CN104149036B - 一种磨粒流微孔抛光设备及其抛光工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨粒流微孔抛光设备，其包括用于夹持工件并使工件中需要抛光的微孔实现定位的夹具、安装于夹具的基座板、设于基座板并与工件的微孔位置对应连通的通孔状的空化腔、盖于空化腔的与工件相对一侧的激光高透保护镜、可产生朝向所述空化腔的激光束的激光器、位于激光器与激光高透保护镜之间可将激光束聚焦于所述空化腔中的聚焦透镜、可将压力磨粒流体引入所述空化腔的磨料导引通道。持续周期性的激光聚焦到流体形成空化，产生巨大的局部压力和将磨粒流推送到微孔的射流，不断推送磨粒流在微孔中高速流动并摩擦微孔孔壁而实现对微孔进行超精密高效率抛光。本发明还公开了一种高效率对微孔进行超精密抛光的磨粒流微孔抛光工艺。

Description

一种磨粒流微孔抛光设备及其抛光工艺

技术领域

本发明涉及精密加工，尤其涉及一种针对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光的磨粒流微孔抛光设备。本发明还涉及一种对微孔进行抛光的磨粒流微孔抛光工艺。

背景技术

各种微孔在飞机、汽车、电器、化工、食品、生物医疗等行业中的应用越来越广泛。如印刷电路板上微孔、内燃机燃料喷嘴、化纤细丝喷嘴、金丝球焊机上的劈刀孔等。其中化纤丝喷嘴的喷孔最小直径约10微米；金丝球焊机劈刀微孔最小约25微米。目前利用常规技术加工这些产品的微孔内表面粗糙度都不够理想，难以满足产品日益提高的小型化和精细化的质量要求，正是在这种背景下，开发各种高效和便捷的微孔抛光技术便成为当下微纳制造业的迫切需求。

目前适合于微孔加工的方法主要有：机械钻孔、激光打孔、电火花加工和电解加工。但是，用机械钻孔的方法，在微孔的出口处会留下毛刺，这种毛刺会影响使用效果，用激光和电火花加工都会在微孔孔壁处留下再铸层，从而影响微孔的使用寿命，使得微孔的孔壁表面质量发生恶化。例如传统方法加工的汽车喷油嘴，粗糙度大，在压力室中有翻边毛刺，喷油嘴流量系数只有0.5~0.6。为了满足越来越严格的排放法规要求，柴油机要求喷油嘴流量系数在0．8以上，需要进一步提高其流量系数。

由于微孔尺寸小，用常规方法难以改善内壁粗糙度，而磨粒流加工方法正是在这种情况下应运而生。磨料流加工(AbrasiveFlow Machining，简称“AFM”)在国内也称为挤压珩磨，是在挤压珩磨机作用下，利用具有流动性的粘弹性半固状磨料对被加工零件表面进行往复运动，从而对零件的各种型腔和交叉孔径、边棱进行研磨抛光、倒圆角、去毛刺。

磨粒流是磨粒相对于被加工表面的挤压运动实现的，孔越小则抛光工艺越难以实现，所需要的挤压力越大，对液压***与设备的要求越高，因而目前磨粒流工艺无法抛光孔径小于50微米的微孔。目前，磨粒流抛光技术在汽车喷嘴制造业得到广泛使用，但利用磨粒流抛光比汽车喷油嘴还小的微孔，例如50um的微小陶瓷孔（使用在金丝球焊机劈刀上），则存在一定困难。根据微管道流体阻力计算公式可知，孔径越小，使液体进入微孔的压力越大（压力与孔径的平方成反比）。因此，对于微孔，磨粒流如何高速的挤入孔道内便是需要解决的难题。如果借鉴常规磨粒流设备压力范围0.7MPa-22.4MPa，则50um孔洞的磨粒流抛光压力需要达到12.8MPa-411.1MPa，如果是抛光30um的孔则将达到31MPa-995MPa，如此大的入口压力，通过液压***来实现已是非常困难，对液压元件和管路有极高的要求，而且在如此大的高压下，整个设备***是极不安全的。为实现微孔的磨粒流抛光，必须要有稳定、安全和超高压的驱动压力。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是提供一种可提供局部高压对极小微孔进行抛光的磨粒流微孔抛光设备及其抛光工艺。

