CN115365987B - 一种物理与化学同时抛光工件的工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工件抛光技术领域，尤其是涉及一种物理与化学同时抛光工件的工艺与应用，工艺包括以下步骤，(1)工件通过两个固定点固定在夹具上；(2)通过电机的转动，带动夹具上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光；所述夹具连接电化学发生器的正电荷，酸性固体介质与负电荷接触。在本发明中使用转动和公转的转速，同时使用一定pH值酸性固体介质，与现有技术相比，避免了需要随时更换抛光头的操作步骤，同时在本发明中也不需要更换酸性固体介质，就能够实现较好的抛光效果，更好提高了生产效率；同时在本发明中使用酸性固体介质，工件自转而减轻在公转过程中阻力，保证金属类工件的稳定性，安全性，实现全方位抛光。
Description
技术领域
本发明涉及工件抛光技术领域，所属IPC分类号为B24B 29/02，尤其是涉及一种物理与化学同时抛光工件的工艺与应用。
技术背景
现有的抛光工艺主要分为电解抛光、等离子抛光和滚筒式研磨抛光。电解抛光：是由强酸在电极的作用下进行抛光。由于工件与电极的距离会影响效果，往往在大批量生产过程中导致工件效果不一，在工作过程中产生热量，高温下会导致效果变差，原材料为高危险溶液，对人体和水环境都有极大的危害；等离子抛光：通过抛光盐溶液，在电极的作用下进行抛光，但由于工作过程中必须通过高频高压的电源下才能实现抛光效果，所以在操作过程中会消耗大量电源电流，在工作过程中产生大量含异味气体，需要制作废气回收塔，成本较高，处理麻烦。等离子抛光需要大量水体作为介质，使用完后会产生大量的重金属溶液，不能直接排放，需要后处理，处理难度比较大；滚筒式研磨抛光机：工件摆放在一个特定的容器里面，内部充满抛光小颗粒与水体，在电机的带动下进项旋转，在旋转过程中小颗粒与工件表面进行摩擦实现抛光效果，但在旋转中不能预估小颗粒与工件碰撞力度，往往导致小件损坏，薄件变形的现象，还有小颗粒对一些微小的位置不能打磨，会出现抛光效果不一致。抛光时间较长，效率较低。以上出现的问题是：第一、电解抛光的介质为强酸溶液，对环境污染严重，国家已禁止使用；第二、等离子抛光废气废液处理麻烦，耗量大；第三、物理性抛光损耗不能掌控，表面抛光容易不一致，工具易变形，时间较长。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种物理与化学同时抛光工件的工艺，包括以下步骤，
(1)工件通过两个固定点固定在夹具上；
(2)通过电机的转动，带动夹具上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光。
在一些实施方式中，工件通过两个固定点固定在夹具上，然后将固定有工件的夹具安装在自转轴上；通过电机的转动，带动夹具上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光。
所述夹具连接电化学发生器的正电荷，酸性固体介质与负电荷接触。
工件通过两个固定点与夹具连接，能够很好的防止工件的变形，其中，具有两个固定点的夹具均适用于固定工件。
在一些实施方式中，酸性固体介质装于工作槽中，工作槽为塑料材质，工作槽内壁固定有金属网层，酸性固体介质通过金属网层实现与负电荷实现连接，金属网层与电化学发生器的阴极连接使得工作槽内的酸性固体介质接触负电荷带有负电荷。
工作槽为方筒形或圆筒形，优选用圆筒形。
在工作过程中，工件始终能够被酸性固体介质完全覆盖；在抛光过程中，工件不会接触到工作槽的壁或底部。
在实验过程中，申请人发现，当工作槽为圆筒形、酸性固体介质为球形时抛光后的工件更加均匀，抛光效果更好，可能是因为形同体积下球形的酸性固体介质的表面积更大，有利于抛光过程中热量的排除，防止了热量过大带来析氧现象，同时，工件在自转的过程中住圆周旋转，圆筒形和球形更加有利于酸性固体介质与工件的接触。
酸性固体介质的pH值为1～5；优选的，酸性固体介质的pH值为1～3；进一步优选的，酸性固体介质的pH值为2。
酸性固体介质的pH值的测定方式是将酸性固定介质加入刚好能够覆盖酸性固定介质的水混合后测试所得到的pH值。
经过试验发现，酸性固体介质的pH值为1～3的时候，抛光效果更好，能是因为在工作的时候，工件表面首先会因为机械磨损，然后露新的表面与固体酸介质之间发生摩擦电化学反应，在pH值为1～3的时候，更容易发生摩擦化学反应，从而使得抛光效果更好，同时在该pH值范围内，金属工件表面钝化膜的成膜速率和去除速率较快，两者达到较好的平衡，但是在实验中发现并不是pH值越低，可能因为当pH值越低，摩擦电化学反应与转动时的机械作用不能够很好的平衡，在工作的时候摩擦电化学反应的摩擦力不稳定从而反而降低了摩擦抛光的效果。
