CN111230752A

CN111230752A - 浸没式气射流驱动抛光设备及抛光方法

Info

Publication number: CN111230752A
Application number: CN202010119034.8A
Authority: CN
Inventors: 韩艳君; 张雷; 樊成; 安东尼-布康; 朱吴乐
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: CN111230752B

Abstract

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备及抛光方法，抛光设备包括容器，包括工作腔，用于在工作腔中盛放抛光液并在工作时浸没工件和喷嘴；喷嘴，包括喷气口，喷嘴设置于工作腔内并在工作状态下浸没于工件上方的抛光液中，并且由喷气口朝向工件表面形成气射流；气源，连接到喷嘴的喷气口用于向喷嘴供气以由喷气口形成气射流。本发明方案属于柔性非接触抛光，可以实现各种自由曲面尤其是复杂型腔内表面的高精度高质量抛光。

Description

浸没式气射流驱动抛光设备及抛光方法

技术领域

本发明于属于精密超精密非接触子孔径抛光技术，涉及一种浸没式气射流驱动的超精密抛光设备及方法，特别涉及自由曲面及复杂型腔内表面的高效、超精密抛光设备及抛光方法。

背景技术

近年来，航空航天、军事、尖端医疗、日用商品等领域对非球面，自由曲面的需求与日俱增。这些曲面往往集功能性和便捷性于一身。特别是在光学领域，对于光学元件在全频率范围内有着极其严格的要求以降低散射，提高成像质量。另外，现代化工业产品的工业模具往往具有复杂内腔，孔道及沟槽，这位其高精度，高质量的表面加工提出严峻的挑战。传统抛光方法已不能满足要求。对于抛光，一方面又要求富有柔性且低成本，另一方面要求高的表面质量。富有柔性的抛光，意味着刀具影响函数的体积去除率可以根据工艺需要大范围的可控调节，低成本要求抛光设备简单，便于维护，高的表面质量就要求工艺稳定可控且抛光工具对复杂曲面具有很好的贴合性。

现有的接触式超精密抛光方法由于存在空间限制，极易磨损等问题，无法对型腔内表面，孔道，沟槽等实施有效抛光。为此，一些非接触式抛光技术得到越来越多的研究，其中根据抛光接触区域的大小分为非子孔径和子孔径抛光。非子孔径抛光作用面积大，难以实现定点抛光去除。例如，磨粒流抛光是通过载有磨料的黏弹体在压力下反复通过工件表面实现抛光加工，其优点是可以实现工件内腔，孔道及沟槽的抛光，但其需要复杂的磨粒流循环推动系统，另外表面质量的一致性难以控制且工件抛光效率较低。电解抛光加工表面质量好，加工效率高，但电解液环境友好度低且对工件材料有所限制。李敏等人提出剪切增稠抛光属于一中低成本高效率的抛光，但由于抛光面积大，存在表面质量一致性控制难题且无法实现确定性面型校正。流体喷射抛光作为一种子孔径非接触式抛光，它是将混有磨粒的流体在一定的压力下通过喷嘴喷射而出并作用于工件表面，实现材料去除。在此基础上发展出了磁射流抛光，淹没射流抛光，空化射流抛光等。这些抛光方法，都需要事先将磨粒均匀的分散到要喷射的流体当中，然后由喷嘴喷射而出。这些方法有的成本较高，有的效果不佳。例如，磁射流抛光是借助磁场作用下流变液体发生流变特性的改变而引起的磨抛颗粒的重排集聚特性，形成柔性的抛光头对工件表面进行高质量抛光，但其使用的磁流变液体成本高、难回收、对工具极的制造要求高(附加额外的磁场装置)。空化射流是将气体混入流体中产生密集的气泡随喷嘴喷射而出，在空化作用下对材料进行高效率去除，然而这种去除方式会恶化表面粗造度，并且去除率不稳定，难以控制。另外，这些方法都需要复杂的循环过滤系统及混合搅拌装置，并对喷嘴的耐磨损性能有较高的要求。这种喷嘴往往需要采用金刚石或红宝石镶嵌并由激光加工而成，以免在高速磨粒的冲蚀下快速磨损。另外，小口径喷嘴极易发生堵塞，影响工艺稳定。

