专利摘要

一种自由曲面的抛光方法及装置，尤其涉及一种基于剪切增稠的角度可调整的振动抛光工件自由曲面的方法及装置。装置包括抛光系统、抛光液循环系统、振动装置、角度调节装置，抛光系统与抛光液循环系统连接，抛光液从抛光池底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统，角度调节装置与抛光系统相连。该方法是通过工件在具有剪切增稠效应的非牛顿流体里振动，保证抛光液发生剪切增稠现象。同时，度调节装置可以使工件在抛光液中的抛光角度变化，保证抛光的均匀性。工件表面在抛光液中振动冲刷以实现对内表面材料的高效、均匀去除。本发明可用于实现常规抛光工具难以加工的自由曲面面的抛光，且抛光效率高、可实现自由曲面的均匀抛光、装置简单。

权利要求

1.一种自由曲面的抛光装置，其特征在于，具体为一种基于剪切增稠的角度可调整的振动抛光自由表面的装置，包括抛光系统、抛光液循环系统、角度调整装置、振动装置；所述抛光系统与振动装置、角度调整装置、抛光液循环系统连接，抛光系统内设有用于产生剪切增稠效应的抛光液(17)，抛光液(17)从抛光系统侧面流出通过管路进入抛光液循环系统，经抛光液循环系统后从抛光系统另一侧面顶部进入抛光系统，完成整个抛光液循环过程；工件(5)通过角度调整装置设于抛光液(17)内；通过抛光液(17)中粒子簇磨粒的微切削作用实现对工件(5)表面材料的高效去除，通过角度调节装置对工件(5)的抛光角度进行调节，实现工件(5)表面材料的均匀去除；

所述的抛光系统包括旋转装置(14)、抛光液(17)、搅拌装置(6)；所述旋转装置(14)位于抛光池底部，在旋转装置(14)的带动下，可以使抛光液(17)旋转，提高抛光效率；所述抛光液(17)置于抛光池内，含有抛光磨粒(18)、用于产生剪切增稠效应的多羟基聚合物(19)与防腐剂；所述搅拌装置(6)用于提高抛光液(17)的分散性；所述抛光系统与抛光液循环系统相连接，抛光液(17)从抛光池底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统；

所述的抛光液循环系统位于抛光池下方，包括依次通过管路连接的过滤装置(12)、柱塞泵(13)、控温装置(15)；所述抛光液(17)从抛光池一侧面底部流出进入抛光液循环系统后首先流入控温装置(15)，所述的过滤装置(12)与柱塞泵(13)连接，柱塞泵(13)用于提供抛光液(17)循环所需的动力，确保循环过程持续进行；所述柱塞泵(13)另一侧与控温装置(15)连接，通过管路与抛光池另一侧面顶部连通，抛光液(17)从该侧顶部进入抛光池，完成整个抛光液循环过程；所述控温装置(15)包括温度传感器与调温装置，用于保证整个循环系统中的抛光液(17)温度恒定，确定抛光液(17)的粘度等物理性质不发生变化，保证抛光条件的一致性；

所述的振动装置包括振动器(8)、左侧夹具(2)、左侧滑轨(1)、右侧夹具(7)、右侧滑轨(9)；所述振动器(8)位于装置右侧；振动器(8)上设有进气孔并外接调压阀，通过调节调压阀控制气压大小进而调节工件(5)的振幅与振动频率，实现往复的振动运动；气动振动器(8)用于提供指定的频率(低频)与振幅，确保抛光液发生剪切增稠现象；所述右侧夹具(7)为“倒U型结构”，一侧置于抛光池外部，一侧置于抛光池内部；所述置于抛光池外部的右侧夹具(7)底部通过滑块与右侧滑轨(9)相连；置于抛光池外部的右侧夹具(7)振动器(8)相连，目的是将振动运动准确的传递给工件(5)；所述左侧夹具(2)呈“L”形，一端悬于抛光池上方，另一端通过通过滑块与左侧滑轨(1)相连；左侧夹具(2)和右侧夹具(7)相互配合使用，共同实现工件(5)的水平振动，提高工作稳定性；

