CN110253345B - 一种整体叶轮的化学机械抛光方法与抛光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体叶轮的化学机械抛光方法与抛光装置，该方法采用化学试剂与磨料混合，形成一种抛光液；将整体叶轮全部浸泡于抛光液中，通过电机驱动，使之旋转；在抛光液的化学腐蚀软化与机械刮擦去除的共同作用下，进行整体叶轮表面各个部位的精密抛光；所述抛光装置包括电机、螺栓、联轴器、安装板、支撑定位板、连接件、底座、容器、塑料泡沫。本发明的抛光方法可适合各种尺寸规格的整体叶轮外表面各部位的抛光，通用性强，抛光效率高，抛光整体质量好；抛光装置结构简单，制造容易，操作方便，稳定可靠，成本低。
Description
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种整体叶轮的化学机械抛光方法与抛光装置。
背景技术
叶轮是涡轮式发动机、涡轮增压器等动力机械的关键部件，现新一代整体式叶轮较传统组合式叶轮的特点是将单个叶片与轮盘设计制造成一个整体，使之具有结构紧凑、强度高、使用寿命长以及推重比大等优点，被广泛应用于航空航天、能源动力、船舶等领域。
目前国内外整体叶轮的加工方式有：精锻制造、多轴数控铣削、电解加工、磨料流加工、人工抛光。其中精锻制造是针对大批量的叶轮生产的一种制造工艺，该工艺对设备制造精度要求很高，磨具制造成本高，通用性差，一般用于叶轮的毛坯制造；多轴数控铣削加工是目前应用最为普遍的一种加工方式，可以实现叶轮的粗、精加工，但该加工方式对机床、刀具、夹具的刚性要求较高，需要编写专门的加工程序，对于叶片间距小的叶轮加工时很容易发生刀具干涉，表面加工质量一般，粗糙度Ra≥1.6μm；电解加工通常用于整体叶轮的精加工，针对不同的叶片需要设计专门的电极，且前期制造与后续修正困难；磨料流抛光加工针对的是整体叶轮的精抛，该工艺对设备要求非常高，加工成本高，加工过程中需要控制的参数非常多，比如压力、循环次数；人工抛光是为提高整体叶轮表面光洁度，目前多数企业仍采用该方式，但人工抛光效率低、成本高、叶片型面精度一致性差，且对操作者的身体健康不利。
综上知，目前国内外整体叶轮加工存在的主要问题有：加工装备制造困难、通用性差、成本高，加工效率低，整体加工质量差。为解决该问题，本发明提供了一种整体叶轮的化学机械抛光方法与抛光装置。
发明内容
本发明的目的：提供一种抛光质量好、效率高的整体叶轮抛光方法和一种结构简单、成本低廉、操作方便及通用性好的整体叶轮抛光装置。
本发明技术方案：
一种整体叶轮的化学机械抛光装置，包括电机1、螺栓2、安装板3、定位支撑板4、底座5、塑料泡沫6、容器7、抛光液8、联轴器9、连接件10、整体叶轮11、电机安装通孔12、安装板通孔13、定位支撑板通孔14、轴端15、底端面16、连接件通孔17和底端面凹槽18；
所述电机1的转轴朝下穿过安装板3，并确保电机1竖直安装固定于安装板3上；电机1的转轴通过联轴器9与连接件10的一轴端连接，连接件10的另一端与整体叶轮的大端面连接固定；
所述安装板3包括2根结构相同的长方形钢板，其通过定位支撑板4固定在底座5上；钢板上开有4个孔，其中间2个为电机安装通孔12，实现电机1的定位安装；钢板两端设有一安装板通孔13，实现钢板的定位安装；
所述定位支撑板4包括2个结构相同的“L”型板，一支板的表面开有定位支撑板通孔14，实现定位支撑板4固定在底座5上；另一支板上开有与安装板通孔13匹配的螺纹孔，实现安装板3的安装；
所述连接件10包括轴端15和底端面16，二者为一体结构，连接件10的截面为“倒T”型；连接件10底端面上设有周边的不少于3个连接件通孔17和中间的底端面凹槽18；轴端15外径与电机转轴相同，底端面凹槽18及连接件通孔17的尺寸与整体叶轮大端面圆形凸台19及整体叶轮大端面螺纹孔20分别相匹配；
所述底座5上设有凹型腔体和螺纹孔，其中凹型腔体的内切圆直径大于或等于容器7的外接圆直径，螺纹孔与定位支撑板通孔14相匹配；
所述容器7内表面具有耐腐蚀性，容器的内切圆直径应大于被抛光整体叶轮的最大端面外径；
