CN112008614A - 一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，包括自聚焦超声波换能器和超声聚焦壳体；自聚焦超声波换能器为一种凹球面压电陶瓷；超声聚焦壳体的内腔为锥形腔，用来将自聚焦超声波换能器发出的声波聚焦于一点；超声聚焦壳体的侧壁上设有与供液管连通的抛光液供液口，超声聚焦壳体的底部装配有射流喷嘴，射流喷嘴通过端盖与超声聚焦壳体为可拆卸连接，射流喷嘴包括有多个喷孔。本发明中具有多个喷孔个数、喷孔布局及孔径不同的射流喷嘴，进行抛光加工时，可选择合适的射流喷嘴，以适应不同的工艺需求。本发明可以有效的增大待加工表面作用区域、提高加工效率，并且该方法适用于大口径超光滑表面抛光加工和微观特殊形貌表面加工制造。

Description

一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷等硬脆材料表面抛光方法，尤其涉及一种基于自聚焦超声空化辅助多喷嘴射流抛光方法。

背景技术

随着光学工业和现代光学技术的迅速发展，各种非球面光学元件、自由曲面光学元件被广泛应用与惯性约束核聚变、遥感卫星、太空望远镜等领域，对其表面质量和精度的要求越来越高，同时对高质量光学零件的加工工艺及设备要求也越来越高。传统光学元件抛光主要依靠软性工具和细微磨料对光学元件表面进行光整，加工工艺主要依靠操作人员的经验，加工效率低，光学元件面形可控性差，难以满足光学工业和现代光学技术对光学元件表面高质量的要求。目前已经研究出多种加工方法可获得高精度表面，其中典型的方法有化学抛光、磁流变抛光、离子束抛光、弹性发射抛光、浮法抛光和射流抛光等。但这些加工方法或者对加工表面产生损伤，成本高，或者加工效率过低，可控性差，都存在各自的一些缺陷，因此一些新的加工方法不断被提出。

超声空化辅助射流抛光是在磨料水射流抛光技术的基础上发展起来的集流体力学、声学、纳米材料去除和表面技术于一体的超精密加工技术。其基本的工作原理是利用一个可形成空化效应且角度可调的喷嘴，以适当的压力和速度(压力范围一般在4bar-20bar)将预混合的抛光液喷射到工件表面，利用悬浊液中颗粒和工件的相互作用，进行材料的纳米去除，最终可提高工件表面质量和实现面形修正的目的，超声波空化效应可以提高抛光过程材料去除效率。超声空化辅助射流抛光和传统抛光方法相比，具有无磨具磨损、无亚表面损伤、无反应热、抛光精度高、加工柔性高等优点。值得一提的是，超声空化辅助射流抛光可用于多晶金刚石、碳化硅等超硬材料的非球面、自由表面、微结构表面以及高陡度大长径比内腔表面零件的超精密加工。

超声空化辅助射流抛光的抛光效率虽然得到提高，但由于喷口较小，冲击范围有限，传统的射流加工方法采用单孔喷头进行零件抛光。由于其作用面积小，因此时加工时间长，对抛光系统的稳定性要求高，抛光工艺参数不易保证，进而降低零件表面加工精度。虽然增加抛光液的压力和浓度可以提高抛光效率，但是压力提高也会降低工件表面质量和增大面形误差；浓度过高也会影响系统的稳定性，甚至堵塞抛光供液系统。公布号为CN110026908A，公布日为2019年7月19日的专利文献中公开了《一种超声空化辅助射流抛光系统及抛光方法》，采用自聚焦超声压电陶瓷对射流抛光液进行空化作用，利用空化气泡破裂产生的激振加速抛光颗粒撞击被加工表面，以提高射流抛光工艺的加工效率。然而，该技术方案中采用单喷孔的喷嘴，加工过程中作用区域小、效率低，难以实现其工业化高效应用。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供针对射流抛光工艺的一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光系统及抛光方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，包括自聚焦超声波换能器和超声聚焦壳体；所述自聚焦超声波换能器为一种凹球面压电陶瓷；所述超声聚焦壳体的内腔为锥形腔，用来将所述自聚焦超声波换能器发出的声波聚焦于一点，以增强腔体内抛光液的空化作用；所述超声聚焦壳体的侧壁上设有与供液管连通的抛光液供液口，所述超声聚焦壳体的底部装配有射流喷嘴，所述射流喷嘴通过端盖与所述超声聚焦壳体相连，所述射流喷嘴包括有N个孔径相同的喷孔，N＝2-10，所述喷孔的孔径范围为0.1-2mm。

进一步讲，本发明所述的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，具有多个分别与所述超声聚焦壳体装配、喷孔个数不同、喷孔布局不同的射流喷嘴。

