CN105479307B - 一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置 - Google Patents

一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置 Download PDF

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Abstract

一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置，它是由电机(01)，摆动振动机构(02)，抛光动力头(03)和抛光工具(04)组成，电机(01)通过法兰盘(22)与摆动振动机构(02)的机身(23)相连，抛光动力头(03)通过4个固定螺钉安装在摆动振动机构(02)的机身(23)上，抛光工具(04)通过连接架(33)与抛光动力头(03)相连，跟随其做摆动运动。本发明是一种利用扭转振动器使抛光工具绕着工具母线或被加工圆弧截线中心回转中心摆动，同时工具绕工具轴线高速转动的抛光装置，使抛光工具上的更多磨料颗粒都能对被加工表面上的所有点进行均等的抛光加工，达到提高复杂曲面抛光质量和抛光效率的目的。

Description

一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置
技术领域
本发明涉及一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置，它是一种通过使抛光工具接触点处的工具母线绕着其母线圆心摆动或绕着被加工曲面的一个圆弧截线的圆心摆动以增加对同一点抛光的磨粒数量，或在工件的凹凸圆弧过渡面上加工出接近过渡面圆弧方向的网纹的新型抛光方法。它在传统机械抛光的基础上增加了垂直抛光方向的摆动运动以及通过具有径向柔性的抛光轮实现与工件之间的较大面积接触以去除刀纹，该装置可以通过增加对同一点作用的磨粒来提高曲面抛光的一致性，还可以通过摆动运动在过渡曲面上形成有利于提高疲劳强度的纹路。该装置可以应用于叶片等的全型面的高质量抛光加工，属于机械加工技术领域。
背景技术
抛光是指利用机械、化学等作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。机械抛光利用砂带、抛光轮等抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行光整加工。抛光的理论研究不断深入，如北京航空航天大学陈五一、陈志同等开展了五轴联动砂轮磨削抛光航空发动机叶片的相关研究，对采用鼓形砂轮周磨复杂自由曲面的刀位计算进行优化，重庆大学刘瑞杰、黄云针通过提高砂带线速度，选用合理的磨削压力、砂带磨料和采用高粒度号的砂带等有效防止磨削烧伤和裂纹的产生，相应的抛光仪器设备仍需进一步完善，传统的抛光装置如砂带或抛光轮等一般只提供工具某一截面上的磨料在该截面上的运动，并同时对工件上的一个点进行加工，由于每个工具截面上最高磨料的高度不能完全一致而产生波动，会在工件加工表面留下明显的痕迹，难以满足复杂曲面抛光的需要。如果让工具上不同横截面上的点更多参与抛光，待抛光曲面上的很多点都能得到更多磨粒的抛光加工，这样得到的表面的粗糙度和纹理方向可以得到显著改善。同时，工件表面上有很多圆弧过渡区域如叶片根部、叶片进排气边等，这些区域的自动化抛光一直是难点，降低粗糙度、提高效率、改变纹理方向使之朝向有利于提高疲劳强度的方向具有重要意义。本发明基于平面抛光时抛光过程通过提供砂纸相对工件的行星运动确保砂纸上的几乎所有磨粒都能对工件上的每一点进行加工从而提高表面质量的机理，在曲面加工时通过增加抛光工具的运动而确保更多的磨粒能对工件上的所有点进行均等机会的加工，提出一种可驱动抛光工具绕其母线中心摆动或绕被加工凹或凸的圆弧过渡区域的截面线圆心摆动的偏置摆动机构，利用该机构实现曲面的高质量抛光或研磨加工，同时用于解决过渡曲面的高效率加工难题。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置，它是一种利用扭转振动器使抛光工具绕着工具母线或被加工圆弧截线中心回转中心摆动，同时工具绕工具轴线高速转动的抛光装置，其目的是使抛光工具上的更多磨料颗粒都能对被加工表面上的所有点进行均等的抛光加工，或使抛光工具同时绕自身轴线和被加工圆弧过渡区域圆心摆动的抛光加工，达到提高复杂曲面抛光质量和抛光效率的目的。
