CN112008609A - 核壳磨料射流抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核壳磨料射流抛光方法，利用泵将含有液体和核壳磨料的浆料以5m/s‑300m/s的速度喷射到被加工工件表面，并回收浆料循环泵取，核壳磨料由粒径为0.1mm‑5.0mm的核体和包裹在核体外的壳体构成，核体的粒径为壳体的厚度的100倍以上，本发明既有微磨料液体射流抛光可适用于复杂曲面、自冷的优点又能够比微磨料液体射流抛光给予磨料更大的动能，能够使用大口径喷嘴，大幅提高加工效率，能使用更低功率的泵，当采用柔性核壳磨料可避免产生麻点状轰击坑，且毫米尺度的核壳磨料不会发生团聚，很容易均匀分散在液体中，抛光更加均匀，可高效对不锈钢、钛合金、陶瓷、模具钢、玻璃、各类塑料、硬质涂层、聚晶金刚石、软质金属等材料加工出粗糙度Ra0.1‑10nm的超光滑镜面。

Description

核壳磨料射流抛光方法
技术领域
本发明涉及一种核壳磨料射流抛光方法，属于抛光技术领域。
背景技术
很多零件存在有外观要求的复杂几何位置，诸如手机的不锈钢高光指纹环，手机摄像头边框，智能手表的外框，注塑模具的镜面模仁、光学组件、玻璃窗口、蓝宝石零件及一些特殊用途的外观零件或机械零件等，需要具有高光滑表面或高亮镜面。
目前的超光滑表面加工，一般需要经历粗磨、精磨、抛光等多个加工工序，其中，抛光一般作为超光滑表面加工的终端工序，直接决定了超光滑表面的最终加工质量。尤其是随着3D曲面、自由曲面等具有复杂表面结构的大量应用，复杂表面的超光滑表面加工更是对超光滑表面的抛光加工技术形成了巨大的挑战。
目前，高精度抛光方法有以下几种：
应力盘抛光(Stressed Lap Polishing)，其加工系统由抛光盘、磨粒和被加工工件组成。磨粒通常混合在固态的润滑介质(如抛光膏)中，或液态的润滑液(如抛光液)中，填充在抛光盘与被加工材料之间形成干式或湿式的抛光方式，也可以将工件与抛光盘浸入抛光液中形成浸入式的抛光系统，但无论哪种方式，加工中起主要作用的是抛光盘与被加工材料之间的细小游离磨粒对工件表面的挤压与切削。该技术适用于大面积平面高精度抛光，不适用于细小零件。
机械化学抛光，是在机械抛光使用的抛光液中加入了可以与加工工件参与化学反应的物质，如表面活性剂、稳定剂、氧化剂等，超细微粒提供研磨作用，化学氧化剂提供腐蚀溶解作用，超细微粒进行辅助去除材料，抛光液和抛光垫是化学机械抛光技术中的两项关键部件。对比应力盘抛光，机械化学抛光能够加工细小零件的平面，但同样不能应用于复杂曲面。
等离子体抛光技术，是利用很高活性的等离子体与被加工表面的化学反应来实现工件材料去除的一种超光滑表面抛光技术。日本大阪大学和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室分别发展了可用于超光滑表面加工的大气等离子体化学加工技术。大阪大学半导体硅片利用此技术获得了1.4nm的表面粗糙度，其去除速率达到了每分钟数百微米。离子束加工可以实现以原子为计量单位的纳米级加工，加工的面型精度为170nm、表面粗糙度为0.6nm。离子束加工的特点是加工表面没有机械接触，加工应力和变形极小，表面质量好，加工范围宽，理论上可以加工任何材料。但这种加工也存在很大的不足，主要集中在设备复杂，生产效率低、成本高，加工过程不易控制等方面。
激光抛光，是利用高能激光束对工件材料表面进行加工的抛光技术，热抛光是利用激光的热作用，通过熔化、蒸发等方式实现材料去除；而冷抛光是利用激光的光化学作用去除工件材料，激光光子被工件表面原子吸收后，表层材料原子间的化学键被打断或表层材料晶格结构被破坏，从而实现工件表面材料去除。激光热抛光由于热效应导致材料温度梯度和热应力大容易导致脆性被加工材料开裂，激光冷抛光去除效率低，且无论激光热抛光还是激光冷抛光均需要结合数控技术，加工成本高。
