CN105108631B - 一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置。它包括安装机架，安装机架上设置精密三轴伺服驱动系统、磨粒流循环系统及伺服电机驱动系统，圆柱形抛光加工工具连接精密三轴伺服驱动系统和伺服电机驱动系统，圆柱形抛光加工工具及变曲率截面管形工件置于磨粒流循环系统内，圆柱形抛光加工工具内置于变曲率截面管形工件中且相贴近，且圆柱形抛光加工工具与变曲率截面管形工件的轴线相互平行。本发明利用精密三轴伺服驱动系统、磨粒流循环系统及伺服电机驱动系统共同作用，反复对变曲率截面管形工件进行抛光加工，可以提高磨粒流的利用效率，并可以通过离心泵有效过滤加工残留物以减少污水排放，实现清洁加工，节约能源，绿色环保。

Description

一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置

技术领域

本发明属于流体表面研磨/抛光技术领域，尤其涉及一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置。

背景技术

在国防、航空航天及民用工业领域的一些特殊应用场合，需要一类变曲率截面柱面的管形工件，其内壁横截面曲线为变曲率的光滑封闭曲线，该类工件的内壁表面需满足较高的粗糙度和面形精度要求，且不能有加工变质层和亚表面损伤，以达到在实际应用过程中的高精密性、稳定性和高可靠性目标。对于这类工件的内表面抛光加工，硬性或软性接触式的加工方法因其易造成加工变质层和亚表面损伤而不适用，故通常采用非接触式的磨粒流加工方法，比如液固两相软性磨粒流抛光加工方法。

前期出现的液固两相软性磨粒流抛光加工是以磨粒流的湍流为理论依据，以磨粒之间的相互碰撞以及磨粒与壁面间的碰撞为基础，对磨粒进行动力学分析，利用湍流流场中磨粒对壁面的切削作用，对工件的壁面粗糙处进行精密抛光加工。

目前，液固两相磨粒流抛光加工所用的流道采用单入口、单出口的方式，流体从流道的入口流入，出口流出，最终回流至磨粒流储存箱。按照两相磨粒流的加工原理，对工件进行加工的磨粒流在流道内必须形成湍流流动，湍流中，磨粒运动的随机性有利于表面无序化，直至实现工件表面无工具镜面级加工效果。基于前期的研究状况，简单的单输入输出的加工流道存在以下缺点：①增压泵的压力或者流量较低的时候，增压泵输出的液固两相磨粒流的流速不能达到产生湍流的最小速度，导致磨粒流道内的磨粒流处于层流状态，进而导致磨粒流中的磨粒对工件表面的切削概率很低，加工效果不明显；②增压泵输出磨粒流的流速达到了在流道内形成湍流的最小速度，由于加工流道较长，在流动过程中能量损失，湍动能下降，导致工件加工效果不均匀。③当遇到被加工工件尺寸形状分布宽泛，依靠前面所述的加工方法十分费时费力，需要开发出一种自适应能力强且经济绿色的精密抛光加工方法及装置。

发明内容

为了解决在现有加工方法对变曲率截面管形工件内壁面抛光的不适应、效果不明显或者不均匀的问题，本发明提出了一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置。

