CN109396966B - 一种多磁铁排布环形磁流变抛光工具加工凹球冠或凹球环面方法 - Google Patents
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Abstract
一种多磁铁排布环形磁流变抛光工具加工小口径凹球冠或凹球环面零件的方法，其特征是它法包括依据零件尺寸，预制平面等效抛光工具及实验确定主要工艺参数，根据工艺参数及零件结构形状设计永磁体、装配成环形磁流变抛光工具。利用Matlab软件进行轨迹仿真确定可实现轴向及周向均匀去除的转速系列。将零件与环形抛光工具进行球心定位安装，并调整零件轴线与工具轴线倾斜角度α。依据主要工艺参数值，启动机床工件轴及工具轴，持续向加工区域供给磁流变抛光液对凹球冠（或凹球环面）零件进行抛光加工。本发明能使表面粗糙度达到纳米级超光滑面，并对零件的面形精度（球度）起到较好的修正作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种球面加工方法，尤其是一种直径小于100毫米凹球冠或凹球环面的抛光加工方法，具体地说是一种多磁铁排布环形磁流变抛光工具加工时，存在干涉的凹球冠（或凹球环面）零件抛光方法。
背景技术
在航空航天、光学加工和特种设备等领域中硬脆材料蓝宝石、熔石英等材料由于良好的物理化学性质而被广泛运用于制造各种核心零部件。由于要实现使用需求，其中很多零部件存在特定尺寸的小口径凹球冠（或凹球环面）的结构。且多数情况下对零件形状精度和表面质量都有着较高的要求。因此，在磨削、精密铣削等紧密加工工序后还需要抛光加工进一步降低表面粗糙度。如半球谐振陀螺仪中的谐振子零件、单晶蓝宝石球罩零件等。传统的小口径凹球冠（或凹球环面）抛光方法中多以成型或局部成型磨具、球头工具配合多轴机床加工为主，此基础上引入超声、化学等辅助作用，以提高加工精度和加工效率。但传统小口径凹球冠（或凹球环面）抛光加工，有以下几个特点：（1）成型磨具磨损情况比较严重，加工硬脆材料时尤其明显，一旦发生磨损就难再保证加工效率和加工质量；（2）成型磨具难以解决零件本身结构导致可能存在的干涉问题；（3）成型或局部成型磨具其磨具本身的加工精度要求高、难度大，作为消耗品很不经济，且零件结构复杂时难以实现载荷的施加及调整。（4）球头磨具需要在多轴机床上使用，机床结构复杂成本高，逐点去除的特点，造成加工去除效率低；（5）难以实现整个加工面的均匀去除加工，抛光加工过程中降低零件表面粗糙度的同时容易破坏原本的面形精度。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有的直径小于100毫米凹球冠或凹球环面存在加工难度大，设备复杂、精度不高的问题，发明一种小型永磁铁环形排布的、针对性小口径凹球冠（或凹球环面）的相对高效的磁流变抛光加工方法，能大幅度提高抛光加工效率，并且在降低工件表面粗糙度的同时，能对零件面形精度起到进一步的修正效果。
根据抛光加工方法及理论，针对传统小口径凹球冠（或凹球环面）零件抛光法存在的问题与不足，本发明拟提出一种小型永磁铁多磁铁环形排布抛光工具加工小口径凹球冠（或凹球环面）工件的磁流变抛光加工方法。该方法具有一定针对性、加工稳定性好、抛光工具磨损小。能在降低工件表面粗糙度的同时，实现对零件面形精度（球度）进一步的修正。
本发明的技术方案是：
一种多磁铁排布环形磁流变抛光工具加工小口径凹球冠或凹球环面方法，所述的小口径凹球冠或凹球环面的直径小于100毫米；其特征是它包括以下步骤：
（1）依据零件尺寸，预制平面等效抛光器，通过实验确定主要工艺参数；
（2）依据主要工艺参数及零件结构形状条件设计环形磁流变抛光工具结构参数和永磁体参数，并装配成环形磁流变抛光工具；
（3）根据几何关系，采用Matlab软件进行轨迹仿真确定可实现轴向及周向均匀去除的转速条件；
（4）将带凹球冠（或凹球环）零件安装在双轴加工机床工件轴上，将环形磁流变抛光工具安装在双轴加工机床的工具轴上；
（5）将凹球冠（或凹球环）零件与抛光器零件进行球心定位调试，并调整零件轴线与工具轴线之间倾斜角度α；
（6）依据仿真获得的主要工艺参数，启动机床工件主轴及工具轴，持续向加工区域供给磁流变抛光液对工件进行抛光加工。
所述环形磁流变抛光工具的部分主要尺寸受零件尺寸影响，环形磁流变抛光工具主要由永磁铁、环形磁铁保持架及夹持柄组成。
所述环形磁流变抛光工具的环形磁铁保持架不具有磁性，不会影响磁铁所产生的磁场分布。
所述机床为双轴加工机床，必须保证加工时工具轴与工件轴的倾角及定位要求。
所述零件轴线与工具轴线之间倾斜角度α由加工过程中的干涉情况或加工零件的球面尺寸特性确定。
所述零件轴线与工具轴线之间倾斜角度α为16.8°～24°。
