CN115157020B - 一种多场辅助磨料冲刷抛光方法与装置 - Google Patents

一种多场辅助磨料冲刷抛光方法与装置 Download PDF

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Abstract

一种多场辅助磨料冲刷抛光方法与装置，包括磨料池、加热装置、超声装置、蠕动泵、装夹台。装夹台安装于磨料池底部，工件固定于装夹台上方，工件内设有曲折贯通内流道，内流道出口与入泵软管连通，超声装置的刀柄振动端正对内流道顶部入口，磨料池一侧顶部设置加热装置。使用时，首先，将磁极安装于工作平台纵杆上，将工件内流道与入泵软管连通。其次，向磨料池中放入抛光液和磨粒，使加热装置的加热端和超声装置的振动端浸入抛光液，并开启加热装置、超声装置。最后，磁场装置通电通磁，开启蠕动泵，对内流道进行抛光。本发明结构简单，使用方便，效率高，能解决含内流道的机械零件内的复杂细长内流道的表面质量差、抛光效率不高的问题。

Description

一种多场辅助磨料冲刷抛光方法与装置
技术领域
本发明属于抛光加工方法领域，涉及一种多场辅助下的复杂内流道抛光方法。
背景技术
在当前机械加工领域内，复杂内表面加工约占机械加工量的三分之一左右，尤其是在航空航天、医疗器械、石油化工等领域内，对内流道的加工需求更高也更迫切。由于制造方法等原因，粗成型制造出的工件内流道的表面比较粗糙，在使用过程容易产生流道流阻大、溶液残余多等问题，所以要采用抛光等方式提升内流道的表面质量从而改善其内部流体的流动特性，而传统的抛光方法对小尺寸、长径比大、路径复杂的内流道进行抛光效果难以满足需求。所以亟需开发出一种高效、适用范围广的内流道抛光工艺和装备来解决工件复杂内流道的表面质量问题。
为了解决复杂内流道的内表面质量问题，研究人员提出了磁力研磨、化学腐蚀、超声抛光等技术，但是这些内流道抛光工艺在加工适用范围、加工效率、加工质量等方面存在一些限制或不足，专利CN113211291A提出了一种增材制造高温合金内流道的抛光装置及方法，该装置和方法在传统磨料流的基础上尽管能够通过可变空间的专用抛光装置适应各种高温合金部件的大小进行内流道抛光，但只适用于结构简单的内流道零件，而针对复杂内流道零件，特别是对于大长径比的内流道零件，容易在转弯、尖角等特征部位造成过度抛光，导致零件壁厚减薄，使内流道不同区域去除量不均匀，甚至导致零件报废，同时其也没能解决传统磨料流抛光存在的设备复杂，半流体磨料调制困难等问题。专利CN107460484B使用抛光液对抛光镍基合金工件内流道进行化学抛光，该方法尽管配制的抛光液既能高效地侵蚀内流道表面的凸点，又能保护表面的凹点不被过量侵蚀，从而达到理想的抛光效果，但其抛光液针对性强，只适用于耐腐蚀的镍基合金工件，仅仅依靠化学作用实现材料去除，抛光效率低，不适用于批量加工，且其化学试剂不符合绿色制造理念。专利CN 109079590 B一种基于磁场辅助的非牛顿流体增稠的抛光方法，利用外置磁场提高非牛顿流体粘度，同时外置抛光液循环装置，但是这个主要针对外表面抛光，高粘度流体难以进入长径比较大的复杂内流道。专利CN112339269A提出了一种3D打印推力室复杂内流道抛光装置，利用振动的高压水和气泡对流道的内壁进行冲洗，从而将表面的污垢和杂质冲洗掉，但该装置方法只利用磨粒水流和空化效应进行内流道抛光，效率较低且抛光效果不理想。专利CN111299592A提出了一种通过超声空化和磨粒撞击对通过增材制造制备的部件的表面进行修整的方法，通过空化气泡在部件表面上塌缩和因空化气泡塌缩而加速的磨料磨粒撞击该表面的组合来从部件的表面移除材料，但在常温状态下流体中的气泡气泡仅靠空化作用产生，空化效应材料去除效果较弱，且对于含内流道特别是复杂内流道的工件来说，其磨料磨粒在内流道不易贴壁，主要依靠空化效应进行抛光，对内流道表面的材料去除效果不理想。
