CN106826413A - 一种非直异形盲孔光整加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非直异形盲孔光整加工方法及其装置，属于难加工材料高效精密光整加工技术领域。主要包括光整、清洗、装卸与控制四个功能系统。通过光整系统中特制超声辅助漩涡发生装置，将磨料混合化学光整液快速推进非直异形复杂结构盲孔，形成化学工作液环境，并在管道内产生高速可控旋转涡旋流场，使光整液中磨粒介质与活性化的管道内表面（特别是微凸峰处）发生冲蚀、碰撞、接触、变形与微切削，在化学、机械、超声等多能量场的耦合作用下，实现盲孔内表面材料的高效高质量去除。本发明光整液漩涡流场“柔性”可控，材料去除均一性好；装置通过数控或PLC控制，操作简便；光整与清洗并行进行，生产效率显著提高，易于批量自动化生产。

Description

一种非直异形盲孔光整加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种新型内表面光整加工方法及其装置，尤其针对非直异形盲孔内表面光整加工，属于难加工材料高效精密光整技术领域。

背景技术

随着半导体、医疗、原子能、航空航天等高新科技产业的日新月异，现代零部件/构件呈现结构微型化、密集化和复杂化发展趋势，对于具有高质量复杂异形盲孔结构的零部件/构件需求越来越多。随着三维增材制造技术（增材制造技术是基于离散-堆积原理的一种新型制造技术）的快速发展，能够直接制造出各种具有非直异形盲孔结构的零部件/构件。然而，增材制造加工后非直异形盲孔内表面质量却难以满足实际技术要求，需要进一步进行表面光整处理。

当前，由于受非直异形盲孔结构以及加工工具运动干涉的限制，传统机械切削与电火花加工难以实现非直异形盲孔复杂内表面的精密加工。传统用于复杂曲面光整与内孔光整加工的磁力研磨、磨料水射流与挤压研磨等磨粒加工技术难以直接应用于非直异形盲孔复杂内表面光整。磨料水射流技术以水和混入磨料的流体为工作介质，通过增压设备和特制的喷嘴产生高压射流束，利用高压射流束对加工表面进行光整加工。对内孔进行光整时，喷嘴必须与工件表面处于准接触状态，对于孔径较小且路径复杂的通孔或盲孔，由于喷嘴移动受限，无法完成对整体内表面光整。挤压研磨是以一种掺有磨粒的可流动混合物为工作介质，采用两个相对的光整介质存储缸使磨料流在工件与夹具构成的通道内往复运动，从而实现工件内表面光整。由于磨料流无法在盲孔内往复运动，所以挤压研磨仅适应于通孔内表面的光整加工。磁性研磨技术是通过控制磁场将磁性磨料吸附在加工表面，形成弹性磁刷，旋转磁场或旋转工件，使磁刷与加工表面产生相对运动，实现对工件内外表面的光整加工。但是，针对非直异形复杂盲孔的零部件/构件，采用磁性研磨技术进行光整时，磁场或者工件难以实现相对运动，磁场强度在非直异形复杂盲孔内表面分布不均匀，导致光整效率低、材料去除均一性差、超大粗糙度表面难以光整等科技难题。针对非直异形盲孔内表面光整加工，国内外鲜有实际可行的光整加工方法与技术的相关报道。

针对当前非直异形复杂盲孔内表面光整加工中存在的光整效率低、材料去除均一性差、超粗糙表面难以光整、无法批量自动化光整等难题，发明了一种新型非直异形盲孔光整加工方法及其装置。通过特制超声辅助漩涡发生装置，将磨料混合化学光整液快速推进非直异形复杂结构盲孔，形成氧化性和碱性（或酸性）的工作液环境，并在管道内产生高速可控旋转涡旋流场，使光整液中磨粒介质与活性化的管道内表面（特别是微凸峰处）发生冲蚀、碰撞、接触、变形与微切削，在化学、机械、超声等多能量场的耦合作用下，实现非直异形复杂盲孔内表面材料的高效高质量去除。本发明光整液形成的“柔性”可控涡旋流场易于进入非直异形复杂盲孔内管道，材料去除均一性好；装置通过数控编程或PLC控制，操作简便；光整加工与清洗可同时进行，生产加工效率显著提高，易于批量自动化生产。

