一种用于石英喷嘴精密研磨的定位旋转夹具

本发明属于石英材料精密加工领域，具体涉及用于石英喷嘴精密研磨的定位旋转夹具。

背景技术：

石英喷嘴在催化、燃烧实验装置里面起到核心技术的关键件之一。例如，杨玖重等人发明的201711000868.1中国专利，公开了《一种用于不同扩散距离催化反应气相中间产物的原位探测装置》，该装置内所描述到的电离腔下部的取样锥就是石英材料，中心孔就是研磨所制。该装置应用于低压反应系统，所描述到的石英喷嘴孔径较大，约为φ0.5mm至φ1.0mm，采用粗糙的手工研磨制成，精度较低。同时每次研磨加工这样的石英喷嘴，研磨在一个区域、清洁后显微镜观测又是一个区域，工序复杂繁琐。加工完成这样的一个石英喷嘴需要6~10小时，不仅操作十分耗时、还容易出废品。

为了研究大气压及高压反应系统，需要研制数十微米级别孔径的石英喷嘴，对加工、研磨都提出了新的要求。杨玖重等人发明的201910175013.5中国专利，公开了《一种用于原位探测高压气固相催化反应产物的实验装置》，该装置所描述的石英喷嘴孔径最小需要达到φ0.05mm。因此需要重新研制一种用于微米孔径石英喷嘴精密研磨的定位旋转夹具。

技术实现要素：

为了实现几十微米孔径石英喷嘴的精密研磨加工，本发明提供一种用于石英喷嘴精密研磨的定位旋转夹具。

一种用于石英喷嘴精密研磨的定位旋转夹具包括机架1、工作台面4、夹紧旋转机构5、调心机构7、窥视支架8和显微镜10。

所述工作台面4固定设于机架1顶部；

所述夹紧旋转机构5包括电机2、轴承24和三爪卡盘6；所述三爪卡盘6通过轴承24固定高于电机2的输出轴上；所述电机2固定位于工作台面4的底部，所述三爪卡盘6位于工作台面4上；

所述调心机构7包括压圈12、固定座圈14和调心圈17；所述固定座圈14的中心设有通孔，调心圈17的中心设有调心孔，调心圈17的圆周径向上均布安装有三个调心螺丝16；调心圈17圆周边缘的轴向端面上开设有三个定位孔；固定座圈14同轴位于调心圈17内，且由三个调心螺丝16实现轴向约束、径向可调；压圈12设于固定座圈14的轴向端面，压圈12和固定座圈14通过螺钉轴向固定连接；

研磨操作时，将被工加的石英喷嘴9固定夹紧在固定座圈14和压圈12之间，再将固定座圈14装在调心圈17内；所述三爪卡盘6径向夹持住调心圈17，实现调心机构7随夹紧旋转机构5旋转；通过轴销与调心圈17上三个定位孔的配合使窥视支架8设于调心圈17的轴向端面上，显微镜10固定设于窥视支架8上。

进一步限定的具体技术方案如下：

所述电机2为直流减速电机。

所述三爪卡盘6固定在连接板22上，连接板22固定连接着轴承压盖23，轴承压盖23的一侧轴向设有中心轴，轴承压盖23通过中心轴和轴承24的配合连接固定安装于电机2的输出轴上。

所述24为单列圆锥滚子轴承。

具体研磨操作步骤如下：

1通过窥视支架8将显微镜10设于被工加的石英喷嘴9的上方；通过显微镜10测量被加工的石英喷嘴9的尖端圆锥台中心线与喷嘴孔中心线的同心度，通过调心机构7实现被工加的石英喷嘴9的尖端圆锥台径向调节与喷嘴孔对中调心；

