CN112157597B - 一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床 - Google Patents
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Abstract
一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，它包括：冷却射流发生部分、聚焦加工部分、磨料气射流发生部分、磨料回收部分和控制器部分；其中冷却射流发生部分和聚焦加工部分为主体部分，磨料气射流发生部分、磨料回收部分和控制器部分为现存技术用于完善机床功能。本发明在已有低温辅助磨料气射流加工技术的基础上加以改进，在实现冷却的同时对磨料气射流进行聚焦，改善了磨料发散问题，提高了通道深宽比，减轻了微细加工时对掩膜的依赖，并有效解决了低温下磨料黏结造成的喷嘴堵塞问题，同时对相关的关键加工参数及其取值给出了参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨料气射流加工设备，具体地说是一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床。
背景技术
低温磨料气射流加工是近十余年产生的新型加工方法，其克服了常温下磨料气射流在加工弹塑性材料时磨料嵌入、材料去除率极低的难题，是对磨料气射流加工应用领域的一种拓展。
但是该技术仍处于研究阶段，也存在一些问题，例如低温下磨料易堵塞喷嘴、通道深宽比不理想、微细加工依赖掩膜等问题，但是利用聚焦可以避免低温气体和磨料从同一喷嘴喷出，从而一定程度上改善了磨粒受水汽黏结造成的喷嘴堵塞，同时可以有效提高通道深宽比、减小磨料发散，基于此，设计了一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床。
发明内容
本发明的目的是针对提高弹塑性材料的加工效果的需要，设计一种具有冷却、聚焦的主要功能，且具有防喷嘴堵塞、磨料自动回收等辅助功能的，适用于高分子材料等弹塑性材料加工的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床。
本发明的技术方案是：
一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征是它包括：
一冷却射流发生部分：该冷却射流发生部分主要包括储气罐3、自增压式液氮罐6、液氮安全阀7、流量控制器8、泄压阀9、气化储气罐11、压力调节器12和数字压力计13，液氮安全阀7一端与自增压式液氮罐6相连，另一端通过液氮液位监测装置10与气化储气罐11的一端相连，储气罐3的一个出气端通过流量控制器8与气化储气罐11相连，所述的泄压阀9安装在气化储气罐11上，自增压式液氮罐6中的液氮通过液氮安全阀7流入气化储气罐11，在气化储气罐11中气化成低温氮气再流入与气化储气罐11相连的两个压力调节器12的进气口，每个压力调节器12的出气端分别连接两个数字压力计13，数字压力计13的另一端连接聚焦射流喷嘴17，到达聚焦射流喷嘴17的低温氮气形成两股稳定的聚焦冷却射流；
一聚焦加工部分：该聚焦加工部分主要包括数控工作平台15、加工室14、磨料射流喷嘴16、聚焦射流喷嘴17、喷嘴固定盘18和线性滑轨19，数控工作平台15、磨料射流喷嘴16和聚焦射流喷嘴17均安装在加工室14中的喷嘴固定盘18上，工件固定在数控工作平台15的工作台上，磨料射流喷嘴16与喷砂机20相连，聚焦射流喷嘴17由气化储气罐11供气，磨料射流喷嘴16固定在线性滑轨19上，聚焦射流喷嘴17能在性线滑轨19上移动并定位，通过控制聚焦射流喷嘴17在线性滑轨19上的位置从而控制聚焦及加工距离；从聚焦射流喷嘴17中射出的低温氮气能对磨料射流喷嘴16中射出的磨料射流进行冷却和聚焦，以实现对数控工作平台15上工件的高效加工；
