CN115609461A - 自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法及装置,具体包括以下步骤：S1、通过压力反馈装置实现在线对刀并保持合适的压力作用；S2、纳米磨粒胶体溶液压入多孔质硬质磨盘内，并进入到可更换式抛光垫上；S3、通过具有压力反馈的高精度旋转超声平台和压力反馈装置，实现工件在电泳辅助抛光磨头下的旋转运动，并在磨粒层的作用下，达到抛光的效果。电泳辅助抛光磨头由可拔插式电泳辅助电极、电泳辅助电源、压力容腔、纳米磨粒胶体溶液、多孔质硬质磨盘和可更换式抛光垫组成，本发明纳米磨粒在线自组装，形成动态变化软磨头，自适应不同工件表面，完成机械磨削和电化学抛光共同作用，磨粒利用率高，对环境友好。

Description

自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法及装置
技术领域
本发明属于精密抛光技术领域，具体涉及一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法及装置。
背景技术
随着航天、航空和测绘等领域的迅猛发展，金属材料的用途也越来越多，除了日常生活中大量采用外，一些高新科技中也有很多独特的应用，例如在太空望远镜侦察卫星上的高分辨率相机中越来越多的应用了反射式光学系统。近年来，反射镜基底材料从早期普通玻璃以及微晶玻璃等材料开始发生转变，陶瓷类和金属类材料正逐渐取代传统的光学材料。其中最典型的就是碳化硅和铝合金材料。光学系统中的镜面必须要求有较高的面形精度，所以对光学元件表面的加工要求也随之升高。超精密抛光工艺在光学零件，特别是金属材料的光学零件表面加工制造过程中至关重要。一般来说，工件首先经过成型、磨削后才可以进行表面抛光，所以光学零件的抛光工艺属于光学表面加工的最后一道工序，重点影响工件面形质量。
应用在空间光学系统中的反射镜有其独特的工艺要求，主要考虑材料本身的热稳定性、材料的均匀性以及反射性能。用于制造空间反射镜的材料主要有：铍、石英、光学玻璃、碳化硅、金属镍、金属铝等。金属铍由于其质量轻、易加工，常作为金属反射镜的主要原材料；但是由于金属铍含有剧毒，使得铍镜的使用范围受到了一定地限制。光学玻璃作为最常用的反射镜原材料，其成本低，易加工，但是当玻璃反射镜在太空中作为观测太阳的主反射镜时，受到太阳的强烈辐射导致温度迅速上升，由于玻璃的热传导性较低，使得反射镜和周围环境之间的温差较大，形成涡流而影响观测精度。陶瓷、碳化硅镜等这些材料可以用于低温太空环境，但是，由于这些材料价格昂贵，加工周期长，装配比较困难等，其应用受到了一定程度地限制。金属铝合金具有非常适合制造光学反射镜的特性。金属铝合金在红外、可见光一直到紫外光的较宽光谱范围内都具有非常高的反射率，这使得它成为多光谱成像应用的良好选择。另外，铝合金加工性能好，质量轻，价格便宜，具有高的导热性等特点，它还是许多光学系统特别是航空应用中首选的支撑件材料，当支撑结构和光学元件都采用同样的铝材料时可以避免由于不同的热膨胀系数而引起的热应力。因此铝合金材料在空间镜面光学应用中具有重要意义。
现有技术的缺点：
铝合金作为金属类材料的代表，具有优良的光学性能，但在进行机械加工过程中，其机械物理方面的特性直接导致材料本身的镜面加工工艺可靠性较低，加工中极微小的表面划痕都有可能造成整个镜面的破坏，影响面形质量，目前主要以金刚石车削为主要加工手段，面形精度虽然较高，但是车削后的表面痕迹却会影响工件表面的反射性能，难以确保超高精度的光学系统要求。特别的由于切削加工的成形机理，其不可避免地导致在加工表面上产生切削“纹路”，从而使加工表面产生光栅效应，大大增加了镜面光的散射现象，影响系统的光学性能。常见的方法是在铝镜加工表面镀膜(比如镀镍)后再进行后续抛光，但是由于膜层(镀镍层)与铝基体的热膨胀系数不同，在温度变化时会产生“双金属效应”从而影响光学系统的使用。直接对切削后的铝镜进行抛光可以解决这个问题，然而由于铝的硬度低，要抛光到光学表面质量非常困难，一般的抛光方法会在其加工表面产生严重划痕，并且抛光液也可能会使铝镜表面氧化而降低其表面反射性能。
