一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备与工艺方法技术

本发明专利技术提供一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备与工艺方法，包括床身和安装在床身内超声发生器、上支架、电缆、风扇、法兰盘、活动支架、换能器、变幅杆、Z轴升降台、平移工作台、定位销、工作池、压缩空气泵、数控系统和气囊。本发明专利技术具有形面自适应功能，能随着工件形面凹凸起伏自适应变换贴合，整个过程无需建立模型、无需扫描、无需人工过多干预，能显著降低劳动力。并通过密集部署的超声增强化学机械抛光，整个待加工面同时处理，加工效率高，均匀性好，抛光后表面一致性好，精度高，抛光后轮毂模具表面粗糙度可达Ra 0.446～1.442μm。同时，其也可以应用于轮毂模具以外的零件，通用性极强。用性极强。用性极强。

【技术实现步骤摘要】
一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备与工艺方法


[0001]本专利技术涉及机械加工设备
，尤其涉及一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备与工艺方法。

技术介绍

[0002]随着生活质量的逐步提高，乘用车保有量爆发式增长。早期，用户购车时注重车辆行驶性能和乘坐舒适性。现阶段用户在兼顾机械性能的同时更加注重审美，从而衍生出汽车轮毂文化，即便同款车型车厂也推出了不同的轮毂造型。目前汽车轮毂生产工艺主要依靠锻造和铸造。轮毂模具的精密抛光可以改善模具的表面质量，提高模具型腔和合模面的精度，防止出现毛边，有利于降低熔融液的流动阻力，提高加工效率，同时有助于提高铸造后轮毂外观的美学要求。现有的轮毂模具精密抛光通常以手工操作为主，一般使用油石、砂纸、抛光膏、羊毛轮等，对轮毂模具的型腔表面进行打磨抛光。但是，手工磨抛劳动强度大、效率低、质量不稳定，还容易使操作者吸入粉尘造成职业病。
[0003]化学机械抛光是集成电路制造中获得全局平坦化的一种重要手段，能够获得平坦又无划痕的超光滑表面，其可简单归结为工件表面材料与抛光液中的氧化剂、光亮剂等发生化学反应，生成一层相对容易去除的软质层，然后在抛光液中的磨料、抛光机的抛光垫以及施加在工件上的垂直正压力共同提供的机械作用下去除软质层，使工件表面重新裸露出来，然后再进行化学反应，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光。使用化学机械抛光平面时相对简单，抛光液中的化学成份提供化学作用，抛光液中的磨料、抛光机上的抛光垫以及施加在工件上的垂直正压力共同提供机械作用，化学作用和机械作用达到平衡时，抛光效果最佳。而使用化学机械抛光曲面时存在较大困难，由于各类曲面形状复杂，无法在曲面上提供均匀的机械作用力。例如，不能提供完全贴合曲面的抛光垫，不能在较大范围的曲面上提供正压力。这些因素都制约了化学机械抛光应用于轮毂模具等曲面零件抛光。
[0004]超声波是一种机械波，它依靠介质进行传播，无法存在于真空中。当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负的交变周期，在正相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大强度的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，起到了很好的搅拌作用。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。通过在抛光液中引入超声波，依靠超声空化作用驱动磨料可增强化学机械抛光中的机械去膜作用。这将显著提高化学机械抛光的材料去除率，提高化学机械抛光技术在曲面抛光时的效果。
[0005]形面自适应可以应对不同的表面形状，能满足各种款式的轮毂表面抛光加工，且
能轻松处理凹槽位置，表面贴合度高，通用性强。
[0006]因此，开发一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备与工艺方法有助于提高轮毂模具的表面质量和表面精度，减少人工工作量，提升加工效率。

