TW201945127A

TW201945127A - 流體噴射處理設備、工具及其製程

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Publication number: TW201945127A
Application number: TW108113548A
Authority: TW
Inventors: 安東尼包坎普; 勝浦知也
Original assignee: 英商齊科創新有限公司
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2019-12-01
Also published as: GB201806475D0; GB2573012A; TWI818980B; EP3787837A1; WO2019202299A1; EP3787837B1

Abstract

描述有一流體噴射處理製程及設備，其中引導流體之流體噴射至待處理的一工件表面上。處理設備產生具有離散區域的流體噴射，離散區域中之流體之特性不同於流體噴射之其他區域。在流體噴射中的此些區域可藉由在流體噴射中傳輸微氣泡、或藉由在流體噴射中傳輸一不同流體之微液滴而形成。在一實施例中，施加超音波振動至處理流體，以藉由空腔產生微氣泡，且在流體噴射中傳輸氣泡。微氣泡可藉由間歇地使處理流體沸騰而交替地形成。微氣泡可沿流體噴射行進足夠遠，使其撞擊在處理中的工件的表面上。

Description

流體噴射處理設備、工具及其製程

本發明係有關於使用流體噴射(fluid jet)加工工件的方法及設備。工件可為使用研磨微粒懸浮在其中的流體之流體噴射而承受成型及拋光的工件。或者，工作場所可藉由引導流體噴射至工件表面上而承受清潔或熱傳製程(加熱或冷卻)。

流體噴射拋光(Fluid jet polishing，FJP)為多功能的拋光製程，主要使用在小且複雜的表面(例如光學組件及人工關節)的超精密最後加工。在此技術中，載體流體及研磨微粒預先混合的漿料被加壓並作為從噴嘴噴發至工件上的流體噴射。入口漿料的典型壓力為從0.2至2.0百萬帕(0.2 to 2.0 MPa)，且噴嘴的出口直徑從0.1至2.0毫米(0.1 to 2.0 mm)。流體噴射對工件表面上的撞擊造成材料以取決於時間的方式(fashion)從「覆蓋區(footprint)」移除，亦即，流體噴射撞擊在特定覆蓋區上越久，從此覆蓋區移除材料越多。

本製程具有一些重要優點。首先，漿料流體噴射可產生次毫米拋光覆蓋區(sub-millimetre polishing footprints)，使到達困難地區(例如角落及空腔)成為可能。第二，可使用製程以移除早期的處理製程所導致的工件上的切削符號(machining marks)，而不產生額外的痕跡。最後，因為工具磨損通常受限於研磨微粒的緩慢且逐漸的分解，所以製程精確度可被預先地控制。由於此些優點，流體噴射拋光製程主要使用在各種工業中(例如光學及醫學領域)的小且複雜的組件(舉例來說，人工關節的表面)的超級光滑最後加工。

傳統的流體噴射拋光製程提供可控制的次毫米拋光覆蓋區且幾乎沒有工具磨損，但是此技術的缺點為其的材料移除率為低的。

在近幾年中，對於將較大的工件或硬的材料有效地最後加工為超級光滑表面的技術的需求已經增長。而且，額外製造已經變為原型設計製作(prototyping)的精準組件的重要的技術，但是額外地製造的組件的表面太粗糙，使得此組件未經歷最後加工製程為不能使用的。藉由選擇性雷射熔化(Selective Laser Melting，SLM)方法所製成的一些額外地製造的組件的典型的表面粗糙度可為約中心線平均粗糙度10微米(10 μm Ra)，所以有效地最後加工如此之粗糙表面的加工方法是必須的。

為了符合此些需求，需要改善材料移除率，且已經提出一些製程改良，以改善流體噴射拋光製程的材料移除率。

在2017年中，在機械工具及製造國際期刊(International Journal of Machine Tools and Manufacture)中所發表的取名為「一種高效率拋光用的新的多流體噴射拋光製程及工具」(A novel multi-jet polishing process and tool for high-efficiency polishing)的文章中，王先生及其他人提出使用噴嘴陣列的平行加工，以提供引導至工件的複數個流體噴射。藉由從多個出口同時噴射而改善材料移除率。此製程適合在由重複的元件組成的精準表面的有效最後加工。然而，相較於使用單一流體噴射的流體噴射拋光，在單獨的流體噴射之間的干擾常造成材料移除率的均勻性較差。再者，也降低了對複雜形狀的適用性。

流體噴射拋光技術的另一種變形是磁流變噴射最後加工(magnetorheological jet finishing)，其中流體含有微米級鐵磁微粒。當暴露於外部磁場時，此流體的視黏度(apparent viscosity)大幅地增加。當此流體在流體噴射拋光製程中作為載體流體時，流體噴射藉由施加磁場而穩定且加強(stiffened)。流體噴射崩塌(collapsing)的可能性較低而能精準加工較遠及較難的地區，而視黏度的增加改善了移除率。然而，磁流變流體的掌控及回收需要高度專業化的裝備及知識，這使磁流變流體輔助流體噴射拋光的執行是不方便且昂貴的。

另一個提案為將空氣氣泡注射至漿料流體噴射中，以供給能量至在載體流體內的研磨微粒的運動。梅斯林克(Messelink)及其他人設計使用混合閥間歇地引入壓縮空氣至漿料中的方法(開發流體噴射拋光的製程穩定性，光學建造及測試，OSA技術文摘2008，pp. OThD3(Exploiting the process stability of fluid jet polishing, Optical Fabrication and Testing, OSA Technical Digest 2008, pp. OThD3))。此方法成功地改善流體噴射拋光的材料移除率，但是因為所引入的氣泡在尺寸上太大且不規則，漿料流體噴射變為不穩定的。儘管改善移除率，切削精確度卻降低且表面粗糙度顯著的惡化(大於10000%)。

