CN110340747B - 气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法及装置，通过微超声研抛模的振动，激发球体与研抛液中纳米级磨粒对碳化硅待加工工件表面的高频冲击，以实现对材料的去除。本发明极大地提高微半球凹模阵列的加工效率，并通过气泡调控的方式，保证了凹模的形状一致性。

Description

气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型的惯性传感器，具有精度高、稳定性强、可靠性高以及寿命长的特点，并且具有很好的抗冲击振动的能力以及很好的温度性能，已经在航空，兵器等领域开始有运用。但是这种陀螺仪的球壳加工精度低，主要原因在于其母体——半球凹模阵列的加工精度差。该凹模材料硬度大，尺寸小，加工较为困难。现有对该凹模的加工方法，如微细削加工、微细超声分层加工、微细电火花加工等方式。

至今，这些已报道的加工方式尚无法满足对碳化硅微半球凹模的加工精度与加工效率的要求。主要原因在于：(1)微细削加工微半球凹模时，在材料脆性去除的过程中会出现微半球底部或者顶部崩裂、表面及亚表面损伤的情况，无法满足加工精度的要求。加工效率以及成品率都无法得到保证。(2)微细超声分层加工，因为细微工具会出现磨损，并且该磨损无法预计与控制，因此难以规划分层进给路径，导致微半球形状精度差，加工效率低。(3)微细电火花加工微半球凹模阵列，放点空间小，因此需要加工设备的精度很高，而形状精度极高的电极加工困难，并且在加工过程中磨损很快，加工出来的微半球凹模表面质量差，形状精度低。至今尚未见报道研制出符合加工精度与质量要求的微半球凹模阵列。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，包括如下步骤：

步骤(1)制作研抛模，研抛模包括工具连杆，工具连杆包括上端变幅杆与下端工具头，所述的工具头的端面镀有硬质材料涂层，硬质材料涂层上加工有微半球凹模阵列；

步骤(2)在研抛模与待加工工件中间有球模导向板，球模导向板的厚度约为待发射的球体直径的四分之一，球模导向板上有阵列孔，阵列孔的孔径大于球体直径，球体做Z轴方向上的运功或者沿着自身轴心转动，通过龙门床的XY工作台将研抛模与待加工工件进行XY方向上的相对运功，通过并联机构来将研抛模进行Z方向上的运动；

步骤(3)在研抛模与待加工工件表面之间填充含有磨粒和气泡的研抛液，研抛模在球模导向板上表面的上方0至几毫米的距离内做高频微细超声振动，超声振动激发球体与磨粒高速冲击待加工工件表面，形成微半球凹坑。

为降低长时间的超声空化对材料的气蚀作用，向研抛液中掺有气泡，以实现在对材料的去除同时，保证加工面的精度。

进一步的，所述步骤(1)中的硬质材料涂层厚度为10mm，所述硬质材料涂为金刚石或碳化钨。

进一步的，所述步骤(1)中微半球凹模阵列的单个凹模的直径大于或等于发射球体直径，球体的直径范围为100微米至5毫米。

进一步的，球模导向板上的孔数不小于研抛模的凹模数，并且研抛模上的每一个微半球凹模在球模导向板上都有一个跟它相对应且同心的孔。

进一步的，研抛液中的磨粒为纳米级金刚石颗粒。

进一步的，球模导向板通过石蜡固定在待加工工件上。并且可以通过石蜡的厚度来确定球模导向板与待加工工件之间的距离。

进一步的，所述步骤(3)中研抛液的气泡含量为水量的3％到7.4％。

进一步的，气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛的装置，包括龙门床、减震装置、并联机构、Z方向微动进给机构、微细超声振动装置、微细超声波发生器、工具连接装置、微超声研抛模、待加工工件放置台、X方向工作台、Y方向工作台，机床遥控器，所述减震装置安装在床身的两个脚上，Y方向工作台安装在床身横杠位置，控制研抛模的Y方向运动，并联机构安装在Y方向工作台的下方，微细超声振动装置安装在并联机构下端，微超声研抛模与微细超声振动装置相连接，所述研抛模与微细超声振动装置同步振动，所述研抛模的下方为X方向工作台，所述X方向工作台位于龙门床上，待加工工件放置台位于所述工作台上，待加工工件通过石蜡暂固定在待加工工件放置台中。

