CN109333175B - 一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及零件内表面抛光领域，尤其涉及针对圆管内壁等轴对称结构的回转型内表面进行精密抛光的领域。一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工方法，在圆管试样中通入流体磨料，在圆管试样以其轴线为中心，沿圆周方向上施加振幅为A、频率为f、初相为α的超声振动，流体磨料在相互垂直的滑移速度V _slip 和滑移速度V _f 复合作用下，与圆管试样内壁面接触的磨粒i、i+1、i+2等在圆管试样（8）内表面微量切削、滑擦，形成大量相互交织的波浪形划痕。

Description

一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工方法

技术领域

本发明涉及零件内表面抛光领域，尤其涉及针对圆管内壁等轴对称结构的回转型内表面进行精密抛光的领域。

背景技术

随着制造业的发展和社会需求的多样化，对产品高质量光滑表面的需求愈加广泛，对零部件光整加工的效果要求越来越高；大量的圆管类零件如不锈钢圆管以及轴对称结构的回转型内表面零件在特定的使用场合都对低粗糙度光滑表面有较高的光整加工需求，特别是要求将粗糙度值降低到Ra0.1以下。目前用常规的光整加工方法很难取得满意的效果，如常规的单向或双向磨料流光整加工通过严格控制加工条件可在流体磨料的流动方向上使粗糙度值降低到Ra0.1左右，但在与流体磨料流动方向垂直的方向上粗糙度值则难以达到这样的要求，从而使零件整体的抛光效果难以满足；电解和化学等抛光方法虽然可以达到较低的表面粗糙度，但环境污染严重等问题使其难以大规模使用；从而需要发展新的抛光工艺来达到对零部件光整加工低粗糙度、高质量表面的要求。

在磨料流光整加工领域中，采用粘弹性流体与磨粒组成的流体磨料对零件内表面或细小狭缝等封闭区域进行光整加工，主要是利用粘弹性流体的壁面滑移特性来带动磨粒以一定的速度和压力在零件壁面滑移，对表面进行光整加工，降低表面粗糙度值；但这种沿流体磨料流动方向进行的单向或双向磨料流加工，只能形成沿流动方向的单一纹理，使得零件表面各个方向的粗糙度不一致，甚至差别相当大。超声振动加工近年来被越来越多地辅助到其它加工方法中，产生的复合加工方式使得加工质量得到大幅提升。

在传统的磨料流加工方法中引入超声振动，可使待加工表面处的磨粒产生振动和流动的复合运动，在光整加工表面上产生波浪形的划痕，依靠大量磨粒波浪形划痕的相互交织，来提高待加工表面各个方向上的粗糙度，保证各个方向粗糙度的一致性，可显著提高光整加工的效果，实现超声振动辅助磨料流精密光整加工的目的。

目前，在申请号为CN201410737104和CN201410742611的专利中分别给出了一种高效恒压差间歇式旋转挤压磨料流抛光方法和装置，该方法给出了一种诸如航空发动机整体叶盘、叶轮、叶片、薄壁件、泵阀体和细长孔等具有复杂曲面零件的间歇式旋转抛光方法，利用液压马达驱动齿轮外啮合负游隙转盘轴承旋转系统驱动工件做间歇式旋转，工件转速范围可在0. 5转/分-2转/分之间，工件的转速与本发明的工件在超声振动驱动下的振动方式和振动速度均有显著区别，预期达到的效果与本发明有显著差异；以及在申请号为CN201710376483.9的专利给出了一种用于磨料流超声复合去除细长杆毛刺的超声复合光整机床，在磨料流光整加工细长杆工件内腔的基础上在细长杆轴向施加超声振动实现超声去毛刺；申请号为CN201620006604.1和CN201510467814.0的专利，均通过在流体磨料中施加超声振动，进行工件的磨料流光整加工；这些超声振动辅助磨料流光整加工方法与本发明均不相同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何对圆管内壁进行精密光整加工, 形成低粗糙度光滑表面，将圆管内壁的表面粗糙度在圆周方向和轴向均达到Ra0.1以下，解决圆管内壁精密光整加工均匀性一致性差的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工方法，在圆管试样（8）中通入流体磨料，使圆管试样（8）内壁面处磨粒的滑移速度为V _slip ，在圆管试样（8）以其轴线为中心，沿圆周方向上施加振幅为A、频率为f、初相为α的超声振动，使圆管试样（8）壁面处的磨粒相对圆管试样（8）的内圆壁面在圆周方向上的滑移分速度为V _f ，