所述容器放置于底座5的凹型腔体内，且在两者缝隙间填满塑料泡沫6。
一种整体叶轮的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
(1)低速启动电机：使整体叶轮转速控制在5～9rpm；
(2)准备好磨料，磨料包括氧化铝磨粒、碳化硅磨粒、碳化硼磨粒中的一种或两种以上混合，磨粒粒径包括1000μm、150μm、45μm中的一种或两种以上混合；
(3)配制好化学抛光液：抛光液包括氧化剂、表面活性剂、pH调节剂和去离子水；其中氧化剂包括65wt％硝酸溶液和/或30wt％双氧水溶液，其在抛光液中体积占比为5～12％；表面活性剂为10wt％壬基酚聚氧乙烯醚溶液，其在抛光液中体积占比为0.1～0.5％；pH调节剂为85wt％磷酸溶液和/或40wt％氢氟酸溶液，调节抛光液pH调为0.5～3；
(4)向容器中缓慢地同时添加步骤2)、步骤3)中准备好的磨料和化学抛光液；磨料和化学抛光液混合后，需将整体叶轮完全浸没，其中化学抛光液与磨料的体积比控制在1:1～2；
(5)磨料和化学抛光液添加完毕后，提高电机转速，使整体叶轮旋转速度控制在60～110rpm，抛光60～90min后，关闭电机，将整体叶轮拆卸下来，用无水乙醇清洗干净，并吹干，完成整个抛光过程。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种整体叶轮化学机械抛光的方法，通过研制一种化学试剂与磨料混合的抛光液，在电机的驱动下，使整体叶轮在抛光液中旋转，此时化学试剂与整体叶轮表面各部位发生化学反应，使表面材料组织腐蚀软化，再加上磨料的机械去除作用，将整体叶轮表面凹凸不平的部位刮擦掉，实现其高精高效加工，该方法可适用各种尺寸规格的整体叶轮精密抛光加工；另外，本发明还提供了一种该抛光方法的装置，装置结构简单、制造方便、操作容易、稳定可靠、成本低。
附图说明
图1为整体叶轮化学机械抛光装配体正视图；
图2为整体叶轮化学机械抛光装配体斜二测图；
图3为连接件零件剖视图；
图4为整体叶轮零件结构示意图；
图5为整体叶轮叶片某点处粗糙度检测结果曲线图；
图中：1电机；2螺栓；3安装板；4定位支撑板；5底座；6塑料泡沫；7容器；8抛光液；9联轴器；10连接件；11整体叶轮；12电机安装通孔；13安装板通孔；14定位支撑板通孔；15连接件轴端；16连接件底端面；17连接件通孔；18连接件底端面凹槽；19整体叶轮大端面圆形凸台；20整体叶轮大端面螺纹孔；21整体叶轮大端面；W整体叶轮转速。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
下面以大端面直径为
材料为FV520B的离心式整体叶轮为例，参照图1至图5阐述其抛光方法与抛光装置的具体实施过程：
整体叶轮的抛光装置包括：电机1、螺栓2、安装板3、定位支撑板4、底座5、塑料泡沫6、容器7、联轴器9和连接件10。
本实例中选用一内径为
外径为
的塑料圆桶7，将其放入铸铁底座5的圆形腔体中，该圆形腔体直径为
在腔体和圆桶7的缝隙间填充满塑料泡沫6，底座5上还设置有与通孔14相匹配的螺纹孔。
选用最大功率为1.5KW的三相异步电动机1，通过螺栓2将其竖直的安装固定于安装板3上，使其转轴朝下，并用联轴器9将该转轴与连接件10的一轴端15连接起来，而连接件10的底端面16则与整体叶轮的大端面21连接固定。
安装板3包括两根结构相同的长方形钢板，钢板中间设有两个电机安装通孔12，两端各设有一通孔13。
定位支撑板4包括两个结构相同的“L”型板，板的一水平面两端各设有一通孔14，与该面垂直的竖直面正上方两端各设有一螺纹孔，相关尺寸与安装板3上的通孔13相匹配。
连接件10包括一轴端15和一底端面16，底端面上设有三个通孔17和一圆形凹槽18；轴端15的外径尺寸与电机1转轴相同，圆形凹槽18及通孔17的相关尺寸与整体叶轮11大端面21上的圆形凸台19及螺纹孔20相匹配。
整体叶轮的化学机械抛光方法，其具体操作步骤如下：
1)启动电机1，并将叶轮转速W设置为6rpm。