本发明所采用的技术方案是：

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，用于抛光变曲率截面管形工件，包括安装机架，其特征在于所述安装机架上设置精密三轴伺服驱动系统、磨粒流循环系统及伺服电机驱动系统，圆柱形抛光加工工具连接用于定位其位置的精密三轴伺服驱动系统和驱动其自身旋转的伺服电机驱动系统，圆柱形抛光加工工具及变曲率截面管形工件置于磨粒流循环系统内，圆柱形抛光加工工具内置于变曲率截面管形工件中，且圆柱形抛光加工工具与变曲率截面管形工件的轴线相互平行，圆柱形抛光加工工具的外壁面与变曲率截面管形工件的内壁面相贴近，抛光工作中，圆柱形抛光加工工具在精密三轴伺服驱动系统的作用下，沿变曲率截面管形工件内壁运动。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述安装机架为双层架构，包括机架和机架面板，所述机架面板上设置用来安装精密三轴伺服驱动系统的三轴伺服驱动系统安装架，所述机架面板表面中部安装有加工储液槽。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述精密三轴伺服驱动系统包括X轴精密伺服驱动滑台、X轴驱动连接板Ⅰ、Y形连接件Ⅰ、Y轴精密伺服驱动滑台、Y轴直线导轨、Z轴精密伺服驱动滑台、Z轴滑动安装板、Y轴驱动系统安装板、Y形连接件Ⅱ、X轴驱动连接板Ⅱ、X轴直线导轨及齿轮驱动安装板，所述X轴直线导轨分别为两个，X轴精密伺服驱动滑台固定在三轴伺服驱动系统安装架相对两边上，X轴直线导轨与X轴精密伺服驱动滑台配合连接，其中一个X轴直线导轨上部通过X轴驱动连接板Ⅰ连接Y形连接件Ⅰ，另一个X轴直线导轨上部通过X轴驱动连接板Ⅱ连接Y形连接件Ⅱ；所述Y轴驱动系统安装板两端连接Y形连接件Ⅰ和Y形连接件Ⅱ，Y轴精密伺服驱动滑台固定在Y轴驱动系统安装板上并与Y轴直线导轨配合连接；所述Z轴滑动安装板固定在Y轴驱动系统安装板中部，Z轴精密伺服驱动滑台固定在Z轴滑动安装板上，且与齿轮驱动安装板连接，所述齿轮驱动安装板能在Z轴精密伺服驱动滑台上上下滑动，齿轮驱动安装板用于夹持圆柱形抛光加工工具。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述伺服电机驱动系统包括伺服电机安装板及伺服电机，所述伺服电机安装板固定在齿轮驱动安装板上，伺服电机安装在伺服电机安装板上，伺服电机通过联轴器连接直齿圆柱齿轮Ⅱ，直齿圆柱齿轮Ⅱ与直齿圆柱齿轮Ⅰ啮合连接，直齿圆柱齿轮Ⅰ的输出轴与圆柱形抛光加工工具连接，并由齿轮轴锁紧螺母固定，伺服电机带动圆柱形抛光加工工具旋转。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述磨粒流循环系统包括设置在机架面板中心位置的加工储液槽及设置在机架侧面的水箱，所述水箱内设有离心泵，离心泵连接第一管道一端，第一管道另一端插入加工储液槽内，加工储液槽底部出液口连接第二管道一端，第二管道另一端插入水箱内，使加工储液槽和水箱之间形成磨粒流循环。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述圆柱形抛光加工工具为圆柱形结构，其上端面中心处开有螺纹孔接头，所述螺纹孔接头与伺服电机驱动系统的输出轴连接，所述螺纹孔接头上的螺纹孔设为气管接口，将压缩空气注入到圆柱形抛光加工工具的内腔中形成气腔，圆柱形抛光加工工具壁面开有多个气流孔，气腔中的高速气流通过气流孔均匀喷出，对变曲率截面管形工件进行抛光加工。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述磨粒流是由磨粒和水或轻质油均匀混合而成的抛光流体介质。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述磨粒为二氧化硅、碳化硅或氧化铝。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述圆柱形抛光加工工具的外壁面与变曲率截面管形工件的内壁面在局部加工区域的距离小于1mm。

所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述气流孔倾斜设置在圆柱形抛光加工工具壁面上。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

1）本发明利用一种圆柱形抛光工具自身的高速旋转及从其内部由多个气流孔喷出的高速气流共同作用，将圆柱形抛光工具周边的液-固两相磨粒流驱动形成高速旋流，利用高速旋流对磨粒流中磨粒的驱动效果来达到对变曲率截面管形工件表面的精密切削作用，加工后工件内壁表面具有很低的表面粗糙度和较高的面形精度，且没有加工变质层和亚表面损伤；

2）本发明通过采用精密三轴伺服驱动系统来驱动所述圆柱形抛光加工工具实时沿着所述变曲率截面管形工件内壁面运动，同时沿着所述变曲率截面管形工件轴线方向进行来回往复运动，进而保证所述圆柱形抛光工具可以对不同尺寸的所述变曲率截面管形工件内壁面进行全方位的高效、均匀的精密抛光加工；

3）本发明利用液固两相磨粒流在抛光系统中反复对所述变曲率截面管形工件进行抛光加工，可以提高所述磨粒流的利用效率，并可以通过离心泵有效过滤加工残留物以减少污水排放，实现清洁加工，节约能源，绿色环保。

