CN110370161A - 一种抛光设备、抛光方法及抛光液 - Google Patents

一种抛光设备、抛光方法及抛光液 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种抛光设备、抛光方法及抛光液，适用于抛光表面结构复杂的金属工件。抛光设备包括：抛光桶，包括侧壁和底板，所述侧壁和所述底板围成容纳腔，所述容纳腔用于盛放SiO2纳米颗粒液体；第一电机，固定在所述抛光桶上；搅拌器，位于所述容纳腔的底部，被所述第一电机驱动旋转，搅动所述容纳腔内的SiO2纳米颗粒液体；夹具，被固定在抛光桶内，用于固定金属工件。本发明利用混有SiO2纳米颗粒的高速液流与金属工件表面进行摩擦，金属工件表面的凸起在SiO2颗粒高速碰撞发生塑性变形甚至剪切，实现对金属工件表面抛光，由于抛光介质是混有SiO2纳米颗粒的流体，避免化学抛光和电化学抛光对工件整体性和表面的损坏的同时，实现对异型表面的整体抛光。

Description

一种抛光设备、抛光方法及抛光液
技术领域
本发明涉及一种抛光技术，特别适用于如3D打印出的表面结构复杂的金属件的表面抛光，具体涉及到一种抛光设备、抛光方法及抛光液。
背景技术
激光选区熔化技术是金属3D打印成形技术一种，激光选择性熔化金属粉末，逐层熔化凝固金属粉末，在较短时间内能够成形形状复杂的金属结构件或组件，突破了传统的金属机械加工技术不能成行异形结构的金属件和金属组件的缺陷，但是3D打印成型后的金属工件表面有很多的浮粉，经过喷砂处理后表面仍然很粗糙，达不到设计者和人们的设计和使用要求，需要花费大量的人力进行表面打磨抛光后处理。
现有的传统的金属件抛光方式有(1)机械抛光、(2)化学抛光、(3)电化学抛光(电解抛光)。其中，机械抛光采用磨头的振动、转动或者如钢珠、沙子等抛光介质，金属工件表面直接与抛光带(轮)、沙子等摩擦抛光，机械抛光不仅在金属工件表面形成一层冷作硬化层，有时会损伤金属件表面，使金属变脆，而且对金属件形状有限制要求，对于一些细微结构和内部结构难于进行全面抛光，不适合所有金属工件的表面抛光。例如一些具有复杂曲面、网格结构表面、细小内孔的3D打印形成的金属工件，使用现用的机械抛光技术不能抛光。化学抛光是利用腐蚀性的抛光液体介质，溶解金属工件表面粗糙颗粒，虽然通过液体抛光介质能够对3D打印异型复杂结构件的抛光，在一定程度上提高金属件表面的光泽度，但是化学抛光抛光液的成分复杂、成本高，对环境和实际操作人员产生化学危害；且由于化学腐蚀溶解作用，化学抛光后的金属件表面平整能力不高。电化学抛光，也称为电解抛光，是通过电化学的腐蚀作用同时溶解金属工件表面的凹凸点，也可用于抛光形状复杂、细小的金属工件，但是电化学抛光也存在局限性需要改进。电化学抛光对抛光对象的材质有限制：因为电化学抛光介质是固定的，材质有区别，抛光质量会差异较大，难以保证工件的整体性；此外，对一些表面较粗糙的工件，电化学抛光效果不明显，因而不适用于表面粗糙的3D打印件。
发明内容
本发明公开一种新型抛光技术，涉及一种抛光设备、抛光方法及所用抛光液，适用于表面结构复杂的金属工件，如3D打印技术成形的异形结构金属件的抛光。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明公开的一种抛光设备，适用于利用SiO2纳米颗粒液体抛光表面结构复杂的金属工件，所述抛光设备包括：