为了克服现有技术不足，本发明采用的技术方案是：一种磨粒流微孔抛光设备，其包括用于夹持工件并使工件中需要抛光的微孔实现定位的夹具、安装于夹具的基座板、设于基座板并与工件的微孔位置对应连通的通孔状的空化腔、盖于空化腔的与工件相对一侧的激光高透保护镜、可产生朝向所述空化腔的激光束的激光器、位于激光器与激光高透保护镜之间可将激光束聚焦于所述空化腔中的聚焦透镜、可将压力磨粒流体引入所述空化腔的磨料导引通道。

作为本发明磨粒流微孔抛光设备的技术方案的一种改进，所述磨料导引通道包括可将压力磨粒流体引入基座板的导入管、连通导入管与空化腔的注入槽。

作为本发明磨粒流微孔抛光设备的技术方案的一种改进，所述导入管设有单向阀。

作为本发明磨粒流微孔抛光设备的技术方案的一种改进，所述夹具与基座板相对一侧设有可接收经过微孔排出的磨粒流的回收储罐。

作为本发明磨粒流微孔抛光设备的技术方案的一种改进，所述磨粒流微孔抛光设备还设有可储存压力磨粒流体的供料储罐，导入管的引入口伸入供料储罐的磨粒流体液位以下，供料储罐的顶部连接压力气管。

作为本发明磨粒流微孔抛光设备的技术方案的一种改进，所述空化腔为锥状，其大头开口盖有所述激光高透保护镜，小头开口与微孔连通。

为了解决现有技术中无法对小于50微米的微孔进行抛光的缺陷，本发明采用的工艺技术方案是：一种磨粒流微孔抛光工艺，用于对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光，所述磨粒流微孔抛光工艺使用权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹具，并使工件中需要抛光的微孔与空化腔对应连通；

S2、驱动压力磨粒流体穿过磨粒导引通道进入空化腔；

S3、启动激光器产生激光束，激光束穿过聚焦透镜形成焦点于空化腔内，激光将流体击穿、电离而形成空泡产生高压推动磨粒流进入微孔；

S4、持续给予周期性的激光照射，磨粒流不断的进入微孔中进行抛光。

作为本发明磨粒流微孔抛光工艺的技术方案的一种改进，所述磨粒流体中含有磨粒以及填充于磨粒之间的填充液，所述磨粒的粒径为微孔孔径的0.05~0.2倍。

本发明的有益效果是：利用激光聚焦到流体介质中，由于激光聚集的焦点所产生的激化作用，聚焦处的流体会瞬间电离、击穿，形成等离子体而生成空泡（也称为空化），利用空泡溃灭阶段形成的射流和巨大的局部压力，将纳米颗粒软性磨粒流推送到微孔中，同时补充磨粒流并持续发生空化，不断推送磨粒流在微孔中高速流动，并摩擦微孔孔壁降低微孔内表面的粗糙度从而实现对微孔的抛光。