为了满足工件复杂内流道的表面质量要求，提高内流道抛光效率，且抛光过程稳定、效果均匀，本发明提出了一种多场辅助磨料冲刷抛光工艺。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多场辅助磨料冲刷抛光工艺，以解决含内流道的机械零件内的复杂细长内流道的表面质量差、抛光效率不高的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种多场辅助磨料冲刷抛光装置，所述多场辅助磨料冲刷抛光流程装置包括工作平台1、磨料池4、加热装置3、超声装置7、蠕动泵9、装夹台14。
所述的装夹台14安装于磨料池4的底部，装夹台14中部设有放置真空吸盘12的通孔。所述的工件13通过夹具15固定于装夹台14上方，所述的工件13内设有曲折贯通（上下贯通）的内流道11。工件的内流道11的底部出口通过真空吸盘12与入泵软管10连通。
所述装置的磨料池4内抛光液5的液面保持在距磨料池4底部四分之三的位置，淹没过工件13和加热装置3，不要过满，防止溢出。
所述装置的超声装置7安装于磨料池4上方，其超声刀柄没入磨料池4，刀柄振动端靠近并正对工件内流道11顶部入口，利用其超声振动在抛光液5中形成超声波动，抛光液进入工件内流道11表面并发生空化，其中的微小气泡或泡核在超声波的作用下历经振荡、生长、收缩及溃灭，其产生的剪切应力使内流道表面不规则形状底部的裂缝扩展，最终使内流道表面不规则形状与内流道表面完全脱离，形成对内流道表面的空蚀，同时空化泡溃破产生的高压射流推动液体和磨粒冲击工件表面，产生微去除作用，从而达到对内流道表面抛光的效果。
所述装置的加热装置3安装于磨料池4一侧顶部，其加热端伸入磨料池4，用于加热池内抛光液5，使抛光液5保持沸腾状态，增加抛光液5中的气泡产量，同时使饱和抛光液5在进入工件13内流道时，利用压力差形成闪蒸效应，促进空化效果。
所述抛光液5中含有磁性磨粒6，可由烧结法或雾化法制得，为表面嵌有硬质磨粒相的铁磁性基体微粉。磁性磨粒6在蠕动泵9的作用下，随抛光液进入工件13内流道，在抛光液5的流体动力下对内流道表面进行冲蚀作用，同时磁性磨粒6由于外加磁场装置2的作用下紧贴内流道内壁，同时超声装置7的振动波动冲击直接驱动抛光液中的磁性磨粒6沿振动方向高速运动，对内流道表面产生冲击，实现对工件内流道11表面的材料微去除。
所述工作平台1为L型结构，所述装置的磨料池4放置于工作平台1水平板上，工作平台1的纵杆上设有垂向滑道，磁场装置2固定环17装载磁轭后安装于工作平台1的纵杆，且可随纵杆环绕磨料池4且可进行上下移动，从而保证了磁性磨粒6紧贴工件内流道11内壁，从而提高内流道表面磨粒冲刷的材料去除效果。
所述磨料池4中的抛光液5根据加工工件的不同进行选择性配制，在一定温度下，通过抛光液5中化学试剂的侵蚀作用使内流道表面发生凸峰和凹谷选择性自溶解，从而使金属表面变得平整和光亮。
所述入泵软管10、蠕动泵9、出泵软管8形成抛光液循环装置，出泵软管8从磨料池4顶部与抛光液5连通，入泵软管10从磨料池4底部与工件内流道11连通。从工件内流道11流出的抛光液和磁性磨粒6，分别经入泵软管10、蠕动泵9、出泵软管8重新返回磨料池4内，实现抛光过程中的抛光液5的循环作用。通过本工艺流程可以实现含内流道的机械零件内的复杂细长内流道的高质量、高效率抛光。
一种基于上述抛光装置实现的多场辅助磨料冲刷抛光工艺，该工艺流程用于对含内流道的机械零件内的内表面进行抛光。包括如下步骤：
