CN209936704U - 一种超声空化辅助射流抛光*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超声空化辅助射流抛光***，包括超声波换能器和壳体；所述壳体内设有上端开口的容腔；所述超声波换能器密封盖合于所述容腔的上端开口上；所述壳体侧面设有抛光液供液口；所述壳体下侧设有射流喷嘴；所述抛光液供液口和所述射流喷嘴与所述容腔连通。本实用新型可安装在数控机床的主轴箱或者安装在工业机器人机械臂上，利用超声波换能器使得抛光液产生高频振动并且产生空化气泡，并且将空化后的抛光液聚焦于射流喷嘴处，利用射流碰嘴将高压、高速的抛光液喷向工件需要抛光的表面，随着空化气泡的急速破裂会增大抛光液中颗粒撞击工件表面的速度，从而提高磨料水射流的材料去除效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种流体抛光装置，特别涉及一种超声空化辅助射流抛光***。
背景技术
目前，随着现代光学技术的发展，高性能高质量光学零件的需求越来越迫切，同时对高质量光学零件的加工设备及工艺要求也越来越高。目前已经研究出多种可以获得高精度表面的加工方法，其中典型的方法有塑性研磨、化学抛光、浮法抛光、弹性发射加工、粒子束抛光、射流抛光等等。但是这些典型的加工方法或者会对元件加工表面产生破坏，或者加工效率过低，或者是控制性太差，都各自存在一些缺陷，因此一些新的加工方法也逐渐被提出。
磨料水射流抛光是在水射流加工技术的基础上发展起来的集流体力学、纳米材料去除和表面技术于一体的超精密加工技术。其基本工作原理是利用一个可调整角度的喷嘴，以适当压力和速度(压力范围一般在4bar-20bar)将预混合的抛光液喷射到工件表面，利用悬浊液中的颗粒和工件的相互作用进行材料的纳米去除，最终实现抛光工件表面的面形修正和平坦化的目的。磨料水射流抛光和传统的加工技术相比具有无工具磨损、无热反应、反作用力小、加工柔性高等优点。尽管磨粒水射流抛光技术可用于非球面、自由表面、微结构表面以及高陡度大长径比内腔表面器件的超精密加工，但是由于其射流束不稳定、抛光材料去除效率较低(通常低于1mm3/min)等缺陷，使它不能满足多晶金刚石和碳化硅等超硬材料高效抛光的需求
流体振动抛光(Polishing based Vibration of Liquid，PVL)不同于传统超光滑表面流体抛光技术所采用的抛光磨盘，将工件直接浸泡在抛光液中，利用超声换能器向液体辐射高频超声波，利用超声振动产生的压力场和流场，驱动抛光液中颗粒冲刷工件的表面。当声压超过空化阈值时，将产生强烈的空化效应，工件表面附近产生局部的能量集中，引发高温、高压、冲击波和高速射流等极端现象，这些微射流配合磨粒的高频运动就可以有效的实现材料的去除。目前，针对流体振动抛光的加工，主要是在抛光槽的顶部或侧面安装多个超声换能器，形成超声换能器阵列，而加工工件则在抛光液中做行星运动以保持一定的均匀性。但是这种流体抛光装置也会产生一些缺点：加工工件完全浸没在抛光槽中，这样激振的磨料和激射流会对整个工件的各个表面进行材料去除，而且各个部位的去除量都难以控制，所以当前的流体振动抛光装置无法对工件表面进行高质量的修正。
发明内容
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种只对需要抛光的工件表面进行抛光加工的超声空化辅助射流抛光***。
本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种超声空化辅助射流抛光***，包括超声波换能器和壳体；所述壳体内设有上端开口的容腔；所述超声波换能器密封盖合于所述容腔的上端开口上；所述壳体侧面设有抛光液供液口；所述壳体下侧设有射流喷嘴；所述抛光液供液口和所述射流喷嘴与所述容腔连通。
进一步地，所述超声波换能器包括向上凹进的球面形的压电陶瓷片；所述压电陶瓷片位于所述容腔的上端开口上方。
进一步地，所述压电陶瓷片的球面焦距为10-100mm。
进一步地，所述压电陶瓷片的球面焦点位于所述射流喷嘴上端中心。
进一步地，所述容腔为锥顶向下的锥形容腔，所述锥形容腔的锥顶处设有导流孔；所述射流喷嘴与所述导流孔连通。
进一步地，所述射流喷嘴与所述壳体可拆分连接。
进一步地，所述射流喷嘴设有喷射孔，所述喷射孔的直径为0.1-3mm。
进一步地，所述超声波换能器发出的超声波的频率范围为10KHz到20MHz。
进一步地，所述壳体安装在数控机床的主轴箱上。
进一步地，所述壳体安装在工业机器人机械臂上。