2在研磨初期，电机2转速为100~200rpm，粗磨快速磨去被工加的石英喷嘴9尖端的余量；在观测到锥孔初现时，电机2转速控制在50rpm以下；

研磨的过程中，利用显微镜10观察被工加的石英喷嘴9的尖端圆锥台中心线与喷嘴孔中心线的偏移量，然后微调三个调心螺丝16修正被工加的石英喷嘴9的中心偏移量；实现被工加的石英喷嘴9的尖端圆锥台中心线与喷嘴孔中心线的同心度误差小于φ0.05mm。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.采用直流减速电机2驱动三爪卡盘6上固定的石英喷嘴9旋转的设计，提高磨制喷嘴的效率。对于φ0.5mm至φ1.0mm孔径的喷嘴，研磨时间从6~10个小时缩短至约1个小时；对于φ0.05mm孔径级别的喷嘴，从无法加工至实现3~5小时即可研磨加工成孔。

2.采用显微镜原位观测的方式，精确控制磨制孔径大小，孔径最小可至φ0.02mm，顶尖孔壁厚最小可至0.1mm。体现在结构上，显微镜10安装在窥视支架8上，与石英喷嘴9、调心圈17同轴，可以方便地观察孔径大小，并可方便地拆下与重复定位安装与观察磨制孔径。

3.采用定心针和石英喷嘴9顶尖对齐准直的方式，实现石英喷嘴9的尖端圆锥台中心线与喷孔中心线的同心度误差达到φ0.05mm以内。体现在结构上，定心针位于石英喷嘴9顶尖上方，旋转三爪卡盘6带动石英喷嘴9旋转，喷嘴顶尖如不能固定于一点，即可调整调心螺栓16使石英喷嘴9平移并相应调整定心针位置，直至喷嘴顶尖在旋转时与定心针处于同一轴线。

4.磨制的最小孔径可至φ0.02mm的石英喷嘴可以用于高压反应器，石英喷嘴两侧可以维持并承受最大5个大气压的压差，即高压反应器可以达到5bar的反应压力，取样后可以进入0.1pa真空腔体中，再进一步由分析仪器检测。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为旋转机构爆炸图。

图3为喷嘴夹具结构示意图。

图4为图3的爆炸图。

图5为石英喷嘴坯件示意图。

图6为显微镜对中状态图。

图7为用油石打磨状态图。

图8为油石打磨石英喷嘴坯件顶部状态图。

图9为油石打磨石英喷嘴坯件侧面状态图。

上图中序号：机架1、电机2、控制面板3、工作台面4、旋转机构5、三爪卡盘6、调心机构7、窥视支架8、石英喷嘴9、显微镜10、螺丝11、压圈12、上密封圈13、固定座圈14、下密封圈子15、调心螺栓16、调心圈17、连接板22、轴承压盖23、轴承24、油石25。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例

参见图1，一种用于石英喷嘴精密研磨的定位旋转夹具包括机架1、工作台面4、夹紧旋转机构5和调心机构7。工作台面4固定安装于机架1顶部。

参见图2，夹紧旋转机构5包括电机2、轴承24和三爪卡盘6。电机2为直流减速电机。三爪卡盘6固定在连接板22上，连接板22固定连接着轴承压盖23，轴承压盖23的一侧轴向设有中心轴，轴承压盖23通过中心轴和轴承24的配合固定安装于电机2的输出轴上；轴承24为单列圆锥滚子轴承。电机2固定安装于工作台面4的底部，三爪卡盘6位于工作台面4上。

参见图3和图4，调心机构7包括压圈12、上密封圈13、下密封圈子15、固定座圈14和调心圈17。固定座圈14的中心设有通孔，调心圈17的中心设有调心孔，调心圈17的圆周径向上均布安装有三个调心螺丝16；调心圈17圆周边缘的轴向端面上开设有三个定位孔；固定座圈14同轴位于调心圈17内，且由三个调心螺丝16固定位置，实现轴向约束、径向可调。压圈12固定安装于固定座圈14的轴向端面上，压圈12和固定座圈14通过螺钉轴向固定连接；上密封圈13和下密封圈子15同轴设于压圈12和固定座圈14之间。

