CN113059467A - 一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法及装置，属于精密与超精密加工技术领域，包括装置支撑单元、气囊抛光单元和静电喷雾单元。利用静电喷雾沉积纳米颗粒的特点，可直接在气囊表面均匀稳定地沉积含有磨粒的微小液滴，同时在紫外光的照射下，光固化形成一层致密均匀的抛光膜，解决了传统气囊抛光过程中抛光膜磨损严重、更换复杂的问题；涂有抛光膜的气囊可以对工件表面进行原位抛光，操作工序简单，适用于多种曲面元件的高精度、高质量、高效率抛光加工。

Description

一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法及装置
技术领域
本发明属于精密与超精密加工技术领域，尤其涉及一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法及装置。
背景技术
英国伦敦光学实验室和Zeeko公司于2000年开发了以球形状柔性膜为核心构件的气囊抛光工具。该工具的头部是一个空心气囊，对其加压可在抛光头处形成柔性抛光工作面，它可以与曲率变化的自由曲面形成大面积均匀接触，根据被抛光曲面的曲率和粗糙度要求，通过控制气囊的压力在线调整抛光工具工作面的柔性，从而有效地解决了非球面类型的曲面抛光过程中抛光工具与工件表面接触不匹配的问题，获得高精度、高质量、高效率的抛光效果。
柔性气囊的最外层是一层抛光膜，厚度通常约为0.8mm，在气囊抛光工作过程中磨损最为严重，因此需要定期更换抛光膜，以确保气囊能够正常工作，延长使用寿命。但是，更换抛光膜不仅需要对气囊抛光工具进行拆装，还易使气囊的密闭性下降，造成漏气等安全事故，严重影响工件的抛光加工。
静电喷雾能够产生均匀的纳米到微米级的小液滴，是一种新型的薄膜制备技术。它的基本过程是：在高压电场作用下，含有磨粒的功能混合液通过喷嘴喷出，受空间电荷效应影响，液体破碎形成均匀细小的微液滴，最终沉积至目标处。静电喷雾具有沉积纳米颗粒的特点，生成的液滴粒径小且均匀，具备较强的稳定性与可控性，因此，将静电喷雾应用于气囊抛光膜层的制备，具有一定的应用价值。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法及装置。本发明将静电喷雾与气囊抛光方法相结合，利用静电喷雾沉积纳米颗粒的特点，可直接在气囊表面均匀稳定地沉积含有磨粒的微小液滴，同时在紫外光的照射下，光固化形成一层抛光膜。相较于传统的更换抛光膜的方式，该方法操作简便，制备的抛光膜层厚度均匀，大幅延长气囊的使用寿命。并且，涂有抛光膜的气囊可以对工件表面进行原位抛光，操作工序简单，解决了传统气囊抛光过程中加工效率低、表面加工不均匀的问题。本发明工艺过程简单，适合多种曲面抛光。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，包括装置支撑单元、气囊抛光单元和静电喷雾单元。
所述装置支撑单元包括上部支撑板、中部支撑板、扇形挡板、立柱和底座；所述上部支撑板可上下移动，来调整喷嘴与气囊装置的距离；所述中部支撑板的中心位置有圆形通孔，工件通过圆形通孔上下移动，与橡胶气囊接触进行原位抛光；所述扇形挡板安装在中部支撑板上，可绕轴旋转，用于在静电喷雾过程中覆盖圆形通孔；所述立柱底部连接有底座，中部固定有中部支撑板，上方滑动连接有上部支撑板。
所述气囊抛光单元包括电动机Ⅰ、气囊旋转轴、工件、工作台、传动带、电动机Ⅱ、导气软管、气泵、空气、气囊装置、轴承支座、直导气管和压力表；所述工作台包括载物台、丝杠、滑台、长导轨、载物台控制器、连接支座和短导轨；所述电动机Ⅰ可调节转速带动气囊旋转轴旋转；所述气囊旋转轴位于中部支撑板上方中心位置，由连接轴Ⅰ、空心套管和连接轴Ⅱ组成，连接轴Ⅰ一端与电动机Ⅰ相连，另一端与空心套管连接，空心套管的外壁套有气囊装置，连接轴Ⅱ一端与空心套管连接，另一端安装在轴承支座内；所述工件为凹面工件或凸面工件，安放于载物台内进行抛光工序；所述载物台控制器可控制载物台升降与水平移动；所述连接支座与底座连接；所述电动机Ⅱ可调节转速，通过传动带旋转丝杠，可以使滑台沿长导轨作直线往复运动；所述导气软管一端与气泵相连，另一端接直导气管，输送空气；所述气泵位于底座一侧；所述气囊装置由紧箍环Ⅰ、橡胶气囊和紧箍环Ⅱ组成。