所述角度调整装置包括左侧连接板(3)、左侧调节滑块(16)、左侧调节滑轨(4)、右侧调节滑块(10)、右侧调节滑轨(11)；连接板(3)和左侧夹具(2)转动连接，可以实现工件(5)的摆动运动；左侧调节滑轨(4)与连接板(3)相连，右侧调节滑轨(11)与右侧夹具(7)直接相连；工件(5)一端和左侧调节滑块(16)相连，另一端和右侧调节滑块(10)相连；左侧调节滑块(16)和右侧调节滑块(10)分别与左侧调节滑轨(4)和右侧调节滑轨(11)相连，通过调接滑块的移动实现工件(5)抛光角度的调整，防止工件(5)长时间按同一角度抛光而出现材料去除不均的现象，提高抛光的均匀性。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面的抛光装置，其特征在于，工件角度可以针对不同曲率通过角度调节系统调节。

3.一种基于权利要求1或2所述的装置实现自由曲面的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将待加工工件(5)置于抛光池内，并固定在左侧调节滑块(16)和右侧调节滑块(10)上，通过调整右侧夹具(7)的位置，使右侧夹具(7)与能产生振动作用的振动器(8)相连；

第二步，根据不同工件(5)自由曲面的曲率差异，计算出待加工工件(5)的最佳加工角度，根据最佳加工角度调整左侧调节滑块(16)和右侧调节滑块(10)在左侧调节滑轨(4)和右侧调节滑轨(11)上的位置，并固定；

第三步，将用于剪切增稠的抛光液(17)加入抛光池内，待加工工件(5)完全浸没在抛光液(17)中；启动旋转装置(14)和搅拌装置(6)；所述旋转装置(14)的转速为500-1000rpm，确保工件(5)在该转速下能够发生剪切增稠现象；

第四步，启动抛光液循环系统，具有剪切增稠效应的抛光液(17)从抛光池顶部流入，并从底部流出；

第五步，启动振动器(8)，同时设置预定的振动频率和振幅，其中，预设的振动频率设置为25～35Hz，振幅设置为20～30mm，确保工件(5)和抛光液(17)产生相对运动，保证工件(5)所产生的剪切速率可以使抛光液(17)发生剪切增稠现象，进而在振动、摆动与旋转的共同作用下，在剪切增稠作用下实现对工件(5)自由曲面的抛光；

第六步，抛光一定时间后，停止振动器(8)，再次调整左侧调节滑块(16)和右侧调节滑块(10)在左侧调节滑轨(4)和右侧调节滑轨(11)的位置，并固定，再次启动振动器(8)，以与第五步相同的条件进行抛光，确保工件(5)整体抛光的一致性；

第七步，抛光一段时间后，将产生的大颗粒磨屑由过滤装置(12)滤出，保证抛光液(17)的一致性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的抛光液(17)包括去离子水、剪切增稠相、抛光磨粒(18)、防腐剂；所述剪切增稠相选用多羟基聚合物(19)，比例为30～40wt％；

所述抛光磨粒(18)选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径1～10μm，比例20～25wt％；所述防腐剂选用苯甲酸钠，比例0.1～0.5wt％；其余为去离子水。

说明书

技术领域

本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种自由曲面的抛光方法及装置，具体涉及一种基于剪切增稠的角度可调整的振动抛光自由曲面的方法及装置。

背景技术

抛光主要是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光作为超精密加工中最后且最重要的加工工序，主要的作用是去除前道工序所产生的表面、亚表面损伤层，降低面型误差，减小表面粗糙度。抛光几乎是工件达到纳米级甚至亚纳米级精度的唯一加工方法。

自由曲面是工程中比较特殊又十分重要的一类零件表面，在航空、医疗、汽车、家电、军事等领域有着广泛的应用。例如，在软脆光学材料方面，将自由曲面引入光学成像系统可以极大地提高系统的成像质量和能量传输效率；具有自由曲面的飞机机翼和汽车骨架不仅可以满足其动力学性能，还增加了其结构的可靠性。但是随着对自由曲面零部件功能及性能需求的不断提高，功能性自由曲面的结构趋于复杂化且表面质量要求越来越高，其加工难度也越来越大。对于自由曲面零件来说，面形精度和表面质量是决定功能和性能的重要参数，在保证自由曲面的面形精度和表面质量的同时提高其加工效率是目前的主要目标。目前对于自由曲面来说，可以采用多轴数控加工、等离子体、手动抛光、单点金刚石超精密切削等方法进行加工。如Zhu等人【Zhu L,Li Z,Fang F,et al.Review on fast toolservo machining of optical freeform surfaces[J].The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology,2018,95(5-8):2071-2092.】使用快速伺服刀架并计算刀具轨迹的方法完成了对自由光学曲面的超精密加工。但是采用多轴数控加工方法的加工精度往往受制于制造系统的精度，并且刀具路径规划会花费大量时间。手动抛光虽然可以得到理想的表面质量，但是存在效率低和面形精度差的问题。

