CN108581648A - 旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置及方法，所述装置包括旋转驱动装置、超声波磁力研磨装置和工件进给装置；超声波磁力研磨装置由超声波发生器、集电环、碳刷、变幅杆、换能器、筒夹及磁极头组成，其中磁极头为具有半球形端面的圆柱磁极；工件进给装置由步进电机、进给丝杠、工作台、手摇丝杠及夹具组成；步进电机带动进给丝杠旋转时，工作台能够带动工件沿磁极头纵向往复移动；手摇丝杠带动工件横向往复移动；加工时，工件的被加工面与磁极头之间留有加工间隙，并填充磁性磨料。本发明通过设计合理的加工装置及工艺方案，设置合理的工艺参数，实现对半球形零件的精密光整加工，并能显著提高研磨加工效率。

Description

旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置及方法

技术领域

本发明涉及半球面零件精密加工技术领域，尤其涉及一种旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置及方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展和不断进步，机械制造业也得到了突飞猛进的发展，半球形零件得以越来越广泛地应用，尤其是阀类零件、液化气钢瓶等，多存在球面形零件。由于此类零件的特殊用途，对球面表面粗糙度、尺寸精度、形位公差等方面都有较高的要求。对于这类特殊曲面形状的零件，半球形部位往往是零件的关键部位，对零件的整体性能起着决定性的作用。半球形部位的表面质量较差，会造成整体零件在使用性能的降低。采用普通的抛光工艺方法在一定程度上能够提高半球形零件的表面质量，但是还是无法达到理想的效果。

磁力研磨工艺作为一种特种精密加工方法，兼具柔性、自锐性、自适应性和误差补偿等特点，对加工工件的适应性强，尤其对复杂曲面、微小槽孔、复杂型腔、各类管件等难加工零件具有明显的优势。由于磁力研磨工艺是一种微量去除方法，因此，不仅能够完成对不同工件表面的均匀研磨抛光，同时也可以保证工件的尺寸和形状精度。

本发明采用的旋转超声波加工技术属于另一种特种加工方法，其辅助磁力研磨加工工艺是在磁力研磨抛光基础上改进发展而来的，通过两种特种加工技术的结合，弥补了半球形零件内外壁通过旋转超声波磁力研磨光整加工的空白。

发明内容

本发明提供了一种旋转超声波磁力研磨加工球形工件表面的装置及方法，通过设计合理的加工装置及工艺方案，设置合理的工艺参数，实现对半球形零件的精密光整加工，并能显著提高研磨加工效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置，包括旋转驱动装置、超声波磁力研磨装置和工件进给装置；所述旋转驱动装置为调速电机，超声波磁力研磨装置由超声波发生器、集电环、碳刷、变幅杆、换能器、筒夹及磁极头组成，其中磁极头为具有半球形端面的圆柱磁极；所述换能器、变幅杆、筒夹及磁极头依次同轴设置在调速电机的动力输出端，并随之旋转；换能器的外部设有集电环，超声波发生器通过碳刷与集电环相连；所述工件进给装置由步进电机、进给丝杠、工作台、手摇丝杠及夹具组成，工作台与进给丝杠螺旋传动，夹具设在工作台上，用于夹持工件；步进电机带动进给丝杠旋转时，工作台能够带动工件沿磁极头轴向往复纵向移动；手摇丝杠安装在夹具的一侧，用于带动夹具和工件沿与磁极头轴向垂直的水平方向横向移动；加工时，工件的被加工面与磁极头之间留有加工间隙，并填充磁性磨料。

所述换能器与调速电机输出轴之间通过联轴器连接。

所述工件与夹具之间设有套筒。

所述磁性磨料由Al₂O₃和Fe粉按照质量比1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、筛分制成，磁性磨料的平均粒径为100～200μm。

