CN110315398B - 微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其工具头的端面上加工微半球凹模阵列，工具头下端与球模导向板相连接，单个凹模的直径大于或等于发射球体直径，在工件放置台装有实时监控的恒力装置，球体做研抛模与工件之间的Z轴方向的运功或者沿着自身球心转动；在研抛模与工件表面之间充满研抛液，研抛模在导向板上表面做高频微细超声振动，超声振动激发球提与磨粒高速冲击工件表面，形成微半球凹坑。本发明通过微超声研抛模的振动，激发球体与研抛液中纳米级磨粒对碳化硅工件表面的高频冲击，以实现对材料的去除。极大地提高微半球凹模阵列的加工效率，并通过气泡调控的方式，保证了凹模的形状一致性。

Description

微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型的惯性传感器，具有精度高、稳定性强、可靠性高以及寿命长的特点，并且具有很好的抗冲击振动的能力以及很好的温度性能，已经在航空，兵器等领域开始有运用。但是这种陀螺仪的球壳加工精度低，主要原因在于用于制造该陀螺仪球壳的母体——半球凹模阵列的加工精度差。该凹模材料硬度大，尺寸小，加工较为困难。现有对该凹模的加工方法，如微细削加工、微细超声分层加工、微细电火花加工等方式，但是这些已报道的加工方式尚无法满足对碳化硅微半球凹模的加工精度与加工效率的要求。主要原因在于：(1)微细削加工微半球凹模时，在材料脆性去除的过程中会出现微半球底部或者顶部崩裂、表面及亚表面损伤的情况，无法满足加工精度的要求。加工效率以及成品率都无法得到保证。(2)微细超声分层加工，因为细微工具会出现磨损，并且该磨损无法预计与控制，因此难以规划分层进给路径，导致微半球形状精度差，加工效率低。(3)微细电火花加工微半球凹模阵列，放点空间小，因此需要加工设备的精度很高，而形状精度极高的电极加工困难，并且在加工过程中磨损很快，加工出来的微半球凹模表面质量差，形状精度低。至今尚未见报道研制出符合加工精度与质量要求的微半球凹模阵列。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，包括如下步骤：

S1、制作微超声研抛模：所述研抛模包括工具连杆、恒力装置、球模导向板、球体，工具连杆包括上端变幅杆与下端工具头，变幅杆的上端与细微超声振动装置相连接，所述工具连杆的下端工具头的端面上加工有数量为a×b微半球凹模阵列，工具头下端与球模导向板相连接，单个凹模的直径大于或等于发射球体直径，在工件放置台装有实时监控的恒力装置，以恰好能够嵌入半个精密球体为佳，精密球体的直径范围为100微米至5毫米(根据实际所需半球凹模大小情况而定)；为提高工件上凹模尺寸的精度，以确保小球冲击的力保持一致。本发明的研抛效果：效率高，形状精度高，形状一致性高，表面质量高；

S2、导向板上有n×m的阵列孔，孔数大于研抛模的凹模数，孔径大于球体直径，球体水平方向的运动被所述导向板限制，球体做研抛模与工件之间的Z轴方向的运功或者沿着自身球心转动；导向板厚度约为精密小球直径的四分之一。

S3、在研抛模与工件表面之间充满研抛液，研抛液中的磨粒为纳米级复合颗粒，研抛模在导向板上表面的上方0至几毫米的距离内做高频微细超声振动，超声振动激发球提与磨粒高速冲击工件表面，形成微半球凹坑；

进一步的，所述球模导向板的固定方法如下：

导向板通过亲脂疏水类粘结剂的固定在工件上，通过粘结剂的厚度来确定导向板与工件之间的距离。精密小球与导向板的小孔一一对应。工具头端面与导向板不接触，并且工具端的面积小于导向板的面积。当要分离导向板与工件时，只需将导向板与工件用汽油冲洗再风干即可。

进一步的，研抛液通过5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，1％凡士林、84％煤油配置，研抛液中的磨粒为基于纳米粒子的复合磨粒。添加凡士林为提高研抛液粘度。

进一步的，为降低长时间的超声空化对材料的气蚀作用，S3中采用多域可控的方法限制空化泡的产生。以实现在对材料的去除同时，保证加工面的精度。因为空化作用不仅会产生巨大的能量冲击，对凹模加工精度的影响很大，而且长时间的超声空化还会气蚀工件的表面，甚至无法有效地加工出半球凹模，因此，需要采用特定的方法对空化泡形成进行限制。