所述静电喷雾单元包括电极线Ⅰ、高压静电发生器、电极线Ⅱ、输液管、储液筒、注射泵、喷嘴、环形电极、环形固化灯、喷雾、抛光膜和粘结剂；所述电极线Ⅰ接高压静电发生器的接地端，并与环形电极相连；所述电极线Ⅱ接高压静电发生器的负极，并与喷嘴相连；所述喷嘴固定在上部支撑板中心位置，通过输液管与储液筒连接；所述注射泵连通有储液筒；所述环形固化灯安装在上部支撑板中心位置，其顶部中心位置接环形电极；所述粘结剂在静电喷雾工序前被喷涂在橡胶气囊表面。
进一步的改进，所述中部支撑板在三个方位各切掉部分圆弧形材料，减轻装置重量，便于装卸工件。
进一步的改进，所述气囊旋转轴的连接轴Ⅰ为实心轴，一端部开有螺纹孔，与电动机Ⅰ连接；连接轴Ⅱ中心有通孔，作为空气流道；空心套管的管壁有两个对称的凹槽，起到定位和提升气囊密闭性的作用，且空心套管的中心位置有一对气孔；连接轴Ⅰ与空心套管、空心套管与连接轴Ⅱ均为螺纹连接，装卸气囊便捷。
进一步的改进，所述高压静电发生器电压调节范围为-15kV～0；所述注射泵为微量注射泵，流量范围为0～100ml/h；所述喷嘴内径为0.5mm～1.0mm；所述环形电极内径范围是25mm～30mm。
进一步的改进，所述储液筒内装有静电光固化混合液，静电光固化混合液包括微粉磨粒、光固化树脂、去离子水和添加剂，四者的质量分数分别为15％～20％、45％～50％、20％～30％、10％～20％；所述微粉磨粒包括金刚石、二氧化硅、碳化硅中的一种或任意混合；所述添加剂为无水乙醇、煤油、吐温中的一种或任意混合。
进一步的改进，所述粘结剂为环氧树脂或丙烯酸树脂中的一种。
进一步的改进，所述环形固化灯包括连接横梁、连接杆、灯罩、紫外灯和紫外光；所述紫外灯与灯罩的内壁呈135°夹角，让紫外光集中照射在橡胶气囊表面，提升光固化速率。
本发明提供一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将微粉磨粒、光固化树脂、去离子水和添加剂按一定质量比均匀混合搅拌，制备均匀分散的静电光固化混合液，装入储液筒中；
步骤二、将橡胶气囊套在空心套管中心处，用紧箍环将橡胶气囊两端锁紧在空心套管凹槽处，接着将组装好的气囊旋转轴与电动机Ⅰ、轴承支座连接组装，启动气泵充气，同时观察压力表的示数，确认气囊装置是否漏气；
步骤三、旋转扇形挡板，使其覆盖中部支撑板的圆形通孔；调整喷嘴与橡胶气囊的垂直距离；
步骤四、启动电动机Ⅰ，调整转速；打开环形固化灯；在橡胶气囊表面预先喷涂一层粘结剂；启动注射泵，静电光固化混合液经输液管输送到喷嘴，通过高压静电发生器向喷嘴和环形电极施加电压，使静电光固化混合液雾化；喷雾均匀沉积在匀速旋转的橡胶气囊表面，在紫外光的照射下，固化成一层抛光膜；10min后，关闭高压静电发生器、注射泵与环形固化灯；
步骤五、打开扇形挡板，提高电动机I转速；将工件放置在载物台内，启动电动机Ⅱ，滑台移动至橡胶气囊正下方，载物台控制器根据工件的抛光面形状，上升载物台并实时调整工件的位置；滑台带动工件沿X轴方向往复运动进行抛光；
步骤六、当工件的表面符合加工要求后，下降载物台，关闭电动机I和电动机Ⅱ，停止运动进给和旋转，取出工件，关闭扇形挡板。
可选地，步骤四中，启动电动机I，调整转速为20r/min～30r/min。
可选地，步骤五中，提高电动机I转速至150r/min～300r/min；工件沿X轴方向往复运动的速度为100mm/min～200mm/min，最大运动距离为400mm。
本发明的有益效果是：
将静电喷雾与气囊抛光方法相结合，光固化成型时间短，制备的抛光膜致密均匀，解决了传统气囊抛光过程中抛光膜磨损严重、更换复杂的问题；并且，涂有抛光膜的气囊可以对工件表面进行原位抛光，操作工序简单，适用于多种曲面元件的高精度、高质量、高效率抛光加工。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明所述静电喷雾示意图；
图3是本发明所述气囊抛光示意图；
图4是本发明所述工件结构示意图；
图5a是本发明所述扇形挡板在静电喷雾过程中的位置示意图；
图5b是本发明所述扇形挡板在气囊抛光过程中的位置示意图；
图6是本发明所述气囊旋转轴结构示意图；
图7是本发明所述工作台结构示意图；