抛光桶，包括侧壁和底板，所述侧壁和所述底板围成容纳腔，所述容纳腔用于盛放SiO2纳米颗粒液体；
第一电机，固定在所述抛光桶上；
搅拌器，位于所述容纳腔的底部，被所述第一电机驱动旋转，搅动所述容纳腔内的SiO2纳米颗粒液体；
夹具，被固定在抛光桶内，用于固定金属工件。
作为优选实施方式，抛光设备还包括固定于所述侧壁内表面的挡板，所述挡板凸出于所述侧壁内表面。
进一步地，所述挡板为长条状。数量为4-6个，等间距分布。所述挡板的顶端延伸至所述抛光桶的顶面。
进一步地，所述挡板凸出所述侧壁的高度与所述容纳桶直径的比值为1/15-1/10。
作为优选实施方式，抛光设备还包括第二电机和连接轴，所述第二电机固定于所述抛光桶，所述第二电机连接所述连接轴，所述连接轴与所述夹具可拆卸连接。
本发明还公开一种抛光的方法，使用上述抛光设备进行，包括如下步骤：
在设备容纳腔中投放SiO2纳米颗粒液体；
将金属工件装卡于夹具；
将装卡了金属工件的夹具安装固定容纳腔中；
启动第一电机，驱动搅拌器旋转，带动SiO2纳米颗粒液体形成粒子流，粒子流与金属工件碰撞、摩擦。
优选地，抛光方法还包括启动第二电机、驱动金属工件自转的步骤，并且所述自转的方向与搅拌器旋转方向相反。
本发明还公开一种抛光液，按重量份计包括如下组分：
SiO2纳米颗粒，10-20份，所述颗粒平均直径为50～60纳米；
水，80-90份。
作为优选实施方式，所述抛光液还包括分子量为300～500的聚乙二醇，按体积份数计，所述抛光液为100份，所述聚乙二醇为1-3份。
作为优选实施方式，所述抛光液还包括润滑剂，按体积份数计，所述抛光液为100份，所述润滑剂为1-2份。
本发明的有益效果如下：
本发明的表面抛光技术，利用混有SiO2纳米颗粒的高速液流与金属工件表面进行摩擦，金属工件表面的凸起在SiO2颗粒高速碰撞发生塑性变形甚至剪切，实现对金属工件表面抛光，由于抛光介质是混有SiO2纳米颗粒的流体，抛光工艺本质上是一种机械碰撞打磨的机械抛光，因此可以避免化学抛光和电化学抛光对工件整体性和表面的损坏的同时，实现对异型表面的整体抛光。
本发明能够用于3D打印技术成形的异型结构的表面抛光，避免3D打印的异型结构金属工件因为表面结构复杂而导致的大量表面后续处理工作，避免传统抛光设备对工件表面的损坏和整体结构性的影响，解决了业内3D打印技术成形的异型结构的表面抛光的难题。。
本发明利用SiO2纳米颗粒的高速液流抛光，兼具化学液体抛光和机械抛光的优点，通过流体能够实现表面复杂、结构细小件的表面抛光，而且抛光介质不具有腐蚀性，整个抛光环境在密闭空间内，能够避免对环境的污染和人体的伤害。
本发明根据金属工具体积、复杂程度的特点，可以选择控制抛光介质的转动，设置不同的抛光时间实现不同的抛光效果，适用范围更广。
本发明相对电化学抛光而言，不受金属工件材料的限制，通过转速和时间的控制能够实现几乎所有金属工件的不同程度的表面抛光效果。
本发明的整体设备结构简单，维护方便成本较低，只需定期更换抛光介质或者添加SiO2颗粒、润滑剂和防锈剂即可实现持续抛光。
本发明抛光液中添加了防锈剂和润滑剂，能够增加磨料SiO2颗粒悬浮性的同时，冷却润滑金属工件并防止金属工件表面的氧化，能够保证金属工件很好的表面质量和整体结构的完整性，
附图说明
图1是本发明的抛光设备的一个优选实施例的结构示意图；
图2为本发明抛光方法步骤框图。
