CN107127683B - 一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法，用于加工工件型腔表面的微织构。该方法包括：S101：将工件安装至工作腔内的工作台装置上。S102：启动吸附装置将磨粒吸附至限位部。S103：定心装置移动至一移动位置。S104：转动定心装置，使至少二加工装置自中心向外展开至一加工位置，并关闭吸附装置。S105：启动射流装置使加工装置输出流体，流体在磨粒与限位部之间形成隔膜且使磨粒旋转加工内腔壁。S106：关闭射流装置，伸缩装置带动定心装置转动预设角度；或转动定心装置使加工装置收拢后，伸缩装置带动定心装置移动至另一移动位置，再转动定心装置，加工装置自中心向外展开至一加工位置。S107：循环执行步骤S105至S106直至工件加工完成。

Description

一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法

技术领域

本发明涉及精密加工技术领域，尤其是涉及一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法。

背景技术

在一些精密设备上具有相对运动的表面加工出微织构，该微织构处可以存储油脂、润滑液等。在相对表面的滑动过程中，在滑动表面处形成具有润滑的滑动薄膜，使得该精密设备之间具有良好的润滑性能。其中，微织构为平整表面上设置的纳米级或微米级的凹槽或凹坑。

在零件的表面上加工出微织构，不影响零件之间的精密配合，而且在零件的滑动表面处具有微织构，使得零件具有良好的润滑效果，且降低摩擦力和零件的发热量，降低磨损，延长使用寿命。

在零件的内表面加工微织构，如零件中配合用的孔壁表面或腔体的内表面上加工微织构。加工装置需深入零件的内表面，从而对工件表面加工。然而，现有的在零件内表面加工微织构方法通常采用光刻加工、电解加工等，这些加工工艺复杂，成本高，而且加工位置调节不方便，加工精度低，加工的微织构效果差。因此，需要进行改进。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法。它具有加工效率高，可在型腔面上加工微织构的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法，用于加工工件型腔表面的微织构，该方法包括：

S101：将工件安装至工作腔内的工作台装置上；

S102：启动吸附装置将磨粒吸附至加工装置上的限位部；

S103：伸缩装置推动定心装置移动至一移动位置；

S104：转动所述定心装置，使均布在所述定心装置上的至少二所述加工装置自中心向外展开至一加工位置，并关闭吸附装置；

S105：启动射流装置使加工装置沿射流通道输出具有预设压力的流体，所述流体在磨粒与限位部之间形成隔膜且使磨粒旋转，使所述磨粒加工工件的内腔壁；

S106：关闭射流装置，所述伸缩装置带动所述定心装置转动预设角度；，关闭射流装置，转动所述定心装置使加工装置收拢后，所述伸缩装置带动定心装置移动至另一移动位置，再转动所述定心装置，使均布在所述定心装置上的至少二所述加工装置自中心向外展开至一加工位置；

S107：循环执行步骤S105至S106直至工件加工完成。

进一步，所述流体的预设压力为10-30MPa，每个射流孔的流量为0.5-1.5L/min。

进一步，所述定心装置包括转动盘，所述转动盘上设有沿中心分布的平面螺纹槽，所述加工装置安装在所述转动盘上且与所述平面螺纹槽啮合连接。

进一步，所述伸缩装置上安装有用于检测所述加工装置的移动位置及加工位置的检测装置。

进一步，所述加工装置包括导流板和安装至所述导流板的加工盘，所述导流板上设有与所述射流装置连接的若干导流孔，所述加工盘上开设有若干射流孔，所述导流孔与所述射流孔导通形成射流通道，所述限位部设于所述射流孔的输出端。

进一步，所述导流板设有汇聚所述若干导流孔的混合空间，所述加工盘封闭在所述混合空间的开口处，使所述射流孔与所述混合空间导通。

进一步，所述加工盘上安装有压板，所述压板上凸出有引导部，所述引导部插设于所述射流孔中并延伸至所述限位部，使所述射流孔的中心线偏离所述限位部的中心。

进一步，所述压板包括本体部和沿本体部径向凸出的至少二支脚部，所述引导部沿所述本体部的轴向凸出。

进一步，所述压板设有弹性装置，所述弹性装置包括固连在所述加工盘的导柱、及安装在导柱上的弹性元件，所述弹性元件弹性推抵在所述压板与所述加工盘之间。

进一步，所述磨粒采用微粒刀、圆形颗粒或表面具有不规则凸起颗粒中的一种。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：

