CN110238714B - 金属增材制造件表面电流变液辅助超声抛光装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属增材制造件粗糙表面的抛光加工装置以及加工方法，利用电流变液辅助超声振动控制加工液中气泡和磨料颗粒运动达到高效高质量的表面抛光效果的加工方法。将介电泳动、电流变效应和超声加工复合在一起，超声加工的空化现象可以高速除去增材制造件由于粉末粘附和球化等导致的较大结构，同时在电流变效应下，分散在电流变液中的磨料颗粒以链状约束在抛光工具附近对表面进行有效抛光，大幅度提高表面光洁度。该方法操作方便，成本低，灵活度高，不仅可以用于主要针对增材制造金属件的表面抛光，也可以用于各类形状复杂、微小腔孔较多的难抛光件的表面处理。

Description

金属增材制造件表面电流变液辅助超声抛光装置及加工方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造件表面处理技术领域，具体而言，尤其涉及通过电流变液辅助的超声抛光装置及加工方法。

背景技术

增材制造技术在过去的二十年里发展迅速，解决了许多现代工业高端装备制造的技术难题。然而以选区激光熔化技术为代表的金属增材制造技术虽然成型零件致密度高，力学性能优，但是其基于金属粉末熔化的成型机理决定了在此过程中会产生粉末粘附和球化现象，如图1所示。因此目前金属增材制造零件表面粗糙度一般高于10μm，不但影响美观，还会大大制约零件的疲劳寿命和摩擦性能等功能特性，需要进行后续光整加工处理来改善。但是由于增材制造件大多形状复杂，微小腔孔较多，一般无法利用机械设备直接进行表面处理，现有的技术中主要采用手工抛光、激光抛光、化学和电化学抛光、磨粒流抛光等，但是这些方法都存在各自的局限性。相对而言，超声抛光具有成本低、易操作、无热损伤与化学损伤等优点，其空化效应可以高效去除增材制造中由于粉末粘附和球化导致的较大结构。此外，该方法使用的液体磨料可以到达任何型面，更适合增材制造件复杂结构表面的精密加工。然而超声抛光过程中由于空化的随机性，磨粒的分布和运动也会受其影响，给表面抛光带来困难。掌握能够控制空化气泡和磨料颗粒运动规律的方法是超声抛光技术高效获得光滑表面的重要因素。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种金属增材制造件表面电流变液辅助超声抛光装置及加工方法。本发明主要利用电流变液辅助超声抛光对增材制造件表面进行改善，实现针对增材制造件表面的高效、高质量的抛光加工。

本发明采用的技术手段如下：

一种电流变液辅助超声抛光装置，包括：超声加工机床、抛光用工具、和工作液容器；

超声加工机床包括：超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、主轴进给系统、数控工作台；

本装置还包括：置于工作液容器内的电流变液，添加在电流变液内的微细磨料颗粒以及施加电流变效应的高压直流电源；

高压直流电源正极与被加工金属增材制造件连接，负极与抛光用工具连接；

抛光用工具采用不锈钢304材质制成圆柱状电极，置于工件表面待抛光处，并且抛光用工具端部与加工表面之间间距应大于一个振幅与磨料颗粒最大径的和，并在1mm以内；

进一步的，

电流变液为以硅油为绝缘基础油的粒子型(ER粒子)电流变液；磨料颗粒为SiC，平均粒径1μm。

进一步的，

电流变液和磨料颗粒由与电流变液使用的绝缘基础油一致的硅油进行混合稀释制成加工液置于工作液容器中。

进一步的，

超声加工机床振动频率为24kHz，工具为筒套夹紧方式安装在变幅杆上，先端振幅为70μm。

电流变液辅助超声抛光装置的加工方法，包括以下步骤：

步骤一，将增材制造金属件定位安装在工作液容器中，并将工作液容器置于数控工作台上，从而使得工件得以在水平方向上X轴、Y轴移动；

步骤二，抛光用工具通过筒套夹紧方式安装在变幅杆上，在超声系统的驱动下沿轴向高频振动，并在主轴进给系统驱动下沿垂直于数控工作台方向Z轴上下移动；

步骤三，施加电流变效应的高压直流电源正极与增材金属件连接，负极与工具连接；

步骤四，加工液置于工作液容器中，并保证加工液淹没待抛光区域，且工具浸泡于加工液中；

步骤五，通过控制进给系统，使工具先端端面达到待抛光区域，并与待抛光表面保持一定距离；施加超声振动，在空化作用下，增材制造金属件表面的粘附颗粒和由球化等导致的不规则结构将被高效去除；