基于上述问题及自由曲面超精密制造的需求，迫切需要新的高效并且精确的加工方法以完成对自由曲面的超精密加工。专利(CN201210192915.8)公开了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面的抛光方法。此方法利用非牛顿流体抛光液的剪切增稠效应，在抛光液旋转时磨粒在剪切增稠作用下形成磨粒簇，利用磨粒簇的磨粒对工件表面的微切削作用实现对工件表面的抛光，能实现较高效率的抛光和较好的面形精度及表面质量保持。但是针对自由曲面来说，采用抛光液旋转的方法很难实现对自由曲面零件表面的均匀抛光。

发明内容

为了解决目前自由曲面抛光效率低和工件抛光不均匀的加工难题，本发明提供一种基于剪切增稠的角度可调整的振动抛光自由曲面工件的方法及装置，本发明适用范围广、加工效率高、加工质量高且装置简单。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自由曲面的抛光装置，具体为一种基于剪切增稠的角度可调整的振动抛光自由表面的装置，包括抛光系统、抛光液循环系统、角度调整装置、振动装置。所述抛光系统与振动装置、角度调整装置、抛光液循环系统连接，抛光系统内设有用于产生剪切增稠效应的抛光液17，抛光液17从抛光系统侧面流出通过管路进入抛光液循环系统，经抛光液循环系统后从抛光系统另一侧面顶部进入抛光系统，完成整个抛光液循环过程。工件5通过角度调整装置设于抛光液17内。通过抛光液17中粒子簇的磨粒的微切削作用实现对工件5表面材料的高效去除，通过角度调节装置对工件5的抛光角度进行调节，实现工件5表面材料的均匀去除。具体的：

一种自由曲面的抛光装置，包括抛光系统、抛光液循环系统、振动装置、角度调整装置。

所述的抛光系统包括旋转装置14、抛光液17、搅拌装置6。所述旋转装置14位于抛光池底部，在旋转装置14的带动下，可以使抛光液17旋转，提高抛光效率。所述抛光液17置于抛光池内，含有抛光磨粒18、用于产生剪切增稠效应的多羟基聚合物19与防腐剂。所述搅拌装置14用于提高抛光液17的分散性。所述抛光系统与抛光液循环系统相连接，抛光液17从抛光池底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统。

所述的抛光液循环系统位于抛光池下方，包括依次通过管路连接的过滤装置12、柱塞泵13、控温装置15。所述抛光液17从抛光池一侧面底部流出进入抛光液循环系统后首先流入控温装置15，所述的过滤装置12与柱塞泵13连接，柱塞泵13用于提供抛光液17循环所需的动力，确保循环过程持续进行。所述柱塞泵13另一侧与控温装置15连接，通过管路与抛光池另一侧面顶部连通，抛光液17从该侧顶部进入抛光池，完成整个抛光液循环过程。所述控温装置15包括温度传感器与调温装置，用于保证整个循环系统中的抛光液17温度恒定，确定抛光液17的粘度等物理性质不发生变化，保证抛光条件的一致性。

所述的振动装置包括振动器8、左侧夹具2、左侧滑轨1、右侧夹具7、右侧滑轨9。所述振动器8位于装置右侧；振动器8上设有进气孔并外接调压阀，通过调节调压阀控制气压大小进而调节工件5的振幅与振动频率，实现往复的振动运动。气动振动器8用于提供指定的频率(低频)与振幅，确保抛光液发生剪切增稠现象。所述右侧夹具7为“倒U型结构”，一侧置于抛光池外部，一侧置于抛光池内部。所述置于抛光池外部的右侧夹具7底部通过滑块与右侧滑轨9相连；置于抛光池外部的右侧夹具7还与振动器8相连，目的是将振动运动准确的传递给工件5。所述左侧夹具2呈“L”形，一端悬于抛光池上方，另一端通过通过滑块与左侧滑轨1相连。左侧夹具2和右侧夹具7相互配合使用，共同实现工件5的水平振动，提高工作稳定性。

