CN112497081A - 一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光方法，利用脉冲水射流抛光装置实现，脉冲水射流抛光装置包括磨料搅拌单元和脉冲喷射单元，磨料搅拌单元包括搅拌器控制器，脉冲喷射单元包括脉冲装置、脉冲控制电机、脉冲控制器和用于喷射射流水柱喷嘴，通过控制搅拌电机、供液电机和的脉冲控制电机的状态及运动工作台的运动，以改变工件相对射流水柱的位置，通过压力控制器调节射流水柱与工件表面的接触压力，使得射流水柱与工件表面的接触压力和速度发生瞬态变化，从而改变射流水柱与工件表面的接触状态。本发明可以使得射流水柱与工件表面实现断续脉冲接触，以实现可控制断续磨料水射流，以确保抛光液接触过程实时可控。

Description

一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及一种抛光方法，尤其涉及一种预混磨料水射流抛光方法。

背景技术

随着科学技术的发展，自由曲面逐渐充斥着人们的生活，小到汽车车灯、眼镜镜片，大到军事装备，自由曲面在民用生活、航天航空、国防科技等领域都有着广泛的应用。传统的自由曲面加工方式包括有：超精密车削、铣削、磨削加工等，然而自由曲面由于高精度需求往往难以通过精确的数学方程表达，这给传统加工方式带来了严重的挑战。此外，传统加工方式不可避免的刀痕轨迹，使得高精度自由曲面必须要通过抛光处理。

磨料水射流技术从纯水射流技术发展而来，经历了水切割、岩石破碎等应用后逐渐在精密抛光领域得以应用。磨料水射流技术由于其超强加工柔性，适应于各种类型的自由曲面，加工过程中有微小磨粒不断冲击切削工件表面，几乎无热产生，近乎无损伤去除。然而传统磨料水射流技术对于表面材料去除率较小，提高材料去除率的主要方式依靠射流压力增加、磨料粒径增大。随着压力增加或粒径增大，射流管道、增压泵、控制阀的磨损也随之加剧，显著提升加工成本。

脉冲水射流的方法可以通过控制射流水柱与工件表面接触状态，实现射流水柱对工件表面冲击波作用时长，提高磨料与工件表面接触速度从而实现高效去除的目的。对于脉冲水射流主要的控制参数包括有，脉冲频率和加工与间歇时长占比。脉冲频率可以分为固定频率和可变频率，固定频率即指冲击频率不随时间变化，同理，可变频率可视为冲击频率随加工时间而变化。随着脉冲频率的增加，单位时间内的射流冲击次数增加。加工与间歇时长占比即指有加工时长而加工间歇时间的所占比例，随着间歇时长缩短，单位时间内实际加工时长增加，同样有利于加工效率提高。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光方法，采取利用脉冲喷射装置对射流水柱进行切割，实现可控制断续磨料水射流，以确保抛光液接触过程实时可控。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置，包括磨料搅拌单元、运动工作台、供液单元和抛光液回流单元，所述磨料搅拌单元包括搅拌器、搅拌电机和搅拌器控制器，所述供液单元包括供液泵、供液电机和储液器；该脉冲水射流抛光装置还包括脉冲喷射单元，所述脉冲喷射单元包括喷嘴、脉冲装置、脉冲控制电机和脉冲控制器；所述储液器与所述喷嘴之间设有进液口；所述搅拌器控制器控制所述搅拌电机的状态，利用压力控制器控制所述供液电机的状态，所述脉冲控制器控制所述脉冲控制电机的状态；所述喷嘴用于喷射射流水柱，所述射流水柱由供液单元提供的预混磨料形成，通过所述运动工作台的运动，以实现工件相对射流水柱的位置，所述脉冲控制器通过控制所述脉冲控制电机实现脉冲装置相对射流水柱的位置。

