CN104325411A - 螺旋式约束磨粒流加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋式约束磨粒流加工装置，用于对待加工工件内壁进行研磨加工，包括固定板、螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置和缓冲装置；螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置、缓冲装置均固定安装在固定板上；工件夹紧装置用于夹紧待加工工件，螺旋式约束加工装置包括研磨导向杆和短螺旋槽，短螺旋槽固定在研磨导向杆上，待加工工件套装在研磨导向杆上，螺旋式约束加工装置和待加工工件在待加工工件内部形成约束流道；工件夹紧装置上设有约束流道的流体入口和流体出口；工件进给装置用于工件夹紧装置和待加工工件的轴向进给。本发明抛光效率高，抛光效果好，而且极其适合内壁超精密加工。

Description

螺旋式约束磨粒流加工装置

技术领域

本发明涉及软性磨粒流加工领域，尤其涉及一种针对内壁超精密加工的螺旋式约束磨粒流加工装置。

背景技术

随着航空航天、医药、食品、化工等领域的高速发展，国内外对各类管材的需求量也越来越大，对内壁的要求也越来越严格，在现有的内壁超精密加工方法中，常见的有磁力研抛、珩磨、挤压珩磨、柔性磨体振动抛光以及小磨头抛光等，但对于形状精度要求较高的工件来说都存在一定的加工局限性。比如挤压珩磨和柔性磨体振动抛光，由于使用的是粘度较大的弹性基本介质，在进行壁面加工时会受到强粘性力的强力剪切作用，会破坏薄壁面，同时壁面在硬性磨粒的往复作用时表面纹理呈现规律性。而软性磨粒流加工作为一种新的超精密加工方法，对内壁的加工具有独特的优势，尤其适合于较软的有色金属及坚韧的合金等。所谓软性磨粒流就是利用无粘性或者弱粘性的磨粒流在湍流作用下对工件表面进行无序加工。磨粒流要达到湍流状态，就必须要求流道内的流体具有较高的流速，现有的提速方法中主要是引入约束模块，通过与被加工壁面构成一个封闭的约束流道，使流体从狭小的约束流道内部高速通过并达到湍流状态，但是这种方法对于流体入口端的速度要求依旧很高，这就对水泵提出了很高的要求，大大提高了加工成本，而且工件抛光的时间较长，抛光效率普遍较低。

本发明“螺旋式约束磨粒流加工装置”很好的解决了流体因达到湍流运动而对入口速度要求较高、对泵性能要求较高等问题。通过螺旋式约束模块的高速旋转运动带动低速流体加速达到湍流的状态，而且高速旋转运动产生的离心力使磨粒运动更靠近加工壁面，对工件表面进行频繁无序的撞击作用实现内壁的光整加工。此装置可使入口处的低速流体加速达到湍流状态，不仅降低了对泵的要求，而且加工效率明显提高，适合于各类零件内壁的光整加工。本发明尤其适用于铝合金制品阳极氧化后的表面的加工。

发明内容

针对软性磨粒流抛光效率较低、对流体的入口速度和入口压力要求较高等难题，本发明提供了一种抛光效率高，抛光效果好，而且极其适合内壁超精密加工的螺旋式约束磨粒流抛光装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

螺旋式约束磨粒流加工装置，用于对待加工工件内壁进行研磨加工，包括固定板、螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置和缓冲装置；螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置、缓冲装置均固定安装在固定板上；所述工件夹紧装置用于夹紧待加工工件，所述螺旋式约束加工装置包括研磨导向杆和短螺旋槽，所述短螺旋槽固定在研磨导向杆上，待加工工件套装在研磨导向杆上，所述螺旋式约束加工装置和待加工工件在待加工工件内部形成约束流道；所述工件夹紧装置上设有所述约束流道的流体入口和流体出口；所述工件进给装置用于工件夹紧装置和待加工工件的轴向进给；

