CN111136593A - 一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及制备方法，包括：供料系统、加工系统、XYZ运动系统、控制系统。采用本发明所设计的装置根据所设计的结构进行3D打印；若为热引发固化则启动加热机构，若为光引发固化启动光紫外光源；对打印好的固结磨料研抛垫进行后固化处理；加热10‑30min即可。本发明能够实现具有复杂内部流道、不同类型的固结磨料研磨垫的制备，能够集光固化和热固化为一体、实现半自动化生产、大大提高了研磨垫的制备效率。

Description

一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及制备方法。

背景技术

固结磨料加工作为超精密加工的一个新的发展趋势，因此其研抛垫的制备是一个一直以来备受关注的问题。此外，其孔隙结构对研磨垫的加工质量有很大的影响，然而现有技术制备出的固结磨料研抛垫孔隙结构简单、不能形成复杂的流场和流道，难以满足加工过程中输液和输入碎屑的需求。传统的固结磨料研磨垫的制作过程是：磨料和高聚物混合→机械搅拌→超声分散→树脂基体→注入模具光/热固成型→后固化处理→成品。根据传统的制作过程可知，其孔隙主要靠成孔剂来实现，孔隙的大小、分布难以控制；研抛过程中很难实现研抛垫内部孔道的连通形成复杂流道，对研磨碎屑的输送和容纳性能较差。此外，传统的制备方法，针对表面凸起形状或大小不同的固结磨料研抛的制备，需要分别制备相应的模具，致使成本增加，效率降低。因此，现有的固结磨料研抛垫制备工艺复杂、制备成本高、制备出来的固结磨料研抛垫性能不能满足加工的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，简化了固结磨料研磨垫的过程，光固化和热固化集为一体，降低成本、提高效率并且实现半自动化生产。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，包括与控制系统电联接的供料系统、加工系统和XYZ运动系统，所述供料系统包括料箱、输送管和下料装置，所述输送管的两端分别与所述料箱和下料装置连接，所述加工系统包括设置于箱体内的工作台，所述XYZ运动系统包括工字导轨组和电动千斤顶，所述下料装置安装在所述工字导轨组上并位于所述工作台顶部，所述电动千斤顶镶嵌在所述箱体的底部，所述工作台安装在所述电动千斤顶上。

优选的，所述下料装置内部设置有电机二驱动的搅拌器，所述下料装置内部的下料口上端设置有锥形槽，所述下料口的末端为喷嘴；所述下料装置的外周设置有预热电阻丝。

优选的，所述箱体内设置有加热电阻丝和紫外线灯。

优选的，所述工字导轨组包括Y轴丝杠和两个平行设置的X轴丝杠，所述Y轴丝杠的两端分别通过丝杠螺母滑动设置于两个X轴丝杠上，所述下料装置与所述Y轴丝杠的丝杠螺母固定连接。

优选的，两个所述X轴丝杠的两端通过支撑板固定安装在所述箱体的内侧壁上，且所述X轴丝杠的一端伸出所述箱体外侧并传动连接有驱动电机三；所述Y轴丝杠的一端传动连接有驱动电机一。

优选的，所述X轴丝杠的两侧支撑板之间连接有两条导轨，两条导轨对称位于丝杠的两侧，滑块一滑动安装在两条导轨上并与X轴丝杠的丝杠螺母固定连接；所述Y轴丝杠的两端分别与两X轴丝杠上的滑块一固定连接。

优选的，两个滑块一之间连接有两条导轨，两条导轨对称位于Y轴丝杠的两侧，滑块二滑动安装在两条导轨上并与Y轴丝杠的丝杠螺母固定连接；所述下料装置固定在所述滑块二上。

优选的，所述箱体的一侧设置有门，门的一侧通过铰链合页与所述箱体相连接。

本发明还提供一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备方法，应用于上述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，包括以下步骤：

1)根据加工需要设计出固结磨料研抛垫中复杂的流场和流道结构；2)选择制备固结磨料研抛垫所需的磨料种类、粒度和浓度；选择制备固结磨料研抛垫所需的基体材料种类、浓度及相关加速剂和固化剂所需的种类及浓度；3)分别将充分搅拌后加有加速剂的混合物和加有固化剂的混合物加入到具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置中的两个不同料箱中；4)采用制备装置根据所设计的结构进行3D打印；若为热引发固化则启动加热机构，若为光引发固化启动光紫外光源；5)对打印好的固结磨料研抛垫进行后固化处理；加热10-30min即可。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明是将3D打印技术与传统的固结磨料研磨垫的制作过程进行巧妙的融合。利用现代较热的3D打印技术，可以实现研磨垫的有序孔隙；使用本设备即可摆脱模具的约束；将光固化和热固化集于一体，能够实现光固化和热固化的随意切换，避免了有些磨料例如氧化铈不能使用光固化进行固化处理而选择热固化的固化处理方式；提高了研磨垫的制作效率；能够实现半自动化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中主体部分结构示意图；