进一步讲，本发明所述的脉冲水射流抛光装置，其中，所述压力控制器通过控制所述供液电机实现所述喷嘴喷射的射流水柱的喷射压力。

所述抛光液回流单元包括水槽和水箱。

同时，本发明还提出了一种所述的基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置实现脉冲水射流抛光方法，所述脉冲控制器通过所述脉冲控制电机调节所述脉冲装置的运动速度和所述脉冲装置相对射流水柱的位置，通过所述压力控制器调节射流水柱与工件表面的接触压力，通过控制脉冲装置相对射流水柱的位置，使射流水柱与工件的接触面积发生变化，使得射流水柱与工件表面的接触压力和速度发生瞬态变化，从而改变射流水柱与工件表面的接触状态。

进一步讲，所述的脉冲水射流抛光方法是，将工件固定在运动工作台上，加工时，所述进液口提供抛光液，经过所述喷嘴喷射射流水柱实施射流；通过所述脉冲控制器控制所述脉冲装置相对射流水柱的位置：当所述脉冲装置相对所述射流水柱的位置变化过程是：逐渐靠近并部分切割→完全切割→部分切割并逐渐脱离→脱离；所述射流水柱与工件表面实际接触的变化情况是：射流水柱的部分水柱被阻挡→射流水柱完全与工件分离→射流水柱的部分水柱被阻挡→射流水柱与工件表面的接触面逐渐增大→射流水柱完全直接冲击到工件表面上，从而形成冲击波并高速释放，使得抛光液中的磨料运动速度提高，以提高工件表面材料去除率。

所述脉冲装置相对所述射流水柱的位置变化过程按照逐渐靠近并部分切割→完全切割→部分切割并逐渐脱离→脱离循环反复运动，使得射流水柱与工件表面实现断续脉冲接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

目前磨料水射流已经成为了精密抛光领域最具前景的抛光方法之一。传统磨料水射流方法主要通过调节供液压力、磨料浓度、喷嘴高度等参数来满足制造过程中的精度和效率要求。本发明提出的基于预混磨料脉冲水射流抛光方法通过控制脉冲装置改变射流水柱与工件接触方式，使得射流水柱不断以脉冲的形式冲击工件表面，以满足制造过程中精度和效率要求。该方法的主要特点在于低成本、易控制、脉冲产生的冲击波有利于进一步提高磨料水射流加工效率。

附图说明

图1是本发明基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置构成示意图；

图2-1至图2-4是本发明脉冲水射流抛光过程中，脉冲射流过程示意图；

图3是本发明中的脉冲装置实例的结构示意图。

图中：

1-搅拌器 2-搅拌电机 3-供液电机 4-供液泵

5-水槽 6-工件 7-脉冲装置 8-喷嘴

9-储液器 10-脉冲控制电机 11-运动工作台 12-搅拌器控制器

13-压力控制器 14-脉冲控制器 15-进液口 16-射流水柱

17-转盘

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明的设计思路是：目前磨料水射流已经成为了精密抛光领域最具前景的抛光方法之一。传统磨料水射流方法主要通过调节供液压力、磨料浓度、喷嘴高度等参数来满足制造过程中的精度和效率要求。本发明提出的基于预混磨料脉冲水射流抛光方法通过控制脉冲装置改变射流水柱与工件接触方式，使得射流水柱不断以脉冲的形式冲击工件表面，以满足制造过程中精度和效率要求。该方法的主要特点在于低成本、易控制、脉冲产生的冲击波有利于进一步提高磨料水射流加工效率。

本发明提出的一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置，如图1所示，该脉冲水射流抛光装置包括磨料搅拌单元、运动工作台11、供液单元、脉冲喷射单元和抛光液回流单元。

所述磨料搅拌单元包括搅拌器1、搅拌电机2和搅拌器控制器12；所述供液单元包括供液泵4、供液电机3和储液器9；所述脉冲喷射单元包括喷嘴8、脉冲装置7、脉冲控制电机10和脉冲控制器14；所述抛光液回流单元包括水槽5和水箱。