所述研磨导向杆的两端通过轴承座支撑，所述研磨导向杆的末端通过联轴器连接导向杆驱动电机；

所述工件夹紧装置包括两个夹紧端、两个密封圈、螺杆，所述两个夹紧端通过螺杆将待加工工件夹紧，所述密封圈包括夹紧端密封圈和工件端密封圈，所述夹紧端密封圈用于密封研磨导向杆与工件夹紧装置之间的间隙，所述工件端密封圈用于密封待加工工件与工件夹紧装置之间的间隙；所述两个夹紧端上分别设有所述约束流道的流体入口和流体出口；

所述工件进给装置包括丝杆、滑块、导向板和滚珠螺母座，所述丝杆的一端通过联轴器连接丝杆驱动电机，所述丝杆的另一端通过滚轴轴承相配合；所述滚珠螺母座套装在所述丝杆上；所述导向板的一端与所述滚珠螺母座固接，另一端通过螺栓与工件夹紧装置连接；所述丝杆驱动电机带动丝杆转动，通过所述丝杆的转动带动所述滚珠螺母座在水平方向做往复直线运动，牵引所述工件夹紧装置和待加工工件做直线进给运动；所述滑块装在所述导向板上，所述工件进给装置通过滑块连接缓冲装置；

所述缓冲装置包括空气压缩机、气缸、直线导轨和支架，所述气缸的后端盖与所述空气压缩机连接，所述气缸的前端盖安装在支架上，所述支架安装在固定板上，所述直线导轨的两端通过轴承座固定安装在固定板上；所述气缸的活塞杆连接所述滑块，所述滑块套装在所述直线导轨上。

进一步的，所述螺旋式约束磨粒流加工装置还包括电机控制系统，所述电机控制系统包括电机控制板，用于控制所述导向杆驱动电机和所述丝杆驱动电机的转动，所述电机控制板通过设定所述导向杆驱动电机和所述丝杆驱动电机的转速，分析研究电机在不同的转速下整套装置的运行情况及工件内表面的加工效果。

进一步的，所述研磨导向杆和短螺旋槽组成约束模块，待加工工件内表面与短螺旋槽表面组成约束流道，研磨导向杆通过联轴器与导向杆驱动电机相连实现旋转运动，带动短螺旋槽旋转，同时整个待加工工件和工件夹紧装置通过工件进给装置实现轴向进给运动，磨粒流在此双重作用下完成内表面的加工。

进一步的，所述缓冲装置上设置了平衡气缸用于平衡所述由流体入口和流体出口压力差作用在丝杆上的外载荷。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、软性磨粒流加工主要是利用湍流作用下的磨粒流对工件表面进行微力微量的切削，达到光整加工的目的，流体要达到湍流状态，可通过减小流体的粘度或者提高流体入口端的速度来实现。由于流体的粘度只与温度有关，粘度随温度的不同而有显著变化，液体粘度随着温度升高而减小，可适当提高磨粒流的温度来降低流体的粘度，增加流体流动性能，但是当温度升高时，会促使加工表面会与流体中的少量气体发生氧化反应，温度越高，被氧化的现象越明显。而在现实生活中，水以及一些特殊的液压油的粘度较低，流动性能较好，能满足加工的要求，所以可通过提高流体的速度使其达到湍流的状态。通常的做法是在被加工表面施加一个仿形的约束模块，使流体从狭小的流道内部高速通过，虽然这种方法能解决流体达到湍流的难题，但是对流体入口端的速度要求比较高，本发明中，在流道内设置螺旋式约束模块的同时使约束模块做高速旋转运动，使流体通过高速旋转的方式加速达到湍流的状态，不仅降低了对流体入口速度的要求，而且还可以通过控制电机转速实现不同的湍流强度，使加工效果完全可控。

2、螺旋约束模块的高速旋转运动不仅使磨粒流达到湍流状态，而且旋转运动产生的巨大离心力使磨粒更贴近壁面，撞击工件壁面的速度更快，更频繁，此外，螺旋槽的旋转运动不仅使磨粒有绕圆周方向的分运动，而且能加速磨粒做轴向方向的运动，在约束流道内能实现不同方向的撞击，实现纹理交错加工，工件加工的效率高，加工后的效果好。