磁流变抛光，结合了磁场效应，主要利用磁流变液在磁场的作用下会聚集、变硬，形成具有粘塑性的宾汉流体这一特性，对工件进行加工，加工时，磁流变液被喷洒在工件与磁极之间，在磁场的作用下，磁流变液转变为宾汉流体。运动盘带动工件与宾汉流体产生相对运动，进而使工件表面受到较大的剪切力，从而将材料从工件表面去除，具有柔性高、损伤小、可控性性强等特点，但存在边缘效应。即抛光头移动到工件边缘区域时的接触区域发生改变，导致去除函数形态发生畸变，使得边缘去除函数形态与正常去除函数存在差异，在工艺中使用正常去除函数进行处理时，边缘面形误差会发生畸变。
射流抛光是在20世纪90年代发展起来的一种新技术，它是利用小喷管喷出的混有磨料粒子的高速抛光液作用于工件表面，借助于磨料粒子在高速碰撞时的剪切作用达到去除材料的目的，称之为微磨料浆体射流抛光或液体喷射抛光技术，由于微磨料浆体射流抛光的“磨头”是液体状的，可自冷，还能自动清除加工碎屑，因此具有抛光面质量不受研磨盘或抛光盘变形的影响，不会产生磨料硬、热损伤及不改变材料的力学和物理性能等优点。
微磨料液体射流抛光技术具备很多优点，如适用复杂曲面加工，无亚表面损伤，设备及耗材成本低等优点，它的加工工具是连续流动的液体，不存在磨损情况，易于使去除函数保持恒定，面形精度容易控制；并且由于在加工过程中抛光液不断循环流动，保证相互作用区域温度不产生较大变化，同时还能自动清除加工下来的碎屑；抛光头是一很小的液体柱，能适合各种形状工件的抛光。但喷嘴直径通常在2mm以下，导致处理区域过小，整体效率低下，不能处理大型零件。
另外，由于微磨料液体射流抛光技术使用的磨粒尺寸在微米甚至纳米级别，质量极小，根据抛光理论，去除能力与粒子动能(质量、速度)相关，硬质磨粒需与被加工表面产生有效的压入切削作用，才能起到去除材料抛光的效果，过低的质量需要大幅提高射流速度以获得必要的粒子能量，磨粒越小，速度要求越高，在泵的功率限定的条件下，同时获得高射流流量与高射流速度变的很难，根据伯努利方程，通常以缩减喷嘴截面积来换取流速的大幅增加，以达到抛光所需要的条件，如果换用颗粒较大的硬质磨粒，可以降低喷射速度，增大流量，颗粒较大的硬质磨粒对速度更为敏感，在喷射速度出现很小的波动时，就容易在被加工件表面产生麻点状轰击坑，过程极难控制，过低的流体速度冲击力度不稳定，不能获得超光滑表面。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种加工效率高且不会在被加工件表面产生麻点状轰击坑的核壳磨料射流抛光方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种核壳磨料射流抛光方法，利用泵将含有核壳磨料和液体的浆料以 5m/s-300m/s的速度喷射到被加工工件表面，并回收浆料循环泵取，所述核壳磨料由粒径为0.1mm-5.0mm的核体和包裹在所述核体外的壳体构成，所述核体的粒径为所述壳体的厚度的100倍以上。
优选地，浆料的喷射方向和被加工工件的被抛面成角10°-90°。
优选地，用于喷射浆料的喷嘴的口径为0.5mm-100mm。
优选地，所述浆料中核壳磨料和液体的体积比为0.05-0.6，所述液体包括水、油、水性溶液或油性溶液。
优选地，所述核体所用材料的莫氏硬度在3以下，所述壳体所用材料的莫氏硬度在7以上。
优选地，所述核体所用材料选自动物材料、植物材料、合成材料中的一种或多种。
