CN102873591B - 基于换能装置的型腔表面处理加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件型腔或复杂工件表面研磨、抛光和去除毛刺加工技术领域的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，包括供能系统，通道结构、换能装置、辅助装置及工件运动平台，所述通道结构的内端与供能系统相连接，其外端为两个自由端，并分别与换能装置和辅助装置相连接，所述工件运动平台设置在换能装置和辅助装置之间；所述换能装置包括连接部和工作部，其中，连接部用于传递供能系统产生的能量，并作用于工作部；工作部用于对被加工工件进行腔面处理。本发明实现了既可以加工规则形面又可以加工非规则形面的工件面型加工装置。根据加工性能需要，可以方便采用多种换能装置，实现工件形面或型腔面的表面处理加工。

Description

基于换能装置的型腔表面处理加工装置

技术领域

本发明涉及工件型腔或复杂工件表面研磨、抛光和去除毛刺加工技术领域，具体是一种基于换能装置的型腔表面处理加工装置。

背景技术

传统的抛光和研磨方式是将压头和工件之间加入研磨或抛光介质，并且通过实现压头带动工件相对研磨盘之间的挤压和相对平动，而达到使工件表面进一步光整的目的。如2006年5月10日授权的专利(ZL：200520055339)涉及一种研磨装置，包括支架、减速机、研磨板和工件，减速机和研磨板固设于支架上，所述研磨板上还设置有导向轮，导向轮内设置有导向板，导向板与导向轮套装连接，导向板内设有放置工件的圈，工件置于导向板圈之内及研磨板之上。在这种加工过程中由于压头带动工件和研磨盘之间只能产生沿接触面切向的平动，因此，这种方式往往只能对平面工件表面实现光整加工，而对于腔体表面或具有凸出或凹入的弧面形状或异形工件时，这种加工方式将不适用，型腔表面往往无法探及或所加工出的工件表面光整度不均匀，或加工效率较低，并且研磨头或研磨盘还需要经常光整修理。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于换能装置的型腔表面处理加工装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于换能装置的型腔表面处理加工装置，包括供能系统，通道结构、换能装置、辅助装置及工件运动平台，所述通道结构的内端与供能系统相连接，其外端为两个自由端，并分别与换能装置和辅助装置相连接，所述工件运动平台设置在换能装置和辅助装置之间；

所述换能装置包括连接部和工作部，其中，

-连接部，用于传递供能系统产生的能量，并作用于工作部；

-工作部，用于对被加工工件进行腔面处理。

所述供能系统为液压泵体系统，所述通道结构为液体流通管道，所述换能装置为开关阀体，其连接部为喷嘴，所述辅助装置为液体回流回收装置，其中：

-供能系统，通过通道结构向换能装置提供压力液体；

-换能装置，通过喷嘴喷射液体，并形成压力液体工作部；

-辅助装置，用于回收换能装置喷出的液体。

所述喷嘴为阵列型喷嘴；所述喷嘴与待加工部位之间设有可调节距离。

所述供能系统为高压电源系统，所述通道结构为电路结构，所述换能装置为电路开关，其连接部为正电极，所述辅助装置为负电极板，其中：

-供能系统，通过通道结构向换能装置提供高电压；

-辅助装置，通过负电极板与被加工工件导通；

-换能装置，通过正电极与被加工工件之间产生高压电场，并形成电离子或极化气体工作部。

所述电极为阵列型电极。

所述换能装置为磁流变液体换能装置，还包括设置在与其相连接的通道结构外端的上电磁线圈，嵌入安装在该通道结构外端中心处的驱动机构，所述连接部与该驱动机构固连，所述工作部为软性可变形工作部，并与连接部相接触，其中，所述辅助装置为下电磁线圈，所述下电磁线圈设置在被加工工件下方或工件运动平台下方；所述通道结构为由铁磁材料构成的轭铁磁通路。

所述驱动机构为电机；所述连接部为转盘，所述转盘固连在电机的输出转轴上。

所述驱动机构为磁致伸缩驱动器、压电驱动器或电磁驱动器；所述连接部为变幅结构体，所述变幅结构体与驱动器固连，并根据驱动器的伸缩往复运动产生振幅。

所述工作部为若干个，并通过换能装置和辅助装置产生的加工磁场以及对工件施加的交变力实现工件加工。

所述工作部为磁流变液体、孔隙网格状柔性体、由外套密封包裹的磁流变液囊体、由波纹管包裹的磁流变液变形体或磁流变液及磨料混合液体；磁流变材料颗粒为铁磁材料颗粒、永磁材料颗粒中的一种或几种。

