CN113601320B - 一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法 - Google Patents

一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法；通过X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、工件摆台联动控制，保证加工点位置工具法线与工件法线保持同一角度，实现子孔径加工；通气主轴的气压作用在滚珠花键轴内端面上，形成一个轴向的推力，实现工具在轴向自由浮动；柔性工具旋转会带动抛光液形成流体动压，气压和动压动态平衡；动压使得柔性工具产生弹性形变，在工具与工件之间形成微小间隙，利用抛光液流过间隙时产生的剪切力去除材料；并通过换能器产生的超声波透过柔性工具在间隙内形成空化效应，加快材料去除、提高抛光效率。

Description

一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法
技术领域
本发明属于超精密加工领域，尤其涉及一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法。
背景技术
随着航空航天、光学、半导体等领域的发展，对于非球面透镜的需求日益增加，然而传统的加工方法主要用于加工平面透镜，在加工非球面透镜时，由于曲率变化、面形复杂、加工精度要求高等因素无法胜任；
传统的加工方法需要工具与工件硬接触，这就导致了当加工复杂面形工件时，工具无法跟踪工件面形，导致加工结果与理想面形相差甚远；有学者为此提出了柔性工具研抛工件的方法，工具可以根据工件的面形曲率变化，紧贴工件表面，但是这样就导致了游离磨粒无法进入工具与工件之间间隙，而柔性工具上的磨粒由于工具的变形导致与工件接触力不足以高效地去除材料；在此基础上，有学者提出了气浮的方式，让柔性工具离开工件表面，通过游离磨粒的动压剪切作用去除材料，这种方法虽然可以有效去除材料，但是由于去除材料效率很低，仍然有待改善；
为此，提出一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法：通过X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、工件摆台联动控制，保证加工点位置工具法线与工件法线保持同一角度，实现子孔径加工；通气主轴的气压作用在滚珠花键内端面上，形成一个轴向的推力，实现工具在轴向自由浮动；柔性工具旋转会带动抛光液形成流体动压，气压和动压动态平衡；动压使得柔性工具产生弹性形变，在工具与工件之间形成微小间隙，利用抛光液流过间隙时产生的剪切力去除材料；并通过换能器产生的超声波透过柔性工具在间隙内形成空化效应，加快材料去除、提高抛光效率；该方法具有加工精度高、效率高、通用性好等特点，解决极高的表面/亚表面质量而高材料去除率的矛盾，可满足平面、球面、非球面以及自由曲面的高效面形可控的确定性抛光需求；
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置及方法。
本发明通过X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、工件摆台联动控制，保证加工点位置工具法线与工件法线保持同一角度，实现子孔径加工；通气主轴的气压作用在滚珠花键轴内端面上，形成一个轴向的推力，实现工具在轴向自由浮动；柔性工具旋转会带动抛光液形成流体动压，气压和动压动态平衡；动压使得柔性工具产生弹性形变，在工具与工件之间形成微小间隙，利用抛光液流过间隙时产生的剪切力去除材料；并通过换能器产生的超声波透过柔性工具在间隙内形成空化效应，加快材料去除、提高抛光效率；
为达到上述目的，本发明技术方案如下：
一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置，包括柔性工具、变幅杆、超声换能器、导电圆环转子、导电圆环定子、连接轴、联轴器、滚珠花键螺母、滚珠花键轴、轴向约束轴套构成；
滚珠花键螺母通过法兰固定在通气主轴内，滚珠花键轴穿过滚珠花键螺母，轴向约束轴套设置在滚珠花键螺母两端，并与滚珠花键轴过盈连接，联轴器的一端与滚珠花键轴过盈连接，联轴器另一端与连接轴的一端固定连接，连接轴的另一端穿过导电圆环定子，导电圆环转子与连接轴固定连接，导电圆环定子通过止转片固定在轴向运动平台上，连接轴与换能器端部过盈连接，换能器与变幅杆通过法兰连接，柔性抛光工具固定在变幅杆输出端；所述的导电圆环定子与导电圆环转子通过电刷连接，所述的换能器电源输入端接导电圆环转子的电源端子。
作为优选，还包括Z轴运动台、机架、X轴运动台、Y轴运动台、工件摆台构成；