技术实现思路

[0007]根据上述提出的技术问题，而提供一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备与工艺方法，可以实现一次夹装就能加工制造出表面粗糙度Ra1μm的轮毂模具。解决了现有轮毂模具表面质量差，抛光只能依靠手工磨抛而导致的环保不达标，产品质量一致性差，型面精度低的问题。本专利技术采用的技术手段如下：
[0008]一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备，包括超声增强装置、Z轴升降装置、床身、平移工作台、工作池、压缩空气泵、数控系统和气囊，所述Z轴升降装置、平移工作台、压缩空气泵、数控系统均设置在床身上，所述平移工作台通过滑轨安装在床身，所述工作池可拆卸地连接在平移工作台上，所述工作池内放置待抛光工件，所述Z轴升降装置与活动支架相连，所述气囊设置在活动支架内部，所述气囊的进、排气口均与压缩空气泵相连，工作状态下，所述气囊超声增强装置进行定位夹持，所述超声增强装置的输出端穿过气囊后与待抛光工件之间存在预设空隙，所述工作池内设有化学机械抛光液，所述超声增强装置用于依靠超声空化作用驱动磨料增强化学机械抛光中的机械去膜作用。
[0009]进一步地，所述平移工作台用于承载工作池沿着X方向运动，在X方向最大位移处能够方便工作池内放置工件，放置工件后运动至工作位置。平移工作台设置有定位销安装孔，通过定位销可以固定不同尺寸的工作池。
[0010]进一步地，所述Z轴升降装置包括Z轴升降台，所述Z轴升降台与活动支架、上支架、法兰盘共同构成主体支撑结构。所述Z轴升降台可沿Z方向伸缩，提供Z轴自由度。所述活动支架两侧为支柱，安装在Z轴升降台，中间为内凹圆盘形结构，并设有沉孔，圆盘形结构外侧设置了4个半圆管形槽。所述法兰盘与活动支架有相似的内凹圆盘形结构，设有通孔，圆盘形结构外侧设置了4个半圆管形槽。法兰盘安装在活动支架，法兰盘和活动支架相扣后在中间形成一个圆盘形空腔，且活动支架上的沉孔与法兰盘上的通孔同轴，法兰盘和活动支架上的半圆柱形槽互相拼接成一个圆管。
[0011]进一步地，所述气囊为圆盘形结构，中间开设有通孔，通孔不与气囊内部连通，侧面开设有与中间气腔内连通的气囊进气口和气囊排气口，气囊除气囊进气口和气囊排气口外，其他部位都是密封结构，不漏气。气囊安装于法兰盘和活动支架之间的圆盘形空腔内，气囊进气口和气囊排气口安装在法兰盘和活动支架上的半圆柱形槽互相拼接成的圆管内。气囊在充气状态时扩展，通孔缩小，在真空状态时收缩，通孔扩大。气囊的通孔与活动支架的沉孔以及法兰盘的通孔同轴，形成一个管状通道。
[0012]进一步地，所述超声增强装置包括依次相连的超声发生器、换能器和变幅杆，所述换能器为沉头结构，底部安装变幅杆，换能器的外径小于法兰盘的通孔，也小于气囊的通孔。换能器的沉头结构与活动支架的沉孔间隙配合。换能器的长度大于法兰盘与活动支架形成的圆盘腔的外形尺寸。换能器安装在活动支架的沉孔、气囊的通孔、法兰盘的通孔形成的管状通道内。活动支架上的沉孔限制换能器在Z负方向的最大位移。
[0013]进一步地，所述上支架安装在活动支架，上支架底部安装集线器。所述超声发生器
安装在上支架顶部，超声发生器与集线器电路相通。电缆一端接在集线器，一端接在换能器，且通过自身重力作用自然垂直。在初始状态时，电缆自然垂直，牵引换能器使其沉头结构恰好位于活动支架的沉孔内。
[0014]进一步地，所述压缩空气泵安装在床身，压缩空气泵的排气口通过软管与气囊进气口相通，压缩空气泵的进气口通过软管与气囊排气口相通。
[0015]进一步地，上支架侧面的底部安装有用于为换能器降温的风扇。
[0016]进一步地，所述数控系统安装在床身，集成控制Z轴升降台、平移工作台、超声发生器、压缩空气泵和风扇的运行。
[0017]本专利技术还公开了基于上述形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备的工艺方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备，其特征在于，包括超声增强装置、Z轴升降装置、床身、平移工作台、工作池、压缩空气泵、数控系统和气囊，所述Z轴升降装置、平移工作台、压缩空气泵、数控系统均设置在床身上，所述平移工作台通过滑轨安装在床身，所述工作池可拆卸地连接在平移工作台上，所述工作池内放置待抛光工件，所述Z轴升降装置与活动支架相连，所述气囊设置在活动支架内部，所述气囊的进、排气口均与压缩空气泵相连，工作状态下，所述气囊超声增强装置进行定位夹持，所述超声增强装置的输出端穿过气囊后与待抛光工件之间存在预设空隙，所述工作池内设有化学机械抛光液，所述超声增强装置用于依靠超声空化作用驱动磨料增强化学机械抛光中的机械去膜作用。2.根据权利要求1所述的形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备，其特征在于，所述平移工作台用于承载工作池沿着X方向运动，在X方向最大位移处能够方便工作池内放置工件，放置工件后运动至工作位置，平移工作台设置有定位销安装孔，通过定位销可以固定不同尺寸的工作池。3.根据权利要求1所述的形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备，其特征在于，所述Z轴升降装置包括Z轴升降台，所述Z轴升降台与活动支架、上支架、法兰盘共同构成主体支撑结构，所述Z轴升降台可沿Z方向伸缩，提供Z轴自由度，所述活动支架两侧为支柱，安装在Z轴升降台，中间为内凹圆盘形结构，并设有沉孔，圆盘形结构外侧设置了4个半圆管形槽，所述法兰盘与活动支架有相似的内凹圆盘形结构，设有通孔，圆盘形结构外侧设置了4个半圆管形槽，法兰盘安装在活动支架上，法兰盘和活动支架相扣后在中间形成一个圆盘形空腔，所述气囊安装于该圆盘形空腔内，活动支架上的沉孔与法兰盘上的通孔同轴，法兰盘和活动支架上的半圆柱形槽互相拼接成一个圆管。4.根据权利要求3所述的形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备，其特征在于，所述气囊为圆盘形结构，中间开设有通孔，通孔不与气囊内部连通，侧面开设有与中间气腔内连通的气囊进气口和气囊排气口，气囊除气囊进气口和气囊排气口外，其他部位都是密封结构；气囊进气口和气囊排气口安装在法兰盘和活动支架上的半圆柱形槽互相拼接成的圆管内，气囊在充气状态时扩展，通孔缩小，在真空状态时收缩，通孔扩大；气囊的通孔与活动支架的沉孔以及法兰盘的通孔同轴，形成一个管状通道。5.根据权利要求4所述的形面自适应超声化学机械抛光轮毂模具的装备，其特征在于，所述超声增强装置包括依次相连的超声发生器、换...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，李玉彪，雷霄霏，孟凡宁，冯俊元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：