在结构上，根据光学系统的需要，铝合金反射镜常采用平面、球面、非球面、非回转对称曲面甚至自由曲面等复杂形状，普通的切削工艺很难满足复杂曲面的镜面抛光研究，因此必须研究采用新的抛光加工工艺才能直接对金属铝镜进行抛光。为此，我们提出一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法及装置，以解决上述背景技术中提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法，具体包括以下步骤：
S1、将工件安装在具有压力反馈的高精度旋转超声平台上，在集成控制柜的控制下，通过机床主轴及精密三维运动平台的带动下，控制电泳辅助抛光磨头和工件的相对位置，通过压力反馈装置实现在线对刀并保持合适的压力作用；
S2、通过压力容腔的作用，把预先混合好的纳米磨粒胶体溶液压入多孔质硬质磨盘内，并进入到可更换式抛光垫上，浸入可拔插式电泳辅助电极与工件表面，可拔插式电泳辅助电极在电泳辅助电源的控制下形成可控的电场环境，并根据纳米磨粒的电泳特性，促使纳米磨粒聚集到可拔插式电泳辅助电极处，在线组成软磨头结构，实现磨粒层的构建；
S3、通过具有压力反馈的高精度旋转超声平台和压力反馈装置，实现工件在电泳辅助抛光磨头下的旋转运动，并在动态变化的软磨头磨粒层的作用下，自适应不同的工件位置，达到均匀化抛光的效果。
本发明还提供一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法的装置，包括机床底座、集成控制柜、电泳辅助抛光磨头、工作液槽、精密三维运动平台以及具有压力反馈的高精度旋转超声平台；
所述机床底座上端后部安装有机床主轴，所述机床主轴上端前部安装有磨头夹具，且电泳辅助抛光磨头安装在磨头夹具上；
所述精密三维运动平台安装在机床底座上端前部，所述工作液槽安装在精密三维运动平台上，所述具有压力反馈的高精度旋转超声平台安装在工作液槽中，且具有压力反馈的高精度旋转超声平台上安装有工件，所述具有压力反馈的高精度旋转超声平台内置有压力反馈装置和高频超声振动模块；
所述电泳辅助抛光磨头由可拔插式电泳辅助电极、电泳辅助电源、压力容腔、纳米磨粒胶体溶液、多孔质硬质磨盘和可更换式抛光垫组成；
所述电泳辅助抛光磨头内分布有若干组可拔插式电泳辅助电极，且可拔插式电泳辅助电极与电泳辅助电源电性连接，所述压力容腔包裹在多孔质硬质磨盘上，纳米磨粒胶体溶液在压力容腔内，所述可更换式抛光垫安装在多孔质硬质磨盘底部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种自适应均匀化动态软磨头超声电化学精密抛光方法及装置，本发明工作液槽内安装有具有压力反馈的高精度旋转超声平台，工件安装在具有压力反馈的高精度旋转超声平台上，在加工过程中实现高精度旋转，可以保证在超精密抛光过程中工件必要的旋转运动精度及角度控制，同时，可以带动工件进行高频超声振动。
工作液槽安装在精密三维运动平台上，通过精密三维运动平台的运动，调节工件相对于电泳辅助抛光磨头的位置，保证加工的位置精度及不同部位的抛光。
具有压力反馈的高精度旋转超声平台集成了高频超声振动模块，可以在加工中带动工件实现高频的超声振动，同时，超声振动效果可以对纳米磨粒的更新和电化学抛光中的产物去除起到积极的作用，有利于加工的持续性和稳定性。
电泳辅助抛光磨头内分布有多根可拔插式电泳辅助电极，其与电泳辅助电源相连接，电泳辅助电源可以实现正负极可控切换，并通过电泳辅助可拔插式电泳辅助电极与工件构建不同电场环境，软化金属表面材料，实现电化学抛光效果。