所述储液器9与所述喷嘴8之间设有进液口15，所述喷嘴8用于喷射射流水柱16，所述射流水柱16由供液单元提供的预混磨料形成。

所述搅拌器控制器12控制所述搅拌电机2的状态，利用压力控制器13控制所述供液电机3的状态，所述压力控制器13通过控制所述供液电机3实现所述喷嘴8喷射的射流水柱16的喷射压力；所述脉冲控制器14控制所述脉冲控制电机10的状态。通过所述运动工作台11的运动，以实现工件6相对射流水柱16的位置，所述脉冲控制器14通过控制所述脉冲控制电机10实现脉冲装置7相对射流水柱16的位置。

由于，在射流水柱16与工件表面接触瞬间会形成冲击波，冲击波会影响接触面的速度和压力分布，本发明的脉冲水射流抛光方法主要是通过实时控制射流水柱16和工件表面接触状态(比如，控制射流水柱16与工件6完全不接触到完全接触的时长)可以控制冲击波的释放，从而实现对接触面速度和压力的控制。

利用上述的脉冲水射流抛光装置实现脉冲水射流抛光方法是：所述脉冲控制器14通过所述脉冲控制电机10调节所述脉冲装置7的运动速度和所述脉冲装置7相对射流水柱16的位置，通过所述压力控制器13调节射流水柱16与工件6的表面的接触压力。通过控制脉冲装置相对射流水柱的位置，使射流水柱与工件接触形式(即接触面积)不断发生变化，进而使得射流水柱16与工件表面的接触压力和速度发生瞬态变化，从而改变射流水柱16与工件表面的接触状态。

脉冲水射流抛光的具体过程是：首先，将工件6固定在运动工作台11上，加工时，所述进液口15提供抛光液，经过所述喷嘴8喷射射流水柱16实施射流。

然后，通过所述脉冲控制器14控制所述脉冲装置7相对射流水柱16的位置，当脉冲装置7远离射流水柱16时，射流水柱16完全直接冲击到工件6的表面上。当所述脉冲装置7相对所述射流水柱16的位置变化过程，如图2-1、图2-2、图2-3和图2-4所示，逐渐靠近并部分切割(图2-1和图2-2)→完全切割(图2-3)→部分切割并逐渐脱离(图2-4)→脱离；上述位置变化过程中，射流水柱16与工件表面实际接触方式发生变化，随着脉冲装置7进一步运动，射流水柱完全与工件6分离。所述射流水柱16与工件6的表面实际接触的变化情况是：射流水柱16的部分水柱被阻挡→射流水柱16完全与工件6分离→射流水柱16的部分水柱被阻挡→射流水柱16逐渐与工件6的表面接触即射流水柱16与工件6的表面的接触面逐渐增大，从而形成冲击波并高速释放，使得抛光液中的磨料运动速度提高，以提高工件表面材料去除率。

本发明中，所述脉冲装置相对所述射流水柱16的位置变化过程按照逐渐靠近并部分切割→完全切割→部分切割并逐渐脱离→脱离循环反复运动，使得射流水柱16与工件6的表面实现断续脉冲接触。

如图3所示，以转盘17作为脉冲装置为例，该转盘16的一个同心圆上设有多个圆孔，该转盘17在旋转电机(即脉冲控制电机10)的驱动下转动。当喷嘴8与转盘17上的一个圆孔正对时，射流水柱穿过圆孔直接与工件接触，当喷嘴8与转盘17的实体正对时，射流水柱冲击被圆盘实体部分隔档，阻断了射流水柱与工件的接触。随着转盘17的转动，射流水柱与工件表面断续接触。本实施例的脉冲水射流与传统磨料水射流不同，传统磨料水射流经过一段时间，射流水柱与工件表面的接触压力和接触速度逐渐趋于稳定。而本发明可采用的脉冲水射流使得射流水柱不断被切断，射流水柱与工件表面接触压力和速度发生瞬态变化。从而使得磨料与工件切削速度加快，工件表面材料去除效率提升。