更优选地，所述动物材料选自动物皮、动物筋、动物骨骼、骨胶中的一种或多种；所述植物材料选自植物纤维、种子、果核、果壳、果肉干、植物胶中的一种或多种；所述合成材料选自树脂、塑料、橡胶、海绵中的一种或多种。
优选地，所述壳体选自碳化硅、氧化铝、氧化铈、石榴石、金刚石、碳化硼、氮化硼中的一种或多种；所述壳体和核体通过粘附、粘结、涂覆、热熔、高低速喷涂或化学气相沉积的方式结合。
优选地，所述壳体含有二氧化硅/二氧化铈复合微粒。
优选地，所述浆料通过压缩气体加速射出。
本发明的有益效果是：本发明自然具有微磨料液体射流抛光的优点，在此基础上，本发明能够比微磨料液体射流抛光给予磨料更大的动能，能够使用大口径喷嘴，提高加工效率，能采用更低功率的泵，还能避免产生麻点状轰击坑，且毫米尺度的核壳磨料不会发生团聚，很容易均匀分散在液体中，抛光更加均匀。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的切削状态微观示意图；
图2是本发明的实施设备示意图之一；
图3是本发明的实施设备示意图之二。
图中：1、核体；2、壳体；3、浆料槽；31、搅拌桨；32、旋转台；4、泵； 41、正压罐；42、阀门；43、喷嘴；5、气管；6、被加工工件。
具体实施方式
本发明使用核壳结构的磨料替代微磨料液体射流抛光技术中使用的各种微米纳米级粒度的微磨粒，现有技术微磨料液体射流抛光技术中以碳化硅、氧化铝、氧化铈、石榴石、金刚石、碳化硼、氮化硼微粉作为磨料。
本发明用到的核壳磨料由两部份组成，由内部核体与外表面的壳体共同构成，核体材料可以是动物皮、筋、骨骼、骨胶；植物纤维、种子、果核、果壳、果肉干、植物胶；天然橡胶、虫胶等有机物；树脂塑料，合成橡胶，海绵等人工合成高分子材料的粉碎颗粒构成，核体颗粒大小根据使用需求在0.1mm-5.0mm范围。
构成壳体的材料由硬度很高的碳化硅、氧化铝、氧化铈、石榴石、金刚石、碳化硼、氮化硼等微粉中的一种或多种混合而成，微粉粒径0.1μm-10μm。壳体的厚度为0.1微米～50微米。壳与核外表面需有一定的结合强度，由硬质颗粒为主要构成物质的壳层应具有一定的内聚强度，在抛光过程中颗粒不会脱落。
核体与壳体的结合方式包括粘附、粘结、涂覆、热熔、高低速喷涂、化学气相沉积等。壳的厚度远远小于核的外形尺寸，磨料由核-壳组合共同构成。
在核-壳结构的磨料中，表面露出的微小的硬质磨粒(即壳体)具有对被加工表面的切削挤压能力，毫米尺度的核体作为多个附着在上面的微米或纳米级尺度硬质磨粒的载体，使核壳磨料整体质量M远远大于附着其表面参与切削的微细磨粒的总质量(即壳体质量)m。核体为天然橡胶颗粒，壳体为1um的金刚石微粒，组合形成的核壳磨料以粒度1mm计算，M/m比值约为300，等效于参与轰击切削的硬质磨粒的密度提升300多倍，在速度v相同的条件下，硬质磨粒可以获得的动能远远大于微磨料液体射流抛光技术中相同数量磨粒的总动能，或者核壳磨料提供微磨料液体射流5％-10％的速度，就可以达到同样的切削能力，较低的速度需求可以换取功率在流量上的转换，并且可以使用大口径喷嘴，能够获得粗糙度低至 Ra0.1nm-10nm的超光滑表面。
核体所用材料的莫氏硬度在3以下，所述壳体所用材料的莫氏硬度在7以上，核壳磨料的核体由软质材料构成，如海绵，软化米粒，动物软骨、筋、皮，树脂塑料、天然橡胶，人工合成橡胶或弹性体等软性材料，即使是用较大的能量冲击被处理材料表面，软质核体强大的吸能能力，将多余动能吸收，阻止材料表面的轰击损伤，并使磨料更容易贴合在材料表面，避免了麻点的存在，使得在不改变抛光效果的同时，可以大幅提升抛光效率。