；流体磨料在相互垂直的滑移速度V _slip 和滑移速度V _f 复合作用下，与圆管试样（8）内壁面接触的磨粒i、i+1、i+2等在圆管试样（8）内表面微量切削、滑擦，形成大量相互交织的波浪形划痕，i为自然数。 一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工装置，包括机架（13）、安装在机架上的推料缸（2）、安装在推料缸（2）上的推料活塞（3）、安装在推料缸（2）内并处于推料活塞（3）右侧的加料筒（4）、安装在推料缸（2）左侧且与推料活塞（3）连接的液压缸（1）、固定在推料缸（2）右端部的挤料管（5）、一端套在挤料管（5）右侧端部外侧并通过第一卡箍（16）固定的连接软管（6）、左端外侧被连接软管（6）的另一端套着并通过第二卡箍（15）固定连接的圆管试样（8）、安装在机架（13）上用于支撑圆管试样（8）且与圆管试样（8）转动连接的第一滑动支撑座（7）和第二滑动支撑座（11）、固定在机架（13）上且通过夹紧环臂（9）与圆管试样（8）连接的处于第一滑动支撑座（7）和第二滑动支撑座（11）中间位置的超声振动杆（12）。

作为一种优选方式：超声振动杆（12）的轴线与圆管试样（8）的轴线异面，该两条异面直线相互垂直，超声振动杆（12）轴线方向上的振动通过夹紧环臂（9）传递给圆管试样（8），使圆管试样（8）能形成以其轴线为转动中心线的圆周方向上的超声振动。

作为一种优选方式：夹紧环臂（9）由上下两个半环形环臂构成，上下两个半环形环臂左端通过夹紧螺钉（17）连接，上下两个半环形环臂右端通过螺钉（10）、压簧（14）、垫片（18）固定，上下两个半环形环臂通过其一侧的圆环端夹紧圆管试样（8），上下两个半环形环臂通过其另一侧的悬臂端与超声振动杆（12）相连，上下两个半环形环臂的圆环端内孔直径等于或稍大于圆管试样（8）的外径，通过拧紧夹紧螺钉（17）使上下两个半环形环臂的圆环端产生弹性变形夹紧圆管试样（8）；悬臂端开有安装螺栓的过孔，过孔与螺栓的间隙为0.5-1mm，超声振动杆（12）与悬臂端通过超声振动杆（12）端部的凸球面与悬臂端的平面配合；超声振动杆（12）在与圆管试样（8）轴线垂直的方向上做超声振动时，在使超声振动杆（12）端部的球面与悬臂端产生滑移的状态下，通过螺钉（10）和压簧（14）使悬臂端与超声振动杆（12）紧密接触，保证超声振动向夹紧环臂（9）的传递。 作为一种优选方式：挤料管（5）由一体化的法兰盘和圆管组成，挤料管（5）内部成锥台过渡，法兰盘端与推料缸（2）右端部固定连接，连接软管（6）的一端套在圆管端并通过第一卡箍（16）固定；挤料管（5）用来使流体磨料从推料缸（2）挤出时将流体磨料在推料缸（2）内的直径以圆锥形缩小到挤料管（5）的圆管端出口处的内径大小，降低流体磨料的流动阻力，增大流体磨料的流量，挤料管（5）出口外径与圆管试样（8）的外径基本一致，方便连接软管（6）的两端分别进行连接固定。

作为一种优选方式：连接软管（6）为一柔性材料（如橡胶等）制作的软管，分别通过第一卡箍（16）和第二卡箍（15）连接挤料管（5）和圆管试样（8），在圆管试样（8）被超声振动杆（12）驱动做以其轴线为中心的圆周方向上的振动时，利用连接软管（6）的柔性，隔断振动向挤料管（5）的传递，只让圆管试样（8）做以其轴线为中心的圆周方向上的振动，有利于减小超声振动杆（12）驱动圆管试样（8）做圆周方向高频振动的阻力，减小超声振动杆（12）驱动圆管试样（8）振动的功率。