步骤六，接通直流高压电源，施加电流变效应，有效控制磨料颗粒聚集在待抛光区域，提高抛光效果。

采用上述技术方案的本发明由于圆柱状电极附近电场强度大，磨料颗粒介电常数大于电流变液介电常数大于气泡介电常数，根据介电泳动原理，磨料颗粒将趋向于工具先端移动，气泡将按相反方向逐渐移动；并且在电流变液的效果下，磨料颗粒将呈链状被稳定约束在抛光工具附近，从而完成任何型面的有效抛光加工，大幅提高表面光洁度；

根据施加电压的有无和大小，可以有效控制磨料颗粒和空化气泡的作用以及移动规律，从而控制抛光过程；

使用的为液体磨料且磨料颗粒能够稳定约束在抛光工具附近，因此抛光过程可以达到任何型面，适用于复杂结构和微小腔孔较多的零件抛光加工。

本发明具有以下优点：

1、电流变效应能够使磨料颗粒稳定聚集在加工领域，有助于提高磨料颗粒的有效抛光。

2、操作方便，成本低，灵活度高，不仅可以用于主要针对增材制造金属件的表面抛光，也可以用于各类形状复杂、微小腔孔较多的难抛光件的表面处理。

基于上述理由本发明也可进一步应用于金属和非金属零件复杂型面的抛光加工领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为金属增材制造件表面球化现象原理示意图。

图1b为金属增材制造件表面颗粒粘附和球化示意图。

图2为本发明电流变液辅助超声抛光加工示意图。

图3为抛光过程中涉及到的材料去除机理示意图。

图4为本发明抛光过程原理示意图。

图中：1、超声加工机床；2、工具；3、工作液容器；4、待抛光工件；5、加工液。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图4所示本发明提供了一种电流变液辅助超声抛光装置，包括：超声加工机床、抛光用工具、和工作液容器；

超声加工机床包括：超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、主轴进给系统、数控工作台；

本装置还包括：置于工作液容器内的电流变液，添加在电流变液内的微细磨料颗粒以及施加电流变效应的高压直流电源；

高压直流电源正极与被加工金属增材制造件连接，负极与抛光用工具连接；

抛光用工具采用不锈钢304材质制成圆柱状电极，置于工件表面待抛光处，并且抛光用工具端部与加工表面之间间距应大于一个振幅与磨料颗粒最大径的和，并在1mm以内；

进一步的，

电流变液为以硅油为绝缘基础油的粒子型(ER粒子)电流变液；磨料颗粒为SiC，平均粒径1μm。

进一步的，

电流变液和磨料颗粒由与电流变液使用的绝缘基础油一致的硅油进行混合稀释制成加工液置于工作液容器中。

进一步的，

超声加工机床振动频率为24kHz，工具为筒套夹紧方式安装在变幅杆上，先端振幅为70μm。

电流变液辅助超声抛光装置的加工方法，包括以下步骤：

步骤一，将增材制造金属件定位安装在工作液容器中，并将工作液容器置于数控工作台上，从而使得工件得以在水平方向上X轴、Y轴移动；

步骤二，抛光用通过筒套夹紧方式安装在变幅杆上，在超声系统的驱动下沿轴向高频振动，并在主轴进给系统驱动下沿垂直于数控工作台方向Z轴上下移动；

步骤三，施加电流变效应的高压直流电源正极与增材金属件连接，负极与工具连接；

步骤四，加工液置于工作液容器中，并保证加工液淹没待抛光区域，且工具浸泡于加工液中；

步骤五，通过控制进给系统，使工具先端端面达到待抛光区域，并与待抛光表面保持一定距离；施加超声振动，在空化作用下，增材制造金属件表面的粘附颗粒和由球化等导致的不规则结构将被高效去除；

