一种外场超声辅助射流抛光加工工具头装置   0    0

[0001] 本发明涉及精密抛光设备技术领域，尤其是涉及一种外场超声辅助射流抛光加工工具头装置。

[0002] 抛光加工是各种固体材料表面实现尺寸超精密、形状超准确、表面粗糙度极低的唯一手段，也是消除表层以下材料加工缺陷、损伤的最佳方法。抛光加工的适用范围广泛，
能够胜任各种复杂型面的超精密加工。尤其对于光学、电子信息领域中使用的各种难加工
材料复杂型面零件的加工，抛光加工工艺发挥着不可替代的作用。

[0003] 传统抛光加工技术多采用散粒磨料低速加工方式，存在精度保持性较低、加工速度低等缺点，极大地影响了精密零件的生产率，尤其在大型光学自由曲面零件的加工中，研
磨抛光加工的时间占到了整个加工时间的大部分，加工一件产品用时少则数百小时，多则
数月。

[0004] 对于目前广泛使用的慢速环形研磨抛光方式，运动形式多为研盘转动，工件相对于研盘自转与公转的形式，虽工艺相对简单，但存在去除函数不理想，适用工件面型单一，
难以适应于复杂曲面的加工，工件尺寸、工件转速、研盘转速有严格限制等缺点；对于国外
新采用的气囊抛光设备，其结构较复杂，球头形抛光头上磨粒回转半径较小，研磨抛光速度
较低，使得加工效率提高不明显，虽适合于加工复杂型面零件，但在加工大中型超精密零件
时效率较低，并且使用时加工成本很高。

[0005] 射流抛光是运用液体增压原理，通过特定的装置（增压口或高压泵），将动力源(电动机)的机械能转换成压力能；具有巨大压力能的水或混有磨粒的悬浮液等在通过小孔喷
嘴时将压力能转变成动能，从而形成高速射流。目标材料在液体高速冲击下实现去除加工。
当采用刚性喷嘴对光学元件表面进行射流加工时，射流冲击点所形成的的去处轮廓与射流
的冲击角度有关。

[0006] 例如一种在中国专利文献上公开的“一种超声空化辅助射流抛光系统及抛光方法”，其公告号“CN110026908A”，包括超声波换能器和壳体；所述壳体内设有上端开口的容腔；所述超声波换能器密封盖合于所述容腔的上端开口上；所述壳体侧面设有抛光液供液
口；所述壳体下侧设有射流喷嘴；所述抛光液供液口和所述射流喷嘴与所述容腔连通。这种
抛光装置利用超声波换能器使得抛光液产生高频振动并且产生空化气泡，将高压高速的抛
光液喷向工件表面，从而提高磨料水射流的材料去除效率。但该方式中超声波换能器的焦
点固定，且射流喷嘴的位置亦固定，无法根据不同加工面的特征进行调整，从而局限性较
高，无法适应不同状态的加工需求。为此，本发明提出一种外场超声辅助射流抛光加工工具
头装置。

[0007] 针对背景技术中提到的传统射流式抛光装置无法调节，使得射流抛光的射流区域固定且单一的问题，本发明提供了一种外场超声辅助射流抛光加工工具头装置，通过可调
式射流喷嘴配合超声波发生装置，实现在对不同结构的加工平面进行射流抛光时，能够通
过调整可调式射流喷嘴与超声波发生装置的相对位置来控制射流点的区域影响程度，有效
提升去除效果。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种外场超声辅助射流抛光加工工具头装置，包括基座，所述基座上设置有连接筒，所述连接筒内插合设置有可调式射流喷嘴，所述可调式射流喷嘴与连接筒之间设置有
超声波发生装置，所述超声波发生装置环设于可调式射流喷嘴外侧。所述可调式射流喷嘴
插接于连接筒内，所述超声波发生装置环设于可调式射流喷嘴周缘，能够均匀稳定的对射
流进行高频振动影响，射流场在超声压力场的影响下发生空化效应，导致流场状态变化，从
而实现射流去除函数的改变和材料去除率的提高。

[0010] 作为优选，所述超声波发生装置底部还设置有变幅聚能机构，所述变幅聚能机构底面为弧面结构，所述可调式射流喷嘴设置于变幅聚能机构中轴线上。所述变幅聚能机构
用于对超声压力场进行聚焦，能够增强超声波对射流液的空化效应的作用，使得射流冲击
的材料去除率得到优化，同时可调整射流冲击形成的去除函数呈中心低的近高斯形去除函
数。