本發明試圖提供一種流體噴射拋光製程，其中工件的小的覆蓋區可以有效的處理製程被精確處理。此處理製程可為使用含有研磨微粒的處理流體的成形或拋光製程，且不傷害表面最後加工地提供改善的材料移除率，或分別地可為使用具有改善的清潔表現及熱傳率的沒有研磨微粒的處理流體的清潔或熱傳製程。

一方面，本發明提供流體噴射處理製程，其中流體之流體噴射被引導至工件，此流體噴射包括具有與剩餘的處理流體不同密度及/或黏度特性的流體的離散(discrete)區域。在一些實施例中，藉由產生或注射氣泡至流體中而產生流體密度降低的區域。在其他實施例中，藉由注射第二流體的微液滴至處理流體中而產生不同流體密度的區域。相較於傳統的流體噴射拋光，在意圖成形的處理製程或藉由從工件移除材料的工件表面，材料移除率為改善的，且可獲得的精確度及表面最後加工藉由此製程而維持或改善。

在另一方面，本發明試圖提供一種流體噴射處理製程，其中在工件及流體之間的熱傳是改善的，以藉由施加流體噴射而提供有效的工件冷卻及加熱。

在第三方面，本發明試圖提供一種流體噴射處理製程，其中工件可藉由使用流體噴射而有效地清潔，以移除表面不純物。

根據此發明的第一方面，提供有流體噴射處理製程，其中處理流體的流體噴射被引導至工件，以衝擊在工件上的處理覆蓋區，此製程以具有不同密度及/或黏度區域的流體之流體噴射為特徵(characterised)。在一實施例中，此些區域可藉由施加超音波振動至流體而產生，致使空腔氣泡週期地在流體中形成且在流體噴射中傳輸(entrained)，以形成密度降低的區域。最佳地，空腔氣泡藉由流體噴射而傳送至與工件的衝擊點。

在此發明的此方面的替代的實施例中，在流體噴射內的不同密度及/或黏度的區域可藉由週期地產生或注射氣泡至處理流體中而產生，致使氣泡之群在流體噴射的離散區域中傳輸。

在又一替代實施例中，不同黏度的區域可藉由週期地注射第二流體的微液滴至處理流體中而產生，此第二流體具有與處理流體不同的黏度，使得微液滴在流體噴射的離散區域中傳輸。

施加超音波振動至處理流體可與注射氣泡或微液滴至處理流體中結合施行。

此發明之第二方面提供流體噴射處理設備，包括：
工件用的支承件；
處理頭，以產生流體之流體噴射；以及
引導裝置，以引導流體之流體噴射至工件的表面上的連續地點；
其中處理頭包括密度黏度裝置，以在流體噴射中形成不同密度及/或黏度的區域。

在此發明的一實施例中，形成不同密度及/或黏度區域的密度黏度裝置包括超音波振動產生器，以在流體內產生超音波壓力波，以導致在處理流體內週期地形成空腔氣泡且成群地沿流體噴射通過，而形成密度降低的區域。最佳地，處理頭配置以足夠接近工件地被支持，使空腔氣泡衝擊在工件表面。

處理頭可包括具有入口導管的空腔以及出口通道。流體可經過此入口導管供應至空腔，且流體可以流體噴射的形式從此出口通道離開空腔。空腔具有一或多個共振頻率，可藉由驅動此些頻率或近於此些頻率的超音波振動產生器而產生此共振頻率的「駐」音波。超音波振動產生器較佳地可以一些頻率操作，包括空腔的一或多個共振頻率。

空腔的形狀較佳地為錐形的，而出口通道軸向地安排在錐形的空腔的較窄末端，且超音波振動產生器定位於空腔的較大的軸向末端。超音波振動產生器可驅動具有引導朝向通道的凹面的集中器板(concentrator plate)，以將音波集中在鄰近於通道的焦點。位於焦點的壓力波的強度應超過在空腔中的流體的壓力。

流體從焦點(空腔地區)至工件表面的行進時間較佳地為少於空腔氣泡的平均壽命。可調整壓力波的頻率，以提供足夠的空腔氣泡的平均壽命，以使空腔氣泡到達工件表面。可安排在拋光工具內的空腔的形狀及尺寸，使得其具有共振頻率，當流體在空腔內的空腔地區以共振頻率振動時，造成形成具有平均壽命相等於或大於流體從空腔地區行進至工件所使用的時間的空腔氣泡。

在此方面的其他實施例中，形成不同密度及/或黏度的區域的密度黏度裝置包括在流體內週期地注射或產生氣泡的氣泡裝置，使得氣泡之群在流體噴射中傳輸，以形成離散區域。在又一替代實施例中，形成不同黏度的區域的黏度裝置可包括週期地注射第二流體的微液滴至處理流體中的注射裝置，此第二流體具有與處理流體不同的黏度，使得微液滴在流體噴射的離散區域中傳輸。

此發明的第三方面提供流體噴射處理工具，以產生包括不同密度及/或黏度的區域的流體噴射，流體噴射處理工具包括處理頭以及密度黏度裝置。處理頭具有離開通道，以產生流體之流體噴射。密度黏度裝置在流體噴射中形成不同密度及/或黏度的區域。

在一實施例中，在流體噴射中形成不同密度及/或黏度的區域的密度黏度裝置可包括超音波致動器，以施加超音波振動至在拋光頭中的流體，使得空腔氣泡週期地在流體內產生，且在流體噴射中傳輸。

處理頭可包括空腔以及從空腔導引的通道。加壓流體供應至此空腔中。流體經過此通道離開，以產生流體噴射。超音波致動器較佳地以在空腔內產生共振駐波的一或多個頻率而操作。

在本方面的其他實施例中，形成不同密度及/或黏度的區域的密度黏度裝置可包括氣泡裝置或微液滴裝置。氣泡裝置在流體內週期地注射或產生氣泡，使得氣泡之群在流體噴射中傳輸，以形成離散區域。微液滴裝置週期地注射第二流體的微液滴至處理流體中，此第二流體具有與處理流體不同的密度及/或黏度，使得微液滴在流體噴射的離散區域中傳輸。

