CN105033833A - 基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置 - Google Patents

基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置 Download PDF

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Abstract

一种基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，包括抛光池、抛光液循环系统、抛光工具和工件夹具，所述抛光池内放置抛光液，所述的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的抛光液；所述抛光工具位于抛光池内且与待加工的工件内孔壁保持加工间隙，所述工件夹具位于抛光工具的下方，所述抛光工具、工件夹具和待加工的工件均位于抛光池的液面下方；所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具与抛光工具驱动机构连接，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，所述抛光液的循环出口与所述抛光池的上部入口连通。本发明抛光效率高、质量好、成本低、装置结构简单。

Description

基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，尤其是一种基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔类零件内壁的抛光装置。
背景技术
随着我国工业的发展，机械化程度的不断提高，人们对机械的自动化水平、工作效率和工作精度的要求也越来越高，而零件的加工质量将决定一个零件的工作精度、性能、使用寿命。以上要求无不是通过提高零部件的加工精度和其表面质量为前提进行的。我国从80年代开始，就对抛光加工技术进行了许多探索，特别是对非传统的抛光加工，如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方法的发展，对我国整体零件的抛光加工水平的提高起到了至关重要的作用。当然，我国的机械制造水平和国外(如：德国、日本)，不仅仅差距在表面质量上，其整个制造环节都有一定的差距。
在各种类型表面的抛光加工中，对内孔表面的加工难度较大，已成为研究抛光加工的重中之重。传统的内孔表面加工都是由纯人工进行，效率极低，并且内孔的表面质量以及形状精度不容易控制。近年典型的加工方法如磨粒流加工，加工效率和效果都很好，但是由于其用的研磨介质为粘弹性磨料，这就导致了其使用范围的局限性，有些零件的内孔表面要求不能沾有粘性物质，而磨粒流加工完成后，会在工件表面留下一层润滑物质，这是很多工件不允许的。而且磨料的价格较高，所以加工成本比较高，对于比较脆弱的薄壁零件，由于磨料流加工是利用施加在夹具两端的压力进行加工的，所以这种较脆弱的零件也不适合利用磨粒流方法加工。气粒两相流加工目前也还不太成熟，由于其上必须连接通气管道，这样就导致其不能对长孔进行加工，而且对气粒两相流加工头的定位和内孔原表面精度具有一定的要求，不同孔径的表面需要不同直径的气粒两相加工头，所以在实际应用上还有待进一步研究。太原理工大学杨胜强等人提出了一种具有自适应能力的内孔表面光整加工方法，根据该方法设计的装置由两部分组成，分别为根据离心原理设计的柔性光整头和根据螺旋传动原理设计的自动进给装置。柔性光整头利用油石棒磨削内孔表面，其加工孔径范围为自动进给装置具有一定的自适应能力，可以在的孔径范围沿轴线往复运动，在自动进给装置的带动下，柔性光整头沿管道轴线对内孔表面进行光整加工。该方法的设计思路很好，但是由于项目经费、加工条件受限等关键问题没有解决，要真正应用到生产还需进一步研究。
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
为了克服目前的孔内壁抛光过程中效率较低、质量较差、成本高的不足，本发明提出了一种适用范围广、效率高、质量好、成本低、环保、装置结构简单的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，包括抛光池、抛光液循环系统、抛光工具和工件夹具，所述抛光池内放置抛光液，所述的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的抛光液；
所述抛光工具位于抛光池内且与待加工的工件内孔壁保持加工间隙，所述工件夹具位于抛光工具的下方，所述抛光工具、工件夹具和待加工的工件均位于抛光池的液面下方；
所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具与抛光工具驱动机构连接，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，所述抛光液的循环出口与所述抛光池的上部入口连通。
进一步，所述的抛光工具形状为圆柱式、螺杆式或叶片式。当然，也可以采用其他形状。
所述圆柱式抛光工具的柱面纹理为平滑形、标准齿形、宽齿形、交叉齿形、竖直槽形或圆环槽形。
再进一步，所述抛光工具的旋转轴心线与工件的旋转轴心线存在确定的偏距。当然，所述抛光工具的旋转轴心线与工件的旋转轴心线也可以重合。
所述的抛光工具外壁与待加工的工件内孔的内壁的最小间隙保持在0.2～5mm。
更进一步，所述的抛光液循环系统中，上循环管路的上端与抛光池的右上端的上部入口连接，上循环管路的下端与抛光液过滤装置的上端连接；中循环管路的上端与抛光液过滤装置的下端连接，中循环管路的下端与泵的输出连接；下循环管路的上端与抛光池的左下端的底部出口连接，下循环管路的下端与泵的输入连接。