基于所述装置的旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的方法，包括如下步骤：

a.装卡：将工件通过套筒和夹具安装在工作台上，将磁极头通过筒夹与变幅杆的一端连接，变幅杆的另一端与换能器的一端连接，换能器的另一端通过联轴器与调速电机的输出轴连接；

b.选定磨料：选用Al₂O₃和Fe粉按照质量比为1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、筛分制成的磁性磨料；

c.加工参数：设定调速电机的转速为1000～1500r/min；工件水平进给速度为40～60mm/min，超声波发生器频率为10～30kHz；

d.研磨加工：通过步进电机驱动进给丝杠旋转带动工作台纵向移动，通过手摇丝杠驱动工件横向移动；调节工件与磁极头之间的加工间隙为1～2mm；启动超声波磁力研磨装置，磁极头吸附磁性磨料与研磨液的混合物I，压附在工件表面；磁性磨料与研磨液的混合物I是平均粒径为200μm的磁性磨料与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机和步进电机，按设定加工参数加工，加工过程中工件沿纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为10min以上；

e.精密研磨加工：将磁性磨料与研磨液的混合物I更换为磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ，磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ是平均粒径为100μm磁性磨料与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机和步进电机，按设定加工参数加工，加工过程中工件沿纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为20min以上；

f.清洗：将精密研磨加工后的工件取下，放入超声波清洗机中清洗，然后烘干；

g.检测：采用3D超景深显微镜检测成品工件表面的形貌，确保其表面质量符合要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明仅需要对应工件的大小换研磨头，便可以完成不同直径大小的工件内外壁的研磨加工，简单方便，适用范围广；

2)根据加工要求的不同，可以通过自行调整磁性磨料的粒径、加工时间、研磨液等参数，及超声波发生器的电压、振幅以及调速电机的转速，保证加工工件的形状精度和加工质量；

3)通过磁力研磨加工技术和旋转超声波加工技术相结合，针对球形面工件内外表面加工，设计出旋转超声波磁力研磨装置，对球形表面工件的加工专用性强，能够显著提高加工效率。

附图说明

图1是本发明所述一种旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置的结构示意图。

图2是图1中的A部详图一(加工工件的半球形内表面)。

图3是图1中的A部详图二(加工工件的半球形外表面)。

图4是本发明实施例中工件的半球形内表面加工前的显微镜图。

图5是本发明实施例中工件的半球形内表面加工后的显微镜图。

图6是本发明实施例中工件的半球形外表面加工前的显微镜图。

图7是本发明实施例中工件的半球形外表面加工后的显微镜图。

图中：1.超声波发生器 2.调速电机 3.联轴器 4.换能器 5.外壳 6.集电环 7.碳刷 8.工作台 9.手摇丝杠 10.夹具 11.进给丝杠 12.步进电机 13.工件 14.磁极头 15.磁性磨料 16.套筒 17.变幅杆 18.筒夹

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置，包括旋转驱动装置、超声波磁力研磨装置和工件进给装置；所述旋转驱动装置为调速电机1，超声波磁力研磨装置由超声波发生器1、集电环6、碳刷7、变幅杆17、换能器4、筒夹18及磁极头14组成，其中磁极头14为具有半球形端面的圆柱磁极；所述换能器4、变幅杆17、筒夹18及磁极头14依次同轴设置在调速电机2的动力输出端，并随之旋转；换能器4的外部设有集电环6，超声波发生器1通过碳刷7与集电环6相连；所述工件进给装置由步进电机12、进给丝杠11、工作台8、手摇丝杠9及夹具10组成，工作台8与进给丝杠11螺旋传动，夹具10设在工作台8上，用于夹持工件13；步进电机12带动进给丝杠11旋转时，工作台8能够带动工件13沿磁极头14轴向往复纵向移动；手摇丝杠9安装在夹具10的一侧，用于带动夹具10和工件13沿与磁极头14轴向垂直的水平方向横向移动；加工时，工件13的被加工面与磁极头14之间留有加工间隙，并填充磁性磨料15。

