CN115464470A - 一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，包括床身和安装在床身内的驱动台、Z升降导轨、磁力模块，抛光液槽、抛光液喷射循环系统、抛光液管路、Z升降丝杠、毛刷模块、毛刷辊台、抛光液喷嘴和控制系统。抛光时，化学机械抛光液与工件反应形成软化层。同时，磁力模块通过磁力扰动抛光液槽中的磁性介质运动，磁性介质在运动时磨抛工件表面的软化层。毛刷辊在自转和平移运动时也磨抛工件表面的软化层。磁性介质与毛刷辊同时带动化学机械抛光液中的磨粒磨抛工件表面的软化层。本发明实现了花键轴的精密抛光，抛光后花键齿面、底面粗糙度均低于Ra 0.8μm，解决了现有传统加工方法难以/无法抛光大长径比花键轴类零件的难题。

Description

一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法
技术领域
本发明涉及机械加工设备技术领域，尤其涉及一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法。
背景技术
大长径比花键轴，长径比大于50，长度大于4m，渐开线花键长度占轴长的90％，加工后表面粗糙度Ra≥3.2μm，而使用要求表面粗糙度Ra≤0.8μm。面对此类零件，传统花键抛光设备行程不足，这将导致抛光过程的二次夹装，严重影响其形位精度。且现有的机械磨抛，如软砂带磨抛、磁流变磨料流磨抛、机器人磨抛等抛光方法不可避免的会导致抛光过程无法保证零件的形位精度，导致复杂曲面零件不满足设计要求。软砂带磨抛和磁流变磨料流磨抛容易出现“过抛”、“倒棱”，严重影响复杂曲面的形位精度和表面微观形貌。机器人磨抛通常为悬臂梁结构，末端执行器受力后悬臂梁会发生颤振，这将严重影响抛光精度。某些领域的复杂曲面高性能零件国内外通常采用手工磨抛达到表面粗糙度要求。但是，手工磨抛劳动强度大、效率低、质量不稳定，容易使操作者吸入粉尘造成职业病。综上所述，传统的机械磨抛采用复杂的机械运动应力去除前道工序留下的加工纹，加工效率低，加工后残余损伤层厚，达不到化学机械抛光的水平。
化学机械抛光工艺流程可简单归结为对工件施加一定的压力使其压在旋转的抛光垫上，同时抛光液与工件表面发生化学反应，使工件表面形成薄膜软化层，随后薄膜软化层在磨料、抛光垫的机械作用下去除，在不断交替进行的化学成膜和机械去膜过程中实现表面平坦化。化学机械抛光通常应用于平面零件的抛光，是目前可以达到全局平坦化的最有效的方法。对于复杂曲面高性能零件的化学机械抛光目前较难实现。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，可以实现一次夹装就能加工制造出表面粗糙度Ra≤0.8μm的表面，解决了现有传统加工方法难以/无法抛光大长径比花键轴类零件的难题。本发明采用的技术手段如下：
一种大长径比花键轴化学机械抛光装备，包括床身和安装在床身内的驱动台、驱动台升降装置、磁力模块、抛光液槽、抛光液喷射循环系统、抛光液管路、毛刷模块、毛刷辊台、抛光液喷嘴和控制系统，所述驱动台为两个且安装于床身两侧，其用于安装工件并并使其绕Y轴旋转，所述驱动台升降装置用于保持工件的Z向高度，两侧驱动台能同时Y向相背、相向平移，能同时Z向升降，便于夹装工件，所述抛光液槽、抛光液喷射循环系统、抛光液管路和抛光液喷嘴构成化学机械抛光液循环系统，用于在工件表面形成软化层，所述抛光液槽中设有磁性介质，所述磁性介质用于在运动时磨抛工件表面的软化层，所述磁力模块用于通过磁力扰动抛光液槽中的磁性介质运动，所述毛刷模块和毛刷辊台用于在自转和平移运动时磨抛工件表面的软化层。