在加工装置上的射流通道中设置限位部，通过限位部来限定磨粒的位置，使磨粒能均匀分布在加工装置上以在工件的内表面上加工形成微织构，加工效率高。射流作用在磨粒上，使得磨粒能与限位部之间形成隔膜，提高加工装置的使用寿命。射流能驱动磨粒在限位部中旋转，使磨粒的磨损更加均匀，提高磨粒的使用寿命和磨削效果。伸缩装置带动加工装置沿工件型腔的轴线方向移动至一移动位置，定心装置转动并使加工装置沿工件型腔的径向移动，使加工装置移动至预设的加工位置处，使加工装置能在复杂型腔的内表面加工出微织构，移动效果好，可以通过设置多个加工装置协同加工工件的型腔，加工效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明中加工装置与射流装置及吸附装置的结构示意图。

图3是本发明中微粒加工工件的局部放大结构示意图。

图4是本发明中压板的放大结构示意图。

图5是本发明中定心装置收拢状态的结构示意图。

图6是本发明中定心装置展开状态的结构示意图。

图7是本发明中水循环系统的结构示意图。

图中：伸缩装置10；纵向伸缩机构11；检测装置12；加工装置20；导流板21；导流孔211；加工盘22；限位部221；射流孔222；混合空间223；压板23；引导部231；支脚部232；导向孔233；本体部234；弹性装置24；导柱241；弹性元件242；射流装置30；水箱31；进水管32；增压泵33；吸附装置40；真空泵41；吸附管42；锁闭开关43；工件50；定心装置60；转动盘61；平面螺纹槽62；机架70；固定板71；工作腔72；工作台装置73；水循环系统80；过滤板81；回水管82；磨粒90。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

实施例，见图1至图7所示：一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法，用于加工工件50型腔表面的微织构，该方法包括：

步骤S101：将工件50安装至工作腔72内的工作台装置73上。

步骤S102：启动吸附装置40将磨粒90吸附至加工装置20上的限位部221。

步骤S103：伸缩装置10推动定心装置60移动至一移动位置。

机架70上的伸缩装置10带动定心装置60沿型腔移动至预设的移动位置，加工装置20安装在定心装置60，随着定心装置60移动。该移动过程包括定心装置60沿型腔的轴向方向移动和/或绕型腔的轴线转动。伸缩装置10可采用如气缸或液压缸等。定心装置60设于伸缩装置10的输出轴上，随之运动。

S104：转动所述定心装置60，使均布在所述定心装置60上的至少二所述加工装置20自中心向外展开至一加工位置，并关闭吸附装置。

定心装置60驱动若干加工装置20沿径向方向移动，并在加工装置20与工件50型腔的待加工表面之间形成间隙，该间隙为两者的平均值。可选地，加工装置20与待加工面的间距小于或等于磨粒90直径的二分之一。其中，磨粒90可以通过待加工工件50进行选择磨粒90的直径和种类。在执行步骤S101时，工作台装置73带动工件50在水平面的X-Y方向移动，使调整工件50的型腔中心与伸缩装置10的中心重合，加工装置20可移动至预设的加工位置。

其中，磨粒90采用微粒刀、圆形颗粒或表面具有不规则凸起颗粒中的一种。其中，微粒刀包括有刀本体和刀头，所述刀头设计成一个凸尖形状，它外凸地设置于所述刀本体的外表面上，所述刀头的几何尺寸为10nm～1mm，所述的刀本体内还设置有能使所述的刀头始终朝下偏转的配重块。

步骤S105：启动射流装置30使加工装置20沿射流通道输出具有预设压力的流体，所述流体在磨粒90与限位部221之间形成隔膜且使磨粒90旋转，使所述磨粒90加工工件50的内腔壁。其中，流体的预设压力为10-30MPa，比如，流体的压力为10、15、20、25或30MPa。每个射流孔222的流量为0.5-1.5L/min。

步骤S106：关闭射流装置30，所述伸缩装置10带动所述加工装置20转动预设角度。或，关闭射流装置，转动定心装置60使加工装置20收拢后，伸缩装置10带动定心装置60移动至另一移动位置，再转动所述定心装置60，使均布在所述定心装置60上的至少二所述加工装置20自中心向外展开至一加工位置。

当型腔需要转动预设角度后加工另一型腔面，如转动30度。当型腔仅需在当前加工位置加工微织构，或者加工微织构的型腔位置不处于当前回转面上，则定心装置60使加工装置20收拢，伸缩装置10带动定心装置60移动另一移动位置。移动至该移动位置后定心装置60使加工装置20展开至一加工位置，循环执行步骤S105至S106直至工件50加工完成。