所述换能器4与调速电机2输出轴之间通过联轴器3连接。

所述工件13与夹具10之间设有套筒16。

所述磁性磨料15由Al₂O₃和Fe粉按照质量比1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、筛分制成，磁性磨料15的平均粒径为100～200μm。

基于所述装置的旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的方法，包括如下步骤：

a.装卡：将工件13通过套筒16和夹具10安装在工作台8上，将磁极头14通过筒夹18与变幅杆17的一端连接，变幅杆17的另一端与换能器4的一端连接，换能器4的另一端通过联轴器3与调速电机2的输出轴连接；

b.选定磨料：选用Al₂O₃和Fe粉按照质量比为1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、筛分制成的磁性磨料15；

c.加工参数：设定调速电机2的转速为1000～1500r/min；工件13水平进给速度为40～60mm/min，超声波发生器1频率为10～30kHz；

d.研磨加工：通过步进电机12驱动进给丝杠11旋转带动工作台8纵向移动，通过手摇丝杠9驱动工件13横向移动；调节工件13与磁极头14之间的加工间隙为1～2mm；启动超声波磁力研磨装置，磁极头14吸附磁性磨料与研磨液的混合物I，压附在工件13表面；磁性磨料与研磨液的混合物I是平均粒径为200μm的磁性磨料15与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机2和步进电机12，按设定加工参数加工，加工过程中工件13沿纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为10min以上；

e.精密研磨加工：将磁性磨料与研磨液的混合物I更换为磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ，磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ是平均粒径为100μm磁性磨料15与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机2和步进电机12，按设定加工参数加工，加工过程中工件13沿纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为20min以上；

f.清洗：将精密研磨加工后的工件13取下，放入超声波清洗机中清洗，然后烘干；

g.检测：采用3D超景深显微镜检测成品工件13表面的形貌，确保其表面质量符合要求。

本发明所述一种旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置中，超声波磁力研磨装置通过联轴器3与调速电机2的输出轴相连，由调速电机2带动其旋转；超声波发生器1通过碳刷7与集电环6接触，换能器4将超声波发生器1的电能转化成轴向机械能，变幅杆17将轴向机械能的振幅放大，筒夹18用于夹持磁极头14，磁极头14吸附磁性磨粒15压附在工件13待加工表面，当调速电机2转动时，带动磁极头14转动，实现对工件13待加工表面的研磨加工，加工时，通过步进电机12、进给丝杠11和工作台8带动工件13沿纵向进给，手摇丝杠9带动工件13横向进给，直到达到所要求的尺寸精度和表面质量。

当工件13为薄壁零件时，为防止其在夹持固定时因受力变形，采用套筒16套设在工件13外侧。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

本实施例中，采用本发明所述旋转超声波磁力研磨方法加工工件的半球形内表面。具体过程如下：

a.装卡：将工件13待加工的内表面对准磁极头14一侧，通过套筒16和夹具10安装在工作台8上；磁极头14采用具有半球形端面的圆柱磁极，且半球形端面朝向工件13一侧，通过筒夹18安装在变幅杆17上；

b.选定磨料：选用Al₂O₃和Fe粉按照质量比1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、粉碎、筛分而成的磁性磨料15；

c.加工参数：设定调速电机2转速为1000r/min；工件13水平进给速度为50mm/min，超声波发生器1频率为20kHz；

d.研磨加工：调整磁极头14端面与工件13待加工表面之间的加工间隙为2mm，启动超声波磁力研磨装置，磁极头14吸附磁性磨料与研磨液的混合物I，压附在工件13表面；磁性磨料与研磨液的混合物I是平均粒径为200μm的磁性磨料15与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机2和步进电机12，按设定加工参数加工，加工过程中工件13纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为10min；

