專利名稱：硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超精密加工裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)玻璃、工程陶瓷等硬脆材料具有硬度高、耐磨性和抗蝕性好等優(yōu)異機(jī)械性能以及獨(dú)特的光學(xué)性能，其加工精度和表面質(zhì)量要求也越來越嚴(yán)格，硬脆材料零件的超精密加工技術(shù)成為迫切需求和最具挑戰(zhàn)性的加工技術(shù)領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)的機(jī)械拋光方法在材料可控去除、表面損傷和加工效率等方面存在明顯缺陷，難以滿足高精度超光滑低損傷表面的加工要求，不再適用于此類硬脆材料的超精密加工。如何實(shí)現(xiàn)高精度高質(zhì)量高效率的拋光加工是硬脆材料超精密加工急需解決的問題。采用計(jì)算機(jī)控制的確定性拋光(CCOS)技術(shù)，通過確定的去除函數(shù)，進(jìn)行逐點(diǎn)可控拋光，可以獲得高精度高質(zhì)量的加工表面，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的先進(jìn)拋光技術(shù)如計(jì)算機(jī)控制小磨頭拋光、離子束拋光、氣囊拋光、磨料射流拋光、磁流變拋光與磁射流拋光等代表了超精密拋光技術(shù)的發(fā)展方向。但是氣囊拋光去除率有限，對于工件中存在的高頻信息很難去除，這也是計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)中普遍存在的現(xiàn)象。離子束拋光等可獲得極高的表面粗糙度，但材料去除率極低，通常僅用于CMP等拋光工藝后，進(jìn)一步減小工件表面損傷層，提高表面質(zhì)量，且加工成本高。磁流變拋光在有效去除低頻面形誤差的同時(shí)，容易產(chǎn)生中高頻誤差，從而惡化光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，對于強(qiáng)激光高聚能系統(tǒng)高分辨率探測系統(tǒng)尤為顯著。另一方面，磁流變裝置復(fù)雜，需要針對不同的工件材料配置不同的磁流變液，加工成本較高。由于磨料流無約束，導(dǎo)致微磨料射流到工件表面是發(fā)散的，不是確定的集束，因此微磨料射流的加工精度偏低。另外，微磨粒射流對工件表面的機(jī)械沖擊容易引起加工損傷，不能滿足低損傷光學(xué)元件拋光的實(shí)際需要。磁射流拋光技術(shù)減小了磨粒流的發(fā)散角，在高陡度的凹形光學(xué)零件和內(nèi)腔等復(fù)雜形面的確定性精密拋光中具有潛在的獨(dú)特優(yōu)勢。但是，磁射流拋光需要特殊的磁流變液，與磁流變拋光一樣，加工成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有硬脆材料零件的拋光加工的加工精度較低、工作效率較低、損傷較大、成本高的不足，本發(fā)明提出一種高精度、高效率、低損傷、低成本的硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置，包括拋光工具頭、彈簧、緊定螺釘、力傳感器、固定座、回收底座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述緊定螺釘套裝在固定座中心孔內(nèi)，所述彈簧套裝在緊定螺釘外，所述緊定螺釘另一端與拋光工具頭連接并壓緊彈簧，所述固定座與執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定，所述固定座中心孔上方有沉孔，所述沉孔內(nèi)安裝力傳感器，所述緊定螺釘頂端與力傳感器之間安裝橡膠圈，所述工件固定在回收底座上； 所述拋光工具頭呈圓柱型，所述拋光工具頭上端面中心有螺紋孔，所述拋光工具頭從下端面打盲孔形成磨粒流容腔，所述拋光工具頭側(cè)面有磨料進(jìn)料孔，所述磨料進(jìn)料孔與磨粒流容腔相通，所述拋光工具頭為對磨粒磨損不敏感的彈性材料制成的工具頭；