每个射流喷嘴与所述超声聚焦壳体之间的连接为可拆卸连接，每个射流喷嘴的内部结构是，上部为与所述超声聚焦壳体的锥形腔一致的内锥面，下部为与内锥面相连的台阶面，N个喷孔自该台阶面贯通至射流喷嘴的底部。

所述射流喷嘴的内锥面与所述超声聚焦壳体的锥形腔同轴。

所述射流喷嘴的材质为不锈钢、陶瓷和蓝宝石中的任何一种材料。

多个射流喷嘴上N个喷孔的布局分别为十字形分布、一字型分布、圆周均匀分布以及多排行列矩阵分布。

同时，本发明中还提出的利用上述超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置进行超声空化辅助射流抛光方法，将所述的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置安装于数控机床的主轴箱或者工业机器人机械臂上；将加压后的抛光液通过所述抛光液供液口注入所述超声聚焦壳体3的锥形腔内，抛光液在所述的锥形腔内经过超声波空化作用后从底部的射流喷嘴的多个喷孔喷射到该加工工件表面上。

进一步讲，本发明的所述的超声空化辅助多孔射流抛光方法，其中，通过确定合适的射流喷嘴及加工参数来控制工件待抛光表面材料去除量及表面加工精度；

确定合适的射流喷嘴时，包括射流喷嘴的喷孔个数及多个喷孔的布局；

调整的参数，包括：所述聚焦超声波换能器发出的超声波频率、所述射流喷嘴与待加工工件表面之间的距离、射流喷嘴的喷射角度、抛光液浓度、抛光液供给压力、加工点的驻留时间和/或射流喷嘴相对加工点的运动轨迹。

根据待加工工件表面形貌特征，在粗加工阶段时选择喷孔的布局为圆周均匀分布或是多排行列矩阵分布的射流喷嘴，以提高加工效率；在精密加工阶段时选择喷孔的布局为一字型或者十字型分布的射流喷嘴，以实现精密的确定性加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本发明的具有多个喷孔的超声空化辅助射流抛光装置与传统的单个喷射微孔的射流喷嘴相比，可以有效的增大待加工表面作用区域、提高加工效率，并且该方法适用于大口径超光滑表面抛光加工和微观特殊形貌表面加工制造。

本发明的超声空化辅助多喷嘴射流抛光方法，利用上述的超声空化辅助射流抛光装置，在实施的过程中可选择合适的射流喷嘴，以适应不同的工艺需求。

附图说明

图1为本发明超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置结构示意图；

图2为本发明中自聚焦超声波换能器示意简图；

图3-1是本发明中射流喷嘴结构形式一的结构示意图；

图3-2是图3-1所示射流喷嘴的仰视图；

图4-1是本发明中射流喷嘴结构形式二的结构示意图；

图4-2是图4-1所示射流喷嘴的仰视图；

图5-1是本发明中射流喷嘴结构形式三的结构示意图；

图5-2是图5-1所示射流喷嘴的仰视图；

图6-1是本发明中射流喷嘴结构形式四的结构示意图；

图6-2是图6-1所示射流喷嘴的仰视图。

图中：

1-超声波电源 2-自聚焦超声波换能器

3-密封圈 4-超声聚焦壳体

5-供液管 6-端盖

7-射流喷嘴 701-喷孔为十字形分布的射流喷嘴

702-喷孔为一字型分布的射流喷嘴 703-喷孔为圆周均匀分布的微孔喷嘴

704-喷孔为多排行列矩阵分布的射流喷嘴

具体实施方式

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个零部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

实施例1

本发明提出的一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置。如图1所示，该抛光装置包括超声波电源1、自聚焦超声波换能器2和超声聚焦壳体4；所述超声波换能器2与超声聚焦壳体4之间通过密封圈3密封；所述自聚焦超声波换能器2为一种凹球面压电陶瓷，利用球面自聚焦原理将自聚焦超声换能器2产生的声波聚焦于一点，所述凹球面压电陶瓷的球面焦距为10-100mm，其焦距可根据需要设计制作；所述超声聚焦壳体4与设置其上端的自聚焦超声波换能器2通过螺钉连接，所述超声聚焦壳体4的内腔为锥形腔，用来将所述自聚焦超声波换能器2发出的声波聚焦于一点，以增强腔体内抛光液的空化作用，所述自聚焦超声波换能器2发出的超声波的频率范围可为10KHz到20MHz；所述超声聚焦壳体4的侧壁上设有与供液管5连通的抛光液供液口，所述超声聚焦壳体4的底部装配有射流喷嘴7，所述射流喷嘴7通过一个端盖6与所述超声聚焦壳体4紧固相连。所述射流喷嘴7的材质可以在不锈钢、陶瓷和蓝宝石等耐蚀材料中选择。