一磨料气射流发生部分：该磨料气射流发生部分主要包括空压机1、空气干燥机2、储气罐3和喷砂机20，空压机1产生的压力空气进入空气干燥机2干燥后送入储气罐3，储气罐3一路供喷砂机20使用，喷砂机将干燥的空气与磨料混合后送入聚焦射流喷嘴17中用于产生稳定、均匀的磨料射流，储气罐3的另一路通过管道与流量控制器8要连，通过流量控制器8的控制输入到气化储气罐11以控制氮气的气化速度和温度；
一磨料回收部分：该磨料回收部分主要包括吸尘器4和收集漏斗5，用于回收磨料和改善工作环境；收集漏斗5安装在加工室14的下部，用于在加工室14打开时收集加工后的磨料和切屑，收集漏斗5的下部通过管道与吸尘器4相连；
一控制器部分：该控制器部分主要包括PC控制平台21和液氮液位监测装置10，用于实现数控工作平台15控制和气化储气罐11的自动补液。
所述的气化储气罐11利用储气罐3里的常温气体流量控制液氮气化速率，泄压阀9用于防止高压，可输出的低温氮气的温度约为-190℃，并使聚焦射流稳定、均匀、可控。
所述的喷嘴固定盘18可调节每个聚焦射流喷嘴17的聚焦射流角度θ的范围为10°~85°，聚焦射流喷嘴17关于磨料射流喷嘴16对称布置，磨料射流喷嘴16位于中轴线上，线性滑轨19固定安装在喷嘴固定盘18上，精确调节聚焦射流喷嘴17在线性滑轨19的位置能调节聚焦距离，大幅度的加工参数调整由数控工作平台15实现。
所述的气化储气罐11的换热管里的空气经过换热后进入加工室，能够降低加工室温度，并能提供干燥空气，防止空气内的水汽凝结堵塞喷嘴。
所述的聚焦射流喷嘴17连接的是液氮真空管，以防止低温液氮输送过程中的温升，靠近聚焦射流喷嘴17端的两个数字压力计13用于监测接近喷嘴处的聚焦压力值，使两侧低温氮气射流严格相同，保证良好的冷却聚焦效果。
所述的磨料射流喷嘴16和聚焦射流喷嘴17是三个完全相同的高级碳化钨制成的矩形喷嘴，喷嘴宽度范围在0.2~0.3mm，长度范围在0.5~3.8mm，聚焦射流喷嘴17射出的聚焦射流可对磨料射流喷嘴16的磨料射流实现聚焦和冷却，提高其冲蚀性能，可用于加工PDMS、PMMA和环氧树脂。
本发明的磨料气射流机床的主要加工参数有：
聚焦距离d：每个聚焦射流喷嘴17与中轴线的距离，聚焦距离d越小聚焦冷却效果越好，在d＜2mm时冷却效果较好，在d=1mm时可以达到-140℃左右的冷却温度，但d过小时会造成磨料冲蚀聚焦射流喷嘴17，应根据加工距离H和磨料射流喷嘴16磨料散射情况进行适当调整，同时聚焦距离d受喷嘴尺寸的影响较大；
聚焦角度θ：聚焦射流喷嘴17与中轴线的夹角，θ对聚焦效果影响很大，60°~75°是最优范围，在此范围内通道宽度随着聚焦角度θ的增大而减小；
聚焦作用距离h：聚焦焦点到加工表面的距离，h影响到加工表面的冷却效果，h越大加工温度越高，h=0.5mm时，加工温度在-140℃左右，h=1mm时，加工温度在-120℃左右，同时聚焦射流对磨粒有二次加速效果，聚焦作用距离h合理增大可以提高材料去除率，所以聚焦作用距离h的选择需要综合预想冷却温度和材料去除率进行选取；
聚焦压力Pj：即聚焦射流喷嘴17的喷射压力，可从数字压力计13上读取，是影响冷却聚焦效果的重要加工参数，Pj的取值取决于加工压力P的取值，需保证Pj≥P，若Pj＜P低温氮气容易被冲散，同时Pj过小，会导致冷却不充分、聚焦效果差，Pj过大，又会将磨料吹散；聚焦压力Pj需根据加工压力P和聚焦距离d进行选择，上述参考取值均在矩形喷嘴尺寸为0.2×0.5mm时取得。
所述的聚焦压力Pj、加工压力P和聚焦距离d的取值为P=0.2MPa,Pj=0.4MPa，聚焦距离1mm＜d＜2mm时，使用0.2×0.5mm矩形喷嘴进行加工，具有良好的冷却聚焦效果。
本发明的有益效果：
本发明为高分子聚合物等弹塑性材料提供了一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，解决了低温辅助磨料气射流加工弹塑性材料时喷嘴易堵塞、磨料发散和通道深宽比不理想的问题，同时将加工区域密闭可以有效防止环境污染，保护工作人员。
本发明结构简单紧凑，便于拆装和调试，加工效率高，改善了磨料气射流对弹塑性材料的加工效果，并可以实现加工距离，射流压力，射流流量，加工角度和聚焦距离、角度及压力的精确调整。
附图说明
图1是本发明的机床布局简图。
图2是本发明的喷嘴固定盘简图及机床加工示意图。
图3是本发明的气化储气罐的俯视放大图。