3、由于螺旋式约束模块的尺寸有限，在一瞬间只能对工件局部进行加工，所以针对不同长度的工件，本发明可通过改变螺旋式约束模块的轴向尺寸来提高整个工件的加工效率，在工件的加工过程中，可通过设定电机的转速来控制整个约束模块的往复进给速度，通过控制霍尔元件的位置控制工件运动的行程，实现对整个工件内表面加工的目的。

4、由于流体入口端和出口端有较大的压力差，会给丝杆施加一个外载荷，长时间作用下会使丝杆弯曲变形，影响整套装置的平稳运行，所以为平衡流体压力差，本发明设计一气缸，通气使气缸内的气体压力和流体压力差保持平衡，以此来消除丝杆上的额外载荷。使整个加工过程安全平稳。

5、通过磨粒的撞击运动实现表面的微力微量切削，不会破坏加工壁面，可实现对壁面的精密加工，且在整个流道内无加工死角。利用磨粒在封闭约束流道内的循环流动，反复碰撞加工表面，可有效提高磨粒利用率和加工效率，减少污水排放，实现清洁加工，而且整个加工过程可实现自动化。

6、通过磨粒流对工件表面进行加工，磨料流黏度低，不容易破坏阳极氧化后的表面涂层。

7、通过约束模块的高速旋转增强磨料流对加工表面的挤压、摩擦，能提高加工效率。

附图说明

图1螺旋式约束磨粒流抛光装置俯视图。

图2螺旋式约束磨粒流抛光装置右视图。

图3螺旋式约束磨粒流加工原理图。

图4缓冲装置的主视图。

图5研磨导向杆主视图。

图6工件夹紧装置剖视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

图1是螺旋式约束磨粒流抛光装置俯视图；图2螺旋式约束磨粒流抛光装置右视图；图3螺旋式约束磨粒流加工原理图；图4缓冲装置的主视图；图5研磨导向杆主视图；图6工件夹紧装置剖视图。

参照附图1、图2和图4，螺旋式约束磨粒流加工装置，用于对待加工工件2内壁进行研磨加工，包括固定板1、螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置和缓冲装置；螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置、缓冲装置均固定安装在固定板1上；工件夹紧装置用于夹紧待加工工件2，螺旋式约束加工装置包括研磨导向杆3和短螺旋槽18，短螺旋槽18固定在研磨导向杆3上，待加工工件2套装在研磨导向杆3上，螺旋式约束加工装置和待加工工件2在待加工工件2内部形成约束流道；工件夹紧装置上设有约束流道的流体入口4和流体出口5；工件进给装置用于工件夹紧装置和待加工工件2的轴向进给；

研磨导向杆3的两端通过轴承座支撑，研磨导向杆3的末端通过联轴器连接导向杆驱动电机6；

工件夹紧装置包括两个夹紧端7、两个密封圈、螺杆8，两个夹紧端7通过螺杆8将待加工工件2夹紧，密封圈包括夹紧端7密封圈和工件端密封圈，夹紧端7密封圈用于密封研磨导向杆3与工件夹紧装置之间的间隙，工件端密封圈用于密封待加工工件2与工件夹紧装置之间的间隙；两个夹紧端7上分别设有约束流道的流体入口4和流体出口5；

工件进给装置包括丝杆9、滑块10、导向板11和滚珠螺母座12，丝杆9的一端通过联轴器连接丝杆驱动电机13，丝杆9的另一端通过滚轴轴承相配合；滚珠螺母座12套装在丝杆9上；导向板11的一端与滚珠螺母座12固接，另一端通过螺栓与工件夹紧装置连接；丝杆驱动电机13带动丝杆9转动，通过丝杆9的转动带动滚珠螺母座12在水平方向做往复直线运动，牵引工件夹紧装置和待加工工件2做直线进给运动；滑块10装在导向板11上，工件进给装置通过滑块10连接缓冲装置；

缓冲装置包括空气压缩机、气缸14、直线导轨15和支架16，气缸14的后端盖与空气压缩机连接，气缸14的前端盖安装在支架16上，支架16安装在固定板1上，直线导轨15的两端通过轴承座固定安装在固定板1上；气缸14的活塞杆17连接滑块10，滑块10套装在直线导轨15上。