发明内容

为解决非直异形盲孔光整加工光整效率低、材料去除均一性差、超粗糙表面难以光整、无法批量自动化光整加工等难题，发明了一种新型光整加工方法及其装置。

本发明所述的一种非直异形盲孔光整加工装置，其特征在于：

(1)所述装置包括光整系统、清洗系统、装卸系统、控制系统；所述光整系统与清洗系统包括旋转超声主轴系统、旋涡发生器、底座、工作台、固定导轨、微型水泵、工作液储存箱、废液回收箱、冷却系统、润滑系统、检测系统、超声发生器；所述旋转超声主轴系统包括伺服电机、联轴器、主轴、轴承、碳刷、压电换能器、变幅杆、工具夹头、主轴箱外壳；所述旋涡发生器包括透盖、外壳、螺旋桨叶片；所述工作台包括升降台、横向滑移台、纵向滑移台、转台、液压装置；所述供料系统包括五自由度机械手、工件周转台；所述控制系统包括PLC控制柜与数控操作面板；

(2)所述旋转超声主轴系统：伺服电机通过联轴器连接主轴，主轴内部装有压电换能器，其依次连接变幅杆和工具夹头，主轴末端的环形金属片与碳刷的一端接触，碳刷通过导线连接超声发生器，向压电换能器输入电信号产生超声能；所述旋涡发生器：透盖底端通过连接件固定在主轴箱外壳上，透盖底部的进出液孔通过导管与微型水泵连接，透盖顶部有气阀，螺旋桨叶片末端穿过透盖中心孔安装在工具夹头上，并利用密封圈进行密封，外壳从螺旋桨叶片前端与透盖进行螺纹连接，将螺旋桨叶片前端装入外壳内；所述工作台：升降台通过液压装置安装在底座上，能够在Z轴方向移动，纵向滑移台安装在升降台上端，能够在X轴方向移动，横向滑移台安装在纵向滑移台上端，能够在Y轴方向移动，转台安装在横向滑移台上端，能够分别绕Y轴和Z轴转动，该工作台具有五个自由度。

本发明所述一种非直异形盲孔光整加工方法，采用以下步骤实现：

(1)五自由度机械手从工件周转台抓取未加工工件放于光整系统工作台的转台上；

(2)通过工作台的移动和转动将工件盲孔的开口端与光整系统旋涡发生器的前端进行对接，旋涡发生器前端具有密封环，使旋涡发生器与盲孔构成封闭的空腔；

(3)旋涡发生器顶部的气阀打开，光整系统的微型水泵将工作液储存箱中的光整液通过导管输送进旋涡发生器与盲孔所构成的空腔内，光整液体积达到空腔容积3/4左右时，停止输送光整液，关闭气阀；

(4)旋转超声主轴系统开始运行，主轴带动旋涡发生器中的螺旋桨叶片转动，同时超声发生器通过压电换能器以及变幅杆使螺旋桨叶片产生超声振动；螺旋桨叶片的转动使空腔内的光整液产生旋涡流，超声振动能使旋涡能沿非直异形盲孔的路径向前传递，使整个非直异形空腔内的光整液产生高速可控旋涡流，使光整液中磨粒介质与活性化的盲孔内表面（特别是微凸峰处）发生冲蚀、碰撞、接触、变形与微切削，在化学、机械、超声等多能量场的耦合作用下，实现非直异形复杂盲孔内表面材料的高效高质量去除，从而达到光整的效果；

(5)光整一定时间后，旋转超声主轴系统停止运行，旋涡发生器的气阀开启，微型水泵将空腔内的光整液抽出，通过导管输送到废液回收箱中；通过纵向滑移台的移动将工件盲孔的开口端与旋涡发生器前端分离，通过升降台和纵向滑移台的移动将纵向滑移台与固定导轨进行对接，横向滑移台带动整个转台和工件从纵向滑移台移动到固定导轨，通过转台绕Y轴和Z轴的旋转，将工件盲孔中残留的光整液排出，通过横向滑移台上端面的导流槽排入废液回收槽中；

