[发明专利]一种相控阵超声聚焦流体振动抛光装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学冷加工技术领域，尤其涉及一种相控阵超声聚焦流体振动抛光装置。

背景技术

随着光学与微电子学等技术的不断发展，对重要零件表面精度的要求越来越高，相应地，如何实现零件的高精密抛光已经成为加工领域的一个重要研究课题。由于在传统的抛光方法中，抛光盘会磨损且控制性较差，很多新的抛光方法也逐渐被提出。流体振动抛光(polishing based Vibrations of Liquid)就是其中一种比较有发展前景的抛光方法。该方法摒弃了传统抛光加工中的抛光盘和抛光垫，以流体作为抛光工具，由于流体具有几何形状的自适应能力，因此可以获得很好的加工平整度。抛光能量由超声振动提供，当超声振动在液体中传播时，将发生一种称为“空化”的复杂非线性现象，而空化泡局部将产生非常高的温度和压强，同时非对称空化会引发高速的微射流。流体分子或悬浮在其中的微细磨粒在这种空化作用的驱使下冲击工件表面，从而实现材料的去除。

目前，流体振动抛光装置的原理是：将工件整体放入含有抛光液的槽中，槽外侧固定有超声换能器，换能器发出超声波从而驱动液体产生超声振动。这种方式的缺点是：将工件整体放入流体超声振动场中，工件表面所有点都会有去除，而各点的去除量难以控制，这样也使得目前的流体振动抛光不适合作为工件面形的修正方法。

发明内容

为了克服现有流体振动抛光装置的不足，本发明提供一种相控阵超声聚焦流体振动抛光装置，该装置可控制超声波在工件表面待加工点聚焦，聚焦后的超声波可在局部对工件表面进行去除，对各点的驻留时间进行控制即可修正面形，从而成为一种适合于面形修正与表面抛光兼顾的流体振动抛光装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种相控阵超声聚焦流体振动抛光装置，包括主控制器、信号接收与采集模块、超声发射模块、超声相控阵换能器和装有抛光液的敞口容器；主控制器发出含有延时的控制信号给超声发射模块，超声发射模块驱动超声相控阵换能器产生超声振动并在待加工件上的待抛光点聚焦，经过待加工件反射回来的声波再由同一个超声相控阵换能器接收，超声相控阵换能器接收的声波信号经过信号接收与采集模块处理后传给主控制器。

上述抛光液中的抛光颗粒可以是氧化硅、氧化铈、氧化铝或纳米金刚石。

上述超声相控阵换能器与待加工件之间的距离在10mm到2m之间。

上述超声相控阵换能器发出的频率在15KHz～20MHz之间可调；当超声频率在15KHz～850KHz频率范围内时，主要利用空化作用来加工；当超声频率在850KHz～20MHz频率范围内时，主要利用声压驱动流体流动来抛光。

上述超声相控阵换能器的下平面与待加工件的表面之间的夹角在0°～90°之间。

上述超声相控阵换能器可以是矩形面阵式换能器、圆形面阵式换能器或线阵式换能器。面阵式换能器可在两个方向的不同深度聚焦，换能器本身不需要移动；线阵式换能器只能在一个方向不同深度聚焦，需要在另一个方向移动换能器来完成整个平面的扫描。

本发明相控阵超声聚焦流体振动抛光装置的工作原理是：抛光前，先由主控制器控制超声发射模块驱动超声相控阵换能器对工件位置进行扫描，确定工件位置后，再根据工件各点的驻留时间对工件表面进行超声聚焦扫描，聚焦后的超声将振动传递给流体，由流体带动抛光颗粒振动来对工件表面进行局部去除。

本发明的有益效果是：1)本装置在抛光之前可利用超声相控阵对待加工件进行扫描定位，有利于提高加工的精度。2)本装置可控制超声在待加工件表面的待加工点进行聚焦，聚焦后的超声可使抛光液中的抛光颗粒产生振动并对该待加工点局部进行去除，通过控制各待加工点的驻留时间可修正待加工件表面的面形，本装置是一种适合于面形修正与表面抛光兼顾的流体振动抛光装置。

附图说明

图1是本发明相控阵超声聚焦流体振动抛光装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一：本发明按图1结构实施，超声相控阵换能器4为矩形超声相控阵换能器，对于n为奇数个阵元的相控阵，若需要在某一特定的方位角θ方向上，在距离为F处形成焦点，控制各阵元的延迟时间为：