所述工件运动平台与换能装置之间设有增益介质；所述增益介质为研磨颗粒或抛光材料。

所述基于换能装置的型腔表面处理加工装置，还包括若干个加强电磁线圈，所述加强电磁线圈设置在被加工工件周围。

所述被加工工件与工件运动平台之间还设有旋转电机或振动驱动装置，所述旋转电机或振动驱动装置的一端与工件运动平台相连，其另一端与被加工工件相连。

所述上电磁线圈和/或下电磁线圈为微阵列结构电磁线圈。

工作时，

将工件固连在工件运动平台上，工件运动平台设置在换能装置和辅助装置之间，工件加工面与换能装置的工作部相邻放置，同时在工件和工作部之间加有增益介质。工件运动平台上的工件在Z轴方向的位置，此时，对供能系统施加能量，供能系统的能量通过通道结构传递到换能装置上，并将能量通过连接部而作用在工作部上。工作部具有接收能量后产生变形或往复变形或位移(振动)或力或热量的变化，该变化通过力或能量的方式作用于增益介质和工件腔形面或直接作用于工件腔形面上。由于工作部接收能量后可以产生变形并且始终与工件腔形面保持接触且相对挤压运动，因而能产生施加在沿工件加工表面的法向和切向合力，作用于工件腔形面。当该合力足够大时，工件表面材料将可能因接触摩擦力，增益介质的振动、冲击力或热蚀等原因而被去除。由于，本发明的换能装置的工作部与被加工工件的相对接触面可以是一种可变形的“软性”接触面，工作部的外面形具有自适应性，可以与被加工工件面型完全吻合，产生贴合工件加工表面的挤压相对运动，而产生对工件加工面的刮擦、磨削效果。所以，本发明基于以上机理和重复动作过程，可实现对工件复杂型面的表面材料精密高效微量去除加工，进而实现工件被加工型面的光整处理。至此，本发明所提出的一种型腔表面处理换能加工装置可以实现对工件形面的表面处理。

本发明通过在工作部和工件表面之间添加一个换能装置，通过多自由度平台驱动并激励和控制换能装置，可以使换能装置工作部探及和作用于工件形面，同时对于接触面形、压力、相对运动的剪切力，接触摩擦力，以及工件和换能装置工作部之间可能存在的研磨介质(磨粒)作用于工件表面的角度和频度都可以进行优化和实时控制。这样，可以实现腔形面，异形面等的高效加工。另外，如果对被加工形面质量或粗燥度进行实时检测传感，那么对面加工的质量还可以通过对换能装置的闭环控制而实现达到工件表面质量的自适应加工。该装置适于加工各种复杂型面处理，工件面型保持好，加工效率高。

本发明实现了既可以加工规则形面又可以加工非规则形面的工件面型加工装置。根据加工性能需要，可以方便采用多种换能装置，实现工件形面或型腔面的表面处理加工。

附图说明

图1为本发明基本组成结构示意图；

图2(a)、(b)、(c)实施例3结构示意图；

图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)为实施例3工作部的构形及励磁变形示意图；

图4为实施例4驱动器结构换能装置结构示意图；

图5为实施例5变幅结构体换能装置结构示意图；

图6为实施例6结构示意图；

图7为实施例1阵列型喷嘴结构形式示意图；

图8为实施例1结构示意图；

图9为实施例2结构示意图；

图中，1为供能系统，2为通道结构，3为增益介质，4为换能装置，5为工作部，6为工件运动平台，7为辅助装置，8为上电磁线圈，9为电机，10为下电磁线圈，11为加强电磁线圈，12为驱动器，13为变幅结构体，14为液压泵体系统，15为液体流通管道，16为开关阀体，17为喷嘴，18为液体回流回收装置，19为高压电源系统，20为电路结构，21为电路开关，22为正电极，23为负电极板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括：供能系统1，通道结构2、换能装置4、辅助装置7及工件运动平台6，通道结构2的内端与供能系统1相连接，其外端为两个自由端，并分别与换能装置4和辅助装置7相连接，工件运动平台设置6在换能装置4和辅助装置7之间；