所述角度调整装置包括左侧连接板3、左侧调节滑块16、左侧调节滑轨4、右侧调节滑块10、右侧调节滑轨11。连接板3和左侧夹具2转动连接，可以实现工件5的摆动运动。左侧调节滑轨4与连接板3相连，右侧调节滑轨11与右侧夹具7直接相连。工件5一端和左侧调节滑块16相连，另一端和右侧调节滑块10相连。左侧调节滑块16和右侧调节滑块10分别与左侧调节滑轨4和右侧调节滑轨11相连，通过调接滑块的移动实现工件5抛光角度的调整，防止工件5长时间按同一角度抛光而出现材料去除不均的现象，提高抛光的均匀性。

一种基于上述抛光装置实现的自由曲面抛光方法，包括以下步骤：

第一步，将待加工工件5置于抛光池内，并固定在左侧调节滑块16和右侧调节滑块10上，通过调整右侧夹具7的位置，使右侧夹具7与能产生振动作用的振动器8相连。

第二步，根据不同工件5自由曲面的曲率差异，计算出待加工工件5的最佳加工角度，根据最佳加工角度调整左侧调节滑块16和右侧调节滑块10在左侧调节滑轨4和右侧调节滑轨11上的的位置，并固定。

第三步，将用于剪切增稠的抛光液17加入抛光池内，待加工工件5完全浸没在抛光液17中。启动旋转装置14和搅拌装置6。所述旋转装置14的转速为500-1000rpm，确保工件5在该转速下能够发生剪切增稠现象。

第四步，启动抛光液循环系统，具有剪切增稠效应的抛光液17从抛光池顶部流入，并从底部流出。

第五步，启动振动器8，同时设置预定的振动频率和振幅，其中，预设的振动频率设置为25～3 5Hz，振幅设置为20～30mm，确保工件5和抛光液17产生相对运动，保证工件5所产生的剪切速率可以使抛光液17发生剪切增稠现象，进而在振动、摆动和旋转的共同作用下，在剪切增稠作用下实现对工件5自由曲面的抛光。

第六步，抛光一定时间后，停止振动器8，再次调整左侧调节滑块16和右侧调节滑块10在左侧调节滑轨4和右侧调节滑轨11的的位置，并固定，再次启动振动器8，以与第五步相同的条件进行抛光，确保工件5整体抛光的一致性。

第七步，抛光一段时间后，将产生的大颗粒磨屑由过滤装置15滤出，保证抛光液17的一致性。

进一步的，所述的抛光液17包括去离子水、剪切增稠相、抛光磨粒18、防腐剂。所述剪切增稠相选用多羟基聚合物19，比例为30～40wt％。所述抛光磨粒18选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径1～10μm，比例20～25wt％。所述防腐剂选用苯甲酸钠，比例0.1～0.5wt％。其余为去离子水。

本发明的有益效果为：

(1)自由曲面工件的角度可根据曲率不同进行调整，可以有效地减少由于角度固定所带来的材料去除不均问题，提高加工均匀性和面型精度。

(2)通过抛光液旋转和工件摆动可以有效地提高加工效率。

(3)装置整体在水平方向振动抛光，可以对较大尺寸的自由曲面进行加工。

附图说明

图1为装置整体外观图；

图2为去除微凸峰的流程图；

图3为角度调节示意图；

图4为凹面工件加工示意图；

图中：1左侧滑轨；2左侧夹具；3左侧连接板；4左侧调节滑轨；5工件；6搅拌装置；7右侧夹具；8振动装置；9右侧滑轨；10右侧调节滑块；11右侧调节滑轨；12控温装置；13柱塞泵；14旋转装置；15过滤装置；16左侧调节滑块；17抛光液；18抛光磨粒；19多羟基聚合物；20凹面工件。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

采用附图1所示的装置并参照图2实现对软脆光学自由曲面工件20的剪切增稠抛光。如图2所示，抛光液中的抛光磨粒18和多羟基聚合物19形成粒子簇，通过微切削作用，逐步的将材料表面的微凸峰去除，最终实现对自由曲面的抛光。如图3所示，通过角度调节系统，对工件的角度进行调节，确保抛光的一致性。