所述加工过程中的工具轴与零件轴的转速配比直接关系到工件能否在实现抛光加工降低工件面粗糙度的同时，实现凹球冠或凹球环工件的尺寸公差要求，并且对凹球冠或凹球环形状精度起到一定程度的修正作用；转速配比及具体转速系列根据几何关系轨迹方程由Matlab软件仿真计算得到。
所述加工过程中通过蠕动泵持续向抛光加工区域供给磁流变抛光液。
所述磁流变抛光液为石英磁流变抛光液或氟化钙磁流变抛光液。
本发明的有益效果是：
本发明具有抛光效果好、加工稳定性好、加工效率高、适应条件广泛等特点。另外其理论基础为磁流变抛光加工，故磨具损耗微小，以磁流变液为介质实现抛光加工，抛光器本身几乎不存在磨损。且磁流变液加工过程具有自动更新能力，去除函数稳定。且加工为非接触试，抛光工具与零件存在一定的间隙，故抛光工具加工精度要求不高。抛光加工形式为双轴成一定角度转动，加工载体简单，有效降低了加工成本。而且，环形磁流变抛光工具主体结构为外圈磁铁保持架及磁铁，其结构多变能适应零件的复杂性，能避免干涉等优点。
附图说明
图1是本发明二维结构示意图。
图中：1.环形磁流变抛光工具主体、2.磁铁保持架、3.磁流变液供给装置、4.磁流变液、5. 凹球冠零件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1。
如图1所示。
一种带中心杆的半球壳零件（半球谐振子）凹球面抛光（直径为60毫米）方法，它包括以下步骤：
（1）依据零件尺寸，预制平面等效抛光工具，实验确定主要工艺参数；
依据球壳零件凹球面尺寸，制造平面抛光器进行工艺参数实验确定加工间隙、抛光器转速、磁场强度参数范围，得到合适的工艺参数为：加工间隙0.6mm、抛光器转速350rpm、磁场磁感应强度较强合适。
（2）设计永磁体及其保持架参数、装配成环形磁流变抛光工具；
以步骤（1）中所得主要工艺参数为指导依据，进行环形磁流变抛光工具的设计，选择材料为N45钕铁硼的d3h2mm圆柱形永磁铁。将磁铁与保持架等其它部件装配成环形磁流变抛光工具。除永磁铁外，环形磁流变抛光工具的其它材质为1Cr18Ni9Ti无磁不锈钢。
（3）根据几何关系，利用Matlab软件进行轨迹仿真确定可实现轴向及周向均匀去除的转速配比；
依据几何关系从周向均匀性和轴向均匀性两个方向仿真得到合适的配速条件，令i=ω1/ω2, 从轴向均匀考虑仿真得到合适的i值，结合周向均匀性结果，本实施例得到较复杂的转速系列，进行阶段加工累计加工达到加工要求。
（4）安装环形磁流变抛光工具及零件，球心定位安装及调试，并调整零件轴线与抛光器轴线倾斜角度α；
将环形磁流变抛光工具安装在双轴机床的工具轴上，将零件安装在双轴机床的工轴上，夹紧后，调节机床两轴的位置，其中机床上抛光工具轴可在水平面内转动一定角度。根据零件结构将抛光工具内部设计成镂空，抛光工具轴与零件轴线偏转大于22°的角度便可避免干涉。故安装时，调整位置使抛光工具与零件球心重合，并且两轴线同在水平面内，在水平面内成α=24°的倾斜角。
（5）依据得到的主要工艺参数，启动机床工件轴及工具轴，持续向加工区域供给磁流变抛光液对球面进行抛光加工。
根据步骤（1）、（3）所得环形磁流变抛光工具参数及零件转速参数，启动双轴机床工件轴与工具轴，并且在即将进入抛光区的区域进行抛光液的持续供给，对加工区域进行抛光加工。根据仿真所得结果设定加工参数（相对均匀的配速为ω1=347.3rpm，ω2=-389.7rpm），加工时间为6h，每加工2h后对凹球面的表面粗糙度及工件球度进行检测。
经过6h的加工，凹球面的表面粗糙度值从加工前的403.6nm显著下降到1.98nm，表面质量明显提高，零件的球度也从5.06um下降到0.82um，面形也得到明显改善。
实施例2。
一种球罩零件凹球面抛光（直径为90毫米）方法，它包括以下步骤：
（1）依据零件尺寸，预制平面等效抛光工具，实验确定主要工艺参数；
依据球罩零件凹球面尺寸，制造平面抛光器进行工艺参数实验确定加工间隙、抛光器转速、磁场强度参数范围，得到合适的工艺参数为：加工间隙0.8mm、抛光器转速300rpm、磁场磁感应强度较强合适。
（2）设计永磁体及其保持架参数、装配成环形磁流变抛光工具；
以步骤（1）中所得主要工艺参数为指导依据，进行环形磁流变抛光工具的设计，选择材料为N45钕铁硼的d3h2mm圆柱形永磁铁。将磁铁与保持架等其它部件装配成环形磁流变抛光工具。除永磁铁外，环形磁流变抛光工具的其它材质为1Cr18Ni9Ti无磁不锈钢；
（3）根据几何关系，利用Matlab软件进行轨迹仿真确定可实现轴向及周向均匀去除的转速配比；
依据几何关系从周向均匀性和轴向均匀性两个方向仿真得到合适的配速条件，令i=ω1/ω2, 从轴向均匀考虑仿真得到合适的i值，结合周向均匀性结果，得到较复杂的转速系列，进行阶段加工累计加工达到加工要求。
