CN104191320B - 一种超声控制的剪切增稠抛光方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种超声控制的剪切增稠抛光方法，包括以下步骤：1)、向抛光池中加入混有磨粒的具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液，并将工件固定在夹具上，夹具位于抛光池的上方；2)、启动抛光液循环系统，使非牛顿流体抛光液循环地从抛光池底部抽出并从抛光池上部输入；3)、启动超声波发生装置，同时设定振动频率和振幅，使抛光池内的非牛顿流体抛光液迅速发生振动，使抛光液发生强烈的剪切增稠的现象；4)调节夹具，使工件相对运动，具有抛光作用的磨粒对工件产生微切削作用或化学机械作用实现对工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。以及一种超声控制的剪切增稠抛光装置。本发明抛光效率较高、成本较低。

Description

一种超声控制的剪切增稠抛光方法及其装置

技术领域

本发明属于精密超精密加工技术，尤其是一种剪切增稠抛光方法及其装置。

背景技术

复杂曲面已经成为航空航天、天文、汽车零部件、模具和生物医用植入等领域众多零件的重要工作面。非球面光学零件能够很好地矫正多种像差，提高仪器鉴别能力，简化仪器结构；复杂曲面反射镜可有效减少反射次数和功率损失，提高精度以及稳定性；复杂曲面的发动机缸提高了其工作效能。同时，随着产品外形设计日趋复杂、高精度、微细化，生物医用植入物、模具、汽车零部件越来越多的应用了复杂曲面外形。据统计，有30％左右的模具型腔采用了复杂的自由曲面。

随着复杂曲面的广泛应用，不但对其精度、可靠性的要求日益提高，还要求具备高效、成批生产的能力。抛光作为复杂曲面超精密加工的最重要的工序，主要作用就是去除前期加工工序产生的表面破坏层，修正面型误差，减小工件表面粗糙度。基于非牛顿流体剪切增稠效应的抛光技术是国内近年来出现的复杂曲面加工新技术，2012年浙江工业大学超精密加工中心吕冰海等人最早提出了基于非牛顿流体剪切增稠机理的抛光方法。该方法在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；抛光过程中，工件与所述的抛光液之间做相对运动，所述抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，接触区域的抛光液的粘度增大，增强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。该方法基本解决了传统曲面加工技术存在的加工设备复杂、成本高、加工效率低、加工一致性差、难以满足各种曲面尤其是复杂异形曲面的高效高质量加工要求等问题。

但是由于工件与、抛光液在相对运动中发生强烈剪切增稠的区域范围较小，剪切增稠效果仅靠工件与抛光液之间的相对运动实现，进而有效抛光区域也较小，抛光效率有很大的提升空间。因此，对于各种曲面尤其是复杂异形曲面的高效加工而言，迫切需要一种能在工件与抛光液接触的大部分区域产生强烈的剪切增稠现象，从而进行高效抛光，并且又具备低成本及环保的剪切增稠抛光方法。

发明内容

为了克服已有剪切增稠抛光技术的抛光效率较低、成本较高的不足，本发明提供一种抛光效率较高、成本较低的超声控制的剪切增稠抛光方法及其装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声控制的剪切增稠抛光方法，包括以下步骤：

1)、向抛光池中加入混有磨粒的具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液，并将工件固定在夹具上，所述夹具位于抛光池的上方；

2)、启动抛光液循环系统，使所述的非牛顿流体抛光液循环地从抛光池底部抽出并从抛光池上部输入；

超声波发生装置位于抛光池的底部，且所述超声波发生装置的超声发送方向与所述工件正对；所述抛光方法还包括以下步骤：

3)、启动超声波发生装置，同时设定振动频率和振幅，使抛光池内所述的非牛顿流体抛光液迅速发生振动，使抛光液发生强烈的剪切增稠的现象；

4)调节夹具，使工件相对运动，具有抛光作用的磨粒对工件产生微切削作用或化学机械作用实现对工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。