图8是本发明所述环形固化灯结构示意图；
其中：
1装置支撑单元
101上部支撑板，102中部支撑板，103扇形挡板，104立柱，105底座
2气囊抛光单元
201电动机Ⅰ，202气囊旋转轴，203工件，204工作台，205传动带，206电动机Ⅱ，207导气软管，208气泵，209空气，210气囊装置，211轴承支座，212直导气管，213压力表
202-1连接轴Ⅰ，202-2空心套管，202-3连接轴Ⅱ，202-4凹槽Ⅰ，202-5气孔，202-6凹槽Ⅱ
203-1凹面工件，203-2凸面工件
204-1载物台，204-2丝杠，204-3滑台，204-4长导轨，204-5载物台控制器，204-6连接支座，204-7短导轨
210-1紧箍环Ⅰ，210-2橡胶气囊，210-3紧箍环Ⅱ
3静电喷雾单元
301电极线Ⅰ，302高压静电发生器，303电极线Ⅱ，304输液管，305储液筒，306注射泵，307喷嘴，308环形电极，309环形固化灯，310喷雾，311抛光膜，312粘结剂
309-1连接横梁，309-2连接杆，309-3灯罩，309-4紫外灯，309-5紫外光
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，其中自始至终使用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。
一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，涉及装置包括装置支撑单元1、气囊抛光单元2和静电喷雾单元3。
所述装置支撑单元包括上部支撑板101、中部支撑板102、扇形挡板103、立柱104和底座105；所述上部支撑板101可上下移动，来调整喷嘴307与气囊装置210的距离；所述中部支撑板102的中心位置有圆形通孔，工件203通过圆形通孔上下移动，与橡胶气囊210-2接触进行原位抛光；所述扇形挡板103安装在中部支撑板102上，可绕轴旋转，用于在静电喷雾过程中覆盖中部支撑板102的圆形通孔；所述立柱104底部连接有底座105，中部固定有中部支撑板102，上方滑动连接有上部支撑板101。
所述气囊抛光单元2包括电动机Ⅰ201、气囊旋转轴202、工件203、工作台204、传动带205、电动机Ⅱ206、导气软管207、气泵208、空气209、气囊装置210、轴承支座211、直导气管212和压力表213；所述工作台204包括载物台204-1、丝杠204-2、滑台204-3、长导轨204-4、载物台控制器204-5、连接支座204-6和短导轨204-7；所述电动机Ⅰ201可调节转速带动气囊旋转轴202旋转；所述气囊旋转轴202位于中部支撑板102上方中心位置，由连接轴Ⅰ202-1、空心套管202-2和连接轴Ⅱ202-3组成，连接轴Ⅰ202-1一端与电动机Ⅰ201相连，另一端与空心套管202-2连接，空心套管202-2的外壁套有气囊装置210，连接轴Ⅱ202-3一端与空心套管202-2连接，另一端安装在轴承支座211内；所述工件203为凹面工件203-1或凸面工件203-2，安放于载物台204-1内进行抛光工序；所述载物台控制器204-5可控制载物台204-1升降与水平移动；所述连接支座204-6与底座105连接；所述电动机Ⅱ206通过传动带205旋转丝杠204-2，可以使滑台204-3沿长导轨204-4作直线往复运动；所述导气软管207一端与气泵208相连，另一端接直导气管212，输送空气209；所述气泵208位于底座105一侧；所述气囊装置210由紧箍环Ⅰ210-1、橡胶气囊210-2和紧箍环Ⅱ210-3组成。
所述静电喷雾单元3包括电极线Ⅰ301、高压静电发生器302、电极线Ⅱ303、输液管304、储液筒305、注射泵306、喷嘴307、环形电极308、环形固化灯309、喷雾310、抛光膜311和粘结剂312；所述电极线Ⅰ301接高压静电发生器302的接地端，并与环形电极308相连；所述电极线Ⅱ303接高压静电发生器302的负极，并与喷嘴307相连；所述喷嘴307固定在上部支撑板101中心位置，通过输液管304与储液筒305连接；所述注射泵306连通有储液筒305；所述环形固化灯309包括309-1连接横梁，309-2连接杆，309-3灯罩，309-4紫外灯和309-5紫外光，安装在上部支撑板101中心位置，其连接横梁309-1中心位置接环形电极308；所述粘结剂312在静电喷雾工序前被喷涂在橡胶气囊210-2表面。
