[发明专利]超声空化辅助淹没脉动气射流抛光系统

说明书

本发明公开了一种超声空化辅助淹没脉动气射流抛光系统，用于对工件在浸没状态下进行抛光，包括脉动气射流喷射装置、超声施加装置、作业箱体：脉动气射流喷射装置，包括用于向喷嘴实施脉冲供气的管路，喷嘴以一定角度朝向工件；超声施加装置，包括配合设置的超声换能器和超声聚能器，超声聚能器至少在工作状态下向工件聚焦超声波；超声波在工件上聚焦形成汇集区域，喷嘴在工件上形成冲击区域，汇集区域和冲击区域至少部分重合。本发明优化了抛光系统方案，综合超声空化以及气射流技术，满足不同表面的抛光需求，有效改善了抛光质量和效率。

技术领域

本发明是关于适用于复杂表面精密超精密抛光制造的柔性非接触抛光技术，特别是关于一种超声空化辅助淹没脉动气射流抛光系统。

背景技术

具有复杂形状和超精密表面的光学元件广泛应用于天文、军事、航空航天和生物医学领域的计量和观测设备，其超精密抛光对形状精度和粗糙度均提出了极高的要求。然而，现有的接触式抛光工艺，如小磨头抛光、柔性气囊抛光等，往往存在着物理干涉、工具磨损、接触变形等现象，进而导致去除不可控、精度差、效率低等瓶颈问题。因此，亟需寻找或开发一种面向复杂异形光学元件的高质高效表面超精密抛光技术。

射流抛光是一种基于流体动能的超精密子孔径非接触抛光技术。该工艺使用加压水作为悬浮磨料颗粒(通常为1～5μm)的载体，从小喷嘴中喷出并冲击工件表面，实现材料去除。该工艺对复杂面形具有很强的适应性，且不存在传统工具头的磨损问题，特别适合各种硬脆材料、金属与非金属制成的光学透镜及其模具、微结构孔道等复杂异形件的抛光。但该工艺仍存在去除效率低、喷嘴易堵塞和磨损等瓶颈问题。

国内外学者针对射流抛光效率低的问题，提出了气混合水射流、超声空化辅助射流抛光、负压型腔水射流抛光、纳米胶体射流抛光、阵列喷嘴及线喷嘴射流抛光等一系列改进工艺。其中，气混合水射流是将气体注射进入水射流管道混合并由喷嘴喷出，实验结果发现该工艺可以显著提高材料去除速率，但会引起抛光表面的极度恶化，不适合抛光过程。超声空化辅助水射流抛光工艺是由日本京都大学Beaucamp等人提出，即在普通水射流喷嘴前端施加超声，形成空化效应，在喷嘴出口上游产生大量的微气泡，实验数据表明，这些微气泡可将材料去除率提高380％，并且不会造成表面光洁度的退化。类似地，同样基于普通水射流，湖南大学Chen等人提出利用负压密闭环境下射流束产生的空化效应提高了近2倍的抛光去除速率，同样不会显著恶化抛光质量。哈尔滨工业大学王星等人研究了脉动纳米胶体空化射流，指出与同等加工条件下的普通纳米胶体射流相比，空化效应能够使加工效率提升20％左右。王春锦等人将多个孔组成喷嘴阵列以及采用线性喷嘴代替传统水射流的单喷嘴喷射，大幅度提高了射流抛光材料去除率，可用于大中型工件曲面的高效抛光，但对射流系统流量性能要求很高，且难以应用于复杂异形件表面的可控抛光。

综上所述，空化作用可以提高流体抛光去除效率，但目前基于空化辅助水射流抛光对去除效率的提高仍非常有限，并且传统水射流抛光中，抛光液中的磨粒对射流喷嘴易造成堵塞和磨损等问题。

公开于背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声空化辅助淹没脉动气射流抛光系统，通过综合超声空化以及气射流技术，从而满足常规工件表面特别是异形复杂表面的精密、超精密抛光需求，降低抛光引起的表面及亚表面损伤，提升抛光的效率和质量。