进一步地，所述驱动台包括驱动电机和卡盘，所述驱动台升降装置包括驱动台升降架，所述驱动电机的输出端与卡盘相连，通过所述卡盘夹持工件，所述驱动台底部设有Y向导轨和Y向丝杠电机，实现驱动台的Y向运动。
进一步地，Z升降导轨和Z升降丝杠安装于床身，用于安装毛刷辊台并控制毛刷辊台与工件之间的距离。
进一步地，所述磁力模块包括磁盘、磁体、磁力模块丝杠、磁力模块导轨、磁力模块支座、磁力模块电机，其安装于抛光液槽底部，用于提供绕Z轴旋转并能沿着Y轴往复平移的磁场力。若干所述磁力模块支座等间距安装于磁力模块丝杠和磁力模块导轨上，能随着磁力模块丝杠的转动沿着磁力模块导轨同时Y向平移。所述磁力模块电机垂直安装于磁力模块支座中间。所述磁盘安装于磁力模块电机的主轴上，且磁盘上表面开设有安装空位。所述磁体安装于磁盘的安装空位内。磁力模块支座在Y向平移时，磁盘能平移覆盖整个抛光液槽的底部。
进一步地，所述抛光液槽位于磁力模块之上且与磁力模块之间存在间隙，其用于盛放收集抛光液，所述抛光液槽为薄壁凹槽状结构，两侧开有便于夹装工件的圆弧凹槽，材料为耐腐蚀塑料材质。
进一步地，所述抛光液喷射循环系统用于收集循环抛光液，其通过抛光液管路与抛光液喷嘴相通，所述抛光液喷射循环系统与抛光液槽相连。
进一步地，所述毛刷模块包括毛刷辊、毛刷辊支座、毛刷辊丝杠、毛刷辊导轨，所述毛刷辊通过毛刷辊支座安装于毛刷辊台底部，毛刷辊可以绕自身旋转轴旋转，用于提供均匀的抛光力。毛刷辊台底部设有毛刷辊丝杠和毛刷辊导轨，其用于为毛刷辊提供Y向往复平移自由度。
进一步地，所述控制系统用于集成控制各部件的运行，设置运行参数。
进一步地，抛光时，化学机械抛光液被喷射在工件表面，其中的化学成份与工件反应，在工件表面形成软化层。同时，磁力模块通过磁力扰动抛光液槽中的磁性介质运动，磁性介质在运动时磨抛工件表面的软化层。毛刷辊在自转和平移运动时也磨抛工件表面的软化层。磁性介质与毛刷辊同时带动化学机械抛光液中的磨粒磨抛工件表面的软化层。磁性介质、毛刷辊和化学机械抛光液中磨粒的协同机械作用与化学机械抛光液中化学成份的腐蚀软化作用相耦合，实现了花键轴的精密抛光。
一种大长径比花键轴化学机械抛光方法，包括如下步骤：
步骤1、控制系统控制毛刷辊台上升至Z向最大位移处，两侧驱动台相背运行至最大位移处，将工件置于抛光液槽内。
步骤2、两侧驱动台相向运行，调节驱动台高度，并将工件夹装在两侧卡盘内，毛刷辊台下降至毛刷辊与工件接触，接触距离视情况而定。
步骤3、在抛光液槽内添加磁力介质(磁针和磁珠)，在抛光液喷射循环系统内添加化学机械抛光液。
步骤4、开启抛光液喷射循环系统，化学机械抛光液通过抛光液喷嘴喷向工件，并收集循环。开启毛刷模块，毛刷辊旋转，并沿着Y轴做往复平移。开启磁力模块，磁盘旋转，并沿着Y轴做往复平移，带动磁力介质在抛光液槽内运动。开启驱动台，卡盘带动工件缓慢间歇旋转。工件在缓慢间歇旋转过程中，工件上下部位分别被毛刷辊和磁性介质处理。根据抛光情况调整各部件运行参数。
步骤5、抛光结束后，卡盘停止转动，关闭磁力模块，升起毛刷辊台，关闭抛光液喷射循环系统，松开卡盘，卸下工件。化学机械抛光液回收至抛光液喷射循环系统中，磁性介质留在抛光液槽中。
本发明具有以下优点：
1.本发明提供了一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，其可以一次装夹就能抛光处理长径比大于50，长度大于4m的花键轴，避免了多次装夹导致加工精度低的问题。基于化学机械抛光原理，通过顶部的毛刷辊和底部的磁力介质协同增强化学机械抛光液的中的机械作用力，能显著提高抛光效率，解决了现有大长径比花键轴无法抛光处理的难题。
