[发明专利]一种基于空化效应的气液固三相磨粒流平面抛光系统

说明书

本发明公开了一种基于空化效应的气液固三相磨粒流平面抛光系统，包括二自由度移动装置、气液固混合装置、旋转驱动装置、空化抛光工具、工件装夹装置、工件加工池、磨粒流循环装置、高压气体注入装置和控制台，空化抛光工具包括外约束块和内约束块，内约束块与外约束块共同形成入口大、出口小的环形窄缝流道，该环形窄缝流道通过外约束体上的内部流道与旋转主轴上的通孔相通。本发明利用结构空化原理，在空化抛光工具上设置环形窄缝流道，利用入口较大出口较小的流道设计实现了液体本身的结构空化，实现工件表面的高效材料去除率；通过空化抛光工具上圆角的设计实现液体二次空化，提高了流体抛光加工效率。

技术领域

本发明涉及超精密抛光加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于空化效应的气液固三相磨粒流平面抛光系统。

背景技术

随着电子信息技术的发展，精密和超精密的光学和半导体元器件被越来越多的使用。光学材料和半导体材料的表面实现高效的超光滑加工变得越来越重要。

液体抛光作为新兴的抛光方式，由于加工过程中不产生无亚表层损伤且表面粗糙度低等特点，逐渐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，使得液体抛光技术难以在实际生产中大范围推广。另外现有的液体抛光技术大多需要速度快，流量大，压力高的流体进行抛光作业，这也使得液体抛光对加工设备普遍都有较高的要求，从而造成流体抛光加工成本高。

空化效应是指液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴的形成、发展和溃灭的过程。当液体经过由大到小的流道并流出时，会产生较大的低压区，液体在此区域会发生空化，产生巨大的能力。利用液体空化的微射流驱动液体内部混合的磨粒，使磨粒产生巨大能量撞击工件表示，达到工件表面的高效材料去除。

在流体加工中引入气体，利用气泡溃灭产生的微射流驱动磨粒撞击加工工件，即采用流体空化技术进行抛光加工，从而提高流体加工的效率是流体抛光的一种趋势。例如申请号为CN201510056821.1的中国发明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，在入口处通入微气泡，利用微气泡的溃灭提高加工效率，然而该方法仅通过外部注入气泡的方式，产生的空化为伪空化，产生的微射流能量远小于结构空化或超声空化产生的微射流能量，无法实质性的提高加工效率；同时该方法利用三个入口通入磨粒流，无法在圆周上达到均匀地去除。再比如申请号为CN201610914661.4的中国发明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，然而其在圆周设置多个文丘里管空化单元的方法依然存在圆周方向去除率不均匀的问题；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，利用超声产生空化提高加工效率，然而超声发生器价格昂贵能耗高，增加效率的同时也增加了加工成本。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有三相磨粒流抛光效率提升效果不明显，加工面去除量不均匀或者成本过高等缺点，提出了一种基于空化效应的气液固三相磨粒流平面抛光系统，利用外部混合气体和结构空化气体共同溃灭，产生微射流驱动磨粒撞击工件，在不增加加工成本的基础上，改变抛光工具结构从而改善现有三相磨粒流加工效率低以及抛光去除量不均匀的问题，从而提高了加工效率和加工效果，实现大平面工件高效和高质量加工，通过改变流道结构，实现工件加工圆周方向去除量的一致性。