CN112497044A

CN112497044A - 一种基于热增稠效应的超精密抛光方法

Info

Publication number: CN112497044A
Application number: CN202011247135.XA
Authority: CN
Inventors: 吕冰海; 王佳焕; 傅琳; 段世祥; 周亚峰; 袁巨龙
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-03-16

Abstract

一种基于热增稠效应的超精密抛光方法，在具有热增稠效应的流体中添加磨粒，配制成热增稠抛光液；抛光过程中，工件与所述热增稠抛光液发生相对运动，摩擦产生热量。所述热增稠抛光液中的具有热增稠效应的流体受热，不同分子的具有下临界溶解温度的侧链会互相结合形成多分子聚合物，产生热增稠现象，所述热增稠抛光液粘度增加。磨粒被包裹在多分子聚合物中，具有热增稠效应的流体对磨粒的把持能力增加，形成柔性“固着磨具”，通过相对运动使磨粒对工件表面产生机械去除作用，实现抛光加工。本发明的热流变效应的抛光液能在不同曲率的复杂曲面上形成柔性“固着磨具”，实现复杂曲面超精密加工，具有极大的经济社会效应。

Description

一种基于热增稠效应的超精密抛光方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，涉及一种基于热增稠效应的超精密抛光方法。利用具有热增稠效应的流体受热产生热增稠效应，抛光液粘度增加，对磨粒的把持能力增加，形成柔性“固着磨具”对工件表面产生机械去除作用，实现复杂曲面绿色、高质、高效加工。

背景技术

随着科技的发展，复杂曲面零件已广泛应用于航空航天、国防装备、生物医疗、光学仪器、海洋船舶等领域。飞机和火箭发动机的叶片为提高能量利用效率，通常具有变曲率的叶片组成。另外，叶片表面质量越好，工作阻力越小。人造合金金属关节可以作为植入物，很好地代替人骨关节帮助。合金金属关节表面粗糙越高，与人体骨骼摩擦越严重，直接损坏身体。在光学系统中，采用少数复杂曲面元件代替传统多个回转对称元件，可以大大简化光路结构，提高系统稳定性以及降低制造成本。

目前，行业对复杂曲面零件的需求量越来越大，同时对复杂曲面的表面质量也提出了很高的要求。抛光作为加工的最后一道工序，对复杂曲面零件表面质量及产品使用性能起决定性作用。在工业生产上许多复杂曲面零件的抛光仍然由手工操作完成，不仅效率低下而且加工质量不稳定。目前面向复杂曲面研发的主要抛光技术有磁流变抛光、射流抛光、气囊抛光、剪切增稠抛光。

磁流变抛光利用磁流变抛光液在磁场中的流变特性，人工控制磁场对流变特性进行调控，形成柔性的加工区域对工件表面实现加工。但是磁流变抛光加工设备复杂以及磁流变抛光液使用成本高。射流抛光利用高压泵将抛光液及磨粒冲击工件表面，对工件表面实现微切削。但是射流抛光需要高功率的抛光液推进系统，但是加工效率却很低。气囊抛光利用多轴机械臂控制的气囊对工件表面柔性接触实现机械去除，气囊压力调节实现确定性去除。但是气囊抛光成本较高，适用于大尺寸、渐变曲率的曲面抛光，同时气囊抛光的设备成本很高。剪切增稠抛光利用工件与抛光液二者之间相对运动，接触区域抛光液发生剪切增稠效应、粘度增大，形成剪切层，对工件表面的产生微切削作用。

现有的发明专利：“一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法”，公开号CN102717325A，公开了一种基于剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法。剪切增稠抛光受制于相对运动速度，一般抛光液发生剪切增稠效应的速度区域较窄，如速度低于或高于特定值会发生剪切变稀效应，无法实现抛光参数的有效控制。另外剪切增稠抛光液中通常使用有多羟基聚合物，在抛光过程中随着相对运动摩擦，抛光液温度升高，多羟基聚合物会发生变质，失去剪切增稠效应，无法完成抛光。

因此亟需开发一种适用于复杂零件超精密加工的高效率、高质量、低成本的抛光方法。

发明内容

为了克服剪切增稠抛光中剪切速度要求较高高、加工过程中升温导致抛光液失效的问题，本发明采用具有热增稠效应的流体，利用抛光过程中的摩擦产热来产生流体的增稠效应，提高对磨粒把持能力，在抛光接触区域形成柔性“固着磨具”，对复杂曲面工件实现抛光。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于热增稠效应的超精密抛光方法，在具有热增稠效应的流体中添加磨粒，配置热增稠抛光液；其中，具有热增稠效应的流体占热增稠抛光液质量分数的50％-98％，磨粒占热增稠抛光液质量分数的2％-50％，磨粒的粒径范围为0.01-100μm；

抛光过程中，工件与所述热增稠抛光液发生相对运动，摩擦产生热量；所述热增稠抛光液中的具有热增稠效应的流体受热将产生热增稠效应，抛光液粘度增加，对分散在抛光液中的磨粒把持能力增加，形成柔性“固着磨具”，磨粒对工件表面产生机械去除作用。

