CN113681436A - 一种抛光装置及其抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种抛光装置及其抛光方法，包括径向充磁的磁铁以及无磁性的载液板，所述载液板的一面靠近所述磁铁的轴向端面，所述载液板的另一面在所述磁铁的磁场作用下吸附有磁响应抛光垫，所述磁铁和所述载液板均能够转动，所述磁响应抛光垫包括吸附在所述载液板上的磁性颗粒以及由外部供给的磨粒；本发明在径向充磁的磁铁的一端设置载液板，利用磁铁的旋转磁场吸附磁响应抛光垫，从而利用旋转磁场形成一个可恢复形状的磁响应抛光垫，同时，可以由外部向磁响应抛光垫补充磨粒，在载液板转动的基础上，能够形成不间断的可恢复形状的抛光过程，能够有效贴合复杂的曲面实现高效抛光。

Description

一种抛光装置及其抛光方法
技术领域
本发明涉及精密加工技术领域，特别是涉及一种抛光装置及其抛光方法。
背景技术
复杂曲面元件的面型，如大型航空壳体、航天探测光学曲面镜、整体式叶轮等，能够有效提升装备的工作性能，降低行业成本，是高端制造领域的关键零部件。如今复杂曲面元件的形状及结构呈现复杂化，加工精度逐渐趋于表面质量与形状并重的超精密加工。
钛合金因具有低密度、高机械强度、高耐腐蚀性、高生物相容性等特性，是航天领域重要复杂曲面元件的常用材料，主要用于航天飞机关键零部件和发动机叶轮的制造。钛合金复杂曲面元件通常使用磨削来实现预加工，但是钛合金材质导热性能较差，在磨削加工后，工件表面易出现加工冷硬化现象，并产生诸如微裂纹、褶皱、毛刺等表面缺陷，因此为了获得满意的表面质量和形状精度，必须将磨削后的钛合金复杂曲面元件进行后续抛光处理。抛光工艺的效率在很大程度上决定了钛合金复杂曲面产品的市场竞争力和经济效益。因此，实现钛合金复杂曲面高效抛光是钛合金复杂曲面制造领域内的热点问题之一。
现有钛合金复杂曲面的抛光加工，包括传统手工机械式抛光，磨粒流抛光，磨料水射流抛光，磁流变抛光，化学机械抛光，电化学抛光等等。传统的机械式抛光加工方法不能精确控制工件的抛光力，材料去除量不可控，并且在工件表面产生表面及亚表面损伤，难以获得理想的加工精度，抛光效率极低。磨粒流抛光，磨料水射流抛光，磁流变抛光技术虽具备超精密加工能力，但均采用磨粒直接作用与材料表面，通过机械作用实现材料去除，加工效率普遍较低，难以实现高效抛光。而对于钛合金材料而言，由于各种金属的化学性质不同，无疑增加了化学抛光液配方的开发难度；另外，其采用的强腐蚀性抛光液还会造成严重的环境污染，复杂的抛光液后处理工艺将会造成过高的生产成本；加工后的产品清洁度还需要严格把控，特别是在加工可植入人体钛合金骨骼等医疗产品时，一旦在工件表面残留未完全去除的已知甚至未知化学反应物，将会对人体造成致命伤害。虽然电化学抛光的材料去除效率高，加工后表面无应力层，可以快速去除毛刺、微小划痕等表面缺陷，但是对工件的形状精度改善程度有限，特别是存在严重的直角边倒圆角现象，并且工件的初始精度对最终的表面质量和形状精度影响较大。由此可见，电化学抛光仍然不是一种合适的钛合金复杂曲面高效抛光方法。
申请公布号为CN 103252686A的中国专利公开了一种钛合金人工膝关节磁流变抛光加工装置，该方案六自由度并联机床与电磁铁连接，通过调节电磁铁端面和磁流液通道表面的间隙来控制通过磁流液的磁场强度的大小，以此来控制磁流液中磨粒对钛合金表面切削力的大小，但是，该方案只能是根据磁场强度大小改变切削力大小，磨粒与被加工表面的贴合度不能有效控制，不能很好的适应于复杂曲面的抛光。
磁力研磨是一种基于磁流变柔性加工思维的磁场辅助加工技术，只需将磁性磨料置于磁场中即可形成具有良好柔性和自适应性的柔性磁力磨料刷，磨粒通过相对运动对工件表面形成划擦作用，优先去除微观凸起部分，从而实现平面、复杂曲面的高表面质量和形状精度加工。当磁力研磨复合电化学抛光后，磨粒不断刮除工件表面的钝化物来活化工件材料。磁场又可以改变电解液中带电离子的运动轨迹，实现工件微观凸起的优先电解作用，与磨粒共同加速微观凸起部分材料的去除。然而，这类复合加工方法虽然较上述抛光方法而言，在加工效率上有了较大提升，但是仍然存在不足之处，影响了加工效率，诸如：磁刷在高速旋转以及长期使用的情况下将发生不可恢复变形，与曲面贴合度发生变化；研磨相无法及时更新，长时间工作后易磨损甚至脱落。
