CN105881185B - 一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，该方法是通过高速流动的磁流变抛光液在移动的磁性体产生的磁场作用下磁流变抛光液中的铁磁粒子将磨料微粒包裹、约束在工件孔的内表面，形成高速流动的柔性抛光磨刷，对被加工的工件孔内表面进行往复运动摩擦去除毛刺和降低孔内表面的粗糙度，实现了各类型的孔内表面去毛刺和确定性抛光。本发明还提供了一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，该装置由抛光机构、磁性体、夹持机构、滑动导轨和驱动电机构成，通过驱动电机驱动磁性体使抛光液在孔内高速往复运动来实现抛光打磨。本发明能够解决特殊孔难抛光以及抛光效率低的问题，具有精度高、加工效率高、损伤小、成本低的优点。

Description

一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置

技术领域

本发明涉及超精密加工，尤其涉及一种针对特殊孔(不规则异型孔、螺纹孔、膛线孔、细微孔等)内表面进行抛光的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置。

背景技术

随着现代科技进步，各种特殊孔在航天、航空、汽车、武器、电器、化工、液压、医疗等行业中的应用越来越广泛，如枪炮管的膛线孔、精密机床中的螺纹孔、内燃机燃料喷嘴等，其中枪炮管的膛线孔精度要求变形量不超过1μm以及内表面粗糙度达到0.2μm以上。目前对这些特殊孔的加工精度和表面质量要求也越来越严格，利用常规的技术加工这类特殊孔后内表面精度都不够理想，难以满足产品日益提高的精密化的质量要求，需要进一步抛光才能满足其使用要求，因而亟需能高效、高精度对这些特殊孔内表面进行超精密抛光的技术。

目前运用于孔的加工方法主要有：机械钻孔、激光打孔、电火花加工等。但是，用机械钻孔的方法，在孔的出口处会留下毛刺，这种毛刺会影响使用效果；用激光和电火花加工都会在孔壁处留下再铸层，从而影响孔的使用寿命，使孔的表面质量发生恶化，因此需要对这类孔的内表面进行抛光。而目前对特殊孔的抛光方法主要有传统抛光、离子束抛光、气囊抛光、磨料射流抛光等。传统抛光主要是靠人工采用柔性毛刷对内孔进行来回擦拭抛光，不仅劳动强度大、效率低、损害工人的健康，而且无法适用于细长孔和微孔等。离子束抛光等可获得极高的表面粗糙度，但材料去除率极低，通常仅用于CMP等抛光工艺后，进一步减小工件表面损伤层，提高表面质量，且加工成本高。气囊抛光去除率有限，抛光方法及装置复杂，主要运用于非球面光学元件的抛光。但这些方法最大的缺陷是不适合细长孔和微细孔的加工，尤其是细长螺旋孔的抛光就更无能为力，这是由于这些抛光方法需要将抛光工具深入到孔内表面近距离进行抛光，细长孔的尺寸限制要求抛光工具必须非常细长，而这些抛光方法的抛光工具由于工艺要求不可能做到这一点，这就限制了这些抛光方法在细长孔和微细孔内表面抛光的应用。

常用的磨粒射流抛光技术(如水射流抛光、气射流抛光)的优点很多，应用前景也较好，其主要通过由喷嘴小孔高速喷出的混有细小磨料粒子的抛光液作用于工件表面,通过磨料粒子的高速碰撞剪切作用达到磨削去除材料的射流抛光原理。由于这些射流抛光技术中微磨粒射流离开喷嘴后会迅速发散，不能形成准直的加工束，因而需要喷嘴近距离接触工件表面进行微抛光，另外由于喷嘴尺寸较小，在微磨料射流加工过程中，极易堵塞，造成射流抛光效率较低。更为重要的是，目前的水射流或者气射流技术都是采用单喷嘴方式进行抛光加工，加工作用点小，加工效率较低，而且，由于采用单喷嘴近距离抛光，如果要加工内孔，需要将喷嘴伸入内孔内，这就要求内孔孔径要能够容纳喷嘴的放入，限制了欲抛光的内孔孔径，对于内孔中的非直线沟槽(如螺旋槽、膛线等)也无法顺利抛光。