当转盘17上的圆孔是均匀布置，同时，旋转电机匀速转动时，射流水柱与工件表面周期性接触分离。与传统磨料水射流技术相比，总体上射流水柱与工件表面接触时长缩短，但由于冲击波的瞬态扩散，加之以旋转电机精准的控制导致磨料与工件表面速度显著加快。然而，磨料与工件表面相对运动速度是影响材料表面去除率的显著因素，因此，脉冲水射流技术成为了提高磨料水射流加工效率的有效方式。同时，通过调节旋转电机的转速、转盘17上圆孔的孔径和多个圆孔的分度角度(即相邻两圆孔的距离)均可以改变射流水柱与工件表面接触状态，以获得良好的工件表面材料去除效率和精度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置，包括磨料搅拌单元、运动工作台(11)、供液单元和抛光液回流单元，所述磨料搅拌单元包括搅拌器(1)、搅拌电机(2)和搅拌器控制器(12)，所述供液单元包括供液泵(4)、供液电机(3)和储液器(9)；其特征在于，

该脉冲水射流抛光装置还包括脉冲喷射单元，所述脉冲喷射单元包括喷嘴(8)、脉冲装置(7)、脉冲控制电机(10)和脉冲控制器(14)；所述储液器(9)与所述喷嘴(8)之间设有进液口(15)；

所述搅拌器控制器(12)控制所述搅拌电机(2)的状态，利用压力控制器(13)控制所述供液电机(3)的状态，所述脉冲控制器(14)控制所述脉冲控制电机(10)的状态；

所述喷嘴(8)用于喷射射流水柱(16)，所述射流水柱(16)由供液单元提供的预混磨料形成，通过所述运动工作台(11)的运动，以实现工件相对射流水柱(16)的位置，所述脉冲控制器(14)通过控制所述脉冲控制电机(10)实现脉冲装置(7)相对射流水柱(16)的位置。

2.根据权利要求1所述的脉冲水射流抛光装置，其特征在于，所述压力控制器(13)通过控制所述供液电机(3)实现所述喷嘴(8)喷射的射流水柱(16)的喷射压力。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲水射流抛光装置，其特征在于，所述抛光液回流单元包括水槽(5)和水箱。

4.一种基于预混磨料的脉冲水射流抛光方法，其特征在于，由权利要求1或2所述的基于预混磨料的脉冲水射流抛光装置实现，

所述脉冲控制器(14)通过所述脉冲控制电机(10)调节所述脉冲装置(7)的运动速度和所述脉冲装置(7)相对射流水柱(16)的位置，通过所述压力控制器(13)调节射流水柱(16)与工件表面的接触压力，通过控制脉冲装置(7)相对射流水柱(16)的位置，使射流水柱(16)与工件的接触面积发生变化，进而使得射流水柱与工件表面的接触压力和速度发生瞬态变化，从而改变射流水柱(16)与工件表面的接触状态。

5.根据权利要求4所述的脉冲水射流抛光方法，其特征在于，将工件固定在运动工作台(11)上，加工时，所述进液口(15)提供抛光液，经过所述喷嘴(8)喷射射流水柱(16)实施射流；

通过所述脉冲控制器(14)控制所述脉冲装置(7)相对射流水柱(16)的位置：当所述脉冲装置(7)相对所述射流水柱(16)的位置变化过程是：逐渐靠近并部分切割→完全切割→部分切割并逐渐脱离→脱离；所述射流水柱(16)与工件表面实际接触的变化情况是：射流水柱(16)的部分水柱被阻挡→射流水柱(16)完全与工件分离→射流水柱(16)的部分水柱被阻挡→射流水柱(16)与工件表面的接触面逐渐增大→射流水柱(16)完全直接冲击到工件表面上，从而形成冲击波并高速释放，使得抛光液中的磨料运动速度提高，以提高工件表面材料去除率。

6.根据权利要求4所述的脉冲水射流抛光方法，其特征在于，所述脉冲装置相对所述射流水柱(16)的位置变化过程按照逐渐靠近并部分切割→完全切割→部分切割并逐渐脱离→脱离循环反复运动，使得射流水柱与工件表面实现断续脉冲接触。

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