体出口连通；所述的流体出口和流体入口与抛光流体循环系统相连。

进一步的，所述抛光垫材料是聚四氟乙烯或聚氨酯，抛光垫具有弹性，可以在压力的作用下自动适应工件表面曲率。

进一步的，所述的流体微流道包括多个，多个流体微流道沿着所述的抛光垫的径向方向设置。抛光流体在微流道的密封利用特殊设计的浮动式液压密封结构，即抛光盘底座与抛光垫缝隙中的流体压力远大于微流道槽中流体的压力，从而使抛光垫与工件紧密接触达到密封。

进一步的，所述的流体微流道在抛光垫的圆周方向上均匀设置。

进一步的，所述的入流通道和回流通道的轴线均与抛光垫的轴线平行。

进一步的，所述抛光流体循环系统包括泵、压力调节阀、压力传感器、入流管道、回流管道和高压旋转接头，所述的所述压力传感器安装在抛光盘抛光液入口处与出口处，可测其压力差；入流管道与流体入口相连，所述的流体出口与回流管道相连，所述的入流管道和回流管道通过高压旋转接头与所述的泵相连。

进一步的，在所述的回流管道外和泵身处加冷却装置，在泵的加料口处安有温度计。

进一步的，所述公转系统包括伺服电机、减速机、公转盘和平衡块；所述的伺服电机和减速机驱动公转盘旋转，且在所述的公转盘上设有平衡块；所述公转盘上有距离调节装置，用以调节抛光盘的公转半径。

进一步的，所述自转系统包括伺服电机、减速机和固定架，所述的伺服电机、减速机驱动抛光盘旋转，所述的伺服电机、减速机通过固定架固定在所述的公转盘上。

本发明的一种内循环式非牛顿流体抛光方法，其特征在该方法包括以下步骤:

步骤一：加工准备；准备好非牛顿抛光流体与工件，将工件粘在工件台上；

步骤二：循环系统的连接；

首先将泵出口用入流管道与公转高压旋转接头连接，然后接到自转高压旋转接头，再与抛光盘流体入口连接，在流体入口处装压力调节阀和压力传感器，然后在某一出口处装压力传感器，接着连接抛光盘流体出口与自转旋转接头，公转旋转接头，最后连接回流管道到泵的入料口，使抛光液实现内循环，在入料口处装温度计，在入流管道与回流管道以及泵身加上冷却水套，通上恒温的水；

步骤三：抛光加工；

将非牛顿抛光流体加入泵，泵为非牛顿抛光流体提供动力，并同时使抛光盘开始公转与自转，非牛顿抛光流体由直径较大的入口管道经过公转高压旋转接头，自转高压旋转接头，流入抛光盘流体入口，压力流速比较小，然后流入抛光盘底座与抛光垫之间的缝隙，对抛光垫产生压力，然后流入抛光垫与工件表面形成的微流道中，由于流体作用在抛光垫背面的面积远大于流体在微流道的面积，因此可以利用流体动压使抛光垫与工件密封，抛光垫具有弹性，可以自适应工件的曲率，在微流道中，流动截面积急剧降低，流速增大，从而非牛顿流体发生流变性，流体的高速流动与压力对工件表面形成剪切抛光作用，降低工件表面粗糙度，然后流入大直径的回流管路内，流变性消失，最终回流到螺杆泵中；

步骤四：整理。

本发明的有益效果表现在：

1.抛光盘的抛光垫可以根据工件的曲率浮动，可以适应各种曲率，而且流体不泄露，属于柔性的加工方式，加工的表面面形精度高，表面质量好，可进行各种类型曲面的抛光，加工范围广。

2.抛光盘下面开有微流道，流体流过狭缝，产生流变性，而且高压高速，再加之抛光盘的公转与自转，产生较大材料去除率。抛光头的大小可以调整，流道的长短也可以控制，可以增大与工件的接触面积，大大提高了抛光效率。