2.本发明提供了一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，其抛光时，化学机械抛光液被喷射在工件表面，其中的化学成份与工件反应，在工件表面形成软化层。同时，磁力模块通过磁力扰动抛光液槽中的磁性介质运动，磁性介质在运动时磨抛工件表面的软化层。毛刷辊在自转和平移运动时也磨抛工件表面的软化层。磁性介质与毛刷辊同时带动化学机械抛光液中的磨粒磨抛工件表面的软化层。磁性介质、毛刷辊和化学机械抛光液中磨粒的协同机械作用与化学机械抛光液中化学成份的腐蚀软化作用相耦合，实现了花键轴的精密抛光。
3.本发明提供了一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，其克服了现有复杂曲面通过手工磨抛效率低、形位精度低、产品差异大的缺点；克服了磁流变磨料流抛光易出现“过抛”、“倒棱”严重影响复杂曲面的形位精度和表面微观形貌的缺点；克服了机器人抛光由于自身悬臂梁结构易颤振导致抛光精度差的缺点。整个抛光过程可实现高质量，高效率的渐开线花键齿廓、齿根的抛光加工，抛光后的花键轴保证了其设计时所要求的形位精度，且具小于0.8μm的表面粗糙度。
4.本发明提供了一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，其抛光过程不产生粉尘和噪音污染，且化学机械抛光液与磁性介质可以重复循环使用，整个抛光过程环保且成本低廉。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中装置的三维总装结构示意图。
图2为本发明实施例中装置的驱动台部分结构装配示意图。
图3为本发明实施例中装置的毛刷模块部分结构装配示意图。
图4为本发明实施例中装置的磁力模块部分结构装配示意图。
图中：1、驱动台；1.1、驱动电机；1.2、驱动台升降架；1.3、卡盘；2、Z升降导轨；3、磁力模块；3.1、磁盘；3.2、磁体；3.3、磁力模块丝杠；3.4、磁力模块导轨；3.5、磁力模块支座；3.6、磁力模块电机；4、抛光液槽；5、工件；6、抛光液喷射循环系统；7、抛光液管路；8、Z升降丝杠；9、毛刷模块；9.1、毛刷辊；9.2毛刷辊支座；9.3、毛刷辊丝杠；9.4、毛刷辊导轨；10、毛刷辊台；11、抛光液喷嘴；12、床身；13、控制系统。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
如图1～4所示，本发明实施例公开了一种大长径比花键轴化学机械抛光装备，装备为卧式结构，经控制系统13集成控制。抛光时工件只需一次夹装，避免了多次装夹导致加工精度低的问题。基于化学机械抛光原理，通过顶部的毛刷辊9.1和底部的磁力介质协同增强化学机械抛光液的中的机械作用力，能显著提高抛光效率，解决了现有大长径比花键轴无法抛光处理的难题。
一种大长径比花键轴化学机械抛光装备，包括床身12和安装在床身12内的驱动台1、Z升降导轨2、磁力模块3，抛光液槽4、抛光液喷射循环系统6、抛光液管路、Z升降丝杠8、毛刷模块9、毛刷辊台10、抛光液喷嘴11和控制系统13。所述驱动台1安装于床身两侧，并设有驱动电机1.1、驱动台升降架1.2、卡盘1.3。所述驱动台升降架1.2安装于床身12，具备Y向，Z向平移自由度。所述驱动电机1.1安装于驱动台升降架1.2上，所述卡盘1.3安装于驱动电机1.1的输出端，驱动电机1.1为卡盘1.3提供动力。驱动台1用于保持工件5的Z向高度并使其绕Y轴旋转，两侧驱动台1能同时Y向相背、相向平移，能同时Z向升降，便于夹装工件5。本实施例中，驱动台底部装有Y向导轨和丝杠电机，通过丝杠电机的动作实现卡盘的Y向夹紧或是松开。
具体地，设置的多组所述Z升降导轨2和Z升降丝杠8安装于床身，竖向多点布置于毛刷辊台10的四周，用于支撑并控制毛刷辊台10与工件5之间的距离。
