CN207669132U - 基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转式抛光工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于水力空化结构的气‑液‑固三相磨粒流旋转抛光工具，包括气‑液‑固三相混合装置、直通转接头、加工工具自转运动装置、空心流道管、空化抛光装置和工件固定平台，工件安装在工件固定平台上；所述气‑液‑固三相混合装置设置在整个装置的最上方，气‑液‑固三相混合装置的下端出口与直通转接头的上端固定连接，直通转接头的下端连接加工工具自转运动装置，加工工具自转运动装置通过空心流道管连接空化抛光装置，工件固定平台设置在空化抛光装置的正下方。本实用新型利用大入口、中间约束流道和较大出口流道设计，实现了液体本身的水力空化；通过电机带动整个抛光工具进行旋转，有效解决了工件表面抛光不均匀的问题。

Description

基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转式抛光工具

技术领域

本实用新型涉及精密与超精密抛光加工领域，更具体地说，尤其涉及一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具。

背景技术

随着现代光学、电子信息等领域的高速发展，精密和超精密的光学和半导体元器件被越来越多的使用，实现此类光学元器件工作表面的超精密抛光具有重大意义。

现有应用于电子信息材料精密加工的方法主要分为工具接触式抛光和流体非接触式抛光。相对工具接触式抛光而言，流体非接触式抛光由于流体介质的缓冲作用，不易产生加工变质层，更适合大面积或自由曲面光学元件的超精密加工，该方法已经越来越多的被应用到光学材料和半导体材料加工中，然而液体抛光效率低的天生缺陷极大的限制了液体抛光的实际使用，因此在确保不出现加工变质层的表面亚损伤的前提下实现低成本、高效率的抛光是精密制造领域急需解决的难题。利用空化冲击作用产生的微射流辅助抛光加工的方法已经被广泛使用。例如专利CN201510056123.1提出一种利用气液固三相磨粒流的超声波抛光加工装置，该装置利用超声波产生超声空化提高加工效率，但是超声波能耗利用率比较低，大部分的能量以热能形式损耗，而且一套适应性好的超声设备价格昂贵。又例如申请号为CN201610914661.4的中国实用新型专利提出了一种基于结构空化效应的高效流体光整加工方法及装置，利用文丘里管结构产生结构空化以提高加工效率，然而并没有具体说明该结构内部具体构造，并且在压力及外部条件一定的情况下，结构空化效果不明显，抛光均匀性不好。再例如申请号为CN201510056821.1的中国实用新型专利提出了一种基于三相磨粒流的超光滑表面精密流体圆盘抛光装置，该装置在入口处通入微气泡，利用微气泡的溃灭驱动磨粒运动，从而提高抛光效率，但是该方法仅通过外部注入微气泡的方式，不能断定是否会产生空化现象，而且普通微气泡产生的微射流能量远小于水力空化或超声空化，提高抛光效率的能力有限；同时该方法利用三个入口通入磨粒流、三个入口通入微气泡，无法在圆周上达到均匀地去除，而且需要外部设备较多，成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中的缺陷，提出了一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，在不增加加工成本与抛光系统复杂性的基础上，通过改变抛光工具结构与抛光工具的自转运动从而提高气-液-固三相流抛光效率、改善抛光均匀性和大平面加工问题。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，包括气-液-固三相混合装置、直通转接头、加工工具自转运动装置、空心流道管、空化抛光装置和工件固定平台，需要加工的工件安装在工件固定平台上；所述气-液-固三相混合装置设置在整个装置的最上方，气-液-固三相混合装置的下端出口与直通转接头的上端固定连接，直通转接头的下端连接加工工具自转运动装置，加工工具自转运动装置通过空心流道管连接空化抛光装置，工件固定平台设置在空化抛光装置的正下方；气-液-固三相混合装置、直通转接头、加工工具自转运动装置、空心流道管和空化抛光装置内部形成完整的竖直流道。

进一步的，所述气-液-固三相混合装置包括气-液混合腔和气动单向阀，所述气-液混合腔为竖直设置的圆筒腔，气-液混合腔上端开有磨粒流入口，气-液混合腔下端开有磨粒流出口，气-液混合腔中部设有一个微型的气体入口，气动单向阀连接该微型的气体入口且与气-液混合腔连通，气体通过气动单向阀注入气-液混合腔中。