3.抛光流体可以通过循环系统可以回收，节约成本，而且抛光液不外泄，保护环境，实现内循环，外界环境中的杂质也不污染抛光液，对抛光的环境要求低。

4.系统的旋转半径和转速可调，可根据加工表面质量与效率要求优化加工参数。

5.整套设备控制简单，容易实现，成本比较低。

附图说明：

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一种内循环式非牛顿流体抛光装备的总体安装示意图；

图2为抛光盘总体图；

图3为抛光盘内部结构剖面图；

图4为抛光盘底部图，

图5为抛光流体循环图。

其中，1、伺服电机，2、减速机，3、公转高压旋转接头，4、平衡块，5、公转盘，6、抛光盘，7、入流高压管道，8、回流高压管道，9、自转高压旋转接头，10、电机固定架(可移动)，11、伺服电机，12、直角减速机，13、电机固定架，14、抛光盘流体入口，15、抛光盘流体出口，16、抛光盘底座，17、抛光垫，18、微流道槽，19、微型单螺杆泵，20、微型单螺杆泵出口，21、公转旋转接头上入口，22、公转旋转接头下出口，23、自转旋转接头上入口，24、自转旋转接头下出口，25、压力控制阀，26、抛光盘入口压力表，27、抛光盘出口压力表，28、自转旋转接头下入口，29、自转旋转接头上出口，30、公转旋转接头下入口，31、公转旋转接头上出口，32、温度计，33、微型单螺杆泵放料口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中众多抛光方法都或多或少存在缺点，比如计算机控制小口径工具抛光能够实现超光滑表面的加工，但是工具与工件表面为点接触或较小面积接触，抛光效率低；磁流变抛光去除函数稳定，可实现较高的抛光精度，但是磁流变抛光也同样是点接触，大面积抛光效率低；化学机械抛光抛光液的回收处理不便，污染环境，而且对外部环境要求较高。因此迫切需要发明一种高效，高精度，经济，绿色环保的抛光方法。

为了解决如上的技术问题，本发明的一种内循环式非牛顿流体抛光装备，包括抛光流体循环系统和抛光机械系统。

所述抛光流体循环系统包括泵、压力调节阀25、压力传感器26和27、入流高压管道7、回流高压管道8、公转高压旋转接头3、自转高压旋转接头9、冷却装置；优选的，所述泵采用微型单螺杆泵19用来为抛光流体提供动力，转速100-1000rpm，流量130-600L/H；

所述压力调节阀25，可调节抛光盘流道中的压力，调节范围为0-3Mpa；

所述压力传感器26和27，安装在抛光盘抛光流体入口处与出口处，可分别测其压力。

冷却装置是在入流与回流高压管道外和微型单螺杆泵19身处加冷却水套。具体的连接关系如下：

微型单螺杆泵出口20用高压管与公转高压旋转接头上入口21连接，然后将公转旋转接头下出口22通过入流高压管道7与自转高压旋转接头上入口23相连，自转高压旋转接头下出口24通过入流高压管道7与压力控制阀25，抛光盘入口压力表26相连，最后与抛光盘流体入口14连接，在某一抛光盘流体出口15安装抛光盘出口压力表27，然后通过回流高压管道8接着连接自转高压旋转接头下入口28，再将自转高压旋转接头上出口29通过回流高压管道8与公转高压旋转接头下入口30相连，最后将公转高压旋转接头上出口31通过回流高压管道8与微型单螺杆泵入料口33相连，使抛光流体实现内循环，在入料口处安装温度计32，所述温度计32用来监测抛光流体的温度；在入流高压管道7与回流高压管道8以及微型单螺杆泵19身加上冷却水套，通上恒温的水。

抛光机械系统包括公转系统，自转系统，抛光盘6；

公转系统包括伺服电机1、减速机2、公转盘5、平衡块4，公转速度可达0-180rpm，所述公转盘5上有距离调节装置，用以调节公转半径，伺服电机1和减速机2驱动公转盘5旋转；在公转盘5上安装有平衡块4用于平衡自转系统和抛光盘的重力。

