CN111716158A - 一种内表面的抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种内表面的抛光方法及装置，基于剪切增稠与磁流变复合效应实现，属于精密/超精密加工领域。该方法通过工件在非牛顿流体里振动，保证抛光液发生剪切增稠现象。同时抛光液中磁性粒子在磁场作用下向工件表面运动，增大磨粒对工件表面压力。工件内表面在抛光液中振动冲刷，通过磨粒的微切削作用实现对内表面的高效、均匀去除。装置部分包括抛光池、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置，如果振动抛光对称结构内表面工件时，还包括旋转装置。抛光液循环系统位于抛光池下方，磁流变装置位于基准台上方并能产生磁场。振动装置位于抛光池上方。本发明可实现常规刀具难以加工的小尺寸、复杂结构内表面抛光，抛光效率高、质量高、装置简单。

Description

一种内表面的抛光方法及装置
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种内表面的抛光方法及装置，尤其涉及一种针对小尺寸、异形不规则内表面，多孔、多层内表面，以及不贯通内表面等复杂结构内表面的基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光工件内表面的方法及装置。
背景技术
抛光主要是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光作为超精密加工中最后且最重要的加工工序，主要的作用是去除前道工序所产生的表面、亚表面损伤层，降低面型误差，减小表面粗糙度。抛光几乎是工件达到纳米级甚至亚纳米级精度的唯一加工方法。
在各种类型表面的抛光加工中，对内表面的加工难度较高。对于尺寸较小且形貌复杂的异形内表面，由于常规的抛光工具难以伸入接触加工，很难保证抛光的有效性和均匀性，因此对复杂内表面的加工已经成为了研究重点与热点。传统的内表面加工还停留在人工去除阶段，加工效率低下且很难保证整个内表面材料去除均匀性。同时，对于较小尺寸的异形不规则内表面，无法依靠人工已经完成。目前对于复杂内表面的加工，主要依靠磨粒流加工的方法，有一定的加工效果，但是仍然存在一定的缺陷与局限性：1.磨粒流加工所用介质为粘弹性介质，而有些工件要求不能沾有粘性物质，而且磨粒流加工后会在表面留下一层润滑物质，这是很多加工所不允许的。2.由于磨粒流加工是在密闭，高压的环境下，且工件置于缸体内腔，工件的固定需要专门夹具。特别是对于复杂形状工件，夹具设计较为繁琐困难，降低了加工效率。专利(CN201210192915.8)公开了一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面的抛光方法。该方法是利用非牛顿流体的粘度随剪切速率非线性变化特性，依靠加工区域受剪切作用而使抛光液表观粘度增大，增大磨粒把持力，磨粒产生微切削作用而实现材料去除。但是这种主要依靠抛光液转动的剪切增稠抛光方法很难实现内表面的有效加工。专利(CN201510489786.2)公开了一种基于非牛顿流体剪切增稠机理的孔内壁抛光装置，将抛光工具深入到孔内腔中，工具旋转引起抛光液发生剪切增稠特性，从而实现孔内壁抛光。但是此种方法仍对孔的尺寸有一定的要求，很难保证小尺寸孔加工的有效性与均匀性。
发明内容
对于小尺寸、异形不规则内表面、多孔、多层内表面，以及不贯通内表面等复杂结构内表面，为了解决其目前抛光效率低下，均匀性较差，常规方法难以加工等难题，本发明提供一种基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光工件内表面方法及装置，本发明适用范围广、加工效率高、加工质量高、装置简单。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种内表面的抛光装置，具体是一种基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光工件内表面的装置，包括抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置。所述抛光系统与振动装置、抛光液循环系统连接，抛光系统内设有用于产生剪切增稠与磁流变复合效应的抛光液16，抛光液16从抛光系统侧面流出通过管路进入抛光液循环系统，经抛光液循环系统后从抛光系统另一侧面顶部进入抛光系统，完成整个抛光液循环过程。所述抛光系统内还设有磁流变装置，用于产生磁场。工件通过振动装置浸入抛光液内，并置于磁流变装置两个磁极之间，工件在抛光液中振动冲刷，完成工件表面的振动抛光。通过抛光液中粒子簇的微切削作用实现对工件表面材料的高效、均匀去除，通过抛光液中磁性磨粒的磁流变效应，使作用在工件表面的粒子簇压力增加，提高装置整体的抛光效率。具体的：
