一种基于气液固三相磨粒流的超光滑表面流体抛光装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体超光滑表面研磨抛光装置，更具体的说，涉及一种基于气液固三相磨粒流的超光滑表面流体抛光装置。
【背景技术】
[0002]在现代光学、电子信息及薄膜科学等高新技术领域，需要在精密光学零件和功能晶体材料表面实现超光滑表面加工(Ultrasmooth Surface Manufacturing)，例如软X射线光学系统、激光陀螺反射镜、高密度波分复用器、高能激光反射镜、功能光学器件、光学窗口等。
[0003]精密光学零件和功能晶体材料零件均属于高端光学装备和电子制造装备的关键零部件，而超光滑表面加工装备本身则属于超精密加工高端装备，因此，针对超光滑表面加工的关键科学问题开展研宄，探索超光滑表面加工的新原理，新工艺和新装备，符合国家战略性新兴产业(高端装备制造)发展的需求。
[0004]超光滑表面除要求极低的表面粗糙度值(〈lnm RMS)，更重要的是必须在获得工件表面极高的形状精度同时，确保功能晶体材料工件表面晶格完整性，防止出现加工变质层和导致亚表面损伤，对于精密光学零件表面则要求极低的表面波纹度，从而实现低散射特性、高透射率及表面反射率。一般来说，超光滑表面加工为实现原子级材料去除，加工时对工件表面的作用力很小，因此属于典型的慢工出细活的加工方式，效率极低，且加工成本很高。在确保不出现加工变质层和亚表面损伤的前提下实现低成本、高效率的超光滑表面加工是精密制造领域急需解决的技术难题。
[0005]现有超光滑表面加工方法，总体可分为两类，一类依靠加工工具接触工件表面实现加工(如使用砂轮、砂带或其它柔性材料作为工具的磨削、抛光等)，另一类则不依靠加工工具直接接触工件表面，而是利用携带微细磨粒的磨粒流的高速流动实现对工件表面的加工，可以将这一类加工方法统称为流体抛光。当前主要的磨粒流抛光加工方法主要有:挤压珩磨抛光、磨粒水射流抛光、磁流变抛光、磁射流抛光、电流变液抛光等。这些方法利用磨粒流与加工表面接触时的壁面冲击效应，形成磨粒对表面的微切削实现表面材料去除，达到光整加工效果。
[0006]但由于上述磨粒流加工方法的固有特点，加工后很多尚不能获得满意的表面粗糙度。现有的一些流体抛光加工方法中流体相对工件表面的流速偏低且流动方向单一(以工具相对工件旋转，带动两者之间缝隙处流体流动的方法，例如磁流变抛光则属于这种情况)。这时，由于流体流速不足以达到湍流状态，一般处于层流状态，磨粒流动方向基本一致，只有与工件直接接触的表层流体处的磨粒有机会与被加工表面接触，因此真正发挥切削作用的磨粒只是流体中磨粒的极少部分，并仅从单一方向作用于凸起峰，加工效率自然不高。另外一些流体抛光加工方法中还存在流体相对工件表面的法向冲击力力过大或作用力与工件表面的夹角不合理(以磨粒水射流方式冲击工件表面的抛光方则属于这种情况)的缺陷。这时，流体流速虽可以达到很高，但磨粒冲击方向仍基本一致，冲击流与工件直接接触的面积小，若法向冲击力力过小，则加工效率很低，法向冲击力过大或作用力与工件表面的夹角不合理则可能导致表面损伤和新的不光滑表面出现，因此很难把握加工品质与加工效率的协调关系。从如今社会对超精密光学零件和功能晶体材料的广阔需求前景来考虑，解决超光滑表面精密制造的技术难题，尚需提出新的解决方法以达到原子级别的超光滑表面精密加工效果。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就在于确保不出现加工变质层和亚表面损伤的前提下实现精密制造领域低成本、高效率超光滑表面加工的技术难题，提出了一种能够达到原子级别材料去除效果的气液固三相磨粒流超光滑表面流体抛光装置。
[0008]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:一种基于气液固三相磨粒流的超光滑表面流体抛光装置，包括智能电气控制柜、气泵、抛光加工平台、两个伺服控制磨粒流输送泵、搅拌器、气管和磨粒流输送软管，所述气泵通过气管连接抛光加工平台，所述抛光加工平台通过磨粒流输送软管与两个伺服控制磨粒流输送泵和搅拌器连接成一条液固二相磨粒流循环系统；整个抛光装置由所述智能电气控制柜进行加工过程控制。