磨料流加工(Abrasive Flow Machining，简称“AFM”)在国内也称为挤压珩磨，其原理是在挤压珩磨机作用下挤压半固状磨粒对被加工的零件表面进行摩擦，从而对零件表面进行抛光。但磨料流抛光技术尚未得到很好应用，由于半固相磨粒流是磨粒相对于被加工表面的挤压运动实现的，孔越小则抛光工艺越难以实现，所需要的挤压力越大，因而目前磨粒流工艺无法抛光孔径小于50微米的微孔、集群阵列微孔、细长孔；另一方面，目前磨粒流抛光装置主要靠挤压珩磨机挤压半固相磨粒流在工件孔道内缓慢流动，则磨粒流压强小、流速慢、加工效率低，同时慢速流动的磨粒会划伤工件表面影响加工精度。因此，磨粒流如何高压、高速射入工件孔道便是需要解决的难题。再者现有的磨粒流抛光方法及装置不能兼顾大直径的不规则孔、细长孔的抛光，且磨粒流抛光装置结构复杂，操作难，造价高。

发明内容

本发明的目的在于，针对特殊孔(不规则异型孔、螺纹孔、膛线孔、细微孔等)难抛光以及抛光效率低的问题，提供一种精度高、加工效率高、损伤小、成本低的基于磁流变效应的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法。

本发明的另一目的在于，提供一种基于磁流变效应的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，用于简化孔内表面抛光的操作技术，减少工人的劳动强度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于磁流变效应的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，包括如下步骤：在自增压高速磨粒流孔内表面抛光方法基础上采用磁流变效应抛光加工原理，将配制好的磁流变抛光液添加在工件、夹具及流体增压加速机构形成的密闭通道中；磁流变抛光液受一侧的流体增压加速机构的作用下高速射入工件孔内，高速流动的磁流变抛光液在移动的磁性体产生的磁场作用下磁流变抛光液中的铁磁粒子将磨料微粒包裹、约束在工件孔的内表面，形成高速流动的柔性抛光磨刷，对工件孔的内表面进行抛光加工后到达另一侧的流体增压加速机构中，完成工件孔内表面一个方向的抛光；接着，移动的磁性体反向运动，在另一侧的流体增压加速机构的作用下抛光液被压缩加速后高速反向射入工件孔内，再次形成高速流动的柔性抛光磨刷，完成工件孔内表面的反向抛光，完成一个加工循环；通过循环上述加工步骤便可完成整个抛光加工。

作为优选的，所述磁流变抛光液可选用现有的商品化磁流变抛光液，也可以选用其质量份数组成如下的自制磁流变抛光液：液体质量百分比50～60％，铁磁性物质质量百分比30～40％，油酸质量百分比2～3％，磨料质量百分比3～15％，防锈剂质量百分比3～15％；所述液体包括去离子水或油，所述铁磁性物质可选用羰基铁粉、还原铁粉、四氧化三铁粉中的一种或多种组合。

作为优选的，所述磁流变抛光液中加入的磨料包括碳化硅、氧化铝、氧化铈、氮化硼、金刚石、二氧化硅、氮化硅、氧化锆中一种或多种组合。

作为优选的，所述磁性体可以是永磁铁也可以是电磁铁，磁性体安装在环形磁性体安装架上且与工件外表面的间隙可调节，所述磁性体的磁场强度可根据加工条件的要求调整控制。

作为优选的，所述磁性体的移动速度由驱动电机控制，移动方式为往复式；可根据磁流变抛光液的流速来调整磁性体的移动速度和往复频率。

本发明还提供了一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，包括自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构、磁性体、环形磁性体安装架、夹持机构、滑动导轨、驱动电机、以及磁流变抛光液。所述自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构包括两组对称设置于被加工工件的左右两端的流体增压加速机构及夹具，所述流体增压加速机构包括流体增压加速腔体、活塞缸、活塞、活塞杆和驱动单元，所述流体增压加速腔体的一端通过夹具夹紧工件并与工件孔相连通，另一端与所述活塞缸相连通；所述活塞配合连接在所述活塞缸内，并通过所述活塞杆与所述驱动单元连接，所述驱动单元可带动所述活塞在所述活塞缸内往复运动；所述流体增压加速腔体通过夹具夹紧工件并与工件孔相连通，所述磁流变抛光液添加在工件、夹具及流体增压加速机构形成的密闭通道中，所述的磁性体安装在环形磁性体安装架上，环形磁性体安装架间隙配合安装在被加工件的外表面并可在工件外表面做相对运动，所述夹持机构一端夹持环形磁性体安装架，另一端固定安装在所述滑动导轨上，所述滑动导轨由所述驱动电机带动。

作为优选的，所述磁性体设为若干个，可对称均匀地布置在环形磁性体安装架上，也可根据工件内孔的形状规则分布安装在环形磁性体安装架上；所述环形磁性体安装架的圆弧半径可根据加工工件的外径及两者的间隙调整更换，环形磁性体安装架为非磁性材料。