申请公布号为CN 107971832A的中国专利公开了一种用于磁流变抛光的机械旋转式脉冲磁场发生器，该方案提供的机械旋转式脉冲磁场发生器可以均匀地形成大面积抛光区域，采用旋转磁铁盘的方式使静态磁场转变为动态脉冲磁场，可以迫使柔性抛光头中的磁链重新排布而实现磨粒的快速更新，但是，脉冲磁场存在无法持续保持磨粒的间隔时间段，无疑会降低磨粒与工件的接触时间，从而降低抛光效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种抛光装置及其抛光方法，以解决上述现有技术存在的问题，在径向充磁的磁铁的一端设置载液板，利用磁铁的旋转磁场吸附磁响应抛光垫，从而利用旋转磁场形成一个可恢复形状的磁响应抛光垫，同时，可以由外部向磁响应抛光垫补充磨粒，在载液板转动的基础上，能够形成不间断的可恢复形状的抛光过程，能够有效贴合复杂的曲面，实现高效的抛光。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种抛光装置，包括径向充磁的磁铁以及无磁性的载液板，所述载液板的一面靠近所述磁铁的轴向端面，所述载液板的另一面在所述磁铁的磁场作用下吸附有磁响应抛光垫，所述磁铁和所述载液板均能够转动，所述磁响应抛光垫包括吸附在所述载液板上的磁性颗粒以及由外部供给的磨粒。
优选地，所述磁铁的转动中心和所述载液板的转动中心重合。
优选地，所述磁铁和所述载液板的中部贯通设置有通道，所述磨粒通过所述通道供给到所述磁响应抛光垫。
优选地，所述磁性颗粒为绝缘羧基铁粉。
优选地，所述通道内设置有阴极管，工件和所述阴极管分别连接直流电源的正极和负极，所述阴极管内供给含有所述磨粒的电解液。
优选地，所述磁铁与第一电机转动连接，所述载液板与第二电机转动连接。
优选地，所述阴极管与所述磁铁之间设置有基轴，所述磁铁与所述基轴转动连接，所述基轴连接有基板，所述基板用于连接在位置驱动装置上。
优选地，所述工件放置在电解液槽内，所述电解液槽内的所述电解液通过泵体输送到所述阴极管内循环利用。
本发明还提供一种抛光方法，包括以下步骤：
采用径向充磁的磁铁作为旋转磁场发生源；
在所述磁铁的一端设置载液板，向所述载液板供给磁性颗粒，利用所述旋转磁场吸附所述磁性颗粒，在所述载液板上形成磁响应抛光垫；
向所述磁响应抛光垫供给磨粒，旋转所述载液板并利用所述抛光垫抛光工件表面。
优选地，将所述磨粒掺杂在电解液中，由所述磁铁和所述载液板的中部通入所述磁响应抛光垫，并在电解液和工件上分别连接直流电源的负极和正极，在所述磁响应抛光垫的两侧分别形成阴极和阳极。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明在径向充磁的磁铁的一端设置载液板，利用磁铁的旋转磁场吸附磁响应抛光垫，从而利用旋转磁场形成一个可恢复形状的磁响应抛光垫，同时，可以由外部向磁响应抛光垫补充磨粒，在载液板转动的基础上，能够形成不间断的可恢复形状的抛光过程，能够有效贴合复杂的曲面，实现高效的抛光；
(2)本发明磁铁和载液板的中部贯通设置有通道，磨粒通过通道供给到磁响应抛光垫，解决了如何向旋转的载液板上供给磨粒的技术问题，磨料由中部供给到载液板上，在载液板转动离心力的作用下逐渐由载液板的中部向边缘转移，能够降低对于磁性颗粒的干扰影响，在转移的过程中也能够形成对于工件的抛光，在不断补充磨粒的过程中，形成持续的抛光过程；
(3)本发明磨粒可以与电解液混合，循环供给带有磨粒的电解液，在施加直流电源后，能够形成电化学阳极氧化作用，使工件表面形成软化层，而被磨粒轻松去除，从而实现电化学抛光的工件材料表面的活化，提高了材料去除效率，旋转的磁场和磁响应抛光垫，实现了加工区域内电解液的搅拌，进一步提高了电化学阳极氧化效率；