图1中：1-排液开关、2-挡板、3-SiO2纳米颗粒、4-连接轴、5-第二电机、6-夹具端连接轴、7-水溶液、8-金属工件、9-搅拌器、10-第一电机。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本发明的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1是本发明的抛光设备的一个优选实施例的结构示意图。如图1所示，抛光设备包括：
抛光桶，包括侧壁、底板以及顶板。侧壁和底板围成容纳腔，顶板密封容纳腔。容纳腔用于盛放SiO2纳米颗粒液体。SiO2纳米颗粒液体主要由SiO2纳米颗粒3和水7混合而成。在顶板上开口，用来投放SiO2纳米颗粒液体。在容纳腔的底部安装有搅拌器9。抛光桶下部安装有第一电机10，搅拌器9通过传动件与第一电机10连接，并被其驱动旋转。搅拌器9旋转的叶片搅动桶体内的液体，使得SiO2纳米颗粒3在水中分散开来，形成高速流动的SiO2纳米颗粒液流。
抛光设备还包括夹具6，夹具6被固定在抛光桶内，用来固定待抛光的金属工件8。夹具6可以依靠支架等辅助零件固定在抛光桶的侧壁上或者顶板上。为了更方便的装卸金属工具，可将夹具6的安装支架安装在顶板开口的盖子上。
对于有圆柱结构的或者可以添加辅助圆柱的金属工件可以采用三抓卡盘夹具进行固定抛光，堵住圆柱一方面用于固定抛光，一方面辅助支撑帮助金属工件的成形制造。
在侧壁内表面上还固定有挡板2。挡板为长条形。数量为4-6个，等间距分布。挡板凸出于侧壁内表面，当搅拌器9带动SiO2纳米颗粒液体旋转，由于液流被挡板2阻挡，规律的液流被打乱，旋转的液流被分割成4-6个区域，并在该区域内形成紊乱的液流，而紊乱的液流会增加抛光介质中的流动速度，并且可以从各个方向冲击被夹具6固定的金属工件，使得抛光打磨的方位多元化、抛光的均匀化。挡板最好是位于抛光桶的中上部，顶端可以延伸至抛光桶的顶面处，如此设计的好处在于，无论金属工件的大小，液面的高低，单板均能起到紊流的作用。紊流最极致的设计，是不考虑成本及其他，挡板的高度与容纳腔高度相同。
经过试验验证，当挡板凸出侧壁的高度与容纳桶直径的比值为1/15-1/10时，在容纳腔，特别是金属工具所在位置，形成的紊流在兼顾了搅拌器的转速后，达到标准抛光效果所用抛光时间最短。
本发明的抛光桶、挡板以及搅拌器的扇叶，由于长时间与SiO2纳米颗粒液流接触，一般选择常用耐磨材质，金属类如高锰钢系列、铬合金铸铁等合金，或者一些非金属材质，如陶瓷复合材料、碳化硅、氮化硅等。
而为了增加金属工具与液流的接触、碰撞，本发明另一优选实施例中，还在夹具6的固定端连接电机来驱动金属工件自转。具体的结构如图1所示，抛光桶的顶板上固定有第二电机5，第二电机5的输出轴直接或间接固定有连接轴4，连接轴4与夹具6的固定端固定连接(图1中示出的是连接轴4与夹具6分开的状态)。更优的是，为了方便安装、拆卸，连接轴4与夹具6通过螺钉可拆卸的固定连接。第二电机5带动金属工具8以与搅拌器9的旋转方向相反，相反的转速，加速SiO2纳米颗粒液流与金属工具8的碰撞，有利于提高抛光效率。
在抛光桶的下部，开设有排液口，排液口通过排液开关1控制开闭状态。在进行设备清洗或需要更换抛光介质时，打开排液开关1排出废弃的抛光介质，并用清水清洗即可，操作方便。
本发明还公开一种抛光方法，使用上述抛光设备进行。
图2为抛光步骤流程图。如图所示，抛光方法包括如下步骤：
S1：在设备容纳腔中投放SiO2纳米颗粒液体。
S2：将金属工件装卡于夹具。
