CN104191340B - 非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置 - Google Patents

Abstract

一种基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，包括抛光工具、抛光工具夹具、工件夹具和抛光池，所述抛光工具位于抛光池内，所述抛光池内放置抛光液，所述工件夹具上的工件位于抛光池内且与所述抛光工具之间存在间隙，所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具夹具的导电件与抛光工具驱动机构连接，所述工件夹具的导电件与电源阳极连接，所述抛光工具夹具与电源阴极连接，所述抛光液为在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉、电解液成分的抛光液。本发明适用范围广、效率高、质量高、成本低、装置结构与控制简单。

Description

非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其是一种针对平面、柱面、非球面、异形面等各种曲面的高效、高质量的超精密抛光装置。

背景技术

抛光作为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。曲面零件广泛应用于天文、航天航空、航海、汽车零部件、模具等领域。如在天文观测领域使用非球面光学零件能够提高观测设备的鉴别能力、简化设备结构；大量的模具型腔及汽车零部件采用复杂的自由曲面。复杂曲面的加工质量对设备性能有重要影响，如光学系统中的反射镜，其面型误差会给系统成像带来各种像差，而其表面粗糙度则会使光线发生大角度散射，降低镜面反射率及系统分辨率；美国太阳动力学观测站中AIA望远镜，其反射镜经超精密加工后表面粗糙度达到0.44nm，可使仪器分辨率在13.1～30.4nm波段仅产生约0.42″的误差；航空发动机的压气机转子叶片在经过精加工其面型误差由60μm降至12μm、表面粗糙度由0.5μm降至0.2μm后，则发动机的压缩效率将由87％提高至94％。

目前开发的曲面工件精密加工或抛光技术主要包括计算机控制表面成型、磁场辅助抛光、磨粒流抛光以及气囊抛光等。计算机控制表面成型属于传统的接触式抛光技术，一般是通过较小的抛光工具来适应工件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求，但抛光工具曲率与被加工曲面曲率吻合差，影响了加工精度。磁场辅助抛光方法是利用磁场控制磁性磨粒或磁流变抛光液对工件表面进行抛光，是一类高效、柔性的抛光方法，能够获得很好的加工效果，但较为复杂的磁场辅助设备和较高的加工介质使用成本制约了这类抛光方法的应用。磨粒流抛光是通过载有磨料的黏弹体在压力下反复通过工件表面实现抛光加工，其需要复杂的磨粒流推动系统，工件抛光效率较低，表面质量对磨粒尺寸差异敏感。气囊抛光是使用一个气压可控的充气气囊作为抛光工具进行抛光加工，由于加工工具尺寸的限制仅可加工中-大口径曲面，并对工件边缘抛光质量控制较差。

电解抛光利用金属表面微观凸点在特定电解液中和适当电流密度下，发生阳极溶解的原理进行抛光，可以保证良好的加工精度和表面质量，获得较高的加工效率，成本较低，适用于金属工件。然而，电解抛光存在以下不足：对表面有序化组织敏感性较大；较难保持零件尺寸和几何形状的精确度；；抛光后工件表面易存有斑点。

专利(CN201210192915.8)公开了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法。基于非牛顿流体剪切增稠效应的抛光方法，主要是利用抛光液与工件接触部分受剪切而增稠，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。

发明内容

针对目前的超精密抛光过程中抛光效果差、成本高的问题，本发明提出了一种适用范围广、效率高、质量高、成本低、装置结构与控制简单的一种非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，包括抛光工具、抛光工具夹具、工件夹具和抛光池，所述抛光工具位于抛光池内，所述抛光池内放置抛光液，所述工件夹具上的工件位于抛光池内且与所述抛光工具之间存在间隙，所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具夹具与抛光工具驱动机构连接，所述工件夹具的导电件与电源阳极连接，所述抛光工具夹具的导电件与电源阴极连接，所述抛光液为在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉、电解液成分的抛光液。

进一步，所述装置还包括循环系统，循环系统与所述抛光池连接，抛光液在经循环系统中抛光池的底部抽出并从抛光池上部输入。

再进一步，所述的工件夹具上安装有阳极电极，所述阳极电极通过电刷连接电源阳极,工件被安装到所述的工件夹具后与阳极电极接触紧固。

所述的抛光工具夹具上安装有阴极电极，所述阴极电极通过电刷连接电源阴极,所述的抛光工具被安装到所述的抛光工具夹具后与阴极电极接触紧固。

所述循环系统包括循环管路、抛光液温控与过滤装置、抛光液补给装置和泵，所述循环管路上安装所述泵和抛光液温控与过滤装置，所述泵上连接所述抛光液补给装置。

所述抛光液温控与过滤装置包括过滤大颗粒磨粒的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。

本发明的技术构思为：基于非牛顿流体剪切增稠效应的抛光方法与电解抛光方法复合加工，将有效的结果电解抛光工件表面易存有斑点的问题，极大地提高加工效率，更好地实现工件表面的高效率高质量高一致性的抛光。