作为优选的，所述夹持机构一端夹持磁性体，另一端固定安装在滑动到轨道的滑块上；所述夹持机构的长度可调节，其材料为非磁性材料。

作为优选的，所述滑动导轨固定安装在自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构的一侧，滑动导轨滑块的运动范围大于所加工工件的长度。

作为优选的，所述驱动电机与滑动导轨连接，驱动滑动导轨的滑块移动，所述驱动电机为速度可控式步进电机。

与现有技术相比，本发明所提供的基于磁流变效应的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置，能够应用到实际的生产环节中，具有成本低、易操作、加工精度及效率高、适用范围广、便于普及等优点；除此之外，本发明还具有如下有益效果：

(1)本发明利用磁流变效应抛光加工原理，使高速流动的磁流变抛光液置于移动的磁性体产生的磁场下，磁流变抛光液中的铁磁粒子在磁场作用下将磨料微粒包裹、约束在工件孔的内表面，形成高速流动的柔性抛光磨刷，在被加工工件的孔内表面进行往复运动，对内孔表面进行摩擦去除毛刺和降低孔内表面的粗糙度，实现了各类型的孔内表面(例如：大直径的不规则孔、枪炮管内的螺旋膛线、螺纹孔及小直径(毫米或者微米级)的微孔等的内表面)去毛刺和抛光。由于抛光液的流变性可控，因而相比传统的磨料流抛光，本发明可以实现对复杂内表面腔体的确定性抛光，获得理想的抛光效果；同时，本发明还可以通过扩展夹持机构，使夹持机构同时夹持多个环形磁性体安装架进行往复运动，明显提高了加工抛光的效率。

(2)本发明通过形成高速流动的柔性抛光磨刷对工件孔的内表面进行摩擦抛光，在确保获得较高效率的同时不引入亚表面损伤，可以高效消除磨削产生的亚表面损伤层。

(3)本发明通过可控式驱动单元的设置，可根据加工工件的精度要求灵活调节活塞移动速度、磁性体的移动速度和往复频率、设置循环抛光次数及时间，使操作更加方便、灵活，有效提高了工件加工精度的可控性，可以获得更高的加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是应用本发明自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置的细长螺旋孔抛光实施例的结构示意图。

图2是应用本发明自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置的磁性体及环形磁性体安装架。

图3是应用本发明自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置的柔性抛光磨刷的工作原理图。

图中：1.驱动单元，2.活塞杆，3.活塞，4.活塞缸，5.流体增压加速腔体，6.夹具，7.具有细长螺旋孔的工件，8.变截面辅助构件，9.磁流变抛光液，10.磁性体，11.夹持机构，12.滑动导轨，13.驱动电机，14.环形磁性体安装架，15.柔性抛光磨刷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

采用附图1所示的装置实现细长螺旋孔(如膛线孔)内表面的抛光。

针对细长螺旋孔的抛光应用的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，包括自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构、磁性体10、环形磁性体安装架14、夹持机构11、滑动导轨12、驱动电机13。所述自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构包括两组对称设置于被加工工件7的左右两端的流体增压加速机构及夹具6。所述流体增压加速机构包括流体增压加速腔体5、活塞缸4、活塞3、活塞杆2和驱动单元1，所述流体增压加速腔体5的一端通过夹具6夹紧工件7，并使工件7定位和固定，且与工件孔相连通，另一端与所述活塞缸4相连通；所述活塞3配合连接在所述活塞缸4内，并通过所述活塞杆2与所述驱动单元1连接，所述驱动单元1可带动所述活塞3在所述活塞缸4内往复运动。所述流体增压加速腔体5、活塞缸4、活塞3、夹具6与工件7形成相连通的密闭通道。所述磁性体10安装在环形磁性体安装架14上，环形磁性体安装架14间隙配合安装在被加工工件7的外表面，并通过所述的夹持机构11夹持固定，所述夹持机构11一端夹持环形磁性体安装架14，另一端固定安装在固定在自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构旁的滑动导轨12的滑块上；所述驱动电机13可通过滑动导轨带动磁性体10在被加工的工件7外表面往复运动。

