CN114029850A - 一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，包括主轴系统，磁场系统，抛光槽和数控系统。抛光时，抛光槽内填充化学抛光液和磁性磨料，抛光过程中可以通过改变各个转盘的速度，改变两侧转盘与抛光槽的间距来改变抛光槽内的磁场强度，进一步改变抛光槽内磁性磨料的运动轨迹与运动形态，结合主轴的转速和偏转角度的变化以及主轴的轴向超声振动作用，使得磁性磨料能到达曲面零件的任何表面，并以较强的均匀的机械磨削作用力去除复杂曲面零件表面由化学抛光液形成的软化膜，该装备能适用于抛光不同类型、不同材质的复杂曲面零件，通用性强，抛光后复杂曲面零件表面一致性好，表面质量高。

Description

一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备
技术领域
本发明涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备。
背景技术
复杂曲面零件通常采用五轴联动铣削加工，或者采用增减材制造工艺。普通五轴联动铣削加工后表面粗糙度Ra≥3.2um，增减材制造加工后表面表面粗糙度Ra≥8um。为此在现有技术条件下，为了进一步提高复杂曲面零件的表面质量还需要磨床和抛光设备进行进一步加工以满足使役要求。现有的磨抛方式，如软砂带磨抛、磁流变磨料流磨抛、机器人磨抛等传统的机械抛光方法均已应力去除材料的抛光方式，抛光过程不可避免的留下加工刀纹，产生损伤源，加工后残余损伤层厚，加工效率低，达不到化学机械抛光的水平。
化学机械抛光工艺广泛应用于平面抛光，其工艺流程可简单归结为采用化学试剂腐蚀或氧化工件使工件表面形成一层均匀的软化膜，然后在法向压力作用下通过磨料和抛光垫去除工件表面的软化膜，在不断交替进行的化学成膜和机械去膜过程中实现表面平坦化。化学机械抛光是目前可以达到全局平坦化的最有效的方法，广泛应用于集成电路制造中。但是应用于复杂曲面零件的化学机械抛光目前较难实现，主要原因归结于难以在复杂曲面施加均匀的机械作用力，难以通过均匀的机械作用力去除复杂曲面工件表面的软化膜。因此，设计出能在表面施加均匀机械作用力的装备对复杂曲面化学机械抛光具有重要的意义。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，可以实现任意曲面的化学机械抛光。解决了现有五轴联动铣削加工、增减材制造后复杂曲面表面粗糙度高，以及现有复杂曲面抛光精度低、抛光后损伤层厚的难题。本发明采用的技术手段如下：
一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，包括主轴系统，磁场系统，抛光槽和数控系统，所述主轴系统包括可移动的主轴和连接在其上的夹具，所述夹具用于夹持待抛光件，所述主轴用于调整夹具的空间位姿，使待抛光件进入到抛光槽预设位置，所述抛光槽内盛装化学抛光液和磁性磨料，所述数控系统与主轴系统和磁场系统相连，所述磁场系统包括设置在抛光槽外部的可转动永磁体，所述可转动永磁体与抛光槽之间的距离可调，所述数控系统用于调节永磁体与抛光槽之间的位置关系，进而改变抛光槽内磁性磨料的运动轨迹与运动形态，完成待抛光件的抛光。
进一步地，所述主轴系统包括夹具、超声换能器、主轴和安装在床身的主轴箱，所述主轴箱通过滑轨安装于床身，主轴箱用于为主轴提供Z方向的平移自由度，所述主轴安装于主轴箱，能够以主轴箱为圆心绕Y轴旋转，且自身也可以正反转，具有Z轴旋转自由度，所述超声换能器安装于主轴，用于为主轴提供Z方向超声振动，所述夹具通过快速接头安装于主轴底部，所述夹具耐酸碱腐蚀。
进一步地，所述磁场系统包括转盘、永磁体、转盘电机和可移动地安装在床身上的转盘座，所述转盘为圆盘形结构，面向抛光槽的侧面开设有均匀分布的安装凹槽，另一侧面无安装凹槽并安装于转盘电机的电机轴上，所述转盘材料为非磁化材料，所述永磁体安装于安装凹槽内。
进一步地，所述转盘电机安装于转盘座，用于为转盘提供动力，所述转盘座通过滑轨安装于床身，并可以沿着X轴平移移动，所述转盘座距离抛光槽最近时，安装在转盘内的永磁体不会与抛光槽接触。
进一步地，所述转盘、永磁体、转盘电机和转盘座为两套，两个转盘座相对布置在抛光槽的两侧面，通过调整转盘座的位置调整永磁体与抛光槽之间的间距，用以控制抛光槽内的磁场强度，转盘座远离抛光槽时减小抛光槽内的磁场强度，转盘座靠近抛光槽时增强抛光槽内的磁场强度。
进一步地，还包括底部转盘电机，所述底部转盘电机固定安装于抛光槽正下方的床身上，底部转盘电机上装有转盘和永磁体，所述转盘为圆盘形结构，面向抛光槽的侧面开设有均匀分布的安装凹槽，另一侧面无安装凹槽并安装于转盘电机的电机轴上，所述转盘材料为非磁化材料，所述永磁体安装于安装凹槽内，安装后永磁体距离抛光槽存在预设距离。