进一步，所述具有热增稠效应的流体的单个分子具有主链和多个具有下临界溶解温度的侧链组成，当抛光区域温度超过临界值时，所述热增稠流体分子中具有下临界溶解温度的侧链会互相结合形成多分子聚合物，分散在抛光液中的磨粒被包裹在形成的聚合物中，多分子聚合物对磨粒有良好的把持作用，磨粒具有抛光作用，对工件表面材料产生机械去除作用，从而实现工件表面的抛光。

再进一步，所述的具有热增稠效应的流体的包括但不限于PAA-G-PPO或PAA-co-PANa-g-PPO。所述具有热增稠效应流体的分子结构可以根据不同工件抛光要求，构造不同主链及具有下临界溶解温度的侧链，从而实现抛光所需的理想临界增稠温度、理想增稠粘度。

更进一步，所述的磨粒为单晶金刚石、聚晶金刚石、氧化铁、三氧化二铝、氧化硅、二氧化锆、氧化钼、二氧化钛、二氧化铈、氧化铬、煅制二氧化硅、氧化铜和胶体二氧化硅等中的一种或者两种及以上的组合。

优选的，所述的热增稠抛光液还包括分散剂和活性剂，所述分散剂可以将磨粒均匀分布在具有热增稠效应的流体中，分散剂为聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、柠檬酸、六偏磷酸钠、二乙烯三胺、吡啶、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷、异丙醇胺中的一种或者两种及以上组合；所述活性剂可以提高磨粒粒子间的排斥力，减少磨粒团聚，在机械去除时起到一定的润滑作用，使抛光工件表面受力更加均匀，提高工件抛光质量，所述活性剂为多胺基聚合物、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基苯酚醚、椰油酰胺丙基甜菜碱、烷基多苷中的一种或者两种及以上组合。

更优选的，所述的热增稠抛光液还包括pH缓冲剂和pH调节剂，包括但不限于硫酸，硝酸，盐酸，磷酸，柠檬酸，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸氢纳，碳酸钾，磷酸氢钾，磷酸二氢钾一种或者两种及以上组合；pH调节剂根据不同工件特性将热增稠抛光液调节到最佳pH值，pH缓冲剂可以提高热增稠抛光液的pH稳定性。

更进一步的，所述的工件与热增稠抛光液相对运动为直线运动或曲线运动中的一种或两种组合。

本发明的有益效果主要表现在：

1)热流变抛光液的热流变特性既保证其形成的柔性固着磨具能够适应不同曲率的复杂曲面，也保证其具有足够的机械力对表面微凸峰进行微切削，实现复杂曲面超精密高效抛光。

2)抛光速度和抛光过程中的产热不会对抛光液产生不利影响。

3)利用抛光过程中摩擦产热实现增稠抛光，加工设备简单，抛光成本低。

附图说明

图1为本发明的抛光过程机理示意图；

图2为本发明的热流变机理示意图；

图3为本发明实施例使用状态的一个视角结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于热增稠效应的超精密抛光方法，所述工件2固定安装在抛光工具8上，所述热增稠抛光液1包括具有热增稠效应的流体3和磨粒4，所述抛光槽6固定安装在抛光机7上，其中热增稠抛光液1放置于抛光槽6内；

所述具有热增稠效应的流体3中添加磨粒4，配置热增稠抛光液1；其中，具有热增稠效应的流体3占热增稠抛光液1质量分数的50％-98％，磨粒4占热增稠抛光液1质量分数的2％-50％，磨粒4的粒径范围为0.01-100μm；

抛光过程中，工件2与所述热增稠抛光液1发生相对运动，相对运动处工件2与所述热增稠抛光液1的摩擦产生热量，所述热增稠抛光液1中的具有热增稠效应的流体3受热将产生热增稠效应，抛光液1粘度增加，对分散在抛光液中的磨粒4把持能力增加，形成柔性“固着磨具”，对工件表面产生机械去除作用。

所述具有热增稠效应的流体3的单个分子具有主链3.1和多个具有下临界溶解温度的侧链3.2组成。当抛光区域超过临界值时，所述热增稠流体分子中具有下临界溶解温度的侧链3.2会互相结合5形成多分子聚合物。分散在抛光液中的磨粒4被包裹在形成的聚合物中，多分子聚合物对磨粒有良好的把持作用，磨粒4具有抛光作用，对工件2表面材料产生机械去除作用，从而实现工件2表面的抛光。

所述的具有热增稠效应流体3的分子结构根据不同工件2抛光要求，构造不同主链3.1及具有下临界溶解温度的侧链3.2，达到抛光所需的理想临界增稠温度、理想增稠粘度。

所述的磨粒4根据不同工件的抛光材料及硬度，选择单晶金刚石、聚晶金刚石、氧化铁、三氧化二铝、氧化硅、二氧化锆、氧化钼、二氧化钛、二氧化铈、氧化铬、煅制二氧化硅、氧化铜和胶体二氧化硅等中的一种或者两种及以上的组合。

