一种用于抛光的激光空化装置和方法

1.本发明涉及了一种用于抛光的激光空化装置和方法，属于机械加工领域中的金属材料表面超精密抛光领域。


背景技术：

2.超精密抛光作为超精密精加工的最后一道工序，承担着确定工件表面面型、提高工件表面加工精度、降低工件表面加工损伤的任务。目前，金属材料表面抛光常用技术主要有机械抛光和化学/电化学抛光等方法。由于缺乏可行的对非平整表面的自动抛光技术，复杂金属件的抛光一般由手工来完成，往往存在高度依赖人工经验、缺乏一致性和稳定性、不利于整体结构件抛光、耗时久、成本高、效率低等问题。
3.激光作用于液体介质中时，聚焦点处的激光功率密度大于液体介质的击穿阀值，水分子发生“雪崩式”电离，发生光学击穿效应并形成等离子腔体，等离子腔体继续吸收激光能量，体积加速膨胀成长为空穴，进而成为空泡。随后，激光诱导产生的空泡在泡内压力和液体压力的相互作用下，不断进行膨胀和压缩脉动，经过数次循环后，最终破灭。在空泡溃灭过程中，会发生对外辐射的冲击波效应和高速射流，其作用于湍流状态下抛光液中的磨粒，使之与材料表面间发生磨削作用，达到抛光的效果。入射激光能量愈大，激光空泡所含能量愈大，空泡溃灭时所产生的射流速度和冲击力也相应变大。
4.利用激光空化对材料表面进行抛光并实时检测其抛光度，对于材料表面处理具有重要意义，但是依然存在一定的技术局限性，空化气泡溃灭释放的能量容易对材料表面造成损伤，且加工效率较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于抛光的激光空化装置和方法，通过激光空化与化学机械的方法对材料的上下表面同时进行抛光。
6.为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种用于抛光的激光空化装置，包括升降台，所述升降台上固定安装有工作台，所述工作台上设置有工作池，所述工作池上方分别设置有激光发射装置和抛光液输送器，所述工作池内部安装有抛光台，所述工作台内部安装有电机，所述电机的输出轴与所述抛光台固定在一起，所述抛光台上固定有抛光垫，所述抛光垫紧贴于材料的底面，所述材料通过固定环进行位置固定，所述激光发射装置发射的激光聚焦于所述材料的上方位置。
7.上述方案中，所述激光发射装置包括激光器控制器、激光器、凹透镜、凸透镜、反射镜和凸透镜，所述激光器控制器、激光器、凹透镜、凸透镜、反射镜和凸透镜光路连接在一起，所述凸透镜聚焦的激光焦点位于所述材料的上方。
8.上述方案中，所述工作池的一侧设置有高速摄像机，另外一侧设置有照明光源，所述工作池内设置有光纤探头，所述光纤探头与所述示波器连接，所述示波器和所述高速摄像机均与控制中心连接。
9.上述方案中，所述电机、所述激光器控制器、所述照明光源、所述抛光液输送器和所述升降台均与所述控制中心连接。
10.上述方案中，所述固定环包括外环和内环，所述外环和所述内环之间通过若干弹簧固定连接在一起，所述外环固定在所述工作池的内壁面上，所述材料固定在所述内环内。
11.上述方案中，所述电机的输出轴与所述工作池内的抛光液通过密封圈进行密封。
12.上述方案中，所述工作池和所述工作台为一体化装置。
13.本发明还提供了一种用于抛光的激光空化方法，包括以下步骤：s1：用砂纸对材料的上下两个端面进行双面打磨，完成后固定在内环中，将固定环整体放于工作池中，使外环与工作池内壁相配合固定，从而使材料固定于抛光垫上，调节激光装置的透镜组使其中心位于同一直线上；s2：通过控制中心使抛光液输送器向工作池中添加抛光液，打开激光器与高速摄像机对抛光进行前期处理，调节升降台的高度使空泡与材料表面的距离达到最优离焦量，通过激光器控制器调至初始作用能量；s3：材料上表面激光空化抛光开始后，通过控制中心启动电机使抛光台旋转，材料的下表面与抛光垫之间的化学机械抛光开始，抛光液输送器不断向工作池中补充抛光液；s4：打开水听器，光纤探头将空泡溃灭的声信号转化为电信号传递至示波器中，高速摄像机对空泡以及冲击波、水射流的影像进行采集，根据所得的参数进行调节，进一步提高材料表面的抛光精度，抛光完成后取出材料。