步骤一、将磁极16阵列排布安装于固定环17上形成磁场装置2，将固定环17安装于工作平台1的纵杆上，上下移动选择合适工作高度。
步骤二、选择合适的夹具15，将工件13固定于装夹台14上，通过真空吸盘12将工件13内流道11与入泵软管10二者连通。
步骤三、向磨料池4中放入抛光液5和磁性磨粒6，使磨料池4中液面没过工件13，升至磨料池4的四分之三左右，并使加热装置3的加热端和超声装置7的振动端浸入抛光液5。
步骤四、开启加热装置3，使磨料池4中抛光液5的温度不断升高，达到沸腾状态。
步骤五、调整超声装置7位置，使其超声刀柄振动端靠近并正对工件内流道11的。
步骤六、开启超声装置7，实现端部超声振动，超声波动在抛光液5中形成超声场，使抛光液5达到空化条件。
步骤七、磁场装置2通电通磁，开启蠕动泵9，将抛光液5及磁性磨粒吸入内流道11，并在工件内流道11入口处达到闪蒸条件。设置其工作参数，调整抛光液5在工件内流道11内的流速，进行抛光液5循环，对工件内流道11进行抛光。
步骤八、磁场装置2退磁，先后关闭蠕动泵9、加热装置3、超声装置7，待抛光液5冷却后，将工件13从夹具15中取出，清洗工件。
本发明的有益成果：
（1）本发明提出了一种多场辅助磨料冲刷抛光工艺，采用化学表面改性、超声空化、磨料冲刷三种材料去除方式同时对工件内表面进行抛光，实现对工件内流道的360度充分抛光，弥补了单个抛光机理材料去除的弊端，提高了内流道的抛光质量和抛光效率。
（2）本发明通过设置有加热装置，在抛光液进入工件内流道形成压力差的同时，产生闪蒸效应，使抛光液发生剧烈相变，产生大量气泡，加剧磨料池内流体的空化，提高了空化气泡对工件内流道的空蚀程度。
（3）本发明通过设置超声装置，在为抛光液提供空化条件的同时，还对抛光液和磨料起搅拌混合作用，保证抛光液中化学试剂的均质及磨料磨粒的均匀分布，从而使抛光液和磨料磨粒对工件内流道的抛光均匀。
（4）本发明通过设置夹具，可根据不同工件进行更换夹具，保证不同工件均能使用该工艺装置进行内流道抛光，保证了工艺的灵活可调性及实用性。
（5）本发明通过实现抛光过程中抛光液的循环使用，能够节约成本，带来巨大的环保效益。
（6）本发明主要通过超声带动磨粒振动、超声空化、化学抛光液腐蚀进行内流道表面的材料去除，不需要较快流速，避免了对大长径比的内流道零件在其内流道转弯、尖角等特征部位由于抛光液冲刷造成的过度抛光，保证了内流道不同区域去除量均匀。
（7）本发明通过在抛光液中掺杂磨料磨粒的方式，区别于将具有相当黏性的泥状磨粒直接加入待加工零件内流道的传统磨料流加工，避免了传统磨料流内流道加工时磨料磨粒在工件内流道表面尤其是转弯、尖角等特征部位的粘附残留，一定程度上保证工件内流道加工后的洁净。
（8）本发明使用磁性磨料和设置磁轭，通过磁场作用使磨料在内流道内紧贴内壁冲刷进行材料去除，同时超声装置的振动辐射面直接驱动液体中的磨粒沿振动方向高速运动，对工件表面产生冲击，使工件表面产生微塑性变形和微破损去除，极大提高了内流道表面磨料冲刷的物理去除效率。
（9）本发明工艺多种作用机理相辅相成，在超声振动作用下，液体中产生空化现象，空化泡溃破产生的高压射流推动液体和磨粒冲击工件表面，提高了抛光液和磨粒对内流道表面的接触程度，空化效应在一定程度上促进了化学腐蚀和磨粒冲刷对内流道表面的去除效率。
附图说明
图1为本申请针对工件内流道进行多场辅助磨料冲刷抛光工艺的流程图。
图2为本申请工艺的结构示意图；
图3为本申请工艺装置的俯视示意图；
图4为本申请工艺中空化空蚀内流道表面的原理图；
