CN104191054A - 基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，属于机械制造技术领域。旋转工作台固定在三维工作台的XY平面上，导电砂带自适应磨抛工具系统安装在三维工作台的Z方向上，电解脉冲电源的正极接线与导电砂带自适应磨抛工具系统的正极接线张紧轮的轴承衬套连接，负极接线与阴极调距装置的阴极金属片连接，电解液泵站与喷头连接。本发明将电解技术和磨削技术结合起来，利用电解技术对导电砂带进行电解处理，使导电砂带能进行自动修形，避免了普通砂带磨削工程中砂带堵塞的问题，提高了加工效率并保证了加工质量。

Description

基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种基于自动电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床。

背景技术

复杂曲面的应用领域越来越广泛，并且对复杂曲面的加工精度、表面质量要求越来越高。目前对复杂曲面磨削、抛光使用的柔性抛光工具是砂带，而砂带在磨削过程中不可避免的会有切屑存留在磨粒间隙中，切屑造成的堵塞会对工件外观、加工精度造成影响，达不到预期要求。

CN201833252U公开了一种“复杂曲面自适应磨抛加工机床”，其主要介绍了一种复杂曲面自适应磨抛工具头，将复杂曲面进行四边区域划分，根据复杂曲面的形状由调形系统对工具头单元体进行相应调形，改变砂带形状，使砂带形状符合复杂曲面四边区域，进行磨抛。

大连市科技计划资助项目(2003A1GX061)，大连理工大学硕士学位论文“滚子轴承滚道凸度电化学砂带磨削加工技术研究”和“电化学砂带磨削加工质量控制”、重庆大学黄云等人“不锈钢材料电解砂带复合磨削新工艺的试验”，均提到了电解砂带磨削，将电解技术和砂带磨削技术结合了起来。主要分为两种方法，一是工件接电源正极，导电接触轮接负极，所用砂带进行特殊开孔处理，开孔砂带厚度使工件和接触轮构成电解间隙，并和工件保持一定压力。当电解液进入间隙时，工件阳极表面金属发生电化学反应，即阳极溶解，并在阳极表面形成氧化膜，砂带磨削的作用就是去除氧化膜，使工件重新活化，进一步电解，达到磨削效果；二是磨头与阴极分离，设置专门的阴极，其中砂带不用开孔，电解加工间隙易于调整，原理则和第一种方法相同。

现有电解砂带磨削所用砂带基材主要有纸、布及无纺布等，基材弹性较差；所用结合剂主要有环氧树脂、酚醛树脂等，合成树脂结合剂不具备导电特性；所用砂带磨料有锆刚玉、碳化硅、金刚石等，将磨料植入基材和底胶树脂中，做成单层结构。现有电解砂带磨削是工件为阳极，电解过程中工件发生阳极溶解，砂带的作用仅仅是磨削去除工件表面生成的氧化膜，从而达到磨削加工的效果，在磨削过程中部分切屑会存留于磨粒间隙中，会降低磨削效率和表面质量。

发明内容

本发明提供一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，目的是将复杂曲面自适应磨抛技术与电解技术结合起来，通过电解砂带，防止磨削过程中砂带的堵塞，保证磨粒暴露均匀、锐利，持续高效率磨削，减少工具磨损，以保证加工效率和加工质量。

本发明采取的技术方案是：旋转工作台固定在三维工作台的XY平面上，导电砂带自适应磨抛工具系统安装在三维工作台的Z方向上，电解脉冲电源的正极接线与导电砂带自适应磨抛工具系统的正极接线张紧轮的轴承衬套连接，负极接线与阴极调距装置的阴极金属片连接，电解液泵站与喷头连接；

