CN112427755A - 一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，涉及精密表面处理技术领域，包括电源、驱动单元、电极和工作台；所述装置利用电化学机械抛光的方法；所述电极和所述工作台均与所述驱动单元传动连接，所述电极为可内充液的管状电极，设置于所述工作台上方；所述电源的负极与所述电极电连接，所述电源的正极与待加工工件电连接；所述电极通过自身旋转运动、上下往复运动和圆周摇动运动相结合的方式，可抛光不同尺寸的圆弧面、椭圆面及复杂表面。用所述装置对低刚度零件关键表面抛光，可提高零件尺寸精度和表面质量的一致性，提升零件整体加工的可控性。

Description

一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置

技术领域

本发明涉及精密表面处理技术领域，特别是涉及一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置。

背景技术

随着航空航天等军工领域的蓬勃发展，应用于重要装备上的零件逐渐趋于微型化，由于其关键部位的尺寸不断减小，通常只有几毫米，尺寸精度为亚微米级，而且形状复杂，由微小圆弧面等形状特征组成，使得这类微小型零件通常具有低刚度的特征。由于其尺寸精度、表面质量直接影响重要装备的使用精度和寿命，因此其关键部位的表面粗糙度和尺寸精度要求较高，需要后续的精加工和抛光工序。而现有的切削加工工艺存在加工残余应力大、加工往往会引起较大变形，不能满足尺寸精度和表面质量的加工要求等问题。因此，低刚度结构零件加工工序繁琐，加工效率比较低。

目前提高低刚度零件关键部位表面质量和减小变形量的方法主要有以下几种，一种是通过正交试验等方法优化现有加工工艺如铣削，镗削的主轴转速、进给量、背吃刀量、运动轨迹等切削参数，来减小切削力和表面粗糙度，同时对其切削过程进行仿真，预测变形量，再通过合理的控制策略补偿刀具运动轨迹以减小零件变形。第二种是在不改变工件结构和材料的情况下提高工件刚度，如增加辅助支承等。第三种是改变现有的工艺方法，采用新的加工工艺如电火花磨削加工、电化学抛光、化学机械抛光等。

针对传统切削加工的方式，由于普通机床加工能力有限，这种高精度零件往往需要超精密加工，会大幅度提高成本。增加辅助支承的方法对不同低刚度零件不具有通用性，而且会增加工序。针对新型加工工艺，电火花磨削加工方法具有加工几何精度高、表面粗糙度小、效率快的特点，然而会不可避免的在零件表面产生重铸层等热缺陷，影响零件的使用性能。而电化学光整加工方法因不受工件硬度限制和可快速获得光滑的表面微观轮廓的能力，在高精度零件的跨尺度精密成形中显示出广泛的应用潜力。然而，针对低刚度零件的关键部位表面，电化学抛光通常是将零件和电极整体浸没在抛光介质中，利用电化学反应进行的金属去除和沉积达到微量无应力去除材料的目的。由于这种去除材料的方法通常为对零件整体进行电解加工，对一些重要表面的加工针对性校低等问题，使得加工效率低下。此外，由于化学溶液在零件不同表面上的流速不同，因此工件不同部位抛光表面的溶解度难以控制，导致加工过程的可控性较低。化学机械抛光是化学作用和机械作用相复合的技术，抛光精度较高，常用于晶圆全局平坦化，其过程复杂，影响因素很多；此外，抛光磨头与工件之间需要施加一定的压力，不适合低刚度零件的抛光。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，通过内充液电化学机械抛光的方法，且可以通过电极的摇动，实现对不同尺寸复杂表面的抛光，高效地提高低刚度零件关键部位的表面质量，达到使用标准。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，包括电源、驱动单元、电极和工作台；所述电极和所述工作台均与所述驱动单元传动连接，所述电极设置于所述工作台上方，所述电源的负极与所述电极电连接，所述电源的正极与待加工工件电连接。

