CN114055330B - 一种多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备 - Google Patents

Abstract

本发明一种多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，包括床身和安装在床身内的主轴系统、滚桶系统、喷射系统和数控系统，主轴系统包括主轴和连接在其上的夹具，主轴用于调整夹具的空间位姿，使待抛光件进入到滚桶系统的滚筒内预设位置，喷射系统用于对待抛光件喷射抛光液，抛光液能够进入滚筒中，滚筒系统还包括控制滚筒运动状态的机械装置，数控系统用于调节滚桶运动状态使得滚桶中的抛光液具备动能，结合主轴的运动状态和喷射系统的作用，完成待抛光件的抛光。本发明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，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。

Description

一种多自由度涡流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，尤其涉及一种多自由度涡流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，而提供一种多自由度涡流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：

一种多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，包括床身和安装在床身内的主轴系统、滚桶系统、喷射系统和数控系统，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，使待抛光件进入到滚桶系统的滚筒内预设位置，所述喷射系统用于对待抛光件喷射抛光液，抛光液能够进入滚筒中，所述滚筒系统还包括控制滚筒运动状态的机械装置，所述数控系统与主轴系统和滚筒系统相连，所述数控系统用于调节滚桶运动状态使得滚桶中的抛光液具备动能，结合主轴的运动状态和喷射系统的作用，完成待抛光件的抛光。

进一步地，所述主轴系统包括联动的X轴导轨、Z轴导轨和主轴箱，所述主轴为超声波主轴，所述X轴导轨和Z轴导轨相连，所述主轴箱设置在Z轴导轨上，主轴箱可绕Y轴旋转预设角度，为超声波主轴提供Y轴旋转自由度，所述X轴导轨为超声波主轴提供X轴平移自由度，所述Z轴导轨为超声波主轴提供Z轴平移自由度。

进一步地，所述滚桶系统包括滚桶支架、滚桶保持架、滚桶和滚桶电机，所述滚桶支架安装于床身，所述滚桶保持架安装在滚桶支架上，滚桶保持架呈圆桶状结构，在内壁底部和四周安装有圆环形滚动导轨，用于支撑和约束滚桶，滚桶保持架能够绕X轴沿顺时针方向旋转预设角度，为滚桶提供X轴旋转自由度，滚桶保持架底部中心位置处安装有滚桶电机，用于为滚桶提供旋转动力。

进一步地，所述滚桶保持架外壁周围均匀安装有机械振子，其用于为滚桶提供振动力。

进一步地，抛光时滚桶内盛有抛光液，滚桶在旋转时可搅拌抛光液，使抛光液具备动能。

进一步地，所述喷射系统包括进料管、喷射泵和喷射管，所述进料管一端通过回转接头与滚桶底部连接并与滚桶内部相通，进料管另一端与喷射泵相通，所述喷射管固定在滚桶保持架外壁，一端与喷射泵相通，一端伸入滚桶内并对准夹具夹持的工件，在开启喷射泵时可汲取滚桶内的抛光液，通过喷射管喷射夹具上夹装的工件。

进一步地，所述数控系统对X轴导轨、夹具、超声波主轴、主轴箱、Z轴导轨、喷射泵、滚桶电机、机械振子、滚桶支架、滚桶保持架、滚桶各部件的运行集成联动控制。

进一步地，床身和内部机构能够被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。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种多自由度涡流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。抛光过程中通过滚桶旋转、机械振子振动使得滚桶中的抛光液具备动能，结合主轴的转速和偏转角度的变化，喷射系统的喷射作用力以及主轴的轴向超声振动作用，使得抛光液中的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。

图中：1、X轴导轨；2、夹具；3、超声波主轴；4、主轴箱；5、Z轴导轨；6、数控系统；7、喷射管；8、喷射泵；9、进料管；10、滚桶电机；11、机械振子；12、床身；13、滚桶支架；14、滚桶保持架；15、滚桶。

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，本发明实施例公开了一种多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，包括床身和安装在床身内的主轴系统、滚桶系统、喷射系统和数控系统，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，使待抛光件进入到滚桶系统的滚筒内预设位置，所述喷射系统用于对待抛光件喷射抛光液，抛光液能够进入滚筒中，所述滚筒系统还包括控制滚筒运动状态的机械装置，所述数控系统与主轴系统和滚筒系统相连，所述数控系统用于调节滚桶运动状态使得滚桶中的抛光液具备动能，结合主轴的运动状态和喷射系统的作用，完成待抛光件的抛光。所述主轴系统内设有具有Z向超声振动和Z向伸缩自由度的超声波主轴3，超声波主轴3底端安装有气动快速接口的夹具2，用于夹装工件，在夹具2夹装工件时开启超声波主轴3的超声波，可为工件提供Z方向的超声振动，装备为立式六轴联动结构，能实现复杂曲面的化学机械抛光过程联动加工。