射流作用在磨粒90上使磨粒90具有动能和能量。磨粒90可旋转并磨削工件50。

其中，磨粒90的动量计算公式为：

磨粒90的能量计算公式为：

其中，m为磨粒90质量；v为磨粒90运动速度；σ为应力张量；ρ为密度；

Π_ij为粘滞力；W_ij为核函数；E(x_i)为磨粒90内部能量单元；H_i为热流系数。

内表面自动定心微织构成形方法通过内表面自动定心微织构成形设备实现，设备包括机架70，在机架70上安装有固定板71，在固定板71上安装有伸缩装置10，其中，固定板71可安装在设于机架70的导柱上，在一实施例中，固定板71可带动伸缩装置10沿导柱滑动。伸缩装置10上安装有定心装置60，在定心装置60上安装有至少两加工装置20、及连接至加工装置20的射流装置30。加工装置20分布在定心装置60上。如设有两个加工装置20，则两加工装置20对称分布在定心装置60上。当设有三个加工装置20时，则三加工装置20呈120度均匀分布在定心装置60上。射流装置30为每一加工装置20提供预设压力的流体。

机架70上设有用于放置工件50的工作台装置73，工作台装置73、定心装置60和加工装置20均位于机架70上的工作腔72内，流体和磨粒90均在工作腔72内循环。

加工装置20上设有输出流体的射流通道，射流通道的输出端设有用以限定磨粒90的限位部221，吸附装置40用于将磨粒90吸附装配至所述限位部221。伸缩装置10推动定心装置60移动至一移动位置，定心装置60的移动方向为沿待加工腔体的轴线方向移动，定心装置60转动使加工装置自中心向外展开并移动至一加工位置。即加工装置20沿定心装置60的径向移动，使加工装置20与工件50的待加工面之间具有预设空隙。同时，关闭吸附装置40并启动射流装置30，射流装置30输出具有预设压力的流体，流体在磨粒90与限位部221之间形成隔膜且使磨粒90旋转，使磨粒90在流体驱动下旋转并磨削加工工件50的内腔壁。

吸附装置40包括真空泵41、及连接真空泵41与加工装置20的吸附管42，吸附管42与射流通道导通。启动真空泵41，吸附装置40将磨粒90从上刀装置上吸附至加工装置20上，使磨粒90吸附在限位部221上。伸缩装置10带动加工装置20移动至工件50的待加工表面，其中，加工装置20与待加工工件50之间形成有间隙，该间隙的宽度小于磨粒90的初始外径。在吸附管42与加工装置20之间设有锁闭开关43，加工装置20移动至加工位置后，关闭真空泵41和控制锁闭开关43闭合，磨粒90处于自由状态。启动射流装置30，射流装置30通过进水管32向加工装置20上的射流通道中输入流体，该流体具有预设压力，如流体的压力可在10～30MPa之间调节，例如10、15、20、25、30MPa等。加工装置20连接吸附装置40便于磨粒90的装卸，使加工装置20能加工复杂型腔。

射流作用在磨粒90上，在磨粒90与限位部221的内壁之间形成隔膜，在加工装置20移动驱动磨粒90抛光磨削工件50表面时，磨粒90不会直接作用在限位部221上，可以延长加工装置20的使用寿命。射流作用在磨粒90上使磨粒90具有向水平方向的作用力，磨粒90在加工装置20的作用下限定在工件50的预设位置，同时磨粒90进行旋转运行以在工件50表面加工微织构。通过射流驱动磨粒90旋转，使得磨粒90在磨削工件50的过程中，磨粒90自身的损耗均匀，延长磨粒90的磨削寿命。同时，射流可以及时冲洗工件50表面的磨屑和损耗的磨粒90，避免工件50表面可能受到的磨屑或损耗磨粒90的伤害。

通过射流作用在限定于限位部221处的磨粒90，磨粒90分布均匀，使得加工装置20能均匀磨削工件50，磨削效果稳定，加工效率高。

在加工工件50时，限位部221设置在与工件50正对的加工装置20上，如当工件50的加工表面沿竖直方向放置时，限位部221受到水平方向的作用力，使得加工装置20能均匀加工工件50的表面。当磨粒90加工工件50并损耗后，磨粒90的直径小于当前所处限位部221与工件50之间的间隙后，磨粒90会在流体作用下从限位部221中脱离，更换新的磨粒90后可继续磨削工件50，并依次循环，直至工件50加工完毕。