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出抛光液，并添加电解液成分，使抛光液即具有电解作用又具有剪切增稠效果。电源通电后，在阳极工件与阴极抛光工具间产生电化学反应,工件表面的金属被电解溶解,随之工件表面会形成一层妨碍电化学反应的氧化膜。同时工件与抛光工具做相对运动，从而使抛光液在工件与抛光工具间隙处受剪切作用发生剪切增稠现象，该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表面产生微切削作用。工件表面凸起处的氧化膜首先被磨掉,暴露出新鲜金属,电化学反应得以在凸起处继续进行。而凹陷处的氧化膜未被去除,化学反应受到阻碍,该处金属得到了保护。同时由于电流的尖峰效应,凸起处电场强度大,对金属的腐蚀能力也强,加上剪切增稠作用下磨粒对工件表面凸起处的去除作用更强，这几方面的共同作用影响,使得工件表面凸起处迅速被去除,表面粗糙度也迅速减小。

本发明的有益效果是：(1)本发明提供了一种基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工方法，可以抛光各类面形零件，包括平面、球面、非球面、各类复杂曲面等，适用范围广；(2)本发明与普通电解方法比较，加工效率显著提高，因电解产生的斑点问题易被磨粒去除，工件表面质量更好。

附图说明

图1是本发明对平面工件抛光的整体示意图。

图2是本发明对球面工件抛光的示意图。

图3是本发明对柱面工件抛光的示意图。

图4是工件未加工前工件与抛光工具之间放大示意图。

图5是本发明方法加工时工件表面微凸处去除示意图。

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～图5，一种非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，包括抛光工具2、抛光工具夹具9、工件夹具6和抛光池29，所述抛光工具2位于抛光池29内，所述抛光池29内放置抛光液19，所述工件夹具6上的工件位于抛光池29内且与所述抛光工具2之间存在间隙，所述工件夹具6与工件驱动机构连接，所述抛光工具夹具9与抛光工具驱动机构连接，所述工件夹具6的导电件与电源5阳极连接，所述抛光工具夹具9的导电件与电源5阴极连接，所述抛光液为在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉、电解液成分的抛光液。

进一步，所述设备还包括循环系统，循环系统与所述抛光池连接，抛光液在经循环系统中抛光池的底部抽出并从抛光池上部输入。

所述的工件夹具上6安装有阳极电极8，所述阳极电极8通过第一电刷31连接电源5阳极,工件1被安装到所述的工件夹具6后与阳极电极8接触紧固。

所述的抛光工具夹具9上安装有阴极电极11，所述阴极电极11通过第二电刷32连接电源5阴极,所述的抛光工具2被安装到所述的抛光工具夹具9后与阴极电极11接触紧固。

所述抛光液循环系统包括抛光池29、循环管路20、抛光液温控与过滤装置12、抛光液补给装置13、泵14。所述循环管路20上安装所述泵14和抛光液温控与过滤装置12，所述泵104上连接所述抛光液补给装置13。

所述抛光液温控与过滤装置12包括过滤大颗粒磨粒的滤网和添加或取出抛光液的进出料口，并可调节抛光液温度至30-60℃。

本实施例的加工装置实现的加工方法包括如下步骤：

(1)电源5的阳极与工件1电连接，电源5的阴极与抛光工具2电连接，使得工件1作为电解对象；

(2)在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉17制备出抛光液19，并添加电解液成分21，使抛光液19即具有电解作用又具有剪切增稠效果；抛光液在经循环系统中抛光池29的底部抽出并从抛光池29上部输入；

