本发明专利技术公开了一种基于共聚焦兆声波微射流的抛光装置和方法，属于超精密光学表面加工领域。所述抛光装置包括顶部外罩1、兆声波换能器2、换能器集束座3、连接座4、储液腔5、密封圈6、喷嘴7，所述喷嘴7上设有用于供抛光液8喷出的小孔71。该共聚焦兆声波微射流抛光装置和方法除了具有传统射流抛光的优点外，由于使用高频、高能兆声波来推动抛光液产生微射流实现射流抛光，因此能够抑制抛光粉颗粒的团聚效应，提高抛光液的悬浮性和分散性；除此之外相比传统的射流抛光，所述装置和方法可控参数更多，可通过调控兆声波换能器阵列的功率、频率参数来实现不同的抛光斑、抛光效率、抛光质量，具有很好的时间响应特性。
A polishing device and method based on confocal mega-acoustic Microjet
【技术实现步骤摘要】
一种基于共聚焦兆声波微射流的抛光装置和方法
本专利技术属于光学元件加工领域，具体涉及一种基于共聚焦兆声波微射流的抛光装置和方法，特别适用于光学元件的精抛光阶段，也属于超精密光学表面加工领域。
技术介绍
超精密加工是国家制造技术水平的重要指标之一，超精密加工所能达到的精度、表面粗糙度、加工尺寸范围和几何形状直接决定了制造业所能达到的高度。此外超精密加工也是先进制造技术、智能制造技术的重要支柱。而对于光学领域，光学元件的口径、表面精度直接决定了光学系统的性能，大口径、高精度光学元件的超精密加工技术仍然是我国亟待解决的难题。传统射流抛光的基本原理是使用压力将抛光液从喷嘴的小孔高速喷出，通过抛光粉颗粒的高速碰撞剪切作用进而达到材料去除。与其他传统抛光技术相比，射流抛光的抛光工具是液体状的，不存在工具磨损的问题，去除函数稳定，面形精度易于控制，并且由于射流抛光的抛光头是液体柱，能够适合各种特殊复杂表面的抛光，抛光特性不受工件位置的影响。虽然射流抛光有以上优点，但是由于抛光粉颗粒为纳米尺寸，表面能很大，在压力驱动射流形成的过程中，抛光粉颗粒有团聚趋势，会影响抛光质量；此外为了获得较为理想的去除效率，传统射流抛光的喷嘴小孔的尺寸都较小，容易产生堵塞。在目前的光学元件加工领域，兆声波主要用于光学元件的清洗。兆声波由于频率太高，声波在清洗液中难以发生空化效应，因此不会形成超声波清洗时那样的空化气泡，而高频声波能量在清洗液中会由于声场效应形成高速微水流，在清洗时对光学元件表面的亚微米级杂质颗粒具有很好的去除作用。但是在对光学元件表面加工时还存在加工效率和加工能量的要求，因此需要更适用于将兆声波用于光学元件加工的相应加工装置和方法。
技术实现思路
为了克服现有技术中上述加工方法中存在的缺陷,本专利技术提供了一种新型的基于共聚焦兆声波微射流的抛光装置和方法，其既具有传统射流抛光的优点，又能消除传统射流抛光缺点。本专利技术采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，所述抛光装置包括顶部外罩1、兆声波换能器2、换能器集束座3、连接座4、储液腔5、密封圈6、喷嘴7，所述喷嘴7上设有用于供抛光液8喷出的小孔71；所述顶部外罩1和储液腔5、喷嘴7依次连接并组成了包含密闭空间的抛光装置外壳；所述换能器集束座3被固定安装在顶部外罩1和储液腔5之间，且兆声波换能器2安装在换能器集束座3上；兆声波换能器2发出的兆声波的汇聚方向为喷嘴7上的小孔71所在方向、且汇聚的焦点22为小孔71外的一点；所述储液腔5的腔壁上设有进液口51，抛光液8通过进液口51充满整个储液腔；当兆声波换能器2启动后发出的兆声波伴随储液腔5内的抛光液8聚焦在焦点22处，抛光液8在兆声波的作用下做加速运动、并在焦点22处产生最强的微射流效应。进一步的，其中所述顶部外罩1和储液腔5的均卡接于换能器集束座3上，所述喷嘴7卡接在所述储液腔5的另一端。进一步的，储液腔5的两端分别与换能器集束座3和喷嘴7的卡接处均通过密封圈6进行密封。