CN110157879A - 增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用增材制造成形的工件内孔表面抛光及强化一体化加工系统及方法，包括工作台、空化发生系统、供液循环系统和控制器，采用容积交变方式通过活塞的快速往复运动来改变增材制造成形工件内孔内的液体体积来改变压力，在液体内部和内孔内表面处形成空泡群，空泡群随着进一步压缩而溃灭，从而在液体介质中产生冲击波和高速水射流，内孔中的纳米胶体与孔内表面充分接触，实现孔内表面的超细抛光，冲击波和高速水射流作用在孔内壁，使内孔内壁发生一定量的塑性变形，实现内孔内表面的强化；本发明将空化技术和纳米胶体抛光技术有机结合，显著提高内孔内表面的疲劳寿命和表面光洁度，达到了超光滑表面的要求。

Description

增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统及方法

技术领域

本发明涉及金属材料的表面处理及强化技术领域，尤其适用于采用增材制造成形的内孔的孔壁表面抛光及强化加工技术。

背景技术

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，已被广泛用于制造难以通过传统方法实现的复杂组件，例如具有微深孔结构的组件。然而随着制造能力的提高，对增材制造金属件等复杂结构件表面质量、服役性能等都提出了更高的要求，尤其是对于具有各种微长孔、结构复杂的金属粉末直接成型件、精密铸造件等快速制造件而言，现有的机加工处理方法难以满足金属零件的使用性能，因此，提升增材制造成形的孔内表面处理技术则显得尤为重要。

各种内孔尤其是微深孔结构在航空航天、电器、汽车等领域的应用越来越广泛。但是由于孔的应力集中，孔周围常常出现疲劳裂纹，这极大影响了产品的使用寿命，因此出现了许多的内孔强化技术，用于提高其疲劳寿命。目前应用较广泛的孔强化技术主要是机械喷丸，传统机械喷丸的方法是利用弹丸与孔内壁发生碰撞，从而引入残余压应力，进而对孔内壁起到强化作用，但当孔径过小时，机械喷丸的方法就不再适用，而且喷丸强化后的表面粗糙度也会相应地增大。而增材制造金属件的微孔内表面粗糙度较大，无法直接在工业上应用，需要进行抛光处理。现有技术中一般采用机械抛光法、电解抛光法和化学抛光法等方法对其进行表面光整处理，但对于含有弯曲管道、微深孔或不同直径内流道的增材制造微孔件来说，这些方式的效果都不理想。

因此，如何实现增材制造金属件的孔内表面的快速抛光以及强化处理已成为本领域函待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中存在的增材制造成形的孔内壁表面质量差、容易产生疲劳裂纹以及现有孔内壁表面处理方式缺乏等不足，提供了一种用于增材制造成形的内孔表面抛光及强化的一体化的加工系统及其加工方法，能实现增材制造孔件内表面的超细抛光，同时实现孔内表面的强化。

本发明增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统是通过以下技术方案实现上述技术目的的：包括工作台以及由二号驱动电机驱动沿工作台上下移动的移动板，水平布置的曲轴两端通过轴承连接移动板，曲轴由三号驱动电机驱动，曲轴的正中间活动连接连杆上端，连杆下端竖直向下伸在活塞缸内固定连接活塞；活塞缸的缸体固定连接竖直移动架，竖直移动架固定连接移动板，活塞缸的正下方是带有上下贯通的内孔的增材制造成形工件，增材制造成形工件下端垫在垫板上，垫板固定连接工作台，垫板正中间开有增材制造成形工件的内孔贯通的通孔，垫板通孔的下端是出液口；活塞缸上端侧壁开有出气口、下端侧壁开有进液口，该进液口经进液管连接搅拌装置的输出口，进液管上串联截止阀、压力表，搅拌装置由一号驱动电机驱动；搅拌装置的第一个输入口经二号进液支管连接密闭容器中的注有油液的器室，二号进液支管上串联一号二位二通阀、一号液压泵和第一个过滤器；搅拌装置的第二个输入口经二号进液支管连接密闭容器中的注有纳米胶体的器室，二号进液支管上串联三号二位二通阀、三号液压泵和第二个过滤器；垫板通孔的下端出液口经出液管连接废液回收箱，出液管上串接二号二位二通阀、第三个过滤器和二号液压泵； 控制器通过控制线分别连接所述的一号驱动电机、二号驱动电机、三号驱动电机、截止阀、一号二位二通阀、二号二位二通阀、三号二位二通阀、一号液压泵、二号液压泵和三号液压泵。