图2是本发明中箱体内部结构示意图；

图3a和3b是本发明的下料装置的结构示意图；

图4是本发明的XY运动系统结构示意图；

图5是本发明的上下二等角轴测示意图；

图6是本发明的主体结构示意图。

图中：1、门；2、铰链合页；3、安全阀；4、箱体；5、紫外线灯；6、灯架；7、加热电阻丝；8、Y轴丝杠；9、电线；10电机一；11、滑块一；12、输料管一；13、泵体；14、输料管二；15、电机二；16、滑块二；17、微型电动千斤顶；18、工作台；19、搅拌器；20、下料口；21、电机三；22、喷嘴；23、X轴丝杠；24、支撑板；25接头；26、预热电阻丝；27、料箱；28外接管；29、数据线；30、电脑；31、下料装置；32连接块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，简化了固结磨料研磨垫的过程，光固化和热固化集为一体，降低成本、提高效率并且实现半自动化生产。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-6所示，本实施例提供一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置及其制备方法，该制备装置包括：供料系统、加工系统、XYZ运动系统、控制系统四个主体部分。可实现孔隙可控、省去模具、光/热固化集于一体。

进一步地，供料系统将原料从料箱经泵给的压力使其从输料管送至箱体4中的下料装置31，当原料输送至下料装置31时，下料装置31内部的搅拌器19再一次对原料进行搅拌，搅拌器19由电机二15带动，避免在原料运输过程中的某些位置的堆积导致的内部聚集，下料装置31周围设置有预热电阻丝26，对原料进行预热处理，下料装置31内部的下料口20上端设置有锥形槽，这是为了使原料能够不断续的从下料口20流向喷嘴22，从而实现为固结磨料研磨垫的制备供料的功能。

进一步地，加工系统是原料经喷嘴22喷出后在XYZ运动系统下在工作台18上进行逐层堆积，根据磨料的不同选择不同的固化方式，箱体4内经加热电阻丝7加热后可达到工作温度，箱体4内经紫光灯照射达到工作温度(紫外线灯5通过灯架6固定在箱体4的顶部)，当原料在工作台18上逐层堆积后，由于箱体4内的加热电阻丝7或者紫外线灯5，被逐层堆积的原料很快就会固化，从而实现实现固结磨料研磨垫的固化，完成固结磨料研磨垫的制备功能。

进一步地，XYZ运动系统由工字导轨组、微型电动千斤顶17组成。研磨垫的花型、孔隙、沟槽的深度、摆脱模具约束都是靠XYZ运动系统实现的。工字形导轨是管控XY轴运动系统的机构，由两个滚珠丝杠、滑块、电机、支撑板组成，工字形导轨的两个纵梁经支撑板固定在箱体4内，下料装置31安装在工字形导轨组的横梁上，经特定的软件程序的控制，并且由三个电机驱动，从而实现XY平面内的运动。Z轴的运动主要靠微型电动千斤顶17来完成，微型电动千斤顶17镶嵌在箱体4底部，经特定的软件程序的和内部位移传感器的控制，从而实现在Z轴方向上的运动。经XYZ系统与供料系统和加工系统配合，从而实现固结磨料研磨垫的制备功能。具体的XYZ运动系统的协调实施如下：经控制系统设置好XYZ运动系统的初始位置，加工第一层时，Z轴不动，控制系统控制XY轴在平面内进行移动，完成第一层的加工；加工第二层时，控制系统控制Z轴向下移动一定精度的距离，这时的控制系统开始控制XY轴进行平面内的运动，完成第二层的堆积，XYZ运动系统的运动直至加工完研磨垫为止。

