CN110405620B - 基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵和控制阀组成的低压磨粒流回路，置于加工装置后方的电磁铁，置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器；低压磨粒流在角度可调的楔形流道内抛光工件；角度可调指楔形流道的顶面倾斜角度可调；微纳米气相指磨粒流中的微小空化泡，由安装在加工装置流道入口前的微纳米气泡发生器产生；洛伦兹力为磁场对带电磨粒的作用力；磁场为置于加工装置后方的电磁铁所产生的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的强度可调均匀磁场；带负电磨粒为表面带负电荷的碳化硅磨粒。本发明使工件抛光后表面粗糙度均匀、表面精度提高、加工效率提高。

Description

基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置

技术领域

本发明涉及一种抛光装置。

背景技术

低压磨粒流抛光是一种新型加工技术，以流体作为磨粒的载体，通过磨粒相对工件表面的流动对工件表面进行抛光处理。传统的抛光工艺，如研磨，其工艺是在研磨盘上通过游离磨粒对工件表面进行抛光，由于游离磨粒在研磨盘上的分布具有很大的不均匀性，容易导致研磨加工后工件表面各处的表面粗糙度不等，且易造成表面损伤，严重影响工件的性能。将磨粒相对固定在研磨盘上的研磨方法虽然能够使磨粒分布保持均匀，但由于研磨过程中磨粒距离研磨盘回转中心的距离不同，不同位置的磨粒线旋转速度不相等，导致靠近研磨盘边缘的磨粒磨损程度远大于靠近回转中心的磨粒，从而导致工件表面的抛光程度不同，使加工表面质量下降。目前较为先进的磁性研磨加工过程中，磁性磨粒在随磁场高速旋转时离心作用明显，边缘处磨粒脱离磁场约束向外飞散，最终也会导致加工区域内抛光力分布不均匀的问题。相比与上述抛光工艺，低压磨粒流抛光的效果更好，具体体现在更低的表面粗糙度、更均匀的表面质量和更小的表面损伤率等方面。此外，低压磨粒流抛光的优势还体现在对各类平面、沟槽及具有复杂几何形状的工件抛光上，传统的抛光工艺由于抛光工具的限制难以对上述形状的工件进行彻底的加工，但低压磨粒流抛光过程中磨粒可以随流体流经工件各处，几乎不存在加工死角，实现一次加工到位。

尽管低压磨粒流抛光具有许多无可比拟的优越性，低压磨粒流抛光中仍存在一些问题，具体体现在以下两个方面：(1)加工过程中流体与工件表面的摩擦和磨粒与工件表面的碰撞会导致能量损失，造成加工区域内的流体沿流动方向上压力下降，使工件表面的抛光力分布不均匀，最终导致抛光后工件表面粗糙度值分布不均匀、表面质量低。(2)加工过程中效率低下，达到理想加工效果需要较长时间。低压磨粒流抛光的物料切蚀率较低，磨粒本身具有的能量小、磨粒对工件表面的压力不足都导致了磨粒对工件表面波峰的剪切力较小。磨粒在垂直流体流动方向的截面内分布较为随机，只有少部分在工件表面附近的磨粒能起到实际抛光作用，大部分磨粒只是随流体流经加工腔体，没有参与抛光加工，磨粒利用率低。

发明内容

为了克服低压磨粒流抛光中存在的抛光后工件表面粗糙度不均匀、表面精度低、加工效率低的问题，本发明提供一种使工件抛光后表面粗糙度均匀、表面精度提高、加工效率提高的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵和控制阀组成的低压磨粒流回路，置于加工装置后方的电磁铁，置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器，所述低压磨粒流回路设有微纳米气泡发生器；

所述高精度均匀化抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流在角度可调的楔形流道内抛光工件；所述角度可调指楔形流道的顶面倾斜角度可调，通过加工装置内的角度调整机构实现；所述微纳米气相指磨粒流中的微小空化泡，由安装在加工装置流道入口前的微纳米气泡发生器产生，所述空化泡膨胀后瞬间闭合产生的冲击波能够提高磨粒流湍流强度；所述洛伦兹力为磁场对带电磨粒的作用力；所述磁场为置于加工装置后方的电磁铁所产生的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中运动的带负电磨粒受到垂直指向工件表面的洛伦兹力作用，向工件表面运动；所述带负电磨粒为表面带负电荷的碳化硅磨粒。