可使用泵裝置以供應加壓流體至處理頭。已經衝擊在工件上的處理流體可被收集並再循環。

使用本發明的設備及製程所施加的處理可為將工件成形的成形處理、拋光工件的表面的拋光處理、或從工件的表面移除不純物的清潔處理。

第1圖為根據本發明之一實施例的拋光機器的立體圖。拋光機器包括桌台1，在桌台1上裝設有X-滑動(X-slide)機構2，以在x方向上移動。在X-滑動機構2上裝設有Y-滑動(Y-slide)機構3，以在y方向上移動。在Y-滑動機構3上裝設有轉盤4，以圍繞垂直軸在箭頭c所指示的方向上轉動(如圖所示)。

轉盤4透過Z-移動(Z-movement)機構(未表示)裝設在Y-滑動機構3上，以在z方向(如圖所示之垂直方向)上移動轉盤4。轉盤4具有支承表面，工件5裝設且支持在此支承表面上。因此，此安排提供工件5在四運動軸上的運動，亦即x、y、z及c。

拋光機器亦提供有背部構件6，在背部構件6上裝設有樞軸，安排以樞轉地(pivotally)移動處理頭7。處理頭7安排以從處理頭7之較低軸向末端(如圖所示)引導處理流體8之流體噴射8j至工件5上，以拋光或研磨工件5。在撞擊在工件5上後，處理流體8在重力下從工件5流走，且被收集以再循環。

樞軸機構裝設在背部構件6上，包括裝設在臂件上的第一樞軸構件700，以圍繞第一平面中的樞軸點樞轉處理頭7，使得流體噴射8j可被引導至工件上。第一樞軸機構700裝設在第二樞軸機構800上，第二樞軸機構800提供處理頭7圍繞平面中的樞軸點之樞轉，此平面垂直於此臂件中之第一樞軸機構700之樞轉平面。因此，此二正交的樞軸機構提供另二運動軸(亦即a及b)，以控制流體噴射8j被引導朝向工件5的角度。

拋光機器之背部構件6亦容納電腦控制系統9，電腦控制系統9包括顯示器10及控制輸入11。此容許使用者輸入資料或指令，以控制工件5的運動及處理頭7的運動，且容許觀看關於研磨、拋光或清潔製程的所顯示的資訊。

運動軸x、y、z、c、a及b之每一者藉由各別的驅動致動器(未表示)所驅動。亦提供感應器(未表示)以感應致動器的位置，以提供位置資訊給電腦控制系統9使用，以控制拋光或研磨製程。

電腦控制系統9亦提供有關於處理頭7的另外的控制軸。此些控制軸包括流體的壓力及作用在處理頭7內的流體的超音波致動器的控制。此些額外的控制軸將關於處理頭7在下面更詳細地描述。

因此，電腦控制系統9操作演算法以控制此些軸(或參數)，以清潔、研磨或拋光裝設在轉盤4上的工件5，以達到所期望的表面輪廓及/或表面品質(例如光滑度)。

對通常知識者顯而易見的是，拋光機器可使用來處理任何所期望的表面輪廓，包括含有凹面及凸面地區二者的表面輪廓。

如下面將更詳細討論的，在此實施例中，安排電腦控制系統9以控制處理頭7及工件5的相對移動，使得流體噴射8j被安排以撞擊工件上的相對於工件移動的處理區域或「覆蓋區」，以跟隨工件5的表面上方的工具路徑，且藉由(1)變化沿工具路徑的每一點所花費的時間(留置時間)、(2)變化沿工具路徑的點的流體噴射8j的壓力、及/或(3)變化沿工具路徑的不同點的施加至形成流體噴射8j的流體的超音波能量(頻率及/或功率)而控制表面上方的拋光量。可藉由保持工件5為靜止的並移動處理頭7、藉由保持處理頭7為靜止的並移動工件5、或藉由處理頭7及工件5的結合運動而產生相對移動。工具路徑可為網格(raster)、螺旋或任何其他方便的工具路徑。在一些實施例中，使用偽隨機(pseudo-random)工具路徑可避免形成使用週期的螺旋或網格工具路徑而產生的拋光偽影。

第2圖為處理頭7的示意剖面圖。此工具包括由鋼或其他適合的材料形成的工具本體70，在工具本體70內形成有錐形的空腔71。狹窄的通道72從錐形的空腔71之較窄末端軸向地導引至工具的前面部(front face)73。通道的直徑典型為約1毫米(1 mm)，但可為從0.5毫米至2毫米(0.5 mm to 2 mm)或更多。通道可形成在硬的抗磨損的材料(例如藍寶石、紅寶石、或抗磨損金屬)的插入件70a中，插入件70a設在工具本體70的導引末端中。

錐形的空腔之較寬末端藉由振動器板74所封閉，可藉由致動器75導致振動器板74在錐形的空腔71的軸向方向上振動。致動器75的振動頻率為在超音波頻率範圍中，從約15至約150千赫茲(about 15 to about 150 kHz)。凹面集中器板76裝設在振動器板74面朝空腔的面部上。進入導管77軸向地導引至空腔中，以供應處理流體8至空腔71的內部。當藉由泵送流體至進入導管77中而施加足夠的壓力至流體，拋光流體之流體噴射8j從通道72發出(issues)。

在所繪示的實施例中，壓力感應器79及溫度感應器80分別偵測在進入導管77中的流體的壓力及溫度，且傳遞此資訊至電腦控制系統9。可交替地在空腔71內的點感應壓力及/或溫度。

當空腔71填充有拋光流體時，藉由致動器75在振動器板74中引發的振動藉由集中器板76作為一系列的曲波陣面(curved wave front)W傳送至流體，曲波陣面W以空腔的軸向方向行進經過流體，且進一步藉由空腔71的會聚錐形側而集中，使得在鄰近於通道72的進入口的空腔71內的焦點F處，振動器板74所導致的壓力波具有足夠大小，以導致在拋光流體內形成氣泡78。致動器必須具有足夠的功率來驅動，使藉由超音波壓力波導致的在流體中的最大負壓足夠大於藉由泵17所產生的流體壓力，使得在流體內的區域經歷足夠的負壓，以形成空腔氣泡。