2、技术方案：图1a-d为本摆动抛光装置的原理图。其中图1a是砂带抛光工具和砂带轮或其它抛光轮工具的等效性原理图，该图中，当砂带S1或抛光轮S2对工件W的同一点进行加工时，砂带上与工件接触的点和抛光轮上与工件接触的点具有相同的曲率半径，其运动轨迹和功能是相同的，因此可以把砂带等效成具有相应曲率半径的抛光轮。图1b表明的是研磨抛光的基本原理。其中O点为抛光轮T回转中心，S为抛光轮上的磨粒，抛光轮绕一个通过接触点P的母线增加摆动运动A后，抛光轮上更多的磨粒有机会与工件W上的P点接触，这样不仅能够避免局部突变纹理的产生，还能够使抛光轮上的更多磨粒参与工作以便于显著提高抛光轮的使用寿命和有效控制加工表面完整性，最终达到延长工件寿命的目的。图1c、图1d分别是利用凸母线抛光轮对凹曲面进行抛光及利用凹母线抛光轮对凸曲面进行抛光的原理图，其中P为抛光轮与工件表面的接触点，C和Ct分别是待加工曲面和抛光工具的圆弧中心，R和Rt分别C和Ct的圆弧半径，Mt是抛光轮与工件的接触区域，Mw是工件W的过度圆弧表面，抛光工具T绕工件W过渡圆弧中心C摆动可以使磨料S在工件曲面上生成波动的轨迹，这种轨迹可以提高加工行宽和保证表面加工质量的一致性。
本发明一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置，它是一种采用鼓形砂带或砂带轮(或其它具有类似形状的抛光轮)对曲面或过渡圆弧截线曲面抛光加工的摆动抛光装置，是由电机01，摆动振动机构02，抛光动力头03和抛光工具04等组成，如图3所示。它们相互之间的位置连接关系是：电机01通过法兰盘22与摆动振动机构02的机身23相连，抛光动力头03通过4个固定螺钉安装在摆动振动机构02的机身23上，抛光工具04通过连接架33与抛光动力头03相连，跟随其做摆动运动。
所述电机01是作为振动动力源的电机，频率为40HZ，为偏心轮提供回转运动，同时动力源也可以采用气缸或液压缸。
所述摆动振动机构02，包括配重块21，机身23，第一振动弧板24，第二振动弧板24‘，偏心轮25，27，滑块26,26‘等5部分构成。它们相互之间的位置连接关系是：偏心轮1 25，偏心轮2 27与电机共轴，在电机的带动下做匀速回转运动，偏心轮嵌套在滑块26内部，带动滑块运动；滑块可在振动弧板内腔中上下滑动，4个滑动轴承用于固定振动弧板运动轨迹，最终实现从电机的回转运动到滑台的连续摆动。两个偏心轮相对180°放置，各自带动一个滑块运动。当偏心轮位于图中所示位置时(即达到上、下方向最大值)，振动弧板处于中心位置，当偏心轮位于左右方向最大值时，摆动幅度达到临界值。采用凸母线抛光轮、凹母线抛光轮和砂带进行研抛时需要使这些工具的母线的中心与摆动机构的中心即轴心C6重合。当需要加工特定的凹或凸的圆弧时，可以调整使摆动中心与工具母线上特定点的摆动圆弧半径与被加工曲面圆弧半径相同。所述的振动弧板24的运动轨迹由4组轴承限定，也可以采用滑动结构或标准的圆弧导轨单元实现。为了避免机构的振动传递到机床上，本发明同时采用两个运动方向相反的振动弧板平衡左右方向上的力，它们在同一电机驱动下做对称运动。第二振动弧板24‘与滑台等相连，其质量大于第一振动弧板24，为平衡质量差在第二振动弧板24‘上面加上配重块，配重块使用密度较大的高温合金。
所述抛光动力头03具有多种可选结构，如本图中采用的是砂带动力头(动力通过软轴传递，未画出)，包括气缸活塞31，滑台32，连接架33及调节螺钉35。该动力头附带有可上下运动的滑动单元和力控机构，确保砂带与工件之间的接触力在许可范围之内。其中滑台32与气缸活塞31相接触，气缸活塞提供可调整的、往下的压紧力，该压紧力可以根据曲面的曲率进行调整，调节螺钉量程7.5mm,精度0.1mm，可以精确调节径向的刚性。
所述抛光工具04为抛光砂带，包括砂带机41和抛光砂带42，砂带机通过连接架34装在滑台上，从而随滑台实现摆动。同时可以采用抛光主轴驱动的抛光轮替代上述砂带动力头，其中的力控机构需要将砂带上的力控机构方向旋转90度得到。
3、优点及功效：本发明一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置的优点是：1)实现抛光过程中的摆动运动，达到研抛的效果，大大提高抛光的表面精度；2)通过气缸活塞与滑台相接触，使抛光装置如砂带等具有径向的柔性，径向的刚性可通过调节螺母进行调节，从而适应不同类型的加工件；3)通过增加对同一点作用的磨粒来提高曲面抛光的一致性，还可以通过摆动运动在过渡曲面上形成有利于提高疲劳强度的纹路，有效提高工件寿命；4)对于复杂曲面如圆弧等通过抛光工具的摆动可以使磨料在工件曲面上生成波动的轨迹，这种轨迹可以提高加工行宽，提高抛光效率。
附图说明
图1a砂带与砂带轮抛光等效性示意图。
图1b研抛的原理示意图。
图1c凹表面的摆动抛光示意图。
图1d凸表面的摆动抛光示意图。
图2研抛装置摆动机构主视图。
图3摆动砂带研抛装置等轴测图。
图4摆动机构剖视图A-A。