进一步，所述加工装置包括端盖、腔体、工件槽和角度调整机构，所述腔体的两侧分别与端盖连接，所述工件槽和角度调整机构位于腔体内，所述角度调整机构由滑块、调整螺钉压盖、调整螺钉、水平块、销轴和调整板组成，所述调整板左侧通过销轴与滑块联接，调整板右侧通过销轴与水平块联接，调整螺钉钉经过滑块上的长形沉孔旋入水平块上的螺纹孔中，水平块由于与调整螺钉联接而始终保持水平，通过改变调整螺钉旋入水平块上螺纹孔的深度，可以实现水平块的纵向移动，从而带动调整板绕左侧销轴旋转。

再进一步，所述低压磨粒流指磨粒流的压力在0.05～2MPa。相比于高压磨粒流，低压磨粒流中的磨粒流动速度慢，对工件表面的剪切力较小，材料去除量少，可控性好。

所述加工装置加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出，加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降；通过改变调整螺钉的旋入深度，角度调整机构可以在0～10度范围内改变楔形流道的顶面倾斜角，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。

所述微纳米气相指磨粒流中的微小空化泡，由安装在加工装置流道入口前的微纳米气泡发生器产生。所述微纳米气泡发生器采用基于空气分散法的自吸式结构，当磨粒流从喷管喷射到喉管时，腔体内存在真空度，空气从进气口被吸入腔体，并溶解在磨粒流中。由于喷管射流和吸入空气的扰动，磨粒流在喉管内流动时的湍流强度增大，当磨粒流进入扩散管后，管道截面积增大，磨粒流压力下降，溶解在磨粒流中的空气析出，形成大量微小空化泡，这些空化泡膨胀后瞬间闭合，空化泡闭合瞬间产生的冲击波能够增强湍流程度，使磨粒的能量提高。

所述磁场是施加于楔形流道内的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，通过置于加工装置后方的电磁铁生成，磁场强度在0.01～1.00T区间内可调，磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节。

楔形流道内有平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，磁场强度为B，磁场方向垂直纸面向内，带负电磨粒在磁场中运动时受到垂直指向工件表面的洛伦兹力F作用，在平行工件表面向右流动的同时沿垂直指向工件表面的方向流动；垂直指向工件表面的洛伦兹力不仅能够增大磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，并延长磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率。

优选的，所述带负电磨粒为表面带负电荷的碳化硅磨粒，粒径0.2～2μm，在磨粒流中的质量分数介于5-15％，碳化硅磨粒表面带负电通过PH环境实现。

所述PH环境是PH＝10的碱性。碳化硅磨粒在生产过程中无可避免地会被略微氧化，使碳化硅表面生成二氧化硅薄层，而二氧化硅与水反应生成的硅基醇会在碱性环境下结合水中的氢氧根，使碳化硅表面带负电。

所述泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降。为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15～45℃范围内。

本发明的有益效果主要表现在：通过角度调整机构补偿因加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞导致的能量损失所引起的流场内沿流动方向上的压力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件各处表面粗糙度一致，表面精度高。通过微纳米气泡发生器在磨粒流中产生的微纳米气相辅助抛光，提高湍流强度，增加磨粒能量，增大磨粒对加工表面的剪切力，从而增强材料的去除效果。同时，通过洛伦兹力辅助抛光，增大磨粒对工件表面的压力，并使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，提高工件表面附近磨粒浓度，使磨粒得到充分利用，进一步提高加工效率。

附图说明

图1为加工系统示意图。

图2为加工装置示意图。

图3为加工装置截面图。

图4为加工装置爆炸图。

图5为微纳米气泡发生器示意图。

图6为磁场示意图。

图7为带负电磨粒运动时受洛伦兹力示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，包括由压力表1，加工装置3，磨粒缸7，泵9，控制阀10组成的低压磨粒流回路，置于加工装置3后方的电磁铁4，置于磨粒缸7中的搅拌器5和水冷装置6，以及系统控制器8，整个加工系统通过系统控制器8实现自动控制。

加工过程如下：当系统启动时，电磁铁4通电，生成平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，磁场强度通可过系统控制器8在0.01～1.00T范围内调整。搅拌器5启动，将磨粒缸内的磁性颗粒和磨粒搅拌均匀。泵9启动，控制阀10打开，将磨粒流送入加工装置3，向加工装置3的角度可调楔形流道空间内提供0.05～2MPa的低压，进行抛光加工。磨粒流经过微纳米气泡发生器2后，产生大量空化泡。水冷装置6启动，系统控制器8通过安装在磨粒缸内的温度计测得磨粒缸内的温度并控制水冷装置6的冷却水流量，将磨粒流温度维持在允许范围内。