(4)本发明协同基于磁流变效应的磨粒抛光方法和电化学抛光方法，提出一种高效的抛光方法。
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为本发明整体结构示意图；
图2为本发明磁响应抛光垫使用后示意图；
图3为本发明磁响应抛光垫自恢复过程示意图；
其中，1、磁铁；2、载液板；3、磁性颗粒；4、工件；5、阴极管；6、基轴；7、基板；8、机械手安装位；9、直流电源；10、第一电机；11、第二电机；12、电解液；13、电解液槽；14、第一泵体；15、电解液池；16、第二泵体。
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。
本发明的目的是提供一种抛光装置及其抛光方法，以解决上述现有技术存在的问题，在径向充磁的磁铁的一端设置载液板，利用磁铁的旋转磁场吸附磁响应抛光垫，从而利用旋转磁场形成一个可恢复形状的磁响应抛光垫，同时，可以由外部向磁响应抛光垫补充磨粒，在载液板转动的基础上，能够形成不间断的可恢复形状的抛光过程，能够有效贴合复杂的曲面，实现高效的抛光。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1～3所示，本发明提供一种抛光装置，包括径向充磁的磁铁1以及无磁性的载液板2，其中，磁铁1可以为环形或柱形，N极和S极在径向方向设置，在旋转的情况下可以形成周期性不断变化的旋转磁场，磁铁1可以为永磁铁，磁场强度能够保持稳定，也可以为电磁铁，根据实际工况能够改变磁场强度大小；载液板2的形状可以做成回转形状如圆形，优选与磁铁1的端面形状保持一致，为了便于安装也可以采用凹槽型，能够包裹于磁铁1的外径侧并能够与其相对转动。载液板2的一面靠近磁铁1的轴向端面，二者能够相对转动或同步转动，在相对转动时，相互之间隔开一段间距以避免相对运动时之间有摩擦；载液板2的另一面在磁铁1的磁场作用下吸附有磁响应抛光垫，磁响应抛光垫为柔性的抛光垫，包括吸附在载液板2上的磁性颗粒3以及由外部供给的磨粒，其中，磁性颗粒3可以只是具有磁性而非绝缘性的颗粒材料，能够被磁铁1的磁场吸附，形成磁刷，或者，磁性颗粒3可以选用绝缘磁性材料，该材料本身可以被磁铁1吸附，但是磁性颗粒3外表面还设置有绝缘材料，具有强磁响应性能，在磁场下能够沿着磁力线分布，形成磁刷；后者绝缘的特性，能够使得载液板2与工件4之间形成绝缘层，从而能够进一步的适用于电化学效应。磁铁1和载液板2均能够转动，参考图2所示，nm和nc分别代表磁铁1的转速和载液板2的转速，二者转向可以同向也可以反向，在同向时应该有相对速度差。磁铁1和载液板2旋转是为了形成空间上周期性变化的磁力线B，从而使得载液板2上磁响应抛光垫获得形状自恢复能力(可以参考图3所示)。其变化频率由磁铁1和载液板2相对转速决定。载液板2旋转的另一个目的是为了获得磁响应抛光垫与工件4的相对速度，从而使得磨粒获得与工件4的相对速度，使磨粒具备去除材料的能力。由于相对速度是材料去除效率的重要影响因素之一，一般的，抛光力不变的情况下，相对速度越大材料去除效率越高，也就是说，可以控制载液板2的旋转速度以能够进一步的改善抛光效率。本发明在径向充磁的磁铁1的一端设置载液板2，利用磁铁1的旋转磁场吸附磁响应抛光垫，从而利用旋转磁场形成一个可恢复形状的磁响应抛光垫，同时，可以由外部向磁响应抛光垫补充磨粒，在载液板2转动的基础上，能够形成不间断的可恢复形状的抛光过程，能够有效贴合复杂的曲面，实现高效的抛光。
磁铁1的转动中心和载液板2的转动中心可以重合设置，也就是说，磁铁1与载液板2同轴转动，能够简化结构设置，在载液板2上形成均匀稳定的磁响应抛光垫，实现对于复杂曲面的良好抛光效果。