酸性固体介质为具有微孔结构的树脂，其中，微孔能够吸收水或其他溶液，在一些实施方式中，可以选用共聚得到的微孔结构的树脂，或是强酸性阳离子交换树脂，其没有特殊限制，选用的酸性固体介质具有微孔结构，在水中能与水发生阳离子交换得到H+的均符合本发明，比如说磺化苯乙烯二乙烯基苯离子交换树脂。
所述酸性固体介质为球形，其平均半径为0.3～1.2mm。
步骤(2)中酸性固体介质的湿度为1～30％；优选的，步骤(2)中酸性固体介质的湿度为1～20％；进一步优选的，酸性固体介质的湿度为5～15％。
具有一定湿度的酸性固体介质是干燥的酸性固体介质喷洒水混合后得到，喷洒水的量不大于酸性固体介质的饱和吸水量，其湿度为酸性固体介质的含水量。
步骤(2)中抛光时的温度为0～40℃；优选的，步骤(2)中抛光时的温度为5～30℃；更进一步优选的，步骤(2)中抛光时的温度为10～25℃。
申请人发现在本发明中采用电化学与物理的方法虽然能够较好的对金属表面进行抛光，但是酸性固体介质可能会使得金属表面工件蚀除过快，出现许多沟槽、凸起的现象，申请人发现在本发明中通过公转，并控制工作时候的酸性固体介质的湿度和温度，能够防止沟槽、凸起的现象的发生，可能是因为在公转的时候使得酸性固体介质能够具有较好的流动性，同时控制特定的湿度和温度能够使得连接正电荷的金属工件的金属阳离子后能够更好的游离扩散，促进了抛光的进行，并且在特定的温度和相对湿度的条件下使得降低了析氧现象，从而使得工件表面去除速率分布均匀，不会出现凸起或沟槽现象。但是在实验中发现并不是湿度和温度并不是越高越好，当湿度过高的时候，可能与公转和自转的速度不匹配，工件在工作槽中不能很好的转动，同时还会出现粘附现象，而当温度太高的时候，可能会因为热量不能够很好的散失，反而导致了析氧现象的过度发生，出现凸起或沟槽现象。
步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比为(5～30)：(2～8)；优选的，步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比为(10～20)：(2.4～5)；进一步优选的，步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比为15：4。
公转的转速为30～150r/min；优选的，公转的转速为50～100r/min；更进一步优选的，公转的转速为75r/min。
现有技术中，在公转过程中工件不能够很好的与酸性固定的实现全方位接触，同时为了能够较好的与工件接触，常常需要较大的公转转速，但是在公转过程里面不停与不同方向的固体物质进行触碰实现全方位接触，在实现过程中只带公转阻力较大，对工件碰撞力较大，使得工件对工件发生形变，在本发明中通过工件自转而减轻在公转过程中阻力，保证金属类工件的稳定性，安全性，经过大量试验发现抛光过程中需要控制公转的转速与自转的转速在一定比例范围内，使得工件的死角位置能够跟酸性固体介质全面接触，实现全方位抛光，在降低公转转速的同时用不影响抛光效果。
公转和自转的方向一致，即同时逆时针或同时顺时针转动。
步骤(2)中公转和自转的方向每40～100s变化一次；优选的，步骤(2)中公转和自转的方向每70～90s变化一次；进一步优选的，步骤(2)中公转和自转的方向每80s变化一次。
其中，公转和自转的方向的变化是指从顺时针转动变化为逆时针转动，或是从逆时针转动变化为顺时针转动，即在抛光过程中顺时针转动和逆时针转动交替进行。
步骤(2)中抛光的时间为16～26min；优选的，步骤(2)中抛光的时间为20～22min。
具有阴极和阳极的电化学发生器均可以使用，本发明中使用的电化学发生器为低频电流发生器。
步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电压为10～70V；优选的，步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电压为40～60V；进一步优选的，步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电压为60V。
步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电流为0～2mA；优选的，步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电流为0.5～2mA，可以根据工件大小选择电流的大小。
所述工作槽下方安装有振动机。
在本发明中通过工件带正电荷使得金属产生的电子与酸性固体介质产生的H+反应，产生离子交换，再与作槽中进行摩擦电化学反应与机械磨损，并且通过特定的转速和工艺条件的控制不光增加了抛光的效果，同时还增加了抛光的效率。
在本发明中产生H+和摩擦作用的为固体颗粒，其具有一定的重量，在公转过程中有一定的阻力，申请人发现，在本发明体系中使用振动机有利于工作环境里面的自行循环，能全方位利用介质耗材进行抛光，增加抛光效果，同时还能增加抛光的效率。可能是因为在酸性固体介质之间存在空气，在特定的振动频率下能够增加了工件与酸性固体介质之间的摩擦系数，同时在一定的酸性固体介质的冲击下可能产生了气蚀效应，气蚀效应与电化学反应之间协同了进一步增加了属工件表面钝化膜的成膜速率和去除速率。