所述内表面的抛光装置可以用于振动抛光非对称结构的内表面工件21，也可以用于振动抛光对称结构的内表面工件22。
当振动抛光非对称结构的内表面工件时，包括抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置。
所述抛光系统包括抛光池17、抛光液16、搅拌装置6。所述抛光液16置于抛光池17内，含有磨粒18、用于产生剪切增稠效应的多羟基聚合物19、防腐剂、用于产生磁流变效应的磁性粒子20。所述搅拌装置6用于实现抛光液16的均匀分散。所述抛光系统与抛光液循环系统相连接，抛光液16从抛光池17底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统。
所述抛光液循环系统位于抛光池17的下方，包括依次通过管路连接的过滤装置11、柱塞泵10、控温装置9。所述抛光液16从抛光池17一侧面底部流出进入抛光液循环系统后首先流入过滤装置11，过滤装置11与柱塞泵10连接，柱塞泵10用于提供抛光液16循环所需的动力，确保循环过程持续进行。所述控温装置9一侧与柱塞泵10连接，另一侧通过管路与抛光池17另一侧面顶部连通，抛光液16从顶部进入抛光池17，完成整个抛光液循环过程。所述控温装置9包括温度传感器与调温装置，用于保证整个循环系统中的抛光液16温度恒定，确定抛光液16的粘度等物理性质不发生变化，保证抛光条件的一致性。
所述磁流变装置放置在基准台12上，用于产生磁场，保证工件内表面的抛光液16可产生磁流变效应。所述磁流变装置包括基准台12、一对N/S极电磁铁15、固定板14与连接台13。所述电磁铁15垂直置于抛光池内部，通过固定板14与连接台13连接，连接台13位于抛光池17底部并置于基准台12上方，与抛光液16接触。
所述振动装置安装在抛光池17上方，实现工件的振动运动，保证抛光液16发生剪切增稠现象。所述振动装置包括振动器主体杠3、振动杆4、连接板5、工件夹具7与工件8。所述振动器主体杠3与振动杆4共同构成气动振动器，振动器主体杠3上设有进气孔并外接调压阀、过滤器、油雾器辅助装置，通过调节调压阀控制气压大小进而实现对工件振幅与振动频率的控制。所述的振动杆4连接在振动器主体杠3下方，用于实现往复的振动运动。气动振动器用于提供指定的频率(低频)与振幅，确保抛光液发生剪切增稠现象。所述连接板5安装在振动杆4下方，所述工件夹具7与振动杆4底部通过螺钉连接，工件8通过工件夹具7安装在连接板5上，且工件8浸没在抛光液16中。所述工件夹具7可以固定各种形状与尺寸的内表面工件。
当振动抛光对称结构的内表面工件时，除了包括上述抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置外，还包括旋转装置。所述旋转装置位于振动装置上方，用于带动工件8旋转运动，确保在该转速下发生剪切增稠现象。所述旋转装置包括步进电机1与夹具2。步进电机1安装在数控机床上，确保工件可以移动到指定的位置与角度。所述夹具2安装在步进电机1下方，用于夹持下方的振动系统。
一种基于上述抛光装置实现振动抛光内表面的方法，当振动抛光非对称结构的内表面工件时，包括以下步骤：
第一步，向抛光池17中加入用于剪切增稠的抛光液16，将所需要抛光的工件8固定在工件夹具7上。所述待抛光工件8部分浸没在抛光液16中。
第二步，启动抛光液循环系统，具有剪切增稠效应的抛光液16从抛光池17顶部流入，并从底部流出。
第三步，启动磁流变装置，电磁铁15产生磁场。所述磁流变装置的电磁铁15磁场强度设置为140-200kA/m，保证处于工件8内表面中的抛光液16可以发生磁流变效应。
第四步，数控机床主轴倾斜，保证抛光装置可以实现倾斜任意的角度，寻求最优的倾斜角度从而达到内表面的最佳抛光效果。
第五步，启动气动振动器，同时设置预定的振动频率和振幅，其中，预设的振动频率设置为25～35Hz，振幅设置为20～30mm，确保工件8和抛光液16产生相对运动，保证工件所产生的剪切速率可以使抛光液16发生剪切增稠现象，进而在振动与旋转的共同作用下，既在剪切增稠和磁场的复合作用下实现对工件8内表面的抛光。
第六步，抛光处理后，将产生的大颗粒磨屑由过滤装置11滤出，保证抛光液16的一致性。