见图2和图3所示：在一实施方式中，加工装置20包括导流板21和安装至导流板21的加工盘22。导流板21上设有与射流装置30连接的若干导流孔211，加工盘22上开设有若干射流孔222，导流孔211与射流孔222导通形成射流通道，限位部221设于射流孔222的输出端。进一步的，导流板21设有汇聚若干导流孔211的混合空间223，加工盘22封闭在混合空间223的开口处，使射流孔222与混合空间223导通。吸附管42也与该混合空间223导通，并通过该混合空间223对射流孔222产生吸附力，使磨粒90被吸附在限位部221上。通过设置加工盘22的表面与工件50的待加工面匹配，可以使加工装置20在复杂表面加工出微织构。

混合空间223自导流板21的一侧空间向下凹陷形成，加工盘22封堵住混合空间223的开口，使射流装置30输入的流体填充在混合空间223后沿射流孔222均匀输出。作为优选，导流孔211均匀分布在导流板21上，使得射流装置30输入到混合空间223的流体均匀，继而使得自射流孔222中输出的流体压力均匀。

通过设置导流板21可以方便加工装置20与射流装置30的连接，射流孔222的数量多于导流孔211的数量，导流板21可进一步调节射流孔222输出流体的压力和均匀度，提高射流效果。加工盘22容易磨损，可通过紧固连接的方式固定在导流板21上，能在磨损后及时更换，降低设备的成本，提高加工精度。

限位部221自加工盘22的表面沿射流孔222凹陷形成，限位部221的直径自与射流孔222的相交处向加工盘22的表面方向逐渐增大，其中，限位部221呈锥面形或弧面形凹陷。磨粒90限定在限位部221中，射流作用在磨粒90上并沿限位部221的表面流出。

见图3和图4所示：在加工盘22上安装有压板23，压板23上凸出有引导部231，引导部231插设于射流孔222中并延伸至限位部221，使射流孔222的中心线偏离限位部221的中心。压板23安装在混合空间223内，且正对射流孔222。压板23包括本体部234和沿本体部234径向凸出的三支脚部232，引导部231沿本体部234的轴向凸出。可选地，压板23呈圆形结构，支脚部232设有三个且均匀分布在本体部234上，设置支脚部232可以减小压板23对流体的影响。流体可通过支脚部232与本体部234之间的空间及压板23与加工盘22之间的间隔空间进入到射流孔222中。由于，磨粒90在限位部221内处于偏心状态，磨粒90上部受到的射流冲击力大于下部，以使磨粒90旋转加工工件50的内表面。可选地，射流孔222的中心位于限位部221的中心的上方。

在压板23设有弹性装置24，弹性装置24用以弹性推抵在加工盘22上，使得压板23沿射流孔222方向弹性伸缩。具体的，弹性装置24包括固连在加工盘22的导柱241、及安装在导柱241上的弹性元件242，弹性元件242弹性推抵在压板23与加工盘22之间，弹性元件242可包括压簧等。导柱241固定在加工盘22上，在支脚部232上开设有导向孔233，导柱241插设于导向孔233中。压板23精确安装在加工盘22上，伸缩装置10的伸缩可以由混合空间223内的液体压力调节，流体运行稳定，方便调节磨粒90的旋转角度。

见图1所示：伸缩装置10包括纵向伸缩机构11，纵向伸缩机构11带动定心装置60和加工装置20移动和/或转动。纵向伸缩机构11安装在机架70的固定板71上。其中，纵向伸缩机构11包括气缸或液压缸等，可带动定心装置60和加工装置20沿纵向移动，或采用电机等可带动定心装置60转动，或者采用两者的结合，使定心装置60能纵向移动及转动。

如图5和图6所示，定心装置60包括转动盘61，转动盘61上设有沿中心分布的平面螺纹槽62。加工装置20安装在转动盘61上且与平面螺纹槽62啮合连接。即：加工装置20上安装有与平面螺纹槽62匹配的啮合部，即在啮合部上设有与平面螺纹槽62啮合的啮合齿。可选地，在转动盘61的径向分布的至少一导向槽，啮合部限定在导向槽中，并与平面螺纹槽62啮合连接。或者在纵向伸缩机构11设有导向杆引导加工装置沿转动盘61的径向移动。

通过设置定心装置60可以使多个加工装置20同时移动，并加工型腔的内壁，一致性好，加工效率高。通过平面螺纹槽62带动加工装置20移动，运行平稳，可加工较小尺寸的型腔内表面，减小加工装置20的尺寸和面积，应用范围广。