附图说明

图1是本发明一种磨粒流微孔抛光设备的单孔抛光实施例的结构示意图。

图2是图1中A区域局部放大图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式进行具体描述。

如图1、图2所示，本发明一种磨粒流微孔抛光设备，其包括用于夹持工件10并使工件10中需要抛光的微孔11实现定位的夹具12、安装于夹具12的基座板15、设于基座板15并与工件10的微孔11位置对应连通的通孔状的空化腔16、盖于空化腔16的与工件10相对一侧的激光高透保护镜18、可产生朝向所述空化腔16的激光束22的激光器、位于激光器与激光高透保护镜18之间可将激光束22聚焦于所述空化腔16中的聚焦透镜20、可将压力磨粒流体引入所述空化腔16的磨料导引通道24。带有纳米颗粒的磨粒流储存在具有压力的储液罐中，在压力作用下经过磨料导引通道推送进基座板15的空化腔16中，空化腔16一侧对应于工件10中待抛光的微孔11并且彼此连通，最好开口大小一致并对应，利用夹具夹紧基座板15并可通过定位销17或其他连接构件将基座板15紧贴在夹具12上，使得基座板15和工件10都固定在夹具12，从而使得空化腔16与微孔11位置相对固定地对应。同时，在空化腔16的另一侧设置覆盖其开口的激光高透保护镜18，并固定贴合于基座板15使得空化腔16密封不透气，激光器产生的激光束22经聚焦透镜20聚焦于微孔11上方基座板15中的空化腔16中，利用激光聚焦到流体介质中，聚焦处的流体由于激光聚集的焦点所产生的激化作用被激光瞬间击穿、电离而形成空泡（也称为空化）。空泡在流体中会出现周期性的膨胀和收缩，从而溃灭形成指向微孔的射流，该射流的速度极快（高达100m／s），利用该射流产生的局部高速和巨大的局部压力，推动纳米颗粒软性磨粒流进入微孔11。在持续周期性的激光照射下，并在压力驱动磨粒流持续经过磨粒导引通道24推送进空化腔16，使带有纳米颗粒软性磨粒的磨粒流不断的高速注入微孔11中并穿流而过，同时补充磨粒流并持续发生空化，不断推送磨粒流在微孔11中高速流动，从而使磨粒与微孔11内壁产生磨削作用降低微孔内表面的粗糙度，最终达到抛光内孔的目的。

本发明利用激光空化产生的局部巨大压力作为微孔磨粒流抛光的推动力，取代了传统液压***推动力，激光空化所形成的局部压力比传统磨粒流液压***的压力大很多，直接在需要抛光的微孔附近在流体内部自发激发产生巨大压力，减少压力传导过程导致的压力损失，从而能够轻易的将带有磨粒的流体（磨粒流）高速推送到直径非常小的微孔中，对微孔内表面进行抛光，弥补现有技术的不足，实现微孔的超精密抛光。而常规磨粒流设备是难以将流体推送到50um的微孔中的。同时，由于激光空化产生的是局部压力，比液压***形成的整体巨大压力更安全，不存在高压环境下的人身安全问题，便于开展生产。

更佳地，所述磨料导引通道24包括可将压力磨粒流体引入基座板15的导入管25、连通导入管25与空化腔16的注入槽26，起到引流作用将磨粒流导引到空化腔16，并且通过细长的流道形成缓冲和逆流阻力，驱使激光激发的空化作用产生的局部巨大压力推送的磨粒流只能向前喷射，无法逆流喷射。

更佳地，所述导入管25设有单向阀28，磨粒流只能从压力储罐内流出经过导入管25和注入槽26进入到空化腔16内，无法倒流回来，从而流体激发产生压力推送的磨粒流只能向微孔11喷射。

更佳地，所述夹具12与基座板15相对一侧设有可接收经过微孔11排出的磨粒流的回收储罐33，可以将磨粒流循环回收利用，节省原材料，同时保持工作区域清洁卫生。

更佳地，所述磨粒流微孔抛光设备还设有可储存压力磨粒流体的供料储罐30，导入管25的引入口伸入供料储罐30的磨粒流体液位以下，供料储罐30的顶部连接压力气管31，连接压力空气腔，在压缩空气注入供料储罐30的作用下迫使磨粒流进入导入管25和注入槽26，进入基座板15中的空化腔16中，从而把磨粒流输送到待抛光工件需抛光微孔11的上方，同时在压缩空气作用下持续的补给磨粒流。