第七步，装夹工件8的另一侧，重复上述过程，完成整个内表面的抛光。
另外，当振动抛光对称结构的内表面工件时，第四步启动气动振动器后，还需要启动旋转装置，设置预定转速，其中，转速设置为500～1000rpm，确保工件8在该转速下可以使抛光液16也发生剪切增稠作用，在振动的共同作用下，形成更剧烈的剪切增稠效应，实现工件8内表面的高效、均匀抛光。
进一步的，所述用于剪切增稠的抛光液16包括去离子水、剪切增稠相、磨粒18、磁性粒子20、防腐剂。所述剪切增稠相选用多羟基聚合物19，比例为30～40wt％。所述磨粒18选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径1～10μm，比例20～25wt％。所述磁性粒子20选用羟基铁粉，粒径为5～10μm，比例为15～25wt％。所述防腐剂选用苯甲酸钠，比例0.1～0.5wt％。其余为去离子水。
本发明的有益效果主要体现在：(1)本发明仅需提供工件的振动运动，无需加工刀具伸入内表面操作，可以实现内表面的抛光加工，克服了小尺寸、异性不规则内表面难以加工的弊端。(2)本发明利用剪切增稠抛光与磁流变抛光各自的特点，通过剪切增稠效应与磁流变效应相结合，可以实现内表面的高效加工。(3)本发明的抛光工具为柔性液体，抛光液可以与各种形状的工件实现良好的贴合，可以实现对复杂内表面的均匀加工。
附图说明
图1为基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光内表面装置的示意图。
图2为利用本加工方法对非对称结构的内表面工件进行抛光的示意图。
图3为利用本加工方法对对称结构的内表面工件进行抛光的示意图。
图4为去除微凸峰的流程图。
图中：1步进电机；2夹具；3振动器主体杠；4振动杆；5连接板；6搅拌装置；7工件夹具；8工件；9控温装置；10柱塞泵；11过滤装置；12基准台；13连接台；14固定板；15电磁铁；16抛光液；17抛光池；18磨粒；19多羟基聚合物；20磁性粒子；21非对称结构的内表面工件；22对称结构的内表面工件。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
采用附图1所示的装置并参照图2、图3实现对非对称结构内表面的剪切增稠抛光。
实施例1
针对基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光非对称结构内表面装置，包括抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置。
所述抛光系统包括抛光池17、抛光液16、搅拌装置6。所述抛光液16置于抛光池17内。所述搅拌装置6用于实现抛光液16的均匀分散。所述抛光系统与抛光液循环系统相连接，抛光液16从抛光池17底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统。
所述抛光液循环系统位于抛光池17的下方，包括依次通过管路连接的过滤装置11、柱塞泵10、控温装置9。所述抛光液16从抛光池17一侧面底部流出进入抛光液循环系统后首先流入过滤装置11，过滤装置11与柱塞泵10连接。所述控温装置9一侧柱塞泵10与连接，另一侧通过管路与抛光池17另一侧面顶部连通，抛光液16从顶部进入抛光池17，完成整个抛光液循环过程。所述控温装置9包括温度传感器与调温装置。
所述磁流变装置放置在基准台12上，用于产生磁场。所述磁流变装置包括基准台12、一对N/S极电磁铁15、固定板14与连接台13。所述电磁铁15垂直置于抛光池内部，通过固定板14与连接台13连接，连接台13位于抛光池17底部并置于基准台12上方，与抛光液16接触。
所述振动装置安装在抛光池17上方，实现工件21的振动运动，保证抛光液16发生剪切增稠现象。所述振动装置包括振动器主体杠3、振动杆4、连接板5、工件夹具7与工件8。所述振动器主体杠3与振动杆4共同构成气动振动器，振动器主体杠3上设有进气孔并外接调压阀，通过调节调压阀控制气压大小进而实现对工件振幅与振动频率的控制。所述的振动杆4连接在振动器主体杠3下方，用于实现往复的振动运动。气动振动器用于提供指定的频率(低频)与振幅，确保抛光液发生剪切增稠现象。所述连接板5安装在振动杆4下方，所述工件夹具7与振动杆4底部通过螺钉连接，工件8通过工件夹具7安装在连接板5上，且工件8浸没在抛光液16中。所述工件夹具7可以固定各种形状与尺寸的内表面工件。所述工件夹具安装在气动振动器的下方，用于夹持工件长度的一部分，另一部分用于浸没在抛光液中，实现剪切增稠抛光。