图中：1工作平台；2磁场装置；3加热装置；4磨料池；5抛光液；6磁性磨粒；7超声装置；8出泵软管；9蠕动泵；10入泵软管；11工件内流道；12真空吸盘；13工件；14装夹台；15夹具；16磁极；17固定环。
实施方式
结合附图2及附图3详细对本发明的用于内表面抛光方法加以说明。
如图2所示，为本发明的用于抛光工件内流道的超声辅助化学磨粒冲刷抛光工艺的结构示意图。
一种多场辅助磨料冲刷抛光工艺，该工艺流程用于对含内流道的机械零件内的各个内流道进行抛光。所述多场辅助磨料冲刷抛光流程装置包括工作平台1、磨料池4、加热装置3、超声装置7、蠕动泵9、装夹台14。
所述装置的装夹台14安装于磨料池4的底部，其中工件13通过夹具15固定于装夹台14上方，工件13的内流道11出口与入泵软管10通过真空吸盘12进行连通。所述装置的磨料池4内抛光液5的液面保持在距磨料池4底部四分之三的位置，不要过满，防止抛光液溢出。
所述装置的加热装置3安装于磨料池4上方，其加热端伸入磨料池4，用于加热池内抛光液5，使抛光液5保持沸腾状态，增加抛光液5中的气泡，同时使抛光液5在进入内流道11时，利用压力差形成闪蒸效应。
所述装置的超声装置7安装于磨料池4上方，其超声刀柄没入磨料池4，靠近并正对工件内流道11入口，其发出超声波后，超声波在抛光液5中形成超声场，使其进入工件13的内流道11时发生空化，其中的微小气泡或泡核在超声波的作用下历经振荡、生长、收缩及溃灭，其产生的剪切应力使内流道表面不规则形状底部的裂缝扩展，最终使内流道表面不规则形状与内流道表面完全脱离，形成对内流道表面的空蚀，同时空化泡溃
破产生的高压射流推动液体和磨粒冲击工件表面，产生微去除作用，从而达到对内流道表面抛光的效果。
所述装置的磁性磨粒6在蠕动泵9的作用下，随抛光液5进入工件内流道11，在抛光液5的流体动力下对内流道11表面进行冲蚀作用，同时磁性磨粒6由于磁力装置2的作用下紧贴内流道11内壁，使得超声装置的振动辐射面直接驱动抛光液5中的磁性磨粒6沿振动方向高速运动，对内流道11表面产生冲击，实现对内流道11表面的材料微去除。
所述装置的磨料池4放置于工作平台1上，固定环17装载磁极16后安装于工作平台1的纵杆，且可随纵杆环绕磨料池4进行上下移动，从而保证了磁性磨粒6紧贴工件内流道11内壁，从而提高工件内流道11表面磨粒冲刷的材料去除效果。
所述装置磨料池4中的抛光液5根据加工工件13的不同进行选择性配制，在一定温度下，通过抛光液5中化学试剂的侵蚀作用使内流道表面发生凸峰和凹谷选择性自溶解，从而使金属表面变得平整和光亮。
所述装置的真空吸盘12，用于连接入泵软管10和工件13，同时保证工件13的内流道11与入泵软管10的连通。
所述装置的入泵软管10、蠕动泵9、出泵软管8形成抛光液循环装置，从工件内流道11流出的抛光液5和磁性磨粒6，分别经入泵软管10、蠕动泵9、出泵软管8重新返回磨料池4内，实现抛光过程中的抛光液循环作用。通过本工艺流程可以实现含内流道的机械零件内的复杂细长内流道的高质量、高效率抛光。
由于内流道在工件内部，体积小且大多曲折多弯，传统的抛光方法很难对小尺寸、长径比大、路径复杂的内流道进行抛光，本发明提出了一种多场辅助磨粒冲刷抛光工艺，对内流道的抛光效率高、抛光质量好，具体实施步骤如下：
步骤一、将磁轭阵列排布安装于固定环上，将固定环安装于工作平台纵杆上，上下移动选择合适工作高度。
步骤二、选择合适的夹具15，将工件13固定于装夹台14上，工件内流道11为三段两弯型，内径5mm，长度120mm，其出口通过真空吸盘12与入泵软管10连通。
步骤三、向磨料池4中放入抛光液和磨料磨粒，使磨料池4中液面没过工件13，升至磨料池4的四分之三左右,并使加热装置3的加热端和超声装置7的超声刀柄浸入抛光液5.