所述导电砂带自适应磨抛工具系统包括弹性导电砂带、工具板、驱动电机、驱动轮、左张紧轮、工具头、正极接线张紧轮、下张紧轮、上张紧轮、喷头、阴极调距装置、漏斗箱；其中正极接线张紧轮、下张紧轮、上张紧轮分别安装在固结于工具板上的张紧轮轴上，且滚动配合；驱动轮与工具板连接的驱动轮轴前端固定连接，驱动电机与驱动轮轴的后端固定连接；工具头的单元控制器通过轮轴与工具板固定连接；弹性导电砂带内侧由驱动轮、正极接线张紧轮、下张紧轮、上张紧轮、工具头支撑；带喷头架的喷头与工具板固定连接，喷头上端与进液管连接、下端处于导电砂带与阴极调距装置前端的阴极金属片之间；阴极调距装置与工具板固定连接，且阴极金属片与弹性导电砂带平行；漏斗箱与工具板固定连接，漏斗箱包容着下张紧轮、喷头下端、阴极调距装置前端和部分弹性导电砂带，漏斗箱下端经出液管与电解液回收槽连接。

所述正极接线张紧轮由滚珠轴承和轴承衬套组成，轴承衬套在张紧轮轴和滚动轴承内圈之间，其中电解脉冲电源的正极接线接在轴承衬套上，轴承衬套与滚珠轴承均导电。

所述阴极调距装置由支撑板、调整块、调节角度旋钮、调节距离旋钮、传动杆和阴极金属片组成，其中支撑板与工具板固定连接，调整块和调节角度旋钮固定在支撑板上；传动杆嵌在调整块的小孔中与调节距离旋钮啮合传动，传动杆与调整块间隙配合，与调节距离旋钮啮合。

本发明提出的上述电解砂带修形磨抛与现有电解砂带磨削的不同之处体现在以下两个方面：

第一，磨削的作用方式和作用过程不同：现有电解砂带磨削是工件为阳极，电解过程中工件发生阳极溶解，砂带的作用仅仅是磨削去除工件表面生成的氧化膜，从而达到磨削加工的效果，在磨削过程中部分切屑会存留于磨粒间隙中，会降低磨削效率和表面质量；本发明提出的电解修形砂带磨抛在工件去除过程中存在两个串行的作用过程，第一个是工件表面被砂带磨抛去除的过程，在此过程中工件表面及砂带表面脱落的微观磨屑会附着并堵塞在砂带表面上，使砂带微磨抛刀刃被包裹起来，磨抛效率降低。接下来一个是砂带被电解的过程，在此过程弹性导电砂带作为阳极，设置专门阴极，弹性导电砂带表层被电解，砂带表层的导电聚合物结合剂、磨抛刃微粒、附着并堵塞在砂带表面上的微观磨屑等均被电解或电解液冲刷而脱离砂带表面，砂带新磨抛层均匀整齐的暴露出来、保证磨抛工具锐利且具有较高表面面形精度，从而提高磨抛去除效率和加工表面质量。

第二，两者所采用的砂带在组成、结构、特性和制作方式等方面不同：现有电解砂带磨削所用砂带基材主要有纸、布及无纺布等，基材弹性较差；所用结合剂主要有环氧树脂、酚醛树脂等，合成树脂结合剂不具备导电特性；所用砂带磨料有锆刚玉、碳化硅、金刚石等，将磨料植入基材和底胶树脂中，做成单层结构。本发明提出的电解砂带修形磨抛所用的砂带基材为无纺布，无纺布经过弹性体乳液预浸，形成弹性橡胶层，实现砂带高弹性的特点；所用结合剂是导电聚合物结合剂，导电聚合物结合剂中含有可解离性离子基团，使导电聚合物结合剂能够被电解，实现砂带可导电、电解过程中砂带自动修形的特点；所用磨料为金刚砂，在制作导电聚合物结合剂的过程中将磨料均匀混合在结合剂中，结合剂多次涂附做成多层结构，实现砂带厚涂覆层的特点。

