CN111438641B - 一种异形喷嘴微结构射流抛光方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形喷嘴微结构射流抛光方法及装置，包括磨料液循环单元、射流单元、运动进给单元、工件台单元、装置框架单元。在一定压力条件下，磨料液经与微结构形状相匹配的异形喷嘴喷射到微结构工件表面并沿着异形喷嘴与微结构工件之间的间隙高速流动，对微结构工件表面进行有效的划擦剪切从而去除材料。本发明解决了传统磨料射流喷嘴难以伸入微结构工件中的微型槽、加工效率低、微结构表面加工不均匀的问题。利用该装置可以获得表面质量更高的微结构，工艺过程简单，适合多种微结构抛光。

Description

一种异形喷嘴微结构射流抛光方法及装置

技术领域

本发明属于精密与超精密加工技术领域，涉及一种异形喷嘴微结构射流抛光方法及装置。

背景技术

磨料水射流抛光技术是应用于抛光工件表面的新型精密加工技术，与传统加工技术相比，它具有加工任意面形光学元件、柔性强、抛光精度高、易控制、成本低廉等优点。目前，利用磨料水射流抛光周期性微型槽存在抛光喷嘴难以伸入微型槽，磨料液对微型槽的划擦程度不同而存在微结构抛光不均匀的问题。

专利CN109877710A公开了一种周期性微型槽磨料水射流抛光装置，通过伺服驱动机构带动工件移动，同时步进电机驱动射流喷头，使其在垂直平面内有角度的调整，实现对多条微型槽抛光。该装置中射流喷头与微结构阵列之间距离较大，磨料液难以均匀地对沟槽表面加工。专利CN208289640U公开了一种抛光模具微结构表面的抛光头以及抛光装置，抛光头外表面由符合预设柔性要求且相互独立的软毛覆盖，采用软毛带动磨粒的方法进行抛光。该装置中软毛之间存在缝隙，且磨粒在加工过程中分布不均匀，大大降低了高精度微结构的抛光效果。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种异形喷嘴微结构射流抛光方法及装置。本发明利用磨料射流抛光技术对微结构工件表面抛光。在一定压力条件下，磨料液经与微结构形状相匹配的异形喷嘴喷射到微结构工件表面并沿着异形喷嘴与微结构工件之间的间隙高速流动，对微结构表面进行有效的划擦剪切从而去除材料。解决了传统磨料射流喷嘴难以伸入微结构中的微型槽、加工效率低、微结构表面加工不均匀的问题。利用该装置可以获得表面质量更高的微结构，工艺过程简单，适合多种微结构抛光。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种异形喷嘴微结构射流抛光装置，包括运动进给单元，运动进给单元上安装有射流单元的异形喷嘴和用于固定微结构工件的移动工件台；所述异形喷嘴通过进液管Ⅱ连通有压入泵，压入泵通过进液管Ⅰ连通有磨料液容器；所述微结构工件上成形有若干长条状的需要抛光的微型槽；所述异形喷嘴的形状与所述微型槽宽度方向的截面相同；异形喷嘴的底部和与微型槽侧面临近的侧边均开口设置。

进一步的改进，所述微结构工件上微型槽为梯形、矩形、V形或U形中的一种或者任意组合；所述异形喷嘴为异形单喷嘴或异形多喷嘴；异形单喷嘴为梯形单喷嘴、矩形单喷嘴、V形单喷嘴或U形单喷嘴中的一种；异形多喷嘴为梯形单喷嘴、矩形单喷嘴、V形单喷嘴或U形单喷嘴中的任意组合或多个相同单喷嘴的组合。

进一步的改进，所述运动进给单元包括Z轴运动平台和X轴运动平台；Z轴运动平台连接有Y轴运动平台、Y轴运动平台连接有用于安装异形喷嘴的滑动喷嘴座；X轴运动平台连接有移动工件台；移动工件台上固定有闭合形成框体结构的防溅挡板和夹紧固定机构；夹紧固定机构包括气缸，气缸连接有L形压块；

