CN112108944A - 一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置 - Google Patents

一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种半球谐振子流道约束‑剪切流变抛光方法，包括以下步骤：(1)制备具有剪切流变效应的非牛顿流体抛光液，加入抛光液站；(2)将半球谐振子通过夹具转接到抛光机工件主轴上，调整半球谐振子回转轴线与工件主轴回转轴线同轴；(3)调整抛光头球面与半球谐振子球面同心，启动抛光液循环系统；(4)启动工件主轴，使抛光头相对半球谐振子做相对转动，抛光液在约束流道、抛光头‑谐振子表面间隙形成两个剪切流变流场，控制抛光液流速及工件主轴转速实现半球谐振子高效抛光。以及提供一种半球谐振子流道约束‑剪切流变抛光装置。本发明能够在保持半球谐振子磨削面形精度的前提下，高效去除磨削表面损伤层，实现高效、高质量抛光。

Description

一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置
技术领域
本发明属于精密超精密加工技术，尤其是一种半球谐振子剪切流变抛光方法及装置。
背景技术
半球谐振子是半球谐振陀螺的核心零件，其加工质量直接制约着陀螺器件及系统的性能。半球谐振子属于异形零件，使用高纯熔融石英、蓝宝石等硬脆材料，主体结构为带中心支撑杆(锚)的半球壳体，尺寸小、壁薄。其加工的主要技术指标包括球度、同轴度、表面质量、厚度周向分布均匀性等。目前，半球谐振子多采用铣磨、精磨、抛光工艺制备：铣磨得到毛坯件，精磨进一步提升表面质量并控制半球谐振子球度、同轴度等精度指标，最后通过抛光获得高几何精度、高表面质量的半球谐振子。
目前，半球谐振子的抛光主要采用磁流变技术、离子束技术和化学机械抛光技术。磁流变抛光技术能有效降低半球谐振子的表面粗糙度，减小加工表面的损伤层，并改善面形精度。但抛光轮的小型化设计难以与工件相契合，导致半球谐振子锚的根部存在抛光“死角”问题；采用球头永磁抛光工具时，不同位置的磁感应强度不同、线速度不同，造成材料去除函数难以控制。离子束抛光技术能实现半球谐振子表面原子量级的材料去除，且无亚表面损伤，但抛光效率低，成本高。传统的化学机械抛光能有效提高半球谐振子材料去除率，但受谐振子球面中心锚的干涉，保证其轴向和径向材料去除均匀的难度仍然很大。上述抛光方法通过较小的抛光工具适应工件曲面曲率的变化，通过驻留函数优化获得高面形精度，抛光效率较低。总之，目前国内半球谐振子抛光技术尚不成熟，存在精度低、表面质量差、效率低的问题。
发明内容
为了克服已有技半球谐振子抛光方法的精度低、表面质量差、效率低的不足,本发明提供了一种精度较高、表面质量较高、效率较高的半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，包括以下步骤：
(1)制备具有剪切流变效应的非牛顿流体抛光液，加入抛光液站；
(2)将半球谐振子通过夹具转接到抛光机工件主轴上，调整半球谐振子回转轴线与工件主轴回转轴线同轴；
(3)调整抛光头球面与半球谐振子球面同心，启动抛光液循环系统，使抛光液进入抛光头约束流道及抛光头-谐振子表面间隙；
(4)启动工件主轴，使抛光头相对半球谐振子做相对转动，抛光液在约束流道、抛光头-谐振子表面间隙形成两个剪切流变流场，通过计算机控制抛光液流速及工件主轴转速实现半球谐振子高效抛光。
进一步，所述步骤(1)中，非牛顿流体抛光液为非牛顿流体基液、磨料和添加剂的均匀混合物，所述非牛顿流体基液为多羟基聚合物和水组成的非牛顿流体，所述磨粒是下列一种或至少两种的混合物：氧化铝、金刚石、碳化硅、氧化硅、氧化铈、碳化硼、氧化锆；所述添加剂是下列一种或至少两种的混合物：分散剂、防腐剂、表面活性剂、PH调节剂、化学活性剂。
再进一步，所述步骤(2)中，半球谐振子与夹具连接方式为粘接、真空吸附或自定心夹头夹持，半球谐振子与夹具、夹具与主轴分别通过定位面连接，并消除径向跳动，保证主轴回转轴线与半球谐振子回转轴线的同轴度误差小于50μm。
更进一步，所述步骤(3)中，抛光头在半球谐振子内表面抛光时为半球形，半径比谐振子球面小0.5-3mm，外表面抛光时为抛光头为凹球面，半径比谐振子球面大0.5-3mm；抛光头中心开孔与抛光液循环泵出口连通，孔半径相比半球谐振子锚半径大2-5mm；抛光头球面开有抛光液流道约束槽，流道约束槽为直线形、斜线形或螺旋形，截面形状为矩形或梯形，流道数量为1-8条。