步骤(2)中抛光时振动机的频率为2000～4000Hz；优选的，步骤(2)中抛光时振动机的频率为3000Hz。
虽然振动机能够使得抛工件的去除率增加，但是申请人发现，并不是振动频率越高越好，可能是因为当振动频率过高的时候，酸性固体介质与工件接触时候的瞬时压力过高，影响了抛光后工件表面整体的质量，时期稳定性过低，同时在瞬时压力过高的情况下，会使得工作环境的温度变化过快，反而影响了电化学反应的发生，同时在本发明中通过控制公转和自转的方向的变化不但能够均匀能够到达更好的抛光效果。
本发明的第二个方面提供了一种物理与化学同时抛光工件的工艺的应用，所述一种物理与化学同时抛光工件的工艺应用金属工件的抛光。
所述金属工件为不锈钢、钛及其合金、钴铬合金、钴铬钼合金中的一种。
在试验中发现，本发明的物理与化学同时抛光工件的工艺尤其适用于不锈钢和钴铬合金的抛光。
有益效果：
1.在本发明中使用转动和公转的转速，同时使用一定pH值酸性固体介质，与现有技术相比，避免了需要随时更换抛光头的操作步骤，同时在本发明中也不需要更换酸性固体介质，就能够实现较好的抛光效果，更好提高了生产效率；同时在本发明中使用酸性固体介质，工件自转而减轻在公转过程中阻力，保证金属类工件的稳定性，安全性，通过自转与公转的转速的特定比，使得工件的死角位置能够跟酸性固体介质全面接触，实现全方位抛光；
2.在本发明中工作槽使用圆柱形工作槽，配合球形酸性固体介质与圆形旋转能够使得工件能够受到更强烈、均匀的抛光，酸性固体介质能够得到充分的转动；
3.与现有技术相比，在本发明中抛光前后的工件没有发生形变，可能是因为在本发明中公转转速较低，不会对工件产生形变，同时工件的自转，大大提高了抛光的效率，在相同抛光的效率的情况下，降低了公转转速的要求；
4.与现有技术相比，在本发明中使用金属产生的电子与H+反应，产生离子交换，然后在自转和公转的作用下产生碰撞来实现抛光，将化学抛光与物理抛光相结合，同时配合特定的工艺条件，降低了物理抛光带来的机器损伤，同时也克服了化学抛光效率低的缺陷；
5.一般电解工艺加工的钢托亮度比较暗淡和亮度不均匀，因为跟正负极的距离和这缸电解液使用的时间有直接关系，但这种情况没有预见性很难把控，直接会影响到后加工的工作量；本发明的工艺，加工出来的钢托亮度高又均匀,有效的减少后处理的难度；
6.一般的电解是通过化学方法腐蚀金属，所以钢托表面非常不平整,边缘地方会有刮手的效果,这种效果会对患者造成受伤，必须要处理好，为了消去这种效果往往技工会在这个位置浪费很多时间，打磨耗材的成本随之增加，本发明的功力通过对工艺条件的控制，同时利用物理和化学抛光的方法不会出现刮手的情况了，从而减少了大量的人工成本和耗材成本了；
7.现有的传统的研磨机是利用离心力带动小颗粒进行打磨，但由于钢托自身结构的原因钢托不可受到强大的外力撞击，所以在打磨机加工的钢托往往会出现变形的情况，特别在卡环方面还有打磨材料较大，另很多细节的不能进行打磨.技工在调整贴合度的时候浪费大量时间，本发明中的工艺不会产生强大的外力,所以钢托不会出现变形的情况，加上离子颗粒非常细可以每个细节都可以打磨到充分的实现全方位打磨。
附图说明
为了更好的理解本发明，结合说明书附图来对本发明的工艺进行说明，但是说明书附图并不是用于限制本发明的发明内容。
图1为实施例中通过物理与化学同时抛光工件的部分元件的示意图；
图2～3为实施例中酸性固体介质的pH测试的图片及其结果；
图4为实施例中干燥的酸性固体介质；
图5为实施例1中钴铬合金工件抛光前后的图片；
图6为实施例2中钴铬合金工件抛光前后的图片；
图7为实施例3中钴铬合金工件抛光前后的图片；
图8～9为使用实施例3中工艺对铬合金工件抛光前后型变量的数据监测图10～11为实施例4中钴铬合金工件抛光后的图片；
图12为使用实施例5中钴铬合金工件抛光后的图片；
图13为使用实施例6中钴铬合金工件抛光后的图片；
图14为使用实施例6中钴铬合金工件抛光后的图片；
1、电机；2、夹具；3、工作槽；4、振动机。
具体实施方式
实施例1
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，包括以下步骤，
(1)工件通过两个固定点固定在夹具2上，然后将固定有工件的夹具2安装在自转轴上；
(2)通过电机1的转动，带动夹具2上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光；
所述夹具2连接电化学发生器的正电荷；酸性固体介质装于工作槽3中，工作槽3为塑料材质，工作槽3内壁固定有金属网层，酸性固体介质通过金属网层实现与负电荷实现连接，金属网层与电化学发生器的阴极连接使得工作槽3内的酸性固体介质接触负电荷带有负电荷；
工作槽3为方筒形圆筒形；
在工作过程中，工件始终能够被酸性固体介质完全覆盖；在抛光过程中，工件不会接触到工作槽3的壁或底部；