所述磨料液容器内安装有搅拌器，磨料液容器通过出液管Ⅱ连通有压出泵，压出泵通过出液管Ⅰ连通防溅挡板形成的框体结构；

所述进液管Ⅱ连通有进液管连接头，进液管连接头螺纹连接有螺纹通管Ⅱ，螺纹通管Ⅱ螺纹连接有滑动喷嘴座，滑动喷嘴座螺连接有螺纹通管Ⅰ，螺纹通管Ⅰ与异形喷嘴螺纹连接。

进一步的改进，所述抛光溶液包括的微粉磨粒包括金刚石、二氧化铈、二氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种或任意混合。

进一步的改进，所述异形喷嘴底部和侧面与微型槽的间距为1-4mm。

进一步的改进，所述异形喷嘴底部与微型槽底部的距离以及异形喷嘴侧面与微型槽侧面的距离相同。

一种异形喷嘴微结构射流抛光方法，包括如下步骤：

步骤一、将制备好的磨料液倒入磨料液容器；开启搅拌器，均匀混合磨料液；

步骤二、利用夹紧固定机构将微结构工件夹紧固定于移动工件台上；

步骤三、选定与微结构工件上的微型槽形状相匹配的异形喷嘴，将进液管连接头、螺纹通管II、滑动喷嘴座、螺纹通管Ⅰ、异形喷嘴通过螺纹连接组装成射流单元，在每一螺纹连接处用密封环进行密封处理；

步骤四、控制X轴运动平台水平前后运动调整微结构工件的位置，控制Y轴运动平台水平左右运动和Z轴运动平台竖直上下运动，调整异形喷嘴与微结构工件之间的间隙为1-4mm；

步骤五、启动压入泵和压出泵，磨料液从磨料液容器吸出，经过进液管I、压入泵、进液管II输送到异形喷嘴，然后高速射出；沿着微结构工件的微型槽表面与异形喷嘴之间的微小间隙高速流动，磨料液中的磨粒对微结构工件的微型槽表面进行剪切划擦，从而进行抛光；之后磨料液经出液管Ⅰ、压出泵、出液管Ⅱ重新回流到磨料液容器；

步骤六、控制X轴运动平台上的移动工件台，带动微结构工件以1-10mm/s的进给速度前后往复移动，对微结构工件中的微型槽进行抛光；

步骤七、调整Y轴运动平台和Z轴运动平台，移动异形喷嘴到微结构工件的待加工微型槽，重复步骤六直到微结构工件中微型槽全部抛光完毕；

步骤八、关闭压入泵、压出泵、搅拌器，停止运动进给。

进一步的改进，所述微结构工件上微型槽为梯形、矩形、V形或U形中的一种或者任意组合；所述异形喷嘴为异形单喷嘴或异形多喷嘴；异形单喷嘴为梯形单喷嘴、矩形单喷嘴、V形单喷嘴或U形单喷嘴中的一种；异形多喷嘴为梯形单喷嘴、矩形单喷嘴、V形单喷嘴或U形单喷嘴中的任意组合或多个相同单喷嘴的组合。

进一步的改进，所述异形喷嘴底部与微型槽底部的距离以及异形喷嘴侧面与微型槽侧面的距离相同。。

本发明的有益效果是：

1.针对不同形状的微结构工件，通过设计与微结构工件形状相互匹配的异形喷嘴，在一定压力条件下，射流磨料液在异形喷嘴与微结构工件的微型槽之间的间隙高速流动，磨料液的磨粒的划擦剪切进而去除表面材料。解决了传统喷嘴磨粒射流与微结构间距较大，抛光微结构工件抛光效率低下的问题。

2.异形喷嘴开口与微型槽需要抛光的底面和侧面距离相同，即磨粒抛光速度相同，从而使得微型槽的底面和侧面的抛光均匀，克服了现有微结构工件中微型槽抛光不均匀，容易出现侧面抛光度不够或底面过抛光的问题，适用多种微结构工件抛光，为微结构抛光提供了一种新的解决方法。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例前剖视图；