一种基于上述振动抛光内表面装置实现振动抛光非对称结构内表面方法，包括以下步骤：
第一步，向抛光池17中加入混有磨粒18和防腐剂且具有剪切增稠效应的非牛顿流体，将所需要抛光的非对称结构的内表面工件21固定在工件夹具7上，所述待抛光非对称结构的内表面工件21部分浸没在抛光液16中。其中，抛光液16选用：去离子水+剪切增稠相+磨粒16+磁性粒子20+防腐剂。剪切增稠相选用玉米淀粉，比例为40wt％。磨粒18选用氧化铝粒径5μm，比例20wt％。磁性粒子20选用羟基铁粉，粒径为5μm，比例为20wt％。防腐剂选用苯甲酸钠，比例0.2wt％。抛光工件21选用内径10mm、外径16mm、长度为50mm的筒状零件
第二步，启动抛光液循环系统，具有剪切增稠效应的抛光液16从抛光池17顶部流入，并从底部流出。
第三步，启动磁流变装置，电磁铁15产生磁场。其中电磁铁15磁场强度设置为160kA/m。
第四步，数控机床主轴倾斜15°，达到内表面的最佳抛光效果。
第五步，启动气动振动器，同时设置预定的振动频率和振幅，保证非对称结构的内表面工件21所产生的剪切速率可以使抛光液16发生剪切增稠现象，抛光液16中分散的多羟基聚合物19迅速聚集成粒子簇，宏观表现为粘度增大，将磨粒18和磁性粒子20包裹其中，增大了磨粒18的把持力，同时磁性粒子20在磁场的作用下向工件表面运动，增大了磨粒18对工件21的接触压力，提高了加工效率。其中振动频率设置为30Hz，振幅设置为25mm。
第六步，抛光一段时间后，将产生的大颗粒磨屑由过滤装置11滤出，保证抛光液16的一致性。
第七步，装夹工件21的另一侧，重复上述过程，完成整个内表面的抛光。
实施例2
采用附图1所示的装置并参照图3、图4实现对对称结构内表面的抛光。针对基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光对称结构内表面装置，其结构与基于剪切增稠与磁流变复合效应的振动抛光非对称结构内表面装置类似，均包括抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置。不同之处在于对称结构内表面装置增加旋转装置，可实现对对称结构的内表面工件22振动加转动的复合运动。所述旋转装置位于振动装置上方，用于带动工件8旋转运动，确保在该转速下发生剪切增稠现象。所述旋转装置包括步进电机1与夹具2。步进电机1安装在机床上，确保工件可以移动到指定的位置与角度。所述夹具2安装在步进电机1下方，用于夹持下方的振动系统。
一种基于上述振动抛光内表面装置实现振动抛光对称结构内表面方法，包括以下步骤：
步骤1～5与非对称结构内表面方法相似。
第六步，启动旋转装置，设置转速800rpm，确保对称结构的内表面工件22在该转速下抛光液可发生剪切增稠作用，在振动的共同作用下，形成剧烈的剪切增稠作用，实现对称结构的内表面工件22内表面的高效、均匀抛光。
第七步，抛光一段时间后，将产生的大颗粒磨屑由过滤装置滤出，保证抛光液的一致性。
第八步，装夹工件22的另一侧，重复上述过程，完成整个内表面的抛光。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种内表面的抛光装置，其特征在于，所述的装置包括抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置；所述抛光系统与振动装置、抛光液循环系统连接，抛光系统内设有用于产生剪切增稠与磁流变复合效应的抛光液(16)，抛光液(16)从抛光系统侧面流出通过管路进入抛光液循环系统，经抛光液循环系统后从抛光系统另一侧面顶部进入抛光系统，完成整个抛光液循环过程；所述抛光系统内还设有磁流变装置，用于产生磁场；工件通过振动装置设于抛光液内，并置于磁流变装置两个磁极之间，工件在抛光液中振动冲刷，完成工件表面的振动抛光。
2.根据权利要求1所述的一种内表面的抛光装置，其特征在于，所述的装置可以用于振动抛光非对称结构的内表面工件(21)，也可以用于振动抛光对称结构的内表面工件(22)；
当该装置振动抛光非对称结构的内表面工件时，包括抛光系统、抛光液循环系统、磁流变装置、振动装置；
所述抛光系统包括抛光池(17)、抛光液(16)、搅拌装置(6)；所述抛光液(16)置于抛光池(17)内；所述搅拌装置(6)用于实现抛光液(16)的均匀分散；所述抛光系统与抛光液循环系统相连接，抛光液(16)从抛光池(17)底部侧面流出通过管路进入抛光液循环系统；