可拔插式电泳辅助电极通过电泳辅助电源构建电场后，由于纳米磨粒的电泳特性，还可以通过构建的不同电场环境，实现不同位置的磨粒层自适应增长，满足不同工件部位的抛光要求，提高磨粒的利用率，形成自适应均匀化抛光效果。
可拔插式电泳辅助电极在电泳辅助电源的作用下，可以与工件实现构建辅助电场，实现纳米磨粒的局部聚集，进入微槽、窄缝等难抛光区域，实现复杂内表面的抛光。
附图说明
图1为本发明自适应均匀化动态软磨头超声电化学精密抛光方法的装置结构示意图；
图2为本发明电泳辅助抛光磨头的结构示意图。
图中：11、机床底座；12、集成控制柜；13、机床主轴；14、磨头夹具；15、电泳辅助抛光磨头；16、工作液槽；17、具有压力反馈的高精度旋转超声平台；18、精密三维运动平台；21、纳米磨粒；22、可拔插式电泳辅助电极；23、电泳辅助电源；24、压力容腔；25、纳米磨粒胶体溶液；26、多孔质硬质磨盘；27、可更换式抛光垫；28、工件。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明提供了如图1-2的一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法，具体包括以下步骤：
S1、将工件28安装在具有压力反馈的高精度旋转超声平台17上，在集成控制柜12的控制下，通过机床主轴13及精密三维运动平台18的带动下，控制电泳辅助抛光磨头15和工件28的相对位置，通过压力反馈装置实现在线对刀并保持合适的压力作用；
S2、通过压力容腔24的作用，把预先混合好的纳米磨粒胶体溶液25压入多孔质硬质磨盘26内，并进入到可更换式抛光垫27上，浸入可拔插式电泳辅助电极22与工件28表面，可拔插式电泳辅助电极22在电泳辅助电源23的控制下形成可控的电场环境，并根据纳米磨粒21的电泳特性，促使纳米磨粒21聚集到可拔插式电泳辅助电极22处，在线组装动态变化软磨头，实现自适应磨粒层的构建；
S3、通过具有压力反馈的高精度旋转超声平台17和压力反馈装置，实现工件28在电泳辅助抛光磨头15下的旋转运动，并在磨粒层的作用下，达到抛光的效果。
通过调节纳米磨粒胶体溶液25溶剂成分，可以改变溶液的电导率，构建的辅助电场通过可拔插式电泳辅助电极22极性切换，不仅可以实现纳米磨粒21的吸附作用，还可以对工件28产生弱电解作用，软化金属表面材料，实现电化学抛光。
通过电泳辅助电源23的控制，实现可拔插式电泳辅助电极22的不同电极下的不同电场环境，实现不同位置的磨粒层自适应增长，满足不同工件部位的抛光要求，提高磨粒的利用率，形成自适应均匀化抛光效果，对工件28不同位置不同程度的抛光。
对于工件28特殊部位，如微槽，狭缝，复杂曲面等难以进行抛光的部位，在电泳辅助电源23和可拔插式电泳辅助电极22的控制下，根据磨粒层可变的特性，控制不同位置的磨粒层的厚度及磨粒层增长速度，通过磨粒层自适应增厚的作用，使纳米磨粒21进入微槽、狭缝和复杂曲面的部位，实现不同位置抛光的均匀化作用。不需要通过精密三维运动平台18调节工件28位置，通过磨粒层厚度的增加，就能达到在抛光过程中去除更多的工件材料，能够实现更高精度的材料去除效果，达到工件28超精密抛光，同时在高频振动的超声作用下，可以实现产物的去除和纳米磨粒21的更新，有助于提高加工的持续性，实现稳定的抛光加工过程。
本发明还提供了一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法的装置，包括机床底座11、集成控制柜12、电泳辅助抛光磨头15、工作液槽16、精密三维运动平台18以及具有压力反馈的高精度旋转超声平台17；
所述机床底座11上端后部安装有机床主轴13，所述机床主轴13上端前部安装有磨头夹具14，且电泳辅助抛光磨头15安装在磨头夹具14上；
所述精密三维运动平台18安装在机床底座11上端前部，所述工作液槽16安装在精密三维运动平台18上，所述具有压力反馈的高精度旋转超声平台17安装在工作液槽16中，且具有压力反馈的高精度旋转超声平台17上安装有工件28，所述具有压力反馈的高精度旋转超声平台17内置有压力反馈装置和高频超声振动模块；