研磨操作时，参见图3和图5，在被工加的石英喷嘴9上套装上上密封圈13和压圈12，在固定座圈14内放入下密封圈15，将被工加的石英喷嘴9放在下密封圈15，通过螺栓将压圈12和固定座圈14固定安装在一起；再将固定座圈14放入调心圈17内固定；完成将被工加的石英喷嘴9固定夹持在调心机构7上；这样的夹持为柔性夹持设计。用三爪卡盘6夹持住调心机构7的调心圈17，实现被工加的石英喷嘴9随夹紧旋转机构5旋转。

本发明定位旋转夹具的详细使用操作步骤如下：

1、启动电机2，以50~100rpm的转度检查所夹持的调心板17有无严重轴向、径向跳动。

2、手动旋转三爪卡盘6观察被工加的石英喷嘴9顶尖圆跳动情况。为了便于观察被工加的石英喷嘴9顶尖圆跳动偏差，通常在被工加的石英喷嘴9的顶尖处铅锤一根定心针做参照点，根据喷嘴顶尖内孔跳动偏移的方向来逆向修正，微调调心螺丝16利用肉眼观察方式，将被工加的石英喷嘴9的顶尖内孔圆跳动误差调整到肉眼难以分辨。

3、参见图7和图8，先用100目油石水平放置在被工加的石英喷嘴9的顶尖处，电机2的变频调速为100~200rpm，进行粗磨，短时间磨去被工加的石英喷嘴9顶尖余量。如何判断被工加的石英喷嘴9的喷嘴孔已经显现：研磨时在离心力作用下表面的油会甩到喷嘴孔内，当发现被工加的石英喷嘴9的顶尖处喷嘴孔内有油珠显现，这个时候停止粗磨；更换1000目油石轻轻将粗磨的表面精磨一下。主要作用：精磨会使喷嘴孔的轮廓更清晰，便于观察以及测量喷嘴孔的孔径。参见图6，在使用显微镜10观测研磨情况之前要用乙醇清洁表面油污。架设窥视支架8用显微镜10观察喷嘴孔的初孔直径，通过轴销与调心圈17上三个定位孔的配合使窥视支架8固定安装于调心圈17的轴向端面上。一般最小初孔φ0.02mm，由于石英喷嘴9本体受热拉延，外圆面和内孔呈锥形结构，所以，随着向下水平研磨，孔径会逐渐变大。当初孔出现以后，就要频繁观察孔径的增大。向下研磨直到需要的孔径出现后停止平磨。

4、通过显微镜10观测到所需喷嘴孔的孔径后，下一步进行锥磨。参见图9，先用100目油石匹配电机2的转速100~200rpm进行粗加工，油石面与被工加的石英喷嘴9中轴线呈10°左右夹角，开始粗磨。随着锥磨余量的减少，顶尖的圆型平台逐渐变小，渐渐与喷嘴孔边角相交，这个时候喷嘴孔边角与外圆锥边角的同心度误差就会显现出来，利用调心螺丝16去修正中心线的同心度。通过调节调心螺丝16让喷嘴孔与外圆锥的同心度小于φ0.05mm；锥磨理想尺寸喷嘴孔的孔径：d（最小φ0.02mm），外圆锥边角的直径达到：d+2*0.1mm。最后再用1000目油石匹配小于电机2的转速50rpm旋转速度进行精磨。这时，每研磨10圈左右就要用显微镜10观测一下，否则，很容易磨破喷嘴孔边角。

将磨制完成的φ0.02mm孔径的石英喷嘴安装在高压反应器上，石英喷嘴两侧可以承受最大5个大气压的压差，具体地，高压反应器压力为5bar（5×10⁵pa，绝对压力），高压反应器内反应产物经微孔石英喷嘴取样后，进入石英喷嘴另一侧的真空腔体，压力为0.1pa（绝对压力），再进一步由分析仪器检测。