[0011] 作为优选，所述变幅聚能机构为多环套接式结构，包括至少三层环体，所述三层环体之间过渡配合，所述三层环体底部设置有连接层，所述连接层为柔性结构。

[0012] 进一步的，所述变幅聚能机构包括依次套接的第一环体、第二环体和第三环体，所述第一环体、第二环体和第三环体可相对滑动，所述连接层为环状结构，所述连接层内侧连
接第一环体，外侧连接第三环体。

[0013] 所述变幅聚能机构的多环套接式结构为可动件，当操作者对变幅聚能机构的环体高度进行调整时，所述柔性连接层随环体高度同时变化，以此实现变幅聚能机构的变焦调
整，而变幅聚能机构的聚焦变化，可控制射流对冲击点的集中区域影响或是对周围区域的
施压的变化。

[0014] 作为优选，所述可调式射流喷嘴活动连接于连接筒，所述可调式射流喷嘴可在连接筒内上下运动。所述可调式射流喷嘴可进行升降式调节，以此调整射流高度，而不同射流
高度可形成不同的去除轮廓，由于待抛光面的形状包括平面，凹面或凸面，不同形状的待抛
光面需匹配不同射流高度，以保证射流抛光加工的去除函数满足要求。

[0015] 作为优选，所述变幅聚能机构还设置有进水结构，所述进水结构连通可调式射流喷嘴。所述进水结构用于输入射流，所述射流为高能水货混有磨粒的悬浮液，能够在高压喷
射的作用下对待抛光表面进行去除加工。

[0016] 作为优选，所述超射波发生装置为压电陶瓷制件。所述压电陶瓷制件通过压电效应将电能转换为机械振动，以此提供超声波对射流进行作用。

[0017] 因此，本发明具有如下有益效果：（1）射流场在超声压力场的影响下发生空化效应，导致流场状态变化，从而实现射流去除函数的改变和材料去除率的提高；（2）通过调整可调式射流喷嘴与超声波发生装置的相对位置来控制射流点的区域影响程度，有效提升去
除效果；（3）对变幅聚能机构的环体高度进行调整时，变幅聚能机构同步变焦调整，而变幅聚能机构的聚焦变化可控制射流对冲击点的集中区域影响或是对周围区域的施压的变化。

[0022] 下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能
的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为
对本发明的限制。

[0023] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。

[0024] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0025] 实施例1

[0026] 如图1、2所示，一种外场超声辅助射流抛光加工工具头装置，包括基座，所述基座上设置有连接筒，所述连接筒内插合设置有可调式射流喷嘴，所述可调式射流喷嘴与连接
筒之间设置有超声波发生装置，所述超声波发生装置环设于可调式射流喷嘴外侧。所述可
调式射流喷嘴插接于连接筒内，所述超声波发生装置环设于可调式射流喷嘴周缘，能够均
匀稳定的对射流进行高频振动影响，射流场在超声压力场的影响下发生空化效应，导致流
场状态变化，从而实现射流去除函数的改变和材料去除率的提高。

[0027] 所述超声波发生装置底部还设置有变幅聚能机构，所述变幅聚能机构底面为弧面结构，所述可调式射流喷嘴设置于变幅聚能机构中轴线上。所述变幅聚能机构用于对超声
压力场进行聚焦，能够增强超声波对射流液的空化效应的作用，使得射流冲击的材料去除
率得到优化，同时可调整射流冲击形成的去除函数呈中心低的近高斯形去除函数。所述变
幅聚能机构为多环套接式结构，包括至少三层环体，所述三层环体之间过渡配合，所述三层
环体底部设置有连接层，所述连接层为柔性结构。进一步的，所述变幅聚能机构包括依次套
接的第一环体41、第二环体42和第三环体43，所述第一环体、第二环体和第三环体可相对滑
动，所述连接层为环状结构，所述连接层内侧连接第一环体，外侧连接第三环体。

[0028] 所述变幅聚能机构的多环套接式结构为可动件，当操作者对变幅聚能机构的环体高度进行调整时，所述柔性连接层随环体高度同时变化，以此实现变幅聚能机构的变焦调
整，而变幅聚能机构的聚焦变化，可控制射流对冲击点的集中区域影响或是对周围区域的
施压的变化。