进一步的，当所述微射流抛光装置用于元件加工时，将小孔71放置在被加工元件9的表面处，从而使抛光液8在焦点22处产生的最强微射流能有效用于对元件表面的加工，最终达到微射流抛光作用。进一步的，所述换能器集束座3上有若干个用于安装兆声波换能器的安装孔，安装孔的数量大于或等于所使用的兆声波换能器的数量。进一步的，所述换能器集束座3的内表面为一圆弧状内壁，所述内壁是以换能器的焦距为半径的球壳形状，该圆弧状内壁所在圆的圆心为换能器集束座内壁的球心33，且该圆弧状内壁所在圆的半径为换能器的焦距，因此该球心与换能器的焦点22重合。进一步的，所有换能器安装孔31对应的安装孔中心轴线32都经过所述换能器集束座内壁的球心33，进而使所有安装后的兆声波换能器发出的兆声波能聚焦在所述换能器集束座内壁的球心33处，从而使所述换能器集束座内壁的球心33位置处能获得最集中的兆声波汇聚能量。进一步的，为了快速和方便安装或更换换能器，每个换能器安装孔31内壁均设有螺纹，从而可以快速的将外壁设有螺纹的换能器进行螺旋安装和拆卸。进一步的，所述连接座4位于抛光装置的外壳上，用于将所述抛光装置固定安装在其他数控设备上。另一方面，本专利技术还提供了一种共聚焦兆声波微射流抛光方法，该方法是基于前述任一所述微射流抛光装置对待加工的光学元件进行操作实现的，所述方法包括：根据加工需要将选定的兆声波换能器分别安装在所述换能器集束座3上的换能器安装孔31内，保证所有兆声波换能器发出的兆声波将聚焦于所述换能器集束座内壁的球心33处；将该微射流抛光装置固定安装在数控机床上，启动该装置，通过数控机床的运动控制和精确定位能力，将装置喷嘴7的小孔放置在加工元件9表面，此时具有一定压力的抛光液8通过进液口充满储液腔，并从喷嘴7的小孔喷出，从而对加工元件9表面的相对高点进行抛光去除；根据待加工元件的表面面形误差，调节所述兆声波换能器的工作频率和功率等加工参数，完成抛光加工。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的共聚焦兆声波微射流抛光装置和方法除了具有传统射流抛光的优点外，由于使用高频、高能兆声波来推动抛光液产生微射流实现射流抛光，因此可以避免传统射流抛光中为了获得较为理想的去除效率而减小喷嘴小孔尺寸造成的堵塞现象，并且兆声波能够抑制抛光粉颗粒的团聚效应，提高抛光液的悬浮性和分散性；除此之外相比传统的射流抛光，所述装置和方法可控参数更多，可通过调控兆声波换能器阵列的功率、频率参数来实现不同的抛光斑、抛光效率、抛光质量，具有很好的时间响应特性。附图说明图1为本专利技术提供的共聚焦兆声波微射流抛光装置的中心剖面结构示意图。图2为本专利技术装置的换能器集束座三维视图。图3为本专利技术装置的换能器集束座的中心剖面结构示意图。图4为本专利技术装置的换能器及其焦点的示意图。图5为本专利技术装置的整体三维视图。图6为本专利技术装置的加工示意图。图中各附图标记分别为：1-顶部外罩；2-兆声波换能器；3-换能器集束座；4-连接座；5-储液腔；6-密封圈；7-喷嘴；8-抛光液；9-加工元件；21-兆声波传播方向；22-换能器焦点；31-换能器安装孔；32-安装孔中心轴线；33-换能器集束座内壁的球心；51-进液口；71-小孔。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本专利技术公开了一种共聚焦兆声波微射流抛光方案，该抛光方案主要是通过兆声波激发的微射流和粒子共振效应来实现对光学元件的抛光，尤其是利用发出的兆声波以储液腔内的抛光液为传播介质，通过腔体和喷嘴，最终共同聚焦在在喷嘴外一点；在进行加工工作时，将兆声波的焦点放置在被加工元件的表面附近进行抛光。