e.精密研磨加工：将磁性磨料与研磨液的混合物I更换为磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ，磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ是平均粒径为100μm磁性磨料15与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机2和步进电机12，按设定加工参数加工，加工过程中工件13纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为20min；

f.清洗：将精密研磨加工后的工件13取下，放入超声波清洗机中清洗，然后烘干；

g.检测：采用3D超景深显微镜检测工件13表面加工前后的微观形貌变化，如图4、图5所示，加工后的工件13表面质量符合要求。

【实施例2】

本实施例中，采用本发明所述旋转超声波磁力研磨方法加工工件的半球形外表面，具体过程同实施例1。采用3D超景深显微镜检测工件13表面加工前后的微观形貌变化，如图6、图7所示，加工后的工件13表面质量符合要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置，其特征在于，包括旋转驱动装置、超声波磁力研磨装置和工件进给装置；所述旋转驱动装置为调速电机，超声波磁力研磨装置由超声波发生器、集电环、碳刷、变幅杆、换能器、筒夹及磁极头组成，其中磁极头为具有半球形端面的圆柱磁极；所述换能器、变幅杆、筒夹及磁极头依次同轴设置在调速电机的动力输出端，并随之旋转；换能器的外部设有集电环，超声波发生器通过碳刷与集电环相连；所述工件进给装置由步进电机、进给丝杠、工作台、手摇丝杠及夹具组成，工作台与进给丝杠螺旋传动，夹具设在工作台上，用于夹持工件；步进电机带动进给丝杠旋转时，工作台能够带动工件沿磁极头轴向往复纵向移动；手摇丝杠安装在夹具的一侧，用于带动夹具和工件沿与磁极头轴向垂直的水平方向横向移动；加工时，工件的被加工面与磁极头之间留有加工间隙，并填充磁性磨料。

2.根据权利要求1所述的旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置，其特征在于，所述换能器与调速电机输出轴之间通过联轴器连接。

3.根据权利要求1所述的旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置，其特征在于，所述工件与夹具之间设有套筒。

4.根据权利要求1所述的旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的装置，其特征在于，所述磁性磨料由Al₂O₃和Fe粉按照质量比1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、筛分制成，磁性磨料的平均粒径为100～200μm。

5.基于权利要求1所述装置的旋转超声波磁力研磨加工半球形面工件表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.装卡：将工件通过套筒和夹具安装在工作台上，将磁极头通过筒夹与变幅杆的一端连接，变幅杆的另一端与换能器的一端连接，换能器的另一端通过联轴器与调速电机的输出轴连接；

b.选定磨料：选用Al₂O₃和Fe粉按照质量比为1:2的比例混合后，经压制、烘干、烧结、筛分制成的磁性磨料；

c.加工参数：设定调速电机的转速为1000～1500r/min；工件水平进给速度为40～60mm/min，超声波发生器频率为10～30kHz；

d.研磨加工：通过步进电机驱动进给丝杠旋转带动工作台纵向移动，通过手摇丝杠驱动工件横向移动；调节工件与磁极头之间的加工间隙为1～2mm；启动超声波磁力研磨装置，磁极头吸附磁性磨料与研磨液的混合物I，压附在工件表面；磁性磨料与研磨液的混合物I是平均粒径为200μm的磁性磨料与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机和步进电机，按设定加工参数加工，加工过程中工件沿纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为10min以上；

e.精密研磨加工：将磁性磨料与研磨液的混合物I更换为磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ，磁性磨料与研磨液的混合物Ⅱ是平均粒径为100μm磁性磨料与油基研磨液按体积比1:1的混合物；开启调速电机和步进电机，按设定加工参数加工，加工过程中工件沿纵向、横向往复移动，总进给量根据加工需要确定，加工时间为20min以上；

f.清洗：将精密研磨加工后的工件取下，放入超声波清洗机中清洗，然后烘干；

g.检测：采用3D超景深显微镜检测成品工件表面的形貌，确保其表面质量符合要求。