进一步地，工字导轨组包括Y轴丝杠8和两个平行设置的X轴丝杠23，Y轴丝杠8的两端分别通过丝杠螺母滑动设置于两个X轴丝杠23上，下料装置31与Y轴丝杠8的丝杠螺母固定连接。两个X轴丝杠23的两端通过支撑板24固定安装在箱体4的内侧壁上，且X轴丝杠23的一端伸出箱体4外侧并传动连接有电机三21；Y轴丝杠8的一端传动连接有电机一10。X轴丝杠23的两侧支撑板24之间连接有两条导轨，两条导轨对称位于丝杠的两侧，滑块一11滑动安装在两条导轨上并与X轴丝杠23的丝杠螺母固定连接；Y轴丝杠8的两端分别与两X轴丝杠23上的滑块一11固定连接。两个滑块一11之间连接有两条导轨，两条导轨对称位于Y轴丝杠8的两侧，滑块二16滑动安装在两条导轨上并与Y轴丝杠8的丝杠螺母固定连接；下料装置31固定在滑块二16上。各电机通过电线9与电脑30连接。

箱体4的一侧设置有门1，门1的一侧通过铰链合页2与箱体4相连接。

进一步地，控制系统由电脑30和特定的软件程序组成。研磨垫的结构参数都是通过特定的软件程序设定的。供料系统、加工系统和XYZ运动系统经连接器总成后与电脑30相连，经软件程序的控制，从而实现各个系统的有序、稳定配合，完成固结磨料研磨垫的制备功能。

作为优选，为了实现箱体4内温度恒定的功能，输料管与箱体4之间的连接要做密封处理。

作为优选，为了控制Z轴微型千斤顶的精度，其内部装有位移传感器，能对微型电动千斤顶进行精度控制。

作为优选，为了提高下料装置31的运动行程，控制工字形导轨纵梁的两个电机安装在箱体4外部。

作为优选，为了保证制作过程的安全，箱体4顶部装有安全阀3。

本发明具有复杂流道结构的固结研抛垫制备方法：将传统的研磨垫的制作过程与现代的3D打印技术相融合；先使用特定的软件程序设计研磨垫的花型、孔隙和沟槽的深度→选择磨料和高聚混合物→把原料分开放入两个料箱中→利用本发明的设备对原料进行加工→完成加工后等待5-10分钟取出来垫子即可。

本发明能够实现固结磨料研磨垫的孔隙可控、不同类型的研磨垫不需要使用不同的模具、光固化和热固化集为一体、实现半自动化生产、大大提高了研磨垫的制备效率。

图1是本发明中部分主体结构示意图，为了使主要部位显示的更清楚，所以将电脑30、数据线29去掉，在图5的上下二等角轴测示意图和图6的主体结构示意图中可以清楚的看到电脑的位置。从图1至图6中可以看出本发明包括：供料系统、加工系统、XYZ运动系统、控制系统。

从图1至图6中可以详细看到，供料系统具体的工作过程是：将原料从料箱27经泵13给的压力使其从输料管一12、输料管二14送至箱体4中的下料装置31，当原料输送至下料装置31时，下料装置31内部的搅拌器19再一次对原料进行搅拌，搅拌器19由电机二15带动，避免在原料运输过程中的某些位置的堆积导致的内部聚集，下料装置31内部的下料口20上端设置有锥形槽，这是为了使原料能够不断续的从下料口20流向喷嘴22，从而实现供料的功能。

从图1中可以详细看到，加工系统具体的工作过程是：原料经喷嘴22喷出后再经XYZ运动系统在工作台18上进行逐层堆积，根据研磨垫组成成分不同，选择箱体4内加热电阻丝7热固化或者选择紫外线灯5光固化，被逐层堆积的原料很快就会固化，从而实现实现固结磨料研磨垫的固化，完成固结磨料研磨垫的加工功能。

从图1、图2、图4中可以详细看到，XYZ运动系统中工字形导轨组是管控XY轴运动系统的机构，由三个滚珠丝杠组成，两个纵梁经支撑板24固定在箱体4内，下料装置31安装在工字形导轨组的横梁上，经特定的软件程序的控制，并且由三个电机驱动，从而实现XY平面内的运动。Z轴的运动主要靠微型电动千斤顶17来完成，微型电动千斤顶17镶嵌在箱体4底部，经特定的软件程序和内部的位移传感器控制其精度，从而实现在Z轴方向上的运动。从而实现研磨垫的花型、孔隙、沟槽的深度可控、摆脱模具约束。

从图5中可以详细看到，控制系统包括：电脑30、数据线29、特定的软件程序。控制系统用来连接供料系统、加工系统、XYZ运动系统，使整个系统有序、稳定的进行工作，从而实现固结磨料研磨垫的制备。