参照图1，核壳磨料由核体1和包裹在所述核体1外的壳体2构成，图中为了展示清晰，壳体2画得更厚，实际上核体1的粒径远大于壳体2的厚度。由于核壳磨料对附着其上的磨粒强大的携带把持能力与其自身相对较大的颗粒尺寸与能量承载，相比于普通磨料射流喷射抛光技术中各自独立的磨粒在材料表面上滑动的过程，磨粒即使受到凹凸不平的材料表面的摩擦阻碍或阻挡，也很容易跟随核壳磨料的核体1脱离阻碍区，并在脱离的过程中，更容易对凸点或尖点产生切向挤压或切削，迫使凸点脆性断裂或塑性变形，相比传统独立磨料的自由随机轰击，使用核壳磨料的喷射过程，加速了形成超光滑表面的过程。
另外，很重要的一点是，毫米尺度的核壳磨料不会发生团聚，很容易均匀分散在液体中。由于不存在对超高喷射速度过度依赖，单个喷嘴尺寸可以到20mm甚至更大，并可以同时多个喷嘴参与工作，由此获得非常大的喷射流量。配合大功率液体泵并增加气体喷射加速功能，可以同时获得超大流量但并不低的喷射速度，可获得相当于普通微磨料液体射流抛光技术10-1000倍的去除效率，而抛光质量不变或更优。
采用本发明方法抛光所用的设备可以如图2所示，包括用于装浆料的浆料槽 3、设置在浆料槽3内的旋转台32或夹持机械手、对准旋转台32或夹持机械手的喷嘴43以及从浆料槽3泵取浆料到喷嘴43的泵4。工件6放置在旋转台32上或被夹持机械手固定。所用的泵可以是高低压液体泵、砂水泵、磨液泵、膜片泵、抽水泵、污水泵中的任一种，根据上述核体、壳体所用材料，所得核壳磨料的密度均大于水，因此泵4连通于浆料槽3的底部，并于连通处旁设置搅拌桨31，保证浆料中核壳磨料和液体的体积比维持在0.05-0.6。
所述浆料中核壳磨料和液体的体积比为0.05-0.6，所述液体包括水、油、水性溶液或油性溶液，除此以外，浆料中还可添加具有润滑功能、防锈除锈功能、抗氧化功能、除菌防霉功能、化学腐蚀功能、表面活化功能或分散功能的添加剂，亦可加入表面活性剂，或配制成中性，酸性，或碱性液体。在抛光蓝宝石或玻璃时，可以引入化学反应原理，以二氧化硅/二氧化铈复合微粒作为壳体材料的一部分或全部，同时配制混合液体呈碱性，PH 8-12之间，二氧化硅/二氧化铈复合微粒可以和蓝宝石或玻璃材料表层产生化学反应，生成硬度较低的新物质，有利于增强核壳磨粒对材料的机械去除能力。
参照图3，除了直接将浆料泵取到喷嘴43外，还可以在泵4和喷嘴43之间串联一个正压罐41缓存浆料，加装阀门42调节正压罐41内浆料的量为半满，正压罐41 上部连通有气管5利用压缩气体加速射出浆料。以泵的功率调节喷射速度为主，加以压缩空气辅助调节，其中压缩空气的压力调节范围为0.1MPa-1.0MPa。喷射速度和流量与泵的种类、功率大小、喷嘴大小有关，加工效率与喷嘴和被抛面夹角、浆料粘性、核壳磨料占比等因素有关。对于不同的被加工工件材料，为了达到抛光条件，喷射速度在5米/秒-300米/秒的范围内，喷嘴与被抛面所夹锐角在 10度-80度之间，可对金刚石，陶瓷等超硬材料材料，对塑料、铜、铝等软质材料进行很好的抛光。抛光浆料应通过机械搅拌器或气体鼓动的方式混合均匀，喷嘴可以用压缩空气加速，以获得更高的速度，压缩空气的加入，减少了对泵本身功率及加速加压能力的依赖，可以同时满足高速及大流量的双重需求。液体泵的数量与喷嘴的数量根据实际需要，可以配置为一个或多个，一组或多组，经过喷嘴喷射，喷射过程中造成的碎料颗粒粉末可以通过增加离心装置分离收集。
本发明可应用于各类不锈钢、钛合金、陶瓷(蓝宝石、红宝石或氧化锆等)、模具钢、玻璃、各类塑料、硬质涂层(氮化铝钛涂层、氮化钛涂层、氮化钛铝硅涂层、氮化铬铝硅涂层、氮化铬铝涂层、氧化铝涂层、氧化硅涂层、氮化铝涂层或类金刚石镀膜)、聚晶(多晶)金刚石、软质金属(铜、铝及其合金)等材料制成的外观或功能性零件，或应用在工模具、刀具、手表、手机，汽车，航空航天等领域上的产品或零件，对表面要求为光滑镜面，表面粗糙度要求Ra 0.1nm -Ra 50nm或高亮镜面质感的所有产品的抛光方法。