在磁铁1和载液板2同轴转动的基础上，可以在磁铁1和载液板2的中部贯通设置有通道，磨粒通过该通道供给到磁响应抛光垫，在抛光过程中，不断的供给磨粒到磁响应抛光垫，能够补充磨粒的损失，实现不间断的抛光效果。磨粒通过通道供给到磁响应抛光垫，解决了如何向旋转的载液板2上供给磨粒的技术问题，磨料由中部供给到载液板2上，在载液板2转动离心力的作用下逐渐由载液板2的中部向边缘转移，能够降低对于磁性颗粒3的干扰影响，在转移的过程中也能够形成对于工件4的抛光，在不断补充磨粒的过程中，形成持续的抛光过程。另外，需要说明的是，磨粒既可以选择磁性磨粒也可以选择非磁性磨粒，磁性磨粒能够吸附在磁响应抛光垫上，流失较少，但是，磁性磨粒硬度低，材料去除能力较弱，并且易磨损，因此，采用由通道供给磨粒的方式，既可以补充磁性磨粒的磨损，又可以补充非磁性磨粒的流失，从而能够适用于非磁性磨粒，也解决了磁性磨粒不能及时补充，材料去除量不稳定的问题。
进一步的，磁性颗粒3可以选择为绝缘羧基铁粉，绝缘羧基铁粉为绝缘的磁性材料，能够吸附在载液板2上，同时形成载液板2和工件4之间的绝缘层，从而能够适用于电化学形成的条件。需要说明的是，由于绝缘羧基铁粉吸附在载液板2上，在磨粒不断补充更新的同时，绝缘羰基铁粉不需要更新，但是在使用一段时间后，根据加工精度要求，可以人工更换。
在磁铁1和载液板2形成的通道内可以设置有阴极管5，阴极管5可以一直延伸到载液板2设置有磁响应抛光垫的一面，工件4和阴极管5分别连接直流电源9的正极和负极，阴极管5内供给含有磨粒的电解液12，随着电解液12的不断供给，在工件4和载液板2之间形成电解环境。载液板2和磁铁1旋转后，磁响应抛光垫还会搅拌电解液12，改变加工区域内流场，使得电解液12中各带电粒子改变运动轨迹，同时带电粒子在磁场作用下受到洛伦兹力作用，从而改变运动轨迹，因此，在载液板2和磁铁1旋转的共同作用下，带电粒子形成特殊运动轨迹，比如空间螺旋轨迹，带电粒子以一定入射角从侧面与工件4表面接触，提升了与工件4微观凸起处接触的概率，降低与微观凹处接触概率，从而提高电化学作用效率，加快工件4表面平整。
当工件4为钛合金时，阳极主要发生以Ti为主的氧化反应，生成稀疏的TiO2，此氧化层较金属基体软，能够被机械作用轻松去除，阴极主要发生还原反应生成气体，采用掺杂Al2O3磨粒的NaNO3作为电解液12，以TC4钛合金为例，其具体反应为：
第一阶段：金属离子形成及其水和反应
Ti→Ti4++4e-Ti4++H2O→Ti(H2O)↓
Al→Al3++3e-Al3++H2O→Al(H2O)↓
V→V3++3e-V3++H2O→V(H2O)↓
Fe→Fe2++2e-Fe2++H2O→Fe(H2O)↓
第二阶段：氢氧化物及聚合物生成
Ti4++4OH-→Ti(OH)4↓
Al3++3OH-→Al(OH)3↓
V3++3OH-→V(OH)3↓
Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓
第三阶段：氧化物生成
Ti4++O2→TiO2
Al3++O2→Al2O3
V3++O2→V2O2
Fe2++O2→FeO2
对于阴极发生的反应如下：
H2O→H++OH-
2H++e+→H2
磁铁1可以与第一电机10转动连接，之间可以设置有同步带传输机构等实现第一电机10和磁铁1的连接；载液板2可以与第二电机11转动连接，之间同样可以设置有同步带传输机构等实现第二电机11和载液板2的连接。第一电机10和第二电机11分别控制磁铁1和载液板2的转向和转速，通过控制不同的转向和转速能够进一步改善抛光效率。
阴极管5与磁铁1之间可以设置有基轴6，基轴6作为承载和支撑磁铁1和载液板2的基础，磁铁1与基轴6通过轴承转动连接，载液板2也可以通过轴承与基轴6转动连接，基轴6连接有基板7，从而利用基板7承载基轴6，进而承载整个抛光装置，基板7用于连接在位置驱动装置上，此处所说的位置驱动装置指的是能够驱动抛光装置沿着工件4表面移动或靠近以及远离工件4的驱动结构，可以为机械手、机床主轴等，在基板7上还安装有机械手安装位8或者主轴安装的夹持位置及结构等。
工件4可以放置在电解液槽13内，电解液槽13内的电解液12通过泵体输送到阴极管5内循环利用，在输送电解液12时，可以只利用第一泵体14进行，也可以在第一泵体14后顺次设置电解液池15和第二泵体16，也就是说，先将电解液槽13内的电解液12输送到电解液池15内，再输送到阴极管5进行循环，电解液池15内盛装有源源不断的电解液12供给使用，也可以提供冷却或者加热环境，冷却/加热电解液12，使电解液发挥最大效用。