所述的抛光液过滤装置包括过滤大颗粒磨粒或杂质的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。
所述的抛光工具与用于驱动抛光工具上下左右移动及转动的抛光工具驱动机构连接，所述的工件夹具与用于驱动工件转动的工件驱动机构连接。
本发明的技术构思为：将待加工的孔类工件安装在工件夹具上，通过控制抛光工具驱动将抛光工具移动到工件孔内，并且使抛光工具外壁与孔内壁的最小间隙调整到0.2～5mm之间。在抛光池中加入非牛顿流体剪切增稠抛光液，启动驱动，调整工件与抛光工具的转速以及抛光工具上下移动的直线速度，并使工件与抛光工具的转向相反。由于工件与抛光工具做相对运动，从而使抛光液在工件内壁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内壁表面产生微切削作用，从而迅速去除工件表面材料，表面粗糙度也迅速减小。工件的自转以及抛光工具匀速上下移动可以保证孔内壁抛光后具有良好的形状精度。抛光液循环系统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，从而可以实现对工件孔内壁持续高效高质量抛光。本发明不仅可以对单独的孔类零件进行加工，而且可以对整体工件上的盲孔、通孔进行抛光加工。
本发明的有益效果主要体现在：(1)本发明通过调整抛光工具旋转轴心线与工件旋转轴心线的偏距，可以实现一种抛光工具应用于多种尺寸工件的孔内壁抛光。(2)本发明可实现对孔类工件的高效率，高质量加工，并且能保证孔类工件加工后具有良好的圆度与圆柱度一致性。(3)本发明装置成本低，易于实现，且抛光装置整体结构简单。
附图说明
图1是基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置示意图。
图2是本发明装置中抛光工具形状为叶片式时对工件抛光的示意图。
图3是抛光工具形状为圆柱式的示意图，其中，(1)为平滑形；(2)为标准齿形；(3)为宽齿形；(4)为交叉齿形；(5)为竖直槽形；(6)为圆环槽形。
图4是抛光工具形状为螺杆式的示意图。
图5是抛光工具形状为叶片式的示意图。
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～图5，一种基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，包括抛光池5、抛光液循环系统、抛光工具3和工件夹具6，所述抛光池内放置抛光液1，所述的抛光液1为在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉的抛光液；
所述的抛光工具3位于抛光池5内且与工件4内孔壁保持加工间隙，所述工件夹具6位于抛光工具3的下方，所述抛光工具、工件夹具和待加工的工件均位于抛光池的液面下方；
所述工件夹具6与工件驱动机构9连接，所述抛光工具3与抛光工具驱动机构2连接，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，所述抛光液的循环出口与所述抛光池的上部入口连通。
所述的抛光工具3形状可以是圆柱式(根据柱面纹理不同包括平滑形、标准齿形、宽齿形、交叉齿形、竖直槽形、圆环槽型)、螺杆式或叶片式的一种。当然，也可以是其他形状。
所述抛光工具3的旋转轴心线与工件4的旋转轴心线可以存在确定的偏距，当然，所述抛光工具的旋转轴心线与工件的旋转轴心线也可以重合。
加工时，所述的抛光工具3外壁与孔内壁的最小间隙保持在0.2～5mm，所述的抛光工具3与工件4的转向相反。
所述的抛光液循环系统中，上循环管路12的上端与抛光池5的右上端的上部入口连接，上循环管路12的下端与抛光液过滤装置11的上端连接；中循环管路10的上端与抛光液过滤装置11的下端连接，中循环管路10的下端与泵8的输出连接；下循环管路7的上端与抛光池5的左下端的底部出口连接，下循环管路7的下端与泵8的输入连接。
所述的抛光液过滤装置11包括过滤大颗粒磨粒或杂质的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。
所述的抛光工具3与用于驱动抛光工具上下左右移动及转动的抛光工具驱动机构2连接，所述的工件夹具6与用于驱动工件转动的工件驱动机构9连接，所述工件夹具6可以夹持不同大小的工件4。
参照图2，待加工的工件4为模具钢，孔内径为40mm；抛光工具3形状为叶片式，叶片展开最大直径为25mm；并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3000#的Al2O3磨粒搅拌均匀制备出抛光液1；抛光工具3的旋转轴心线与工件4的旋转轴心线具有确定的偏距5mm，并且抛光工具3的叶片最外端面与孔内壁的最小间隙为2.5mm；加工时，启动驱动，调整工件4与抛光工具3的转速为500rpm，抛光工具3上下移动的直线速度为0.01m/s，并使工件4与抛光工具3的转向相反。由于工件4与抛光工具3做相对运动，从而使抛光液1在工件4内壁与抛光工具3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1中具有抛光作用的磨粒或微粉对工件4内壁表面产生微切削作用，从而迅速去除工件4表面材料，表面粗糙度也迅速减小,并且工件4具有良好的形状精度。加工1小时后，经测定，用此实施例的方法可实现对该模具钢工件材料去除率达82μm/h，表面粗糙度Ra可达到4.2nm，并且具有良好的圆度和圆柱度一致性，误差分别不超过5μm和8μm。