自转系统包括伺服电机11、直角减速机12和电机固定架10，自转速度可达0-300rpm；

抛光盘包括抛光盘底座16，抛光垫17；，抛光垫安装在抛光盘底座的下方，所述抛光盘底座与抛光垫之间有一定距离的缝隙，且在所述的抛光盘底座的中心设有一个流体入口，在底座的外圈设有流体出口；抛光垫中心设有一个与所述的流体入口贯通的入流通道；所述的抛光垫的底部设有流体微流道；沿着流体流动方向，流体微流道的始端与入流通道连通，末端与回流通道连通，所述的回流通道与所述的流体出口连通；所述的流体出口和流体入口与抛光流体循环系统相连。

优选的，所述抛光垫材料是聚四氟乙烯或聚氨酯，抛光垫具有弹性，可以在压力的作用下自动适应工件表面曲率。

所述的流体微流道包括多个，多个流体微流道沿着所述的抛光垫的径向方向设置。抛光流体在微流道的密封利用特殊设计的浮动式液压密封结构，即抛光盘底座与抛光垫缝隙中的流体压力远大于微流道槽中流体的压力，从而使抛光垫与工件紧密接触达到密封。

优选的，流体微流道在抛光垫的圆周方向上均匀设置。

优选的，入流通道和回流通道的轴线均与抛光垫的轴线平行。

本发明中的非牛顿抛光流体为剪切增稠抛光液与剪切变稀抛光液，所述剪切增稠抛光液指液体粘度随着剪切速率的增大而增大，所述剪切变稀抛光液指液体粘度随剪切速率的增大而减小。

本发明的一种内循环式非牛顿流体抛光方法，其特征在该方法包括以下步骤:

步骤一：加工准备。准备好非牛顿抛光流体与工件，将工件粘在工件台上。

步骤二：循环系统的连接。首先将螺杆泵出口20用高压管与公转高压旋转接头上入口21连接，然后将公转旋转接头下出口22通过入流高压管道7与自转高压旋转接头上入口23相连，自转高压旋转接头下出口24通过入流高压管道7与压力控制阀25，抛光盘入口压力表26相连，最后与抛光盘入口14连接，在抛光盘6某一出口15安装抛光盘出口压力表27，然后通过回流高压管道8接着连接自转高压旋转接头下入口28，再将自转高压旋转接头上出口29通过回流高压管道8与公转高压旋转接头下入口30相连，最后将公转高压旋转接头上出口31通过回流高压管道8与微型单螺杆泵入料口33相连，使抛光流体实现内循环，在入料口处安装温度计32，在入流高压管道7与回流高压管道8以及微型单螺杆泵19身加上冷却水套，通上恒温的水。

步骤三：抛光加工。将非牛顿抛光流体加入微型单螺杆泵19，螺杆泵19为非牛顿流体提供动力，并同时使抛光盘6开始公转与自转，非牛顿抛光流体由直径较大的入口高压管道7经过公转高压旋转接头3，自转高压旋转接头9，流入抛光盘入口14，压力流速比较小，然后流入抛光盘底座16与抛光垫17之间的缝隙，对抛光垫17产生压力，然后流入抛光垫17与工件表面形成的微流道18中，由于抛光流体作用在抛光垫17背面的面积远大于流体在微流道18的面积，因此可以利用流体动压使抛光垫17与工件密封，抛光垫17具有弹性，可以自适应工件的曲率，在微流道18中，流动截面积急剧降低，流速增大，从而非牛顿抛光流体发生流变性，流体的高速流动与压力对工件表面形成剪切抛光作用，降低工件表面粗糙度，然后流入大直径的回流高压管路8内，流变性消失，最终回流到螺杆泵19中。

步骤四：整理。清洗工件，将抛光流体进行收集，清洗螺杆泵19。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，包括抛光流体循环系统和抛光机械系统；