通气主轴的固定安装在Z轴运动台上，导电圆环定子固定安装在Z轴运动台上，Z轴运动平台安装在机架上；工件固定在工件摆台上，工件摆台固定在Y轴运动台上，Y轴运动台的运动方向为竖直方向，Y轴运动台固定在X轴运动台上，Z轴运动台与X轴运动台在同一平面内，且运动方向相互垂直，且运动方向相互垂直，X轴运动台固定在机架上。
一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置的抛光方法，该方法具体为：浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置通过Z轴运动平台靠近工件，工件摆台通过X轴运动平台、Y轴运动平台调节加工位置，保证工具在X轴Y轴方向上任意位置加工工件，工件摆台绕X轴摆动，通过寻找工具的位置保证其与工件表面加工点的法线始终保持同一角度，实现非球面工件的子孔径加工。
作为优选，所述的滚珠花键轴在轴向有一定的运动余量，通气主轴将压力气体作用在滚动花键轴的内端面，推动整个机构在轴向自由运动；在加工过程中充分稳定的抛光液喷射在柔性抛光工具和工件之间，柔性抛光工具旋转使得抛光液产生动压，抛光液产生的动压与通气主轴的气压平衡。
作为优选，所述的换能器产生超声波；通过变幅杆将超声波传递给柔性工具，再传递给抛光液；柔性抛光工具为超弹性材料，并且对超声波的衰减很小；超声波在穿出柔性抛光工具时产生近似于工具形状的超声波前，抛光液受到超声波作用后会产生微气泡，气泡由于超声波产生的空化效应破裂，破裂时产生的微射流推动游离磨粒与工件表面发生碰撞摩擦，去除材料并提高抛光效率。
作为优选，所述的动压使柔性工具产生弹性形变，使得柔性工具与工件表面产生微小间隙，抛光液在工具运动学驱动下，在工具与工件间隙产生大的剪切应力，呈梯度分布，越靠近工件位置，工件表面所受的剪切应力越大，游离磨粒在剪切应力作用下与工件表面接触并去除材料；
本发明的有益效果为：
本发明与已有的加工方法相比，最大的区别优势在于：第一，可以保证工具法线与工件法线保持同一进给角度，实现复杂形貌工件的子孔径加工；第二，在气浮主轴上附加了超声换能器，利用超声空化效应加快材料去除效率，弥补了已有气浮式加工效率低的缺点；该方法具有加工精度高、效率高、通用性好等特点，解决极高的表面/亚表面质量而高材料去除率的矛盾，可满足平面、球面、非球面以及自由曲面的高效面形可控的确定性抛光需求；
附图说明
图1是浮动非接触式超声空化柔性子孔径抛光主轴示意图；
图2是浮动非接触式超声空化柔性子孔径抛光装置示意图；
图3是子孔径加工原理图；
图4是浮动非接触柔性加工原理图；
图5是超声空化效应原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
如图1所示，包括柔性工具101、变幅杆102、超声换能器103、导电圆环转子104、导电圆环定子105、连接轴106、联轴器107、滚珠花键螺母108、滚珠花键轴109、轴向约束轴套110构成；
滚珠花键螺母108通过法兰固定在通气主轴201上，滚珠花键轴109穿过滚珠花键螺母，轴向约束轴套110与滚珠花键轴109过盈连接，联轴器107与滚珠花键轴109过盈连接，联轴器107与连接轴106通过螺纹连接，连接轴106穿过导电圆环转子104，导电圆环转子104通过四个螺栓与连接轴106固定，导电圆环定子105通过止转片与机架用螺栓连接，连接轴106与换能器103端部过盈连接，换能器103与变幅杆102通过法兰连接，柔性工具101固定在变幅杆102较窄段；
滚珠花键副既可以将主轴的旋转传递给工具，又可以实现工具在轴向的运动；轴向约束轴套用来约束轴与滚珠花键螺母的相对运动范围，将轴向运动距离控制在2mm以内；
如图2所示，包括通气主轴201、Z轴运动台202、机架203、X轴运动台204、Y轴运动台205、工件206、工件摆台207构成；
滚珠花键螺母108上的法兰盘通过螺栓固定在通气主轴201上，通气主轴201的底座用螺栓安装在Z轴运动台上202，Z轴运动台202上有两个支架安装固定导电圆环定子105，Z轴运动平台202安装在机架203上；工件206固定在工件摆台207上，工件摆台207固定在Y轴运动台205上，Y轴运动台205固定在X轴运动台204上，X轴运动204台固定在机架203上；
如图3所示，浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光工具通过Z轴运动平台靠近工件，工件摆台可以通过X轴运动平台、Y轴运动平台调节加工位置，保证工具在XY任意位置加工工件，工件摆台可以绕A轴摆动，通过寻找工具的位置保证其与工件表面加工点的法线始终保持同一角度，实现非球面工件的子孔径加工；
如图4所示，所述的滚珠花键轴在轴向有一定的运动余量，通气主轴可以将压力气体作用在滚动花键轴的内端面，推动整个机构在轴向自由运动；在加工过程中充分稳定的抛光液喷射在工具和工件之间，工具旋转使得抛光液产生动压，抛光液产生的动压与通气主轴的气压平衡；所述的动压使柔性工具产生弹性形变，使得柔性工具与工件表面产生微小间隙，抛光液在工具运动学驱动下，在工具与工件间隙产生大的剪切应力，呈梯度分布，越靠近工件位置，工件表面所受的剪切应力越大，游离磨粒在剪切应力作用下与工件表面接触并去除材料；