(3)抛光过程中，工件1与所述的抛光工具2留有间隙，所述的抛光液19中有电解液，工件1、抛光液19、抛光工具2与电源5构成电解回路，工件1表面微凸处在电解作用下发生阳极融解或形成一层氧化膜15，而凹处不易发生阳极融解或形成氧化膜15；氧化膜15与工件1本体材料结合较弱，更容易被去除；同时工件1与抛光工具2做相对旋转运动，从而使所述抛光液19在工件1与抛光工具2间隙处受剪切作用发生剪切增稠现象(参照图5)，增大了抛光液19中分散相18对磨粒或微粉17的包裹作用，由于工件1微凸处对抛光液19施加的额外剪切力，使与工件1表面微凸部位接触的抛光液19所受剪切增稠作用更为显著，磨粒或微粉17更易去除所述工件1表面微凸处氧化膜；工件1在电解与磨粒或微粉17共同作用下对工件1表面凸点的选择性去除，实现抛光加工，使工件1表面变得平滑、光亮。

所述的抛光液19中电解液成分为以下一种或两种以上混合物：磷酸、硫酸、铬酸、氯化钠、碳酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、氢氧化镁。

所述的电源5电压为10-80V，电流密度为20-100A/dm²。

再进一步，所述的工件1固定在工件夹具6上，所述的工件夹具6与用于驱动工件夹具6上下左右移动及转动的驱动机构7连接。

所述的抛光工具2固定在抛光工具夹具9上，所述的抛光工具夹具9与用于驱动抛光工具夹具9转动的驱动机构10连接。

电源5通电后，在阳极工件1与阴极抛光工具2间产生电化学反应,工件1表面的金属被电解溶解(参照图5中a),,随之工件1表面会形成一层妨碍电化学反应的氧化膜15。同时工件1与抛光工具2做相对运动，从而使抛光液19在工件1与抛光工具2间隙处受剪切作用发生剪切增稠现象，该区域的抛光液19的粘度增大，增强了对磨粒或微粉17的把持力，抛光液19中具有抛光作用的磨粒或微粉17对工件1表面产生微切削作用。工件表面1凸起处的氧化膜15首先被磨掉,暴露出新鲜金属,电化学反应得以在凸起处继续进行。而凹陷处的氧化膜未被去除,化学反应受到阻碍,该处金属得到了保护。同时由于电流的尖峰效应,凸起处电场强度大,对金属的腐蚀能力也强,加上剪切增稠作用下磨粒或微粉17对工件1表面凸起处的去除作用更强，这几方面的共同作用影响,使得工件1表面凸起处迅速被去除,表面粗糙度也迅速减小。

参照图2，以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磨粒并加入电解成分H₃PO₄搅拌均匀制备出抛光液。工件1为球面碳素钢材料。工件驱动装置3即可以旋转运动，又可以左右摆动，工件1与抛光工具2之间留有5-20mm间隙，调节工件驱动装置3使工件1曲面与抛光工具2曲面曲率相适应，实现工件1整个曲面的均匀抛光。

参照图3，抛光工具2为圆筒状，抛光工具2内径比圆柱面工件1直径大5-20mm。工件1在驱动装置3的带动下旋转，抛光工具2固定不动，在工件1与抛光工具2的间隙处抛光液4发生剪切增稠效应与电解效应，在磨粒的作用下，迅速的去除圆柱面工件1表面的凸起处，是工件表面平滑光亮。

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 (6)

1.一种非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，其特征在于：包括抛光工具、抛光工具夹具、工件夹具和抛光池，所述抛光工具位于抛光池内，所述抛光池内放置抛光液，所述工件夹具上的工件位于抛光池内且与所述抛光工具之间存在间隙，所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具夹具与抛光工具驱动机构连接，所述工件夹具的导电件与电源阳极连接，所述抛光工具夹具的导电件与电源阴极连接，所述抛光液为在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉、电解液成分的抛光液。

2.如权利要求1所述的非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，其特征在于：所述装置还包括循环系统，循环系统与所述抛光池连接，抛光液在经循环系统中抛光池的底部抽出并从抛光池上部输入。

3.如权利要求1或2所述的非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，其特征在于：所述的工件夹具上安装有阳极电极，所述阳极电极通过电刷连接电源阳极,工件被安装到所述的工件夹具后与阳极电极接触紧固。

4.如权利要求3所述的非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，其特征在于：所述的抛光工具夹具上安装有阴极电极，所述阴极电极通过电刷连接电源阴极,所述的抛光工具被安装到所述的抛光工具夹具后与阴极电极接触紧固。

5.如权利要求2所述的非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，其特征在于：所述循环系统包括循环管路、抛光液温控与过滤装置、抛光液补给装置和泵，所述循环管路上安装所述泵和抛光液温控与过滤装置，所述泵上连接所述抛光液补给装置。

6.如权利要求5所述的非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置，其特征在于：所述抛光液温控与过滤装置包括过滤大颗粒磨粒的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。