一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法，具体实施步骤如下：
步骤一、将二氧化硅磨粒、光固化树脂、去离子水和无水乙醇按质量分数20％、45％、25％、10％均匀混合搅拌，制备均匀分散的静电光固化混合液50ml，装入储液筒305中；
步骤二、将橡胶气囊210-2套在空心套管202-2中心处，用紧箍环Ⅰ210-1和紧箍环Ⅱ210-3将橡胶气囊210-2两端锁紧在凹槽Ⅰ202-4和凹槽Ⅱ202-6处，接着将组装好的气囊旋转轴202与电动机Ⅰ201、轴承支座211连接组装，启动气泵208充气，同时观察压力表213示数，确认气囊装置210是否漏气；
步骤三、旋转扇形挡板103，使其覆盖中部支撑板102的圆形通孔；调整喷嘴307与橡胶气囊210-2的垂直距离为5cm；
步骤四、启动电动机Ⅰ201，调整转速为30r/min；打开环形固化灯309；在橡胶气囊210-2表面预先喷涂一层粘结剂312；启动注射泵306，静电光固化混合液经输液管304输送到喷嘴307，通过高压静电发生器302向喷嘴307和环形电极308施加电压，使静电光固化混合液雾化；喷雾310均匀沉积在匀速旋转的橡胶气囊210-2表面，在紫外光309-5的照射下，固化成一层抛光膜311；10min后，关闭高压静电发生器302、注射泵306与环形固化灯309；
步骤五、打开扇形挡板103，提高电动机I201转速至250r/min；将工件203(底面250mm×250mm，高80mm)放置在载物台204-1内；启动电动机Ⅱ206，滑台204-3移动至橡胶气囊210-2正下方，载物台控制器204-5根据工件203的抛光面形状，上升载物台204-1并实时调整工件203的位置；滑台204-3带动工件203沿X轴方向往复运动进行抛光；
步骤六、当工件203的表面符合加工要求后，下降载物台204-1，关闭电动机I201和电动机Ⅱ206，停止运动进给和旋转，取出工件203，关闭扇形挡板103。
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，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员来说，可根据以上描述的技术方案及构思，作出各种变化。因此，举凡所属领域技术人员根据本发明构思所修改、等同替换、改进等得到的等同技术手段都应属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，包括装置支撑单元、气囊抛光单元和静电喷雾单元；
所述装置支撑单元包括上部支撑板、中部支撑板、扇形挡板、立柱和底座；所述上部支撑板可上下移动，来调整喷嘴与气囊装置的距离；所述中部支撑板的中心位置有圆形通孔，工件通过圆形通孔上下移动，与橡胶气囊接触进行原位抛光；所述扇形挡板安装在中部支撑板上，可绕轴旋转，用于在静电喷雾过程中覆盖圆形通孔；所述立柱底部连接有底座，中部固定有中部支撑板，上方滑动连接有上部支撑板；
所述气囊抛光单元包括电动机Ⅰ、气囊旋转轴、工件、工作台、传动带、电动机Ⅱ、导气软管、气泵、空气、气囊装置、轴承支座、直导气管和压力表；所述工作台包括载物台、丝杠、滑台、长导轨、载物台控制器、连接支座和短导轨；所述电动机Ⅰ可调节转速带动气囊旋转轴旋转；所述气囊旋转轴位于中部支撑板上方中心位置，由连接轴Ⅰ、空心套管和连接轴Ⅱ组成，连接轴Ⅰ一端与电动机Ⅰ相连，另一端与空心套管连接，空心套管的外壁套有气囊装置，连接轴Ⅱ一端与空心套管连接，另一端安装在轴承支座内；所述工件为凹面工件或凸面工件，安放于载物台内进行抛光工序；所述载物台控制器可控制载物台升降与水平移动；所述连接支座与底座连接；所述电动机Ⅱ可调节转速，通过传动带旋转丝杠，可以使滑台沿长导轨作直线往复运动；所述导气软管一端与气泵相连，另一端接直导气管，输送空气；所述气泵位于底座一侧；所述气囊装置由紧箍环Ⅰ、橡胶气囊和紧箍环Ⅱ组成；