综上所述，现有的高精密抛光方法，难以对自由曲面特别是对复杂型腔内表面及沟槽实施有效抛光，并且设备复杂度高，抛光及维护成本高，迫切需要一种设备简单，成本低廉，工艺稳定可控，且可以实现面型校正的高质量、超精密子孔径抛光技术。

明内容

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备及抛光方法是将不混合磨粒的气体从喷嘴溢出，因此不存在喷嘴磨损及堵塞问题。此外，抛光设备不需要复杂的液体循环，搅拌、冷却及过滤装置。本发明不存在传统意义上的抛光头，属于柔性非接触抛光，可以实现各种自由曲面尤其是复杂型腔内表面的高精度高质量抛光。另外，本发明的抛光方法属于子孔径抛光范畴，可实现确定性抛光。因此具有极大的经济效益和社会效益。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备，包括

容器，包括工作腔，用于在工作腔中盛放抛光液并在工作时浸没工件和喷嘴；

喷嘴，包括喷气口，喷嘴设置于工作腔内并在工作状态下浸没于工件上方的抛光液中，并且由喷气口朝向工件表面形成气射流；

气源，连接到喷嘴的喷气口用于向喷嘴供气以由喷气口形成气射流。优选地，由喷气口形成的气射流为非恒压气射流，也就是气射流的出口压力为非恒压的。这种非恒压的气射流可以通过调节包括喷嘴在内的供气管路的某一处的口径来实现，如喷气口的口径而实现，也可以在气源处设置气压调节装置，比如设置调压泵，调节气源供气的压力而实现。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备的一种改进，工作状态下，喷气口与工件表面所形成的喷射距离为0.1-5mm。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备的一种改进，工作状态下，喷气口的中心线与工件表面所形成的喷射角为60-90度。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备的一种改进，喷气口的直径为 0.1-2mm。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备的一种改进，工作状态时，喷气口出射形成气射流的压力为4bar-20bar。优选为，喷气口的出射界面即形成抛光液-气流-喷嘴三相界面附近的压力和温度，即气射流的出口压力和温度。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光设备的一种改进，工作状态时，喷气口出射形成气射流的温度为0℃～30℃。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光方法，至少包括如下步骤：

准备步骤：抛光液、工件准备；

抛光准备步骤：盛放有抛光液的容器，工件至少其待抛光面浸没于抛光液中；抛光步骤：容器中的抛光液中形成由气源输出形成气射流，气射流冲击方向指向工件的抛光面；从而抛光液可以在气射流的驱动下对抛光面进行抛光。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光方法的一种改进，抛光液为包括由磨料的牛顿流体或者非牛顿流体。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光方法的一种改进，气射流的出口压力为4bar-20bar。

本发明公开的浸没式气射流驱动抛光方法的一种改进，气射流的出口温度为0℃～30℃。

本发明浸没式气射流驱动抛光技术方案的具体地讲：

将工件浸没在盛有抛光液的容器中；喷嘴全部或者部分浸入到抛光液中并与工件表面保持一定距离，并呈垂直角度或者倾斜角度；加压后的气体通过喷嘴溢出；高速气体驱动工件表面附近抛光液中磨粒运动；抛光过程中，喷嘴与工件表面相对移动，驱动磨粒与工件持续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，从而完成对工件表面的抛光。

抛光方法通过以下步骤实现：一、将待抛光工件放入容器中；二、找正喷嘴与工件的相对位置包括距离和倾斜角度，并往容器中注入抛光液，确保其能够浸没工件及喷嘴；三、打开气压泵，调整好压力；四、手动或者自动开启喷嘴的气路控制阀门，使气体从喷嘴溢出，同时运动机构动作，使工件与喷嘴按照规划好的路径运动实施抛光；四、抛光结束，关闭喷嘴气阀，从容器中抽离抛光液，取出工件，完成工件曲面的抛光。