步骤六，接通直流高压电源，施加电流变效应，有效控制磨料颗粒聚集在待抛光区域，提高抛光效果。

采用上述技术方案的本发明由于圆柱状电极附近电场强度大，磨料颗粒介电常数大于电流变液介电常数大于气泡介电常数，根据介电泳动原理，磨料颗粒将趋向于工具先端移动，气泡将按相反方向逐渐移动；并且在电流变液的效果下，磨料颗粒将呈链状被稳定约束在抛光工具附近，从而完成任何型面的有效抛光加工，大幅提高表面光洁度；

根据施加电压的有无和大小，可以有效控制磨料颗粒和空化气泡的作用以及移动规律，从而控制抛光过程；

使用的为液体磨料且磨料颗粒能够稳定约束在抛光工具附近，因此抛光过程可以达到任何型面，适用于复杂结构和微小腔孔较多的零件抛光加工。

图2为其实验加工示意图，在超声加工装置上按图示施加电极，并保证工具与工件间有足够大的加工间隙来进行表面抛光，加工液使用粒子型(ER粒子)电流变液和磨料颗粒的混合液。当接通电源后，在电流变效应下，分散于电流变液中的磨料颗粒和空化气泡的运动将受到两极之间电场的约束；而断开电源后，它们又会回到原来的运动状态。图3为抛光过程中涉及到的材料去除机理示意图。在超声振动作用下，空化气泡直接冲击零件表面，将使增材制造过程中粘附的颗粒松动从而脱离零件表面。此外，液体中的微小磨粒被空化冲击或由工具加速到零件表面，将形成微小切削或轻微撞击从而减小表面凹凸程度。在此过程中，电流变效应的有无和程度将对加工液中的空化气泡和磨料颗粒的运动规律产生巨大影响，并且进一步控制抛光效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种电流变液辅助超声抛光装置，包括：超声加工机床、抛光用工具、和工作液容器；

所述超声加工机床包括：超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、主轴进给系统、数控工作台；

其特征在于本装置还包括：

置于工作液容器内的电流变液，添加在电流变液内的微细磨料颗粒以及施加电流变效应的高压直流电源；

所述高压直流电源正极与被加工金属增材制造件连接，负极与抛光用工具连接；

所述抛光用工具采用不锈钢304材质制成圆柱状电极，置于工件表面待抛光处，并且抛光用工具端部与加工表面之间间距应大于一个振幅与磨料颗粒最大径的和，并在1mm以内；

所述电流变液为以硅油为绝缘基础油的粒子型电流变液；磨料颗粒为SiC，平均粒径1μm；

电流变液和磨料颗粒由与电流变液使用的绝缘基础油一致的硅油进行混合稀释制成加工液置于工作液容器中；

所述超声加工机床振动频率为24kHz，工具为筒套夹紧方式安装在变幅杆上，先端振幅为70μm。

2.采用如权利要求1所述的电流变液辅助超声抛光装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将增材制造金属件定位安装在工作液容器中，并将工作液容器置于数控工作台上，从而使得工件得以在水平方向上X轴、Y轴移动；

步骤二，抛光用工具通过筒套夹紧方式安装在变幅杆上，在超声系统的驱动下沿轴向高频振动，并在主轴进给系统驱动下沿垂直于数控工作台方向Z轴上下移动；

步骤三，施加电流变效应的高压直流电源正极与增材金属件连接，负极与工具连接；

步骤四，加工液置于工作液容器中，并保证加工液淹没待抛光区域，且工具浸泡于加工液中；

步骤五，通过控制进给系统，使工具先端端面达到待抛光区域，并与待抛光表面保持一定距离；施加超声振动，在空化作用下，增材制造金属件表面的粘附颗粒和由球化等导致的不规则结构将被高效去除；

步骤六，接通直流高压电源，施加电流变效应，控制空化气泡和磨料颗粒的运动，促进磨料颗粒的有效抛光。