所述抛光液循环系统位于抛光池(17)的下方，包括依次通过管路连接的过滤装置(11)、柱塞泵(10)、控温装置(9)；所述抛光液(16)从抛光池(17)一侧面底部流出进入抛光液循环系统后首先流入过滤装置(11)，过滤装置(11)与柱塞泵(10)连接，柱塞泵(10)用于提供抛光液(16)循环所需的动力，确保循环过程持续进行；所述控温装置(9)一侧与柱塞泵(10)连接，另一侧通过管路与抛光池(17)另一侧面顶部连通，抛光液(16)从顶部进入抛光池(17)，完成整个抛光液循环过程；所述控温装置(9)包括温度传感器与调温装置，用于保证整个循环系统中的抛光液(16)温度恒定；
所述磁流变装置放置在基准台(12)上，用于产生磁场，保证工件内表面的抛光液(16)产生磁流变效应；所述磁流变装置包括基准台(12)、一对N/S极电磁铁(15)、固定板(14)与连接台(13)；所述电磁铁(15)垂直置于抛光池(17)内部，与抛光液(16)接触，电磁铁(15)通过固定板(14)与连接台(13)连接，连接台(13)位于抛光池(17)底部并置于基准台(12)上方；
所述振动装置安装在抛光池(17)上方，实现工件的振动运动，保证抛光液(16)发生剪切增稠现象；所述振动装置包括振动器主体杠(3)、振动杆(4)、连接板(5)、工件夹具(7)与工件(8)；所述振动器主体杠(3)与振动杆(4)共同构成气动振动器，振动器主体杠(3)上设有进气孔并外接调压阀，通过调节调压阀控制气压大小进而实现对工件振幅与振动频率的控制；所述的振动杆(4)连接在振动器主体杠(3)下方，用于实现往复振动运动；气动振动器用于提供指定的频率与振幅，确保抛光液(16)发生剪切增稠现象；所述连接板(5)安装在振动杆(4)下方，所述工件夹具(7)与振动杆(4)底部连接，工件(8)通过工件夹具(7)安装在连接板(5)上，且工件(8)浸没在抛光液(16)中；
当该装置用于振动抛光对称结构的内表面工件时，还包括旋转装置；所述旋转装置位于振动装置上方，用于带动工件(8)旋转运动，确保在该转速下发生剪切增稠现象；所述旋转装置包括步进电机(1)与夹具(2)；步进电机(1)安装在机床上，夹具(2)安装在步进电机(1)下方，用于夹持下方的振动系统。
3.一种基于权利要求1或2所述的抛光装置实现振动抛光内表面的方法，其特征在于，当振动抛光非对称结构的内表面工件时，包括以下步骤：
第一步，向抛光池(17)中加入用于剪切增稠的抛光液(16)，将所需要抛光的工件(8)固定在工件夹具(7)上；所述待抛光工件(8)部分浸没在抛光液(16)中；
第二步，启动抛光液循环系统，具有剪切增稠效应的抛光液(16)从抛光池(17)顶部流入，并从底部流出；
第三步，启动磁流变装置，极性相反的电磁铁(15)保证产生磁场；所述磁流变装置的电磁铁(15)磁场强度设置为140～200kA/m，保证处于工件(8)内表面中的抛光液(16)可以发生磁流变效应；
第四步，数控机床主轴倾斜，保证抛光装置可以实现倾斜任意的角度，寻求最优的倾斜角度从而达到内表面的最佳抛光效果；
第五步，启动气动振动器，同时设置预定的振动频率和振幅，其中，预设的振动频率设置为25～35Hz，振幅设置为20～30mm，确保工件(8)和抛光液(16)产生相对运动，保证工件所产生的剪切速率可以使抛光液(16)发生剪切增稠现象，从而在剪切增稠和磁场的复合作用下实现对工件(8)内表面的高效抛光；
第六步，抛光处理后，将产生的磨屑由过滤装置(11)滤出，保证抛光液(16)的一致性；
第七步，装夹工件(8)的另一侧，重复上述过程，完成整个内表面的抛光；
另外，当振动抛光对称结构的内表面工件时，第五步启动气动振动器后，还需要启动旋转装置，设置预定转速500～1000rpm，确保工件(8)在该转速能够使抛光液(16)发生剪切增稠作用，实现工件(8)内表面的高效、均匀抛光。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述抛光液(16)包括去离子水、剪切增稠相、磨粒(18)、用于产生磁流变效应的磁性粒子(20)、防腐剂；所述剪切增稠相用于产生剪切增稠效应，选用多羟基聚合物(19)，比例为30～40wt％；所述磨粒(18)选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径1～10μm，比例20～25wt％；所述磁性粒子(20)选用羟基铁粉，粒径为5～10μm，比例为15～25wt％；所述防腐剂选用苯甲酸钠，比例0.1～0.5wt％；其余为去离子水。
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