进一步的，气动单向阀水平安装在气-液混合腔的侧壁上，气流经过气动单向阀呈水平状态混入气-液混合腔的液-固两相流中形成气-液-固三相磨粒流。

进一步的，气-液-固三相混合装置的下端通过螺纹连接直通转接头。

进一步的，所述加工工具自传运动装置包括电机固定板、驱动电机、主动带轮、同步带、从动带轮、万向接头前端、万向接头后端、万向接头轴承、左紧固板、右紧固板、轴承座和加工部分底座，所述万向接头前端与直通转接头通过螺纹连接，左紧固板和右紧固板固定连接并将万向接头前端装夹在左紧固板和右紧固板之间，所述右紧固板固定在加工部分底座上；所述万向接头前端和万向接头后端通过万向接头轴承连接；所述万向接头后端与空心流道管的上端通过螺纹固定连接，空心流道管通过轴承座安装在加工部分底座上；所述从动带轮固定在空心流道管上，所述驱动电机固定在电机固定板上，电机固定板固定在加工部分底座上，主动带轮固定在驱动电机的电机头上，主动带轮和从动带轮通过同步带连接，驱动电机运动时带动主动带轮转动，通过同步带带动从动带轮转动，进而带动万向接头后端与空心流道管组成的整体一起转动。

进一步的，万向接头前端的内表面与万向接头轴承的外表面过盈配合，万向接头前端和万向接头轴承之间还设置有用于周向定位的大弹性挡圈，万向接头后端的外表面与万向接头轴承的内表面过渡配合；空心流道管与轴承座之间通过转动轴承连接，所述空心流道管的外表面与转动轴承的内圈过渡配合，轴承座内圈的沟槽中设置有用于转动轴承轴向定位的小弹性挡圈，转动轴承的外圈与轴承座的内圈过盈配合。

进一步的，所述空心流道管上还设置有自锁螺母，自锁螺母的一端紧靠转轴轴承，实现转动轴承的轴向定位，另一端紧靠从动带轮的下表面，实现从动带轮的轴向定位，所述从动带轮的上表面紧靠万向接头后端；所述万向接头前端的外表面与左紧固板和右紧固板的内表面形成过渡配合，所述左紧固板和右紧固板通过螺钉固定；所述空心流道管的底部还设置有法兰盘，法兰盘的内圈与空心流道管的外圈间隙配合，挡水板通过螺钉固定在法兰盘上，挡水板罩在工件固定平台的上方且将法兰盘和空化抛光装置完全罩住。

进一步的，所述空化抛光装置包括一分多转接口、水管转接头、可视上底板和抛光工具，所述一分多转接口的上端入口连接空心流道管的底端，所述一分多转接口的多个转接口分别连接水管转接头；所述一分多转接口的下表面与抛光工具的上表面相贴合，一分多转接口的下表面与抛光工具的上表面通过螺栓连接；所述抛光工具内部设置有上下贯穿的竖直内腔，竖直内腔的顶部设置有可视上底板并将竖直内腔的上端封闭，所述抛光工具侧面均布多个流道入口，每个流道入口通过软管连接一个水管转接头，空心流道管流出的液体经过一分多转接口后由连接一分多转接口的多个个水管转接头输送到抛光工具的多个流道入口中并由多个流道入口进入抛光工具的竖直内腔中。

进一步的，所述抛光工具的流道入口呈圆周均布，且流道入口的数量为3-6个，水管转接头的数量和流道入口的数量保持一致；所述抛光工具的下表面呈内凹型，抛光工具的底面边缘设置有圆角。进一步的，所述抛光工具的下底面和工件上表面之间形成约束流道，越靠近约束流道中部入口处和越靠近边缘出口处的流道间隙越大，越靠近约束流道中间部分的流道间隙越小。

进一步的，所述工件固定平台包括工件、工件底座、负压底座、橡胶垫圈、内六角螺钉；所述工件底座上表面和下表面铣制有凹槽，上表面的凹槽表面开有多个阵列分布的通孔；所述工件固定于上表面的凹槽中；所述橡胶垫圈嵌套在下凹槽中；所述负压底座和工件底座中间有空腔，负压底座中心开有螺纹孔，负压底座和工件底座通过内六角沉头螺钉连接。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型将多个流道入口集成于一个流道入口，降低配套设备费用。

