浮力磨粒球抛光技术

摘要

本发明提供一种新的平面抛光加工技术——浮力磨粒球抛光技术，该技术以磨粒球作为抛光工具，由磨粒球的浮力产生抛光压力，可以保证磨粒与工件接触点的压力的均匀性，有效地控制抛光表面材料去除作用的一致性。是从根本上解决了传统抛光技术在提高加工效率和避免工件表面损伤方面的矛盾，并且对环境的要求低。该技术也可以用于平缓变化曲面的抛光。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种超精密抛光技术，特别是进行平面和平缓变化曲面的超精密抛光的技术。

背景技术

目前传统的抛光加工方法容易造成表面损伤，加工一致性差，这些问题随着材料尺寸的不断增大，加工要求的不断提高显得更加突出。当表面粗糙度和波纹度到达纳米、亚纳米尺度时，任何非均匀的表面材料去除作用都可能导致较大的表面波动，任何一个异常颗粒就可能造成较大的表面缺陷导致加工器件报废。其原因就在于传统的抛光加工方法对磨粒的尺寸变化十分敏感。即使没有大的异常颗粒，磨料本身不可避免的尺寸分散性也会引起划痕等表面损伤。为了避免加工表面和亚表面层损伤，往往采用软磨料，降低加工压力，又致使加工过程漫长，造成效率低下，成本高昂。传统的抛光方法所面临的一个关键问题就是磨料与工件接触点的压力极不均匀。

总体而言，在采用传统的抛光方法进行加工的过程中，磨粒在研磨液中随机分布，难以保证磨料的分布均匀，且磨料尺寸本身大小不一，使得各磨粒与工件接触点的压力不均，造成材料表面去除一致性难以控制。目前的超精密加工方法都不能像车削一样有效地控制切深(材料去除作用)，在抛光阶段很难实现合理的分工步加工，其原因是磨粒与工件接触点的压力难以控制，结果是效率难以提高，工艺稳定性差。

发明内容

本发明想要克服现有技术存在的各接触点的压力不均、材料表面去除一致性难以控制、效率底、工艺稳定性差、对环境适应性差的不足，提供一种磨粒与工件接触点的压力均匀、有效地控制研磨/抛光表面材料去除作用的一致性，且成本低、效率高的研磨/抛光加工方法。

本发明所述的新型的抛光方法，包括下列加工步骤：

(1)制作浮力磨粒球：将磨粒和发泡材料、胶体的混合物进行搅拌，制成密度小于液体的球体；

(2)将浮力磨粒球浸入液体中，制得加工混合液，通过增减浮力磨粒球的数量或体积，调节加工压力；

(3)将欲抛光的工件的表面浸没入混合液中，压在浮力磨粒球上

(4)使加工面与混合液相对运动，产生研磨或抛光作用。

进一步，所述的浮力磨粒球加入液体中按层排列，先根据工件材料和加工要求确定磨粒球的浮力和磨粒球的初始层数，随着表面粗糙度的降低，逐渐减少磨粒球的层数调节加工压力，从而实现合理的分工步加工，提高抛光的综合效率。

该技术是一种软接触抛光方法，省去了传统研磨/抛光加工的抛光盘和抛光垫，以磨粒球作为抛光工具，由磨粒球的浮力产生抛光压力，而加工设备的运动方式和传统的抛光方法相类似。通过控制磨粒球的体积和密度，可以很好地控制磨粒球的浮力的一致性，从而保证磨粒与工件接触点的压力的均匀性，有效地控制抛光表面材料去除作用的一致性。该方法对磨粒的尺寸不敏感，即使有大颗粒磨料或杂质出现，也不会引起局部抛光压力的剧烈变化。并且，该技术可以用于平缓变化曲面的抛光。

磨粒与工件接触点的压力主要和磨粒球的浮力有关，当磨粒球完全浸入液体中时，接触点的压力P可以用下式表示：

P＝N(F-W)＝N(Vk-mg)

式中，N为磨粒球层数，F为单颗磨粒球的浮力，W为单颗磨粒球的重力，V为单颗磨粒球的体积，k为液体的比重，m为单颗磨粒球的质量，g为重力加速度。

可以看到，相对传统的抛光方法，磨料的尺寸分散性所引起的接触点的压力变化可以忽略不计。

本发明的优点在于：在采用本发明提供的技术进行抛光加工时，先根据工件材料和加工要求确定磨粒球的浮力和磨粒球的初始层数，随着表面粗糙度的降低，逐渐减少磨粒球的层数，从而实现合理的分工步加工，提高抛光的综合效率。与现有技术相比，本发明提出的加工装置结构简单，能够达到主动控制作用于加工工件表面各点压力的一致性。同时由于在加工过程中，工件始终浸入水中，磨料的尺寸变化引起的接触点的压力变化可以忽略不计，相对于传统抛光加工过程需要严格控制加工环境的洁净度要求，浮力磨粒球研磨/抛光技术对加工环境有很好的适应性。通过自动化控制加工过程，减少了人为因素的影响，提高了加工的一致性和稳定性。结合合理的加工工艺，可以有效提高精度和效率，实现批量生产，在加工精度、效率及机械结构上具有明显的综合优势。