當振動器板74振動時，交替增加及減少的壓力波經由在空腔71內的流體而傳播(propagate)。集中器板76導致此些壓力波彎曲，且錐形的空腔形狀集中此些壓力波，使得在鄰近於通道72的進入口的空腔的軸上的點處，流體經歷大的壓力週期的變化。施加至致動器75的功率使得在流體內產生壓力變化，如此導致氣泡78在處理流體8中週期地形成。藉由以空腔71的共振頻率操作致動器75，可在空腔內產生駐波，如此造成空腔氣泡的形成，但是相較於非共振頻率，變頻器(transducer)的功率等級降低。致動器75驅動的頻率決定氣泡78的形成週期。

藉由泵17的操作而加壓的在空腔71中的處理流體8經由通道72而離開，以形成流體噴射8j。週期地形成於鄰近於通道72之入口的氣泡78在流體中傳輸，且經由通道72向外通過空腔並至流體噴射8j中。氣泡78週期地形成，造成從交替的流體段部而形成的流體噴射8j具有氣泡78，且段部不具有氣泡78。在流體噴射的一些段部中的氣泡的存在降低流體噴射中的此些段部的整體密度，且引致在流體噴射撞擊在工件上之處的「錘擊」(hammering)效應，即使空腔氣泡在到達工件材料的衝擊點前崩塌，錘擊效應被認為可改良材料移除率。

空腔氣泡為過渡現象(transient phenomenon)，且每一氣泡的尺寸及其「壽命」取決於超音波振動的頻率。當頻率為20至200千赫茲(20 - 200 kHz)時，空腔氣泡的平均壽命為約200次超音波振動的壓力循環。當振動頻率較低時，氣泡具有較長的壽命，當音波頻率為26千赫茲(26kHz)時，氣泡壽命持續約7.2毫秒(7.2 ms)，且當音波頻率為130千赫茲(130kHz)時，氣泡壽命持續約1.4毫秒(1.4 ms)。氣泡78形成在處理流體8內，且立即在流體中傳輸向下通過通道72並至流體噴射8j中。藉由控制供應處理流體8至進入導管77的泵17所施用的壓力而控制流體離開至流體噴射8j中的速度。在較佳的實施例中，速度是被控制的，使得氣泡78通過通道72，且在流體噴射8j內發射。最佳地，處理頭7的前面部73定位足夠接近於工件5，使得當流體噴射轟擊(strike)工件5的表面時，氣泡78仍然存在於流體噴射中。在處理頭7的前面部73及待處理的工件5的表面之間的此「相隔距離」(stand-off distance)典型地為1.5毫米(1.5 mm)，但是可為在從1至3毫米(1 to 3 mm)或更大的範圍中。然而，為了達到材料移除改善，氣泡78不需要在流體噴射8j中持續足夠久，以到達工件表面。

氣泡78的產生取決於致動器75所施加的超音波振動的頻率及功率、錐形的空腔71的角度、通道72的直徑、及供應至進入導管77的流體的壓力。在所繪示的實施例中，錐形角度及通道的直徑藉由工具的結構而固定，且因此空腔氣泡的產生的控制及空腔氣泡在流體噴射8j中的輸送藉由流體壓力的控制及由振動器板74及集中器板76所施加的振動頻率及功率所實現。

處理流體8較佳地為水，但可為水及溶劑(例如酒精)的混合物、或水及清潔劑或表面活性劑。在進一步的替代方案中，溶劑(例如酒精)可被單獨使用。為了成形及拋光製程，含有平均微粒尺寸範圍從0.1至5微米(0.1 to 5 μm)的研磨微粒(例如氧化鋁(Al₂ O₃ ))的處理流體，而數量大約為每公升流體20公克微粒。較佳地，調控致動器75的頻率使得在拋光流體中產生的空腔氣泡的尺寸為相似於研磨微粒的，以最大化材料移除。處理頭7可配置以使得空腔71具有對應於需要產生特定尺寸的空腔氣泡的頻率的共振頻率，拋光流體可包括相似尺寸的研磨微粒，且可安排泵壓力使得在流體噴射中的流體速度足夠在空腔氣泡的壽命內使空腔氣泡從空腔氣泡的創生點行進至流體噴射在工件上的衝擊點。

第2A圖為表示空腔氣泡的形成及傳送的放大圖。當集中的壓力波在至通道72的進入口交替地產生高及低的壓力時，在流體中的超音波振動引起空腔氣泡週期的產生。氣泡78因此在「雲」(clouds)中以大略相等於致動器75被驅動的頻率而產生。此些氣泡雲隨後藉由處理流體8運載至通道72中，且作為流體噴射8j離開通道。

在所繪示的實施例中，空腔具有大約35毫米(35 mm)的軸向高度，且其較大末端的直徑約為30毫米(30 mm)。集中器板76可具有對應於錐形的空腔71的軸向長度的約25毫米(25 mm)的直徑及35毫米(35 mm)的曲率半徑。當操作在泵壓力為從0.1至1.5百萬帕(0.1 to 1.5 MPa)且使用輸入功率為50瓦(50 W)的致動器75使超音波頻率為從20至130千赫茲(20 to 130 kHz)時，所繪示的實施例提供改善的材料移除率。倘若至致動器75的輸入功率及頻率的結合、泵壓力、及從處理頭7至工件5的距離導致氣泡78的形成及氣泡78經由流體噴射8j的傳送，以撞擊在工件5上，可使用較低或較高的輸入功率。相較於單獨使用流體噴射，當以78千赫茲(78 kHz)的頻率及50瓦(50 W)的功率驅動致動器75時，使用具有泵壓力為0.8百萬帕(0.8 MPa)、及工具及工件之間為1.5毫米(1.5 mm)的距離的所繪示的實施例的工具，而獲得改善的材料移除率。