进一步地，所述角度可调楔形流道空间通过置于加工装置2的角度调整机构实现，加工装置2如图2所示，其内部结构如图3所示，其零件组成如图4所示。加工装置由端盖301、螺钉302、密封圈303、滑块304、调整螺钉压盖305、调整螺钉306、腔体(307)、工件槽308、密封垫片309、水平块310、销轴311、调整板312组成。其中，角度调整机构由滑块304、调整螺钉压盖305、调整螺钉306、连接块310、销轴311和调整板312组成。调整板左侧通过销轴与滑块联接，调整板右侧通过销轴与水平块联接，调整螺钉经过滑块上的长形沉孔旋入水平块上的螺纹孔中，水平块由于与调整螺钉联接而始终保持水平，通过改变调整螺钉旋入水平块上螺纹孔的深度，可以实现水平块的纵向移动，从而带动调整板绕左侧销轴旋转，旋转角度为0～10度。当调整螺钉旋入螺纹孔深度最大时，调整板处于0度水平位置，此时调整螺钉位于长形沉孔的右极限位置；当调整螺钉旋入螺纹孔深度最小时，调整板处于10度最大倾斜位置，此时调整螺钉位于长形沉孔的左极限位置。当调整螺钉的旋入深度变化时，调整板的倾斜角也随之改变，调整板与工间槽之间形成角度可调的楔形空间。调整螺钉的纵向移动通过螺钉压盖限制，调整螺钉的旋转通过其本身的螺纹自锁性和螺钉压盖共同限制，当调整螺钉的位置固定后，调整板的位置得以固定。

整个角度调整机构通过滑块滑入腔体顶部的沟槽中，角度调整机构的水平位移通过两侧端盖限制，当端盖通过螺钉与腔体连接后，角度调整机构被完全固定在腔体中。

把工件置于工件槽内，工件槽同样以滑块的形式滑入腔体底部的沟槽内，并通过两侧端盖限制其水平位移，当端盖通过螺钉与腔体连接后，工件槽被完全固定在腔体中。

整个加工装置的密封通过两个密封圈和一个密封垫实现。两个密封圈用于端盖和腔体间的沟槽密封，防止磨粒流向加工装置外泄露；密封垫用于角度调整机构的水平块和端盖间的密封，角度调整除了会引起水平块在竖直方向的位移外，还会引起水平块在水平方向的微量位移，造成水平块右端面与端盖间形成缝隙，为防止磨粒流通过该缝隙泄漏到调整板与滑块所夹的空间内造成调整板上下两侧压力波动，进而导致调整板振动，影响楔形流道空间的稳定性，故在水平块右端面加装密封垫。

把工件置于加工装置内的工件槽中，盖上加工装置两侧端盖，拧紧螺钉。加工装置通过两侧的密封管螺纹与软管相连，接入磨粒流抛光回路中。

配制磨粒流，向去离子水中加入浓度为5％的氢氧化钾溶液使其呈PH＝10的碱性状态，之后加入粒径0.2～2μm的碳化硅磨粒，碳化硅磨粒在磨粒流中的质量分数介于5～15％。在碱性环境(PH＝10)下，碳化硅表面因空气氧化作用生成的二氧化硅薄层与水反应生成硅基醇，硅基醇会与溶液中的氢氧根结合，使碳化硅磨粒表面带负电。

将配制的磨粒流加入磨粒缸中，启动搅拌器，使磨粒流均匀。通过系统控制器打开泵和控制阀，进行低压磨粒流抛光加工。

磨粒流进入安装在加工装置3流道入口前的自吸式微纳米气泡发生器2，如图5所示，当磨粒流从喷管21喷射到喉管22时腔体内呈负压状态，空气从进气口24被吸入腔体，并溶解在磨粒流中。由于喷管射流和吸入空气的扰动，磨粒流在喉管内流动时的湍流强度增大，当磨粒流进入扩散管23后，管道截面积增大，磨粒流压力下降，溶解在磨粒流中的空气析出，形成大量微小空化泡26。这些空化泡膨胀后瞬间闭合，空化泡闭合瞬间产生的冲击波能够增强湍流程度，使磨粒25的能量提高，增大磨粒对加工表面的剪切力，从而增加材料的去除效果，提高加工效率。