除上述装置以外，该研抛系统装置还包括计算机控制系统与配电系统，所述减震装置、Z方向宏观进给与微动进给机构、微细超声振动装置、微细超声波发生器、X方向工作台、Y方向工作台、均与计算机控制系统相连接，同时可调微细超声波发生器与配电系统相连。

采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明通过微超声研抛模的振动，激发球体与研抛液中纳米级磨粒对碳化硅待加工工件表面的高频冲击，以实现对材料的去除。极大地提高微半球凹模阵列的加工效率，并通过气泡调控的方式，保证了凹模的形状一致性。本发明方法效率高、可控性强，半球凹模形状一致性高、形状精度高、表面质量好、表面粗糙度低。

附图说明

图1是本发明气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛装置的结构示意图。

图2是本发明气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛装置的原理图。

图3是本发明气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置的原理图。

图4是本发明研抛模与球体及导向结构示意图。

图5是本发明研抛模与球体及导向结构透视示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。

参照图1～图5，一种气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置，所述研抛方法包括如下步骤：

制作研抛模9：所述研抛模9包括图中所示的工具连杆、硬质材料涂层93(本实例采用硬质金刚石涂层)、球模导向板96(图示为部分被剖球模导向板)和球体95。工具连杆包括上端的变幅杆91与下端的工具头92，所述变幅杆91的上端与细微超声振动装置10相连接，所述的工具头92上镀有厚度为5mm的硬质材料涂层93，本实例采用氧化铝材料，在涂层上加工出数量为10×10微半球凹模阵列94，凹模的半径为0.5毫米，深度也为0.5毫米。球体95的直径为1毫米，材料为传统的塑性材料，本实例采用陶瓷材料。

在所述研抛模9与待加工工件13中间有一球模导向板96，球模导向板的材料为铝合金，厚度为0.3毫米。该球模导向板被一层厚度为0.7毫米的石蜡粘结在待加工工件13表面。在超声振动的过程中，球模导向板与待加工工件13始终保持相对静止。球模导向板上有100×100的阵列孔，球模导向板孔的直径为1010微米，球体恰好能够通过。并且球体在x和y方向无法运动，只能沿着Z轴方向运功或者沿着自身球心转动；

在研抛模9与待加工工件13表面之间充满研抛液，研抛液采用磨料、溶剂、添加剂按一定体积比：5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，85％水配置，本实例的研抛液中的磨粒为纳米级氮化硅颗粒，研抛模9在待加工工件13上方的微小距离内做高频微细超声振动，具体振动尺寸为：涂层下沿与待加工工件13上表面的距离始终保持在0至1.5毫米之间。超声振动激发球体高速冲击待加工工件13表面。在球模导向的约束作用下，球体仅沿着z轴方向不断地做冲击运动。在磨粒冲击、超声空化、球体发射冲击的作用下，碳化硅待加工工件13表面被加工出与球体尺寸相吻合的微半球凹模阵列。

但是，因为空化作用不仅会产生巨大的能量冲击，对凹模加工精度的影响很大，长时间的空化作用还会气蚀待加工工件13的表面，甚至无法有效地加工出半球凹模，所以需要进行气泡调控。