喷嘴与工件一同浸没在抛光液中，加压后气体从喷嘴溢出，驱动磨粒作用于工件表面。

抛光液基体既可以是牛顿流体也可以是非牛顿流体。

抛光液中磨粒在气流的驱动下即可以与工件材料发生机械去除，也可以发生化学机械去除。

加压气体即可以是过滤后的空气等多种气体的混合，也可以是氮气，二氧化碳等单一无害安全气体。

加压气体的压力范围为4bar到20bar之间，气体温度在0℃～30℃之间。

加压气体的压力可以是恒定的，也可以是按照某种信号如正弦信号，矩形波信号等变化的。

工件与喷嘴之间的相对运动可以为旋转运动、直线运动或以上两种运动的复合运动。

可以知道本发明方案，在将工件和喷嘴一起浸没在盛有抛光液的容器中；抛光过程中，从喷嘴中溢出一定压力的气体，驱动抛光液中的磨粒对工件表面进行微切削作用或化学机械作用，实现工件表面材料的去除，喷嘴与工件之间做相对运动，完成对整个曲面的抛光。

本发明的抛光方法通过以下步骤实现：一、将待抛光工件放入容器中；二、找正喷嘴与工件的相对位置包括距离和倾斜角度，并往容器中注入抛光液，确保其能够浸没工件及喷嘴；三、打开气压泵，调整好压力；四、开启喷嘴的气路控制阀门，使气体从喷嘴溢出，同时运动机构动作，使工件与喷嘴按照规划好的路径运动实施抛光；四、抛光结束，关闭喷嘴气阀，从容器中抽离抛光液，取出工件，完成工件曲面的抛光。

抛光液既可以是传统的由氧化铝、氧化铈等与水等组成的牛顿抛光液，也可以是一些非牛顿流体(这里的非牛顿流体如玉米淀粉与水的混合液、聚乙二醇和纳米二氧化硅)配置成的抛光液。抛光液中的磨粒或微粉种类及其粒径、浓度等参数可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。

抛光液中，可以加入化学活性剂，促进或则和增强磨粒或微粉与工件材料之间的发生化学机械去除或者不加入化学活性剂使磨粒在气流的驱动下与工件材料只发生机械去除。化学活性剂是碱、酸、盐、金属氧化物、非金属氧化物或以上几种的混合物。

进一步，工件与抛光液的相对运动可以为旋转运动、直线运动或以上两种运动的复合运动，可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。

本发明的技术构思为：将喷嘴与工件一同浸没在抛光液中，喷嘴中溢出的一定压力气体与抛光液界面作用，驱动工件表面抛光液中磨粒发生有规律的运动，运动磨粒对工件表面进行微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除。

本发明可实现对各种自由曲面尤其是复杂型腔内表面及沟槽的高精度高质量的抛光，具有极大的经济效益和社会效益。

本发明的优点为：

(1)本发明采用加压的空气，氮气，二氧化碳等无害气体通过喷嘴形成高速气体流束作为驱动力，不需要复杂的循环装置，设备实现简单，可以是实现低成本，低能耗的持续抛光；

(2)本发明中高速小口径气体流束在到达工件表面时，会极度压缩，反弹、并破碎，形成局部高温高压并产生大量的气泡，高温高压能够是水分子分解出大量的自由氢氧根粒子，从而是使表面材料发生氧化加速材料去除。另外，大量气泡从生成到破裂，会形成局部真空，会牵引抛光液中磨粒运动，强化对材料的剪切去除。

(3)该发明采用的加压气体通过喷嘴，对喷嘴几乎无磨损，大大降低对喷嘴的要求，且不会造成喷嘴的堵塞；

(4)由于气体流束是柔性的，可以很好的适应曲面曲率变化，能够有效控制抛光质量的一致性；并且高速气体流束口径小，形成的作用区域很小，能够实现工件表面的定点可控去除，可以实现高精度的曲面面型校正。