第2B圖為處理頭7的局部剖面圖，且繪示此發明的替代實施例。在此實施例中，對中空的注射針90供應加壓氣體，且注射加壓氣體的氣泡78至空腔71內的處理流體中。氣泡較佳地具有從10至100微米(10 to 100 µm)的直徑。除了致動器75以外，還可提供中空的注射針90，且注射針90的尖端可定位在藉由致動器75所產生的超音波的焦點或定位近於此焦點。當注射氣泡同時施加超音波時，氣泡崩潰(broken down)，使得氣泡具有在1至10微米(1 and 10 µm)之間的直徑。

施加至注射針90的氣體壓力可藉由閥92所控制，使得氣泡78之群間隔地被注射至處理流體中，以形成鄰近於注射針90的尖端的離散微氣泡雲。此些雲在處理流體中傳輸，且經由通道72流出空腔71的處理流體經由流體噴射8j所運載。經由注射針90所注射的氣體可為經由閥92而從高壓槽91供應、或直接來自從大氣供給的壓縮器的空氣。或者，注射的氣體可為惰性氣體(例如氮氣)，從高壓槽91注射並藉由閥92所控制。在此實施例中，閥92可藉由設備的電腦控制系統9所控制，且可與超音波變頻器的操作同步。舉例來說，閥92可週期地開啟及關閉，且在閥92開啟的間隔期間，可施加超音波振動。或者，閥92可週期地開啟及關閉，且可一直施加超音波振動。第三替代方案為週期地開啟及關閉閥92，且當閥92關閉時，施加振動。

當僅表示一注射針90時，可以預見的是，可提供複數個微針，舉例來說，相對於錐形的空腔71徑向地延伸，且安排微針之排放末端為環繞空腔的焦點F的圓。

作為高壓槽91及閥92的替代方案，氣體可透過可輸送預定氣體量的正排量泵(positive-displacement pump)而供應至注射針90。

第2C圖為處理頭7的局部剖面圖，且繪示此發明又一替代實施例。在此實施例中，處理頭7的工具本體70由絕緣材料及金屬的珠件(metallic bead)93所形成，且金屬的珠件93裝設在空腔71內並由一或多個支柱94所支承。金屬的珠件93較佳地定位在緊接於通道72的進入口的上游。感應線圈95裝設在工具本體70內且鄰近於珠件93，且電源供應器96供應電力至感應線圈95。電源供應器藉由電腦控制系統9所控制。

在此實施例中，當電力藉由電源供應器96供應至感應線圈95時，金屬的珠件93被加熱，且造成鄰近於珠件93的表面的處理流體沸騰，在珠件的表面上形成蒸氣的氣泡78。由於在流體噴射的離散區域中的微氣泡之雲的存在，此些微氣泡在處理流體中傳輸，且經由通道72而運載並流出通道72，以形成在流體噴射8j中的密度降低的區域。

作為藉由感應線圈加熱珠件93的替代方案，來自雷射98的雷射光束97可被引導至珠件93，且產生脈衝以提供局部加熱，以產生氣泡。如第2C圖所示，雷射98可被裝設在工具本體70內，使得雷射光束97經由在空腔71的牆中的窗戶99進入空腔71。或者，雷射98可與錐形的空腔同軸地裝設，且雷射光束97可經由形成在超音波變頻器的中心之中的窗戶進入空腔，並經由空腔軸向地行進，以轟擊珠件93。在進一步的替代方案中，可省略珠件93，且雷射98可與錐形的空腔同軸地裝設，使雷射光束97經由形成在超音波變頻器的中心之中的窗戶進入空腔，並經由空腔軸向地行進，以與通道72同軸地離開空腔，並撞擊流體噴射8j在工件表面上的接觸點。產生雷射脈衝將造成工件表面的局部加熱，且可藉由鄰近於雷射衝擊點的流體的局部沸騰而產生氣泡。所產生的雷射脈衝可與超音波變頻器一起操作，除了使得空腔氣泡藉由超音波變頻器在通道72的上游末端產生之外，還使得氣泡在工件表面產生。

在又一替代方案中，可在珠件93內提供內部加熱元件，以加熱珠件93並造成蒸氣的氣泡的形成。其他適合的加熱珠件93的加熱裝置對通常知識者為顯而易見的。

加熱的珠件可與超音波變頻器一起使用，在此情況下，珠件93較佳地定位於或定位接近於致動器75所產生的超音波振動的聚焦位置F。珠件的加熱可與超音波振動的施加同步。

珠件93可具有光滑的拋光表面、或可具有紋理化的表面，以提供液體沸騰的凝核(nucleation)點。

第3圖示意性地繪示第1圖的拋光設備，表示了流體噴射拋光設備的主要組件。

如可在第3圖中所見到的，工件5裝設在轉盤4上，轉盤4本身裝設在Y-滑動機構3上。Y-滑動機構3裝設在X-滑動機構2上。處理頭7定位在工件5之上且對齊於工件5，使得從處理頭7發出的流體噴射8j撞擊在工件5上。在衝擊在工件上後，處理流體8向下流動至收集容器15。在圖中，為了繪示的目的，流體僅僅向下流動過轉盤4及Y-滑動機構3及X-滑動機構2至收集容器15。實際上，可提供適合的收集裝置以收集處理流體8，使得處理流體8不流動過轉盤及滑動機構。

拋光流體從收集容器15流動經過過濾器16至泵17，泵17將流體返回至處理頭7。在處理頭7內，致動器75驅動振動器板，振動器板與拋光流體接觸。在收集容器15中的攪拌器18藉由馬達19而驅動，攪動拋光流體以保持研磨微粒平均地懸浮在流體中。