抛光研磨过程借助高压液体泵或砂水泵或磨液泵或膜片泵，将液体(水溶液，各类润滑油)与核壳磨料的混合物高速压入喷枪或负压增速喷枪或喷嘴，从喷枪的喷嘴以5-200m/s的速度高速喷出，形成射流体冲击工件表面，射流体中混合的软弹性磨料冲击工件表面并产生滚动或滑动摩擦完成微切削与挤压过程，获得在不同材料表面极限粗糙度在Ra0.1nm–Ra50nm的高光镜面等级。
对比本发明的方法和现有技术方法，完成抛光后，抛光成品按《GB-T 10610-2009产品几何技术规范(GPS)表面结构轮廓法评定表面结构的规则和方法》测定粗糙度Ra。
实施例1
使用平均粒度0.6mm橡胶核体，0.25μm的金刚石壳体的核壳磨料，液体为水+2％防锈剂，核壳磨料体积占比30％，以50米/秒的喷射速度，枪基距70mm，喷嘴与工件平面夹角45度，抛光硬度为HRC52，100mm*100mm的SKD61材料，抛光处理5 分钟，Ra值从0.05μm，降至Ra0.002μm；同样条件抛光SUS304不锈钢，粗糙度可以达到Ra0.04μm。
实施例2
使用2.0mm尼龙纤维颗粒为核体，以0.5μm的SiC粉作为壳体，浆料所用液体为水基润滑液，核壳磨料占33％(体积比)，喷射速度20米/秒，枪基距100mm，喷嘴与工件平面夹角80度，抛光7045铝合金材料。加工120秒，粗糙度Ra由30μm 降至0.8μm。
实施例3
以1.0mm苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物作为核体，70％壳体由3.0μm的金刚石及7.0μm的碳化硅按8:2比例混合构成，30％壳体由0.5μm二氧化硅/二氧化铈复合微粒构成，通过热熔的方式形成核壳磨料，浆料所用液体为氢氧化钠水溶液，PH值为9.5，核壳磨料占40％(体积比)，喷射速度80米/秒，枪基距70mm，喷嘴与工件平面夹角90度，抛光曲面蓝宝石材质表壳，处理时间2000秒，成品极限粗糙度可达Ra1.5nm。
实施例4
以1.0mm牛板筋作为核体，壳体由1.0μm多晶金刚石，通过粘附的方式形成核壳磨料，浆料所用液体为润滑油，核壳磨料占35％(体积比)，喷射速度50米/ 秒，枪基距70mm，喷嘴与工件平面夹角45度，抛光硬质合金样块，极限粗糙度可达到Ra0.001μm的光亮表面。
实施例5
以1mm硅胶作为核体，20％壳体由1.0μm的氧化铈，80％壳体由2.0μm的碳化硅，通过粘结的方式形成核壳磨料，浆料所用液体为水，核壳磨料占40％(体积比)，喷射速度100米/秒，枪基距100mm，喷嘴与工件平面夹角30度，抛光纳米微晶曲面玻璃，可以获得由Ra30nm降至Ra0.05nm的超光滑表面。
对比例1
Tsai[1]等采用微磨料射流抛光的方法，以1.6μm的SiC微粉作为磨料和水以1： 2混合，冲击角度为30度，射流压力0.4MPa，喷射距离10mm，抛光硬度为HRC52，尺寸50mm*50mm的SKD61材料，30分钟，表面粗糙度由Ra1.03μm减小到Ra0.13μm。
对比例2
杨平[2]等搭建了一套纳米磨料水射流加工实验平台，在对尺寸为100mm× 100mm×10mm的熔石英表面进行加工后，表面粗糙度由Ra0.924nm变为Ra0.362 nm，且表面麻点缺陷有明显改善[2]。
对比例3
V.K.Jain[3]利用磁流变抛光技术对不锈钢和黄铜工件上加工得到的粗糙度值分别为Ra0.11μm和Ra0.05μm。
对比例4