酸性固体介质的pH值为2(如图2所示，将干燥的酸性固定介质加入能够覆盖住其的混合均匀后，用pH试纸测试其pH值，从图3的检测结果可以得到本实施例中酸性固体介质的pH值为2)；
酸性固体介质为具有微孔结构的磺化苯乙烯二乙烯基苯离子交换树脂；酸性固体介质的平均半径为0.7mm；
步骤(2)中酸性固体介质的湿度为10％(由如图4所示的干燥的酸性固体介质喷洒水混合后得到)；步骤(2)中抛光时的温度为10℃；
公转的转速为75r/min；自转的转速为20r/min；步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比15：4；
公转和自转的方向一致；步骤(2)中公转和自转的方向每80s变化一次；步骤(2)中抛光的时间为21min；
电化学发生器为低频电流发生器；步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电压为60V；
步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电流为1mA；所述工作槽3下方安装有振动机4；步骤(2)中抛光时振动机4的频率为3000Hz。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图5为钴铬合金工件抛光前后的图片。
实施例2
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，包括以下步骤，
(1)工件通过两个固定点固定在夹具2上，然后将固定有工件的夹具2安装在自转轴上；
(2)通过电机1的转动，带动夹具2上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光；
所述夹具2连接电化学发生器的正电荷；酸性固体介质装于工作槽3中，工作槽3为塑料材质，工作槽3内壁固定有金属网层，酸性固体介质通过金属网层实现与负电荷实现连接，金属网层与电化学发生器的阴极连接使得工作槽3内的酸性固体介质接触负电荷带有负电荷；
工作槽3为方筒形圆筒形；
在工作过程中，工件始终能够被酸性固体介质完全覆盖；在抛光过程中，工件不会接触到工作槽3的壁或底部；
酸性固体介质的pH值为2(如图2所示，将干燥的酸性固定介质加入能够覆盖住其的混合均匀后，用pH试纸测试其pH值，从图3的检测结果可以得到本实施例中酸性固体介质的pH值为2)；
酸性固体介质为具有微孔结构的磺化苯乙烯二乙烯基苯离子交换树脂；酸性固体介质的平均半径为0.7mm；
步骤(2)中酸性固体介质的湿度为5％(由如图4所示的干燥的酸性固体介质喷洒水混合后得到)；步骤(2)中抛光时的温度为20℃；
公转的转速为50r/min；自转的转速为12r/min；步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比10：2.4；
公转和自转的方向一致；步骤(2)中公转和自转的方向每80s变化一次；步骤(2)中抛光的时间为22min；
电化学发生器为低频电流发生器；步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电压为60V；
步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电流为1mA；所述工作槽3下方安装有振动机4；步骤(2)中抛光时振动机4的频率为4000Hz。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图6为钴铬合金工件抛光前后的图片。
实施例3
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，包括以下步骤，
(1)工件通过两个固定点固定在夹具2上，然后将固定有工件的夹具2安装在自转轴上；
(2)通过电机1的转动，带动夹具2上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光；
所述夹具2连接电化学发生器的正电荷；酸性固体介质装于工作槽3中，工作槽3为塑料材质，工作槽3内壁固定有金属网层，酸性固体介质通过金属网层实现与负电荷实现连接，金属网层与电化学发生器的阴极连接使得工作槽3内的酸性固体介质接触负电荷带有负电荷；
工作槽3为方筒形圆筒形；
在工作过程中，工件始终能够被酸性固体介质完全覆盖；在抛光过程中，工件不会接触到工作槽3的壁或底部；
酸性固体介质的pH值为2(如图2所示，将干燥的酸性固定介质加入能够覆盖住其的混合均匀后，用pH试纸测试其pH值，从图3的检测结果可以得到本实施例中酸性固体介质的pH值为2)；
酸性固体介质为具有微孔结构的磺化苯乙烯二乙烯基苯离子交换树脂；酸性固体介质的平均半径为0.7mm；
步骤(2)中酸性固体介质的湿度为15％(由如图4所示的干燥的酸性固体介质喷洒水混合后得到)；步骤(2)中抛光时的温度为10℃；
