一种剪切增稠-电泳复合抛光加工装置的制作方法

本实用新型属于超精密加工技术领域，具体是涉及一种剪切增稠-电泳复合抛光加工装置。

背景技术：

超精密加工技术在现代科学技术的重要组成部分，在众多领域中广泛应用。例如蓝宝石、单晶硅及各功能性陶瓷等硬脆难加工材料和轴承元件等材料的加工方面；各种复杂曲面的高精度、低损伤、美观等方面。利用超精密加工技术，可以获得低表面粗糙度、低/无表面损伤或亚表面损伤的工件表面。

抛光是超精密加工的一种，是指能够使得工件在机械、化学或电化学的作用下，降低工件表面粗糙度，提高工件表面光洁度的超精密加工工艺。剪切增稠抛光是近年来提出的新型抛光工艺，剪切增稠抛光是利用具有剪切增稠效应的非牛顿流体作为基液，其中加入磨料颗粒制成抛光液，因剪切作用形成剪切增稠柔性磨具，在速度与载荷的作用下，实现工件表面进行材料去除的抛光工艺。剪切增稠抛光下的工件具有更小的表面粗糙度，造成的表面损伤或亚表面损伤小，具有来源广泛，低成本等特点。

在直流电场中，带电微粒总是向着电性相反的电极移动的现象称为电泳现象。胶体溶液具有电泳现象，由于胶体微粒表面积大，能吸附带电荷的离子，使胶粒带电，当在电场作用下，胶体微粒可向某一极定向移动。

已公开中国发明专利(cn201810095554.2)，专利名称：一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光方法。本发明利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、剪切增稠与绿色化学作用协同，提高加工效率、精度，并扩展可加工材料及面形。该专利优点在于可加工材料广、加工面型多样、抛光液环保，利用了剪切增稠效应，使该抛光方法为柔性抛光，提高材料去除确定性，表面变质层少。在磨粒对于抛光的效果相比，利用电泳效应，能够加灵活的增加抛光时的瞬时载荷，更加有效的对工件进行抛光。

已授权中国发明专利(cn201210192915.8)，专利名称：一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法。该方法在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨料制成抛光液，抛光过程中，抛光液与工件表面具有一定的相对速度，抛光区域的抛光液因剪切作用产生剪切增稠效应，形成剪切增稠柔性磨具，实现对曲面的超精密抛光。但由于该抛光方法仅仅依靠单一剪切增稠效应对工件产生微切削形成材料去除，抛光效率仍有提升空间。

已授权中国发明专利(cn201410436510.3)，专利名称：基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工方法。该专利优点在于能够有效的解决电解抛光工件表面易存有斑点的问题，提高加工效率；缺点在于对可加工工件的面形适应性差，不能解决材料去除的确定性问题，难以实现工件材料的确定性抛光和高面形精度，限制了可加工材料(具有导电性能)的范围，电解液属于非环保物质，对环境影响大、环保处理成本高。

已授权中国发明专利(cn201310207632.0)，专利名称：基于介电泳效应的抛光方法及其专有设备。该专利利用调频调压控制器控制交流电源产生非均匀电场，极化抛光液和磨粒，并将其移动到抛光垫上实现对工件的抛光。由于对抛光液和磨粒的极化作用，抵消了部分了离心力，延长了抛光液与磨粒在抛光垫上的存续时间，降低了工件的表面粗糙度，但只限于抛光平面工件，无法抛光曲面工件。

已授权中国发明专利(cn201310556649.7)，专利名称：一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置及加工方法。该专利将电泳辅助与微细超声加工复合在一起，使得超微磨粒因电泳而吸附在微细工具上，微细工具沿轴向高频振动时，带动工作液剧烈扰动，使超微磨粒滑擦微孔工件的内表面，实现对微孔的高效率、低表面粗糙度的电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工。该专利只适用于抛光微孔，对于平面及其他复杂曲面零件的加工不适用。

技术实现要素：

为了解决现有抛光方法的抛光效率较低、适用性较差的不足，本实用新型提供一种高效的、低/无表面损伤或亚表面损伤的剪切增稠-电泳复合超精密抛光加工装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种剪切增稠-电泳复合抛光加工装置，包括抛光垫、直流电源、主轴、抛光盘、第一电极、机械臂、工件夹具、集液器和抛光液池，所述工件夹具为第二电极，直流电源的正负极分别与所述第一电极、第二电极连接；所述的抛光盘在主轴上，由主轴带动抛光盘，第一电极在抛光盘上，绝缘层在第一电极上，抛光垫在所述绝缘层上，工件夹具位于抛光垫的上方，机械臂上设有工件夹具；所述抛光盘位于所述抛光液池内，所述抛光液池的回流口与集液器连接，所述集液器与输液管连接，所述输液管的出口为加工工位。

进一步，所述抛光液池、输液管、集液器、水泵组成抛光液循环系统。

所述的抛光液池是一个凹槽，用于收集从抛光垫上流出的多余的抛光液；输液管是无色透明硅胶软管，内部中空，作为抛光液的输入/输出通道；集液器是塑料箱体，用于存储抛光液，内含大量的抛光液；水泵用于将集液器内的抛光液输出到抛光垫上，为抛光过程提供所需的抛光液。