(6)横向滑移台沿固定导轨继续移动至清洗系统的纵向滑移台上，清洗系统的工作液为清洗液，重复步骤（2）-（6），对非直异形盲孔进行清洗；清洗完成后横向滑移台沿固定导轨移动至下一光整系统的纵向滑移台上，五自由度机械手将已处理工件从转台移动至工件周转台上；

(7)重复步骤（1）-（6），实现非直异形盲孔光整加工批量自动化生产。

本发明具有以下明显效果： 克服目前非直异形盲孔光整加工技术难题，提高光整效率以及表面光整质量；可进行编程或PLC控制，操作简便；光整加工与清洗可并行进行，生产效率显著提高，易于批量自动化生产。

附图说明

图1是一种非直异形盲孔光整、清洗、工件装卸、控制系统整体示意图，其中Ⅰ-光整系统，Ⅱ-清洗系统，Ⅲ-装卸系统，Ⅳ-控制系统。

图2是光整装置整体示意图。

图3是装卸系统示意图。

图4是控制系统示意图。

图5是旋转超声主轴与旋涡发生器主体示意图。

图6是一种非直异形盲孔光整加工批量自动化生产示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4、图5详细说明一种非直异形盲孔光整加工装置，其特征在于：

(1) 所述装置包括光整系统-Ⅰ、清洗系统-Ⅱ、装卸系统-Ⅲ、控制系统-Ⅳ；所述光整系统-Ⅰ与清洗系统-Ⅱ包括旋转超声主轴系统[1]、旋涡发生器[2]、微型水泵[3]、转台[5]、废液回收箱[6]、固定导轨[7]、横向滑移台[8]、升降台[9]、液压装置[10]、纵向滑移台[11]、底座[12]、润滑系统[13]、检测系统[14]、冷却系统[15]、超声发生器[16]、工作液储存箱[17]；所述装卸系统-Ⅲ包括五自由度机械手[18]、工件周转台[19]；所述控制系统-Ⅳ包括PLC控制柜[20]、数控操作面板[21]；所述旋转超声主轴系统[1]包括伺服电机[101]、联轴器[102]、主轴[103]、压电换能器[104]、变幅杆[105]、工具夹头[106]、轴承[107]、主轴箱外壳[108]、碳刷[109]。所述旋涡发生器[2]包括螺旋桨叶片[201]、外壳[202]、透盖[203]、连接件[204]；

(2) 所述旋转超声主轴系统[1]：伺服电机[101]通过联轴器[102]连接主轴[103]，主轴[103]内部装有压电换能器[104]，其依次连接变幅杆[105]和工具夹头[106]，主轴[103]末端的环形金属片与碳刷[109]的一端接触，碳刷[109]通过导线连接超声发生器[16]，向压电换能器[104]输入电信号产生超声能；所述旋涡发生器[2]：透盖[203]底端通过连接件[204]固定在主轴箱外壳[108]上，透盖[203]底部的进出液孔通过导管与微型水泵[3]连接，透盖[203]顶部有气阀，螺旋桨叶片[201]末端穿过透盖[203]中心孔安装在工具夹头[106]上，并利用密封圈进行密封，外壳[202]从螺旋桨叶片[201]前端与透盖[203]进行螺纹连接，将螺旋桨叶片[201]前端装入外壳[202]内；升降台[9]通过液压装置[10]安装在底座[12]上，能够在Z轴方向移动，纵向滑移台[11]安装在升降台[9]上端，能够在X轴方向移动，横向滑移台[8]安装在纵向滑移台[11]上端，能够在Y轴方向移动，转台[5]安装在横向滑移台[8]上端，能够分别绕Y轴和Z轴转动，该工作台具有五个自由度。