（4）安装环形磁流变抛光工具及零件，球心定位安装及调试，并调整零件轴线与抛光器轴线倾斜角度α；
将环形磁流变抛光工具安装在双轴机床的工具轴上，本处零件较为特殊为无实体轴零件，故需要设计一个夹具，将球罩安装在安装座上后将零件安装在双轴机床的工轴上，夹紧后，调节机床两轴的位置。安装时，调整位置使抛光工具与零件球心重合，并且两轴线同在水平面内，根据内球面尺寸特征，计算得到两轴在水平面内成α=16.8°的倾斜角较为合适。
（5）依据得到的主要工艺参数，启动机床工件轴及工具轴，持续向加工区域供给磁流变抛光液对球面进行抛光加工。
根据步骤（1）、（3）所得环形磁流变抛光工具参数及零件转速参数，启动双轴机床工件轴与工具轴，并且在即将进入抛光区的区域进行抛光液的持续供给，对加工区域进行抛光加工。加工时间根据仿真结果设定为6h，每加工2h后对凹球面的表面粗糙度及工件球度进行检测。
经过6h的加工，凹球面的表面粗糙度值从加工前的183.6nm显著下降到1.28nm，表面质量明显提高，零件的球度也从6.76um下降到0.96um，面形也得到改善。
实施例3。
本实施例与实施例一的区别是将凹球冠改为凹球环面，其它步骤与实施例相同。
本发明提出的一种小型多磁铁排布环形磁流变抛光工具的磁流变抛光方法，能针对不同尺寸的凹球冠（或凹球环面）零件进行磁流变抛光加工，适用范围广泛，能适应复杂零件避免干涉情况。抛光加工在改善工件表面粗糙度的同时，对工件的面形精度起到一定程度的修正效果。加工过程具有加工效率相对较高、稳定性好、抛光工具简单耐用、加工成本低、操作方便等特点。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种多磁铁排布环形磁流变抛光工具加工小口径凹球冠或凹球环面方法，所述的小口径凹球冠或凹球环面的直径小于100毫米；其特征是它包括以下步骤：
（1）依据零件尺寸，预制平面抛光工具，通过实验确定加工间隙、抛光工具转速、磁场强度；
（2）依据上一步确定的加工间隙、抛光工具转速、磁场强度及零件结构形状条件设计环形磁流变抛光工具结构参数和永磁体参数，并装配成环形磁流变抛光工具；
（3）根据几何关系，采用Matlab软件进行轨迹仿真确定可实现轴向及周向均匀去除的转速条件，即抛光工具转速与零件转速配比i=ω1/ω2的大小；
（4）将带凹球冠或凹球环零件安装在双轴加工机床工件轴上，将环形磁流变抛光工具安装在双轴加工机床的工具轴上；
（5）将凹球冠或凹球环零件与抛光工具进行球心定位调试，并调整零件轴线与工具轴线之间倾斜角度α；零件轴线与工具轴线之间倾斜角度α由加工过程中的干涉情况或加工零件的球面尺寸特性确定；
（6）依据步骤（1）、（3）所得环形磁流变抛光工具参数及零件转速参数，启动机床工件主轴及工具轴，持续向加工区域供给磁流变抛光液对工件进行抛光加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：环形磁流变抛光工具的部分主要尺寸受零件尺寸影响，环形磁流变抛光工具主要由永磁铁、环形磁铁保持架及夹持柄组成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：环形磁流变抛光工具的环形磁铁保持架不具有磁性，不会影响磁铁所产生的磁场分布。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：机床为双轴加工机床，必须保证加工时工具轴与工件轴的倾角及定位要求。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：零件轴线与工具轴线之间倾斜角度α为16.8°～24°。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：加工过程中的工具轴与零件轴的转速配比直接关系到工件能否在实现抛光加工降低工件面粗糙度的同时，实现凹球冠或凹球环工件的尺寸公差要求，并且对凹球冠或凹球环形状精度起到一定程度的修正作用；转速配比及具体转速系列根据几何关系轨迹方程由Matlab软件仿真计算得到。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：加工过程中通过蠕动泵持续向抛光加工区域供给磁流变抛光液。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：磁流变抛光液为石英磁流变抛光液或氟化钙磁流变抛光液。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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