活塞缸的下端面上固定嵌有O型密封圈，垫板上端设有密封圈，加工时，垫板的通孔、增材制造成形工件的内孔以及活塞缸6、内腔之间形成一个密封腔室。

本发明增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统的加工方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤A：控制器控制二号驱动电机工作，带动移动板向下运动，活塞缸向下接触并压紧增材制造成形工件，

步骤B：控制器打开截止阀、一号二位二通阀和三号二位二通阀，关闭二号二位二通阀，启动一号液压泵和三号液压泵，将油液、纳米胶体的混合液输入到搅拌装置内，控制一号驱动电机转动，启动搅拌装置工作，搅拌装置充分混合油液和纳米胶体，混合后的混合液输入到增材制造成形工件的内孔中，关闭截止阀、一号二位二通阀、三号二位二通阀、一号驱动电机、一号液压泵和三号液压泵；

步骤C：控制器控制三号驱动电机工作，曲轴转动，活塞上下往复运动，使增材制造成形工件的内孔内液体压力发生变化出现空化效应，纳米胶体对增材制造成形工件的内孔内表面进行抛光；

步骤D：抛光结束后，控制器关闭二号驱动电机，打开二号二位二通阀和二号液压泵，将混合液回收到废液回收箱中；

步骤E：控制器打开一号二位二通阀和截止阀，启动一号液压泵，将油液经搅拌装置输入到增材制造成形工件的内孔中，关闭截止阀、一号液压泵和一号二位二通阀，控制器控制三号驱动电机带动曲轴转动，使活塞往复运动，对增材制造成形工件的内孔内表面进行强化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用容积交变的方式通过活塞的快速往复运动来改变增材制造成形工件内孔内的液体体积来改变压力，在液体内部和内孔内表面处形成空泡群，空泡群随着进一步压缩而溃灭，从而在液体介质中产生冲击波和高速水射流，作用在待强化的孔内壁，使内孔内壁发生一定量的塑性变形，实现内孔内表面的强化。

2、本发明通过改变待加工孔中油液和纳米胶体混合液体的体积来改变液体中的压力，当液体中的局部压力降低到饱和蒸汽压以下时就会形成空化现象，在孔内壁和液体中产生空泡群，在进一步压缩液体后空化泡溃灭，从而在液体介质中产生冲击波和高速水射流，内孔中的纳米胶体与孔内表面充分接触，实现增材制造成形孔内表面的超细抛光；同时再利用油液的空化效应作用在待强化的内孔内壁，使孔内壁发生一定量的塑性变形，实现孔内表面的强化。

3、本发明通过采用容积交变的方式在增材制造成形工件内孔内表面产生空化效应，并结合纳米胶体抛光技术，使得内孔中的纳米胶体与孔内表面充分接触，有效解决了增材制造产品微孔内壁表面质量差、烧结粉末残余、容易产生疲劳裂纹等问题，显著提高了内孔内表面的疲劳寿命和表面光洁度，达到了超光滑表面的要求，性能远高于传统机械喷丸强化的产品。

4、本发明可实现有弯曲管道、深孔或不同直径内流道的增材制造成形的孔件强化和表面处理的自动化，解决了直接成型件、精密铸造件等零件孔内表面质量差的难题，将空化技术和纳米胶体抛光技术有机结合起来。

5、本发明获得高质量的增材制造产品内孔内表面的同时，也有效提高了抛光加工的效率，并且本装置结构简单、非接触加工、自动化程度高，并设计了再回收利用装置，降低了能耗。

附图说明

图1为本发明增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统的结构示意图；

图2为图1所示系统工作时在增材制造成形工件内孔产生空泡群的原理示意图；

附图标记说明如下：

1-工作台，2-移动板，3-曲轴，4-连杆，5-活塞，6-活塞缸，7-竖直移动架，8-压力表，9-进液管，10-二号二位二通阀，11-一号二位二通阀，12-一号液压泵，13-过滤器，14-密闭容器，15-搅拌装置，16-一号驱动电机，17-油液，18-纳米胶体，19-二号液压泵，20-出液管，21-定位夹紧装置，22-垫板，23-控制器，24-密封圈，25-增材制造成形工件，26-O型密封圈，27-光敏传感器，28-二号驱动电机，29-三号驱动电机，30-空泡群，31-三号液压泵，32-三号二位二通阀，33-废液回收箱，34-一号进液支管，35-二号进液支管，36-截止阀，A-空化发生系统，B-供液循环系统。