下面结合附图对本发明的具体技术方案及工作过程作进一步说明：

附图说明

图1是本发明给出的制作浮力磨粒球时所依据的计算原理图。

曲线表示为在不同的浮力磨粒球密度ρ_球下，单个浮力磨粒球作用于加工件表面的压力P随浮力磨粒球直径D变化的关系式。

图2为本发明用于无损伤抛光超光滑平面的实例图。

图3为本发明用于无损伤抛光内壁表面平缓变换圆筒的实例图。

图4为本发明用于无损伤抛光外表面平缓变换圆柱体的实例图。

实施例

实施例1

参照附图1、2：

图中标号为：1.水，2.容器，3.浮力磨粒球，4.工件，5.工件装载器，6.同步带轮及同步带，7.机座，8.同步电机，9.主动盘

本实施例是关于无损伤抛光超光滑平面的研磨例子。加工步骤如下：

(1)制作浮力磨粒球：

使用本加工技术的磨粒球是通过磨粒和发泡材料的混合物和胶体的粘着力共同作用成型的。上述作为磨粒的，可是使用钻石、刚玉、金刚砂、石榴石、硅石、tridory、烧成大理石、熔融铝、人造金刚砂、碳化硅、碳化硼、酸化铁、烧成铝、酸化铬、酸化铈、酸化锆、酸化镁、碳酸钙、碳酸镁、硅石、silas等通常的磨粒。

由阿基米德原理：浸入液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力，F_浮＝G_排。又由浮力公式F_浮＝ρ_液gv_排，(g-重力加速度，V_排-在水中，物体排开水的体积)。由二力平衡法的分析知，实心物体完全浸没在液体中有上浮、静止和下沉三种可能。当G_物＞F_浮时，下沉；当G_物＝F_浮时，悬浮；当G_物＜F_浮时，上浮，最后漂浮。由G_物＝m_物g＝ρ_物V_物g。基于上述公式，当G_物＜F_浮，浮力磨球完全浸没在液体中时，V_物＝V_排，即加工件表面所承受的压力为：P_压＝(ρ_液-ρ_球)gV_物，V_物-为单个浮力磨粒球的体积。

制作的浮力磨球为均匀球体时，取ρ液＝1g/cm3，水的比重，由公式P_压＝(ρ_液-ρ_球)gV_物可得在不同浮力磨粒球密度ρ_球下，同时浮力磨球直径D变化情况下，完全压入液体中的浮力磨球产生在加工件表面上的压力P的曲线图，如图1所示。

(2)将浮力磨粒球3加入容器2中的水1中，制得加工混合液，浮力磨粒球3浸入液体，分层排列，通过增减浮力磨粒球的层数或体积，调节加工压力；

(3)将欲研磨或抛光的工件4的表面浸没入液体中，压在浮力磨粒球上；

(4)使加工面与浮力磨粒球堆层相对运动，产生研磨或抛光作用

先根据工件材料和加工要求确定磨粒球的浮力和磨粒球的初始层数，随着表面粗糙度的降低，逐渐减少磨粒球的层数调节加工压力，从而实现合理的分工步加工，提高抛光的综合效率。

采用的装置原理示意图，见附图2。浮力磨粒球抛光以磨粒球作为抛光工具，由磨粒球的浮力产生抛光压力。浮力磨粒球抛光系统的运动方式和传统的研磨方法相类似，工件在以ω1的速度公转的同时，以ω2的速度自转。在抛光过程中，磨粒球完全浸入漂浮的浮力磨粒球堆层中，这样磨粒球浮力大小不会发生变化。此时作用于加工件表面的压力为一常值，大小为P＝N(F-W)＝N(Vk-mg)。在需要时，可以通过增加浮力磨粒球的单体体积和整体层厚获得较高的压力。

本实施例所使用的抛光机，机座7上带有同步电机8，同步电机8带动主动盘9旋转，4.工件，同步带轮及同步带6带动工件装载器5旋转，工件4安装在工件装载器5上，工件装载器5偏心安装在主动盘9上，工件绕装载器5的轴心自转，绕主动盘轴心公转，工件压在浸入液体中的浮力磨粒球上。

实施例2

图中标号为：1.右支承，2.右密封盖，3.工件，4.浮力磨粒球，5.右密封盖，6.电机，7.左支承，8.水

本实施例是无损伤抛光内壁表面平缓变化圆筒的例子。其实施步骤与实施例1相同。

采用的装置原理示意图，见附图3。工件在电机带动下以ω₃的速度旋转，浮力磨粒球和水组成的混合液充满整个圆筒。当在抛光过程中，磨粒球完全浸入混合液中，磨粒球的浮力不会发生变化。根据需要，作用在圆筒内壁上的压力也不会发生变化，此压力为一常数。通过增加浮力磨粒球的单体体积和整体层厚获得较高的压力。

先根据工件材料和加工要求确定磨粒球的浮力和磨粒球的初始层数，随着表面粗糙度的降低，逐渐减少磨粒球的层数调节加工压力，从而实现合理的分工步加工，提高抛光的综合效率。

从本实施例可以看出采用本发明方法可以方便地进行曲面研磨/抛光。

实施例3

图中标号：1.右支承，2.浮力磨粒球，3.工件，4.容器，5.水，6.左支承，7.电机

本实施例是无损伤抛光外表面平缓变化圆柱体的例子。其实施步骤与实施例1、2相同。

采用的装置原理示意图，见附图4。工件在电机带动下以ω₄的速度旋转，浮力磨粒球和水组成的混合液在容器中。当在抛光过程中，磨粒球完全浸入液体中，磨粒球的浮力不会发生变化。根据需要，作用在圆柱体表面上的压力也不会发生变化，此压力为一常数。通过增加浮力磨粒球的单体体积和整体层厚获得较高的压力。

先根据工件材料和加工要求确定磨粒球的浮力和磨粒球的初始层数，随着表面粗糙度的降低，逐渐减少磨粒球的层数调节加工压力，从而实现合理的分工步加工，提高抛光的综合效率。

从本实施例可以看出采用本发明方法可以方便地进行曲面研磨/抛光。