更佳地，所述空化腔16为锥状，其大头开口盖有所述激光高透保护镜18，小头开口与微孔11连通，便于较大光束的激光射入，提高空化腔16的空腔体积，同时所产生的压力都从较小的喷射口喷出，提高喷射的射流压力，并且使得磨粒流中磨粒在倾斜壁面的导引下产生非直线的运动，增加磨粒与微孔11的接触几率，提高抛光的效率。

为了解决现有技术中无法对小于50微米的微孔进行抛光的缺陷，本发明采用的如下新型的工艺技术，实现超细微孔进行超精密高效率抛光。一种磨粒流微孔抛光工艺，用于对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光，所述磨粒流微孔抛光工艺使用权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹具，并使工件中需要抛光的微孔与空化腔对应连通，是磨粒流可以从空化腔进入并喷射流过微孔。

S2、驱动压力磨粒流体穿过磨粒导引通道进入空化腔，源源不断地提供抛光过程所需的摩擦磨料。

S3、启动激光器产生激光束，激光束穿过聚焦透镜形成焦点于空化腔内，激光将流体击穿、电离而形成空泡产生高压推动磨粒流进入微孔，空化作用产生巨大的局部压力作为驱使磨粒流流动的推送原动力，磨料在原动力的推送下高速流动起来对微孔内表面产生挤压和磨削作用，实现对其抛光。

S4、持续给予周期性的激光照射，磨粒流不断的进入微孔中进行抛光。

更佳地，所述磨粒流体中含有磨粒以及填充于磨粒之间的填充液，使得压缩空气的压力下可以迫使固液混合物可以从导入管进入，所述磨粒的粒径为微孔孔径的0.05~0.2倍，便于磨粒自由流入和流出微孔，同时有可以对微孔内壁进行磨削，达到比较好的磨削效果。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种磨粒流微孔抛光设备，包括用于夹持工件并使工件中需要抛光的微孔实现定位的夹具，其特征在于：所述磨粒流微孔抛光设备还包括安装于夹具的基座板、设于基座板并与工件的微孔位置对应连通的通孔状的空化腔、盖于空化腔的与工件相对一侧的激光高透保护镜、可产生朝向所述空化腔的激光束的激光器、位于激光器与激光高透保护镜之间可将激光束聚焦于所述空化腔中的聚焦透镜、可将压力磨粒流体引入所述空化腔的磨料导引通道。

2.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，其特征在于：所述磨料导引通道包括可将压力磨粒流体引入基座板的导入管、连通导入管与空化腔的注入槽。

3.根据权利要求2所述的磨粒流微孔抛光设备，其特征在于：所述导入管设有单向阀。

4.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，其特征在于：所述夹具与基座板相对一侧设有可接收经过微孔排出的磨粒流的回收储罐。

5.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，其特征在于：所述磨粒流微孔抛光设备还设有可储存压力磨粒流体的供料储罐，导入管的引入口伸入供料储罐的磨粒流体液位以下，供料储罐的顶部连接压力气管。

6.根据权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，其特征在于：所述空化腔为锥状，其大头开口盖有所述激光高透保护镜，小头开口与微孔连通。

7.一种磨粒流微孔抛光工艺，用于对金属或非金属硬脆材料微孔内表面进行抛光，其特征在于，所述磨粒流微孔抛光工艺使用权利要求1所述的磨粒流微孔抛光设备，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹具，并使工件中需要抛光的微孔与空化腔对应连通；

S2、驱动压力磨粒流体穿过磨粒导引通道进入空化腔；

S3、启动激光器产生激光束，激光束穿过聚焦透镜形成焦点于空化腔内，激光将流体击穿、电离而形成空泡产生高压推动磨粒流进入微孔；

S4、持续给予周期性的激光照射，磨粒流不断的进入微孔中进行抛光。

8.根据权利要求7所述的磨粒流微孔抛光工艺，其特征在于：所述磨粒流体中含有磨粒以及填充于磨粒之间的填充液，所述磨粒的粒径为微孔孔径的0.05~0.2倍。