作为一种优选方式：圆管试样（8）通过外圆结构完全相同的第一滑动支撑座（7）的座孔和第二滑动支撑座（11）的座孔进行配合，同时第一滑动支撑座（7）和第二滑动支撑座（11）与机架（13）固定相连，对圆管试样（8）进行支撑；第一滑动支撑座（7）和第二滑动支撑座（11）的座孔与圆管试样（8）的外圆面之间采用间隙配合，并使第一滑动支撑座（7）的座孔中心线、第二滑动支撑座（11）的座孔中心线与圆管试样（8）的外圆面中心线在同一轴线上，圆管试样（8）能够在第一滑动支撑座（7）和第二滑动支撑座（11）的座孔内以低阻力转动。

一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工装置的加工方法，按照如下的步骤进行：

步骤一、将圆管试样（8）依次穿过第二滑动支撑座（11）的座孔、夹紧环臂（9）的圆环孔和第一滑动支撑座（7）的座孔，拧紧夹紧环臂（9）上的夹紧螺钉（17），夹紧圆管试样（8）；再将圆管试样（8）套在连接软管（6）上，用第二卡箍（15）固定；

步骤二、通过加料筒（4）在推料缸（2）中装满粘弹性流体和磨粒均匀混合的流体磨料；

步骤三、液压缸（1）以设定的工作压力或流量推动推料活塞（3），将流体磨料沿圆管试样（8）内圆表面构成的流道挤出，流体磨料中在圆管试样（8）内壁面处磨粒的滑移速度为V _slip ；

步骤四、启动超声振动杆（12），使圆管试样（8）以其轴线为中心，沿圆周方向上产生振幅为A、频率为f、初相为α的超声振动，使得流体磨料中圆管试样（8）壁面处的磨粒相对圆管试样（8）的内圆壁面形成在圆周方向上的滑移分速度V _f ，

；

步骤五、重复步骤二、三、四，通过持续推动流体磨料通过圆管试样（8），使流体磨料在相互垂直的滑移速度V _slip 和滑移速度V _f 复合作用下，与圆管试样（8）内壁面接触的磨粒i、i+1、i+2等在圆管试样（8）内表面微量切削、滑擦，形成大量相互交织的波浪形划痕；

步骤六、加工至设定的抛光时间，停止超声振动杆（12），将推料活塞（3）运行至推料缸（2）的左侧极限位置，将推料活塞（3）停止工作，使连接软管（6）和圆管试样（8）内泄压，然后依次将夹紧环臂（9）上的夹紧螺钉（17）、第二卡箍（15）松开，将圆管试样（8）从与连接软管（6）的连接处松开，再从第二滑动支撑座（11）的座孔中从右侧取出圆管试样（8），圆管试样（8）的内表面光整加工完成。

作为一种优选方式：步骤四中流体磨料中圆管试样壁面处的单颗磨粒使圆管试样内表面形成波浪形划痕。

作为一种优选方式：步骤四中流体磨料中圆管试样壁面处的大量磨粒使圆管试样内表面形成的波浪形划痕相互交织。

本发明的有益效果是：

（1）通过在圆管内表面的磨料流光整加工中，在圆管的圆周方向上施加超声振动，使得圆管内表面磨粒的划痕由沿壁面的轴向改变为如附图4所示的波浪形；

（2）由大量磨粒的波浪形划痕相互交织，不但可以降低圆管试样内表面沿轴线方向X的粗糙度，而且可以降低圆管试样内表面沿圆周方向Y的粗糙度，能够显著提高圆管试样内表面各个方向粗糙度的均匀性一致性，提升磨料流光整加工的效果；