图4是本发明的加工参数示意图。
图中：1、空压机；2、空气干燥机；3、储气罐；4、吸尘器；5、收集漏斗；6、自增压式液氮罐；7、液氮安全阀；8、流量控制器；9、泄压阀；10、液氮液位监测装置；11、气化储气罐；12、压力调节器；13、数字压力计；14、加工室；15、数控工作平台；16、磨料射流喷嘴；17、聚焦射流喷嘴；18、喷嘴固定盘；19、液氮安全阀；20、喷砂机；21、PC控制平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示。
一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，包括冷却射流发生部分、聚焦加工部分、磨料气射流发生部分、磨料回收部分和控制器部分，如图1、图2所示；所述的冷却射流发生部分主要包括储气罐3、自增压式液氮罐6、液氮安全阀7、流量控制器8、泄压阀9、气化储气罐11、压力调节器12和数字压力计13，液氮安全阀7一端与自增压式液氮罐6相连，另一端与气化储气罐11的一端相连，储气罐3的出气端通过流量控制器8与气化储气罐11相连，气化储气罐11一个出气端与泄压阀9相连，气化储气罐11的另一个空气出口与两个压力调节器12一端相连（如图3），每个压力调节器12的出气端分别连接两个数字压力计13，数字压力计13的另一端连接聚焦射流喷嘴17；所述的聚焦加工部分主要包括数控工作平台15、加工室14、磨料射流喷嘴16、聚焦射流喷嘴17和喷嘴固定盘18，数控工作平台15、磨料射流喷嘴16和聚焦射流喷嘴17均安装在加工室14中的喷嘴固定盘18上，工件固定在数控工作平台15的工作台上，磨料射流喷嘴16与喷砂机20相连，聚焦射流喷嘴17与气化储气罐11相连，通过线性滑轨19控制聚焦及加工距离；所述的磨料气射流发生部分、磨料回收部分和控制器部分是已有技术已实现的部分，在此机床中作为辅助部分完善机床功能。所述的气化储气罐11利用储气罐3里的常温气体流量控制液氮气化速率，泄压阀9用于防止高压，可输出的低温氮气的温度约为-190℃，并使聚焦射流稳定、均匀；所述的喷嘴固定盘18可调节聚焦射流角度范围为10°~85°，聚焦射流喷嘴17关于磨料射流喷嘴16对称布置，磨料射流喷嘴16位于中轴线上，并安装有线性滑轨19可以精确调节聚焦射流喷嘴17的聚焦距离和磨料射流喷嘴16的加工距离，大幅度的加工参数调整由数控工作平台15实现；所述的区别于传统磨料气射流加工的主要加工参数有聚焦距离d、聚焦角度θ、聚焦作用距离h和聚焦压力Pj，如图4所示。其中：聚焦距离d：每个聚焦射流喷嘴17与中轴线的距离，聚焦距离d越小聚焦冷却效果越好，在d＜2mm时冷却效果较好，在d=1mm时可以达到-140℃左右的冷却温度，但d过小时会造成磨料冲蚀聚焦射流喷嘴17，应根据加工距离H和磨料射流喷嘴（16）磨料散射情况进行适当调整；聚焦角度θ：聚焦射流喷嘴17与中轴线的夹角，θ对聚焦效果影响很大，60°~75°是最优范围，在此范围内通道宽度随着聚焦角度θ的增大而减小；聚焦作用距离h：聚焦焦点到加工表面的距离，h影响到加工表面的冷却效果，h越大加工温度越高，h=0.5mm时，加工温度在-140℃左右，h=1mm时，加工温度在-120℃左右，同时聚焦射流对磨粒有二次加速效果，聚焦作用距离h合理增大可以提高材料去除率，所以聚焦作用距离h的选择需要综合预想冷却温度和材料去除率进行选取；聚焦压力Pj：即聚焦射流喷嘴17的喷射压力，可从数字压力计（13）上读取，是影响冷却聚焦效果的重要加工参数，Pj的取值取决于加工压力P的取值，需保证Pj≥P，若Pj＜P低温氮气容易被冲散，同时Pj过小，会导致冷却不充分、聚焦效果差，Pj过大，又会将磨料吹散；聚焦压力Pj需根据加工压力P和聚焦距离d进行选择聚焦压力Pj、加工压力P和聚焦距离d的一个最佳取值为P=0.2MPa,Pj=0.4MPa，聚焦距离1mm＜d＜2mm时，具有良好的冷却聚焦效果，上述参考取值均在矩形喷嘴尺寸为0.2×0.5mm时取得。
本发明的工作过程是：