具体实施方式

结合图1和图2，本发明增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统包括工作台1、空化发生系统A、供液循环系统B、控制器23、光敏传感器27等。工作台1呈U型，支撑并连接空化发生系统A，供液循环系统B给空化发生系统A提供液体，控制器23控制空化发生系统A和供液循环系统B工作。

空化发生系统A包括移动板2、曲轴3、连杆4、活塞5、活塞缸6、竖直移动架7、二号驱动电机28、三号驱动电机29、垫板22、密封圈24和定位夹紧装置21。

在工作台1的两竖直侧壁上设置滑槽，用于连接移动板2，移动板2有两块，面对面地连接在工作台1的两竖直侧壁上的滑槽，能沿滑槽上下移动。移动板2由二号驱动电机28驱动上下移动，二号驱动电机28经控制线连接控制器23。

曲轴3水平布置，其两端通过轴承连接移动板2。曲轴3的正中间活动连接连杆4的上端，连杆4的下端竖直向下伸在活塞缸6内固定连接活塞5，活塞5和活塞缸6内腔密封且可滑动连接，能沿活塞缸6内腔上下移动。曲轴3由三号驱动电机29驱动旋转，三号驱动电机29经控制线连接控制器23。随着曲轴3的旋转运动，带动活塞5在活塞缸6内做往复上下运动。

活塞缸6的缸体通过螺钉固定连接在水平的竖直移动架7上，竖直移动架7的两端固定连接移动板2，竖直移动架7随着移动板2上下移动，从而带动活塞缸6上下移动。

活塞缸6的上端侧壁开有出气口，出气口与外部大气相通。活塞缸6的下端侧壁开有进液口，该进液口与供液循环系统B相连，用于向活塞缸6内腔中进液。

在活塞缸6的正下方是带有内孔的增材制造成形工件25，增材制造成形工件25的内孔上下贯通。增材制造成形工件25的内孔位于活塞缸6内腔的正下方，增材制造成形工件25的内孔中心轴与活塞缸6内腔的中心轴共线。

在活塞缸6的下端面上固定嵌有O型密封圈26，工作时，活塞缸6下端与增材制造成形工件25上端紧贴，O型密封圈26起密封作用，防止混合液体的泄露。

在活塞缸6的下端安装光敏传感器27，用于判断活塞缸6和增材制造成形工件25之间的位置关系，确保密封效果。光敏传感器27通过信号线连接控制器23，将信号传输到控制器23中。

增材制造成形工件25的下端垫在垫板22上，垫板22固定连接在工作台1底部，垫板22正中间开有通孔，与增材制造成形工件25的内孔贯通。垫板22通孔的下端是出液口，该出液口与供液循环系统B相连。垫板22上端设有密封圈24，工作时与密封圈24与增材制造成形工件25的下端紧贴，确保腔室的密封性。工作时，垫板22的通孔、增材制造成形工件25的内孔以及活塞缸6内腔之间形成一个密封腔室。

在增材制造成形工件25旁边还没有的定位夹紧装置21，用于夹紧增材制造成形工件25和垫板22，定位夹紧装置21底部固定连接在工作台1上。

供液循环系统B包括压力表8、一号二位二通阀11、一号液压泵12、过滤器13、密闭容器14、搅拌装置15、一号驱动电机16、二号液压泵19、二号二位二通阀10、三号液压泵31、三号二位二通阀32、一号进液支管34、二号进液支管35、截止阀36。

活塞缸6的下端侧壁开有的进液口连接进液管9一端，进液管9另一端与搅拌装置15的输出口相连，在搅拌装置15和进液口之间的进液管9上还串接截止阀9和压力表8。搅拌装置15由一号驱动电机16驱动工作，一号驱动电机16通过控制线连接控制器23。

搅拌装置15的第一个输入口经二号进液支管35连接密闭容器14。密闭容器14内通过隔板隔成两个器室，两个器室不相通，第一个器室中注有将油液17，第二个器室中注有纳米胶体18，二号进液支管35连通油液17。在二号进液支管35上串联一号二位二通阀11、一号液压泵12和第一个过滤器13。一号二位二通阀11用来控制二号进液支管35的开闭，一号液压泵12用来将密闭容器14中的油液17泵入搅拌装置15中，第一个过滤器13用来过滤油液17中的杂质。

