[发明专利]硬脆材料复杂曲面零件的约束磨粒流抛光加工装置

说明书

技术领域

本发明涉及抛光加工装置。

背景技术

光学玻璃、光学晶体、工程陶瓷等硬脆材料具有硬度高、耐磨性和抗蚀性好等优异机械性能以及独特的光学性能，其加工精度和表面质量要求也越来越严格，硬脆材料零件的超精密加工技术成为迫切需求和最具挑战性的加工技术领域之一。

   传统的机械抛光方法在材料可控去除、表面损伤和加工效率等方面存在明显缺陷，难以满足高精度超光滑低损伤光学表面的加工要求，不再适用于此类光学元件的超精密加工。

如何实现高精度高质量高效率的抛光加工是硬脆材料超精密加工急需解决的问题。采用计算机控制的确定性抛光(CCOS)技术，通过确定的去除函数，进行逐点可控抛光，可以获得高精度高质量的加工表面，在此基础上开发的先进抛光技术如计算机控制小磨头抛光、离子束抛光、气囊抛光、磨料射流抛光、磁流变抛光与磁射流抛光等代表了超精密抛光技术的发展方向。

但是气囊抛光去除率有限，对于工件中存在的高频信息很难去除，这也是计算机控制光学表面成形技术中普遍存在的现象。离子束抛光等可获得极高的表面粗糙度，但材料去除率极低，通常仅用于CMP等抛光工艺后，进一步减小工件表面损伤层，提高表面质量，且加工成本高。磁流变抛光在有效去除低频面形误差的同时，容易产生中高频误差，从而恶化光学系统的成像质量，对于强激光高聚能系统高分辨率探测系统尤为显著。另一方面，磁流变装置复杂，需要针对不同的工件材料配置不同的磁流变液，加工成本较高。由于磨料流无约束，导致微磨料射流到工件表面是发散的，不是确定的集束，导致微磨料射流的加工精度偏低。另外，微磨粒射流对工件表面的机械冲击容易引起加工损伤，不能满足低损伤光学元件抛光的实际需要。磁射流抛光技术减小了磨粒流的发散角，在高陡度的凹形光学零件和内腔等复杂形面的确定性精密抛光中具有潜在的独特优势。但是，磁射流抛光需要特殊的磁流变液，与磁流变抛光一样，加工成本较高。

发明内容

本发明针对现有硬脆材料零件的抛光加工问题，本发明提出一种抛光精度和材料去除率高、工件表层的加工损伤小、成本低的硬脆材料复杂曲面零件的约束磨粒流抛光加工装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种硬脆材料复杂曲面零件的约束磨粒流抛光加工装置，所述加工装置包括抛光工具头、弹簧、紧定螺钉、固定座、回收底座和抛光机器人，所述抛光工具头为对磨粒磨损不敏感的弹性材料制成的工具头，所述紧定螺钉套装在固定座中心孔内，所述弹簧套装在紧定螺钉外，所述紧定螺钉另一端与抛光工具头连接并压紧弹簧，所述工件固定在回收底座上，所述固定座与抛光机器人末端固定，所述固定座中心孔上方有沉孔，所述紧定螺钉顶端与抛光机器人末端之间有空隙，所述抛光工具头呈圆柱型，所述抛光工具头上端面中心有螺纹孔，所述抛光工具头从下端面打盲孔形成磨粒流容腔，所述抛光工具头侧面有磨料进料孔，所述磨料进料孔与磨粒流容腔相通；所述回收底座中心为安装工件的凸台，所述凸台四周有磨粒流回收槽，所述回收槽外围有一圈磨粒流挡板，所述磨粒流挡板高于工件上表面，所述回收槽内有磨粒流回收出口。

进一步，所述磨粒流回收出口通过管道与回收泵的进料口连接，所述回收泵的出料口与搅拌装置的进料口接通，所述搅拌装置的出料口与供料泵的进料口连接，所述供料泵的出料孔与抛光工具头上端面的磨料进料孔接通，所述压力表安装在搅拌装置和供料装置的连接气管之间，所述供料泵和回收泵上都有流量调节装置。 

本发明的技术构思为：抛光工具头通过弹簧预加一个可调的弹性压力，抛光工具头里没有磨粒流或者磨粒流的压力不够大时，抛光工具下端面被压在工件表面上；一旦抛光工具中的磨粒流压力大于外加弹性压力，抛光工具下端面与工件表面形成一个缝隙，磨粒流从该缝隙沿着抛光工具端面流出，强制磨粒对工件表面进行抛光加工，采用抛光机器人规划曲面加工的路径，实现硬脆材料零件曲面的自动化抛光加工。

    磨粒流在抛光工具的约束下，完全改变了磨料水射流的形成方式，无须极小极细的喷嘴即可实现射流加工，加工状态时抛光头压向工件表面，磨料流在抛光工具头的约束下，改变了射流方向，通过抛光工具头端面沿着与工件表面的切向高速流出。应用该方法进行抛光加工时将松散的磨粒流法向喷射的加工方式改变为强制约束的切向磨粒流加工方式，不仅解决了射流束界面的不稳定性问题，而且使得磨粒沿工件表面运动，强化了磨粒对工件表面的剪切作用，弱化了磨粒对工件表面的法向冲击作用，主要是磨粒流的剪切和划擦作用去除工件表面材料。因此，该方法既可以减小冲击损伤，又具有较强的材料去除能力。