可选的，所述电极为可内充液的中空管状电极，电极底部设置有多个小孔。

可选的，所述电极前端外表面套设有抛光布。

可选的，所述抛光布为无纺布。

可选的，所述驱动单元包括竖直滑台、转盘、电机和水平驱动台；所述电极与所述电机的输出轴相连接，所述电机设置于所述转盘上，所述转盘设置于所述竖直滑台上，所述工作台设置于所述水平驱动台上；所述电极与待加工工件之间存在旋转运动、上下往复运动和圆周摇动的相对运动方式。

可选的，所述电源为直流电源或脉冲电源。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明公开的一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，主要包括电源，驱动单元、工作台，电极和电解液。不同于传统的电化学抛光方法，该装置利用电化学机械抛光的方法，利用机械的方式去除电化学阳极溶解掉的工件材料，加工应力小，且从原理上消除了热缺陷，提升了抛光效率。

2、该装置选用的内充液式管状电极，电极底部开设有小孔，端部套设有无纺布，可以有针对性、可控地对零件关键部位复杂表面进行加工。通过检测电极与工件间的电压值实时推算电极与工件的接触力大小，有利于控制合适抛光力，减小了低刚度零件变形，大大提高了低刚度件关键部位圆弧面的表面质量和加工精度。

3、利用该装置进行零件复杂表面抛光时，电极通过自身旋转运动、上下往复运动和圆周摇动相结合的运动形式，可以实现对不同直径圆弧面、椭圆面等复杂表面的抛光，具有较大的加工柔性。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为使用内充电解液管状电极的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置的示意图；

图2为电极驱动单元根据被加工表面特点自由调整摆动角度的示意图；

图3为电极相对圆弧面运动示意图；

图3(a)为电极直线运动和旋转运动结合示意图；

图3(b)为电极直线运动、旋转运动和圆周摇动结合示意图；

图3(c)为电极直线运动、旋转运动和沿任意轨迹摇动结合示意图。

图4为利用内充电解液管状电极的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置加工挠性接头细颈圆弧面的示意图；

其中，1-电源；2-竖直滑台；3-管状电极；4-电解液；5-无纺布；6-待加工工件；7-工作台；8-转盘；9-电机；10-水平驱动台。

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。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，包括电源1、驱动单元、管状电极3、电解液4、无纺布5、待加工工件6和工作台7；所述管状电极3和所述工作台7均与所述驱动单元传动连接，所述电极3设置于所述工作台7上方，所述电源1的负极与所述管状电极3电连接，所述电源1的正极与待加工工件6电连接。

于本具体实施例中，所述管状电极3内部设置有容纳腔，容纳腔内存储有电解液4，所述容纳腔底部设置有多个小孔。所述管状电极3外部套设无纺布5。电机9驱动电极转动时产生离心力，在离心力的作用下，电解液4以均匀速率通过小孔喷出浸润无纺布5，进而使待加工工件6仅在和被润湿无纺布相接触的地方发生阳极溶解，防止过度抛光，增加加工过程的可控性。无纺布5使得电极与待加工工件6软接触，防止电极的表面过于粗糙划伤待加工工件6的圆弧面，且能避免电极因刚度过大造成待加工工件6的变形。本具体实施例中，所述电源1为直流电源1。

于进一步的实施例中，电极的直径小于或等于待加工工件6的被加工圆弧面的直径。

本实施例中，所述驱动单元包括电极驱动单元和水平驱动台10。所述电极驱动单元包括竖直滑台2、转盘8、电机9和联轴器，用于驱动管状电极3伸入到微小圆弧面中或远离低刚度零件6被加工表面。所述电极3通过联轴器与所述电机9的输出轴相连接，所述电机9设置于所述转盘8上，所述转盘8设置于所述竖直滑台2上。电机9可优选为三相交流异步电机9，用变频器调节电机9转速。当装置启动后，电机9通过联轴器将扭矩传递给管状电极3，从而带动管状电极3实现旋转运动。