王金普[4]使用0.2％质量分数的氟化铵，50纳米质量分数1％的氧化铝进行化学机械抛光，抛光时间40分钟，抛光盘转速100r/min，抛光压力16.39MPa，获得了 Ra22.3nm的粗糙度。
对比例5
Guo W.J[5]等使用磁流变抛光设备对蓝宝石基片进行抛光，获得了5.6um/h 的去除效率，粗糙度从Ra11nm下降到Ra0.84nm。
对比其他实施例，实施例1获得和对比例3的微磨料射流抛光方法，抛光不锈钢，采用混合液体核壳磨料射流方式可以获得与微磨料射流接近或更光滑的表面质量。通过实施例3与对比例4，采用化学辅助混合液体核壳磨料射流方式获得了更优的蓝宝石的表面质量，证明混合液体核壳磨料射流方式是获得3D自由曲面蓝宝石光滑表面的效果佳且效率高的新方法。通过实施例1与对比例1，对SKD61的抛光上，采用混合液体核壳磨料射流方式可以获得与微磨料射流更光滑的表面质量，效率提升125倍。实施例5与对比例2中，在抛光与熔石英相近的微晶玻璃，混合液体核壳磨料射流方式同样适用。
使用核壳磨料可以同样应用在浸入式超声抛光的方式。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
参考文献：
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Claims (10)

1.一种核壳磨料射流抛光方法，其特征在于利用泵将含有核壳磨料和液体的浆料以5m/s-300m/s的速度喷射到被加工工件表面，并回收浆料循环泵取，所述核壳磨料由粒径为0.1mm-5.0mm的核体和包裹在所述核体外的壳体构成，所述核体的粒径为所述壳体的厚度的100倍以上。
2.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于浆料的喷射方向和被加工工件的被抛面成角10°-90°。
3.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于用于喷射浆料的喷嘴的口径为0.5mm-100mm。
4.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述浆料中核壳磨料和液体的体积比为0.05-0.6，所述液体包括水、油、水性溶液或油性溶液。
5.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述核体所用材料的莫氏硬度在3以下，所述壳体所用材料的莫氏硬度在7以上。
6.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述核体所用材料选自动物材料、植物材料、合成材料中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述动物材料选自动物皮、动物筋、动物骨骼、骨胶中的一种或多种；所述植物材料选自植物纤维、种子、果核、果壳、果肉干、植物胶中的一种或多种；所述合成材料选自树脂、塑料、橡胶、海绵中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述壳体选自碳化硅、氧化铝、氧化铈、石榴石、金刚石、碳化硼、氮化硼中的一种或多种；所述壳体和核体通过粘附、粘结、涂覆、热熔、高低速喷涂或化学气相沉积的方式结合。
9.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述壳体含有二氧化硅/二氧化铈复合微粒。
10.根据权利要求1所述的核壳磨料射流抛光方法，其特征在于所述浆料通过压缩气体加速射出。
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