经供料系统、加工系统、XYZ运动系统、控制系统这四个系统的共同作用下，实现了固结磨料研磨垫的孔隙可控、加工不同的研磨垫不再需要不同的模具、光固化和热固化集为一体可随加工不同进行切换、实现半自动化生产、大大提高了研磨垫的制备效率。

该具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置的详细工作过程如下：

经控制系统设定好具体参数包括：XYZ运动系统的的初始位置，XYZ运动系统的运动轨迹，根据光固化或者热固化的需要选择紫光灯5或者加热电阻丝7等。具体工作过程：将原料放入到料箱27中，经泵体13给的压力使其从输料管一12和输料管二14送至箱体4中的下料装置31，当原料输送至下料装置31时，下料装置31内部的搅拌器19再一次对原料进行搅拌，搅拌器19由电机二15带动，避免在原料运输过程中的某些位置的堆积导致的内部聚集，下料装置31内部的下料口20上端设置有锥形槽，使原料能够不断续的从下料口20流向喷嘴22，当原料从喷嘴22喷出后经控制系统控制XY运动系统在工作台18上进行逐层堆积，根据所选择的固化方式很快完成第一层的固化；第一层加工完成后，控制系统控制Z轴使其实现高精度向下的位移，XY轴也在控制系统的控制下实现平面内的运动，从而实现原料第二层的堆积和固化，重复此过程直至完成固结磨料研磨垫的加工。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：包括与控制系统电联接的供料系统、加工系统和XYZ运动系统，

所述供料系统包括料箱、输送管和下料装置，所述输送管的两端分别与所述料箱和下料装置连接，所述加工系统包括设置于箱体内的工作台，所述XYZ运动系统包括工字导轨组和电动千斤顶，所述下料装置安装在所述工字导轨组上并位于所述工作台顶部，所述电动千斤顶镶嵌在所述箱体的底部，所述工作台安装在所述电动千斤顶上。

2.根据权利要求1所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：所述下料装置内部设置有电机二驱动的搅拌器，所述下料装置内部的下料口上端设置有锥形槽，所述下料口的末端为喷嘴；所述下料装置的外周设置有预热电阻丝。

3.根据权利要求1所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：所述箱体内设置有加热电阻丝和紫外线灯。

4.根据权利要求1所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：所述工字导轨组包括Y轴丝杠和两个平行设置的X轴丝杠，所述Y轴丝杠的两端分别通过丝杠螺母滑动设置于两个X轴丝杠上，所述下料装置与所述Y轴丝杠的丝杠螺母固定连接。

5.根据权利要求4所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：两个所述X轴丝杠的两端通过支撑板固定安装在所述箱体的内侧壁上，且所述X轴丝杠的一端伸出所述箱体外侧并传动连接有驱动电机三；所述Y轴丝杠的一端传动连接有驱动电机一。

6.根据权利要求5所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：所述X轴丝杠的两侧支撑板之间连接有两条导轨，两条导轨对称位于丝杠的两侧，滑块一滑动安装在两条导轨上并与X轴丝杠的丝杠螺母固定连接；所述Y轴丝杠的两端分别与两X轴丝杠上的滑块一固定连接。

7.根据权利要求6所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：两个滑块一之间连接有两条导轨，两条导轨对称位于Y轴丝杠的两侧，滑块二滑动安装在两条导轨上并与Y轴丝杠的丝杠螺母固定连接；所述下料装置固定在所述滑块二上。

8.根据权利要求1所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于：所述箱体的一侧设置有门，门的一侧通过铰链合页与所述箱体相连接。

9.一种具有复杂流道结构的固结研抛垫制备方法，应用于权利要求1-8中任一项所述的具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据加工需要设计出固结磨料研抛垫中复杂的流场和流道结构；2)选择制备固结磨料研抛垫所需的磨料种类、粒度和浓度；选择制备固结磨料研抛垫所需的基体材料种类、浓度及相关加速剂和固化剂所需的种类及浓度；3)分别将充分搅拌后加有加速剂的混合物和加有固化剂的混合物加入到具有复杂流道结构的固结研抛垫制备装置中的两个不同料箱中；4)采用制备装置根据所设计的结构进行3D打印；若为热引发固化则启动加热机构，若为光引发固化启动光紫外光源；5)对打印好的固结磨料研抛垫进行后固化处理；加热10-30min即可。

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