所述回收底座中心為安裝工件的凸臺，所述凸臺四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外圍有一圈磨粒流擋板,所述磨粒流擋板高于工件上表面。進(jìn)一步，所述回收槽內(nèi)有磨粒流回收出口，所述磨粒流回收出口通過管道與回收泵的進(jìn)料口連接，所述回收泵的出料口與攪拌裝置的進(jìn)料口接通，所述攪拌裝置的出料口與供料泵的進(jìn)料口連接，所述供料泵的出料孔與拋光工具頭上端面的磨料進(jìn)料孔接通。所述壓力表安裝在攪拌裝置和供料裝置的連接氣管之間，所述供料泵和回收泵上都有流量調(diào)節(jié)裝置。再進(jìn)一步，所述拋光工具頭通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動初始狀態(tài)時(shí)下端面被壓在工件表面上。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:拋光工具頭通過彈簧預(yù)加一個(gè)可調(diào)的彈性壓力，拋光工具頭里沒有磨粒流或者磨粒流的壓力不夠大時(shí)，拋光工具下端面被壓在工件表面上；一旦拋光工具中的磨粒流壓力大于外加彈性壓力，拋光工具下端面與工件表面形成一個(gè)縫隙，磨粒流從該縫隙沿著拋光工具端面流出，強(qiáng)制磨粒對工件表面進(jìn)行拋光加工。所述力傳感器可測量當(dāng)前位置磨粒流對拋光工具頭的壓力大小，設(shè)定好傳感器壓力的初始值，加工過程中當(dāng)傳感器力值大于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制拋光工具頭在當(dāng)前位置持續(xù)加工，直到力值小于等于設(shè)定值再進(jìn)行下一位置的加工。磨粒流在拋光工具的約束下，完全改變了磨料水射流的形成方式，無須極小極細(xì)的噴嘴即可實(shí)現(xiàn)射流加工，加工狀態(tài)時(shí)拋光頭壓向工件表面，磨料流在拋光工具頭的約束下，改變了射流方向，通過拋光工具頭端面沿著與工件表面的切向高速流出。應(yīng)用該方法進(jìn)行拋光加工時(shí)將松散的磨粒流法向噴射的加工方式改變?yōu)閺?qiáng)制約束的切向磨粒流加工方式，不僅解決了射流束界面的不穩(wěn)定性問題，而且使得磨粒沿工件表面運(yùn)動，強(qiáng)化了磨粒對工件表面的剪切作用，弱化了磨粒對工件表面的法向沖擊作用，主要是磨粒流的剪切和劃擦作用去除工件表面材料。因此，該方法既可以減小沖擊損傷，又具有較強(qiáng)的材料去除能力。磨粒流可以通過回收槽被回收循環(huán)利用，節(jié)約了加工成本，減少了環(huán)境污染。本發(fā)明的有益效果為:高精度、高效率、低損傷、低成本。


圖1是一種硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置示意圖。圖2是系統(tǒng)原理不意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照圖1-圖2，一種硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置，包括拋光工具頭5、彈簧4、緊定螺釘3、力傳感器13、固定座2、回收底座6和執(zhí)行機(jī)構(gòu)1，所述緊定螺釘3套裝在固定座2中心孔內(nèi)，所述彈簧4套裝在緊定螺釘3外，所述緊定螺釘3另一端與拋光工具頭5通過螺紋連接并壓緊彈簧4，所述固定座2通過螺栓與執(zhí)行機(jī)構(gòu)I固定，所述固定座2中心孔上方有沉孔，所述沉孔內(nèi)安裝力傳感器13，所述緊定螺釘3頂端與力傳感器13之間安裝橡膠圈，所述工件8通過銷柱7固定在回收底座6上。所述拋光工具頭5呈圓柱型，所述拋光工具頭5上端面中心有螺紋孔，所述拋光工具頭5從下端面打盲孔形成直徑較大的磨粒流容腔10，所述拋光工具頭5側(cè)面有磨料進(jìn)料孔11，所述磨料進(jìn)料孔11與磨粒流容腔10相通，所述拋光工具頭5采用對磨粒磨損不敏感的彈性材料制成，所述回收底座6中心為安裝工件的凸臺，所述凸臺四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外圍有一圈磨粒流擋板，所述磨粒流擋板高于工件上表面，所述回收槽內(nèi)有磨粒流回收出口 9，所述磨粒流回收出口 9通過管道15與回收泵19的進(jìn)料口連接，所述回收泵19的出料口與攪拌裝置18的進(jìn)料口接通，所述攪拌裝置18的出料口與供料泵16的進(jìn)料口連接，所述供料泵16的出料孔與拋光工具頭上端面的磨料進(jìn)料孔11接通。