所述的抛光机械系统包括抛光盘、公转系统和自转系统，所述的公转系统驱动抛光盘公转，所述的自转系统驱动抛光盘自转；所述抛光盘包括抛光盘底座和抛光垫，所述抛光垫安装在抛光盘底座的下方，所述抛光盘底座与抛光垫之间有一定距离的缝隙，且在所述的抛光盘底座的中心设有一个流体入口，在底座的外圈设有流体出口；抛光垫中心设有一个与所述的流体入口贯通的入流通道；所述的抛光垫的底部设有流体微流道；沿着流体流动方向，流体微流道的始端与入流通道连通，末端与回流通道连通，所述的回流通道与所述的流体出口连通；所述的流体出口和流体入口与抛光流体循环系统相连。

2.如权利要求1所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述抛光垫材料是聚四氟乙烯或聚氨酯，抛光垫具有弹性，在压力的作用下自动适应工件表面曲率。

3.如权利要求1所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述的流体微流道包括多个，多个流体微流道沿着所述的抛光垫的径向方向设置。

4.如权利要求3所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述的流体微流道在抛光垫的圆周方向上均匀设置。

5.如权利要求1所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述的入流通道和回流通道的轴线均与抛光垫的轴线平行。

6.如权利要求1所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述抛光流体循环系统包括泵、压力调节阀、压力传感器、入流管道、回流管道和高压旋转接头，所述的所述压力传感器安装在抛光盘抛光液入口处与出口处，可测其压力差；入流管道通过高压旋转接头与流体入口以及泵的出口相连，回流管道通过高压旋转接头与流体出口以及泵的入口相连相连。

7.如权利要求6所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，在所述的回流管道外和泵身处加冷却装置，在泵的加料口处安有温度计。

8.如权利要求1所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述公转系统包括伺服电机、减速机、公转盘和平衡块；所述的伺服电机和减速机驱动公转盘旋转，且在所述的公转盘上设有平衡块；所述公转盘上有距离调节装置，用以调节抛光盘的公转半径。

9.如权利要求8所述的内循环式非牛顿流体抛光系统，其特征在于，所述自转系统包括伺服电机、减速机和固定架，所述的伺服电机、减速机驱动抛光盘旋转，所述的伺服电机、减速机通过固定架固定在所述的公转盘上。

10.一种利用权利要求1-9任一所述的内循环式非牛顿流体抛光系统进行抛光的方法，其特征在，包括以下步骤:

步骤一：加工准备；准备好非牛顿抛光流体与工件，将工件粘在工件台上；

步骤二：循环系统的连接；

首先将泵出口用入流管道与公转高压旋转接头连接，然后接到自转高压旋转接头，再与抛光盘流体入口连接，在流体入口处装压力调节阀和压力传感器，然后在某一流体出口处装压力传感器，连接抛光盘流体出口与自转旋转接头、公转旋转接头，最后连接回流管道到泵的入料口，使抛光液实现内循环，在入料口处装温度计，在入流管道与回流管道以及泵身加上冷却水套，通上恒温的水；

步骤三：抛光加工；

将非牛顿抛光流体加入泵，泵为非牛顿抛光流体提供动力，并同时使抛光盘开始公转与自转，非牛顿抛光流体由直径较大的入口管道经过公转高压旋转接头，自转高压旋转接头，流入抛光盘流体入口，压力流速比较小，然后流入抛光盘底座与抛光垫之间的缝隙，对抛光垫产生压力，然后流入抛光垫与工件表面形成的微流道中，由于流体作用在抛光垫背面的面积远大于流体在微流道的面积，因此利用流体动压使抛光垫与工件密封，抛光垫具有弹性自适应工件的曲率，在微流道中，流动截面积急剧降低，流速增大，从而非牛顿流体发生流变性，流体的高速流动与压力对工件表面形成剪切抛光作用，降低工件表面粗糙度，然后流入大直径的回流管路内，流变性消失，最终回流到螺杆泵中；

步骤四：整理。