所述静电喷雾单元包括电极线Ⅰ、高压静电发生器、电极线Ⅱ、输液管、储液筒、注射泵、喷嘴、环形电极、环形固化灯、喷雾、抛光膜和粘结剂；所述电极线Ⅰ接高压静电发生器的接地端，并与环形电极相连；所述电极线Ⅱ接高压静电发生器的负极，并与喷嘴相连；所述喷嘴固定在上部支撑板中心位置，通过输液管与储液筒连接；所述注射泵连通有储液筒；所述环形固化灯安装在上部支撑板中心位置，其顶部中心位置接环形电极；所述粘结剂在静电喷雾工序前被喷涂在橡胶气囊表面。
2.根据权利要求1所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，所述中部支撑板在三个方位各切掉部分圆弧形材料，减轻装置重量，便于装卸工件。
3.根据权利要求1所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，所述气囊旋转轴的连接轴Ⅰ为实心轴，一端部开有螺纹孔，与电动机Ⅰ连接；连接轴Ⅱ中心有通孔，作为空气流道；空心套管的管壁有两个对称的凹槽，起到定位和提升气囊密闭性的作用，且空心套管的中心位置有一对气孔；连接轴Ⅰ与空心套管、空心套管与连接轴Ⅱ均为螺纹连接，装卸气囊便捷。
4.根据权利要求1所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，所述高压静电发生器电压调节范围为-15kV～0；所述注射泵为微量注射泵，流量范围为0～100ml/h；所述喷嘴内径为0.5mm～1.0mm；所述环形电极内径范围是25mm～30mm。
5.根据权利要求1所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，所述储液筒内装有静电光固化混合液，静电光固化混合液包括微粉磨粒、光固化树脂、去离子水和添加剂，四者的质量分数分别为15％～20％、45％～50％、20％～30％、10％～20％；所述微粉磨粒包括金刚石、二氧化硅、碳化硅中的一种或任意混合；所述添加剂为无水乙醇、煤油、吐温中的一种或任意混合。
6.根据权利要求1所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，所述粘结剂为环氧树脂或丙烯酸树脂中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光装置，其特征在于，所述环形固化灯包括连接横梁、连接杆、灯罩、紫外灯和紫外光；所述紫外灯与灯罩的内壁呈135°夹角，让紫外光集中照射在橡胶气囊表面，提升光固化速率。
8.一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将微粉磨粒、光固化树脂、去离子水和添加剂按一定质量比均匀混合搅拌，制备均匀分散的静电光固化混合液，装入储液筒中；
步骤二、将橡胶气囊套在空心套管中心处，用紧箍环将橡胶气囊两端锁紧在空心套管凹槽处，接着将组装好的气囊旋转轴与电动机Ⅰ、轴承支座连接组装，启动气泵充气，同时观察压力表的示数，确认气囊装置是否漏气；
步骤三、旋转扇形挡板，使其覆盖中部支撑板的圆形通孔；调整喷嘴与橡胶气囊的垂直距离；
步骤四、启动电动机Ⅰ，调整转速；打开环形固化灯；在橡胶气囊表面预先喷涂一层粘结剂；启动注射泵，静电光固化混合液经输液管输送到喷嘴，通过高压静电发生器向喷嘴和环形电极施加电压，使静电光固化混合液雾化；喷雾均匀沉积在匀速旋转的橡胶气囊表面，在紫外光的照射下，固化成一层抛光膜；10min后，关闭高压静电发生器、注射泵与环形固化灯；
步骤五、打开扇形挡板，提高电动机I转速；将工件放置在载物台内，启动电动机Ⅱ，滑台移动至橡胶气囊正下方，载物台控制器根据工件的抛光面形状，上升载物台并实时调整工件的位置；滑台带动工件沿X轴方向往复运动进行抛光；
步骤六、当工件的表面符合加工要求后，下降载物台，关闭电动机I和电动机Ⅱ，停止运动进给和旋转，取出工件，关闭扇形挡板。
9.根据权利要求8所述的一种静电喷涂气囊的曲面原位抛光方法，其特征在于，所述步骤四中，电动机I转速为20r/min～30r/min；所述步骤五中，电动机I转速为150r/min～300r/min；工件沿X轴方向往复运动的速度为100mm/min～200mm/min，最大运动距离为400mm。
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