所述步骤(4)中，流道约束流场内抛光液相对谐振子表面的线速度为沿流道流速与谐振子回转线速度的合速度，抛光头-谐振子间隙流场内抛光液相对谐振子表面的流速与谐振子回转线速度大小相等；抛光过程中，抛光液在抛光头与半球谐振子的相对运动的剪切作用下发生流变效应，包括剪切增稠、剪切固化或剪切膨胀。
进一步，所述流道约束-剪切流变抛光方法通过调整工件转速、抛光液流量及流道结构，优化半球谐振子内表面各点抛光液流场速度及流变特性，实现抛光轨迹复杂化，材料均匀去除。
一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光装置，包括抛光液站、抛光液循环泵、工件主轴、工具系统和控制系统，所述抛光液站实现抛光液存储、冷却和过滤，所述抛光液循环泵入口与抛光液站连通，出口与抛光头中心孔连接，所述工件主轴通过法兰或标准刀柄接头与半球谐振子夹具连接，带动工件转动，所述工具系统包括工具夹持机构和运动机构，所述控制系统能够控制球形抛光头的运动、工件主轴转速及抛光液循环泵流量。
进一步，抛光头夹持通过法兰连接、螺纹连接或自定心夹头夹持实现，抛光头可以实现水平面及竖直方向三自由度运动。
再进一步，抛光过程中，半球谐振子转动，球形抛光头固定，抛光头与谐振子表面形成约束流道。
所述半球谐振子在球面抛光头的正上方或正下方。
本发明的技术构思为：本发明针对半球谐振子在抛光过程中对精度、表面质量及效率的要求，提出采用流道约束非牛顿流体剪切流变抛光液的流场分布，配合工件转速控制，实现谐振子高效柔性抛光、材料均匀去除及厚度(质量)分布均匀性修正。本发明的核心是采用剪切流变抛光代替传统小工具头抛光，增加抛光接触面积，提高半球谐振子抛光材料去除效率；基于剪切流变抛光非接触式特点，实现脆性材料柔性去除，提高半球谐振子抛光表面质量；通过流道结构优化，调控半球谐振子表面剪切流变抛光液流场，实现半球谐振子表面材料周向均匀去除；通过流道分布设计配合工件转速调控，实现半球谐振子厚度(质量)分布均匀性修正，提高抛光精度。
本发明的有益效果主要表现在：
1)本发明所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置，具有较高的抛光效率。抛光液在约束流道、抛光头-谐振子表面间隙形成两个剪切流变流场，在相对半球谐振子表面的剪切运动过程中发生流变效应，形成与整个表面具有良好吻合度的全柔性抛光模，增大材料去除面积，提高抛光效率。实验结果显示高纯度熔石英玻璃石英谐振子采用3000#金刚石、氧化铝混合磨料抛光10h，表面粗糙度Ra可由上百纳米降低到十纳米以下。
2)本发明所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置，抛光表面质量好。非牛顿流体剪切流变抛光液在与半球谐振子表面相对剪切运动过程中发生流变效应，柔性把持游离磨料实现对表面的抛光，能够有效避免大颗粒划伤。此外，材料去除以磨粒-表面剪切作用为主，法向作用力小，可实现近无损伤材料去除。
3)本发明所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置，能够保证谐振子的面形精度和回转对称性。基于发明所述加工原理，理论上不会破坏谐振子的回转对称特性。通过流道结构优化，调控半球谐振子表面剪切流变抛光液流场，可实现半球谐振子表面材料周向均匀去除；通过流道分布设计配合工件转速调控，可实现半球谐振子厚度(质量)分布均匀性修正，提高抛光精度。
附图说明
图1为半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法及装置示意图；
图2为半球谐振子内表面流道约束-剪切流变抛光过程中，谐振子表面抛光液流场分布示意图；
图3为半球谐振子内表面流道约束抛光头示意图，其中(1)为直线形，(2)为斜线形，(3)为螺旋形；
图4为半球谐振子外表面流道约束抛光头示意图，其中(1)为直线形，(2)为斜线形，(3)为螺旋形；
图5为抛光头表面抛光液流道截面形状示意图，其中(1)为矩形，(2)为梯形；
图6为法兰转接型半球谐振子夹具示意图，其中(1)为内表面抛光夹具，(2)为外表面抛光夹具。
附图标记说明
1-工件主轴，2-半球谐振子夹具，3-半球谐振子，4约束流道，5-抛光头，6-半球谐振子中心支撑杆(锚)，7-剪切流变抛光液，8-抛光液循环管路，9-抛光液站，10-控制系统，11-抛光液循环泵，12-流道约束流场，13-抛光头-谐振子间隙流场，14-抛光头中心孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
参照图1～图6，一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，包括以下步骤：