2)准备好粒径为1000μm、150μm、45μm的碳化硅磨料，将这三种粒径的磨料等体积混合。
3)配制好化学抛光液；抛光液中各组分具体为：质量分数为65wt％的硝酸溶液在抛光液中的体积分数为4％，质量分数为30wt％的双氧水溶液在抛光液中的体积分数为5％，质量分数为10wt％的壬基酚聚氧乙烯醚溶液在抛光液中的体积分数为0.5％，剩余体积比为去离子水，同时添加质量分数为85wt％的磷酸溶液调节抛光液溶液pH，使之为1.2。
4)向容器7中缓慢地同时添加步骤2)、步骤3)已准备好的磨料与化学抛光液，直至混合抛光液8将整体叶轮11完全浸没；其中磨料与化学抛光液的体积比为4：3。
5)磨料和化学抛光液添加完毕后，提高电机1的转速，使整体叶轮旋转速度W为78rpm。
6)抛光80min后，关闭电机1，将整体叶轮11拆卸下来，用无水乙醇清洗干净，并吹干，完成整个抛光过程。
7)采用粗糙度仪对整体叶轮叶片抛光表面粗糙度进行测量，本实例中，测量结果为Ra0.4～0.7μm，如图5所示为整体叶轮叶片表面某点处粗糙度检测结果曲线图Ra0.502μm。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.一种整体叶轮(11)的化学机械抛光方法，其特征在于，所述的化学机械抛光方法基于一种化学机械抛光装置实现；所述的化学机械抛光装置包括电机(1)、螺栓(2)、安装板(3)、定位支撑板(4)、底座(5)、塑料泡沫(6)、容器(7)、抛光液(8)、联轴器(9)、连接件(10)、整体叶轮(11)、电机安装通孔(12)、安装板通孔(13)、定位支撑板通孔(14)、轴端(15)、底端面(16)、连接件通孔(17)和底端面凹槽(18)；
所述电机(1)的转轴朝下穿过安装板(3)，并确保电机(1)竖直安装固定于安装板(3)上；电机(1)的转轴通过联轴器(9)与连接件(10)的一轴端连接，连接件(10)的另一端与整体叶轮(11)的大端面连接固定；
所述安装板(3)包括2根结构相同的长方形钢板，其通过定位支撑板(4)固定在底座(5)上；钢板上开有4个孔，其中间2个为电机安装通孔(12)，实现电机(1)的定位安装；钢板两端分别设有一安装板通孔(13)，实现钢板的定位安装；
所述定位支撑板(4)包括2个结构相同的“L”型板，一支板的表面开有定位支撑板通孔(14)，实现定位支撑板(4)固定在底座(5)上；另一支板上开有与安装板通孔(13)匹配的螺纹孔，实现安装板(3)的安装；
所述连接件(10)包括轴端(15)和底端面(16)，二者为一体结构，连接件(10)的截面为“倒T”型；连接件(10)底端面上设有周边的不少于3个连接件通孔(17)和中间的底端面凹槽(18)；轴端(15)外径与电机转轴相同，底端面凹槽(18)及连接件通孔(17)的尺寸与整体叶轮大端面圆形凸台(19)及整体叶轮大端面螺纹孔(20)分别相匹配；
所述底座(5)上设有凹型腔体和螺纹孔，其中凹型腔体的内切圆直径大于或等于容器(7)的外接圆直径，螺纹孔与定位支撑板通孔(14)相匹配；
所述容器(7)内表面具有耐腐蚀性，容器的内切圆直径应大于被抛光整体叶轮(11)的最大端面外径；
所述容器放置于底座(5)的凹型腔体内，且在两者缝隙间填满塑料泡沫(6)；
所述的化学机械抛光方法，包括以下步骤：
(1)低速启动电机：使整体叶轮(11)转速控制在5～9rpm；
(2)准备好磨料，磨料包括氧化铝磨粒、碳化硅磨粒、碳化硼磨粒中的一种或两种以上混合，磨粒粒径包括1000μm、150μm、45μm中的一种或两种以上混合；
(3)配制好化学抛光液：抛光液包括氧化剂、表面活性剂、pH调节剂和去离子水；其中氧化剂包括65wt％硝酸溶液和/或30wt％双氧水溶液，其在抛光液中体积占比为5～12％；表面活性剂为10wt％壬基酚聚氧乙烯醚溶液，其在抛光液中体积占比为0.1～0.5％；pH调节剂为85wt％磷酸溶液和/或40wt％氢氟酸溶液，调节抛光液pH调为0.5～3；
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