步骤四、开启加热装置3，在标准大气压下，使磨料池4中抛光液5的温度不断升高至100℃，达到沸腾状态。
步骤五、调整超声装置7位置，使其超声刀柄振动端靠近并正对工件内流道11的入口。
步骤六、开启超声装置7，设置超声频率为20kHz，超声刀柄振动发出超声波，超声波在抛光液5中形成超声场，使抛光液达到空化条件。
步骤七、磁场装置2通电通磁，磁场强度设置为5000高斯。开启蠕动泵9，设置其流速为300mL/min，通过蠕动泵9进行抛光液5循环，对工件13内流道进行抛光。
步骤八、磁场装置2退磁，先后关闭蠕动泵9、加热装置3、超声装置7，待抛光液5冷却后，将工件13从夹具15中取出，清洗工件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多场辅助磨料冲刷抛光装置，其特征在于，所述的多场辅助磨料冲刷抛光流程装置包括工作平台(1)、磁场装置(2)、磨料池(4)、加热装置(3)、超声装置(7)、蠕动泵(9)、装夹台(14)；
所述装夹台(14)安装于磨料池(4)底部，装夹台(14)中部设有放置真空吸盘(12)的通孔；工件(13)通过夹具(15)固定于装夹台(14)上方，工件(13)内设有曲折贯通的内流道(11)，内流道(11)底部出口通过真空吸盘(12)与入泵软管(10)连通；
所述超声装置(7)安装于磨料池(4)上方，其刀柄振动端正对工件内流道(11)顶部入口，利用其超声振动在抛光液(5)中形成超声波动，抛光液进入工件内流道(11)表面并发生空化，达到对内流道表面抛光的效果；
所述加热装置(3)安装于磨料池(4)一侧顶部，用于加热池内抛光液(5)，使抛光液(5)保持沸腾状态，同时使饱和抛光液(5)在进入内流道(11)时，利用压力差形成闪蒸效应，促进空化效果；
所述抛光液(5)中含有磁性磨料(6)，为表面嵌有硬质磨粒相的铁磁性基体微粉；磁性磨料(6)在蠕动泵(9)作用下，随抛光液进入内流道(11)，实现对工件内流道(11)表面的材料微去除；
所述工作平台(1)为L型结构，所述磨料池(4)放置于工作平台(1)水平板上，工作平台(1)的纵杆上设有垂向滑道，磁场装置(2)的固定环(17)装载磁轭后安装于垂向滑道上能够上下移动，保证磁性磨料(6)紧贴工件内流道内壁，提高内流道表面磨粒冲刷的材料去除效果；
所述蠕动泵(9)与入泵软管(10)、出泵软管(8)形成抛光液循环装置，实现抛光过程中的抛光液(5)的循环作用。
2.一种基于权利要求1所述的抛光装置实现的多场辅助磨料冲刷抛光工艺，其特征在于，该工艺流程用于对含内流道的机械零件内的内表面进行抛光；包括如下步骤：
步骤一、将磁极(16)阵列排布安装于固定环(17)上形成磁场装置(2)，将固定环(17)安装于工作平台(1)纵杆上，上下移动选择合适工作高度；
步骤二、选择合适的夹具(15)，将工件(13)固定于装夹台(14)上，通过真空吸盘(12)将工件(13)内流道(11)与入泵软管(10)二者连通；
步骤三、向磨料池(4)中放入抛光液(5)和磁性磨料(6)，使磨料池(4)中液面没过工件(13)，升至磨料池(4)的四分之三左右，并使加热装置(3)的加热端和超声装置(7)的振动端浸入抛光液(5)；
步骤四、开启加热装置(3)，使磨料池(4)中抛光液(5)的温度不断升高，达到沸腾状态；
步骤五、调整超声装置(7)位置，使其超声刀柄振动端靠近并正对工件内流道(11)的；
步骤六、开启超声装置(7)，实现端部超声振动，超声波动在抛光液(5)中形成超声场，使抛光液(5)达到空化条件；
步骤七、磁场装置(2)通电通磁，开启蠕动泵(9)，将抛光液(5)及磁性磨粒吸入内流道(11)，并在工件内流道(11)入口处达到闪蒸条件；设置其工作参数，调整抛光液(5)在工件内流道(11)内的流速，进行抛光液(5)循环，对工件内流道(11)进行抛光；
步骤八、磁场装置(2)退磁，先后关闭蠕动泵(9)、加热装置(3)、超声装置(7)，待抛光液(5)冷却后，取出工件(13)。
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