具体地，所述磁力模块3包括磁盘3.1、磁体3.2、磁力模块丝杠3.3、磁力模块导轨3.4、磁力模块支座3.5、磁力模块电机3.6，磁力模块3整体安装于抛光液槽4底部。所述磁力模块丝杠3.3和磁力模块导轨3.4安装于床身，其支撑作用。所述磁力模块支座3.5等间距安装于磁力模块丝杠3.3和磁力模块导轨3.4上，能随着磁力模块丝杠3.3的转动沿着磁力模块导轨3.4同时Y向平移。所述磁力模块电机3.6垂直安装于磁力模块支座3.5中间。所述磁盘3.1安装于磁力模块电机3.6的主轴上，且磁盘3.1上表面开设有安装空位。所述磁体3.2安装于磁盘3.1的安装空位内。磁力模块支座3.5在Y向平移时，磁盘3.1能平移覆盖整个抛光液槽4的底部。本实施例中，若干大小磁体间隔布置，相邻的磁体面向抛光槽的磁极不同。
具体地，所述抛光液槽4为薄壁凹槽状结构，两侧开有便于夹装工件5的圆弧凹槽，材料为耐腐蚀塑料材质，其安装于床身12，位于磁力模块3与毛刷模块9之间，与磁力模块3之间存在间隙。
具体地，所述毛刷辊台10安装于Z升降导轨和Z升降丝杠上，通过Z升降丝杠控制其与工件5之间的距离。
具体地，所述毛刷模块9包括毛刷辊9.1、毛刷辊支座9.2、毛刷辊丝杠9.3、毛刷辊导轨9.4。所述毛刷辊丝杠9.3和毛刷辊导轨9.4安装于毛刷辊台10底部。所述毛刷辊9.1为圆柱状结构，圆柱面布有附着磨料的长毛刷，通过电机驱动绕自身旋转轴旋转。毛刷辊9.1可拆卸地通过毛刷辊支座9.2等间距安装于毛刷辊丝杠9.3和毛刷辊导轨9.4，随着毛刷辊丝杠9.3的转动毛刷辊9.1同时沿着毛刷辊导轨9.4在Y向平移，在平移时能覆盖到整个待抛光表面。毛刷辊9.1可以更换为不同材质，例如，尼龙辊，麻布辊，聚氨酯辊等等。
具体地，所述抛光液喷射循环系统6用于收集循环抛光液，其通过抛光液管路7与抛光液喷嘴11相通。抛光液喷嘴11间隔安装于抛光液槽4上部，正对工件5。抛光液喷嘴11喷出的化学机械抛光液作用于工件5后收集在抛光液槽4内并回收至抛光液喷射循环系统6。
具体地，所述控制系统13用于集成控制各部件的运行，设置运行参数。
具体地，抛光时，化学机械抛光液被喷射在工件5表面，其中的化学成份与工件5反应，在工件5表面形成软化层。同时，磁力模块3通过磁力扰动抛光液槽4中的磁性介质运动，磁性介质在运动时磨抛工件5表面的软化层。毛刷辊9.1在自转和平移运动时也磨抛工件5表面的软化层。磁性介质与毛刷辊9.1同时带动化学机械抛光液中的磨粒磨抛工件5表面的软化层。磁性介质、毛刷辊9.1和化学机械抛光液中磨粒的协同机械作用与化学机械抛光液中化学成份的腐蚀软化作用相耦合，实现了花键轴的精密抛光。
本实施例抛光时采用的工件5为渐开线花键轴，模数5mm，花键齿数48，花键外径Φ200mm，花键总长12500mm，轴总长13500mm，抛光前经测量花键齿面粗糙度约为Ra 3.5μm，花键底面粗糙度约为Ra 3.8μm。采用本实施例抛光后，花键齿面粗糙度降低至Ra 0.6μm左右，花键底面粗糙度降低至Ra 0.8μm左右，整个花键齿面、底面粗糙度均匀。因此，本实施例对大长径比花键轴抛光具有十分优异的效果。
一种大长径比花键轴化学机械抛光装备与方法，包括如下步骤：
步骤1、控制系统13控制毛刷辊台10上升至Z向最大位移处，两侧驱动台1相背运行至最大位移处，将工件5置于抛光液槽4内。
步骤2、两侧驱动台1相向运行，调节驱动台1高度，并将工件5夹装在两侧卡盘1.3内，毛刷辊台10下降至毛刷辊9.1与工件5接触，接触距离视情况而定。
步骤3、在抛光液槽4内添加磁力介质(本实施例中可选用磁针和磁珠)，在抛光液喷射循环系统6内添加化学机械抛光液。