通过系统控制器设置磁场强度，置于加工装置3后方的电磁铁4在楔形流道内施加平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，如图7所示，表面带负电的磨粒25在磁场中运动时受到垂直指向工件313表面的洛伦兹力F作用，在平行工件表面向右流动的同时沿垂直指向工件表面的方向流动。垂直指向工件表面的洛伦兹力不仅能够增大磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，并延长磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率。

系统控制器通过安装在磨粒缸中的温度计读取磨粒流温度，根据磨粒流温度的变化，启动水冷装置并调节冷却水流量，控制磨粒流的温度在15～45℃范围内。

Claims (7)

1.一种基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述高精度均匀化抛光装置包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵和控制阀组成的低压磨粒流回路，置于加工装置后方的电磁铁，置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器，所述低压磨粒流回路设有微纳米气泡发生器；

所述高精度均匀化抛光通过低压磨粒流实现；所述低压磨粒流在角度可调的楔形流道内抛光工件；所述角度可调指楔形流道的顶面倾斜角度可调，通过加工装置内的角度调整机构实现；所述微纳米气相指磨粒流中的微小空化泡，由安装在加工装置流道入口前的微纳米气泡发生器产生，所述空化泡膨胀后瞬间闭合产生的冲击波能够提高磨粒流湍流强度；所述洛伦兹力为磁场对带电磨粒的作用力；所述磁场为置于加工装置后方的电磁铁所产生的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中运动的带负电磨粒受到垂直指向工件表面的洛伦兹力作用，向工件表面运动；所述带负电磨粒为表面带负电荷的碳化硅磨粒；

所述加工装置加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出，加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降；通过改变调整螺钉的旋入深度，角度调整机构可以在0～10度范围内改变楔形流道的顶面倾斜角，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀；

所述微纳米气相指磨粒流中的微小空化泡，由安装在加工装置流道入口前的微纳米气泡发生器产生，所述微纳米气泡发生器采用基于空气分散法的自吸式结构，当磨粒流从喷管喷射到喉管时，腔体内存在真空度，空气从进气口被吸入腔体，并溶解在磨粒流中；由于喷管射流和吸入空气的扰动，磨粒流在喉管内流动时的湍流强度增大，当磨粒流进入扩散管后，管道截面积增大，磨粒流压力下降，溶解在磨粒流中的空气析出，形成大量微小空化泡，这些空化泡膨胀后瞬间闭合，空化泡闭合瞬间产生的冲击波能够增强湍流程度，使磨粒的能量提高。

2.如权利要求1所述的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述加工装置包括端盖、腔体、工件槽和角度调整机构，所述腔体的两侧分别与端盖连接，所述工件槽和角度调整机构位于腔体内，所述角度调整机构由滑块、调整螺钉压盖、调整螺钉、水平块、销轴和调整板组成，所述调整板左侧通过销轴与滑块联接，调整板右侧通过销轴与水平块联接，调整螺钉经过滑块上的长形沉孔旋入水平块上的螺纹孔中，水平块由于与调整螺钉联接而始终保持水平，通过改变调整螺钉旋入水平块上螺纹孔的深度，可以实现水平块的纵向移动，从而带动调整板绕左侧销轴旋转。

3.如权利要求1或2所述的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述低压磨粒流指磨粒流的压力在0.05～2MPa。

4.如权利要求1或2所述的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述磁场是施加于楔形流道内的平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，通过置于加工装置后方的电磁铁生成，磁场强度在0.01～1.00T区间内可调，磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节；楔形流道内有平行于工件表面且垂直于磨粒流流动方向的均匀磁场，磁场强度为B，磁场方向垂直纸面向内，带负电磨粒在磁场中运动时受到垂直指向工件表面的洛伦兹力F作用，在平行工件表面向右流动的同时沿垂直指向工件表面的方向流动。

5.如权利要求1或2所述的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述带负电磨粒为表面带负电荷的碳化硅磨粒，碳化硅磨粒粒径0.2～2μm，在磨粒流中的质量分数介于5～15％，碳化硅磨粒表面带负电通过PH环境实现。

6.如权利要求5所述的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述PH环境是PH＝10的碱性，碳化硅磨粒在生产过程中无可避免地会被略微氧化，使碳化硅表面生成二氧化硅薄层，而二氧化硅与水反应生成的硅基醇会在碱性环境下结合水中的氢氧根，使碳化硅表面带负电。

7.如权利要求1或2所述的基于微纳米气相和洛伦兹力的高精度均匀化抛光装置，其特征在于，所述泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降，为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒的流温度在15～45℃范围内。

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