(1)制备具有剪切流变效应的非牛顿流体抛光液7，非牛顿流体基液为多羟基聚合物和水组成的非牛顿流体，磨料选用3000#金刚石和氧化铝混合磨料，浓度分别为5％和12％，添加剂选择瓜尔胶和山梨酸钾，将配制好的抛光液加入抛光液站9；
(2)以半球谐振子薄壁边缘环形平面为定位面，将半球谐振子3粘接在图6所示夹具2上，要求夹具法兰转接面与夹具轴线垂直，夹具2通过法兰转接到抛光机工件主轴1上，抛光机工件主轴端面与主轴轴线垂直，手动消除半球谐振子轴向圆跳误差，保证半球谐振子3回转轴线与工件主轴1回转轴线同轴；
(3)半球谐振子3内表面抛光时，抛光头5选用图3(1)所示直线形约束流道半球抛光头，抛光头5半径比谐振子3球面小2mm，抛光头中心孔14半径相比半球谐振子锚6半径大3mm，约束流道4截面形状为矩形，数量为4条均布；半球谐振子3外表面抛光时，抛光头5选用图4(1)所示直线形约束流道凹球面抛光头，抛光头5半径比谐振子3球面大2mm，抛光头中心孔14半径相比半球谐振子锚6半径大3mm，约束流道4截面形状为矩形，数量为4条均布；启动抛光液循环系统，使抛光液7进入抛光头约束流道及抛光头-谐振子表面间隙；
(4)启动工件主轴1，设定转速为120rpm，使抛光头5相对半球谐振子3做相对转动，抛光液7在约束流道、抛光头-谐振子表面间隙形成两个剪切流变流场；如图3所示，流道约束流场12内抛光液7相对谐振子3表面的线速度为沿流道流速与谐振子回转线速度的合速度，抛光头-谐振子间隙流场13内抛光液7相对谐振子3表面的流速与谐振子回转线速度大小相等；抛光液7在抛光头5与半球谐振子3相对运动的剪切作用下发生流变效应，具体为剪切增稠；通过计算机控制抛光液7流速及工件主轴1转速，并结合流道结构优化，调控半球谐振子3表面剪切流变抛光液流场，实现半球谐振子3表面材料周向均匀去除，通过流道分布设计配合工件转速调控，实现半球谐振子3厚度(质量)分布均匀性修正，提高抛光精度。
本实施方式效果：
内表面抛光5小时后，进行表面粗糙度测量，其粗糙度有了明显下降，其中根部和边缘的粗糙度Ra值如表1所示，表1半球谐振子内表面抛光5小时后粗糙度对比。
Figure BDA0002642346050000071
表1
外表面抛光5小时后，进行表面粗糙度测量，其粗糙度有了明显下降，其中根部和边缘的粗糙度Ra值如下表2所示，表2半球谐振子外表面抛光5小时前后粗糙度对比。
Figure BDA0002642346050000072
表2
从半球谐振子内、外表面抛光前后的表面对比可以明显的看出，抛光仅用5小时，表面粗糙度明显下降，Ra均小于10nm，满足高效高质量加工要求。
实施例2：本实施方式与实施例1不同的是：步骤(1)所述剪切流变抛光液7中的磨粒为氧化铝、金刚石、碳化硅、氧化硅、氧化铈、碳化硼、氧化锆中的一种或至少两种的混合物，所述添加剂包括分散剂、表面活性剂、PH调节剂、化学活性剂中的一种或至少两种的混合物。其它步骤及参数与实施例1相同。
实施例3：本实施方式与实施例1或2不同的是步骤(2)所述半球谐振子3与夹具2连接方式为真空吸附或自定心夹头夹持。其它步骤及参数与实施例1或2相同。
实施例4：本实施方式与实施例1、2或3不同的是：步骤(3)中半球谐振子3内表面抛光时，半球形抛光头5半径比谐振子球面小0.5-3mm，外表面抛光时，抛光头5为凹球面半径比谐振子球面大0.5-3mm，抛光头中心孔14半径相比半球谐振子锚半径大2-5mm。其它步骤及参数与实施例1、2或3相同。
实施例5：本实施方式与实施例1、2、3、4不同的是：抛光头5球面开有直线形、斜线形或螺旋形流道约束槽(图3、图4)，截面形状为矩形或梯形(图5)，流道数量为1-8条。其它步骤及参数与实施例1、2、3、4相同。
实施例6：本实施方式与实施例1、2、3、4、5不同的是：抛光液7在抛光头5与半球谐振子3相对运动的剪切作用下发生流变效应，包括剪切增稠、剪切固化或剪切膨胀。其它步骤及参数与实施例1、2、3、4、5相同。
实施例7：本实施方式与实施例1、2、3、4、5、6不同的是：工具主轴1转速设定为30-500rpm。其它步骤及参数与实施例1、2、3、4、5、6相同。
实施例8
参照图1～图6，一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光装置，包括抛光液站9、抛光液循环泵11、工件主轴1、工具系统和控制系统10，所述抛光液站9实现抛光液存储、冷却和过滤，所述抛光液循环泵11入口与抛光液9站连通，出口与抛光头中心孔14连接，所述工件主轴1通过法兰或标准刀柄接口与半球谐振子夹具2连接，带动工件转动，所述工具系统包括工具加持机构和运动机构，所述控制系统10能够控制球形抛光头的运动、工件主轴转速及抛光液循环泵流量。