进一步，所述步骤4)中，所述夹具可以上下左右移动或转动，所述的夹具与用于驱动夹具上下左右移动及转动的驱动机构连接。

再进一步，所述步骤2)中，抛光液循环系统中，过滤出抛光液中的大颗粒磨屑，添加或取出抛光液。

一种超声控制的剪切增稠抛光装置，包括抛光池、抛光液循环系统和用于固定工件的夹具，所述夹具位于所述抛光池的上方，所述抛光液循环系统的循环出口与所述抛光池的上部入口连通，所述抛光液循环系统的循环进口与所述抛光池的底部出口连通，所述抛光装置还包括用以使抛光池内所述的非牛顿流体抛光液迅速发生振动的超声波发生装置，超声波发生装置位于抛光池的底部，且所述超声波发生装置的超声发送方向与所述工件正对。

进一步，所述超声波发生装置与用以控制超声波发生器的振动频率和振幅的控制器连接。

再进一步，所述抛光液循环系统中，上循环管路的上端与抛光池的左上端的上部入口连接，上循环管路的下端与泵的输出连接；中循环管路的上段与泵的输入连接，中循环管路的下端与抛光液过滤装置左端的连接；下循环管路的上段与抛光池的右下端的底部出口连接，下循环管路的下端与抛光液过滤装置的右端连接。

所述抛光液过滤装置包括过滤大颗粒磨削的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。

所述的夹具与用于驱动夹具上下左右移动及转动的驱动机构连接。

本发明的技术构思为：在超声波的作用下，抛光池中的非牛顿流体抛光液发生振动，从而产生强烈的剪切增稠现象，形成柔性的“固着磨具”，使工件与“固着磨具”产生相对运动，进而基于非牛顿流体剪切增稠抛光机理实现对工件表面材料的去除，大大提高了抛光效率；抛光液循环装置的设置可以使工作中发热、增稠的抛光液尽快恢复常温流体状态，并通过泵的作用，使其重新输入到抛光池进行循环抛光使用，从而可以实现对复杂曲面持续高效高质量抛光。

本发明的有益效果主要表现在：1.对工件的加工效率、加工精度相比于未加超声波的剪切增稠抛光有了很大提高。2.可以通过调节超声波的振幅与频率对非牛顿流体的剪切增稠效果进行有效控制，进而实现抛光的可控性。3.由于非牛顿流体具有流动性，从而可以实现对各种类型曲面的抛光，加工范围广。4.超声波装置成本低，易于实现，且抛光装置整体结构简单。

附图说明

图1是超声控制的剪切增稠抛光装置的示意图。

图2是利用本发明方法对球面工件进行抛光的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种超声控制的剪切增稠抛光方法，包括以下步骤：

1)、向抛光池3中加入混有磨粒的具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液，并将工件4固定在夹具5上，所述夹具5位于抛光池3的上方；

2)、启动抛光液循环系统，使所述的非牛顿流体抛光液循环地从抛光池底部抽出并从抛光池上部输入；

超声波发生装置2位于抛光池3的底部，且所述超声波发生装置2的超声发送方向与所述工件4正对；所述抛光方法还包括以下步骤：

3)、启动超声波发生装置2，同时设定振动频率和振幅，使抛光池3内所述的非牛顿流体抛光液迅速发生振动，使抛光液发生强烈的剪切增稠的现象；

4)调节夹具5，使工件4相对运动，具有抛光作用的磨粒对工件产生微切削作用或化学机械作用实现对工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。

进一步，所述步骤4)中，所述夹具5可以上下左右移动或转动，所述的夹具与用于驱动夹具上下左右移动及转动的驱动机构连接。

再进一步，所述步骤2)中，抛光液循环系统中，过滤出抛光液中的大颗粒磨屑，添加或取出抛光液。

所述的超声控制的剪切增稠抛光方法中，所述的抛光液循环系统可以保持抛光池中的非牛顿流体抛光液的温度与粘度。

一种超声控制的剪切增稠抛光装置，包括抛光池3、抛光液循环系统和用于固定工件4的夹具5，所述夹具5位于所述抛光池3的上方，所述抛光液循环系统的循环出口与所述抛光池3的上部入口连通，所述抛光液循环系统的循环进口与所述抛光池3的底部出口连通，所述抛光装置还包括用以使抛光池内所述的非牛顿流体抛光液迅速发生振动的超声波发生装置2，超声波发生装置2位于抛光池3的底部，且所述超声波发生装置的超声发送方向与所述工件正对。