进一步地，所述数控系统集成控制主轴箱的Z方向平移运动，主轴绕Y轴的偏转方向及偏转角度，主轴自身的转动方向及转速，3个转盘分别的转动方向及转速，两侧转盘座分别在X轴方向与抛光槽的平移距离。
进一步地，所述抛光槽为顶部开放的立方体结构，底部四周设有支撑柱并安装在床身，其设有抛光液排料口，抛光时在抛光槽内盛装化学抛光液和磁性磨料，所述抛光槽材质为非磁性耐酸碱腐蚀材料。
进一步地，所述抛光槽左右两侧壁的壁厚小于10mm，前后两侧壁的壁厚大于左右两侧壁的壁厚。
进一步地，床身和内部机构能够被抛光槽内抛光液飞溅到的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的涂层或者设置遮罩物。
本发明具有以下优点：
本发明提供了一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其通过多自由度的联动运行可实现复杂曲面零件的化学机械抛光，解决了目前复杂曲面零件只能通过传统应力去除材料的抛光方式抛光后表面精度难提高的难题。抛光过程中可以通过改变各个转盘的速度，改变两侧转盘与抛光槽的间距来改变抛光槽内的磁场强度，进一步改变抛光槽内磁性磨料的运动轨迹与运动形态，结合主轴的转速和偏转角度的变化以及主轴的轴向超声振动作用，使得磁性磨料能到达曲面零件的任何表面，能以较强的均匀的机械磨削作用力去除复杂曲面零件表面由化学抛光液形成的软化膜，该装备能适用于抛光不同类型不同材质的复杂曲面零件，通用性强，抛光后复杂曲面零件表面一致性好，表面质量高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中装置的三维总装结构示意图。
图2为本发明实施例中转盘与永磁体的安装示意图。
图中：1、床身；2、超声换能器；3、主轴；4、主轴箱；5、夹具；6、数控系统；7、抛光槽；8、转盘；9、底部转盘电机；10、永磁体；11、转盘电机；12、转盘座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，装备为立式结构，能实现复杂曲面的化学机械抛光。包括主轴系统，磁场系统，抛光槽和数控系统，所述主轴系统包括可移动的主轴和连接在其上的夹具，所述夹具用于夹持待抛光件，所述主轴用于调整夹具的空间位姿，使待抛光件进入到抛光槽预设位置，所述抛光槽内盛装化学抛光液和磁性磨料，所述数控系统与主轴系统和磁场系统相连，所述磁场系统包括设置在抛光槽外部的可转动永磁体，所述可转动永磁体与抛光槽之间的距离可调，所述数控系统用于调节永磁体与抛光槽之间的位置关系，进而改变抛光槽内磁性磨料的运动轨迹与运动形态，完成待抛光件的抛光。
本发明主轴系统包括夹具5，超声换能器2，主轴3和安装在床身1的主轴箱4。所述主轴箱4通过滑轨安装于床身1，主轴箱4可以沿着Z轴平移运动，为主轴3提供Z方向的平移自由度，所述主轴3安装于主轴箱4，并可以以主轴箱4为圆心绕Y轴旋转±60°，且自身也可以正反转，具有Z轴旋转自由度，所述超声换能器2安装于主轴3，为主轴3提供Z方向超声振动，所述夹具5通过快速接头安装于主轴3底部，用于夹持工件，夹具5耐酸碱腐蚀。
所述磁场系统包括转盘8，永磁体10，转盘电机11和安装在床身1上的底部转盘电机9和转盘座12。所述转盘8为圆盘形结构，一侧面开设有均匀分布的圆盘形安装凹槽，这一侧面向抛光槽7，另一侧面无安装凹槽并安装于转盘电机11轴，材料为非磁化材料，结构如图2所示，所述永磁体10为圆盘形结构，材料为永磁体，对应安装于转盘8上面的圆盘形安装凹槽内，所述转盘电机11安装于转盘座12，为转盘8提供动力，所述转盘座12通过滑轨安装于床身1，并可以沿着X轴平移移动，两个转盘座12相对布置在抛光槽7的两侧面，通过调整转盘座12的位置可以调整永磁体10与抛光槽7之间的间距，用以控制抛光槽7内的磁场强度，转盘座12远离抛光槽7时可以减小抛光槽7内的磁场强度，转盘座12靠近抛光槽7时可以增强抛光槽7内的磁场强度，转盘座12距离抛光槽7最近时，安装在转盘8内的永磁体10不会与抛光槽7接触，所述底部转盘电机9固定安装于抛光槽7正下方的床身1上，底部转盘电机9上也安装有转盘8和永磁体10，结构与抛光槽7两侧面布置的转盘8和永磁体10结构一致，有永磁体10的一侧面向抛光槽7，安装后永磁体10距离抛光槽7的距离为1mm。
所述抛光槽7为顶部开放的立方体结构，底部四周设有支撑柱并安装在床身1，前面底部开设有抛光液排料口，左右两侧壁的壁厚小于10mm，有利于提高抛光槽7内的磁力，前后两侧壁的壁厚大于左右两侧壁的壁厚，用于提高抛光槽7的整体刚性，材质为非磁性耐酸碱腐蚀材料。
所述数控系统6集成控制主轴箱4的Z方向平移运动，主轴3绕Y轴的偏转方向及偏转角度，主轴3自身的转动方向及转速，3个转盘8分别的转动方向及转速，两侧转盘座12分别在X轴方向与抛光槽7的平移距离。