进一步，抛光头5夹持通过法兰连接、螺纹连接或自定心夹头夹持实现，抛光头5可以实现竖直方向运动。
再进一步，抛光过程中，半球谐振子3转动，球形抛光头5固定，抛光头5与谐振子3表面形成约束流道；半球谐振子3在球面抛光头5的正上方或正下方。

Claims (10)

1.一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制备具有剪切流变效应的非牛顿流体抛光液，加入抛光液站；
(2)将半球谐振子通过夹具转接到抛光机工件主轴上，调整半球谐振子回转轴线与工件主轴回转轴线同轴；
(3)调整抛光头球面与半球谐振子球面同心，启动抛光液循环系统，使抛光液进入抛光头约束流道及抛光头-谐振子表面间隙；
(4)启动工件主轴，使抛光头相对半球谐振子做相对转动，抛光液在约束流道、抛光头-谐振子表面间隙形成两个剪切流变流场，通过计算机控制抛光液流速及工件主轴转速实现半球谐振子高效抛光。
2.如权利要求1所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，其特征在于，所述步骤(1)中，非牛顿流体抛光液为非牛顿流体基液、磨料和添加剂的均匀混合物，所述非牛顿流体基液为多羟基聚合物和水组成的非牛顿流体，所述磨粒是下列一种或至少两种的混合物：氧化铝、金刚石、碳化硅、氧化硅、氧化铈、碳化硼、氧化锆；所述添加剂是下列一种或至少两种的混合物：分散剂、防腐剂、表面活性剂、PH调节剂、化学活性剂。
3.如权利要求1或2所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，其特征在于，所述步骤(2)中，半球谐振子与夹具连接方式为粘接、真空吸附或自定心夹头夹持，半球谐振子与夹具、夹具与主轴分别通过定位面连接，并消除径向跳动，保证主轴回转轴线与半球谐振子回转轴线的同轴度误差小于50μm。
4.如权利要求1或2所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，其特征在于，所述步骤(3)中，抛光头在半球谐振子内表面抛光时为半球形，半径比谐振子球面小0.5-3mm，外表面抛光时为抛光头为凹球面，半径比谐振子球面大0.5-3mm；抛光头中心开孔与抛光液循环泵出口连通，孔半径相比半球谐振子锚半径大2-5mm；抛光头球面开有抛光液流道约束槽，流道约束槽为直线形、斜线形或螺旋形，截面形状为矩形或梯形，流道数量为1-8条。
5.如权利要求1或2所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，其特征在于，所述步骤(4)中，流道约束流场内抛光液相对谐振子表面的线速度为沿流道流速与谐振子回转线速度的合速度，抛光头-谐振子间隙流场内抛光液相对谐振子表面的流速与谐振子回转线速度大小相等；抛光过程中，抛光液在抛光头与半球谐振子的相对运动的剪切作用下发生流变效应，包括剪切增稠、剪切固化或剪切膨胀。
6.如权利要求1或2所述的一种半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法，其特征在于，所述流道约束-剪切流变抛光方法通过调整工件转速、抛光液流量及流道结构，优化半球谐振子内表面各点抛光液流场速度及流变特性，实现抛光轨迹复杂化，材料均匀去除。
7.一种实现如权利要求1所述的半球谐振子流道约束-剪切流变抛光方法的装置，其特征在于，所述装置包括抛光液站、抛光液循环泵、工件主轴、工具系统和控制系统，所述抛光液站实现抛光液存储、冷却和过滤，所述抛光液循环泵入口与抛光液站连通，出口与抛光头中心孔连接，所述工件主轴通过法兰或标准刀柄接头与半球谐振子夹具连接，带动工件转动，所述工具系统包括工具夹持机构和运动机构，所述控制系统能够控制球形抛光头的运动、工件主轴转速及抛光液循环泵流量。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述抛光头夹持通过法兰连接、螺纹连接或自定心夹头夹持实现，抛光头可以实现水平面及竖直方向三自由度运动。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，抛光过程中半球谐振子转动，球形抛光头固定，抛光头与谐振子表面形成约束流道。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述半球谐振子在球面抛光头的正上方或正下方。
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