具体实施时，流体增压加速腔体5优选为变截面腔体，其作用在于通过减小抛光液流动横截面而增加流动速度和压强，实现自增压的目的，从而解决磨粒流压力不足、流动速度慢的难题。流体增压加速腔体5的形状可根据加工工件7的要求以及加工工艺的需要设计其长度和倾斜角度，形成渐变截面腔体(如圆锥状)或者突变截面腔体(如阶梯状)。夹具6的一端以螺纹方式或者以快夹(如卡箍)方式与流体增压加速腔体5的小截面端连接，并有密封机构保证抛光液不泄露，夹具6的另一端通过可调节的夹套与工件7固定连接，夹套内侧留有密封槽，密封槽内装有密封圈，防止抛光液泄漏。驱动单元1采用两对称相关联的连杆机构或者凸轮机构，保证两侧活塞3运动方式一致，即一侧压缩抛光液时，另外一侧刚好泄压，并且驱动单元1优选为可控式的驱动单元。磁性体10优选为方形的永磁铁，环形磁性体安装架14与被加工工件的间隙为2mm，磁性体10的磁场强度大于2000GS。上述抛光装置可根据加工工件7的精度要求调节活塞3和磁性体10的移动速度、设置循环抛光次数及时间，使操作更加方便、灵活，增强工件加工精度的可控性。

此外，上述抛光装置还包括变截面辅助构件8，该变截面辅助构件8a设有卡爪并通过该卡爪固定于工件孔(也即细长螺旋孔)内的中心位置，且与工件孔之间具有一定间距；变截面辅助构件8的作用是进一步减小抛光液的流通截面的面积增加流动速度和压强，同时能够加剧抛光液的紊流形态，抛光液的紊动强度越大磨粒摩擦、碰撞内孔孔壁的机会越多，能够提高加工效率和抛光效果，其直径优选为工件孔的0.8倍，长度优选为工件孔的1.2倍，形状不仅限于直圆柱状，可以是弯曲的，也可以是不规则的外形。

针对细长螺旋孔的抛光应用的自增压高速磨粒流孔内表面抛光方法，其包括如下步骤：

步骤一：将具有细长螺旋孔的工件7用夹具6连接在一起，并把工件7与夹具6固定安装在两个呈左右对称设置的流体增压加速机构之间。同时将变截面辅助构件8固定在工件7的细长螺旋孔内的中心位置。

步骤二：将环形磁性体安装架14安装在工件7的外表面并调整环形磁性体安装架14与工件7外表面的间隙以及磁性体10的磁场强度。同时夹持机构11一端夹持固定环形磁性体安装架14，另一端固定安装在滑动导轨的滑块上，并调节夹持机构11的长度。

步骤三：配制磁流变抛光液9。需要说明的是，该抛光液可以是现有商品化磁流变抛光液，也可以是自制的磁流变抛光液。

其中，所述自制磁流变抛光液其质量份数组成如下：硅油质量百分比50～60％，铁磁性物质质量百分比30～40％，油酸质量百分比2～3％，磨料质量百分比3～15％，防锈剂质量百分比3～15％；所述铁磁性物质可选用羰基铁粉、还原铁粉、四氧化三铁粉。

步骤四：将配制好的抛光液添加在流体增压加速腔体5、活塞缸4、活塞3、夹具6、变截面辅助构件8与工件7形成相连通的密闭通道中。

步骤五：启动驱动单元1和驱动电机13，驱动单元1带动活塞杆2推动活塞3在活塞缸4内运动。驱动电机13带动磁性体10在工件7的外表面运动，抛光液受一侧的活塞3挤压作用经流体增压加速腔体5压缩加速后高速射入工件孔内，高速流动的磁流变抛光液在移动的磁性体产生的磁场作用下，磁流变抛光液中的铁磁粒子将磨料微粒包裹、约束在工件孔的内表面，形成高速流动的柔性抛光磨刷，对工件孔的内表面进行抛光加工后到达另一侧的活塞缸4中，同时在另一侧的活塞3的作用下向同一方向运动，即一侧压缩抛光液时，另外一侧刚好泄压，两侧活塞3运动方式一致，完成工件孔内表面一个方向的抛光。接着，移动的磁性体10反向运动，同时在另一侧的驱动单元1的作用下抛光液被压缩加速后高速反向射入工件孔内，再次形成高速流动的柔性抛光磨刷，完成工件孔内表面的反向抛光，完成一个加工循环。在步骤五中，可根据加工工件7的精度要求，通过可控式的驱动单元1配置的控制器和可控式步进电机13，调节活塞3和磁性体10的移动速度(如：10m/min)、设置循环抛光次数及时间(如：2小时)。