实施例1为一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，如图1所示为所述抛光装置的中心剖面结构示意图，所述抛光装置包括顶部外罩1、兆声波换能器2、换能器集束座3、连接座4、储液腔5、密封圈6、喷嘴7，所述喷嘴7上设有用于供抛光液8喷出的小孔71；所述顶部外本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，其特征在于，所述抛光装置包括顶部外罩(1)、兆声波换能器(2)、换能器集束座(3)、连接座(4)、储液腔(5)、密封圈(6)、喷嘴(7)，所述喷嘴(7)上设有用于供抛光液(8)喷出的小孔(71)；所述顶部外罩(1)和储液腔(5)、喷嘴(7)依次连接并组成了包含密闭空间的抛光装置外壳；所述换能器集束座(3)被固定安装在顶部外罩(1)和储液腔(5)之间，且兆声波换能器(2)安装在换能器集束座(3)上；兆声波换能器(2)发出的兆声波的汇聚方向为喷嘴(7)上的小孔(71)所在方向、且汇聚的焦点(22)为小孔(71)外的一点。所述储液腔(5)的腔壁上设有进液口(51)，抛光液(8)通过进液口(51)充满整个储液腔；当兆声波换能器(2)启动后发出的兆声波伴随储液腔(5)内的抛光液(8)聚焦在焦点(22)处，抛光液(8)在兆声波的作用下做加速运动、并在焦点(22)处产生最强的微射流效应。
【技术特征摘要】
1.一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，其特征在于，所述抛光装置包括顶部外罩(1)、兆声波换能器(2)、换能器集束座(3)、连接座(4)、储液腔(5)、密封圈(6)、喷嘴(7)，所述喷嘴(7)上设有用于供抛光液(8)喷出的小孔(71)；所述顶部外罩(1)和储液腔(5)、喷嘴(7)依次连接并组成了包含密闭空间的抛光装置外壳；所述换能器集束座(3)被固定安装在顶部外罩(1)和储液腔(5)之间，且兆声波换能器(2)安装在换能器集束座(3)上；兆声波换能器(2)发出的兆声波的汇聚方向为喷嘴(7)上的小孔(71)所在方向、且汇聚的焦点(22)为小孔(71)外的一点。所述储液腔(5)的腔壁上设有进液口(51)，抛光液(8)通过进液口(51)充满整个储液腔；当兆声波换能器(2)启动后发出的兆声波伴随储液腔(5)内的抛光液(8)聚焦在焦点(22)处，抛光液(8)在兆声波的作用下做加速运动、并在焦点(22)处产生最强的微射流效应。2.如权利要求1所述的一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，其特征在于，其中所述顶部外罩(1)和储液腔(5)均卡接于换能器集束座(3)上，所述喷嘴(7)卡接在所述储液腔(5)的另一端。3.如权利要求1或2所述的一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，其特征在于，储液腔(5)的两端分别与换能器集束座(3)和喷嘴(7)的卡接处均通过密封圈(6)进行密封。4.如权利要求1或2所述的一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，其特征在于，当所述微射流抛光装置用于元件加工时，将小孔(71)放置在被加工元件(9)的表面处，从而使抛光液(8)能在焦点(22)处产生的最强微射流能有效用于对元件表面的加工，最终达到微射流抛光作用。5.如权利要求1所述的一种基于共聚焦兆声波微射流抛光装置，其特征在于，所述换能器集束座(3)上有若干个用于安装兆声波换能器的安装孔，安装孔的数量大于或等于所使用的兆声波换能器的数量。6.如...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵恒，蔡超，何祥，马平，鄢定尧，黄金勇，王刚，谢磊，胡庆，蔡红梅，鲍振军，李智钢，卢忠文，崔建朋，朱衡，高胥华，
申请(专利权)人：成都精密光学工程研究中心，
类型：发明
国别省市：四川,51
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