具体实施方式二：结合图1、图2、图3、图4、图5、图6详细说明所述非直异形盲孔加工方法，其采用以下步骤实现：

(1) 五自由度机械手[18]从工件周转台[19]抓取未加工工件[4]放于光整系统-Ⅰ工作台的转台[5]上；

(2) 通过工作台的移动和转动将工件[4]盲孔的开口端与旋涡发生器[2]的前端进行对接，旋涡发生器前端具有密封环，使旋涡发生器[2]与工件[4]盲孔构成封闭的空腔；

(3) 旋涡发生器[2]顶部的气阀开启，同时微型水泵[3]将工作液储存箱[17]中的光整液通过导管输送进旋涡发生器[2]与工件[4]盲孔所构成的空腔内，光整液体积达到空腔容积3/4左右时，停止输送光整液，关闭气阀；

(4) 旋转超声主轴系统[1]开始运行，主轴[103]带动旋涡发生器[2]中的螺旋桨叶片[201]转动，同时超声发生器[16]通过压电换能器[104]以及变幅杆[105]使螺旋桨叶片[201]产生超声振动；螺旋桨叶片[201]的转动使空腔内的光整液产生旋涡流，超声振动能使旋涡能沿非直异形盲孔的路径向前传递，使整个非直异形空腔内的光整液产生高速可控旋涡流，使光整液中磨粒介质与活性化的盲孔内表面（特别是微凸峰处）发生冲蚀、碰撞、接触、变形与微切削，在化学、机械、超声等多能量场的耦合作用下，实现盲孔内表面材料的高效高质量光整加工；

(5) 光整加工结束后，旋转超声主轴系统[1]停止运行，旋涡发生器[2]的气阀开启，微型水泵[3]将空腔内的光整液抽出，通过导管输送到废液回收箱[6]中；通过纵向滑移台[11]的移动将工件[4]盲孔的开口端与旋涡发生器[2]前端分离，通过升降台[9]和纵向滑移台[11]的移动将纵向滑移台[11]与固定导轨[7]进行对接，横向滑移台[8]带动整个转台[5]和工件[4]从纵向滑移台[11]移动到固定导轨[7]，通过转台[5]绕Y轴和Z轴的旋转，将工件[4]盲孔中残留的光整液排出，通过横向滑移台[8]上端面的导流槽排入废液回收槽[6]中；

(6) 横向滑移台[8]沿固定导轨[7]继续移动至清洗系统Ⅱ的纵向滑移台[11]上，清洗系统-Ⅱ的工作液为清洗液，重复(2)、(3)、(4)、(5)步骤，对非直异形盲孔进行清洗；清洗完成后横向滑移台[8]沿固定导轨[7]移动至下一光整系统的纵向滑移台[11]上，五自由度机械手[18]将已加工工件[4]从转台[5]移动至工件周转台[19]上；

(7) 重复 (1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6) 步骤，实现非直异形盲孔光整加工批量自动化生产。

Claims (3)

1.为了解决当前非直异形复杂盲孔内表面光整加工中存在的光整效率低、材料去除均一性差、超粗糙表面难以光整、无法批量自动化光整等科技难题，发明了一种非直异形盲孔光整加工方法与装置。

2.根据权利要求书1所述一种非直异形盲孔光整加工装置，其特征在于：

(1) 所述装置包括光整系统-Ⅰ、清洗系统-Ⅱ、装卸系统-Ⅲ、控制系统-Ⅳ；所述光整系统-Ⅰ与清洗系统-Ⅱ包括旋转超声主轴系统[1]、旋涡发生器[2]、微型水泵[3]、转台[5]、废液回收箱[6]、固定导轨[7]、横向滑移台[8]、升降台[9]、液压装置[10]、纵向滑移台[11]、底座[12]、润滑系统[13]、检测系统[14]、冷却系统[15]、超声发生器[16]、工作液储存箱[17]；所述装卸系统-Ⅲ包括五自由度机械手[18]、工件周转台[19]；所述控制系统-Ⅳ包括PLC控制柜[20]、数控操作面板[21]；所述旋转超声主轴系统[1]包括伺服电机[101]、联轴器[102]、主轴[103]、压电换能器[104]、变幅杆[105]、工具夹头[106]、轴承[107]、主轴箱外壳[108]、碳刷[109]；所述旋涡发生器[2]包括螺旋桨叶片[201]、外壳[202]、透盖[203]、连接件[204]；