S3：将装卡了金属工件的夹具安装在固定容纳腔中。
S4：启动第一电机，驱动搅拌器旋转，带动SiO2纳米颗粒液体形成粒子流，粒子流与金属工件碰撞、摩擦。
含有SiO2纳米颗粒的液体被搅拌器搅动，形成粒子流，与金属工件表面进行摩擦，金属工件表面的凸起在SiO2颗粒高速碰撞发生塑性变形甚至剪切，实现对金属工件表面抛光。
S5：启动第二电机，驱动金属工件自转的步骤，并且自转的方向与搅拌器旋转方向相反。
其中，步骤S4和步骤S5可以同时进行，也可以先后进行，并且先后顺序无特别要求。在抛光的过程中，不定时的伴随多次的步骤S6。
使用第二电机驱动金属工件自转，可以增加金属工件与SiO2纳米颗粒的相对运动速度，有利于提高抛光效率。
S6：停止第一电机和第二电机，将金属工件取出，检查抛光程度。
S7：调整第一电机和/或第二电机的转速。
当金属工件的表面质量达到抛光标准，进行最后一步S8。
S8：停止第一电机和第二电机，将金属工件取出，结束抛光。
含有SiO2纳米颗粒的液体被搅拌器搅动，形成粒子流，与金属工件表面进行摩擦，金属工件表面的凸起在SiO2颗粒高速碰撞发生塑性变形甚至剪切，实现对金属工件表面抛光。
本发明还公开一种抛光液，抛光液的主要成分是SiO2纳米颗粒和水。其中，按重量份计，SiO2纳米颗粒10-20份，水80-90份。SiO2纳米颗粒的平均直径为50～60纳米。平均直径为50～60纳米的SiO2纳米颗粒，在抛光过程中能通过合理的力度和金属工件表面的机械碰撞，达到抛光效果。
SiO2纳米颗粒的粒径过大，抛光后的金属工件表面的过于粗糙，达不到表面质量要求；粒径过小，则抛光的时间长，对于一些金属工件表面存在的较大颗粒无法去除。
SiO2纳米颗粒的含量过大，当按照重量计占比超出溶液的20％时，溶液的流动性不够好，影响最终形成的粒子流的流速，导致抛光效果反而下降。SiO2纳米颗粒的含量过小，当按照重量计占比小于溶液的10％时，导致抛光效率低下，不符合工业要求。
抛光液中还可以添加防锈剂和/或润滑剂。其中，防锈剂也可称为防氧化剂，成分为分子量为300～500的聚乙二醇，按体积份数计，抛光液与聚乙二醇的比例为100：(1-3)。即防锈剂用量为抛光液体积的1％～3％。聚乙二醇能够避免抛光作用过程中金属表面的氧化，同时具有一定冷却和润滑作用。
润滑剂的主要成分为乙二醇和磷酸钠，用量为抛光介质总体积的1％-2％。润滑剂能够减小抛光介质在金属工件表面的表面张力，分散磨料，提高抛光效率。
本发明能够根据材料的种类不同和结构特征，来调节搅拌器9的旋转速度来控制抛光效果：对于硬度不同，按照硬度的大小从大到小调节搅拌器的旋转速度，对于一些细微结构采用小的旋转速度和长时间作用。
实施例1
将一个由3D打印钛合金工件投入抛光设备进行打磨。打磨前粗糙度Ra为10～11。具体的操作可以为：
将设备上盖打开，向抛光桶内按照重力比投入SiO2颗粒20份、水80份；再按照体积比，加入3份防锈剂。防锈剂为聚乙二醇PEG-400。
将3D打印钛合金工件装卡在夹具上，将夹具借助螺钉固定在连接轴上。
将上盖盖好，启动搅拌器电机和工件自转电机，设置搅拌器电机转速为200r/min，工件自转电机转速为60r/min。
运行25分钟，停止两电机。取出3D打印钛合金工件，测量表面粗糙度Ra为6～8。
实施例2
将一个由3D打印钛合金工件投入抛光设备进行打磨。打磨前粗糙度Ra为10～11。具体的操作可以为：