14.本发明的有益效果：(1)本发明采用的一种用于材料水下抛光的激光空化的装置和方法，通过激光空化与化学机械的方法对材料的上下表面同时抛光，解决了常规抛光技术中过程繁琐、效率低等问题。(2)在抛光过程中加入了检测装置，提高了抛光的工作效率与抛光材料的产品质量。(3)水下抛光避免了抛光过程中液体的飞溅的情况，不会对周围的环境造成污染。
附图说明
15.图1为本发明一种用于抛光的激光空化装置示意图。
16.图2固定环的装置截面图。
17.图中：1-控制中心；2-照明光源；3-示波器；4-激光器控制器；5-激光器；6-凹透镜；7-凸透镜；8-光纤探头；9-反射镜；10-凸透镜；11-空化气泡；12-抛光液输送器；13-固定环；13-1-外环；13-2-弹簧；13-3-内环；14-高速摄像机；15-材料；16-抛光垫；17-抛光台；18-手动开关；19-底座；20-升降台；21-电机；22-密封圈；23-工作台；24-工作池。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明装置作进一步详细说明。
19.如图1所示，一种用于抛光的激光空化的装置和方法，该装置对材料的上下表面同时抛光，包括利用激光空化过程中空泡11溃灭产生的冲击波和微射流压力驱使流体抛光液中的磨粒对材料上表面进行抛光，并利用抛光台17的转动驱使抛光液中的磨粒对材料的下表面进行抛光。待抛光材料15通过固定环13固定放置于抛光垫16上，所述抛光垫16紧贴于抛光台17上，所述抛光台17位于工作池24中且与电机21的轴端固连，由电机21控制旋转。所述电机21采用无刷直流电机且安装于工作台23内部，由控制中心1进行转速与脉冲量的控制，其轴端位于工作池24中并用密封圈22进行防水密封。所述工作台23与工作池24为一体
化装置，与升降台20固定相连。所述工作池24中的液体均为抛光液，由控制中心1控制抛光液输送器12自动添加。所述升降台22固定于底座19上，有手动与自动两种调节方式，可以通过控制中心1与手动开关18调节高度。所述固定环13的外环13-1与工作池24的内壁相配合固定，内环13-3对材料进行固定，弹簧13-2用于对不同尺寸的材料进行伸缩调节。高速摄像机14和水听器均由控制中心1进行控制，对激光诱导空泡11的冲击波与水射流进行检测，避免空泡11对材料表面造成损害。所述高速摄像机14采集空化气泡11的影像状态，照明光源12辅助影像的采集。所述水听器由示波器3与光纤探头8组成，将水平的声信号转换为电信号进行采集。
20.优选的，电机21选用无刷直流电机，具有体积小、效率高、调速范围广的特点，便于控制抛光台17灵活旋转，保证材料15下表面抛光的精度。
21.利用该装置加工操作时，包括如下步骤：s1：用砂纸对材料15进行双面打磨，完成后放于固定环内环13-3中，将固定环13放于工作池24中，使外环13-1与工作池内壁相配合固定，从而使材料15固定于抛光垫16上，调节激光装置的透镜组使其中心位于同一直线上。
22.s2：通过控制中心1使抛光液输送器12向工作池24中添加抛光液，打开激光器5与高速摄像机14对抛光进行前期处理，调节升降台22的高度使空泡11与材料表面的距离达到最优离焦量，通过激光器控制器4调至初始作用能量。s3：材料上表面激光空化抛光开始后，通过控制中心1启动电机21使抛光台17旋转，材料15下表面与抛光垫16之间的化学机械抛光开始，抛光液输送器12不断向工作池24中补充抛光液。s4：打开水听器，光纤探头8将空泡11溃灭的声信号转化为电信号传递至示波器3中，高速摄像机14对空泡以及冲击波、水射流的影像进行采集，根据所得的参数进行调节，进一步提高材料表面的抛光精度，抛光完成后取出材料。
23.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书内容等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。