螺旋式约束磨粒流加工装置还包括电机控制系统，电机控制系统包括电机控制板，用于控制导向杆驱动电机6和丝杆驱动电机13的转动，电机控制板通过设定导向杆驱动电机6和丝杆驱动电机13的转速，分析研究电机在不同的转速下整套装置的运行情况及工件内表面的加工效果。

研磨导向杆3和短螺旋槽18组成约束模块，待加工工件2内表面与短螺旋槽18表面组成约束流道，研磨导向杆3通过联轴器与导向杆驱动电机6相连实现旋转运动，带动短螺旋槽18旋转，同时整个待加工工件2和工件夹紧装置通过工件进给装置实现轴向进给运动，磨粒流在此双重作用下完成内表面的加工。

缓冲装置上设置了平衡气缸14用于平衡由流体入口4和流体出口5压力差作用在丝杆9上的外载荷。

参照图3，螺旋式约束磨粒流加工装置的流体入口4和流体出口5与磨粒流控制系统，磨粒流控制系统包括控制柜19、磨料箱20、电机、隔膜泵21和回收箱，磨料箱20内设有搅拌电机24、搅拌器23和电磁铁22，搅拌电机24控制搅拌机对磨料箱20的磨料进行搅拌，电磁铁22用于吸附箱底的磨屑；磨料箱20通过管道连接隔膜泵21，管道上设有开关阀；搅拌器23将磨料箱20中的磨料流搅拌均匀，通过隔膜泵21输送到螺旋式约束磨粒流加工装置的流体入口4，磨料流流过约束流道后通过流体出口5回流到磨料箱20。隔膜泵21上设有流量调节按扭26、水压表25，用于控制磨料的流量。电机用于驱动隔膜泵21，控制柜19通过控制搅拌电机24和隔膜泵21来控制进入螺旋式约束磨粒流加工装置磨料流的流量。

参照附图5，研磨导向杆3上设有安装槽，短螺旋槽18固定通过固定安装槽安装在研磨导向杆3上。

参照附图6，工件夹紧装置的主要作用是夹紧工件以及密封整个流道，其构件主要包括左端夹紧块27、右端夹紧块28，左端密封盖29、右端密封盖30、螺杆8、工件定位块31、密封圈等。右端夹紧块28与导向板11相连接，连同滑块10一起作水平方向的直线运动，工件安装在左端夹紧块27和右端夹紧块28之间，其中工件左右两端分别与定位块31接触，左右夹紧块通过螺杆8将工件夹紧，其中左端夹紧块开有流体入口4，右端夹紧块28上开有流体出口5，密封盖与夹紧块的两端配合较好，密封盖的中心位置安装有密封性良好的超耐磨密封圈，密封圈研磨导向杆3紧密接触，导向板11通过一连接板与右端夹紧块28相连，通过滑块的移动引导整个工件夹紧装置做左右往复运动。设定霍尔元件的距离来控制工件夹紧装置运动的行程。整套夹紧装置除了使工件拥有良好的夹紧性能以外，还能确保工件在加工时整个流道拥有很好的密封性。

螺旋式约束磨粒流加工装置的加工原理是软性磨粒流加工主要是利用湍流作用下的磨粒流对工件表面进行微力微量的切削，达到光整加工的目的，流体要达到湍流状态，可通过减小流体的粘度或者提高流体入口端的速度来实现。由于流体的粘度只与温度有关，粘度随温度的不同而有显著变化，液体粘度随着温度升高而减小，可适当提高磨粒流的温度来降低流体的粘度，增加流体流动性能，但是当温度升高时，会促使加工表面会与流体中的少量气体发生氧化反应，温度越高，被氧化的现象越明显。而在现实生活中，水以及一些特殊的液压油的粘度较低，流动性能较好，能满足加工的要求，所以可通过提高流体的速度使其达到湍流的状态。本发明通过在流道内设置螺旋式约束模块的同时使约束模块做高速旋转运动，使流体通过高速旋转的方式加速达到湍流的状态，不仅降低了对流体入口速度的要求，而且还可以通过控制电机转速实现不同的湍流强度，使加工效果完全可控。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.螺旋式约束磨粒流加工装置，用于对待加工工件(2)内壁进行研磨加工，其特征在于：包括固定板(1)、螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置和缓冲装置；螺旋式约束加工装置、工件夹紧装置、工件进给装置、缓冲装置均固定安装在固定板(1)上；所述工件夹紧装置用于夹紧待加工工件(2)，所述螺旋式约束加工装置包括研磨导向杆(3)和短螺旋槽(18)，所述短螺旋槽(18)固定在研磨导向杆(3)上，待加工工件(2)套装在研磨导向杆(3)上，所述螺旋式约束加工装置和待加工工件(2)在待加工工件(2)内部形成约束流道；所述工件夹紧装置上设有所述约束流道的流体入口(4)和流体出口(5)；所述工件进给装置用于工件夹紧装置和待加工工件(2)的轴向进给；