进一步，所述超声波发生装置2与用以控制超声波发生器的振动频率和振幅的控制器1连接。

再进一步，所述抛光液循环系统中，上循环管路7的上端与抛光池的左上端的上部入口连接，上循环管路7的下端与泵的输出连接；循环系统的中循环管路9的上段与泵的输入连接，中循环管路9的下端与抛光液过滤装置10左端的连接；循环系统的下循环管路11的上段与抛光池的右下端的底部出口连接，下循环管路11的下端与抛光液过滤装置10的右端连接。

所述抛光液过滤装置10包括过滤大颗粒磨削的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。

所述的夹具5与用于驱动夹具上下左右移动及转动的驱动机构连接。

所述的夹具5安装在抛光池3的上方，并可以固定各种形状的工件，包括球、圆柱滚子、平面以及其他形状不规则的工件。

启动超声发生装置后，抛光液发生强烈的剪切增稠的现象，形成柔性“固着磨具”，所述柔性“固着磨具”可以增强对抛光液中磨粒的把持力，并且可以很好的吻合各种复杂曲面。

参照图2，一多羟基醛高聚体为分散相，以水为溶剂制备了具有剪切增稠效应的非牛顿流体，随后向其中加入1000#的Al2O3磨粒并搅拌均匀制备出非牛顿流体抛光液11。抛光对象为轴承钢曲面工件13(曲率半径30mm)，对其顶部的曲面进行抛光。非牛顿流体抛光液11在超声波17的作用下发生振动，进而产生强烈的剪切增稠现象，抛光液中分散的胶态粒子15聚合成大量粒子簇16，并将磨粒14包裹在其中。受超声波作用的抛光液12的粘度急剧增大，瞬间呈现固体特性，增强了对磨粒14的把持力，从而形成了一个柔性的“固着磨具”。随着工件与“固着磨具”发生相对运动，通过磨粒14的微切削作用实现工件材料的高效、柔性去除。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种超声控制的剪切增稠抛光方法，包括以下步骤：

1）、向抛光池中加入混有磨粒的具有剪切增稠效应的非牛顿流体抛光液，并将工件固定在夹具上，所述夹具位于抛光池的上方；

2）、启动抛光液循环系统，使所述的非牛顿流体抛光液循环地从抛光池底部抽出并从抛光池上部输入；

其特征在于：超声波发生装置位于抛光池的底部，且所述超声波发生装置的超声发送方向与所述工件正对；所述抛光方法还包括以下步骤：

3）、启动超声波发生装置，同时设定振动频率和振幅，使抛光池内所述的非牛顿流体抛光液迅速发生振动，使抛光液发生强烈的剪切增稠的现象；

4）调节夹具，使工件相对运动，具有抛光作用的磨粒对工件产生微切削作用或化学机械作用实现对工件表面材料的去除，从而实现对工件表面的抛光。

2.如权利要求1所述的一种超声控制的剪切增稠抛光方法，其特征在于：所述步骤4）中，所述夹具可以上下左右移动或转动，所述的夹具与用于驱动夹具上下左右移动及转动的驱动机构连接。

3.如权利要求1或2所述的一种超声控制的剪切增稠抛光方法，其特征在于：所述步骤2）中，抛光液循环系统中，过滤出非牛顿流体抛光液中的大颗粒磨屑，添加或取出非牛顿流体抛光液。

4.一种用于实现如权利要求1所述的超声控制的剪切增稠抛光方法的装置，包括抛光池、抛光液循环系统和用于固定工件的夹具，所述夹具位于所述抛光池的上方，所述抛光液循环系统的循环出口与所述抛光池的上部入口连通，所述抛光液循环系统的循环进口与所述抛光池的底部出口连通，其特征在于：所述装置还包括用以使抛光池内所述的非牛顿流体抛光液迅速发生振动的超声波发生装置，超声波发生装置位于抛光池的底部，且所述超声波发生装置的超声发送方向与所述工件正对。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述超声波发生装置与用以控制超声波发生器的振动频率和振幅的控制器连接。

6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述抛光液循环系统中，上循环管路的上端与抛光池的左上端的上部入口连接，上循环管路的下端与泵的输出连接；中循环管路的上段与泵的输入连接，中循环管路的下端与抛光液过滤装置左端的连接；下循环管路的上段与抛光池的右下端的底部出口连接，下循环管路的下端与抛光液过滤装置的右端连接。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述抛光液过滤装置包括过滤大颗粒磨削的滤网和添加或取出非牛顿流体抛光液的进出料口。

8.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述的夹具与用于驱动夹具上下左右移动及转动的驱动机构连接。