(2) 所述旋转超声主轴系统[1]：伺服电机[101]通过联轴器[102]连接主轴[103]，主轴[103]内部装有压电换能器[104]，其依次连接变幅杆[105]和工具夹头[106]，主轴[103]末端的环形金属片与碳刷[109]的一端接触，碳刷[109]通过导线连接超声发生器[16]，向压电换能器[104]输入电信号产生超声能；所述旋涡发生器[2]：透盖[203]底端通过连接件[204]固定在主轴箱外壳[108]上，透盖[203]底部的进出液孔通过导管与微型水泵[3]连接，透盖[203]顶部有气阀，螺旋桨叶片[201]末端穿过透盖[203]中心孔安装在工具夹头[106]上，并利用密封圈进行密封，外壳[202]从螺旋桨叶片[201]前端与透盖[203]进行螺纹连接，将螺旋桨叶片[201]前端装入外壳[202]内；升降台[9]通过液压装置[10]安装在底座[12]上，能够在Z轴方向移动，纵向滑移台[11]安装在升降台[9]上端，能够在X轴方向移动，横向滑移台[8]安装在纵向滑移台[11]上端，能够在Y轴方向移动，转台[5]安装在横向滑移台[8]上端，能够分别绕Y轴和Z轴转动，该工作台具有五个自由度。

3.根据权利要求书1所述一种非直异形盲孔加工方法，其采用以下步骤实现：

(1) 五自由度机械手从工件周转台抓取未加工工件放于光整系统工作台的转台上；

(2) 通过工作台的移动和转动将工件盲孔的开口端与光整系统旋涡发生器的前端进行对接，旋涡发生器前端具有密封环，使旋涡发生器与盲孔构成封闭的空腔；

(3) 旋涡发生器顶部的气阀打开，光整系统的微型水泵将工作液储存箱中的光整液通过导管输送进旋涡发生器与盲孔所构成的空腔内，光整液体积达到空腔容积3/4左右时，停止输送光整液，关闭气阀；

(4) 旋转超声主轴系统开始运行，主轴带动旋涡发生器中的螺旋桨叶片转动，同时超声发生器通过压电换能器以及变幅杆使螺旋桨叶片产生超声振动；螺旋桨叶片的转动使空腔内的光整液产生旋涡流，超声振动能使旋涡能沿非直异形盲孔的路径向前传递，使整个非直异形空腔内的光整液产生高速可控旋涡流，使光整液中磨粒介质与活性化的盲孔内表面（特别是微凸峰处）发生冲蚀、碰撞、接触、变形与微切削，在化学、机械、超声等多能量场的耦合作用下，实现非直异形复杂盲孔内表面材料的高效高质量去除，从而达到光整的效果；

(5) 光整一定时间后，旋转超声主轴系统停止运行，旋涡发生器的气阀开启，微型水泵将空腔内的光整液抽出，通过导管输送到废液回收箱中；通过纵向滑移台的移动将工件盲孔的开口端与旋涡发生器前端分离，通过升降台和纵向滑移台的移动将纵向滑移台与固定导轨进行对接，横向滑移台带动整个转台和工件从纵向滑移台移动到固定导轨，通过转台绕Y轴和Z轴的旋转，将工件盲孔中残留的光整液排出，通过横向滑移台上端面的导流槽排入废液回收槽中；

(6) 横向滑移台沿固定导轨继续移动至清洗系统的纵向滑移台上，清洗系统的工作液为清洗液，重复（2）、（3）、（4）、（5）步骤，对非直异形盲孔进行清洗；清洗完成后横向滑移台沿固定导轨移动至下一光整系统的纵向滑移台上，五自由度机械手将已处理工件从转台移动至工件周转台上；

(7) 重复（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）步骤，实现非直异形盲孔光整加工批量自动化生产。