(5)气流与抛光液的持续作用，充当抛光液搅拌作用，能够是抛光液中磨粒均匀分散，因此无需搅拌装置对抛光液进行持续搅拌；并且持续的通入气体，可以持续带走抛光产生的热量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施方式中原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

需要注意的是，包括而不限于下述实施例的本发明应用方案中气体温度为可选条件，可以根据实际在室温条件下实施，也可以根据需求，如抛光液等的特殊情形而进行调节，以满足抛光需求。

实施例1

参照图1，本实施例中浸没式气射流驱动超精密抛光，将工件与喷嘴同时浸没在抛光液中，喷嘴与工件表面保持适当的距离(详细如下表所示，下同)。抛光过程中，由喷嘴溢出的加压气体(气射流)驱动驻留点附近抛光液中的磨粒与工件表面发生剪切运动，从而形成柔性的抛光头，喷嘴与工件相对移动，可以实现沿着指定路径的抛光。这里的加压气体由外置的可调压的加压泵提供。

抛光液为由氧化铈与水组成的牛顿抛光液。

加压气体是过滤后的空气。

表1列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为马口铁板：

表1浸没式气射流驱动抛光条件

抛光条件	取值范围
		喷射距离(mm)	2
喷射角度(deg)	90
		喷嘴直径(mm)	0.5
气体压强(bar)	12
		磨粒类型	CeO<sub>2</sub>
磨粒大小(μm)	1.5
		抛光液浓度(g/L)	20
气体温度(℃)	25

抛光液浓度指磨粒在抛光液中的含量，下同。

在25分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

实施例2

参照图1，本实施例中浸没式气射流驱动超精密抛光，将工件与喷嘴同时浸没在抛光液中，喷嘴与工件表面保持适当的距离。抛光过程中，由喷嘴溢出的加压气体(气射流)驱动驻留点附近抛光液中的磨粒与工件表面发生剪切运动，从而形成柔性的抛光头，喷嘴与工件相对移动，可以实现沿着指定路径的抛光。这里的加压气体由外置的可调压的加压泵提供。

抛光液为由金刚砂与水组成的牛顿抛光液，并含有浓度为1.5％的硫酸。

加压气体为氮气。

表2列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为马口铁板：

表2浸没式气射流驱动抛光条件

在30分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

实施例3

抛光液为由氧化铝与水组成的牛顿抛光液。

加压气体为氮。

表3列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为 304不锈钢板：

表3浸没式气射流驱动抛光条件

抛光条件	取值范围
		喷射距离(mm)	0.1
喷射角度(deg)	90
		喷嘴直径(mm)	0.15
气体压强(bar)	15
		磨粒类型	氧化铝
磨粒大小(μm)	1.5
		抛光液浓度(g/L)	20
气体温度(℃)	10

在45分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

实施例4

抛光液为由聚乙二醇溶液和纳米二氧化硅组成的非牛顿流体。

加压气体为氮气。

表4列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为 304不锈钢板：

表4浸没式气射流驱动抛光条件

抛光条件	取值范围
		喷射距离(mm)	5
喷射角度(deg)	90
		喷嘴直径(mm)	1.5
气体压强(bar)	10
		磨粒类型	纳米二氧化硅
磨粒大小(μm)	0.15
		抛光液浓度(g/L)	20
气体温度(℃)	30

在45分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

实施例5

抛光液为玉米淀粉与水的混合液。

加压气体为二氧化碳。

表5列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为铝板：

表5浸没式气射流驱动抛光条件

抛光条件	取值范围
		喷射距离(mm)	4
喷射角度(deg)	90
		喷嘴直径(mm)	2
气体压强(bar)	20
		抛光液浓度(g/L)	20
气体温度(℃)	0

在10分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

实施例6

抛光液为玉米淀粉与水的混合液，其中NaOH质量分数2.5％。

加压气体为二氧化碳。

表6列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为铝板：

表6浸没式气射流驱动抛光条件

抛光条件	取值范围
		喷射距离(mm)	3
喷射角度(deg)	90
		喷嘴直径(mm)	2
气体压强(bar)	4
		抛光液浓度(g/L)	20
气体温度(℃)	20