如图1所示，磨头夹具14安装在机床主轴13上，机床主轴13安装在机床底座11上，保证机床主轴13在运动过程中的结构稳定性。
如图1所示，电泳辅助抛光磨头15安装在磨头夹具14上，可以保证电泳辅助抛光磨头15在加工和运动过程中的定位精度。
如图1所示，工作液槽16内安装有具有压力反馈的高精度旋转超声平台17，工件28安装在具有压力反馈的高精度旋转超声平台17上，在加工过程中实现高精度旋转，可以保证在超精密抛光过程中工件28必要的旋转运动精度及角度控制，同时，可以带动工件28进行高频超声振动。
如图1所示，具有压力反馈的高精度旋转超声平台17集成了高频超声振动模块，可以在加工中带动工件28实现高频的超声振动，同时，超声振动效果可以对纳米磨粒21的更新和电化学抛光中的产物去除起到积极的作用，有利于加工的持续性和稳定性。
如图1所示，工作液槽16安装在精密三维运动平台18上，通过精密三维运动平台18的运动，调节工件28相对于电泳辅助抛光磨头15的位置，保证加工的位置精度及不同部位的抛光。
如图1所示，具有压力反馈的高精度旋转超声平台17内具有压力反馈装置，可以实时输出加工过程中工件28所受的压力，并通过控制程序实现恒压力控制。
如图1所示，集成控制柜12与机床各部件相连接，对加工过程中的所有程序选择及反馈信息进行控制，通过预先设定的控制程序，实现超精密电化学抛光自适应运行。
如图2所示，所述电泳辅助抛光磨头15由可拔插式电泳辅助电极22、电泳辅助电源23、压力容腔24、纳米磨粒胶体溶液25、多孔质硬质磨盘26和可更换式抛光垫27组成；
如图2所示，所述电泳辅助抛光磨头15内分布有若干组可拔插式电泳辅助电极22，且可拔插式电泳辅助电极22与电泳辅助电源23电性连接，电泳辅助电源23可以实现正负极可控切换，并通过电泳辅助可拔插式电泳辅助电极22与工件28构建不同电场环境，软化金属表面材料，实现电化学抛光效果。
电泳辅助电源23可以同时输出不同的电参数，使与其相连接的不同可拔插式电泳辅助电极22与工件28间形成不同的电场环境。
所述压力容腔24包裹在多孔质硬质磨盘26上，纳米磨粒胶体溶液25在压力容腔24内，所述可更换式抛光垫27安装在多孔质硬质磨盘26底部。
通过在压力容腔24内添加具有一定压力的胶体溶液，把纳米磨粒胶体溶液25压入多孔质硬质磨盘26内，再进入可更换式抛光垫27，连通电泳辅助电源23与工件28。
可拔插式电泳辅助电极22通过电泳辅助电源23构建电场后，由于纳米磨粒21的电泳特性，可以在可拔插式电泳辅助电极22上聚集，在线组装动态变化软磨头，通过构建的不同电场环境，实现不同位置的磨粒层自适应增长，满足不同工件部位的抛光要求，提高磨粒的利用率，形成自适应均匀化抛光效果
可拔插式电泳辅助电极22在电泳辅助电源23的作用下，可以与工件28实现构建辅助电场，实现纳米磨粒21的局部聚集，进入微槽、窄缝等难抛光区域，实现复杂内表面的均匀化抛光。
综上所述，与现有技术相比，本发明利用纳米金刚石(即纳米磨粒21)在胶体溶液中的电泳特性，实现纳米磨粒21在线自组装程软磨头，完成机械磨削抛光作用，结合溶液的弱电解效应和超声高频振动效果，达到难加工金属材料表面复合精密抛光加工的效果。
以可控电源为手段，以创新的可拔插式电泳辅助电极22和工件28作为电泳辅助电极，在加工区域形成可控电场，实现纳米磨粒的在线自组装，达到微量自进给磨粒增长，自动调节磨削区域加工压力自适应复杂曲面表面，达到均匀化抛光的效果，同时可以在金属工件表面产生弱电解效应，软化金属表面，使电泳组装纳米磨粒更容易去除表面材料，配合超声高频振动辅助实现纳米磨粒更新，以及高频振动中纳米磨粒产生的冲击作用实现材料微量去除，是一种磨粒利用率高，环境友好的超精密金属材料抛光方法。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、将工件(28)安装在具有压力反馈的高精度旋转超声平台(17)上，在集成控制柜(12)的控制下，通过机床主轴(13)及精密三维运动平台(18)的带动下，控制电泳辅助抛光磨头(15)和工件(28)的相对位置，通过压力反馈装置实现在线对刀并保持合适的压力作用；