伸缩装置10上安装有用于检测加工装置20的移动位置及加工位置的检测装置12。检测装置12可采用如CCD(charge coupled device)/工业数字摄像机等，用以监控加工装置20的移动位置及加工位置，确保加工的准确性和加工精度，相应的检测装置12还包括照明灯。

工作台装置73包括沿水平方向移动的横向移动机构和沿水平方向移动的纵向移动机构，横向移动机构与纵向移动机构相互垂直，横向移动机构与纵向移动机构用以固定工件50并带动工件50在水平方向上移动。配合加工装置20的沿竖直方向的直线运动，多运动方向的配合，能在工件50的预设位置形成微织构，加工效率高。其中，加工装置20、工作台装置73及工件50均处于一工作腔72内。

见图7所示：射流装置30包括水箱31、连接至水箱31的进水管32及位于进水管32上的增压泵33，进水管32连接至加工装置20。该设备还包括水循环系统80，水循环系统80包括安装在机架70上的过滤板81及连接至水箱31的回水管82，过滤板81位于回水管82的另一端。通过射流装置30驱动磨粒90加工工件50表面，通过水循环系统80对流体进行回收，循环利用，节约资源，降低成本。增压泵33用以调节和控制流体的输出压力，调节方便。

该基于射流的内表面自动定心微织构成形设备还包括磨粒90循环系统以及水-磨粒90分离装置、磨削切屑去除装置。水经多次过滤后可以循环使用，磨粒90经分筛后，同样目数的磨粒90收集后也可以继续使用，大大节省资源，减少浪费。

值得一提的是，在加工装置20加工过程中，通过纵向伸缩机构11沿纵向往复移动带动定心装置60和加工装置20移动，以实现内腔壁的纵向长条微织构加工。或者轴向转动带动定心装置60和加工装置20转动，以实现内腔壁的周向长条微织构加工。又或纵向伸缩机构11沿纵向往复移动并转动，带动定心装置60和加工装置20移动，以实现内腔壁的曲线微织构加工，加工方便。

射流的装置目前已广泛使用，其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于射流的内表面自动定心微织构成形方法，用于加工工件型腔表面的微织构，其特征在于，该方法包括：

S101：将工件安装至工作腔内的工作台装置上；

S102：启动吸附装置将磨粒吸附至加工装置上的限位部；

S103：伸缩装置推动定心装置移动至一移动位置；

S104：转动所述定心装置，使均布在所述定心装置上的至少二所述加工装置自中心向外展开至一加工位置，并关闭吸附装置；

S105：启动射流装置使加工装置沿射流通道输出具有预设压力的流体，所述流体在磨粒与限位部之间形成隔膜且使磨粒旋转，使所述磨粒加工工件的内腔壁；

S106：关闭射流装置，所述伸缩装置带动所述定心装置转动预设角度；或，关闭射流装置，转动所述定心装置使加工装置收拢后，所述伸缩装置带动定心装置移动至另一移动位置，再转动所述定心装置，使均布在所述定心装置上的至少二所述加工装置自中心向外展开至一加工位置；

S107：循环执行步骤S105至S106直至工件加工完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体的预设压力为10-30MPa，每个射流孔的流量为0.5-1.5L/min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定心装置包括转动盘，所述转动盘上设有沿中心分布的平面螺纹槽，所述加工装置安装在所述转动盘上且与所述平面螺纹槽啮合连接。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述伸缩装置上安装有用于检测所述加工装置的移动位置及加工位置的检测装置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工装置包括导流板和安装至所述导流板的加工盘，所述导流板上设有与所述射流装置连接的若干导流孔，所述加工盘上开设有若干射流孔，所述导流孔与所述射流孔导通形成射流通道，所述限位部设于所述射流孔的输出端。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导流板设有汇聚所述若干导流孔的混合空间，所述加工盘封闭在所述混合空间的开口处，使所述射流孔与所述混合空间导通。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加工盘上安装有压板，所述压板上凸出有引导部，所述引导部插设于所述射流孔中并延伸至所述限位部，使所述射流孔的中心线偏离所述限位部的中心。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压板包括本体部和沿本体部径向凸出的至少二支脚部，所述引导部沿所述本体部的轴向凸出。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述压板设有弹性装置，所述弹性装置包括固连在所述加工盘的导柱、及安装在导柱上的弹性元件，所述弹性元件弹性推抵在所述压板与所述加工盘之间。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨粒采用微粒刀、圆形颗粒或表面具有不规则凸起颗粒中的一种。