换能装置4包括连接部和工作部5，其中，

-连接部，用于传递供能系统产生的能量，并作用于工作部5；

-工作部5，用于对被加工工件进行腔面处理。

如图8所示，在本实施例中，供能系统1为液压泵体系统14，通道结构2为液体流通管道15，换能装置4为开关阀体16，其连接部为喷嘴17，辅助装置7为液体回流回收装置18，其中：

-供能系统1，通过通道结构2向换能装置4提供压力液体；

-换能装置4，通过喷嘴17喷射液体，并形成压力液体工作部；

-辅助装置7，用于回收换能装置4喷出的液体。

如图7所示，喷嘴17为阵列型喷嘴；喷嘴17与待加工部位之间设有可调节距离。

具体为，供能系统1为液压泵体系统14，通道结构2为液体流通管道15，通道结构2的端面的换能装置4为开关阀体16，连接部为喷嘴17和辅助装置7为液体回流回收装置18，液体本身作为工作部5。同时，液体喷嘴17可以为阵列型喷嘴，每个喷嘴口相对加工腔形的表面距离可以根据工件腔形的几何形状调整。工作时，液压泵体系统14通过液体流通管道15向喷嘴17提供适当压力液体工作部，压力大小同时还通过开关阀体16的开口进行调节，这样液体工作部将有适当的喷刷力作用在工件表面材料上，当压力足够，该液体工作部将或连续冲击和剥蚀工件腔形表面而达到表面材料去除和光整加工目的。另外，阵列型喷嘴有利于同时加工大面积腔形表面。

实施例2

实施例2为实施例1的变化例。

如图9所示，在本实施例中，供能系统1为高压电源系统19，通道结构2为电路结构20，换能装置4为电路开关21，其连接部为正电极22，辅助装置7为负电极板23，其中：

-供能系统1，通过通道结构2向换能装置4提供高电压；

-辅助装置7，通过负电极板23与被加工工件导通；

-换能装置4，通过正电极22与被加工工件之间产生高压电场，并形成电离子或极化气体工作部。

电极为阵列型电极。

具体为，供能系统1为高压电源系统19，通道结构2为电路结构20，通道结构2的端面的换能装置4为电路开关21，连接部为正电极22和辅助装置7为负电极板23。电离子或极化气体作为工作部5。同时，电极22可以为阵列型电极，每个电极相对加工腔形的表面距离可以根据工件腔形的几何形状调整，如图9所示。工作时，高电压系统19通过电路结构20向电极22和23提供高电压，工件与负电极23导通，这样在工件和正电极22之间产生高压电场，当该电压足够时会在电极和工件之间产生高压放电，而烧蚀加工工件表面，而达到教工工件表面材料去除的目的。另外，阵列型电极22有利于同时加工大面积腔形表面。

实施例3

本实施例包括供能系统1，通道结构2、换能装置4、辅助装置7及工件运动平台6，通道结构2的内端与供能系统1相连接，其外端为两个自由端，并分别与换能装置4和辅助装置7相连接，工件运动平台6设置在换能装置4和辅助装置7之间；

换能装置4包括连接部和工作部5，其中，

-连接部，用于传递供能系统产生的能量，并作用于工作部5；

-工作部5，用于对被加工工件进行腔面处理。

如图1至3所示，在本实施例中，换能装置4为磁流变液体换能装置，还包括设置在与其相连接的通道结构外端的上电磁线圈8，嵌入安装在该通道结构外端中心处的驱动机构，连接部与该驱动机构固连，工作部5为软性可变形工作部，并与连接部相接触，其中，辅助装置7为下电磁线圈10，下电磁线圈10设置在被加工工件下方或工件运动平台6下方；通道结构2为由铁磁材料构成的轭铁磁通路。