2、本实用新型利用较大入口、中间约束流道和较大出口流道设计，实现了液体本身的水力空化，是真正的空化现象，空化能量大，提高了加工效率。

3、本实用新型利用抛光工具下表面呈内凹型和抛光工具外表面的圆角实现磨粒流的二次水力空化，提高了抛光效率。

4、本实用新型通过电机带动整个抛光工具进行旋转，有效的解决了工件表面抛光不均匀的问题。

5、本实用新型把气泡炸裂和水力空化相结合，既使空化强度可控，又提高了抛光的效率。

6、本实用新型通过将可控气流混入磨粒流中，增加了磨粒流中空化气核的数量，增加了空化概率和空化质量，提高了抛光效率。

7、本实用新型可在加工部分底座上增加两个平面自由度，可实现大平面光学元件的抛光加工。

8、本实用新型整体采用螺纹连接，既保证了抛光装置的强度可靠性，又便于更换零件和抛光工具。

附图说明

图1是本实用新型一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具轴测图

图2是本实用新型空化抛光工具和工件固定平台的局部视图。

图3是本实用新型一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具剖视图。

图4是本实用新型空化抛光装置和。工件固定平台的局部剖视视图。

图5是本实用新型空化抛光装置的俯视图。

图中，1-气-液混合腔，2-直通转接头，3-万向接头前端，4-左紧固板，5-右紧固板，6-万向接头后端，7-空心流道管，8-挡水板，9-轴承座，10-加工部分底座，11-同步带，12-主动带轮，13-螺钉，14-驱动电机，15-气动单向阀，16-万向接头轴承，17-从动带轮，18-转动轴承，19-小弹性挡圈，20-法兰盘，21-一分多转接口，22-抛光工具，23-工件底座，24-工件，25-负压底座，26-内六角沉头螺钉，27-螺栓，28-水管转接头，29-拧紧螺钉，30-大弹性挡圈，31-电机固定板，32-可视上底板，33-自锁螺母，34-流道入口，35-橡胶垫圈。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1～5所示，一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具包括气-液-固三相混合装置、直通转接头2、加工工具自转运动装置、空心流道管7、空化抛光装置和工件固定平台，需要加工的工件安装在工件固定平台上；所述气-液-固三相混合装置设置在整个装置的最上方，气-液-固三相混合装置的下端出口与直通转接头2的上端固定连接，直通转接头2的下端连接加工工具自转运动装置，加工工具自转运动装置通过空心流道管7连接空化抛光装置，工件固定平台设置在空化抛光装置的正下方；气-液-固三相混合装置、直通转接头2、加工工具自转运动装置、空心流道管7和空化抛光装置内部形成完整的竖直流道。

所述气-液-固三相混合装置包括气-液混合腔1和气动单向阀15，所述气-液混合腔1为竖直设置的圆筒腔，气-液混合腔1上端开有磨粒流入口，气-液混合腔1下端开有磨粒流出口，气-液混合腔1中部设有一个微型的气体入口，气动单向阀15连接该微型的气体入口且与气-液混合腔1连通，气体通过气动单向阀15注入气-液混合腔1中。

气动单向阀15水平安装在气-液混合腔1的侧壁上，气流经过气动单向阀15呈水平状态混入气-液混合腔1的液-固两相流中形成气-液-固三相磨粒流。

所述加工工具自传运动装置包括电机固定板31、驱动电机14、主动带轮12、同步带11、从动带轮17、万向接头前端3、万向接头后端6、万向接头轴承16、左紧固板4、右紧固板5、轴承座9和加工部分底座10，所述万向接头前端3与直通转接头2通过螺纹连接，左紧固板4和右紧固板5固定连接并将万向接头前端3装夹在左紧固板4和右紧固板5之间，左紧固板4和右紧固板5通过螺钉13紧固在一起，且二者连接处设置有环形槽，万向接头前端3装夹在该环形槽内，所述右紧固板5固定在加工部分底座10上；所述万向接头前端3和万向接头后端6通过万向接头轴承16连接；所述万向接头后端6与空心流道管7的上端通过螺纹固定连接，空心流道管7通过轴承座9安装在加工部分底座10上；所述从动带轮17固定在空心流道管7上，所述驱动电机14固定在电机固定板31上，电机固定板31固定在加工部分底座10上，主动带轮12固定在驱动电机14的电机头上，主动带轮12和从动带轮17通过同步带11连接，驱动电机14运动时带动主动带轮12转动，通过同步带11带动从动带轮17转动，进而带动万向接头后端6与空心流道管7组成的整体一起转动。

万向接头前端3的内表面与万向接头轴承16的外表面过盈配合，万向接头前端3和万向接头轴承16之间还设置有用于周向定位的大弹性挡圈30，万向接头后端6的外表面与万向接头轴承16的内表面过渡配合；空心流道管7与轴承座9之间通过转动轴承18连接，所述空心流道管7的外表面与转动轴承18的内圈过渡配合，轴承座9内圈的沟槽中设置有用于转动轴承18轴向定位的小弹性挡圈19，转动轴承18的外圈与轴承座9的内圈过盈配合。