图3是本发明所述射流单元示意图；

图4是本发明所述工件夹紧固定机构图；

图5是本发明所述微结构工件示意图；

图6a是本发明所述异形喷嘴为异形单喷嘴示意图；

图6b是本发明所述异形喷嘴为异形多喷嘴示意图

图7是本发明所述异形喷嘴为梯形单喷嘴示意图；

图8是本发明所述异形喷嘴为梯形多喷嘴示意图；

其中：

1磨料液循环单元

101出液管Ⅰ，102压出泵，103出液管Ⅱ，104磨料液，105磨料液容器，106搅拌器，107进液管Ⅰ，108压入泵，109进液管Ⅱ

2射流单元

201异形喷嘴，202螺纹通管Ⅰ，203滑动喷嘴座，204螺纹通管Ⅱ，205进液管连接头，206密封环

201-1异形单喷嘴，201-2异形多喷嘴

201-1-1梯形单喷嘴，201-1-2矩形单喷嘴，201-1-3V形单喷嘴，201-1-4U形单喷嘴，201-1-5射流单槽孔

201-2-1梯形多喷嘴，201-2-2矩形多喷嘴，201-2-3V形多喷嘴，201-2-4U形多喷嘴，201-2-5射流多槽孔

3运动进给单元

301Y轴运动平台，302Z轴运动平台，303X轴运动平台

4工件台单元

401防溅挡板，402夹紧固定机构，403移动工件台，404微结构工件，405微型槽

404-1梯形槽微结构工件，404-2矩形槽微结构工件，404-3V形槽微结构工件，404-4U形槽微结构工件

5装置框架单元

501上支撑板，502支撑柱，503X轴运动平台承载台，504调平机构，505下支撑板，506挡板

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

一种异形喷嘴微结构射流抛光，涉及装置包括磨料液循环单元1、射流单元2、运动进给单元3、工件台单元4、装置框架单元5。

所述磨料液循环单元1包括出液管Ⅰ101、压出泵102、出液管Ⅱ103、磨料液104、磨料液容器105、搅拌器106、进液管Ⅰ107、压入泵108、进液管Ⅱ109，进液管Ⅰ107从磨料液容器105接出后与压入泵108相连，进液管Ⅱ109连接压入泵108与进液管连接头205，出液管Ⅰ101连接移动工件台403与压出泵102，出液管Ⅱ103连接压出泵102和磨料液容器105，磨料液容器105内装有搅拌器106使磨料液104混合均匀；

所述射流单元2包括异形喷嘴201、螺纹通管Ⅰ202、滑动喷嘴座203、螺纹通管Ⅱ204、进液管连接头205、密封环206，进液管连接头205与螺纹通管Ⅰ202、螺纹通管Ⅱ204、异形喷嘴201之间均通过螺纹连接，同时在每一螺纹连接处采用密封环206进行密封处理；

所述运动进给单元3包括Y轴运动平台301、Z轴运动平台302、X轴运动平台303，Y轴运动平台301与Z轴运动平台302连接，Y轴运动平台301带动滑动喷嘴座203左右运动，X轴运动平台带动移动工件台403前后运动；

所述工件台单元4包括防溅挡板401、夹紧固定机构402、移动工件台403、微结构工件404，微结构工件404通过夹紧固定机构402固定在移动工件台403上，防溅挡板401安放在移动工件台403上；

所述装置框架单元5包括上支撑板501、支撑柱502、X轴运动平台承载台503、调平机构504、下支撑板505、挡板506，X轴运动平台承载台503支撑工件台单元4，调平机构504调整水平位置平衡；

所述微结构工件404的微型槽405形状不同，可以为梯形槽微结构工件404-1、矩形槽微结构工件404-2、V形槽微结构工件404-3、U形槽微结构工件404-4中的一种或者任意组合；

所述异形喷嘴201可以为异形单喷嘴201-1和异形多喷嘴201-2，异形多喷嘴201-2是由2个以上的异形单喷嘴201-1组成形成；

异形单喷嘴201-1可以为梯形单喷嘴201-1-1、矩形单喷嘴201-1-2、V形单喷嘴201-1-3、U形单喷嘴201-1-4中的一种，异形单喷嘴201-1的射流孔为射流单槽孔201-1-5；

异形多喷嘴201-2分为梯形多喷嘴201-2-1、矩形多喷嘴201-2-2、V形多喷嘴201-2-3、U形多喷嘴201-2-4中的一种或者任意组合，异形多喷嘴201-2的射流孔为射流多槽孔201-2-5；