进一步，机械臂为六轴垂直机器人。

所述的直流电源是电压可调型直流电源，可以根据需要调节不同的电压。

所述的第一电极安装在抛光盘与绝缘层之间，是为了防止电极直接接触抛光液，对抛光液产生电解作用。所述的抛光盘为绝缘陶瓷抛光盘，绝缘层为绝缘塑料材料制成。

所述的第二电极(工件夹具)表面绝缘陶瓷层，内部为金属导体，可阻止第二电极(工件夹具)直接接触金属工件对抛光液产生电解作用。

所述抛光液各成分及其比例：抛光磨粒10wt.％-20wt.％、剪切增稠基液20wt.％-30wt.％、水40wt.％-50wt.％、电泳效应的粒子5wt.％-15wt.％。

抛光磨粒可以选择al2o3、氧化铈等金属氧化物作为抛光磨粒，抛光液(胶体)中抛光磨粒会吸附负电荷(如cl^-)；也可以选择cbn、金刚石、sio2、sic等非金属颗粒作为抛光磨粒，抛光液(胶体)中抛光磨粒会吸附正电荷(如na⁺)。

本实用新型的技术构思为：基于剪切增稠-电泳复合抛光技术，有效的提高了抛光磨粒利用效率，提高了抛光效率，更好的到高表面质量的工件。

在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加抛光磨料(如al2o3)和电泳颗粒(如nacl)，使抛光液即具有电泳效又具有剪切增稠效应。抛光液满足胶体溶液要求，分散质(磨料)会吸附正电荷(na⁺)或负电荷(cl^-)；剪切增稠相实现抛光液的剪切增稠，抛光时会以吸附了电荷的磨料为中心形成“增稠-电泳磨粒团”，“增稠-电泳磨粒团”在电场中发生移动，移向工件抛光表面。启动直流电源后，两电极之间产生电场如图2所示，由电场线的稠密分a区、b区和c区，在a区和c区中的带电磨粒在电场力的作用下向着b区，b区会聚集着大量的带电磨粒，同时启动的机械臂，工件表面以一定的相对速度与抛光液接触，大量的带电磨粒在剪切作用下产生剪切增稠效应，抛光液粘度增大，形成“增稠-电泳磨粒团”，在电场的作用下，大量的“增稠-电泳磨粒团”聚集在工件抛光区域，形成剪切增稠柔性磨具，能够更好的吻合工件抛光区域，实现剪切增稠-电泳复合抛光。

剪切增稠-电泳复合抛光是对工件的柔性抛光，能够获得低表面粗糙度、低/无表面损伤或亚表面损伤的工件，其中的电泳效应，不仅提高了“增稠-电泳磨粒团”的单位密度，还增大了抛光液与工件抛光区域的瞬时载荷，提高了抛光效率。

本实用新型的有益效果主要表现在：抛光效率较高，低/无表面损伤或亚表面损伤。

附图说明

图1为剪切增稠-电泳复合抛光加工装置，其中：输液管1、抛光垫2、直流电源3、主轴4、抛光盘5、第一电极6、机械臂7、工件夹具(第二电极)8、工件(如刀具)9、抛光液10。

图2为通电情况下的电场线分布，从第一电极6产生的电场线指向工件夹具(第二电极)8。

图3为抛光前微观图，抛光前抛光液为胶体溶液，磨粒(分散质)会吸附电荷(cl^-或na⁺)。

图4为抛光中微观图：a)磨粒切削前b)磨粒切削后。a)是带电磨粒受到剪切作用产生剪切增稠效应形成“增稠-电泳磨粒团”；b)是“增稠-电泳磨粒团”在速度的作用下对表面进行抛光。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图4，一种剪切增稠-电泳复合抛光加工装置，包括工件夹具2、直流电源3、主轴4、抛光液池5、抛光盘6、第一电极7、水泵8、集液器9、输液管10、绝缘层11和抛光垫12，所述工件夹具2为第二电极，直流电源3的正负极分别与所述第一电极7、第二电极连接；所述的抛光盘6在主轴4上，由主轴4带动抛光盘6，第一电极7在抛光盘6上，绝缘层11在第一电极6上，抛光垫12在所述绝缘层11上，工件夹具2位于抛光垫12的上方，机械臂上设有工件夹具2；所述抛光盘6位于所述抛光液池5内，所述抛光液池5的回流口与集液器9连接，所述集液器9与输液管10连接，所述输液管10的出口为加工工位。

进一步，所述抛光液池5、输液管10、集液器9、水泵8组成抛光液循环系统。

所述的抛光液池5是一个凹槽，用于收集从抛光垫上流出的多余的抛光液；输液管10是无色透明硅胶软管，内部中空，作为抛光液的输入/输出通道；集液器9是塑料箱体，用于存储抛光液，内含大量的抛光液；水泵8用于将集液器内的抛光液输出到抛光垫上，为抛光过程提供所需的抛光液。