在70分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

实施例7

抛光液为玉米淀粉与水的混合液，其中NaOH质量分数2.5％。

加压气体为二氧化碳。

表7列出了本实施例浸没式气射流驱动高效高质量抛光条件，工件为铝板：

表7浸没式气射流驱动抛光条件

在45分钟抛光后，工件表面粗糙度由Ra 500nm下降至Ra 50nm。

由上述实施例可见，该浸没式气射流驱动超精密抛光方法，可以实现各种自由曲面尤其是复杂型腔内表面及沟槽的高精度高质量的抛光，可实现各种曲面的高效、高质量、低成本的加工要求。

抛光液中添加了具磨粒或微粉，磨粒或微粉在一定速度和压力作用下，能对工件产生微切削作用(选用的磨粒或微粉的硬度高于工件材料时)或化学机械作用(选用的磨粒或微粉的硬度低于工件材料时)，实现工件表面材料去除。

在包括而不限于上述实施例中，加压气体的压力(指气射流的压力)可以是恒定的，也可以是按照某种信号(指压力-时间曲线信号)如正弦信号，矩形波信号等变化的，压力的控制可以通过调压的气源实现，如可以数控调压的加压泵。

此外，工件与抛光液的相对运动可以为旋转运动、直线运动或以上两种运动的复合运动，可以根据待抛光工件的材料特性、形状特性、表面特征、抛光质量、抛光效率和抛光精度等要求进行选取。这可以通过机械臂按照程序控制实现，当然也可以控制工件运动，如机械臂或者轨道控制工作台移动而驱动工件移动实现。

在实施时，如图1所示，容器101中盛放有足量的抛光液，设置于容器 101底部的工作台105用于固定设置工件102，这就使得工件102浸没于抛光液中，并将喷嘴103浸入并调整喷嘴103与工件的待抛光面的距离以及所形成的喷射角，图中展示的是喷射角为90度的情形，在抛光开始时，喷嘴103 连接到外接气源，从而在喷嘴103的喷气口喷出气射流104，以气射流吹动抛光液对工件的抛光面进行精密抛光，抛光工作完成后移除喷嘴并关闭气源，移出工件清理后即可继续后续工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.浸没式气射流驱动抛光设备，包括

气源，连接到喷嘴的喷气口用于向喷嘴供气以由喷气口形成气射流。

2.根据权利要求1所述的浸没式气射流驱动抛光设备，其特征在于，工作状态下，所述喷气口与工件表面所形成的喷射距离为0.1-5mm。

3.根据权利要求2所述的浸没式气射流驱动抛光设备，其特征在于，工作状态下，所述喷气口的中心线与工件表面所形成的喷射角为60-90度。

4.根据权利要求1所述的浸没式气射流驱动抛光设备，其特征在于，所述喷气口的直径为0.1-2mm。

5.根据权利要求1-4任一所述的浸没式气射流驱动抛光设备，其特征在于，工作状态时，所述喷气口出射形成气射流的压力为4bar-20bar。

6.根据权利要求5所述的浸没式气射流驱动抛光设备，其特征在于，工作状态时，所述喷气口出射形成的气射流为非恒压气射流。

7.浸没式气射流驱动抛光方法，至少包括如下步骤：

准备步骤：抛光液、工件准备；

抛光准备步骤：盛放有抛光液的容器，工件至少其待抛光面浸没于抛光液中；抛光步骤：容器中的抛光液中形成由气源输出形成气射流，气射流冲击方向指向工件的抛光面。

8.根据权利要求7所述的浸没式气射流驱动抛光方法，其特征在于，所述抛光液为包括由磨料的牛顿流体或者非牛顿流体。

9.根据权利要求7所述的浸没式气射流驱动抛光方法，其特征在于，所述气射流的出口压力为4bar-20bar。

10.根据权利要求7所述的浸没式气射流驱动抛光方法，其特征在于，所述气射流的出口压力为非恒压的。