搅拌装置15的第二个输入口经二号进液支管34连接密闭容器14，连通纳米胶体18。在二号进液支管34上串联三号二位二通阀32、三号液压泵31和第二个过滤器13。三号二位二通阀32用来控制一号进液支管34的开闭，三号液压泵31将纳米胶体18泵入搅拌装置15中。

垫板22下端的出液口经出液管20连接废液回收箱33，在出液管20上串接二号二位二通阀10、第三个过滤器13、二号液压泵19。二号二位二通阀10用来控制出液管20的开闭，二号液压泵19用来将密闭腔室中的液体经垫板22下端的出液口泵入废液回收箱33中。

控制器23通过控制线分别连接截止阀36、一号二位二通阀11、二号二位二通阀10、三号二位二通阀32、一号液压泵12、二号液压泵19、三号液压泵31相连，控制各个阀的通断和各个液压泵工作。

本发明增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统工作时，首先打开密闭容器14的注液口，将油液17、纳米胶体18按照体积比为3：2的比例分别注入密闭容器14的两个器室中。将增材制造成形工件25放在垫块22上，通过定位夹紧装置21夹紧增材制造成形工件25。控制器23控制二号驱动电机28工作，带动移动板2向下运动。光敏传感器27判断活塞缸6和增材制造成形工件25之间的位置，当增材制造成形工件25被接触压紧后，光敏传感器27感应到光线变化，将信号传递给控制器23，控制器23控制二号驱动电机28停止转动。

然后，控制器23打开一号二位二通阀11和三号二位二通阀32，关闭二号二位二通阀10，打开截止阀36，开启进液管9，启动一号液压泵12、三号液压泵31，将油液17、纳米胶体18的混合液输入到搅拌装置15内。控制器23控制一号驱动电机16转动，启动搅拌装置15工作，搅拌装置15将进入其内的混合油液17和纳米胶体18充分混合。混合后，通过进液管9将混合液体输入到增材制造成形工件25的内孔中，通过观察压力表8的读数，确保密封腔室内充满混合液。在密封腔室充满混合液后，控制器23关闭截止阀36，并关闭一号二位二通阀11、三号二位二通阀32、一号驱动电机16、一号液压泵12和三号液压泵31。

接着，控制器23控制三号驱动电机29工作，带动曲轴3转动，从而使活塞5进行上下往复运动，通过容积交变的方式使增材制造成形工件25的内孔内液体压力发生变化出现空化效应，混合液中的纳米胶体18在油液的空化效应的引导下对增材制造成形工件25的内孔内表面进行超细抛光，获得高表面质量的产品。

在活塞5运行到设定的时间后，抛光结束，控制器23关闭二号驱动电机29，同时打开二号二位二通阀10和二号液压泵19，将密封腔室内内的混合液回收到废液回收箱33中。回收完毕后，控制器23关闭二号二位二通阀10和二号液压泵19。

最后，控制器23打开一号二位二通阀11和截止阀36，开启进液管9，启动一号液压泵12，将油液17输入到搅拌装置15中，再通过进液管9将油液17输入到增材制造成形工件25的内孔中，通过观察压力表8的读数，确保密封腔室内充满油液，充满油液后，关闭截止阀36、一号液压泵12和一号二位二通阀11。 控制器23控制三号驱动电机29带动曲轴3的转动，从而使活塞5进行往复运动，通过容积交变的方式使增材制造成形工件25的内孔内液体压力发生变化出现空化效应，通过产生的空泡群30溃灭时产生的高压和微射流作用在内孔内表面，从而实现对增材制造成形工件25的内孔内表面进行强化，获得高疲劳寿命的产品。

加工结束后，控制器23关闭二号驱动电机29，打开二号驱动电机28，带动竖直移动架7向上运动到极限位置，同时打开二号二位二通阀10和二号液压泵19，将型腔内的油液回收，最后取出加工好的增材制造成形工件25，关闭二号二位二通阀10和二号液压泵19。

Claims (6)