图5摆动机构剖视图B-B。
图6摆动砂带研抛装置三维图。
图中符号意义如下：
S1砂带、S2抛光轮、W工件、O抛光轮回转中心、B抛光杆、T抛光轮、S磨粒、A摆动运动、P抛光工具与工件接触点、Ct抛光轮圆弧中心、C工件过度圆弧表面圆弧中心、Mt抛光轮上与工件接触区域、Mw工件过度圆弧表面、R工件过度圆弧表面半径、Rt抛光轮圆弧半径
01电机、02摆动振动机构、03抛光动力头、04抛光工具、21配重块、22法兰盘、23机身、24第一振动弧板、24’第二振动弧板、25偏心轮1、26滑块1、26’滑块2、27偏心轮2、28轴承、31活塞、32滑台、33连接架、34软轴、35调节螺钉、41砂带机、42砂带
M1,M2,M3,M4滚动轴承、R1滚动轴承M1,M2半径、R2滚动轴承M3，M4半径、C6摆动机构摆动中心、T1凹母线抛光轮、T2凸母线抛光轮、T3抛光砂带、C1凹母线抛光轮母线上特定点摆动中心、C2抛光砂带母线上特定点摆动中心、C3凸母线抛光轮母线上特定点摆动中心、C4被加工曲面特定点圆弧中心、C6轴心。
具体实施方式
见图1a-图6，以下结合附图说明本发明的实施例。
图1c，1d是基于摆动机构的抛光轮研抛复杂曲面的具体实施例。其中图1c是利用凸母线抛光轮对凹曲面进行抛光，鼓形抛光轮自身跟随主轴绕着回转中心O运动，根据工件W凹曲面曲率半径Wr的不同，调节摆动运动A，使工具T绕工件W过渡圆弧中心摆动，使磨粒S在工件曲面上生成波动的轨迹，将具有单一方向的水平刀纹变成沿各个方向的乱纹，这种轨迹可以提高加工行宽和保证表面加工质量的一致性。图1d是利用凹母线抛光轮对凸曲面进行抛光的原理图，此时使抛光工具T绕工件W过渡圆弧中心摆动，可以使磨料在工件曲面上生成波动的轨迹，这种轨迹可以提高加工行宽和保证表面加工质量的一致性。根据待抛光工件表面曲率的不同，改变摆动机构曲率半径和摆动幅度来调节抛光轮的摆动情况。由于抛光轮所在的滑台与汽缸活塞相连，通过调节汽缸活塞对滑台的压紧力，改变抛光轮对工件的压紧量，从而实现径向的柔性调节。
图2为研抛装置摆动机构主视图，M1,M2,M3,M4为4个滚动轴承，用于确定振动弧板的运动轨迹。振动弧板的摆动圆弧半径R＝(R1+R2)/2，4个滚动轴承组成的两个圆弧共轴心C6，能很好保证抛光砂带以其为轴心进行摆动运动。根据抛光工件的圆弧大小选用相应曲率半径的砂带，轴心C6和摆动圆弧半径R可针对不同加工件进行设计，使其圆弧大于或等于被抛光工件圆弧大小，且抛光工具绕着回转中心转动的同时还绕其母线的中心摆动，这样抛光工具上的更多磨粒能够对被加工表面上的点进行抛光。图中对几种抛光工具与摆动机构的关系做了说明。抛光复杂曲面时，凹母线抛光轮T1、凸母线抛光轮T2及鼓形砂带T3的母线中心与摆动机构的中心即轴心重合(图中C6)。同时凹母线抛光轮T1、砂带T3、凸母线抛光轮T2上特定点的摆动中心C1、C2、C3与被加工圆弧中心C4共圆，从而保证摆动中心、工具母线上特定点的摆动圆弧半径与被加工曲面圆弧半径相同。
图3为摆动砂带研抛装置的具体实施例，电机通过法兰盘22与摆动机构的机身23相连，电机01的轴心与两个偏心轮25，27的轴心保持一致，从而带动其做匀速回转运动，通过改变电机转速、功率等参数满足不同工件抛光要求。为了避免机构的振动传递到机床上，同时采用两个运动方向相反的第一振动弧板24和第一振动弧板24’平衡左右方向上的力，它们在同一电机驱动下做对称运动。第一振动弧板和第二振动弧板分别由各自的偏心轮和滑块带动。从图2中可看出，偏心轮25与偏心轮27与电机同轴心且对称于轴心，因此当偏心轮25带动第一振动弧板运动时，偏心轮27带动第二振动弧板向相反方向运动，从而达到左右方向上的平衡。图中偏心轮25位于最高点，相对应偏心轮27处于最低点，两个振动弧板摆动幅度均为最小值；当偏心轮25和27处于左右位置临界点，两个振动弧板幅度为最大值。滑台32与第二振动弧板相连，随其做周期性摆动。砂带机41通过连接架33与滑台32相连，从而随滑台实现摆动。为保证摆动砂带抛光装置的径向柔性，滑台与气缸活塞31相接触，气缸活塞可以连续平稳的调节对滑台的压紧力，该压紧力由加工试件的曲面曲率及材料性能共同决定，径向的刚性由量程7.5mm,精度0.1mm的调节螺钉62进行调节。
图4为摆动机构剖视图A-A，图中24，24’分别为第一振动弧板和第二振动弧板，它们各自有一组偏心轮和滑块，两组偏心轮与电机共轴，在电机的带动下推动各自的滑块运动。两个振动弧板做对称运动，用于平衡左右方向上的振动，其质量差通过配重块平衡。
图5为摆动机构在两个滑块接触面上的剖视图B-B，图中可以看出4个滚动轴承及滑块的装配情况。
图6为摆动砂带研抛装置三维图，从图中可看出滑台带动汽缸活塞、砂带机等的摆动情况，同时可看到调节螺钉、汽缸活塞等的安装位置。