所述空心流道管7上还设置有自锁螺母33，自锁螺母33的一端紧靠转轴轴承，实现转动轴承18的轴向定位，另一端紧靠从动带轮17的下表面，实现从动带轮17的轴向定位，所述从动带轮17的上表面紧靠万向接头后端6；所述空心流道管7的底部还设置有法兰盘20，法兰盘20的内圈与空心流道管7的外圈间隙配合，挡水板8通过拧紧螺钉29固定在法兰盘20上，挡水板8罩在工件固定平台的上方且将法兰盘20和空化抛光装置完全罩住。

所述空化抛光包括一分多转接口21、水管转接头28、可视上底板32和抛光工具22，所述一分多转接口21的上端入口连接空心流道管7的底端，所述一分多转接口21的多个转接口分别连接水管转接头28；所述一分多转接口21的下表面与抛光工具22的上表面相贴合，一分多转接口21的下表面与抛光工具22的上表面通过螺栓27连接；所述抛光工具22内部设置有上下贯穿的竖直内腔，竖直内腔的顶部设置有可视上底板32并将竖直内腔的上端封闭，所述抛光工具22侧面均布多个流道入口34，每个流道入口34通过软管连接一个水管转接头28，空心流道管7流出的液体经过一分多转接口21后由连接一分多转接口21的多个个水管转接头28输送到抛光工具22的多个流道入口34中并由多个流道入口34进入抛光工具22的竖直内腔中。

所述抛光工具22的流道入口34呈圆周均布，且流道入口34的数量为3-6个，水管转接头28的数量和流道入口34的数量保持一致。所述抛光工具22的流道入口34呈圆周均布，且流道入口34的数量为3-6个，水管转接头28的数量和流道入口34的数量保持一致；所述抛光工具22的下表面呈内凹型，抛光工具22的底面边缘设置有圆角。

所述工件固定平台包括工件24、工件底座23、负压底座25、橡胶垫圈35、内六角螺钉；所述工件底座23上表面和下表面铣制有凹槽，上表面的凹槽表面开有多个阵列分布的通孔；所述工件24固定于上表面的凹槽中；所述橡胶垫圈35嵌套在下凹槽中；所述负压底座25和工件底座23中间有空腔，负压底座25中心开有螺纹孔，负压底座25和工件底座23通过内六角沉头螺钉26连接。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：包括气-液-固三相混合装置、直通转接头(2)、加工工具自转运动装置、空心流道管(7)、空化抛光装置和工件固定平台，需要加工的工件安装在工件固定平台上；所述气-液-固三相混合装置设置在整个装置的最上方，气-液-固三相混合装置的下端出口与直通转接头(2)的上端固定连接，直通转接头(2)的下端连接加工工具自转运动装置，加工工具自转运动装置通过空心流道管(7)连接空化抛光装置，工件固定平台设置在空化抛光装置的正下方；气-液-固三相混合装置、直通转接头(2)、加工工具自转运动装置、空心流道管(7)和空化抛光装置内部形成完整的竖直流道。

2.根据权利要求1所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：所述气-液-固三相混合装置包括气-液混合腔(1)和气动单向阀(15)，所述气-液混合腔(1)为竖直设置的圆筒腔，气-液混合腔(1)上端开有磨粒流入口，气-液混合腔(1)下端开有磨粒流出口，气-液混合腔(1)中部设有一个微型的气体入口，气动单向阀(15)连接该微型的气体入口且与气-液混合腔(1)连通，气体通过气动单向阀(15)注入气-液混合腔(1)中。

3.根据权利要求2所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：气动单向阀(15)水平安装在气-液混合腔(1)的侧壁上，气流经过气动单向阀(15)呈水平状态混入气-液混合腔(1)的液-固两相流中形成气-液-固三相磨粒流。