本实用新型具有的优点和积极效果是：本实用新型可安装在数控机床的主轴箱或者安装在工业机器人机械臂上，利用超声波换能器使得抛光液产生高频振动并且产生空化气泡，并且将空化后的抛光液聚焦于射流喷嘴处，利用射流喷嘴将高压、高速的抛光液喷向工件需要抛光的表面，随着空化气泡的急速破裂会增大抛光液中颗粒撞击工件表面的速度，从而提高磨料水射流的材料去除效率。本实用新型既可适用于超光滑表面的面型修整也适用于微观特殊形貌表面加工制造。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型的压电陶瓷片结构示意图。
图中：1、超声电源；2、超声波换能器；3、壳体；4、射流喷嘴；5、工件；6、密封圈；7、抛光液供液口；8、导流孔；9、抛光液；R、压电陶瓷片的球面半径。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参见图1至图2，一种超声空化辅助射流抛光***，包括超声波换能器2和壳体3；所述壳体3内设有上端开口的容腔；所述超声波换能器2密封盖合于所述容腔的上端开口上；所述壳体3侧面设有抛光液供液口7；所述壳体3下侧设有射流喷嘴4；所述抛光液供液口7和所述射流喷嘴4与所述容腔连通。所述射流喷嘴4可与所述壳体3可拆分连接，两者可螺纹连接。所述超声波换能器2发出的超声波的频率范围可为10KHz到20MHz。
超声电源1供给超声波换能器2电能，超声波换能器2通过螺栓安装于壳体3上面，为防止抛光液9泄露，在结合面采用橡胶密封圈6密封，在壳体3侧面开有抛光液供液口7，用于将一定压力的抛光液9注入壳体3的内部容腔内；射流喷嘴4安装于壳体3下侧，可将射流喷嘴4处作为超声波换能器2的聚焦焦点位置；在抛光过程中，射流喷嘴4与工件5保持一定的距离。
上述超声波换能器2可包括向上凹进的球面形的压电陶瓷片；利用球面聚焦原理，超声波换能器2直接聚焦。可将压电陶瓷片研磨成球冠状，或由几十个甚至几百个平面压电陶瓷片胶合而成一个球冠状。压电陶瓷片的球面半径R可设定，然后根据设定值进行加工或组装压电陶瓷片；也可选用市售成品的球面形的压电陶瓷片。
所述压电陶瓷片可位于所述容腔的上端开口上方。所述压电陶瓷片的球面焦距可为10-100mm。为使从射流喷嘴喷出的抛光液9中磨粒速度更快，抛光效果更佳，所述压电陶瓷片的球面焦点可位于所述射流喷嘴4上端中心。
为使从射流喷嘴喷出的抛光液9中磨粒速度更快，抛光效果更佳，所述容腔可为锥顶向下的锥形容腔，所述锥形容腔的锥顶处可设有导流孔8；所述射流喷嘴4可与所述导流孔8连通。所述射流喷嘴4可设有喷射孔，所述喷射孔的直径可为0.1-3mm。所述射流喷嘴4上端开口可为喇叭口；所述导流孔8的直径与所述射流喷嘴4上端喇叭口直径相同。
所述壳体3可安装在数控机床的主轴箱上，通过工作台和主轴箱的联合运动，使射流喷嘴4始终对准工件5需要加工的部位表面。所述壳体3也可安装在工业机器人机械臂上，通过调整机械臂的位置来控制射流喷嘴4与工件5表面的距离以及射流喷嘴4与工件5表面的相对姿态。
应用实施例一：在本实例中，可将本实用新型中的壳体3垂直安装与数控机床工作台上方的主轴箱上，将工件5固定在机床工作台上，通过工作台和主轴箱的联合运动，将射流喷嘴4移动至工件5表面上方合适的位置；利用压力泵将预先混合有颗粒的抛光液9增压到0.1-10MPa范围内，将增压后的抛光液9通过抛光液供液口7注入壳体3内部，开启超声电源1，将超声空化后的抛光液9喷射到工件5表面，利用抛光液9中颗粒冲蚀工件5加工区域表面，实现工件5表面材料的去除。在加工过程中，首先根据工件5的初始面型误差计算驻留时间和最优化的加工轨迹，生成数控加工程序，将加工程序导入机床并对工件5表面进行精确的抛光。
应用实施例二：
在本实例中，可以将本实用新型中的壳体3安装于可灵活调整移动的工业机器人机械臂上，通过调整机械臂来控制射流喷嘴4与工件5表面的距离以及射流喷嘴4与工件5表面的相对姿态。这样就能灵活适应不同的复杂自由曲面以及异形腔体内表面的抛光加工的需求。
本实用新型的工作原理：本实用新型结合磨料水射流抛光装置和聚焦超声的原理，在利用超声换能器产生高频振动，以及超声波换能器2采用球面形压电陶瓷片具有自聚焦的特点，使壳体3内的抛光液9在声场作用下高频振动，并产生空化气泡，利用磨料水射流抛光高压、高速的特性，将含有空化气泡的抛光液9和抛光颗粒喷射到待加工工件5表面，空化泡的形成、生长和破裂等动力学行为加速抛光液9中颗粒撞击表面速度，从而提高水射流抛光的效率。