本实施例提供的水平驱动台10优选为为十字轨道滑台，工作台7安装在十字轨道滑台上方，十字轨道滑台可由伺服电机或步进电机带动滚珠丝杠驱动，从而带动待加工工件6移动到工作台7所在平面指定加工位置。为防止抛光力过大导致零件变形，可以通过检测电极和零件间电压大小判断接触电阻值，以实时监测抛光力的大小。从而闭环控制十字轨道滑台的运动来维持恒定的电压值，减小零件6变形，提高电化学机械抛光过程的可控性。

由于低刚度待加工工件6种类繁多，其关键部位表面位置各异，表面法向也不固定。因此可以通过电极驱动单元和水平驱动台10的联合运动使电极根据被加工低刚度件6圆弧面轴线的位置自由摆动调整，如图2所示，直到电极3与被加工圆弧面轴线同轴后再伸入至零件6表面内进行加工。

在本实施例中，电极3通过施加单独机械旋转运动以区别于普通的电化学抛光，提高了抛光效率和抛光精度。此外，管状电极3通过旋转运动还可以解决因每个小孔各异导致电解液4喷射不均造成的材料溶解不均匀的问题。电极旋转速度是根据待加工工件6表面粗糙度最终要求确定的。管状电极3转速越快，最终表面粗糙度越小；管状电极3转速越慢，最终表面粗糙度越大。

如图3所示，由于复杂表面通常可拆分成不同种类圆弧面，在本实施例中，按照圆弧面种类的不同，电极3和圆弧面间存在多种相对运动方式。对曲率与电极3曲率接近的内圆弧面，如图3(a)所示，根据圆弧面的深度，管状电极3相对内圆弧面运动方式为上下往复运动和旋转运动的结合。对外圆弧面，如图3(b)所示，跟据外圆弧面的深度，管状电极3相对外圆弧面圆心运动方式为旋转运动上下往复运动和圆周摇动运动的结合。对曲率小的圆弧面，如图3(c)所示，可使电极3沿着圆周轨迹摇动，而不仅仅绕其自身轴线旋转。针对不同的圆弧面，采用上述操作，不需要每次加工不同直径的电极3，省去电极3的制作时间和成本，从而可以提高电化学机械抛光的效率。

本实施例提供的电源1为直流电源或脉冲电源，目的是提高电化学机械抛光精度，提高加工效率。

实施例二

本实施例对典型军用低刚度零件-挠性接头的细颈内圆弧表面进行电化学抛光，要求表面粗糙度小于Ra 0.2μm，且细颈尺寸精度小于40±0.5μm。并采用实施例一提供的装置进行电化学抛光。

根据实验数据配置电解液后，组装实施例一提供的装置。电源负极连接电极，电极下端用无纺布包裹住喷液孔，电源正极连接工件。随后接通电源，驱动单元诱导电极伸入到细颈圆弧面内并控制电极以既定速度旋转和上下移动。一段时间后得到光亮的细颈圆弧表面，且粗糙度和尺寸精度经检测符合要求。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，其特征在于，包括电源、驱动单元、电极和工作台；所述电极和所述工作台均与所述驱动单元传动连接，所述电极设置于所述工作台上方，所述电源的负极与所述电极电连接，所述电源的正极与待加工工件电连接。

2.根据权利要求1所述的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，其特征在于，所述电极为可内充液的中空管状电极，电极底部设置有多个小孔。

3.根据权利要求2所述的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，其特征在于，所述电极前端外表面套设有抛光布。

4.根据权利要求3所述的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，其特征在于，所述抛光布为无纺布。

5.根据权利要求1所述的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，其特征在于，所述驱动单元包括竖直滑台、转盘、电机和水平驱动台；所述电极通过联轴器与所述电机的输出轴相连接，所述电机设置于所述转盘上，所述转盘设置于所述竖直滑台上，所述工作台设置于所述水平驱动台上；所述电极与待加工工件之间存在旋转运动、上下往复运动和圆周摇动的相对运动方式。

6.根据权利要求1所述的低刚度零件复杂表面高精度抛光装置，其特征在于，所述电源为直流电源或脉冲电源。

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