空压机1产生的压缩气体经过空气干燥机2的干燥后，进入储气罐3。需要进行加工时，打开储气罐3的阀门，稳定的气流进入喷砂机20，在其中完成与磨料的混合，形成磨料气射流后通过磨料射流喷嘴16射出。在液氮液位监测装置10上设置好自动补液温度，打开自增压式液氮罐6的阀门，控制液氮安全阀7，使液氮流入气化储气罐11中，形成低温氮气，低温氮气的形成速度通过流量控制器8控制换热管的空气流量控制，低温氮气通过聚焦射流喷嘴17射出，对磨料气射流进行冷却聚焦。磨料射流喷嘴16和聚焦射流喷嘴17安装在喷嘴固定盘18上，加工时可通过喷嘴固定盘18和线性滑轨19对加工参数进行精确的调整，喷嘴固定盘18和数控工作平台15在加工室8中，工件固定在数控工作平台15的工作台上，磨料射流经过聚焦射流的冷却聚焦，对工件进行低温加工。加工过程中，换热管的干燥空气经过冷却直接进入加工室14内，为加工提供干燥环境，防止空气中的水汽凝结堵塞喷嘴，同时，加工后的磨料落入收集漏斗5内，被吸尘器4抽走，防止环境污染。PC控制平台21可以实现对数控工作平台15的精确控制，实现X轴、Z轴两个方向的移动和绕X轴、Z轴的转动，以改变加工距离、加工位置和加工角度。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (9)
1.一种低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征是它包括：
一冷却射流发生部分：该冷却射流发生部分主要包括储气罐（3）、自增压式液氮罐（6）、液氮安全阀（7）、流量控制器（8）、泄压阀（9）、气化储气罐（11）、压力调节器（12）和数字压力计（13），液氮安全阀（7）一端与自增压式液氮罐（6）相连，另一端通过液氮液位监测装置（10）与气化储气罐（11）的一端相连，储气罐（3）的一个出气端通过流量控制器（8）与气化储气罐（11）相连，所述的泄压阀（9）安装在气化储气罐（11）上，自增压式液氮罐（6）中的液氮通过液氮安全阀（7）流入气化储气罐（11），在气化储气罐（11）中气化成低温氮气再流入与气化储气罐（11）相连的两个压力调节器（12）的进气口，每个压力调节器（12）的出气端分别连接两个数字压力计（13），数字压力计（13）的另一端连接聚焦射流喷嘴（17），到达聚焦射流喷嘴（17）的低温氮气形成两股稳定的聚焦冷却射流；
一聚焦加工部分：该聚焦加工部分主要包括数控工作平台（15）、加工室（14）、磨料射流喷嘴（16）、聚焦射流喷嘴（17）、喷嘴固定盘（18）和线性滑轨（19），数控工作平台（15）、磨料射流喷嘴（16）和聚焦射流喷嘴（17）均安装在加工室（14）中的喷嘴固定盘（18）上，工件固定在数控工作平台（15）的工作台上，磨料射流喷嘴（16）与喷砂机（20）相连，聚焦射流喷嘴（17）由气化储气罐（11）供气，磨料射流喷嘴（16）固定在线性滑轨（19）上，聚焦射流喷嘴（17）能在线性滑轨（19）上移动并定位，通过控制聚焦射流喷嘴（17）在线性滑轨（19）上的位置从而控制聚焦及加工距离；从聚焦射流喷嘴（17）中射出的低温氮气能对磨料射流喷嘴（16）中射出的磨料射流进行冷却和聚焦，以实现对数控工作平台（15）上工件的高效加工；
一磨料气射流发生部分：该磨料气射流发生部分主要包括空压机（1）、空气干燥机（2）、储气罐（3）和喷砂机（20），空压机（1）产生的压力空气进入空气干燥机（2）干燥后送入储气罐（3），储气罐（3）一路供喷砂机（20）使用，喷砂机（20）将干燥的空气与磨料混合后送入磨料射流喷嘴（16）中，用于产生稳定、均匀的磨料射流，储气罐（3）的另一路通过管道与流量控制器（8）相连，通过流量控制器（8）的控制输入到气化储气罐（11）以控制氮气的气化速度和温度；
一磨料回收部分：该磨料回收部分主要包括吸尘器（4）和收集漏斗（5），用于回收磨料和改善工作环境；收集漏斗（5）安装在加工室（14）的下部，用于在加工室（14）打开时收集加工后的磨料和切屑，收集漏斗（5）的下部通过管道与吸尘器（4）相连；
一控制器部分：该控制器部分主要包括PC控制平台（21）和液氮液位监测装置（10），用于实现数控工作平台（15）控制和气化储气罐（11）的自动补液。