4.根据权利要求3所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：所述加工工具自传运动装置包括电机固定板(31)、驱动电机(14)、主动带轮(12)、同步带(11)、从动带轮(17)、万向接头前端(3)、万向接头后端(6)、万向接头轴承(16)、左紧固板(4)、右紧固板(5)、轴承座(9)和加工部分底座(10)，所述万向接头前端(3)与直通转接头(2)通过螺纹连接，左紧固板(4)和右紧固板(5)固定连接并将万向接头前端(3)装夹在左紧固板(4)和右紧固板(5)之间，所述右紧固板(5)固定在加工部分底座(10)上；所述万向接头前端(3)和万向接头后端(6)通过万向接头轴承(16)连接；所述万向接头后端(6)与空心流道管(7)的上端通过螺纹固定连接，空心流道管(7)通过轴承座(9)安装在加工部分底座(10)上；所述从动带轮(17)固定在空心流道管(7)上，所述驱动电机(14)固定在电机固定板(31)上，电机固定板(31)固定在加工部分底座(10)上，主动带轮(12)固定在驱动电机(14)的电机头上，主动带轮(12)和从动带轮(17)通过同步带(11)连接，驱动电机(14)运动时带动主动带轮(12)转动，通过同步带(11)带动从动带轮(17)转动，进而带动万向接头后端(6)与空心流道管(7)组成的整体一起转动。

5.根据权利要求4所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：万向接头前端(3)的内表面与万向接头轴承(16)的外表面过盈配合，万向接头前端(3)和万向接头轴承(16)之间还设置有用于周向定位的大弹性挡圈(30)，万向接头后端(6)的外表面与万向接头轴承(16)的内表面过渡配合；空心流道管(7)与轴承座(9)之间通过转动轴承(18)连接，所述空心流道管(7)的外表面与转动轴承(18)的内圈过渡配合，轴承座(9)内圈的沟槽中设置有用于转动轴承(18)轴向定位的小弹性挡圈(19)，转动轴承(18)的外圈与轴承座(9)的内圈过盈配合。

6.根据权利要求5所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：所述空心流道管(7)上还设置有自锁螺母(33)，自锁螺母(33)的一端紧靠转轴轴承，实现转动轴承(18)的轴向定位，另一端紧靠从动带轮(17)的下表面，实现从动带轮(17)的轴向定位，所述从动带轮(17)的上表面紧靠万向接头后端(6)；所述空心流道管(7)的底部还设置有法兰盘(20)，法兰盘(20)的内圈与空心流道管(7)的外圈间隙配合，挡水板(8)通过拧紧螺钉(29)固定在法兰盘(20)上，挡水板(8)罩在工件固定平台的上方且将法兰盘(20)和空化抛光装置完全罩住。

7.根据权利要求6所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：所述空化抛光装置包括一分多转接口(21)、水管转接头(28)、可视上底板(32)和抛光工具(22)，所述一分多转接口(21)的上端入口连接空心流道管(7)的底端，所述一分多转接口(21)的多个转接口分别连接水管转接头(28)；所述一分多转接口(21)的下表面与抛光工具(22)的上表面相贴合，一分多转接口(21)的下表面与抛光工具(22)的上表面通过螺栓(27)连接；所述抛光工具(22)内部设置有上下贯穿的竖直内腔，竖直内腔的顶部设置有可视上底板(32)并将竖直内腔的上端封闭，所述抛光工具(22)侧面均布多个流道入口(34)，每个流道入口(34)通过软管连接一个水管转接头(28)，空心流道管(7)流出的液体经过一分多转接口(21)后由连接一分多转接口(21)的多个水管转接头(28)输送到抛光工具(22)的多个流道入口(34)中并由多个流道入口(34)进入抛光工具(22)的竖直内腔中。

8.根据权利要求7所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：所述抛光工具(22)的流道入口(34)呈圆周均布，且流道入口(34)的数量为3-6个，水管转接头(28)的数量和流道入口(34)的数量保持一致；所述抛光工具(22)的流道入口(34)呈圆周均布，且流道入口(34)的数量为3-6个，水管转接头(28)的数量和流道入口(34)的数量保持一致；所述抛光工具(22)的下表面呈内凹型，抛光工具(22)的底面边缘设置有圆角。

9.根据权利要求8所述的一种基于水力空化结构的气-液-固三相磨粒流旋转抛光工具，其特征在于：所述工件固定平台包括工件(24)、工件底座(23)、负压底座(25)、橡胶垫圈(35)、内六角螺钉；所述工件底座(23)上表面和下表面铣制有凹槽，上表面的凹槽表面开有多个阵列分布的通孔；所述工件(24)固定于上表面的凹槽中；所述橡胶垫圈(35)嵌套在下凹槽中；所述负压底座(25)和工件底座(23)中间有空腔，负压底座(25)中心开有螺纹孔，负压底座(25)和工件底座(23)通过内六角沉头螺钉(26)连接。