轉盤4、Y-滑動機構3及X-滑動機構2的移動、及第一及第二樞軸機構700及800的移動藉由在電腦控制系統9內的處理器單元12所控制，泵17、超音波致動器14及驅動攪拌器18的馬達19的操作也是如此。

第4圖及第5圖示意性地繪示電腦控制系統9。處理器單元12包括處理器121，處理器121提供輸出訊號至系統的單獨的元件的控制器，亦即泵控制器122、超音波控制器123、攪拌器控制器124、轉盤控制器125、X-滑動機構及Y-滑動機構控制器126及127、第一樞軸機構控制器128及第二樞軸機構控制器129。處理器單元亦可包括控制閥92的操作的控制器，以注射空氣或氣體至處理流體中、以及控制至感應線圈95的電源供應器96的控制器。處理器單元12亦包括一工具路徑記憶體130，當處理頭7移動過工件5時，工具路徑記憶體130儲存待跟隨的工具路徑的參數。

泵控制器122控制泵17的操作，以輸送所需的壓力至在處理頭7的空腔71內的處理流體8。

超音波控制器123控制致動器75的操作，以產生特定頻率及功率的振動。

攪拌器控制器124控制攪拌器的馬達19，以攪拌所需的拋光流體，以保持研磨顆粒為懸浮的。

轉盤控制器125、及X-滑動機構及Y-滑動機構控制器126及127、及第一及第二樞軸機構控制器128及129控制處理頭7及工件5的相對移動，以將拋光覆蓋區移動過工件表面。

工具路徑記憶體130儲存關於將被處理頭7跟隨的工具路徑的資料。

第5圖繪示儲存在工具路徑記憶體中的資料的形式，其為表格的形式。標題為L的資料的第一欄位代表待被處理頭7跟隨的在工具路徑上每一連續點。對於在工具路徑上每一點，表格的剩餘欄位定義泵壓力P、超音波功率及頻率U、攪拌器馬達的開啟/關閉狀態A、轉盤位置T、X-滑動機構位置X、Y-滑動機構位置Y、第一樞軸機構的位置M1及第二樞軸機構的位置M2，其在工具路徑上的點是被需要的。工具路徑資料亦可包括設定閥92及操作電源供應器96的資料。可以恆定速率視察在工具路徑上的連續點、工件的表面上方的流體噴射的速度藉由工具路徑上的點的分隔而控制。或者，工具路徑可基於一些相等間距的點，且可包括指示在工具路徑點之每一者的待花費的時間的量的進一步的欄位。

如可在第5圖的表格中的資料的前三行所見到的，除了X-滑動機構從位置42移動至位置44以外，各種元件的操作為恆定的。處理器121連續地讀取資料的每一行，且寄送所需的設定至控制器122至129之每一者，使得當工具從第一位置沿工具路徑移動至最後位置時，每一元件根據工具路徑資料而操作。

為了施行成型或拋光操作，藉由量測工件而編譯(compiled)工具路徑資料，以決定工件的實際表面形式，將此與所需的表面形式比較，以發展(develop) 表示從每一點待移除的材料為多少的表面的地圖、基於包括待使用的拋光流體及工件的材料的參數而決定工具覆蓋區的材料移除輪廓、決定工具路徑，此工具路徑為被工具視察的一系列的地點，以處理整個表面、且隨後編譯工具路徑表格，此工具路徑表格提供設備的每一元件的控制參數給每一地點。流體噴射在工件的表面上方的移動在每一點移除了適當量的材料，以使工件的表面成所期望的輪廓。

泵壓力及超音波功率的參數可為變化的，保持超音波頻率恆定以確保在空腔71內形成的空腔氣泡在流體噴射中傳輸，且撞擊在工件的表面上。在需要增加材料移除的地點，可增加泵壓力並可同時地增加超音波功率，以確保即使在增加的泵壓力下，空腔氣泡仍然在空腔內形成。超音波頻率可保持恆定，且可設定為空腔的共振頻率，以在空腔中產生駐波，如此確保在施加最小量的功率至致動器75下產生空腔氣泡。

或者，如同泵壓力，在沿工具路徑的點，致動器75的頻率及功率皆可為變化的。

在工具被分隔進一步遠離工件表面的地點，可降低致動器75的頻率，以產生具有較長壽命的空腔氣泡，使得此空腔氣泡在流體的流體噴射中持續，直到流體到達工件表面。在氣泡被注射至處理流體中的實施例中，可安排注射氣體的壓力及/或閥92的操作，使得注射的氣泡為較大的，使得此注射的氣泡在流體噴射中持續。同樣地，在藉由在珠件93的表面上的沸騰而形成氣泡的實施例中，可控制電源供應器96，使得藉由感應線圈95所提供的功率為較大的，且較大直徑的氣泡被形成，以在流體噴射中傳輸。

作為使用注射針90注射氣體的氣泡的替代方案，可使用針以注射具有與處理流體不同特性的液體的微液滴。舉例來說，注射針90可注射密度較高的(denser)的液體(例如鹽水溶液)的微液滴、或可注射較低密度的液體(例如輕油(light oil))，以在流體噴射8j內產生注射的流體的微液滴的區域。

較佳地，使用控制輸入11而施行工具路徑記憶體的資料的輸入，控制輸入11可為鍵盤、硬碟或通訊網路(例如區域網路(LAN)或網際網路)的連接。工具路徑資料可在遠端地點被計算或編譯並透過通訊連結寄送至設備，以儲存在工具路徑記憶體130中。

儘管上述處理器已描述為關於使用單一流體噴射以在工件上施行處理製程，所預見的是處理頭可提供撞擊在工件上的相同位置、或一些鄰近的位置的流體噴射的陣列，以實現在工件上的處理製程。當處理製程為熱傳製程時，流體噴射可撞擊在表面上的間距地點。

作為在空氣中施行處理製程的替代方案，所預見的是處理頭7及工件5皆可浸沒在處理流體的浴槽中。在此些實施例中，在離開通道72流體上的額外阻力降低在流體噴射8j中的速度，且因此工件可需要定位更接近於工具頭。