本发明的优点在于：

1.本发明突破了传统上使用单层涂附磨粒砂带的模式，提出使用高弹性厚涂覆层导电砂带和电解技术相结合的磨削方法。在电解过程中，弹性导电砂带的导电聚合物结合剂被电解，能将成形过程中堵塞砂带的切屑电解消除，防止导电砂带堵塞，保证磨粒暴露均匀锐利，持续高效率磨削，减少工具磨损，保证加工效率和表面质量。

2.机床中参与导电的装置包括正极张紧轮、阴极调距装置、弹性导电砂带和喷头。位置分布如图1所示，电解脉冲电源的正极与正极张紧轮的轴承衬套连接，负极与阴极调距装置的阴极金属片连接，喷头喷出的电解液充斥电极间隙，联通电极。

3.正极接线张紧轮的优点在于方便电源接线，避免电源直接和弹性导电砂带连接不方便布置、安装的难题。

4.阴极调距装置的优点在于可以调节阴极金属片和弹性导电砂带的电解间隙，控制电解强度，达到理想的电解效果和磨抛效果。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明正极接线张紧轮结构示意图；

图3是本发明阴极调距装置结构示意图；

图4是本发明阴极调距装置的A-A剖视图；

图5为弹性导电砂带示意图；

其中：三维工作台 1、旋转工作台 2、工具头 3、左张紧轮 4、驱动轮 5、工具板6、驱动电机 7、弹性导电砂带 8、上张紧轮 9、喷头 10、阴极调距装置 11、电解液回收槽 12、电解液泵站 13、电解脉冲电源 14、下张紧轮 15、漏斗箱 16、正极接线张紧轮 17、基材 801、导电聚合物结合剂 802、磨料 803、底胶树脂 804.弹性体乳液805、支撑板 1101、调节角度旋钮 1102、调整块 1103、调节距离旋钮 1104、传动杆1105、阴极金属片 1106、电源正极接线 1401、电源负极接线 1402、滚珠轴承 1701、轴承衬套 1702。

具体实施方法

旋转工作台2固定在三维工作台1的XY平面上，随着工作台在XY平面内带动工件做二维运动，导电砂带自适应磨抛工具系统安装在三维工作台1的Z方向上，在Z方向做进给运动，电解脉冲电源14的正极接线1401与导电砂带自适应磨抛工具系统的正极接线张紧轮17的轴承衬套1702连接，负极接线1402与阴极调距装置11的阴极金属片1106连接，电解液泵站13与喷头10连接；电解液泵站13将电解液送至喷头10，电解液联通弹性导电砂带8和阴极金属片1106，使整个工具系统联通导电，达到电解弹性导电砂带8的目的；

所述导电砂带自适应磨抛工具系统包括弹性导电砂带8、工具板6、驱动电机7、驱动轮5、左张紧轮4、工具头3、正极接线张紧轮17、下张紧轮15、上张紧轮9、喷头10、阴极调距装置11、漏斗箱16、进液管和出液管；其中正极接线张紧轮17、下张紧轮15、上张紧轮9分别安装在固结于工具板6上的张紧轮轴上，且滚动配合；驱动轮5与工具板6连接的驱动轮轴前端固定连接，驱动电机7与驱动轮轴的后端固定连接；工具头3的单元控制器通过轮轴与工具板6固定连接；弹性导电砂带8内侧由驱动轮5、正极接线张紧轮17、下张紧轮15、上张紧轮9、工具头3支撑；带喷头架的喷头10与工具板6固定连接，喷头10上端与进液管连接、下端处于导电砂带8与阴极调距装置11前端的阴极金属片1106之间；阴极调距装置11与工具板6固定连接，且阴极金属片1106与弹性导电砂带8平行；漏斗箱16与工具板6固定连接，漏斗箱16包容着下张紧轮15、喷头10下端、阴极调距装置11前端和部分弹性导电砂带8，漏斗箱16下端经出液管与电解液回收槽12连接。