公转的转速为100r/min；自转的转速为25r/min；步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比20：5；
公转和自转的方向一致；步骤(2)中公转和自转的方向每80s变化一次；步骤(2)中抛光的时间为20min；
电化学发生器为低频电流发生器；步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电压为60V；
步骤(2)中抛光时低频电流发生器的电流为1mA；所述工作槽3下方安装有振动机4；步骤(2)中抛光时振动机4的频率为2000Hz。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图7为钴铬合金工件抛光前后的图片；图8～9为使用上述工艺对铬合金工件抛光前后型变量的数据监测。
实施例4
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，酸性固体介质的湿度为40％。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图10～11为钴铬合金工件抛光后的图片。
实施例5
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，步骤(2)中抛光时的温度为50℃。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图12为钴铬合金工件抛光后的图片，光亮度不够，工件出现沟槽、凸起的现象。
实施例6
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，抛光时低频电流发生器的电压为80V。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图13为钴铬合金工件抛光后的图片。
实施例7
一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其具体实施方式同实施例1，不同之处在于，步骤(2)中公转和自转的方向不变。
使用该实施例中的工艺对一件钴铬合金工件进行抛光，图14为钴铬合金工件抛光后的图片。
人力成本分析
发明人对实施例1～3中的工艺进行了人力成本，并与现有的电解工艺和等离子抛光的成本进行了对比，即如果如表1所示：
表1
Claims (10)
1.一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，包括以下步骤，
(1)工件通过两个固定点固定在夹具上；
(2)通过电机的转动，带动夹具上的工件在酸性固体介质中的公转和自转，进行化学和物理的抛光；
所述夹具连接电化学发生器的正电荷，酸性固体介质与负电荷接触；
所述酸性固体介质为具有微孔结构的树脂，所述酸性固体介质的湿度为1～30％。
2.根据权利要求1所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，工作槽内壁固定有金属网层，酸性固体介质通过金属网层实现与负电荷实现连接，金属网层与电化学发生器的阴极连接使得工作槽内的酸性固体介质接触负电荷带有负电荷。
3.根据权利要求1或2所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，酸性固体介质的pH值为1～5。
4.根据权利要求3所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，步骤(2)中酸性固体介质的湿度为1～30％；步骤(2)中抛光时的温度为0～40℃。
5.根据权利要求1或4所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，步骤(2)中公转的转速与自转的转速的比为(5～30)：(2～8)。
6.根据权利要求5所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，公转的转速为30～150r/min。
7.根据权利要求2所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，所述工作槽下方安装有振动机。
8.根据权利要求7所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺，其特征在于，步骤(2)中抛光时振动机的频率为2000～4000Hz。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺的应用，其特征在于，物理与化学同时抛光工件的工艺用于金属工件的抛光。
10.根据权利要求9所述的一种物理与化学同时抛光工件的工艺的应用，其特征在于，所述金属工件为不锈钢、钛及其合金、钴铬合金、钴铬钼合金中的一种。
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