本发明还提供一种抛光方法，可以应用前文所记载的抛光装置，包括以下步骤：
采用径向充磁的磁铁1作为旋转磁场发生源，磁铁1可以依靠动力装置驱动旋转，例如采用第一电机10作为动力源，通过控制第一电机10可以控制磁铁1的转速，即控制旋转磁场的变化频率；
在磁铁1的一端设置载液板2，向载液板2供给磁性颗粒3，利用旋转磁场吸附磁性颗粒3，在载液板2上形成磁响应抛光垫，磁响应抛光垫在旋转磁场和旋转载液板2的作用下，具有自恢复形状的功能；如图2所示，磁性颗粒3(可以选择为绝缘羧基铁粉)形成的磁链在使用后，其形状因受到工件4表面的挤压产生了变化，如图3所示，在磁铁1与载液板2相对运动形成的空间变化磁场的作用下，空间任意点的磁力线B周期性变化，如点A处，磁力线B由水平逐渐变成竖直，又逐渐变成水平，在磁铁1旋转一周内反复交替，磁性颗粒3逐渐重新沿着磁力线B排布，即为形状自恢复，磁链逐渐重新沿着磁力线B排布，即回到初始状态。
向磁响应抛光垫供给磨粒，可以由磁铁1和载液板2中部设置的通道供给磨粒，旋转载液板2并利用抛光垫抛光工件4表面，载液板2可以依靠第二电机11作为动力源驱动其旋转。
将磨粒掺杂在电解液12中，由磁铁1和载液板2的中部通入磁响应抛光垫，并在电解液12和工件4上分别连接直流电源9的负极和正极，在磁响应抛光垫的两侧分别形成阴极和阳极，形成电化学抛光效果，进而形成基于磁流变磨粒抛光和电化学抛光的协同抛光方案，进一步提高抛光的效率。磁响应抛光垫在工件4表面移动式加工时，循环流动的电解液12有助于降低磨粒与工件4之间的微切屑温度，带走加工区域内的切屑，并补充加工区域内的磨粒。
本发明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 (10)

1.一种抛光装置，其特征在于：包括径向充磁的磁铁以及无磁性的载液板，所述载液板的一面靠近所述磁铁的轴向端面，所述载液板的另一面在所述磁铁的磁场作用下吸附有磁响应抛光垫，所述磁铁和所述载液板均能够转动，所述磁响应抛光垫包括吸附在所述载液板上的磁性颗粒以及由外部供给的磨粒。
2.根据权利要求1所述的抛光装置，其特征在于：所述磁铁的转动中心和所述载液板的转动中心重合。
3.根据权利要求2所述的抛光装置，其特征在于：所述磁铁和所述载液板的中部贯通设置有通道，所述磨粒通过所述通道供给到所述磁响应抛光垫。
4.根据权利要求3所述的抛光装置，其特征在于：所述磁性颗粒为绝缘羧基铁粉。
5.根据权利要求3或4所述的抛光装置，其特征在于：所述通道内设置有阴极管，工件和所述阴极管分别连接直流电源的正极和负极，所述阴极管内供给含有所述磨粒的电解液。
6.根据权利要求5所述的抛光装置，其特征在于：所述磁铁与第一电机转动连接，所述载液板与第二电机转动连接。
7.根据权利要求5所述的抛光装置，其特征在于：所述阴极管与所述磁铁之间设置有基轴，所述磁铁与所述基轴转动连接，所述基轴连接有基板，所述基板用于连接在位置驱动装置上。
8.根据权利要求5所述的抛光装置，其特征在于：所述工件放置在电解液槽内，所述电解液槽内的所述电解液通过泵体输送到所述阴极管内循环利用。
9.一种抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用径向充磁的磁铁作为旋转磁场发生源；
在所述磁铁的一端设置载液板，向所述载液板供给磁性颗粒，利用所述旋转磁场吸附所述磁性颗粒，在所述载液板上形成磁响应抛光垫；
向所述磁响应抛光垫供给磨粒，旋转所述载液板并利用所述抛光垫抛光工件表面。
10.根据权利要求8所述的抛光方法，其特征在于：将所述磨粒掺杂在电解液中，由所述磁铁和所述载液板的中部通入所述磁响应抛光垫，并在电解液和工件上分别连接直流电源的负极和正极，在所述磁响应抛光垫的两侧分别形成阴极和阳极。
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