[0009]所述抛光加工平台包括机架、高精度丝杠传动系统、机架传动构件、圆盘形抛光工具、不锈钢旋转接头、气管接头、工件夹具、工件夹具安装底座和不锈钢水槽，所述不锈钢水槽安装在机架上，工件夹具安装底座固定在不锈钢水槽底部，工件夹具固定在工件夹具安装底座上；所述不锈钢水槽两侧的机架上固定有左右对称分布的高精度丝杠传动系统，两个高精度丝杠传动系统连接机架传动构件并驱动所述机架传动构件上下运动；圆盘形抛光工具安装在所述工件夹具正上方的机架传动构件上；所述两个高精度丝杠传动系统通过驱动所述机架传动构件上下运动带动所述圆盘形抛光工具在所述不锈钢水槽中上下运动。
[0010]所述圆盘形抛光工具与被加工工件的上表面形成大面积的微距缝隙，圆盘形抛光工具设有内腔，圆盘形抛光工具的顶面设有与内腔连通的用于注入抛光磨粒的磨粒注入通道，所述磨粒注入通道通过不锈钢旋转接头连接磨粒流输送软管并通过磨粒流输送软管与两个伺服控制磨粒流输送泵连通；所述圆盘形抛光工具的侧面还设有均匀分布的至少两个气流注入通道，所述气流注入通道与所述内腔连通并用于向所述内腔注入高速气流，所述气流注入通道通过气管接头连接气管并通过气管连接气泵；所述圆盘形抛光工具内腔的下边缘还设有用于产生微尺寸气泡的微尺寸气泡发生器。
[0011 ] 进一步的，所述磨粒注入通道最优数目为三条，气流注入通道最优数目为三条。
[0012]进一步的，所述高精度丝杠传动系统包括步进电机、丝杠和直线导轨，丝杠和直线导轨竖直安装，所述丝杠的一端通过联轴器连接步进电机，步进电机固定在所述机架上；所述丝杠的另一端通过轴承座固定在所述机架上；所述直线导轨的两端直接固定在所述机架上；所述机架传动构件连接丝杠和直线导轨并受所述步进电机的驱动在所述不锈钢水槽内上下运动。
[0013]进一步的，所述圆盘形抛光工具顶面还设有树脂玻璃视窗，所述树脂玻璃视窗为由树脂材料制成的无色透明圆形玻璃。通过所述树脂玻璃视窗可以视觉观察所述圆盘形抛光工具内腔中的流体运动，且所述树脂玻璃视窗具有良好的机械加工性能，通过螺钉固定安装在圆盘形抛光工具的顶面，提高了装置的稳固性。
[0014]进一步的，所述工件夹具安装底座的外表面采用镀铬处理工艺进行处理。该工艺提高了工件夹具安装底座的抗腐蚀、抗锈蚀性能，进而提高了装置的使用寿命，防止磨粒流被铁锈等杂质污染。
[0015]进一步的，所述智能电气控制柜包括PLC智能控制器、继电器、伺服电机驱动器、各类传感器和其他电器元器件，所述智能电气控制柜通过所述各类传感器精确的感知与之关联设备的工作状态，及时发出指令对与之关联的设备进行高精度控制。
[0016]进一步的，所述气泵的容量为32升、最大压力为2兆帕，所述气泵通过气管向所述圆盘形抛光工具中注入高速气流，进而驱动圆盘形抛光工具内的液固二相磨粒流高速旋转以达到湍流状态，形成气液固三相磨粒流高速湍流涡旋。
[0017]进一步的，所述气管为直径为八分的硬质塑料管。所述气管具有良好的抗弯折性能，保证了注入通道内的高速气流的稳定性和每一条多向气流注入通道内气流的流速和压力的一致性。
[0018]进一步的，所述磨粒流输送软管为内嵌钢丝的透明橡胶软管。磨粒流输送软管具有十分良好的抗弯折性能，防止高速流体在通过弯折处会产生扰流等复杂变化，进而保证了注入所述圆盘形抛光工具内腔中所述液固二相磨粒流的稳定性。
[0019]所述搅拌器是在向所述圆盘形抛光工具中输送所述液固二相磨粒流之前，对所述液固二相磨粒流进行均匀搅拌的设备，保证了所述抛光装置抛光过程中磨粒流充分均匀混合，确保所述液固二相磨粒流中的所述磨粒和所述抛光液的体积分数比达到预先设置的数值，进而提高了抛光加工的效率和理论数值分析的准确性。
[0020]本发明的有益效果在于:
[0021]I)利用非接触式圆盘形抛光工具在工件表面形成大面积微距缝隙，可以对大面积平面或曲率变化缓和的大面积曲面工件进行高效原子级材料去除，表面粗糙度达到Rql纳米