CN108838747A - 一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，包括超声电源、超声波换能器、声透镜和敞口容器，敞口容器内盛有抛光液，声透镜的结构是平‑凹声透镜、平‑凸声透镜、平‑凹声透镜与滤波片的组合体、平‑凸声透镜与滤波片的组合体中的任何一种；待加工工件浸在敞口容器的抛光液中，抛光液的高于超声波换能器的底面；超声电源产生高频电激励超声波换能器产生高频振动，声透镜将超声振动会聚在待加工件的抛光点上，在对工件抛光之前，需要根据透镜曲率半径、折射指数以及换能器与透镜之间的夹角算出焦距，以此确定工件和声透镜的位置；聚焦后的将超声振动传递给流体，由流体带动抛光颗粒振动来对工件表面进行局部去除。

Description

一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统
技术领域
本发明应用于光学元件等抛光领域，特别涉及一种基于声学透镜超声汇聚作用的流体振动抛光系统。
背景技术
随着现代光学技术的发展,高性能高质量光学零件的需求越来越迫切，同时对高质量光学零件的加工设备及工艺要求也越来越高。目前已经研究出多种可以获得高精度表面的加工方法，其中典型的方法有塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、粒子束抛光、射流抛光等等。但是这些典型的加工方法或者会对元件加工表面产生破坏，或者加工效率过低，或者是控制性太差，都各自存在一些缺陷，因此一些新的加工方法也逐渐被提出。流体振动抛光(Polishing based Vibration of Liquid PVL)相较于其他加工方法，抛弃了传统超光滑表面流体抛光技术所采用的抛光磨盘，而是将工件直接浸泡在抛光液中，以流体作为抛光工具。流体振动抛光主要是利用超声波换能器向液体辐射高频超声波，利用超声振动产生的压力场和流场，驱动抛光液冲刷工件的表面。一方面，在抛光液中的游离抛光磨粒在超声激振的状态下互相高速碰撞，而且对工件表面进行反复的研磨冲击；而另一方面，超声波在抛光液中传播且声压幅超过空化阈值时，将产生强烈的瞬态空化效应，工件表面附近产生局部的能量集中，引发高温、高压、冲击波和高速射流等极端现象，这些微射流配合磨粒的高频运动就可以有效的实现材料的去除。
目前，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波换能器，形成超声波换能器阵列，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。但是这种流体抛光方法也会产生一些缺点：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，所以当前的流体振动抛光方法无法对工件表面进行高质量的修正。
发明内容
为了克服当前流体振动抛光方法的不足，同时提高流体振动抛光方法对工件表面的修正质量，本发明提出来一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统。该方法利用声透镜对于声波的汇聚作用，将超声波换能器发出的超声波聚焦于工件的加工点，通过声透镜聚焦作用以及与加工工件的距离来实现对加工区域大小和强度的控制，同时利用工件加工点驻留的时间控制工件的加工和修正质量。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，包括超声电源、超声波换能器、声透镜和敞口容器，所述敞口容器内盛有抛光液，待加工工件浸在所述敞口容器2的抛光液中，所述抛光液的高于所述超声波换能器的底面；所述声透镜的结构是平-凹声透镜、平-凸声透镜、平-凹声透镜与滤波片的组合体、平-凸声透镜与滤波片的组合体中的任何一种；待加工工件浸在所述敞口容器中，所述超声电源产生高频电激励超声波换能器产生高频振动，所述声透镜将超声振动会聚在待加工件的抛光点上，
所述声透镜在抛光液中的焦距f为：
式(1)中，RC表示声透镜折射表面的曲率半径；γ表示超声波换能器与声透镜的声轴之间的夹角，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；符号+代表声透镜折射表面为凹折射面，符号-代表声透镜折射表面为凸折射表面；
γ＝0时，所述声透镜在抛光液中的焦距f0为：
进一步讲，本发明基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，其中，所述平-凹声透镜的材料是有机玻璃、环氧树脂、铝合金和玻璃中的任何一种；所述平-凸声透镜的材料是聚四氟乙烯；所述滤波片是不锈钢圆板。
所述抛光液中的抛光颗粒包括氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米级二氧化硅颗粒和纳米级金刚石颗粒中的任何一种或多种。
所述声透镜与待加工工件之间的距离是10mm至1m之间。
所述超声波换能器发出超声波的频率范围为200KHz到10MHz之间。
所述超声波换能器与所述声透镜的声轴的夹角γ为0°～90°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的抛光系统利用声透镜聚焦，可以精确定位透镜与工件的相对位置，同时可以通过调整透镜与工件的相对位置来控制加工的区域和强度。
(2)本方法可以将换能器产生的超声在工件表面加工点聚焦，聚焦的声能可以精确的对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点的驻留时间来准确修正加工表面的面形，所以本方法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为本发明基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统原理示意图；
图2为本发明中声透镜是平-凸透镜的原理示意图；
图3为本发明中声透镜是平-凹声透镜声波会聚示意图；
图4为本发明中声透镜是平-凸声透镜声波会聚示意图；
图5为本发明中声透镜是平-凸透镜与滤波片的组合体的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出的一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，包括超声电源1、超声波换能器4、声透镜和敞口容器2，所述敞口容器2内盛有抛光液3。
所述超声波换能器4与所述声透镜的声轴的夹角γ为0°～90°。待加工工件浸在所述敞口容器2的抛光液3中，所述抛光液3的高于所述超声波换能器4的底面；所述声透镜与待加工工件6之间的距离是10mm至1m之间。所述超声电源1产生高频电激励超声波换能器4产生高频振动，所述声透镜将超声振动会聚在待加工件6的抛光点上。