[0029] 所述可调式射流喷嘴活动连接于连接筒，所述可调式射流喷嘴可在连接筒内上下运动。所述可调式射流喷嘴可进行升降式调节，以此调整射流高度，而不同射流高度可形成
不同的去除轮廓，由于待抛光面的形状包括平面，凹面或凸面，不同形状的待抛光面需匹配
不同射流高度，以保证射流抛光加工的去除函数满足要求。本实施例中，连接层采用柔性合
金箔制成。

[0030] 所述变幅聚能机构还设置有进水结构9，所述进水结构连通可调式射流喷嘴。所述进水结构用于输入射流，所述射流为高能水货混有磨粒的悬浮液，能够在高压喷射的作用
下对待抛光表面进行去除加工。所述超射波发生装置为压电陶瓷制件。所述压电陶瓷制件
通过压电效应将电能转换为机械振动，以此提供超声波对射流进行作用。

[0031] 所述外场超声辅助射流抛光加工工具头装置的安装方式如下，基座1与机床主轴箱或运动导轨通过夹具或螺栓连接在一起，基座1上加工有进水口与射流系统进行连接。可
调式射流喷嘴5与基座1之间通过螺纹或夹具连接在一起。连接筒2与基座1通过螺纹或夹具
连接在一起。连接杆2与变幅聚能机构4之间通过螺纹连接，并且之间放置压电陶瓷制成的
超声波发生装置。压电陶瓷片在连接筒2和变幅聚能机构4之间的旋紧力下被迫压紧。变幅
聚能机构4与工件7之间的距离可以通过选择不同长度的连接筒2或者改变连接筒2与基座1
之间的连接方式来调整实现，变幅聚能机构与工件之间的距离为超声波对射流的影响因素
之一；本实施例中，可调式射流喷嘴5与基座螺纹连接，通过旋转可调式射流喷嘴5的旋入程
度调节其与工件7之间的距离，可调式射流喷嘴51与工件7之间的距离为去除工艺过程射流
冲击点的区域面积和深度；打开射流系统当抛光液6达到所需淹没深度后，再打开超声发生
装置，根据可调式射流喷嘴5的高度对变幅聚能机构4进行结构调整，本实施例中，变幅聚能
机构仅包括最内环的第一环体，最外部的第三环体，以及第一环体与第三环体之间的第二
环体。当操作者改变三个环体的高度时，变幅聚能机构底部的连接层10形状相应改变，由于
所述连接层为柔性件，因此连接层能够平滑过渡形成变幅聚能机构的底层聚焦面，自超声
波发生装置的超声场经连接层聚焦面的变幅聚能后对射流8进行作用，操作人员可根据变
幅聚能机构与工件之间的距离，以及可调式射流喷嘴相对工件的高度，对变幅聚能机构的
连接层的形状及弧度进行调整，使得可调射流喷嘴位于变幅聚能机构的聚焦中心的上方，
而聚焦中心则位于可调射流喷嘴喷射的射流路径上。至此外场超声辅助射流抛光加工工具
头装置调整完毕，开始执行射流加工程序，进行抛光加工作业。

[0032] 实施例2

[0033] 如图3所示，与实施例1不同的是，本实施例中的进水结构9设置于外场超声辅助射流抛光加工工具头装置中下部，所述装置中下部为T字型管路结构，所述进水结构为装置两
侧由外向内水平形成的进水管路，而与进水管路垂直的纵向管路内插接设置可调射流喷
嘴，所述进水管路与可调射流喷嘴连通，这种结构能够避免进水结构穿过超声波发生装置，
降低对进水管路内的液体进行超声波作用，避免进水管路内的液体持续对管路内壁进行抛
光而造成设备使用寿命的影响。

[0034] 除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进
行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体
实施例而在本发明的保护范围之内。

[0018] 图1为本发明的工作示意图。

[0019] 图2为图1中变幅聚能机构变形后的结构示意图。

[0020] 图3为实施例2中本发明的结构示意图。

[0021] 图中：1、基座，2、连接筒，3、超声波发生装置，4、变幅聚能机构，41、第一环体，42、第二环体，43、第三环体，5、可调式射流喷嘴，6、抛光液，7、工件，8、射流，9、进水结构，10、连接层。