（3）提供了一种简单有效的圆管试样内表面粘弹性流体磨料精密光整加工方法，且光整加工后的表面粗糙度可以达到Ra0.1以下。

附图说明

图1是本发明所使用装置的结构示意图；

图2是图1的A-A剖示图；

图3是图1的B-B剖示图；

图4是本发明工件壁面处磨粒的滑移轨迹示意图；

图中：1、液压缸，2、推料缸，3、推料活塞，4、加料筒，5、挤料管，6、连接软管，7、第一滑动支撑座，8、圆管试样，9、夹紧环臂，10、螺钉，11、第二滑动支撑座，12、超声振动杆，13、机架，14、压簧，15、第二卡箍，16、第一卡箍，17、夹紧螺钉，18、垫片， X-流体磨料在圆管试样中的流动方向， Y-圆管试样沿其圆周的振动方向，i-流体磨料中与圆管试样内壁接触的第i个磨粒，i ₁-流体磨料中与圆管试样内壁接触的第i+1个磨粒，i ₂-流体磨料中与圆管试样内壁接触的第i+2个磨粒。

具体实施方式

实施方式一：

一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工装置，包括机架、安装在机架上的推料缸、安装在推料缸上的推料活塞、安装在推料缸内并处于推料活塞右侧的加料筒、安装在推料缸左侧且与推料活塞连接的液压缸、固定在推料缸右端部的挤料管、一端套在挤料管右侧端部外侧并通过第一卡箍固定的连接软管、左端外侧被连接软管的另一端套着并通过第二卡箍固定连接的圆管试样、安装在机架上用于支撑圆管试样且与圆管试样转动连接的第一滑动支撑座和第二滑动支撑座、固定在机架上且通过夹紧环臂与圆管试样连接的处于第一滑动支撑座和第二滑动支撑座中间位置的超声振动杆。超声振动杆的轴线与圆管试样的轴线异面，该两条异面直线相互垂直；超声振动杆轴线方向上的振动通过夹紧环臂传递给圆管试样，使圆管试样能形成以其轴线为转动中心线的圆周方向上的超声振动。夹紧环臂由上下两个半环形环臂构成，上下两个半环形环臂左端通过夹紧螺钉连接，上下两个半环形环臂右端通过螺钉、压簧、垫片固定，上下两个半环形环臂通过其一侧的圆环端夹紧圆管试样，上下两个半环形环臂通过其另一侧的悬臂端与超声振动杆相连，上下两个半环形环臂的圆环端内孔直径等于或稍大于圆管试样的外径，通过拧紧夹紧螺钉使上下两个半环形环臂的圆环端产生弹性变形夹紧圆管试样；悬臂端开有安装螺栓的过孔，过孔与螺栓的间隙为0.5-1mm，超声振动杆与悬臂端通过超声振动杆端部的凸球面与悬臂端的平面配合；超声振动杆在与圆管试样轴线垂直的方向上做超声振动时，在使超声振动杆端部的球面与悬臂端产生滑移的状态下，通过螺钉和压簧使悬臂端与超声振动杆紧密接触，保证超声振动向夹紧环臂的传递。挤料管由一体化的法兰盘和圆管组成，挤料管内部成锥台过渡，法兰盘端与推料缸右端部固定连接，连接软管的一端套在圆管端并通过第一卡箍固定；挤料管用来使流体磨料从推料缸挤出时将流体磨料在推料缸内的直径以圆锥形缩小到挤料管的圆管端出口处的内径大小，降低流体磨料的流动阻力，增大流体磨料的流量，挤料管出口外径与圆管试样的外径基本一致，方便连接软管的两端分别进行连接固定。连接软管为一柔性材料（如橡胶等）制作的软管，分别通过第一卡箍和第二卡箍连接挤料管和圆管试样，在圆管试样被超声振动杆驱动做以其轴线为中心的圆周方向上的振动时，利用连接软管的柔性，隔断振动向挤料管的传递，只让圆管试样做以其轴线为中心的圆周方向上的振动，有利于减小超声振动杆驱动圆管试样做圆周方向高频振动的阻力，减小超声振动杆驱动圆管试样振动的功率。圆管试样通过外圆结构完全相同的第一滑动支撑座的座孔和第二滑动支撑座的座孔进行配合，同时第一滑动支撑座和第二滑动支撑座与机架固定相连，对圆管试样进行支撑；第一滑动支撑座和第二滑动支撑座的座孔与圆管试样的外圆面之间采用间隙配合，并使第一滑动支撑座的座孔中心线、第二滑动支撑座的座孔中心线与圆管试样的外圆面中心线在同一轴线上，圆管试样能够在第一滑动支撑座和第二滑动支撑座的座孔内以低阻力转动。