Claims (8)

1.一种基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：包括抛光池、抛光液循环系统、抛光工具和工件夹具，所述抛光池内放置抛光液，所述的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的抛光液；
所述抛光工具位于抛光池内且与待加工的工件内孔壁保持加工间隙，所述工件夹具位于抛光工具的下方，所述抛光工具、工件夹具和待加工的工件均位于抛光池的液面下方；
所述工件夹具与工件驱动机构连接，所述抛光工具与抛光工具驱动机构连接，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，所述抛光液的循环出口与所述抛光池的上部入口连通。
2.如权利要求1所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述的抛光工具形状为圆柱式、螺杆式或叶片式。
3.如权利要求2所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述圆柱式抛光工具的柱面纹理为平滑形、标准齿形、宽齿形、交叉齿形、竖直槽形或圆环槽形。
4.如权利要求1～3之一所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述抛光工具的旋转轴心线与工件的旋转轴心线存在确定的偏距。
5.如权利要求1～3之一所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述的抛光工具外壁与待加工的工件内孔的内壁的最小间隙保持在0.2～5mm。
6.如权利要求1～3之一所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述的抛光液循环系统中，上循环管路的上端与抛光池的右上端的上部入口连接，上循环管路的下端与抛光液过滤装置的上端连接；中循环管路的上端与抛光液过滤装置的下端连接，中循环管路的下端与泵的输出连接；下循环管路的上端与抛光池的左下端的底部出口连接，下循环管路的下端与泵的输入连接。
7.如权利要求6所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述的抛光液过滤装置包括过滤大颗粒磨粒或杂质的滤网和添加或取出抛光液的进出料口。
8.如权利要求1～3之一所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，其特征在于：所述的抛光工具与用于驱动抛光工具上下左右移动及转动的抛光工具驱动机构连接，所述的工件夹具与用于驱动工件转动的工件驱动机构连接。
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