射流单元2的实施方式一：微结构工件404为梯形槽微结构404-1时，异形喷嘴201选用异形单喷嘴201-1中的梯形单喷嘴201-1-1，射流孔选为射流单槽孔201-1-5；

射流单元2的实施方式二：微结构工件404为梯形槽微结构404-1时，异形喷嘴201选用异形多喷嘴201-2中的梯形多喷嘴201-2-1，射流孔选为射流多槽孔201-2-5；

射流单元2的实施方式三：微结构工件404为矩形槽微结构404-2时，异形喷嘴201选用异形单喷嘴201-1中的矩形单喷嘴201-1-2，射流孔选为射流单槽孔201-1-5；

射流单元2的实施方式四：微结构工件404为矩形槽微结构404-2时，异形喷嘴201选用异形多喷嘴201-2中的矩形多喷嘴201-2-2，射流孔选为射流多槽孔201-2-5；

射流单元2的实施方式五：微结构工件404为V形槽微结构404-3时，异形喷嘴201选用异形单喷嘴201-1中的V形单喷嘴201-1-3，射流孔选为射流单槽孔201-1-5；

射流单元2的实施方式六：微结构工件404为V形槽微结构404-3时，异形喷嘴201选用异形多喷嘴201-2中的V形多喷嘴201-2-3，射流孔选为射流多槽孔201-2-5；

射流单元2的实施方式七：微结构工件404为弯曲形槽微结构404-4时，异形喷嘴201选用异形单喷嘴201-1中的弯曲形单喷嘴201-1-4，射流孔选为射流单槽孔201-1-5；

射流单元2的实施方式八：微结构工件404为弯曲形槽微结构404-4时，异形喷嘴201选用异形多喷嘴201-2中的弯曲形多喷嘴201-2-4，射流孔选为射流多槽孔201-2-5；

异形单喷嘴201-1与异形多喷嘴201-2两者的区别在于异形多喷嘴201-2具有多个射流孔，能同时对微结构工件404中的多个微型槽405进行加工，从而提高加工效率；

一种异形喷嘴微结构射流抛光方法，具体实施步骤如下：

步骤一、将制备好的磨料液104倒入磨料液容器105，开启搅拌器106，均匀混合磨料液104；

步骤二、利用夹紧固定机构402将微结构工件404夹紧固定于移动工件台403上；

步骤三、选定与微结构工件404形状相匹配的异形喷嘴201，将进液管连接头205、螺纹通管ⅠI204、滑动喷嘴座203、螺纹通管Ⅰ202、异形喷嘴201通过螺纹连接组装成射流单元2，在每一螺纹连接处用密封环206做密封处理；

步骤四、控制X轴运动平台303水平前后运动调整微结构工件404的位置，控制Y轴运动平台301水平左右运动和Z轴运动平台302竖直上下运动，调整射流单元2的异形喷嘴201与微结构工件404的微型槽405之间的间隙在1-4mm范围内；

步骤五、启动压入泵108和压出泵102，磨料液104从磨料液容器105吸出，经过进液管Ⅰ107和进液管Ⅱ109输送到异形喷嘴201，然后高速射出，沿着微结构工件404的微型槽405与异形喷嘴201之间的微小间隙高速流动，磨料液104中的磨粒对微结构工件404的微型槽405进行剪切划擦，从而进行抛光；之后磨料液104经出液管Ⅰ101、压出泵102、出液管Ⅱ103重新回流到磨料液容器105；

步骤六、控制X轴运动平台303上的移动工件台403，带动微结构工件404以1-10mm/s进给速度前后往复移动，对微结构工件404中的微型槽405进行抛光；

步骤七、调整Y轴运动平台301和Z轴运动平台302，移动异形喷嘴201到微结构工件404的待加工的微型槽405，重复步骤六直到微结构工件404中微型槽405全部抛光完毕；