进一步的，所述球体为自由球体，球体不与导向板、研抛模和工件固定，所述球体为硬质塑性球体。可以是合金钢、特种钢等。

进一步的，采用调节超声波频率与强度、改变研抛液的粘度与温度对空化泡产生进行限制。

据空化泡产生机理，对空化泡形成限制方法有：第一，调整超声波的强度，即每单位面积上的超声功率。当超声波强度增加时，空化强度会增加，但是在达到一定的强度以后，在增加超声强度则会使大量的无用气泡产生，降低空化的强度。第二，调节超声波的频率，空化会随着超声波频率升高而降低，一般产生空化时的频率为20～40kHz，因此，为降低超声空化的影响，可以将超声频率设置为50kHz。第三为对液体及研抛液的粘度进行调整适当增加研抛液的粘度系数可以是空化泡产生更加困难，从而降低空化作用。采用在研抛液中加入极少量凡士林来对粘度进行调整。第四、控制环境温度，也就是对研抛液的温度进行控制。温度升高时，空化泡产生的难易度为先易后难，因为碳化硅分解温度较高(约2000℃)所以可以选择适当提高温度，削弱空化泡的形成条件。

进一步的，所述工件的固定方式为：通过石蜡将工件固定在工件放置台上。石蜡可以可以确保工件在加工过程中与工件放置台保持无相对运动，并通过XY方向工作台固定工件放置台，从而使工件在研抛过程中不出现滑动。加工完成后，可将工件放置台取下并微微加热融化石蜡取出工件。

进一步的，本发明方法实现的装置还包括了床身、减震装置、并联机构、微细超声振动装置、微细超声波发生器、工具连接装置、超精密研抛模、工件放置台、X方向工作台、Y方向工作台。可通过并联机构对研抛模的Z方向进给进行调控。所述并联机构上方为Y方向工作台，所述研抛模的下方为X方向工作台，工件放置台位于X方向工作台上，可通过导轨实现对工件放置台在水平面内的移动。

进一步的，所述工件的固定方式为：通过石蜡将工件固定在工件放置台上，石蜡可以可以确保工件在加工过程中与工件放置台保持无相对运动，并通过XY方向工作台固定工件放置台，从而使工件在研抛过程中不出现滑动。加工完成后，可将工件放置台取下并微微加热融化石蜡取出工件。

进一步的，所述装置还包括计算机控制系统与配电系统，所述减震装置、Z方向宏观进给机构、Z方向微动进给机构、微细超声振动装置、微细超声波发生器、X方向工作台、Y方向工作台、均与计算机控制系统相连接，同时可调微细超声博发生器与配电系统相连。

采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明通过微超声研抛模的振动，激发球体与研抛液中纳米级磨粒对碳化硅工件表面的高频冲击，以实现对材料的去除。极大地提高微半球凹模阵列的加工效率，并通过气泡调控的方式，保证了凹模的形状一致性。

附图说明

图1是本发明微超声阵列球体发射仿形恒力研抛装置的结构示意图。

图2是本发明微超声阵列球体发射仿形恒力研抛装置的原理图。

图3是本发明带有恒力装置的研抛模的结构图。

图4是本发明研抛模与球体及导向结构示意图。

图5是本发明研抛模与球体及导向结构透视示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。

参照图1～图4，一种基于复合磨粒的微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，所述研抛方法包括如下步骤：

首先，制作微超声研抛模：所述研抛模9包括图中所示的工具连杆、球模导向板93、球体95。工具连杆包括上端的变幅杆91与下端的工具头92，变幅杆91的上端与细微超声振动装置10相连接。所述的工具头的下端面上加工出数量为8×8微半球凹模阵列孔94，单个凹模的直径大于或等于发射球体95直径，以恰好能够嵌入半个球体95为佳，本实例中，球体95的直径选择为2毫米，因此工具连杆下端面单个凹模直径也为2毫米，所述小球材料为传统的硬质塑性球体95，本实例的精密小球材料选择陶瓷。

在所述研抛模9与工件13中间有一铝合金的球模导向板93，导向板大小与所加工工件13的大小一致，厚度为500微米。导向板通过亲脂疏水粘结剂固定在工件上，从而保证在振动过程中，导向板与工件保持相对静止，粘结剂的厚度约为1毫米。导向板上有120×120的阵列孔，孔径为1010微米，小球恰好能够通过该孔，并且水平方向的运动被所述导向板限制，只能做研抛模9与工件之间的Z轴方向的运功或者沿着自身球心转动；

在研抛模9与工件表面之间充满研抛液，研抛液采用磨料、溶剂、添加剂按一定体积比：5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，1％凡士林、84％煤油配置，研抛液中的磨粒为基于纳米粒子技术而设计的复合磨粒，是一种具有特定结构、形貌以及特定的化学性质的粒子。研抛模9在工件上方的微小距离内做高频微细超声振动，本实例中具体振动尺寸为：工具头92端面的下沿与导向板表面的距离始终保持在0至1.5毫米之间。超声振动激发精密小球高速冲击工件表面。在球模导向的约束作用下，球体95仅沿着z轴方向不断地做冲击运动。在磨粒冲击、超声空化、球体95发射冲击的作用下，碳化硅工件表面被加工出直径为2毫米的微半球凹模阵列。