床身还配备有开关门，在运行时关闭，床身和内部机构能够被抛光槽7内抛光液飞溅到的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的涂层或者有遮罩物。
抛光时，抛光槽7内填充化学抛光液和磁性磨料，安装在主轴3的夹具5夹装工件，数控系统6控制主轴箱4向Z轴的负方向运动，直至工件于抛光槽7内的化学抛光液和磁性磨料接触，或使得工件浸没于其中。根据工件的加工需求实时调整主轴3绕Y轴的旋转角度、调整主轴3的正反转方向及转速、超声换能器2产生的振动频率和振幅、调整抛光槽7两侧转盘8与抛光槽7的间距、调整两侧及底部转盘8的旋转方向及转速。抛光过程中可根据实际加工需求更换不同粒径，不同形状的磁性磨料。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，包括主轴系统，磁场系统，抛光槽和数控系统，所述主轴系统包括可移动的主轴和连接在其上的夹具，所述夹具用于夹持待抛光件，所述主轴用于调整夹具的空间位姿，使待抛光件进入到抛光槽预设位置，所述抛光槽内盛装化学抛光液和磁性磨料，所述数控系统与主轴系统和磁场系统相连，所述磁场系统包括设置在抛光槽外部的可转动永磁体，所述可转动永磁体与抛光槽之间的距离可调，所述数控系统用于调节永磁体与抛光槽之间的位置关系，进而改变抛光槽内磁性磨料的运动轨迹与运动形态，完成待抛光件的抛光。
2.根据权利要求1所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述主轴系统包括夹具、超声换能器、主轴和安装在床身的主轴箱，所述主轴箱通过滑轨安装于床身，主轴箱用于为主轴提供Z方向的平移自由度，所述主轴安装于主轴箱，能够以主轴箱为圆心绕Y轴旋转，且自身也可以正反转，具有Z轴旋转自由度，所述超声换能器安装于主轴，用于为主轴提供Z方向超声振动，所述夹具通过快速接头安装于主轴底部，所述夹具耐酸碱腐蚀。
3.根据权利要求1所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述磁场系统包括转盘、永磁体、转盘电机和可移动地安装在床身上的转盘座，所述转盘为圆盘形结构，面向抛光槽的侧面开设有均匀分布的安装凹槽，另一侧面无安装凹槽并安装于转盘电机的电机轴上，所述转盘材料为非磁化材料，所述永磁体安装于安装凹槽内。
4.根据权利要求3所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述转盘电机安装于转盘座，用于为转盘提供动力，所述转盘座通过滑轨安装于床身，并可以沿着X轴平移移动，所述转盘座距离抛光槽最近时，安装在转盘内的永磁体不会与抛光槽接触。
5.根据权利要求3或4所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述转盘、永磁体、转盘电机和转盘座为两套，两个转盘座相对布置在抛光槽的两侧面，通过调整转盘座的位置调整永磁体与抛光槽之间的间距，用以控制抛光槽内的磁场强度，转盘座远离抛光槽时减小抛光槽内的磁场强度，转盘座靠近抛光槽时增强抛光槽内的磁场强度。
6.根据权利要求5所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，还包括底部转盘电机，所述底部转盘电机固定安装于抛光槽正下方的床身上，底部转盘电机上装有转盘和永磁体，所述转盘为圆盘形结构，面向抛光槽的侧面开设有均匀分布的安装凹槽，另一侧面无安装凹槽并安装于转盘电机的电机轴上，所述转盘材料为非磁化材料，所述永磁体安装于安装凹槽内，安装后永磁体距离抛光槽存在预设距离。
7.根据权利要求6所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述数控系统集成控制主轴箱的Z方向平移运动，主轴绕Y轴的偏转方向及偏转角度，主轴自身的转动方向及转速，3个转盘分别的转动方向及转速，两侧转盘座分别在X轴方向与抛光槽的平移距离。
8.根据权利要求1所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述抛光槽为顶部开放的立方体结构，底部四周设有支撑柱并安装在床身，其设有抛光液排料口，抛光时在抛光槽内盛装化学抛光液和磁性磨料，所述抛光槽材质为非磁性耐酸碱腐蚀材料。
9.根据权利要求1所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述抛光槽左右两侧壁的壁厚小于10mm，前后两侧壁的壁厚大于左右两侧壁的壁厚。
10.根据权利要求1所述的多磁场复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，床身和内部机构能够被抛光槽内抛光液飞溅到的表面均涂有疏水、疏油、抗腐蚀的涂层或者设置遮罩物。
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