步骤六、关闭压入泵108、压出泵102、搅拌器106，停止运动进给。

本说明书实施例的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种异形喷嘴微结构射流抛光方法，其特征在于，采用异形喷嘴微结构射流抛光装置进行抛光，异形喷嘴微结构射流抛光装置包括运动进给单元，运动进给单元上安装有射流单元的异形喷嘴和用于固定微结构工件的移动工件台；所述异形喷嘴通过进液管Ⅱ连通有压入泵，压入泵通过进液管Ⅰ连通有磨料液容器；所述微结构工件上成形有若干长条状的需要抛光的微型槽；所述异形喷嘴尾部的形状与所述微型槽宽度方向的截面形状相同；异形喷嘴尾部的底部和与微型槽侧面临近的侧边为切除一定宽度的限流槽开口，且异形喷嘴尾部底面和侧面是整个开口，尾部伸入微结构型槽后与微结构底面以及侧面形成空腔间隙；加压条件下，异形喷嘴喷射的磨料液在异形喷嘴与微结构工件的微型槽之间的空腔间隙高速流动，磨料液的磨粒的划擦剪切进而去除表面材料；所述微结构工件上微型槽为梯形、矩形、V形或U形中的一种或者任意组合；所述异形喷嘴为异形单喷嘴或异形多喷嘴；异形单喷嘴为梯形单喷嘴、矩形单喷嘴、V形单喷嘴或U形单喷嘴中的一种；异形多喷嘴为梯形单喷嘴、矩形单喷嘴、V形单喷嘴或U形单喷嘴中的任意组合或多个相同单喷嘴的组合；所述运动进给单元包括Z轴运动平台和X轴运动平台；Z轴运动平台连接有Y轴运动平台、Y轴运动平台连接有用于安装异形喷嘴的滑动喷嘴座；X轴运动平台连接有移动工件台；移动工件台上固定有闭合形成框体结构的防溅挡板和夹紧固定机构；夹紧固定机构包括气缸，气缸连接有L形压块；

所述磨料液容器内安装有搅拌器，磨料液容器通过出液管Ⅱ连通有压出泵，压出泵通过出液管Ⅰ连通防溅挡板形成的框体结构；

所述进液管Ⅱ连通有进液管连接头，进液管连接头螺纹连接有螺纹通管Ⅱ，螺纹通管Ⅱ螺纹连接有滑动喷嘴座，滑动喷嘴座螺连接有螺纹通管Ⅰ，螺纹通管Ⅰ与异形喷嘴螺纹连接；抛光溶液包括的微粉磨粒包括金刚石、二氧化铈、二氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种或任意混合；异形喷嘴底部和侧面与微型槽的间距为1-4mm；异形喷嘴底部与微型槽底部的距离以及异形喷嘴侧面与微型槽侧面的距离相同

具体包括如下步骤：

步骤一、将制备好的磨料液倒入磨料液容器；开启搅拌器，均匀混合磨料液；

步骤二、利用夹紧固定机构将微结构工件夹紧固定于移动工件台上；

步骤三、选定与微结构工件上的微型槽形状相匹配的异形喷嘴，将进液管连接头、螺纹通管II、滑动喷嘴座、螺纹通管Ⅰ、异形喷嘴通过螺纹连接组装成射流单元，在每一螺纹连接处用密封环进行密封处理；

步骤四、控制X轴运动平台水平前后运动调整微结构工件的位置，控制Y轴运动平台水平左右运动和Z轴运动平台竖直上下运动，调整异形喷嘴与微结构工件之间的间隙为1-4mm；

步骤五、启动压入泵和压出泵，磨料液从磨料液容器吸出，经过进液管I、压入泵、进液管II输送到异形喷嘴，然后高速射出；沿着微结构工件的微型槽表面与异形喷嘴之间的微小间隙高速流动，磨料液中的磨粒对微结构工件的微型槽表面进行剪切划擦，从而进行抛光；之后磨料液经出液管Ⅰ、压出泵、出液管Ⅱ重新回流到磨料液容器；

步骤六、控制X轴运动平台上的移动工件台，带动微结构工件以1-10 mm/s的进给速度前后往复移动，对微结构工件中的微型槽进行抛光；

步骤七、调整Y轴运动平台和Z轴运动平台，移动异形喷嘴到微结构工件的待加工微型槽，重复步骤六直到微结构工件中微型槽全部抛光完毕；

步骤八、关闭压入泵、压出泵、搅拌器，停止运动进给。

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