一种自由曲面的抛光装置，具体为一种基于剪切增稠的角度可调整的振动抛光自由表面的装置，包括抛光系统、抛光液循环系统、角度调整装置、振动装置。

所述的抛光系统包括旋转装置14、抛光液17、搅拌装置6。所述旋转装置14位于抛光池底部。所述抛光液17置于抛光池内，含有抛光磨粒18、用于产生剪切增稠效应的多羟基聚合物19与防腐剂。所述搅拌装置14用于提高抛光液17的分散性。所述抛光系统与抛光液循环系统相连接，抛光液17从抛光池底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统。

所述的抛光液循环系统位于抛光池下方，包括依次通过管路连接的过滤装置12、柱塞泵13、控温装置15。所述抛光液17从抛光池一侧面底部流出进入抛光液循环系统后首先流入控温装置15，所述的过滤装置12与柱塞泵13连接。所述柱塞泵13另一侧与控温装置15连接，通过管路与抛光池另一侧面顶部连通，抛光液17从该侧顶部进入抛光池，完成整个抛光液循环过程。所述控温装置15包括温度传感器与调温装置。

所述的振动装置包括振动器8、左侧夹具2、左侧滑轨1、右侧夹具7、右侧滑轨9。所述振动器8位于装置右侧。所述右侧夹具7为“倒U型结构”，一侧置于抛光池外部，一侧置于抛光池内部。所述置于抛光池外部的右侧夹具7底部通过滑块与右侧滑轨9相连；置于抛光池外部的右侧夹具7还通与振动器8相连。所述左侧夹具2呈“L”形，一端悬于抛光池上方，另一端通过通过滑块与左侧滑轨1相连。

所述角度调整装置包括左侧连接板3、左侧调节滑块16、左侧调节滑轨4、右侧调节滑块10、右侧调节滑轨11。连接板3和左侧夹具2转动连接，可以实现凹面工件工件20的摆动运动。左侧调节滑轨4与连接板3相连，右侧调节滑轨11与右侧夹具7直接相连。凹面工件工件20一端和左侧调节滑块16相连，另一端和右侧调节滑块10相连。左侧调节滑块16和右侧调节滑块10分别与左侧调节滑轨4和右侧调节滑轨11相连。

一种基于上述装置实现振动抛光自由曲面的方法，包括以下步骤：

第一步，将待加工凹面工件工件20置于抛光池内，并固定在左侧调节滑块16和右侧调节滑块10上，通过调整右侧夹具7的位置，使右侧夹具7与能产生振动作用的振动器8相连。

第二步，根据最佳加工角度调整左侧调节滑块16和右侧调节滑块10在左侧调节滑轨4和右侧调节滑轨11上的的位置，使得凹面工件与水平面呈15°，固定。

第三步，配置抛光液17，本实施例中抛光液为：去离子水、抛光磨粒18、剪切增稠相、防腐剂。其中，剪切增稠相选用玉米淀粉，比例为50wt％。抛光磨粒18选用氧化铝粒径5μm，比例为25wt％。防腐剂选用苯甲酸钠，比例0.3wt％。将抛光液配置好后加入抛光池至没过凹面工件工件20。启动旋转装置14，将转速设定在800rpm。启动搅拌装置6。

第四步，启动抛光液循环系统，具有剪切增稠效应的抛光液17从抛光池顶部流入，并从底部流出。

第五步，启动振动器8，同时设置预定的振动频率和振幅，保证在振动器8的带动下凹面工件工件20所产生的剪切速率可以使抛光液17产生剪切增稠现象，抛光液17中分散的多羟基聚合物19迅速聚集成粒子簇，宏观表现为粘度增大，将磨粒包裹其中，增大了磨粒的把持力，从而实现对自由曲面的抛光。其中预定的振动频率设置为30Hz，振幅设置为25mm。

第六步，抛光5分钟后，停止振动器8，再次调整左侧调节滑块16和右侧调节滑块10在左侧调节滑轨4和右侧调节滑轨11的的位置，使工件与水平面角度呈165°，并固定，再次启动振动器8，以与第五步相同的条件进行抛光，确保凹面工件工件20整体抛光的一致性。

第七步，抛光一段时间后，将产生的大颗粒磨屑由过滤装置15滤出，保证抛光液17的一致性。

本发明可用于实现常规抛光工具难以加工的自由曲面面的抛光，如离轴非球面、环曲面以及软脆光学曲面等，且抛光效率高、可实现自由曲面的均匀抛光、装置简单。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

一种自由曲面的抛光方法及装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。