所述正极接线张紧轮17由滚珠轴承1701和轴承衬套1702组成，轴承衬套1702在张紧轮轴和滚动轴承1701内圈之间，其中电解脉冲电源14的正极接线1401接在轴承衬套1702上，轴承衬套1702与滚珠轴承1701均可导电。电解脉冲电源14接通后，电流通过轴承衬套1702和滚珠轴承1701流过弹性导电砂带8，使弹性导电砂带8的导电聚合物结合剂802被电解，实现弹性导电砂带8的自动修锐。

所述阴极调距装置11由支撑板1101、调整块1103、调节角度旋钮1102、调节距离旋钮1104、传动杆1105和阴极金属片1106组成，其中支撑板1101与工具板6固定连接，调整块1103和调节角度旋钮1102固定在支撑板6上；传动杆1105嵌在调整块1103的小孔中与调节距离旋钮1104啮合传动，调节调节角度旋钮1102可以使调整块1103实现小角度旋转，从而调节阴极金属片1106的角度，使阴极金属片1106和弹性导电砂带8处于平行状态，这样方便测量、计算弹性导电砂带8和阴极金属片1106的距离；传动杆1105与调整块1103间隙配合，与调节距离旋钮1104啮合，调节调节距离旋钮1104，可以使得传动杆1105沿调整块1103上的小孔轴向运动，从而调节阴极金属片1106和弹性导电砂带8的距离，以此来调节、控制电解强度。

下面举例说明一下本发明所述弹性导电砂带8的制造方法，步骤如下：

1.对无纺布预浸弹性体乳液，形成缓冲层；

2.在处理后的无纺布正面涂附底胶树脂；

3.在底胶树脂上多次涂附添加了一定量金刚砂的导电聚合物结合剂。

待干燥后收卷，在经过后固化、加湿、揉曲、分卷剪裁即可得到厚涂覆层弹性导电砂带。

上述制造方法中，所用的无纺布为以下材料的一种或几种：聚乙烯、丙纶、涤纶、尼龙聚碳酸酯高分子纤维及粘胶纤维。

上述制造方法中，所用的弹性体乳液为以下材料的一种或几种：液体丁腈橡胶、丙烯酸酯类乳液、白乳胶、聚醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯乳液、聚乙烯醇缩甲醛乳液。

上述制造方法中，磨料为金刚砂。砂带用于研磨、抛光，金刚砂选用粒度为W40--W1。

上述制造方法中，所用的底胶树脂为以下材料的一种或几种：脲醛及其改性树脂、酚醛及其改性树脂、环氧及其改性树脂。

上述制造方法中，所用的导电聚合物结合剂为以下材料的一种：PEO基聚合物电解质、PVDF基复合型聚合物电解质、PVA基聚合物电解质。

下面以PEO基聚合物电解质为例介绍本发明中所用导电聚合物电解质的制备过程和电解机理。

本发明中PEO基聚合物电解质制备所用的材料包括：

PEO和LiClO₄使用前分别在50℃和120℃下真空干燥24h。将PEO和LiClO₄按摩尔比[PEO]:[Li]＝8:1的比例溶于乙腈中，充分搅拌混合均匀后加入5％的丁二腈，再添加一定量SiC(SiC的质量按照PEO和LiClO₄总质量中所占得百分比)。搅拌得到均一溶液，将电解质溶液倒入不锈钢磨具中，使溶剂完全挥发便可得到含一定量金刚砂的聚合物结合剂。

本发明中PEO基聚合物电解质为正极，当含有Li⁺的电解液喷洒到弹性导电砂带8上时，PEO基聚合物电解质被电解，其反应方程式为：

-[CH₂-CH₂-O]_n-+2nLi⁺→n Li-CH₂-CH₂-O-Li

电解过程中，表层的导电聚合物电解质分解后与锂离子结合生成Li-CH₂-CH₂-O-Li，内部的金刚砂则暴露出来，始终保持磨粒的锐利性；并且表层导电聚合物结合剂被电解后，存留在磨粒间隙的切屑同时被电解液带走，避免了弹性导电砂带的堵塞，保证加工质量。