2.根据权利要求1所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征在于所述的气化储气罐（11）利用储气罐（3）里的常温气体流量控制液氮气化速率，泄压阀（9）用于防止高压，可输出的低温氮气的温度约为-190℃，并使聚焦射流稳定、均匀、可控。
3.根据权利要求1所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征在于所述的喷嘴固定盘（18）可调节每个聚焦射流喷嘴（17）的聚焦射流角度θ的范围为10°~85°，聚焦射流喷嘴（17）关于磨料射流喷嘴（16）对称布置，磨料射流喷嘴（16）位于中轴线上，线性滑轨（19）固定安装在喷嘴固定盘（18）上，精确调节聚焦射流喷嘴（17）在线性滑轨（19）的位置能调节聚焦距离，大幅度的加工参数调整由数控工作平台（15）实现。
4.根据权利要求1所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征在于所述的气化储气罐（11）的换热管里的空气经过换热后进入加工室，能够降低加工室温度，并能提供干燥空气，防止空气内的水汽凝结堵塞喷嘴。
5.根据权利要求1所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征在于所述的聚焦射流喷嘴（17）连接的是液氮真空管，以防止低温液氮输送过程中的温升，靠近聚焦射流喷嘴（17）端的两个数字压力计（13）用于监测接近聚焦射流喷嘴（17）处的聚焦压力值，使两侧低温氮气射流严格相同，保证良好的冷却聚焦效果。
6.根据权利要求1所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征在于所述的磨料射流喷嘴（16）和聚焦射流喷嘴（17）是三个完全相同的高级碳化钨制成的矩形喷嘴，喷嘴宽度范围在0.2~0.3mm，长度范围在0.5~3.8mm，聚焦射流喷嘴（17）射出的聚焦射流可对磨料射流喷嘴（16）的磨料射流实现聚焦和冷却，提高其冲蚀性能，可用于加工PDMS、PMMA和环氧树脂。
7.根据权利要求1所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征在于磨料气射流加工的主要的加工参数有：
聚焦距离d：每个聚焦射流喷嘴（17）与中轴线的距离，聚焦距离d越小聚焦冷却效果越好，在d＜2mm时冷却效果好，在d=1mm时可以达到-140℃的冷却温度，但d过小时会造成磨料冲蚀聚焦射流喷嘴（17），应根据加工距离H和磨料射流喷嘴（16）磨料散射情况进行适当调整，同时聚焦距离d取决于聚焦射流喷嘴（17）尺寸；
聚焦角度θ：聚焦射流喷嘴（17）与中轴线的夹角；
聚焦作用距离h：聚焦焦点到加工表面的距离，h影响到加工表面的冷却效果，h越大加工温度越高，h=0.5mm时，加工温度在-140℃左右，h=1mm时，加工温度在-120℃左右，同时聚焦射流对磨粒有二次加速效果，聚焦作用距离h合理增大可以提高材料去除率，所以聚焦作用距离h的选择需要综合预想冷却温度和材料去除率进行选取；
聚焦压力Pj：即聚焦射流喷嘴（17）的喷射压力，可从数字压力计（13）上读取，是影响冷却聚焦效果的重要加工参数，Pj的取值取决于加工压力P的取值，需保证Pj≥P，若Pj＜P低温氮气容易被冲散，同时Pj过小，会导致冷却不充分、聚焦效果差，Pj过大，又会将磨料吹散；聚焦压力Pj需根据加工压力P和聚焦距离d进行选择，上述参考取值均在矩形喷嘴尺寸为0.2×0.5mm时取得。
8.根据权利要求7所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征是所述的聚焦压力Pj、加工压力P和聚焦距离d的取值为P=0.2MPa,Pj=0.4MPa，聚焦距离1mm＜d＜2mm时，使用0.2×0.5mm矩形喷嘴进行加工，具有良好的冷却聚焦效果。
9.根据权利要求7所述的低温氮气冷却聚焦磨料气射流加工机床，其特征是所述的聚焦角度θ的范围为60°~75°，在此范围内通道宽度随着聚焦角度θ的增大而减小。
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