将设备上盖打开，向抛光桶内按照重力比投入SiO2颗粒20份、水80份；再按照体积比，加入3份防锈剂和2份润滑剂。SiO2颗粒平均直径为50～60纳米，防锈剂为聚乙二醇PEG-400，润滑剂为乙二醇和磷酸钠。
将3D打印钛合金工件装卡在夹具上，将夹具借助螺钉固定在连接轴上。
将上盖盖好，启动搅拌器电机和工件自转电机，设置搅拌器电机转速为200r/min，工件自转电机转速为60r/min。
运行20分钟，停止两电机。取出3D打印钛合金工件，测量表面粗糙度Ra为6～8。
实施例3
将一个由3D打印钛合金工件投入抛光设备进行打磨。打磨前粗糙度Ra为10～11。具体的操作可以为：
将设备上盖打开，向抛光桶内按照重力比投入SiO2颗粒10份、水90份；再按照体积比，加入3份防锈剂和2份润滑剂。SiO2颗粒平均直径为50～60纳米，防锈剂为聚乙二醇PEG-400，润滑剂为乙二醇和磷酸钠。
将3D打印钛合金工件装卡在夹具上，将夹具借助螺钉固定在连接轴上。
将上盖盖好，启动搅拌器电机和工件自转电机，设置搅拌器电机转速为200r/min，工件自转电机转速为60r/min。
运行30分钟，停止两个电机。取出3D打印钛合金工件，测量表面粗糙度Ra为6～8。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种抛光设备，适用于利用SiO2纳米颗粒液体抛光表面结构复杂的金属工件，其特征在于，所述抛光设备包括：
抛光桶，包括侧壁和底板，所述侧壁和所述底板围成容纳腔，所述容纳腔用于盛放SiO2纳米颗粒液体；
第一电机，固定在所述抛光桶上；
搅拌器，位于所述容纳腔的底部，被所述第一电机驱动旋转，搅动所述容纳腔内的SiO2纳米颗粒液体；
夹具，被固定在抛光桶内，用于固定金属工件。
2.如权利要求1所述的抛光设备，其特征在于，还包括固定于所述侧壁内表面的挡板，并且所述挡板凸出于所述侧壁内表面。
3.如权利要求2所述的抛光设备，其特征在于，所述挡板为长条状；数量为4-6个，等间距分布。
4.如权利要求2所述的抛光设备，其特征在于，所述挡板凸出所述侧壁内表面的高度与所述容纳桶直径的比值为1/15-1/10。
5.如权利要求1所述的抛光设备，其特征在于，还包括第二电机和连接轴，所述第二电机固定于所述抛光桶，所述第二电机连接所述连接轴，所述连接轴与所述夹具可拆卸连接。
6.一种抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
在设备容纳腔中投放SiO2纳米颗粒液体；
将金属工件装卡于夹具；
将装卡了金属工件的夹具安装固定在容纳腔中；
启动第一电机，驱动搅拌器旋转，带动SiO2纳米颗粒液体形成粒子流，粒子流与金属工件碰撞、摩擦。
7.如权利要求6所述的抛光方法，其特征在于，还包括启动第二电机，驱动金属工件自转的步骤，并且所述自转的方向与所述搅拌器旋转方向相反。
8.一种抛光液，按重量份计包括如下组分：
SiO2纳米颗粒，10-20份，所述颗粒平均直径为50～60纳米；
水，80-90份。
9.如权利要求8所述的抛光液，其特征在于，还包括分子量为300～500的聚乙二醇，按体积份数计，所述抛光液为100份，所述聚乙二醇为1-3份。
10.如权利要求8或9所述的抛光液，其特征在于，还包括润滑剂，按体积份数计，所述抛光液为100份，所述润滑剂为1-2份。
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