1.一种增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统，包括工作台（1）以及由二号驱动电机（28）驱动沿工作台（1）上下移动的移动板（2），其特征是：水平布置的曲轴（3）两端通过轴承连接移动板（2），曲轴（3）由三号驱动电机（29）驱动，曲轴（3）的正中间活动连接连杆（4）上端，连杆（4）下端竖直向下伸在活塞缸（6）内固定连接活塞（5）；活塞缸（6）的缸体固定连接竖直移动架（7），竖直移动架（7）固定连接移动板（2），活塞缸（6）的正下方是带有上下贯通的内孔的增材制造成形工件（25），增材制造成形工件（25）下端垫在垫板（22）上，垫板（22）固定连接工作台（1），垫板（22）正中间开有增材制造成形工件（25）的内孔贯通的通孔，垫板（22）通孔的下端是出液口；活塞缸（6）上端侧壁开有出气口、下端侧壁开有进液口，该进液口经进液管（9）连接搅拌装置（15）的输出口，进液管（9）上串联截止阀（9）、压力表（8），搅拌装置（15）由一号驱动电机（16）驱动；搅拌装置（15）的第一个输入口经二号进液支管（35）连接密闭容器（14）中的注有油液（17）的器室，二号进液支管（35）上串联一号二位二通阀（11）、一号液压泵（12）和第一个过滤器（13）；搅拌装置（15）的第二个输入口经二号进液支管（34）连接密闭容器（14）中的注有纳米胶体（18）的器室，二号进液支管（34）上串联三号二位二通阀（32）、三号液压泵（31）和第二个过滤器（13）；垫板（22）通孔的下端出液口经出液管20连接废液回收箱（33），出液管（20）上串接二号二位二通阀（10）、第三个过滤器（13）和二号液压泵（19）；控制器（23）通过控制线分别连接所述的一号驱动电机（16）、二号驱动电机（28）、三号驱动电机（29）、截止阀（36）、一号二位二通阀（11）、二号二位二通阀（10）、三号二位二通阀（32）、一号液压泵（12）、二号液压泵（19）和三号液压泵（31）。

2.根据权利要求1所述的增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统，其特征是：活塞缸（6）的下端面上固定嵌有O型密封圈（26），垫板（22）上端设有密封圈（24），加工时，垫板（22）的通孔、增材制造成形工件（25）的内孔以及活塞缸（6）内腔之间形成一个密封腔室。

3.根据权利要求1所述的增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统，其特征是：增材制造成形工件（25）的内孔位于活塞缸（6）内腔的正下方，增材制造成形工件（25）的内孔中心轴、垫板（22）的通孔中心轴、活塞缸（6）内腔的中心轴三者共线。

4.根据权利要求1所述的增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统，其特征是：活塞缸（6）的下端设有判断活塞缸（6）和增材制造成形工件（25）之间位置的光敏传感器（27），光敏传感器（27）通过信号线连接控制器（23）。

5.根据权利要求1所述的增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统，其特征是：增材制造成形工件（25）旁边没有用于夹紧增材制造成形工件（25）和垫板（22）的定位夹紧装置（21），定位夹紧装置（21）底部固定连接工作台（1）。

6.一种权利要求1所述的增材制造成形内孔表面抛光及强化一体化加工系统的加工方法，其特征是包括以下步骤：

步骤A：控制器（23）控制二号驱动电机（28）工作，带动移动板（2）向下运动，活塞缸（6）向下接触并压紧增材制造成形工件（25）；

步骤B：控制器（23）打开截止阀（36）、一号二位二通阀（11）和三号二位二通阀（32），关闭二号二位二通阀（10），启动一号液压泵（12）和三号液压泵（31），将油液（17）、纳米胶体（18）的混合液输入到搅拌装置（15）内，控制一号驱动电机（16）转动，启动搅拌装置（15）工作，搅拌装置（15）充分混合油液（17）和纳米胶体（18），混合后的混合液输入到增材制造成形工件（25）的内孔中，关闭截止阀（36）、一号二位二通阀（11）、三号二位二通阀（32）、一号驱动电机（16）、一号液压泵（12）和三号液压泵（31）；

步骤C：控制器（23）控制三号驱动电机（29）工作，曲轴（3）转动，活塞（5）上下往复运动，使增材制造成形工件（25）的内孔内液体压力发生变化出现空化效应，纳米胶体（18）对增材制造成形工件（25）的内孔内表面进行抛光；

步骤D：抛光结束后，控制器（23）关闭二号驱动电机（29），打开二号二位二通阀（10）和二号液压泵（19），将混合液回收到废液回收箱（33）中；

步骤E：控制器（23）打开一号二位二通阀（11）和截止阀（36），启动一号液压泵（12），将油液（17）经搅拌装置（15）输入到增材制造成形工件（25）的内孔中，关闭截止阀（36）、一号液压泵（12）和一号二位二通阀（11），控制器（23）控制三号驱动电机（29）带动曲轴（3）转动，使活塞（5）往复运动，对增材制造成形工件（25）的内孔内表面进行强化。