所述射流喷嘴7与所述超声聚焦壳体4之间的连接为可拆卸连接，本实施例中采用螺纹连接，本发明中所述的射流喷嘴7的内部结构基本是：上部为与所述超声聚焦壳体4的锥形腔一致的内锥面，下部为与内锥面相连的台阶面，所有喷孔均自该台阶面贯通至射流喷嘴的底部。所述射流喷嘴7的内锥面与所述超声聚焦壳体4的锥形腔同轴。本实施例中，射流喷嘴7嵌在超声聚焦壳体4的下部，射流喷嘴7的外形形状是超声聚焦壳体4下部锥形形状的向下延伸，端盖6是一个能同时容纳超声聚焦壳体4下部外轮廓和射流喷嘴7上部轮廓的套筒，端盖6和所述超声聚焦壳体4采用螺纹连接，从而将射流喷嘴7与超声聚焦壳体4固定在一起，而且超声聚焦壳体4的锥形腔与射流喷嘴7同轴，本实施例中，所述凹球面压电陶瓷的球面焦点位于所述射流喷嘴7上端中心处。

本发明中，所述射流喷嘴7为多喷孔结构，即该射流喷嘴7包括有2-10个孔径相同的喷孔，所述喷孔的孔径为0.1-2mm。为了便于根据被加工件加工表面的特点选择射流喷嘴的具体结构形式，即喷孔的个数、孔径和多个喷孔的布局，本发明中包括有多个可以分别与所述超声聚焦壳体4装配、喷孔个数不同、喷孔布局不同的射流喷嘴。多个射流喷嘴上2-10个喷孔的布局分别为十字形分布、一字型分布、圆周均匀分布以及多排行列矩阵分布。图3-1和图3-2示出了射流喷嘴结构形式是5个喷孔为十字形分布的射流喷嘴701的结构示意简图；图4-1和图4-2示出了射流喷嘴结构形式是3个喷孔为一字型分布的射流喷嘴702的结构示意简图；图5-1和图5-2示出了射流喷嘴结构形式是9个喷孔为圆周均匀分布的微孔喷嘴703的结构示意简图；图6-1和图6-2示出了6个喷孔为3*2列矩阵分布的射流喷嘴704的结构示意简图。由于射流喷嘴7与所述超声聚焦壳体4之间的连接为可拆卸连接，可以根据工件表面加工需求更换不同结构形式的射流喷嘴，本发明中选择射流喷嘴的喷孔个数、喷孔孔径及多个喷孔的布局考虑到的因素有：根据测量的待加工工件表面形貌特征，在粗加工时选择喷孔圆周均匀分布或多排行列矩阵分布的喷嘴，选用较多的碰孔数量以提高加工效率；在精密加工阶段选择喷孔一字型或者十字形分布的碰嘴，选用较少的喷孔数量以实现精密的确定性加工。

利用本发明的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置进行抛光加工的过程主要是：将抛光装置安装于数控机床的主轴箱或者工业机器人机械臂上；将加压后的抛光液通过所述抛光液供液口注入所述超声聚焦壳体3的锥形腔内，抛光液在所述的锥形腔内经过超声波空化作用后从底部的射流喷嘴的多个喷孔喷射到该加工工件表面上。加工之前需要确定合适的射流喷嘴及加工参数以控制工件待抛光表面材料去除量及表面加工精度。其中，确定射流喷嘴时，包括确定射流喷嘴的喷孔个数、孔径及多个喷孔的布局。确定加工参数时，包括下面各项参数中的一种以上或全部：所述自聚焦超声波换能器2发出的超声波频率、所述射流喷嘴与待加工工件表面之间的距离、射流喷嘴7的喷射角度、抛光液浓度、抛光液供给压力、加工点的驻留时间和/或射流喷嘴7相对加工点的运动轨迹。

本发明中，抛光液中磨粒采用氧化铈颗粒、氧化铝颗粒、氧化硅颗粒或纳米金刚石颗粒中的一种或几种组合，抛光液的供给压力为：0.1-10Mpa，射流喷嘴出口处抛光液喷射速度为：10-100m/s。

实施例2

利用本发明的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置进行抛光加工，基本过程如下：

按照测量待加工工件表面初始面型形貌与理想表面的形貌误差，确定表层材料的去除深度，选择合适的射流喷嘴。本实施例中，射流喷嘴7的结构形式是如图3-1所示十字形结构的碰嘴，喷孔的个数是5个，孔径为0.2mm，射流喷嘴7的材质为蓝宝石材质。

首先，测量待加工工件表面初始形貌，根据理想表面形貌计算待加工工件表面形貌误差，确定材料去除量，应用栅格化加工轨迹计算驻留时间，栅格化加工轨迹的栅格间距为2mm，驻留点间距为2mm；驻留时间由表面材料去除量和栅格轨迹参数、单点材料去除率利用反卷积方法计算得到。利用轨迹参数和驻留时间参数生成数控加工程序，将加工程序导入机床。