声透镜的性能取决于本身的材料性能、周围媒质的特性以及折射表面的几何形状。透镜的形状有平-凹、平-凸、双凸面型、双凹面型以及凸凹面型等。具有会聚形镜面的透镜称为会聚或聚焦透镜，而发射型的称为扩散透镜。在本发明中，所述声透镜可以选择平-凸或平-凹型的会聚透镜，其结构是平-凹声透镜5(如图1所示)、平-凸声透镜7(如图2所示)、平-凹声透镜5与滤波片8的组合体、平-凸声透镜7与滤波片8的组合体(如图5所示)中的任何一种；根据声波在抛光液中与在其他各类透镜材料的传播速度的大小比较关系，所述平-凹声透镜5的材料可以选择机玻璃、环氧树脂、铝合金和玻璃中的任何一种；所述平-凸声透镜7的材料选择聚四氟乙烯。本发明中，所述滤波片是不锈钢圆板。
本发明中，所述抛光液3中的抛光颗粒包括氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒和纳米级金刚石颗粒中的任何一种或多种。所述超声波换能器4发出超声波的频率范围为15KHz到20MHz之间，200KHz到10MHz之间，当超声频率在200KHz到600KHz之间时，主要是利用空化作用和声压驱动进行抛光加工；当超声频率在600KHz到10MHz频率范围内时，主要利用声压驱动流体流动来抛光。
本发明基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统的设计原理是：在对工件抛光之前，需要根据透镜曲率半径、折射指数以及换能器与透镜之间的夹角算出所述声透镜在抛光液中的焦距，以此确定工件和声透镜的位置；聚焦后的将超声振动传递给流体，由流体带动抛光颗粒振动来对工件表面进行局部去除。可以通过控制声透镜与工件的相对位置来调整工件的加工区域大小和加工强度，同时根据工件各点的驻留时间对工件表面进行精密抛光。
实施例1：
一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，本实施例1中，所述声透镜的结构是平-凹声透镜5，整个系统按照图1所示布局，在进行抛光加工之前，需要对声透镜进行精准的定位，这样才能将超声波准确聚焦于加工点上，所以对于一套确定的基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光设备而言，
本发明中，所述声透镜在抛光液中的焦距f，如图3和图4所示，图3和图4中F为焦点位置：
式1中，RC表示声透镜折射表面的曲率半径；γ表示超声波换能器4与声透镜声轴之间的夹角，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；符号+代表折射表面为凹折射面，符号-代表折射表面为凸折射表面；
γ＝0时，所述声透镜在抛光液中的焦距f0为：
在本实施例1中，需要将敞口容器2固定于数控机床上，将待加工工件6固定于敞口容器2的底部，再把抛光液3倒入敞口容器5中且液面需略高于所述超声波换能器4的底面。之后将声透镜5置于待加工件6的正上方，而且距离应等于焦距。再根据待加工工件6表面的面形误差计算出在各点超声聚焦驻留时间和规划最优加工路径，形成加工方案，最后将加工方案导入数控机床并对待加工工件6的形面进行修正。
实施例2：
一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，在本实施例2中，将超声波换能器4和声透镜5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。这样能够灵活控制超声波加工工件表面的区域大小和强度，其余技术同实施例一。
实施例3：
一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，在本实施例中，声透镜采用平-凸声透镜7与滤波片8的组合体结构形式，即在平-凸声透镜正下方增加了一块声学滤波片(如图5所示)，该滤波片的材质为不锈钢圆板，它的前表面是平面，后表面是锥面。当用一个透镜与声学滤波片组合使用时，可以在该实施例中减少旁瓣声束的干扰，从而可以更加精确的对待加工表面进行加工和修正。其余技术同实施例1或实施例2。
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仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，包括超声电源(1)、超声波换能器(4)、声透镜和敞口容器(2)，所述敞口容器(2)内盛有抛光液(3)，其特征在于：
所述声透镜的结构是平-凹声透镜(5)、平-凸声透镜(7)、平-凹声透镜(5)与滤波片(8)的组合体、平-凸声透镜(7)与滤波片(8)的组合体中的任何一种；
待加工工件浸在所述敞口容器(2)的抛光液(3)中，所述抛光液(3)的高于所述超声波换能器4的底面；所述超声电源(1)产生高频电激励超声波换能器(4)产生高频振动，所述声透镜将超声振动会聚在待加工件(6)的抛光点上，
所述声透镜在抛光液中的焦距f为：
式(1)中，RC表示声透镜折射表面的曲率半径；γ表示超声波换能器(4)与声透镜的声轴之间的夹角，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；符号+代表声透镜折射表面为凹折射面，符号-代表声透镜折射表面为凸折射表面；
γ＝0时，所述声透镜在抛光液中的焦距f0为：
2.根据权利要求1所述基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述平-凹声透镜(5)的材料是有机玻璃、环氧树脂、铝合金和玻璃中的任何一种；所述平-凸声透镜(7)的材料是聚四氟乙烯；所述滤波片是不锈钢圆板。
3.根据权利要求1所述基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述抛光液(3)中的抛光颗粒包括氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒、纳米级二氧化硅颗粒和纳米级金刚石颗粒中的任何一种或多种。
4.根据权利要求1所述基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述声透镜与待加工工件(6)之间的距离是10mm至1m之间。
5.根据权利要求1所述基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述超声波换能器(4)发出超声波的频率范围为200KHz到10MHz之间。
6.根据权利要求1所述基于声透镜的超声聚焦流体振动抛光系统，其特征在于：所述超声波换能器(4)与所述声透镜的声轴的夹角γ为0°～90°。
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