根据空化泡产生机理，气泡调控的主要方式为，向研抛液连续缓慢向研抛液中掺气泡，研抛液的气泡含量为水量的3％到7.4％，本实施例中掺入的空气量为水量的7％。

所述气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置装置，包括进给电机1、连接电线2、床身3、X方向工作台4、机床遥控器5、减震装置6、床脚7、待加工工件放置台8、研抛模9、微细超声振动装置10、并联机构11、Y方向工作台12、微细超声波发生器16。所述减震装置6安装在两个床脚7上，可以有效地消除外界振动对待加工工件13研抛的影响。Y方向工作台安装在床身横杠位置，控制研抛模9的Y方向运动。并联机构11安装在Y方向工作台，在确定Y方向位置之后，通过并联机构11对研抛模9的Z方向的位置进行调整。微细超声振动装置10连接在并联机构11下方，研抛模9与微细超声振动装置10相连接，所述研抛模9与微细超声振动装置10同步振动，获得与微细超声振动装置10频率幅度相同的振动。所述研抛模9的下方为X方向工作台4，所述X方向工作台4直接位于龙门床上，待加工工件放置台8位于所述工作台上，可通过导轨实现对待加工工件放置台8在水平面内X方向的移动，待加工工件通过石蜡暂固定在待加工工件放置台8中，可在加工结束后加热熔化石蜡的方式取出待加工工件。所述机床遥控器5通过连接电线与电机相连，电机控制各方向上进给装置的运动(图示电机仅为示意图)，通过遥控器定量控制各方向的运动距离。

除上述装置以外，该研抛系统装置还包括计算机控制系统14与配电系统15，所述减震装置6、Z方向宏观进给与微动进给机构、微细超声振动装置10、微细超声波发生器、X方向工作台4、Y方向工作台、均与计算机控制系统相连接，同时可调微细超声波发生器与配电系统相连。

本实施例在自制微超声涂层研抛模9、并联机构11对Z方向进给、球模导向的协同作用下，综合了流场以及磨粒场的分析，以实现对微小半球凹模阵列的高效率超精密研抛。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)制作研抛模，研抛模包括工具连杆，工具连杆包括上端变幅杆与下端工具头，所述的工具头的端面镀有硬质材料涂层，硬质材料涂层上加工有微半球凹模阵列；

步骤(2)在研抛模与待加工工件中间有球模导向板，球模导向板的厚度约为待发射的球体直径的四分之一，球模导向板上有阵列孔，阵列孔的孔径大于球体直径，球体做Z轴方向上的运功或者沿着自身轴心转动，通过龙门床的XY工作台将研抛模与待加工工件进行XY方向上的相对运功，通过并联机构来将研抛模进行Z方向上的运动；

步骤(3)在研抛模与待加工工件表面之间填充含有磨粒和气泡的研抛液，研抛模在球模导向板上表面的上方0至1.5毫米的距离内做高频微细超声振动，超声振动激发球体与磨粒高速冲击待加工工件表面，形成微半球凹坑；

为降低长时间的超声空化对材料的气蚀作用，向研抛液中掺入气泡，以实现在对材料的去除同时，保证加工面的精度。

2.如权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，所述步骤(1)中的硬质材料涂层厚度为10mm，所述硬质材料涂为金刚石或碳化钨。

3.如权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，所述步骤(1)中微半球凹模阵列的单个凹模的直径大于或等于发射球体直径，球体的直径范围为100微米至5毫米。

4.如权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，球模导向板上的孔数不小于研抛模的凹模数，并且研抛模上的每一个微半球凹模在球模导向板上都有一个跟它相对应且同心的孔。

5.如权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，研抛液中的磨粒为纳米级金刚石颗粒。

6.如权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，球模导向板通过石蜡固定在待加工工件上，并且可以通过石蜡的厚度来确定球模导向板与待加工工件之间的距离。

7.如权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法，其特征在于，所述步骤(3)中研抛液的气泡含量为水量的3％到7.4％。

8.用于实现权利要求1所述的气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法的装置，其特征在于，包括龙门床、减震装置、并联机构、Z方向微动进给机构、微细超声振动装置、微细超声波发生器、工具连接装置、研抛模、待加工工件放置台、X方向工作台、Y方向工作台，机床遥控器，所述减震装置安装在床身的两个脚上，Y方向工作台安装在床身横杠位置，控制研抛模的Y方向运动，并联机构安装在Y方向工作台的下方，微细超声振动装置安装在并联机构下端，研抛模与微细超声振动装置相连接，所述研抛模与微细超声振动装置同步振动，所述研抛模的下方为X方向工作台，所述X方向工作台位于龙门床上，待加工工件放置台位于所述工作台上，待加工工件通过石蜡暂固定在待加工工件放置台中。

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