如图5所示，所述的导电圆环转子出线分别与换能器正负极连接，换能器产生超声波；通过变幅杆将超声波传递给柔性工具，再传递给抛光液；柔性工具材料为超弹性材料，并且对超声波的衰减很小；超声波在穿出工具时产生近似于工具形状的超声波前，抛光液受到超声波作用后会产生微气泡，气泡由于超声波产生的空化效应破裂，破裂时产生的微射流推动游离磨粒与工件表面发生碰撞摩擦，去除材料并提高抛光效率；
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置，其特征在于：包括柔性工具(101)、变幅杆(102)、超声换能器(103)、导电圆环转子(104)、导电圆环定子(105)、连接轴(106)、联轴器(107)、滚珠花键螺母(108)、滚珠花键轴(109)、轴向约束轴套(110)构成；
滚珠花键螺母(108)通过法兰固定在通气主轴(201)内，滚珠花键轴(109)穿过滚珠花键螺母(108)，轴向约束轴套(110)设置在滚珠花键螺母(108)两端，并与滚珠花键轴(109)过盈连接，联轴器(107)的一端与滚珠花键轴(109)过盈连接，联轴器(107)另一端与连接轴(106)的一端固定连接，连接轴(106)的另一端穿过导电圆环定子(105)，导电圆环转子(104)与连接轴(106)固定连接，导电圆环定子(105)通过止转片固定在轴向运动平台上，连接轴(106)与超声换能器(103)端部过盈连接，超声换能器(103)与变幅杆(102)通过法兰连接，柔性工具(101)固定在变幅杆(102)输出端；所述的导电圆环定子(105)与导电圆环转子(104)通过电刷连接，所述的换能器电源输入端接导电圆环转子(104)的电源端子。
2.如权利要求1所述的一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置，其特征在于：还包括Z轴运动台(202)、机架(203)、X轴运动台(204)、Y轴运动台(205)、工件摆台(207)构成；
通气主轴(201)的固定安装在Z轴运动台（202）上，导电圆环定子(105)固定安装在Z轴运动台(202)上，Z轴运动台(202)安装在机架(203)上；工件(206)固定在工件摆台(207)上，工件摆台(207)固定在Y轴运动台(205)上，Y轴运动台的运动方向为竖直方向，Y轴运动台(205)固定在X轴运动台(204)上，Z轴运动台与X轴运动台在同一平面内，且运动方向相互垂直，X轴运动台(204)固定在机架(203)上。
3.如权利要求1或2所述的一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置的抛光方法，其特征在于：浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置通过Z轴运动平台靠近工件，工件摆台通过X轴运动平台、Y轴运动平台调节加工位置，保证工具在X轴Y轴方向上任意位置加工工件，工件摆台绕X轴摆动，通过寻找工具的位置保证其与工件表面加工点的法线始终保持同一角度，实现非球面工件的子孔径加工。
4.如权利要求3所述的一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置的抛光方法，其特征在于：
所述的滚珠花键轴在轴向有一定的运动余量，通气主轴将压力气体作用在滚动花键轴的内端面，推动整个机构在轴向自由运动；在加工过程中充分稳定的抛光液喷射在柔性抛光工具和工件之间，柔性抛光工具旋转使得抛光液产生动压，抛光液产生的动压与通气主轴的气压平衡。
5.如权利要求3所述的一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置的抛光方法，其特征在于：所述的换能器产生超声波；通过变幅杆将超声波传递给柔性工具，再传递给抛光液；柔性抛光工具为超弹性材料，超声波在穿出柔性抛光工具时产生近似于工具形状的超声波前，抛光液受到超声波作用后会产生微气泡，气泡由于超声波产生的空化效应破裂，破裂时产生的微射流推动游离磨粒与工件表面发生碰撞摩擦，去除材料并提高抛光效率。
6.如权利要求4所述的一种浮动非接触式超声增强柔性子孔径抛光装置的抛光方法，其特征在于：所述的动压使柔性工具产生弹性形变，使得柔性工具与工件表面产生微小间隙，抛光液在工具运动学驱动下，在工具与工件间隙产生大的剪切应力，呈梯度分布，越靠近工件位置，工件表面所受的剪切应力越大，游离磨粒在剪切应力作用下与工件表面接触并去除材料。
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