附图说明

图1为本发明装置的第一轴侧图结构示意图；

图2为本发明装置的第二轴侧图结构示意图；

图3为本发明的气流辅助磨粒流抛光加工原理剖视图；

图4为本发明图3的俯视图。

图中：1-机架，2-机架面板，3-三轴伺服驱动系统安装架，4-X轴精密伺服驱动滑台，5-X轴驱动连接板Ⅰ，6-Y形连接件Ⅰ，7-Y轴精密伺服驱动滑台，8-Y轴直线导轨，9-伺服电机安装板，10-伺服电机，11-联轴器，12-Z轴精密伺服驱动滑台，13-Z轴滑动安装板，14-齿轮驱动安装板，15-气管接口，16-齿轮轴锁紧螺母，17-直齿圆柱齿轮Ⅰ，18-圆柱形抛光加工工具，18a-气流孔，19-Y轴驱动系统安装板，20-Y形连接件Ⅱ，21-X轴驱动连接板Ⅱ，22-X轴直线导轨，23-加工储液槽，24-变曲率截面管形工件， 25-水箱，26-第一管道，27-第二管道，28-离心泵，29-直齿圆柱齿轮Ⅱ。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

参照附图1-4，本发明的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，用于抛光变曲率截面管形工件，它包括安装机架，所述安装机架为双层架构，包括机架1和机架面板2，所述机架面板2上设置三轴伺服驱动系统安装架3，所述机架面板2表面中部安装有加工储液槽23；三轴伺服驱动系统安装架3用来安装精密三轴伺服驱动系统，磨粒流循环系统安装在安装机架上，伺服电机驱动系统安装在三轴伺服驱动系统安装架3上，圆柱形抛光加工工具18由精密三轴伺服驱动系统夹持着固定在加工储液槽23中，圆柱形抛光加工工具18顶部与伺服电机驱动系统的输出轴连接，由伺服电机驱动系统驱动其旋转，圆柱形抛光加工工具18的转速设定为500-5000r/min；变曲率截面管形工件24置于磨粒流循环系统的加工储液槽23内，圆柱形抛光加工工具18内置于变曲率截面管形工件中，且圆柱形抛光加工工具18与变曲率截面管形工件24的轴线相互平行，圆柱形抛光加工工具18的外壁面与变曲率截面管形工件24的内壁面相贴近，形成局部微距缝隙区域，所述微距缝隙距离小于1mm。

如图所示，所述精密三轴伺服驱动系统包括X轴精密伺服驱动滑台4、X轴驱动连接板Ⅰ5、Y形连接件Ⅰ6、Y轴精密伺服驱动滑台7、Y轴直线导轨8、Z轴精密伺服驱动滑台12、Z轴滑动安装板13、Y轴驱动系统安装板19、Y形连接件Ⅱ20、X轴驱动连接板Ⅱ21、X轴直线导轨22及齿轮驱动安装板14，所述X轴直线导轨22分别为两个，X轴精密伺服驱动滑台4固定在三轴伺服驱动系统安装架3相对两边上，X轴直线导轨22与X轴精密伺服驱动滑台4配合连接，其中一个X轴直线导轨22上部通过X轴驱动连接板Ⅰ5连接Y形连接件Ⅰ6，另一个X轴直线导轨22上部通过X轴驱动连接板Ⅱ21连接Y形连接件Ⅱ20；所述Y轴驱动系统安装板19两端连接Y形连接件Ⅰ6和Y形连接件Ⅱ20，Y轴精密伺服驱动滑台7固定在Y轴驱动系统安装板19上并与Y轴直线导轨8配合连接；所述Z轴滑动安装板13固定在Y轴驱动系统安装板19中部，Z轴精密伺服驱动滑台12固定在Z轴滑动安装板13上，且与齿轮驱动安装板14连接，所述齿轮驱动安装板14能在Z轴精密伺服驱动滑台12上上下滑动，齿轮驱动安装板14用于夹持圆柱形抛光加工工具18。

所述伺服电机驱动系统包括伺服电机安装板9及伺服电机10，所述伺服电机安装板9固定在齿轮驱动安装板14上，伺服电机10安装在伺服电机安装板9上，伺服电机10通过联轴器11连接直齿圆柱齿轮Ⅱ29，直齿圆柱齿轮Ⅱ29与直齿圆柱齿轮Ⅰ17啮合连接，直齿圆柱齿轮Ⅰ17的输出轴与圆柱形抛光加工工具18连接，并由齿轮轴锁紧螺母16固定，伺服电机10带动圆柱形抛光加工工具18旋转。

所述磨粒流循环系统包括设置在机架面板2中心位置的加工储液槽23、设置在机架1侧面的水箱25，所述水箱25内设有离心泵28，离心泵28连接第一管道26一端，第一管道26另一端插入加工储液槽23内，加工储液槽23底部出液口连接第二管道27一端，第二管道27另一端插入水箱25内，使加工储液槽23和水箱25之间形成磨粒流循环，第一管道26和第二管道27均由一组水管经过直角形转接头连接构成。