所述研磨导向杆(3)的两端通过轴承座支撑，所述研磨导向杆(3)的末端通过联轴器连接导向杆驱动电机(6)；

所述工件夹紧装置包括两个夹紧端(7)、两个密封圈、螺杆(8)，所述两个夹紧端(7)通过螺杆(8)将待加工工件(2)夹紧，所述密封圈包括夹紧端(7)密封圈和工件端密封圈，所述夹紧端(7)密封圈用于密封研磨导向杆(3)与工件夹紧装置之间的间隙，所述工件端密封圈用于密封待加工工件(2)与工件夹紧装置之间的间隙；所述两个夹紧端(7)上分别设有所述约束流道的流体入口(4)和流体出口(5)；

所述工件进给装置包括丝杆(9)、滑块(10)、导向板(11)和滚珠螺母座(12)，所述丝杆(9)的一端通过联轴器连接丝杆驱动电机(13)，所述丝杆(9)的另一端通过滚轴轴承相配合；所述滚珠螺母座(12)套装在所述丝杆(9)上；所述导向板(11)的一端与所述滚珠螺母座(12)固接，另一端通过螺栓与工件夹紧装置连接；所述丝杆驱动电机(13)带动丝杆(9)转动，通过所述丝杆(9)的转动带动所述滚珠螺母座(12)在水平方向做往复直线运动，牵引所述工件夹紧装置和待加工工件(2)做直线进给运动；所述滑块(10)装在所述导向板(11)上，所述工件进给装置通过滑块(10)连接缓冲装置；

所述缓冲装置包括空气压缩机、气缸(14)、直线导轨(15)和支架(16)，所述气缸(14)的后端盖与所述空气压缩机连接，所述气缸(14)的前端盖安装在支架(16)上，所述支架(16)安装在固定板(1)上，所述直线导轨(15)的两端通过轴承座固定安装在固定板(1)上；所述气缸(14)的活塞杆(17)连接所述滑块(10)，所述滑块(10)套装在所述直线导轨(15)上。

2.根据权利要求1所述的螺旋式约束磨粒流加工装置，其特征在于：所述螺旋式约束磨粒流加工装置还包括电机控制系统，所述电机控制系统包括电机控制板，用于控制所述导向杆驱动电机(6)和所述丝杆驱动电机(13)的转动，所述电机控制板通过设定所述导向杆驱动电机(6)和所述丝杆驱动电机(13)的转速，分析研究电机在不同的转速下整套装置的运行情况及工件内表面的加工效果。

3.根据权利要求1所述的螺旋式约束磨粒流加工装置，其特征在于：所述研磨导向杆(3)和短螺旋槽(18)组成约束模块，待加工工件(2)内表面与短螺旋槽(18)表面组成约束流道，研磨导向杆(3)通过联轴器与导向杆驱动电机(6)相连实现旋转运动，带动短螺旋槽(18)旋转，同时整个待加工工件(2)和工件夹紧装置通过工件进给装置实现轴向进给运动，磨粒流在此双重作用下完成内表面的加工。

4.根据权利要求1所述的螺旋式约束磨粒流加工装置，其特征在于：所述缓冲装置上设置了平衡气缸(14)用于平衡所述由流体入口(4)和流体出口(5)压力差作用在丝杆(9)上的外载荷。