S2、通过压力容腔(24)的作用，把预先混合好的纳米磨粒胶体溶液(25)压入多孔质硬质磨盘(26)内，并进入到可更换式抛光垫(27)上，浸入可拔插式电泳辅助电极(22)与工件(28)表面，可拔插式电泳辅助电极(22)在电泳辅助电源(23)的控制下形成可控的电场环境，并根据纳米磨粒(21)的电泳特性，促使纳米磨粒(21)聚集到可拔插式电泳辅助电极(22)处，实现动态变化软磨头的磨粒层构建；
S3、通过具有压力反馈的高精度旋转超声平台(17)和压力反馈装置，实现工件(28)在电泳辅助抛光磨头(15)下的旋转运动，并在磨粒层的作用下，达到抛光的效果。
2.根据权利要求1所述的一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法，其特征在于：通过调节纳米磨粒胶体溶液(25)溶剂成分，改变溶液的电导率，构建的辅助电场通过可拔插式电泳辅助电极(22)极性切换，基于纳米磨粒(21)的电泳特性，完成磨粒在线吸附作用，并对工件(28)产生弱电解作用，软化金属表面材料，同时实现机械和电化学抛光。
3.根据权利要求1所述的一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法，其特征在于：通过电泳辅助电源(23)的控制，实现可拔插式电泳辅助电极(22)的不同电极下的不同电场环境，控制软磨头的组装，对工件(28)不同位置不同程度的抛光。
4.根据权利要求1所述的一种自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法，其特征在于：对于工件(28)的微槽、狭缝和复杂曲面的部位，在电泳辅助电源(23)和可拔插式电泳辅助电极(22)的控制下，根据磨粒层在线组装和可变的特性，控制不同位置的磨粒层的厚度及磨粒层增长速度，通过磨粒层自适应增厚的作用，使纳米磨粒(21)进入微槽、狭缝和复杂曲面的部位，实现均匀化抛光的自进给作用。
5.一种权利要求1-4任意一项所述的自适应均匀化动态软磨头辅助超声电化学抛光方法的装置，包括机床底座(11)、集成控制柜(12)、电泳辅助抛光磨头(15)、工作液槽(16)、精密三维运动平台(18)以及具有压力反馈的高精度旋转超声平台(17)，其特征在于：所述机床底座(11)上端后部安装有机床主轴(13)，所述机床主轴(13)上端前部安装有磨头夹具(14)，且电泳辅助抛光磨头(15)安装在磨头夹具(14)上；
所述精密三维运动平台(18)安装在机床底座(11)上端前部，所述工作液槽(16)安装在精密三维运动平台(18)上，所述具有压力反馈的高精度旋转超声平台(17)安装在工作液槽(16)中，且具有压力反馈的高精度旋转超声平台(17)上安装有工件(28)，所述具有压力反馈的高精度旋转超声平台(17)内置有压力反馈装置和高频超声振动模块；
所述电泳辅助抛光磨头(15)由可拔插式电泳辅助电极(22)、电泳辅助电源(23)、压力容腔(24)、纳米磨粒胶体溶液(25)、多孔质硬质磨盘(26)和可更换式抛光垫(27)组成；
所述电泳辅助抛光磨头(15)内分布有若干组可拔插式电泳辅助电极(22)，且可拔插式电泳辅助电极(22)与电泳辅助电源(23)电性连接，所述压力容腔(24)包裹在多孔质硬质磨盘(26)上，纳米磨粒胶体溶液(25)在压力容腔(24)内，所述可更换式抛光垫(27)安装在多孔质硬质磨盘(26)底部。
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