所述圆柱形抛光加工工具18为圆柱形结构，其上端面中心处开有螺纹孔接头，所述螺纹孔接头与伺服电机驱动系统的输出轴连接，所述螺纹孔接头上的螺纹孔设为气管接口15，将压缩空气注入到圆柱形抛光加工工具18的内腔中形成气腔，圆柱形抛光加工工具18壁面开有多个以一定形式排列的气流孔18a，气腔中的高速气流通过气流孔18a均匀喷出，对圆管形工件24进行抛光加工，为了提高抛光效果，本发明将所述气流孔18a倾斜设置在圆柱形抛光加工工具18壁面上，气流孔18a为圆形孔，可以环形、螺旋形或人字形排列在圆柱形抛光加工工具18壁面上。所述气流孔18a的形状参数有三个：直径、深度、气流孔与壁面的夹角即倾斜角度，气流孔直径和倾斜角度可以根据实际需要设定，其深度由倾斜角度与圆柱形抛光加工工具18的壁厚决定。所述气流孔18a出口处的气流压力为0.15-0.6Mpa。

所述磨粒流是由磨粒和水或轻质油均匀混合而成的抛光流体介质，所述磨粒为二氧化硅、碳化硅或氧化铝，该磨粒粒径为8-500nm。

如图所示，本发明的抛光加工工艺如下：

1）圆柱形抛光加工工具18的定位：按照设定的圆柱形抛光加工工具18与变曲率截面管形工件24之间的缝隙距离，抛光前将圆柱形抛光加工工具18放至变曲率截面管形工件24内表面任一侧，开启精密三轴伺服驱动系统，先将X轴直线导轨22在X轴精密伺服驱动滑台4上滑动，至圆柱形抛光加工工具18与变曲率截面管形工件24在X轴方向达到设定距离，再通过调节Y轴直线导轨8在Y轴精密伺服驱动滑台7上的位置，至圆柱形抛光加工工具18与变曲率截面管形工件24在Y轴方向达到设定距离，Z轴的距离可以根据实际需要，调节齿轮驱动安装板14在Z轴精密伺服驱动滑台12上的位置，位置调好后，开始抛光工作；

2）抛光开始：加工开始时，先通过气管接口15向所述圆柱形抛光加工工具18内通入高速气流，所述高速气流通过均布在所述圆柱形抛光加工工具18壁面的气流孔18a高速均匀喷出，随后启动所述离心泵28，将磨粒流输送到加工储液槽23中，磨粒流将完全充满柱形抛光加工工具18与变曲率截面管形工件24之间的微距缝隙区域，最后开启伺服电机驱动系统的伺服电机10，驱动所述圆柱形抛光加工工具18高速旋转，进而在微距缝隙区域形成高速旋流磨粒流，结合气流孔18a高速喷出的高速气流，两者共同作用，对所述变曲率截面管形工件24内壁表面进行高效精密抛光加工，在加工的同时，其精密三轴伺服驱动系统持续工作，抛光过程中X、Y轴实时驱动抛光工具沿工件内表面截面曲线运动，仍需保持上述缝隙距离不变，以达到整个抛光过程的均匀去除效果，从而提高表面质量，而Z轴可利用其运动进行更大轴向尺寸范围的抛光。

本发明的精密三轴伺服驱动系统主要是用于对圆柱形抛光加工工具18的定位，即为了达到均匀的去除效果，提高抛光质量，在加工过程中，所述精密三轴伺服驱动系统驱动圆柱形抛光加工工具18沿着所述变曲率截面管形工件24内壁近壁处做变曲率曲线运动，始终使圆柱形抛光加工工具18的外壁面与变曲率截面管形工件24的内壁面在局部加工区域的距离小于1mm，所述精密三轴伺服驱动系统的Z轴精密伺服驱动滑台12驱动圆柱形抛光加工工具18进行Z轴方向上来回往复运动，进而提高抛光加工的均匀性。