进一步的，在所述的热增稠抛光液1添加分散剂和活性剂，所述分散剂可以将磨粒4均匀分布在具有热增稠效应的流体中，分散剂为聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、柠檬酸、六偏磷酸钠、二乙烯三胺、吡啶、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷、异丙醇胺等中的一种或者两种及以上组合；所述活性剂提高磨粒粒子间的排斥力，减少磨粒团聚，在机械去除时起到一定的润滑作用，使抛光工件2表面受力更加均匀，提高工件2抛光质量，活性剂为多胺基聚合物、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基苯酚醚、椰油酰胺丙基甜菜碱、烷基多苷等中的一种或者两种及以上组合。

更进一步的，所述的热增稠抛光液1还包括pH缓冲剂和pH调节剂，包括但不限于硫酸，硝酸，盐酸，磷酸，柠檬酸，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸氢纳，碳酸钾，磷酸氢钾，磷酸二氢钾一种或者两种及以上组合，pH调节剂根据工件2特性将热增稠抛光液调节到最佳pH值，pH缓冲剂提高热增稠抛光液的pH稳定性。

进一步的，工件2与热增稠抛光液1相对运动选择直线运动或曲线运动中的一种或两种组合。

参照图3，以PAA-co-PANa-g-PPO作为具有热增稠效应的流体1，以氧化铝作为磨粒，制备热增稠抛光液1并放置于抛光槽6中。抛光槽6安装在抛光机7上且随抛光机7转动，并带动热增稠抛光液1转动。抛光工件2为TC4钛合金半圆环，TC4钛合金半圆环固定安装在抛光夹具8上，抛光夹具8带动TC4钛合金半圆环作自转运动。在抛光20分钟后，工件表面粗糙度由R_a 243nm下降到R_a 7.3nm。由此可见，热增稠抛光方法可满足复杂曲面的高效高质量抛光要求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，在具有热增稠效应的流体中添加磨粒，配置热增稠抛光液；其中，具有热增稠效应的流体占热增稠抛光液质量分数的50％-98％，磨粒占热增稠抛光液质量分数的2％-50％，磨粒的粒径范围为0.01-100μm；

抛光过程中，工件与所述热增稠抛光液发生相对运动，摩擦产生热量，所述热增稠抛光液中的具有热增稠效应的流体受热将产生热增稠效应，抛光液粘度增加，对分散在抛光液中的磨粒把持能力增加，形成柔性“固着磨具”，磨粒对工件表面产生机械去除作用。

2.如权利要求1所述的基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，所述具有热增稠效应的流体的单个分子具有主链和多个具有下临界溶解温度的侧链组成；当抛光区域温度超过临界值时，所述热增稠流体分子中具有下临界溶解温度的侧链会互相结合形成多分子聚合物；分散在抛光液中的磨粒被包裹在形成的聚合物中，多分子聚合物对磨粒有良好的把持作用，磨粒具有抛光作用，对工件表面材料产生机械去除作用，从而实现工件表面的抛光。

3.如权利要求1或2所述的基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，所述的具有热增稠效应的流体为PAA-G-PPO或PAA-co-PANa-g-PPO。

4.如权利要求1或2所述的基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，所述的磨粒为单晶金刚石、聚晶金刚石、氧化铁、三氧化二铝、氧化硅、二氧化锆、氧化钼、二氧化钛、二氧化铈、氧化铬、煅制二氧化硅、氧化铜和胶体二氧化硅等中的一种或者两种及以上的组合。

5.如权利要求1或2所述的基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，所述的热增稠抛光液还包括分散剂和活性剂，所述分散剂可以将磨粒均匀分布在具有热增稠效应的流体中，分散剂为聚丙烯酸钠、聚乙烯醇、柠檬酸、六偏磷酸钠、二乙烯三胺、吡啶、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷、异丙醇胺中的一种或者两种及以上组合；所述活性剂可以提高磨粒粒子间的排斥力，减少磨粒团聚，在机械去除时起到润滑作用，使抛光工件表面受力更加均匀，提高工件抛光质量；所述活性剂为多胺基聚合物、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基苯酚醚、椰油酰胺丙基甜菜碱、烷基多苷中的一种或者两种及以上组合。

6.如权利要求1或2所述的基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，所述的热增稠抛光液还包括pH缓冲剂和pH调节剂，所述pH缓冲剂或pH调节剂为硫酸，硝酸，盐酸，磷酸，柠檬酸，氢氧化钠，氢氧化钾，碳酸氢纳，碳酸钾，磷酸氢钾，磷酸二氢钾一种或者两种及以上组合。

7.如权利要求1或2所述的基于热增稠效应的超精密抛光方法，其特征在于，所述的工件与热增稠抛光液相对运动为直线运动或曲线运动中的一种或两种组合。