实施方式二：

一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工装置，在实施方式一的基础上，在圆管试样8的右侧，增设一套液压缸1、推料缸2、推料活塞3、加料筒4、挤料管5、连接软管6、第一卡箍16、第二卡箍15，通过控制协调左右两个料缸的推料动作，实现圆管试样8的超声振动辅助磨料流双向光整加工，提高光整加工的效率。

实施方式三：

一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工装置，在实施方式一或实施方式二的基础上，将超声振动杆12倾斜安装，使超声振动杆12的轴线与圆管试样8的轴线这两条异面直线的夹角大于45º小于90º，使圆管试样8能形成以其轴线为转动中心线的圆周方向上的超声振动分量和轴线方向上的超声振动分量，使流体磨料中在圆管试样8内壁面处磨粒的滑移速度和圆管试样8轴线方向上的超声振动分速度叠加，再与圆管试样8圆周方向上的超声振动分速度合成，进行这一方式的超声振动辅助磨料流光整加工。

Claims (2)

1.一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工方法，其特征在于：在圆管试样（8）中通入流体磨料，使圆管试样（8）内壁面处磨粒的滑移速度为V _slip ，在圆管试样（8）以其轴线为中心，沿圆周方向上施加振幅为A、频率为f、初相为α的超声振动，使圆管试样（8）壁面处的磨粒相对圆管试样（8）的内圆壁面在圆周方向上的滑移分速度为Vf，

；流体磨料在相互垂直的滑移速度Vslip和滑移速度Vf复合作用下，与圆管试样（8）内壁面接触的磨粒i、i+1、i+2、……、i+n在圆管试样（8）内表面微量切削、滑擦，形成大量相互交织的波浪形划痕，i为自然数，n为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种圆管内壁超声振动辅助磨料流精密光整加工方法，其特征在于：按照如下的步骤进行

步骤一、将圆管试样（8）依次穿过第二滑动支撑座（11）的座孔、夹紧环臂（9）的圆环孔和第一滑动支撑座（7）的座孔，拧紧夹紧环臂（9）上的夹紧螺钉（17），夹紧圆管试样（8）；再将圆管试样（8）套在连接软管（6）上，用第二卡箍（15）固定；

步骤二、通过加料筒（4）在推料缸（2）中装满粘弹性流体和磨粒均匀混合的流体磨料；

步骤三、液压缸（1）以设定的工作压力或流量推动推料活塞（3），将流体磨料沿圆管试样（8）内圆表面构成的流道挤出，流体磨料中在圆管试样（8）内壁面处磨粒的滑移速度为V _slip ；

步骤四、启动超声振动杆（12），使圆管试样（8）以其轴线为中心，沿圆周方向上产生振幅为A、频率为f、初相为α的超声振动，使得流体磨料中圆管试样（8）壁面处的磨粒相对圆管试样（8）的内圆壁面形成在圆周方向上的滑移分速度V _f ，

；

步骤五、重复步骤二、三、四，通过持续推动流体磨料通过圆管试样（8），使流体磨料在相互垂直的滑移速度V _slip 和滑移速度V _f 复合作用下，与圆管试样（8）内壁面接触的磨粒i、i+1、i+2、……、i+n在圆管试样（8）内表面微量切削、滑擦，形成大量相互交织的波浪形划痕；

步骤六、加工至设定的抛光时间，停止超声振动杆（12），将推料活塞（3）运行至推料缸（2）的左侧极限位置，将推料活塞（3）停止工作，使连接软管（6）和圆管试样（8）内泄压，然后依次将夹紧环臂（9）上的夹紧螺钉（17）、第二卡箍（15）松开，将圆管试样（8）从与连接软管（6）的连接处松开，再从第二滑动支撑座（11）的座孔中从右侧取出圆管试样（8），圆管试样（8）的内表面光整加工完成。

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