除了使用流體噴射來成型及清潔表面以外，發明人還已發現藉由引導包括不同流體特性的區域的流體噴射至工件上，當液體在工件的表面之上展開時，此液體為較有效的熱傳介質，將熱吸收出表面至液體中、或從流體傳遞熱至表面。在流體噴射內的不同流體特性的區域在近於工件表面的液體的區域中引起渦流的形成，且此機構增加在流體及工件表面之間的熱傳。可因此使用繪示在圖式中的設備，以導引液體的流體噴射至工件的表面上，以傳遞熱進入或出去工件。在此些例子中的處理流體可為水、乙二醇、或水及乙二醇的混合物或介電溶液。

實驗及理論背景

如下方表格1的長條圖所示，當相較於傳統流體噴射拋光時，發現新製程顯著地增加高達380%的材料移除率。再者，最終表面粗糙度為維持的或甚至稍微改善的，造成與其他流體噴射拋光改良系統(例如空氣泡注射)鮮明的對比。

表格1

在宏觀尺度假說中，材料移除率的增加理論上來自由於在超音波流體噴射拋光(UFJP)撞擊區中漿料本體的振動之研磨微粒的額外的侵蝕作用。如此之振動可來自於兩個相關的來源：(1) 聲音壓力波的片段經由出口漏出噴嘴空腔而非被反射，及(2)由於週期的在以漿料及漿料/氣泡混合物形式的噴射的流體的截然不同的密度及動黏度之間切換，產生在噴嘴出口的振波。

實驗驗證

為了驗證宏觀尺度假說，進行僅注射純水至空腔噴嘴中的實驗(亦即沒有研磨料)。流體噴射撞擊固定至三軸測力計(dynamometer)的鋁塊上，且以1百萬赫茲(1 MHz)資料記錄器記錄力量。進行0百萬帕(0 MPa)的對照實驗(control experiment)，以建立來自實驗夾具的結構振動的影響。實驗條件總結在表格2中。

表格2：振動實驗的參數

具有水壓為0百萬帕(0 MPa)的對照實驗表示非常低的振幅訊號經由實驗夾具的結構振動從噴嘴傳遞至工件。然而，當相較於經由流體噴射所傳遞的訊號時，此非常低的振幅訊號為可忽略的。

下方的圖表1表示在扣除直流分量(DC component)後的在側向及垂直方向上的典型地力量量測結果。當在標準流體噴射拋光中幾乎沒有偵測到力量的振動時，在超音波流體噴射拋光系統的所有操作頻率偵測到0.5至2.0牛頓(0.5 - 2.0 N)的振動強度。所記錄的最強的振動為22千赫茲(22 kHz)，其亦為產生最強材料移除增強的頻率。藉由傅立葉轉換對訊號的光譜分析顯露，當使用關聯的頻率時，在22千赫茲(22 kHz)有強峰值(strong peak)。因為此些頻率超出在此實驗中使用的測力計的特定範圍，在71及127千赫茲(71 and 127 kHz)的峰值較不明顯(pronounced)。在所有量測中偵測到在50赫茲(50 Hz)的低頻率峰值，包括標準流體噴射拋光，且假定有關於漿料加壓系統的脈衝。