优选地，上电磁圈和/或下电磁线圈都可以为微阵列结构，根据工件面型加工需要，可只组合联通对应部位的线圈产生磁场进行局部加工，提高工件加工的面型适应性。

驱动机构为电机9；连接部为转盘，转盘固连在电机9的输出转轴上。

软性可变形工作部为磁流变液体、孔隙网格状柔性体、由外套密封包裹的磁流变液囊体、由波纹管包裹的磁流变液变形体或磁流变液及磨料混合液体。

磁流变材料颗粒为铁磁材料颗粒、永磁材料颗粒中的一种或几种。

优选地，工件运动平台6与换能装置4之间设有增益介质3。

增益介质3为研磨颗粒或抛光材料。

工件运动平台6可以实现X、Y和Z三个方向平动以及α、β和θ三个方向的转动。

工作运动平台6可以为传送带，换能装置4为若干个，并设置在工件运动方向上。

工作时，首先调整工件运动平台上工件加工面法向与连接部的相对位置，如图1所示。之后，固定工件运动平台即工件在Z轴方向的位置。对上电磁线圈和下电磁线圈施加电流产生磁场，该磁场通过通道结构传递到连接部进而传递到与连接部相接触磁流变液体，或孔隙网格状柔性体，或由外套密封包裹的磁流变液囊体，或波纹管包裹的磁流变液变形体制成的工作部5上。基于磁流变液体受磁场激励后将会沿磁场励磁方向极化排列，并根据励磁场强度而变为流固耦合或固态，并沿Z轴方向伸长变形，而挤压贴合在被加工工件表面，对工件表面以及其上的由研磨颗粒或抛光材料制成的增益介质上施加挤压力。并且，该挤压力和施加可控频率的交变挤压力(产生振动激励)完全可以由电磁信号控制。由于平台可以人为再施加在X、Y方向的运动，如图2(b)所示，还可产生沿工件加工表面运动时的切向力，该力此时与工作部5在工件型面法向所产生的对工件表面的挤压力形成合力作用于工件表面。当该合力足够大时，工件表面材料将因接触摩擦力，增益介质的摩擦或振动冲击力或热蚀等原因而被剥除。

同时，所提出装置的磁流变液体换能装置的磁流变液体工作部5与被加工工件的相对接触面是可变形的贴合的面接触，其面形与被加工工件面型可吻合，如图3所示，这样，磁流变液体换能装置施加电磁交变激励，实现对腔形面的交变冲击和摩擦刮削，进而实现工件型面表面材料高效微量去除加工，被加工型面表面的得到光整处理。

另外，对于本实施例的磁流变液体换能装置，在通道结构外端可以嵌入安装电机，电机旋转带动连接部以及与连接部相接触的磁流变工作部5转动，如图2(c)所示，该转动也将产生一个作用于工件型腔表面的转切力，用于加速去除工件表面多余材料。

优选地，根据被加工工件腔形复杂程度，可以在工件周围增加一个以上加强电磁线圈11，如图2所示，以加强工作部5与复杂腔形表面的贴合和挤压程度，以增加加工效果。

另外，本加工方式的上电磁线圈、下电磁线圈和加强电磁圈都可以为微阵列型线圈，用于加工时提高加工磁场施加的场强和位置分辨率，利于提高工件腔形表面的光整加工效果。

优选地，在下端，也就是被加工工件与工件运动平台6之间还可以设有旋转电机或振动驱动装置，该旋转电机或振动驱动装置的一端与工件运动平台相连，其另一端与被加工工件相连。这样在工件运动平台运动的同时，被加工工件还可以随旋转电机转动或随振动驱动装置振动，从而增加被加工工件表面的加工效率。

至此，基于磁流变液体换能装置所提出型腔表面处理换能加工装置的实现了工件腔形面的光整加工。

实施例4

实施例4为实施例3的变化例。

如图4所示，在本实施例中，驱动机构为一个相对工件方向可产生伸缩往复运动的驱动器12，其工作过程和机理同实施例1，该伸缩往复运动的驱动器12可采用磁致伸缩驱动器、压电驱动器或电磁驱动器。该驱动器12的外端通过连接部再与磁流变工作部5相连。工作时，给上下电磁线圈8和下电磁线圈10通电，所产生交变电磁场H作用于工作部5，工作部5的形状根据被加工腔形，可为线性、六面体、球体或非规则异形体；其内部磁流变材料颗粒可以为铁磁材料颗粒、永磁材料颗粒中的一种或几种，当工作部为磁流变液囊体时，磨料混合液体可加可不加，此时工作部5将基于磁流变原理产生伸长或复原以及流、固态交替变化。此时，再驱动伸缩往复运动的驱动器12，如采用磁致伸缩驱动器，其将带动连接部进而带动磁流变工作部5产生一个与工作部5原有磁流变振动的叠加振动。基于加载信号控制，可以由伸缩往复运动的驱动器12对工作部5同时提供相对工件表面在进给方向的定位以及振动。