本发明主轴系统包括床身12和安装在床身12内的X轴导轨1、Z轴导轨5、主轴箱4，超声波主轴3，夹具2。所述X轴导轨1安装在床身12为主轴提供X轴平移自由度，所述Z轴导轨5安装在X轴导轨1为主轴提供Z轴平移自由度，所述主轴箱4安装在Z轴导轨5，主轴箱4可绕Y轴旋转±60°，具体地，主轴箱和Z轴导轨通过滑块安装，主轴箱安装在滑块上并且能够绕着其转动，为超声波主轴3提供Y轴旋转自由度，所述超声波主轴3安装在主轴箱4，超声波主轴3内置伸缩装置为主轴提供Z轴平移自由度，超声波主轴3安装有超声换能器及变幅杆可为主轴提供Z方向的超声振动，超声频率与超声振幅由数控系统6控制，所述夹具2与超声波主轴3通过快速接口连接可根据不同工件类型快速更换，夹具2耐腐蚀。

所述滚桶系统包括床身12和安装在床身12内的滚桶支架13，滚桶保持架14，滚桶15，机械振子11，滚桶电机10，所述滚桶支架13安装于床身12，所述滚桶保持架14安装于滚桶支架13，滚桶保持架14可绕X轴沿顺时针方向旋转-30°～100°，为滚桶15提供X轴旋转自由度，滚桶保持架14绕X轴旋转至100°时用以方便去除滚桶15内的抛光液，滚桶保持架14呈圆桶状结构，在内壁底部和四周安装有圆环形滚动导轨，所述滚桶15外壁和外底部安装有圆环形滚动导轨，通过圆环形滚动导轨安装在滚桶保持架14内，滚桶15可绕Z轴旋转，滚桶15内壁和内底部安装有截面是梯形的扰流板，用于滚桶旋转时搅动滚桶内的抛光液，滚桶15由耐腐蚀材料制成，所述滚桶电机10安装在滚桶保持架14底部中心位置处，滚桶电机10的电机主轴与滚桶15底部中心位置固定，滚桶电机10为滚桶15提供旋转动力，所述机械振子11均匀安装于滚桶保持架14外壁周围，为滚桶15提供振动力，机械振子11的振幅与频率由数控系统6控制。

所述喷射系统包括进料管9，喷射泵8，喷射管7，所述进料管9一端通过回转接头与滚桶15底部连接，并与滚桶15内部相通，进料管9另一端与喷射泵8相通，所述喷射泵8安装在床身12，喷射泵8的流量由数控系统6控制，所述喷射管7固定在滚桶保持架14外壁，一端与喷射泵8相通，一端伸入滚桶15内并对准夹具2夹持的工件，所述进料管9、喷射泵8、喷射管7均耐腐蚀。

所述数控系统6对X轴导轨1、夹具2、超声波主轴3、主轴箱4、Z轴导轨5、喷射泵8、滚桶电机10、机械振子11、滚桶支架13、滚桶保持架14、滚桶15联动控制。

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滚桶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。

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 (5)

1.一种多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，包括床身和安装在床身内的主轴系统、滚桶系统、喷射系统和数控系统，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，使待抛光件进入到滚桶系统的滚桶内预设位置，所述喷射系统用于对待抛光件喷射抛光液，抛光液能够进入滚桶中，所述滚桶系统还包括控制滚桶运动状态的机械装置，所述数控系统与主轴系统和滚桶系统相连，所述数控系统用于调节滚桶运动状态使得滚桶中的抛光液具备动能，结合主轴的运动状态和喷射系统的作用，完成待抛光件的抛光；

所述滚桶系统包括滚桶支架、滚桶保持架、滚桶和滚桶电机，所述滚桶支架安装于床身，所述滚桶保持架安装在滚桶支架上，滚桶保持架呈圆桶状结构，在内壁底部和四周安装有圆环形滚动导轨，用于支撑和约束滚桶，滚桶保持架能够绕X轴沿顺时针方向旋转预设角度，为滚桶提供X轴旋转自由度，滚桶保持架底部中心位置处安装有滚桶电机，用于为滚桶提供旋转动力；

所述滚桶保持架外壁周围均匀安装有机械振子，其用于为滚桶提供振动力；

抛光时滚桶内盛有抛光液，滚桶在旋转时可搅拌抛光液，使抛光液具备动能；抛光液中的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。

2.根据权利要求1所述的多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述主轴系统包括联动的X轴导轨、Z轴导轨和主轴箱，所述主轴为超声波主轴，所述超声波主轴安装在主轴箱，所述X轴导轨和Z轴导轨相连，所述主轴箱设置在Z轴导轨上，主轴箱可绕Y轴旋转预设角度，为超声波主轴提供Y轴旋转自由度，所述X轴导轨为超声波主轴提供X轴平移自由度，所述Z轴导轨为超声波主轴提供Z轴平移自由度。

3.根据权利要求1或2所述的多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述喷射系统包括进料管、喷射泵和喷射管，所述进料管一端通过回转接头与滚桶底部连接并与滚桶内部相通，进料管另一端与喷射泵相通，所述喷射管固定在滚桶保持架外壁，一端与喷射泵相通，一端伸入滚桶内并对准夹具夹持的工件，在开启喷射泵时可汲取滚桶内的抛光液，通过喷射管喷射夹具上夹装的工件。

4.根据权利要求3所述的多自由度涡流复杂曲面化学机械抛光装备，其特征在于，所述数控系统对X轴导轨、夹具、超声波主轴、主轴箱、Z轴导轨、喷射泵、滚桶电机、机械振子、滚桶支架、滚桶保持架、滚桶各部件的运行集成联动控制。

5.根据权利要求1所述的多自由度涡流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。

Images