Claims (1)

1.一种用于复杂曲面抛光加工的摆动抛光装置，其特征在于：它是由电机(01)，摆动振动机构(02)，抛光动力头(03)和抛光工具(04)组成，电机(01)通过法兰盘(22)与摆动振动机构(02)的机身(23)相连，抛光动力头(03)通过4个固定螺钉安装在摆动振动机构(02)的机身(23)上，抛光工具(04)通过连接架(33)与抛光动力头(03)相连，跟随其做摆动运动；
所述电机(01)是作为振动动力源的电机，频率为40HZ，为偏心轮提供回转运动，同时动力源也能采用气缸或液压缸；
所述摆动振动机构(02)，包括配重块(21)，机身(23)，第一振动弧板(24)、第二振动弧板(24‘)，偏心轮1(25)、2(27)，滑块1(26)、2(26‘)共5部分构成；偏心轮1(25)，偏心轮2(27)与电机共轴，在电机的带动下做匀速回转运动，偏心轮嵌套在滑块内部，带动滑块运动；滑块在第一振动弧板和第二振动弧板内腔中上下滑动，4个滑动轴承用于固定第一振动弧板和第二振动弧板运动轨迹，最终实现从电机的回转运动到滑台的连续摆动；两个偏心轮相对180°放置，各自带动一个滑块运动；当偏心轮达到上、下方向最大值时，第一振动弧板和第二振动弧板处于中心位置；当偏心轮位于左、右方向最大值时，摆动幅度达到临界值；采用凸母线抛光轮、凹母线抛光轮和砂带进行研抛时需要使这些工具的母线的中心与摆动机构的中心即轴心(C6)重合；当需要加工特定的凹或凸的圆弧时，调整使摆动中心与工具母线上特定点的摆动圆弧半径与被加工曲面圆弧半径相同；所述的第一振动弧板(24)的运动轨迹由4组轴承限定，也能采用滑动结构或标准的圆弧导轨单元实现；为了避免机构的振动传递到机床上，同时采用两个运动方向相反的振动弧板平衡左右方向上的力，它们在同一电机驱动下做对称运动，第二振动弧板(24‘)与滑台相连，其质量大于第一振动弧板(24)，为平衡质量差在第二振动弧板(24‘)上面加上配重块，配重块使用高温合金；
所述抛光动力头(03)具有多种可选结构，现采用的是砂带动力头，包括气缸活塞(31)，滑台(32)，连接架(33)及调节螺钉(35)；该动力头附带有能上下运动的滑动单元和力控机构，确保砂带与工件之间的接触力在许可范围之内；其中滑台(32)与气缸活塞(31)相接触，气缸活塞提供能调整的、往下的压紧力，该压紧力根据曲面的曲率进行调整，调节螺钉量程7.5mm,精度0.1mm，能精确调节径向的刚性；
所述抛光工具(04)为抛光砂带，包括砂带机(41)和抛光砂带(42)，砂带机通过连接架(34)装在滑台上，从而随滑台实现摆动；同时，采用抛光主轴驱动的抛光轮替代上述砂带动力头，其中的力控机构需要将砂带上的力控机构方向旋转90度得到。
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