步骤五：加工2小时后手动或自动关闭驱动单元1和驱动电机13，完成工件孔内表面的抛光，获得孔内表面无毛刺、表面粗糙度低的细长螺旋孔，实现超精密加工效果。

从上述实施例可以看出，本发明所提供的基于磁流变效应的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法及装置，是利用磁流变效应抛光加工原理，使高速流动的磁流变抛光液在移动的磁性体产生的磁场作用下磁流变抛光液中的铁磁粒子将磨料微粒包裹、约束在工件孔的内表面，形成高速流动的柔性抛光磨刷，对被加工的工件孔内表面进行往复运动摩擦去除毛刺和降低孔内表面的粗糙度，实现了各类型的孔内表面去毛刺和确定性抛光，简化了孔内表面抛光的操作技术，减少了劳动强度，明显提高了抛光效率和抛光精度，具有极强的实用性和推广价值。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将被加工的工件通过夹具固定安装在两个呈左右对称设置的流体增压加速机构之间；

(2)配制磁流变抛光液，并将磁流变抛光液添加到工件、夹具、以及流体增压加速机构三者所构成的密闭通道中；

(3)磁流变抛光液受一侧的流体增压加速机构的作用下高速射入工件孔内，在移动的磁性体产生的磁场作用下，高速流动的磁流变抛光液中的铁磁粒子将磨料微粒包裹、约束在工件孔的内表面，形成高速流动的柔性抛光磨刷；对工件孔的内表面进行抛光加工后到达另一侧的流体增压加速机构中，完成工件孔内表面一个方向的抛光；接着，移动的磁性体反向运动，在另一侧的流体增压加速机构的作用下，抛光液被压缩加速后高速反向射入工件孔内，再次形成高速流动的柔性抛光磨刷，完成工件孔内表面的反向抛光；完成一个加工循环；

(4)循环步骤(3)，完成整个抛光加工。

2.根据权利要求1所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，其特征在于，所述磁流变抛光液选用现有的商品化磁流变抛光液，或者选用质量份数组成如下的自制磁流变抛光液：液体质量百分比50～60％，铁磁性物质质量百分比30～40％，油酸质量百分比2～3％，磨料质量百分比3～15％，防锈剂质量百分比3～15％；所述液体包括去离子水或油，所述铁磁性物质选用羰基铁粉、还原铁粉、四氧化三铁粉中的一种或多种组合。

3.根据权利要求2所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，其特征在于，所述磁流变抛光液中加入的磨料包括碳化硅、氧化铝、氧化铈、氮化硼、金刚石、二氧化硅、氮化硅、氧化锆中一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，其特征在于，所述磁性体为永磁铁或电磁铁，磁性体安装在环形磁性体安装架上且与工件外表面的间隙可调节，所述磁性体的磁场强度可根据加工条件的要求调整控制。

5.根据权利要求1所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光方法，其特征在于，所述磁性体的移动速度由驱动电机控制，驱动电机会根据磁流变抛光液的流速来调整磁性体的移动速度和往复频率，磁性体的移动方式为往复式。

6.一种自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，其特征在于，包括自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构、磁性体、环形磁性体安装架、夹持机构、滑动导轨、驱动电机、磁流变抛光液；所述自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构包括两组对称设置于被加工工件的左右两端的流体增压加速机构、以及夹具，所述流体增压加速机构包括流体增压加速腔体、活塞缸、活塞、活塞杆和驱动单元，所述流体增压加速腔体的一端通过夹具夹紧工件并与工件孔相连通，另一端与所述活塞缸相连通；所述活塞配合连接在所述活塞缸内，并通过所述活塞杆与所述驱动单元连接，所述驱动单元可带动所述活塞在所述活塞缸内往复运动；所述流体增压加速机构、夹具、以及工件三者构成用于打磨抛光的密闭通道，所述磁流变抛光液添加到该密闭通道中，所述磁性体安装在环形磁性体安装架上，环形磁性体安装架间隙配合安装在被加工工件的外表面；所述夹持机构一端夹持环形磁性体安装架，另一端固定安装在所述滑动导轨上，所述驱动电机驱动滑动导轨，使磁性体在滑动导轨上相对工件做往复运动。

7.根据权利要求6所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，其特征在于，所述磁性体均匀对称地分布在环形磁性体安装架上或者根据工件内孔的形状规则分布安装在环形磁性体安装架上；所述环形磁性体安装架为非磁性材料，其圆弧半径可根据加工工件的外径及两者的间隙来调整或更换。

8.根据权利要求6所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，其特征在于，所述夹持机构为非磁性材料，且长度可调节。

9.根据权利要求6所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，其特征在于，所述滑动导轨固定安装在自增压高速磨粒流孔内表面抛光机构的一侧，滑动导轨的滑块的运动范围大于所加工工件的长度。

10.根据权利要求9所述的自增压高速磨粒磁流孔内表面抛光装置，其特征在于，所述驱动电机与滑动导轨连接，驱动滑动导轨的滑块移动，所述驱动电机为速度可控式步进电机。