本说明书实施例所述内容仅仅是对本发明构思所实现形式的部分列举，本发明的保护范围不应当仅局限于实施例所述的具体形式，本发明的保护范围及于本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，用于抛光变曲率截面管形工件，包括安装机架，其特征在于所述安装机架上设置精密三轴伺服驱动系统、磨粒流循环系统及伺服电机驱动系统，圆柱形抛光加工工具连接用于定位其位置的精密三轴伺服驱动系统和驱动其自身旋转的伺服电机驱动系统，圆柱形抛光加工工具及变曲率截面管形工件置于磨粒流循环系统内，圆柱形抛光加工工具内置于变曲率截面管形工件中，且圆柱形抛光加工工具与变曲率截面管形工件的轴线相互平行，圆柱形抛光加工工具的外壁面与变曲率截面管形工件的内壁面相贴近，抛光工作中，所述安装机架为双层架构，包括机架（1）和机架面板（2），所述机架面板（2）上设置用来安装精密三轴伺服驱动系统的三轴伺服驱动系统安装架（3），所述机架面板（2）表面中部安装有加工储液槽（23），所述伺服电机驱动系统包括伺服电机安装板（9）及伺服电机（10），所述伺服电机安装板（9）固定在齿轮驱动安装板（14）上，伺服电机（10）安装在伺服电机安装板（9）上，伺服电机（10）通过联轴器（11）连接直齿圆柱齿轮Ⅱ（29），直齿圆柱齿轮Ⅱ（29）与直齿圆柱齿轮Ⅰ（17）啮合连接，直齿圆柱齿轮Ⅰ（17）的输出轴与圆柱形抛光加工工具（18）连接，并由齿轮轴锁紧螺母（16）固定，伺服电机（10）带动圆柱形抛光加工工具（18）旋转，所述圆柱形抛光加工工具（18）为圆柱形结构，其上端面中心处开有螺纹孔接头，所述螺纹孔接头与伺服电机驱动系统的输出轴连接，所述螺纹孔接头上的螺纹孔设为气管接口（15），将压缩空气注入到圆柱形抛光加工工具（18）的内腔中形成气腔，圆柱形抛光加工工具（18）壁面开有多个气流孔（18a），气腔中的高速气流通过气流孔（18a）均匀喷出，对变曲率截面管形工件（24）进行抛光加工，所述气流孔（18a）倾斜设置在圆柱形抛光加工工具（18）壁面上。

2.根据权利要求1所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述精密三轴伺服驱动系统包括X轴精密伺服驱动滑台（4）、X轴驱动连接板Ⅰ（5）、Y形连接件Ⅰ（6）、Y轴精密伺服驱动滑台（7）、Y轴直线导轨（8）、Z轴精密伺服驱动滑台（12）、Z轴滑动安装板（13）、Y轴驱动系统安装板（19）、Y形连接件Ⅱ（20）、X轴驱动连接板Ⅱ（21）、X轴直线导轨（22）及齿轮驱动安装板（14），所述X轴直线导轨（22）分别为两个，X轴精密伺服驱动滑台（4）固定在三轴伺服驱动系统安装架（3）相对两边上，X轴直线导轨（22）与X轴精密伺服驱动滑台（4）配合连接，其中一个X轴直线导轨（22）上部通过X轴驱动连接板Ⅰ（5）连接Y形连接件Ⅰ（6），另一个X轴直线导轨（22）上部通过X轴驱动连接板Ⅱ（21）连接Y形连接件Ⅱ（20）；所述Y轴驱动系统安装板（19）两端连接Y形连接件Ⅰ（6）和Y形连接件Ⅱ（20），Y轴精密伺服驱动滑台（7）固定在Y轴驱动系统安装板（19）上并与Y轴直线导轨（8）配合连接；所述Z轴滑动安装板（13）固定在Y轴驱动系统安装板（19）中部，Z轴精密伺服驱动滑台（12）固定在Z轴滑动安装板（13）上，且与齿轮驱动安装板（14）连接，所述齿轮驱动安装板（14）能在Z轴精密伺服驱动滑台（12）上上下滑动，齿轮驱动安装板（14）用于夹持圆柱形抛光加工工具（18）。

3.根据权利要求1所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述磨粒流循环系统包括设置在机架面板（2）中心位置的加工储液槽（23）及设置在机架（1）侧面的水箱（25），所述水箱（25）内设有离心泵（28），离心泵（28）连接第一管道（26）一端，第一管道（26）另一端插入加工储液槽（23）内，加工储液槽（23）底部出液口连接第二管道（27）一端，第二管道（27）另一端插入水箱（25）内，使加工储液槽（23）和水箱（25）之间形成磨粒流循环。

4.根据权利要求3所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述磨粒流是由磨粒和水或轻质油均匀混合而成的抛光流体介质。

5.根据权利要求4所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述磨粒为二氧化硅、碳化硅或氧化铝。

6.根据权利要求1所述的一种变曲率截面内柱面气流辅助磨粒流抛光加工装置，其特征在于所述圆柱形抛光加工工具的外壁面与变曲率截面管形工件的内壁面在局部加工区域的距离小于1mm。