根据电化学理论，电解过程依靠充满极间间隙的电解液中的阴阳离子来实现电荷传递，这种离子导体也遵循一般电子导体的规律，即存在：

R＝Δ/σA

在根据欧姆定律得：

$I=\frac{U}{R}=\frac{\mathrm{\σAU}}{\mathrm{\Δ}}$

式中R为离子导体的电阻，A表示弹性导电砂带8与阴极金属片1106的相对面积，Δ表示弹性导电砂带8与阴极金属片之间1106的距离，I表示电解电流，U表示电解电压。

因此，物理条件就是通过影响电流密度来影响电解修整过程。所以在电解过程中，根据电解实际情况，调节弹性导电砂带8和阴极金属片1106的距离，可以控制电解电流的大小强度，达到最佳的电解效果，保证加工效率和加工质量。

Claims (5)

1.一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，其特征在于：旋转工作台固定在三维工作台的XY平面上，导电砂带自适应磨抛工具系统安装在三维工作台的Z方向上，电解脉冲电源的正极接线与导电砂带自适应磨抛工具系统的正极接线张紧轮的轴承衬套连接，负极接线与阴极调距装置的阴极金属片连接，电解液泵站与喷头连接。

2.根据权利要求1所述一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，其特征在于：所述导电砂带自适应磨抛工具系统包括弹性导电砂带、工具板、驱动电机、驱动轮、左张紧轮、工具头、正极接线张紧轮、下张紧轮、上张紧轮、喷头、阴极调距装置、漏斗箱；其中正极接线张紧轮、下张紧轮、上张紧轮分别安装在固结于工具板上的张紧轮轴上，且滚动配合；驱动轮与工具板连接的驱动轮轴前端固定连接，驱动电机与驱动轮轴的后端固定连接；工具头的单元控制器通过轮轴与工具板固定连接；弹性导电砂带内侧由驱动轮、正极接线张紧轮、下张紧轮、上张紧轮、工具头支撑；带喷头架的喷头与工具板固定连接，喷头上端与进液管连接、下端处于导电砂带与阴极调距装置前端的阴极金属片之间；阴极调距装置与工具板固定连接，且阴极金属片与弹性导电砂带平行；漏斗箱与工具板固定连接，漏斗箱包容着下张紧轮、喷头下端、阴极调距装置前端和部分弹性导电砂带，漏斗箱下端经出液管与电解液回收槽连接。

3.根据权利要求1或2所述一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，其特征在于：所述正极接线张紧轮由滚珠轴承和轴承衬套组成，轴承衬套在张紧轮轴和滚动轴承内圈之间，其中电解脉冲电源的正极接线接在轴承衬套上，轴承衬套与滚珠轴承均导电。

4.根据权利要求1或2所述一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，其特征在于：所述阴极调距装置由支撑板、调整块、调节角度旋钮、调节距离旋钮、传动杆和阴极金属片组成，其中支撑板与工具板固定连接，调整块和调节角度旋钮固定在支撑板上；传动杆嵌在调整块的小孔中与调节距离旋钮啮合传动，传动杆与调整块间隙配合，与调节距离旋钮啮合。

5.根据权利要求3所述一种基于电解修形弹性导电砂带的复杂曲面自适应磨抛机床，其特征在于：所述阴极调距装置由支撑板、调整块、调节角度旋钮、调节距离旋钮、传动杆和阴极金属片组成，其中支撑板与工具板固定连接，调整块和调节角度旋钮固定在支撑板上；传动杆嵌在调整块的小孔中与调节距离旋钮啮合传动，传动杆与调整块间隙配合，与调节距离旋钮啮合。