实施例5

实施例5为实施例4的变化例。

如图5所示，在本实施例中，连接部为变幅结构体13，变幅结构体13与驱动器12固连，并根据驱动器12的伸缩往复运动产生振幅，其工作过程和机理同实施例2，该变幅结构体13通过伸缩往复运动的驱动器12施加振动，变幅结构体13可以根据伸缩往复运动的驱动器12施加振动的频率变化而产生相应振幅，并作用于工作部5上。同时，由于上电磁线圈8和下电磁线圈10的电磁吸力作用，对于铁磁性材料或复合永磁性材料制成变幅结构体13的变形可由电磁吸力即施加在电磁线圈中的电流强度进行控制。这样，通过伸缩往复运动的驱动器12施加振动和上电磁线圈8和下电磁线圈10的电磁吸力共同作用于变幅结构体13，进而作用在工作部5，使工作部5高效加工腔形表面。

实施例6

实施例6为实施例3的变化例。

如图6所示，在本实施例中，工作部5为若干个，并通过换能装置和辅助装置产生的加工磁场以及对工件施加的交变力实现工件加工，其工作过程和机理同实施例1。对于多腔孔型工件，初始时将其浸没于工作部5中，或符合腔形的囊体工作部5穿过工件中的孔穴。然后对工作部5周围的电磁线圈施加交变电磁场，该交变电磁场将迫使工作部5与孔穴腔形内部往复作用而光整腔形面。在上述工作的同时，对于工件再施加一个交变力F(t)，使工件同时产生振动，加强加工效果。

Claims (8)

1.一种基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，包括供能系统，通道结构、换能装置、辅助装置及工件运动平台，所述通道结构的内端与供能系统相连接，其外端为两个自由端，并分别与换能装置和辅助装置相连接，所述工件运动平台设置在换能装置和辅助装置之间；

所述换能装置包括连接部和工作部，其中，

-连接部，用于传递供能系统产生的能量，并作用于工作部；

-工作部，用于对被加工工件进行腔面处理；

所述换能装置为磁流变液体换能装置，还包括设置在与其相连接的通道结构外端的上电磁线圈，嵌入安装在该通道结构外端中心处的驱动机构，所述连接部与该驱动机构固连，所述工作部为软性可变形工作部，并与连接部相接触，其中，所述辅助装置为下电磁线圈，所述下电磁线圈设置在被加工工件下方或工件运动平台下方；所述通道结构为由铁磁材料构成的轭铁磁通路；

所述工作部为若干个，并通过换能装置和辅助装置产生的加工磁场以及对工件施加的交变力实现工件加工；

工作部与被加工工件的相对接触面是可变形的贴合的面接触，其面形与被加工工件面型可吻合；磁流变液体换能装置施加电磁交变激励，实现对腔形面的交变冲击和摩擦刮削，进而实现工件型面表面材料高效微量去除加工，被加工型面表面的得到光整处理。

2.根据权利要求1所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，所述驱动机构为电机；所述连接部为转盘，所述转盘固连在电机的输出转轴上。

3.根据权利要求1所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，所述驱动机构为磁致伸缩驱动器、压电驱动器或电磁驱动器；所述连接部为变幅结构体，所述变幅结构体与驱动器固连，并根据驱动器的伸缩往复运动产生振幅。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，所述工作部为磁流变液体、孔隙网格状柔性体、由外套密封包裹的磁流变液囊体、由波纹管包裹的磁流变液变形体或磁流变液及磨料混合液体；磁流变材料颗粒为铁磁材料颗粒、永磁材料颗粒中的一种或几种。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，所述工件运动平台与换能装置之间设有增益介质；所述增益介质为研磨颗粒或抛光材料。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，还包括若干个加强电磁线圈，所述加强电磁线圈设置在被加工工件周围。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，所述被加工工件与工件运动平台之间还设有旋转电机或振动驱动装置，所述旋转电机或振动驱动装置的一端与工件运动平台相连，其另一端与被加工工件相连。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的基于换能装置的型腔表面处理加工装置，其特征在于，所述上电磁线圈和/或下电磁线圈为微阵列结构电磁线圈。