进一步，机械臂为六轴垂直机器人。工件在机械臂控制下的运动：每隔t时间进行一次复杂微转动，该复杂微转动分为ⅰ阶段和ⅱ阶段，ⅰ阶段工件以工件圆心为轴转动微角度，ⅱ阶段工件以工件夹具为轴旋转360°。

所述的直流电源3是电压可调型直流电源，可以根据需要调节不同的电压。

所述的第一电极7安装在抛光盘与绝缘层之间，是为了防止电极直接接触抛光液，对抛光液产生电解作用。所述的抛光盘6为绝缘陶瓷抛光盘，绝缘层为绝缘塑料材料制成。

所述的第二电极(工件夹具2)表面绝缘陶瓷层，内部为金属导体，可阻止第二电极(工件夹具)直接接触金属工件对抛光液产生电解作用。

所述抛光液各成分及其比例：抛光磨粒10wt.％-20wt.％、剪切增稠基液20wt.％-30wt.％、水40wt.％-50wt.％、电泳效应的粒子5wt.％-15wt.％。

本实施例中，抛光液可以选择的成分及其比例为：

抛光磨粒10wt.％、剪切增稠基液25wt.％、水50wt.％、电泳效应的粒子15wt.％；

或者是：抛光磨粒20wt.％、剪切增稠基液30wt.％、水45wt.％、电泳效应的粒子5wt.％；

再或者是：抛光磨粒18wt.％、剪切增稠基液28wt.％、水40wt.％、电泳效应的粒子14wt.％；

又或者是：抛光磨粒19wt.％、剪切增稠基液20wt.％、水48wt.％、电泳效应的粒子13wt.％。

抛光磨粒可以选择al2o3、氧化铈等金属氧化物作为抛光磨粒，抛光液(胶体)中抛光磨粒会吸附负电荷(如cl^-)；也可以选择cbn、金刚石、sio2、sic等非金属颗粒作为抛光磨粒，抛光液(胶体)中抛光磨粒会吸附正电荷(如na⁺)。

实施例1

如图1所示，本实用新型用于加工刀具刀尖、轴承零件曲面工件(如硬质合金刀具刀尖圆弧、轴承零件曲面)时，其加工步骤如下：

包括以下步骤：

1)选用工件夹具(第二电极)2；

2)将工件1装夹在工件夹具(第二电极)2上；

3)配置具有剪切增稠-电泳复合效应的抛光液13，并将抛光液13置于输液管10内；

4)启动抛光液循环系统，存储在集液器8中的抛光液13在水泵9的作用下，通过输液管10输入到抛光垫12上，多余的抛光液13流入到抛光液池5中，通过输液管10进入集液器8中，不断循环。

5)将抛光液13输入到抛光盘5上，启动主轴4带动抛光盘6，使得抛光液13在抛光盘6上相对运动；

6)启动电泳效应控制用直流电源3，在工件夹具(第二电极)2的作用下，工件1(刀尖圆弧曲面)接触具有剪切增稠-电泳复合效应的抛光液13，并提供载荷，主动控制工件1(刀具)以刀尖圆弧圆心微转动，同时直流电源3电极两端产生磨料颗粒的电泳效应，形成抛光液13与工件1(刀具)形状的高度吻合与材料去除，实现剪切增稠-电泳复合抛光。

步骤5)中，抛光过程中，工件1(刀具)在工件夹具(第二电极)2控制下的运动：每隔t时间进行一次复杂微转动，该复杂微转动分为ⅰ阶段和ⅱ阶段，ⅰ阶段工件以工件1(刀具)圆心为轴转动微角度，ⅱ阶段工件以工件夹具(第二电极)2为轴旋转360°。

实施例2

本实用新型用于加工尺寸为：长×宽×高(如25mm×25mm×5mm)平面工件(如硅材料、sic、光学晶体，等，以及各类难加工材料)

包括以下步骤：

1)选用工件夹具(第二电极)2；

2)将工件1装夹在工件夹具(第二电极)2上；

3)配置具有剪切增稠-电泳复合效应的抛光液13，并将抛光液13置于输液管10内；

4)启动抛光液循环系统，存储在集液器8中的抛光液13在水泵9的作用下，通过输液管10输入到抛光垫12上，多余的抛光液13流入到抛光液池5中，通过输液管10进入集液器8中，不断循环。

5)将抛光液13输入到抛光盘5上，启动主轴4带动抛光盘6，使得抛光液13在抛光盘6上相对运动；

6)启动电泳效应控制用直流电源3，在工件夹具(第二电极)2的作用下，工件1抛光表面接触具有剪切增稠-电泳复合效应的抛光液13，并提供载荷，主动控制工件1以工件夹具(第二电极)2作垂直轴转动，同时直流电源3电极两端产生磨料颗粒的电泳效应，形成抛光液13与工件1形状的高度吻合与材料去除，实现剪切增稠-电泳复合抛光。

步骤5)中，抛光过程中，工件1在工件夹具(第二电极)2控制下的运动：以一定的角速度进行微转动，工件以工件夹具(第二电极)作垂直轴转动。