但是，因为空化作用不仅会产生巨大的能量冲击，对凹模加工精度的影响很大，而且长时间的超声空化还会气蚀工件的表面，甚至无法有效地加工出半球凹模，因此，需要对空化泡的形成进行一定的限制。

根据空化泡产生机理，对空化泡形成进行限制。本实例具体实施方法为：1、对液体——及研抛液的粘度进行调整，适当增加研抛液的粘度系数可以使空化泡产生更加困难，从而降低空化作用，本实例将研抛液的溶剂由传统的水改为煤油，并加入1％的凡士林，以提高研抛液的粘度系数。2、对研抛液的温度进行控制。因为温度升高时，空化泡产生的难易度为先易后难，因为碳化硅分解温度较高，所以可以选择适当提高温度，而煤油的沸腾点较高，因此可将在工件放置台底部安装加热板，使研抛液温度加热至120℃，从而削弱空化泡的形成条件。

所述基于复合磨粒的微超声阵列球体95发射仿形恒力研抛方法装置，包括床身3、减震装置6、并联机构11、微细超声振动装置10、微细超声波发生器16、恒力装置17、微超声研抛模9、工件放置台8、X方向工作台4、Y方向进给机构12、进给电机1、连接电线2、机床遥控器5。所述床身3采用大理石材料，大理石能够有效地起到减震作用。所述减震装置6安装在床身3的两个脚7上，可以有效地消除外界振动对工件研抛的影响。Y方向进给机构12安装在床身3，对研抛模9的Y方向的位置进行调整。并联机构11安装在Y方向进给机构下方，对研抛模9的Z方向的位置进行调整。微细超声振动装置10连接在并联机构11下方，微超声研抛模9安装在所述微细超声振动装置10的下沿，并获得与微细超声振动装置10频率幅度相同的振动。所述研抛模9的下方为X方向工作台4，所述工件放置台8的下方有一恒力装置17，通过该恒力装置17控制工件所受的力恒定为500牛顿。所述恒力装置17位于所述工作台上，可通过导轨实现对恒力装置17与工件放置台8在水平面内X方向的移动，工件通过石蜡暂固定在工件放置台8中，可在加工结束后加热熔化石蜡的方式取出工件。

除上述装置以外，该研抛系统装置还包括计算机控制系统14与配电系统15，所述减震装置6、并联机构11、微细超声振动装置10、微细超声波发生器16、X方向工作台4、均与计算机控制系统14相连接，同时微细超声波发生器16与配电系统15相连。

本实施例在自制微超声研抛模9、用并联机构实行Z方向进给、球模导向板93以及恒力装置17、多域可控技术的协同作用下，综合了流场以及磨粒场的分析，以实现对微小半球凹模阵列的高效率超精密研抛。

本发明圆度高，半径与理想圆半径相比变化小，本发明恒力仿形研抛半径变化与传统电火花放电加工对比如表1所示，加工500微米半径的球凹模，半径方向间隔45度取点测量：

表1

本发明方法球体磨损量小，与传统超声加工相比磨损度如表2所示：

表2

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制作微超声研抛模：所述研抛模包括工具连杆、恒力装置、球模导向板、球体，工具连杆包括上端变幅杆与下端工具头，变幅杆的上端与细微超声振动装置相连接，所述工具连杆的下端工具头的端面上加工有数量为a×b微半球凹模阵列，工具头下端与球模导向板相连接，单个凹模的直径大于或等于发射球体直径，在工件放置台装有实时监控的恒力装置，

S2、导向板上有n×m的阵列孔，孔数大于工具头的凹模数，孔径大于球体直径，球体水平方向的运动被所述导向板限制，球体做研抛模与工件之间的Z轴方向的运功或者沿着自身球心转动；

S3、在工具头与工件表面之间充满研抛液，研抛液中的磨粒为纳米级复合颗粒，工具头在导向板上表面的上方0至1.5毫米的距离内做高频微细超声振动，超声振动激发球体与磨粒高速冲击工件表面，形成微半球凹坑；

研抛液通过5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，1％凡士林，84％煤油配置，研抛液中的磨粒为基于纳米粒子的复合磨粒。

2.如权利要求1所述的微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其特征在于，所述球模导向板的固定方法如下：

导向板通过亲脂疏水类粘结剂固定在工件上，通过粘结剂的厚度来确定导向板与工件之间的距离。

3.如权利要求1所述的微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其特征在于，S3中采用多域可控的方法限制空化泡的产生。

4.如权利要求1所述的微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其特征在于，所述球体为自由球体，球体不与导向板、工具头和工件固定，所述球体为硬质塑性球体。

5.如权利要求3所述的微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其特征在于，采用调节超声波频率与强度、改变研抛液的粘度与温度对空化泡产生进行限制。

6.如权利要求1所述的微超声阵列球体发射仿形恒力研抛方法，其特征在于，所述工件的固定方式为：通过石蜡将工件固定在工件放置台上。

Images