圖表1

從此些實驗，偵測到傳遞至工件表面的流體振動的令人信服的證據。

1‧‧‧桌台

2‧‧‧X-滑動機構

3‧‧‧Y-滑動機構

4‧‧‧轉盤

5‧‧‧工件

6‧‧‧背部構件

7‧‧‧處理頭

8‧‧‧處理流體

8j‧‧‧流體噴射

9‧‧‧電腦控制系統

10‧‧‧顯示器

11‧‧‧控制輸入

12‧‧‧處理器單元

15‧‧‧收集容器

16‧‧‧過濾器

17‧‧‧泵

18‧‧‧攪拌器

19‧‧‧馬達

70‧‧‧工具本體

70a‧‧‧插入件

71‧‧‧空腔

72‧‧‧通道

73‧‧‧前面部

74‧‧‧振動器板

75‧‧‧致動器

76‧‧‧集中器板

77‧‧‧進入導管

78‧‧‧氣泡

79‧‧‧壓力感應器

80‧‧‧溫度感應器

90‧‧‧注射針

91‧‧‧高壓槽

92‧‧‧閥

93‧‧‧珠件

94‧‧‧支柱

95‧‧‧感應線圈

96‧‧‧電源供應器

97‧‧‧雷射光束

98‧‧‧雷射

99‧‧‧窗戶

121‧‧‧處理器

122‧‧‧泵控制器

123‧‧‧超音波控制器

124‧‧‧攪拌器控制器

125‧‧‧轉盤控制器

126‧‧‧X-滑動機構控制器

127‧‧‧Y-滑動機構控制器

128‧‧‧第一樞軸機構控制器

129‧‧‧第二樞軸機構控制器

130‧‧‧工具路徑記憶體

700‧‧‧第一樞軸機構

800‧‧‧第二樞軸機構

a、b‧‧‧運動軸

A‧‧‧攪拌器馬達的開啟/關閉狀態

c‧‧‧箭頭、運動軸

F‧‧‧焦點

L‧‧‧標題

M1‧‧‧第一樞軸機構的位置

M2‧‧‧第二樞軸機構的位置

P‧‧‧泵壓力

T‧‧‧轉盤位置

U‧‧‧超音波功率及頻率

W‧‧‧曲波陣面

x、y、z‧‧‧方向、運動軸

X‧‧‧X-滑動機構位置

Y‧‧‧Y-滑動機構位置

此發明的實施例將參考所附圖式而詳細討論，其中：

第1圖為根據此發明的流體噴射拋光設備的立體圖；

第2圖為根據此發明的流體噴射拋光工具的示意剖面圖；

第2A圖為第2圖之流體噴射之局部放大圖；

第2B圖為表示此發明之第二實施例之相似於第2A圖之流體噴射之局部放大圖；

第2C圖為表示此發明之第三實施例之相似於第2A圖之流體噴射之局部放大圖；

第3圖為繪示第1圖之流體噴射拋光設備之示意圖；

第4圖為第1圖之設備之電腦控制系統之方塊圖；

第5圖表示儲存在工具路徑記憶體中的資料。

Claims

一種處理製程，其中引導一流體之一流體噴射至一工件，以衝擊在該工件上的一處理覆蓋區，該流體噴射包括具有不同密度及/或黏度特性之該流體之複數個區域。
如申請專利範圍第1項所述之處理製程，其中該流體降低密度之複數個區域藉由在該流體中產生或注射複數個氣泡而產生。
如申請專利範圍第1或2項所述之處理製程，其中施加複數個超音波振動至該流體。
如申請專利範圍第3項所述之處理製程，其中該等超音波振動以一頻率及功率而施加，使得該等氣泡藉由在該流體中的空腔而形成，且在該流體噴射中傳輸。
如申請專利範圍第4項所述之處理製程，其中該等氣泡藉由該流體噴射而傳送至與該工件衝擊的點。
如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之處理製程，其中該流體含有複數個研磨微粒，且其中該等氣泡在尺寸上相似於該等研磨微粒。
如申請專利範圍第3至6項中任一項所述之處理製程，其中該流體之該流體噴射自從在一工具內的一空腔導引的一通道所引導，且其中該等超音波振動的該頻率對應於該空腔的一共振頻率。
如申請專利範圍第2項所述之處理製程，其中該等氣泡經由一注射針週期地注射至該流體中。
如申請專利範圍第2項所述之處理製程，其中該等氣泡藉由提供接觸該流體噴射上游的該流體的一表面而在該流體內週期地產生，且週期地加熱該表面，以導致該流體的沸騰，以在該流體中產生該等氣泡。
一種流體噴射處理設備，包括：一工件用的一支承件；一處理頭，以產生一流體之一流體噴射；以及引導裝置，在該工件的表面上的連續的地點引導該流體之該流體噴射；其中該處理頭包括在該流體噴射中產生具有不同密度及/或黏度特性的該流體的複數個區域之密度黏度裝置。
如申請專利範圍第10項所述之流體噴射處理設備，其中該處理頭包括：一空腔，具有一入口導管，該流體經由該入口導管可供應至該空腔；以及一通道，該流體可從該通道以該流體噴射的形式而離開該空腔。
如申請專利範圍第10或11項所述之流體噴射處理設備，其中在該流體噴射中產生具有不同密度及/或黏度特性之該流體之該等區域之密度黏度裝置包括一超音波振動產生器，以在該流體內產生複數個超音波壓力波。
如申請專利範圍第12項所述之流體噴射處理設備，其中該超音波振動產生器可操作以導致複數個空腔氣泡形成在該流體內，並沿該流體噴射通過。
如依附於申請專利範圍第11項之申請專利範圍第12項所述之流體噴射處理設備，其中該空腔為錐形的，且具有軸向地安排在該錐形的空腔之一較窄末端之該通道，且該超音波振動產生器定位於該空腔之一較大末端。
如申請專利範圍第14項所述之流體噴射處理設備，更包括一集中器板，具有面向引導朝向該通道的一凹面，以在鄰近於該通道之一焦點集中該等超音波壓力波。
如申請專利範圍第11項所述之流體噴射處理設備，其中該空腔具有一或多個共振頻率，且該超音波振動產生器適於在該空腔中以產生駐音波的複數個頻率而操作。
如申請專利範圍第10至16項中任一項所述之流體噴射處理設備，其中該處理頭配置以足夠接近該工件地被支持，使在該流體噴射中的該等空腔氣泡衝擊在該工件表面。
如申請專利範圍第10項所述之流體噴射處理設備，其中該處理頭包括一注射針，以注射複數個氣泡至該流體中。
如申請專利範圍第10項所述之流體噴射處理設備，其中該處理頭包括：氣泡裝置，以在該流體中產生複數個氣泡，包括適於接觸該流體之一加熱表面；以及加熱裝置，以加熱該加熱表面。
一種流體噴射處理工具，以產生包括具有不同密度及/或黏度特性之一流體之複數個區域之一流體噴射，包括：一處理頭，具有一離開通道，以產生該流體之該流體噴射；密度黏度裝置，以在該流體噴射中產生具有不同密度及/或黏度特性之該流體之該等區域。
如申請專利範圍第20項所述之流體噴射處理工具，其中在該流體噴射中產生之該流體之該等區域藉由一致動器，以施加超音波振動至在該處理頭中之該流體，使得複數個空腔氣泡週期地在該流體內產生，且在該流體噴射之該等區域中傳輸。
如申請專利範圍第21項所述之流體噴射處理工具，包括：一空腔以及一通道，可提供一加壓流體至該空腔，該通道從該空腔導引，該流體經過該通道而離開，以產生該流體噴射；其中該致動器可以在該空腔內產生共振駐波之一或多個頻率而操作。
如申請專利範圍第20項所述之流體噴射處理工具，其中該流體之該等區域藉由氣泡裝置而在該流體噴射中產生，該微泡裝置在該流體中週期地注射複數個氣泡，使得該等氣泡週期地在該流體噴射中傳輸，以形成密度降低的區域。
如申請專利範圍第20項所述之流體噴射處理工具，其中該流體之該等區域藉由微液滴裝置而在該流體噴射中產生，該微液滴裝置週期地注射一第二流體之複數個微液滴至該流體中，使得該等微液滴週期地在該流體噴射中傳輸，以形成不同於該處理流體之密度之區域。
如申請專利範圍第20項所述之流體噴射處理工具，其中該流體之該等區域藉由氣泡裝置在該流體噴射中產生，該氣泡裝置在該流體中週期地產生複數個氣泡，使得該等氣泡週期地在該流體噴射中傳輸，以形成密度降低的該等區域。