所述壓力表17安裝在攪拌裝置18和供料裝置16的連接氣管之間，所述供料泵16和回收泵18上都有流量調(diào)節(jié)裝置。進(jìn)一步，所述拋光工具頭5初始狀態(tài)下通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)I控制其下端面壓在工件8的表面上，所述力傳感器13可測量當(dāng)前位置磨粒流對拋光工具頭的壓力大小，設(shè)定好傳感器壓力的初始值，加工過程中當(dāng)傳感器力值大于設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制拋光工具頭在當(dāng)前位置持續(xù)加工，直到力值小于等于設(shè)定值再進(jìn)行下一位置的加工。
權(quán)利要求
1.一種硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置，其特征在于:包括拋光工具頭、彈簧、緊定螺釘、力傳感器、固定座、回收底座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所述緊定螺釘套裝在固定座中心孔內(nèi)，所述彈簧套裝在緊定螺釘外，所述緊定螺釘另一端與拋光工具頭連接并壓緊彈簧，所述固定座與執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定，所述固定座中心孔上方有沉孔，所述沉孔內(nèi)安裝力傳感器，所述緊定螺釘頂端與力傳感器之間安裝橡膠圈，所述工件固定在回收底座上； 所述拋光工具頭呈圓柱型，所述拋光工具頭上端面中心有螺紋孔，所述拋光工具頭從下端面打盲孔形成磨粒流容腔，所述拋光工具頭側(cè)面有磨料進(jìn)料孔，所述磨料進(jìn)料孔與磨粒流容腔相通，所述拋光工具頭為對磨粒磨損不敏感的彈性材料制成的工具頭； 所述回收底座中心為安裝工件的凸臺，所述凸臺四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外圍有一圈磨粒流擋板,所述磨粒流擋板高于工件上表面。
2.按權(quán)利要求1所述的硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置，其特征在于:所述回收槽內(nèi)有磨粒流回收出口，所述磨粒流回收出口通過管道與回收泵的進(jìn)料口連接，所述回收泵的出料口與攪拌裝置的進(jìn)料口接通，所述攪拌裝置的出料口與供料泵的進(jìn)料口連接，所述供料泵的出料孔與拋光工具頭上端面的磨料進(jìn)料孔接通； 所述壓力表安裝在攪拌裝置和供料裝置的連接氣管之間，所述供料泵和回收泵上都有流量調(diào)節(jié)裝置。
3.按權(quán)利要求1或2所述的硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置，其特征在于:所述拋光工具頭通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動初始狀態(tài)時(shí)下端面被壓在工件表面上。
全文摘要
一種硬脆材料零件的約束磨粒流超精密加工裝置，緊定螺釘套裝在固定座中心孔內(nèi)，彈簧套裝在緊定螺釘外，緊定螺釘另一端與拋光工具頭連接并壓緊彈簧，固定座與執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定，固定座中心孔上方有沉孔，沉孔內(nèi)安裝力傳感器，緊定螺釘頂端與力傳感器之間安裝橡膠圈，工件固定在回收底座上；拋光工具頭呈圓柱型，拋光工具頭上端面中心有螺紋孔，拋光工具頭從下端面打盲孔形成磨粒流容腔，拋光工具頭側(cè)面有磨料進(jìn)料孔，磨料進(jìn)料孔與磨粒流容腔相通，回收底座中心為安裝工件的凸臺，凸臺四周有磨粒流回收槽，回收槽外圍有一圈磨粒流擋板，磨粒流擋板高于工件上表面。本發(fā)明高精度、高效率、低損傷、低成本。
文檔編號B24B57/00GK103084961SQ20131004616
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者袁巧玲, 孫建輝, 周海清, 單曉杭, 金旭 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)