通过端盖6将该射流喷嘴7同轴的固定在超声聚焦壳体4的下端。将上述装配好的上述超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置安装于多轴数控机床的主轴箱上，将工件固定在机床工作台上，通过机床数控系统控制上述的抛光装置的位置和姿态；将射流喷嘴7移动至待加工工件表面上方，所述射流喷嘴与待加工工件表面之间的距离为10mm；射流喷嘴7的喷射角度为90°，即碰嘴7垂直于工件表面；

利用压力泵将预先混合有颗粒的抛光液增压到3MPa，选用抛光液为1μm氧化铝抛光液，浓度为15％；将加压后的抛光液通过供液管5经所述抛光液供液口注入所述超声聚焦壳体3的锥形腔内。

开启超声波电源1，所述自聚焦超声波换能器2发出的超声波频率为5MHz；抛光液中颗粒在所述的锥形腔内经过超声波空化作用后从底部的射流喷嘴的多个喷孔喷射到该加工工件表面上，冲蚀工件表面从而去除工件表面材料，最终实现对工件表面进行精确的抛光。

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 (9)

1.一种超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，包括自聚焦超声波换能器(2)和超声聚焦壳体(4)；所述自聚焦超声波换能器(2)为一种凹球面压电陶瓷；所述超声聚焦壳体(4)的内腔为锥形腔，用来将所述自聚焦超声波换能器(2)发出的声波聚焦于一点，以增强腔体内抛光液的空化作用；所述超声聚焦壳体(4)的侧壁上设有与供液管(5)连通的抛光液供液口，所述超声聚焦壳体(4)的底部装配有射流喷嘴，其特征在于，所述射流喷嘴通过端盖(6)与所述超声聚焦壳体(4)相连，所述射流喷嘴(7)包括有N个孔径相同的喷孔，N＝2-10，所述喷孔的孔径范围为0.1-2mm。

2.根据权利要求1所述超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，其特征在于，具有多个分别与所述超声聚焦壳体(4)装配、喷孔个数不同、喷孔布局不同的射流喷嘴。

3.根据权利要求2所述超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，其特征在于，每个射流喷嘴与所述超声聚焦壳体(4)之间的连接为可拆卸连接，每个射流喷嘴的内部结构是，上部为与所述超声聚焦壳体(4)的锥形腔一致的内锥面，下部为与内锥面相连的台阶面，N个喷孔自该台阶面贯通至射流喷嘴的底部。

4.根据权利要求3所述超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，其特征在于，所述射流喷嘴的内锥面与所述超声聚焦壳体(4)的锥形腔同轴。

5.根据权利要求1所述超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，其特征在于，所述射流喷嘴的材质为不锈钢、陶瓷和蓝宝石中的任何一种材料。

6.根据权利要求2所述的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置，其特征在于，所述射流喷嘴上N个喷孔的布局分别为十字形分布、一字型分布、圆周均匀分布以及多排行列矩阵分布。

7.一种超声空化辅助射流抛光方法，其特征在于，将如权利要求1至6中任一所述的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置安装于数控机床的主轴箱或者工业机器人机械臂上；将加压后的抛光液通过所述抛光液供液口注入所述超声聚焦壳体3的锥形腔内，抛光液在所述的锥形腔内经过超声波空化作用后从底部的射流喷嘴的多个喷孔喷射到该加工工件表面上。

8.根据权利要求7所述的超声空化辅助多孔射流抛光方法，其特征在于，通过确定合适的射流喷嘴及加工参数来控制工件待抛光表面材料去除量及表面加工精度；

确定合适的射流喷嘴时，包括射流喷嘴的喷孔个数、孔径及多个喷孔的布局；

调整的参数，包括：所述自聚焦超声波换能器(2)发出的超声波频率、所述射流喷嘴与待加工工件表面之间的距离、射流喷嘴的喷射角度、抛光液浓度、抛光液供给压力、加工点的驻留时间和/或射流喷嘴相对加工点的运动轨迹。

9.根据权利要求8所述的超声空化辅助多孔射流抛光方法，其特征在于，所述的超声空化辅助多喷嘴射流抛光装置中的多个射流喷嘴上N个喷孔的布局分别为十字形分布、一字型分布、圆周均匀分布以及多排行列矩阵分布；

根据待加工工件表面形貌特征，在粗加工阶段时选择喷孔的布局为圆周均匀分布或是多排行列矩阵分布的射流喷嘴，以提高加工效率；在精密加工阶段时选择喷孔的布局为一字型或者十字型分布的射流喷嘴，以实现精密的确定性加工。

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