超声波换能器2采用球面形压电陶瓷片，根据应用需求，球面形压电陶瓷片的聚焦距离可为10-100mm，超声波换能器2的焦点位置位于射流喷嘴4处。
超声波换能器2发出超声波的频率范围为10KHz到20MHz之间，由于抛光液9的材质及浓度不同，在超声聚焦墙体内产生空化气泡的超声频率也将不同，可根据应用需求选择合适的频率范围。
将预先配制好的抛光液9以一定的压力注入壳体3内，抛光液9中抛光可以为氧化铈、氧化铝、氧化硅或纳米金刚石颗粒，抛光液9的供给压力范围为：0.1-10Mpa，喷嘴处抛光液9喷射速度范围为：10-100m/s。
上述抛光装置中射流喷嘴4由不锈钢、蓝宝石玻璃、陶瓷或其他耐压、耐蚀材料制成，射流喷嘴4的微孔直径范围为：0.1-3mm。
在加工过程中可通过控制超声振动频率、喷嘴与工件5的距离及喷射角度、抛光液9浓度、抛光液9供给压力、加工点的驻留时间及运动轨迹来控制加工区域材料去除量及表面加工精度，实现工件5表面的精密抛光工艺。
以上所述的实施例仅用于说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本实用新型的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本实用新型的专利范围，即凡本实用新型所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本实用新型的专利范围内。
Claims (10)
1.一种超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，包括超声波换能器和壳体；所述壳体内设有上端开口的容腔；所述超声波换能器密封盖合于所述容腔的上端开口上；所述壳体侧面设有抛光液供液口；所述壳体下侧设有射流喷嘴；所述抛光液供液口和所述射流喷嘴与所述容腔连通。
2.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述超声波换能器包括向上凹进的球面形的压电陶瓷片；所述压电陶瓷片位于所述容腔的上端开口上方。
3.根据权利要求2所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述压电陶瓷片的球面焦距为10-100mm。
4.根据权利要求2所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述压电陶瓷片的球面焦点位于所述射流喷嘴上端中心。
5.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述容腔为锥顶向下的锥形容腔，所述锥形容腔的锥顶处设有导流孔；所述射流喷嘴与所述导流孔连通。
6.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述射流喷嘴与所述壳体可拆分连接。
7.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述射流喷嘴设有喷射孔，所述喷射孔的直径为0.1-3mm。
8.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述超声波换能器发出的超声波的频率范围为10KHz到20MHz。
9.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述壳体安装在数控机床的主轴箱上。
10.根据权利要求1所述的超声空化辅助射流抛光***，其特征在于，所述壳体安装在工业机器人机械臂上。
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|---|---|---|---|---|
| CN110026908A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-07-19 | 天津大学 | 一种超声空化辅助射流抛光***及抛光方法 |
| CN115213822A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-10-21 | 江苏大学 | 一种非淹没式超声空化辅助水射流喷嘴结构 |
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2019
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