步骤4、开启抛光液喷射循环系统6，化学机械抛光液通过抛光液喷嘴11喷向工件5，并收集循环。开启毛刷模块9，毛刷辊9.1旋转，并沿着Y轴做往复平移。开启磁力模块3，磁盘3.1旋转，并沿着Y轴做往复平移，带动磁力介质在抛光液槽4内运动。开启驱动台1，卡盘1.3带动工件5缓慢间歇旋转。工件5在缓慢间歇旋转过程中，工件5上下部位分别被毛刷辊9.1和磁性介质处理。根据抛光情况调整各部件运行参数。
步骤5、抛光结束后，卡盘1.3停止转动，关闭磁力模块3，升起毛刷辊台10，关闭抛光液喷射循环系统6，松开卡盘1.3，卸下工件5。化学机械抛光液回收至抛光液喷射循环系统6中，磁性介质留在抛光液槽4中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，包括床身和安装在床身内的驱动台、驱动台升降装置、磁力模块、抛光液槽、抛光液喷射循环系统、抛光液管路、毛刷模块、毛刷辊台、抛光液喷嘴和控制系统，所述驱动台为两个且安装于床身两侧，其用于安装工件并使其绕Y轴旋转，所述驱动台升降装置用于保持工件的Z向高度，两侧驱动台能同时Y向相背、相向平移，能同时Z向升降，便于夹装工件，所述抛光液槽、抛光液喷射循环系统、抛光液管路和抛光液喷嘴构成化学机械抛光液循环系统，用于通过化学机械抛光液在工件表面形成软化层，所述抛光液槽中设有磁性介质，所述磁性介质用于在运动时磨抛工件表面的软化层，所述磁力模块用于通过磁力扰动抛光液槽中的磁性介质运动，所述毛刷模块和毛刷辊台用于在自转和平移运动时磨抛工件表面的软化层。
2.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，所述驱动台包括驱动电机和卡盘，所述驱动台升降装置包括驱动台升降架，所述驱动电机的输出端与卡盘相连，通过所述卡盘夹持工件，所述驱动台底部设有Y向导轨和Y向丝杠电机，实现驱动台的Y向运动。
3.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，床身上还安装有Z升降导轨和Z升降丝杠，二者用于安装毛刷辊台并控制毛刷辊台与工件之间的距离。
4.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，所述磁力模块包括磁盘、磁体、磁力模块丝杠、磁力模块导轨、磁力模块支座、磁力模块电机，其安装于抛光液槽底部，用于提供绕Z轴旋转并能沿着Y轴往复平移的磁场力，若干所述磁力模块支座等间距安装于磁力模块丝杠和磁力模块导轨上，各磁力模块支座能够随着磁力模块丝杠的转动沿着磁力模块导轨同时Y向平移，所述磁力模块电机垂直安装于磁力模块支座中间，所述磁盘安装于磁力模块电机的主轴上，且磁盘上表面开设有安装空位，所述磁体安装于磁盘的安装空位内，磁力模块支座在Y向平移时，磁盘能平移覆盖整个抛光液槽的底部。
5.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，所述抛光液槽位于磁力模块之上且与磁力模块之间存在间隙，其用于盛放收集抛光液，所述抛光液槽为薄壁凹槽状结构，两侧开有便于夹装工件的圆弧凹槽，材料为耐腐蚀塑料材质。
6.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，所述抛光液喷射循环系统用于收集循环抛光液，其通过抛光液管路与抛光液喷嘴相通，所述抛光液喷射循环系统与抛光液槽相连。
7.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，所述毛刷模块包括毛刷辊、毛刷辊支座、毛刷辊丝杠、毛刷辊导轨，所述毛刷辊通过毛刷辊支座安装于毛刷辊台底部，毛刷辊可以绕自身旋转轴旋转，用于提供均匀的抛光力，毛刷辊台底部设有毛刷辊丝杠和毛刷辊导轨，其用于为毛刷辊提供Y向往复平移自由度。
8.根据权利要求1所述的大长径比花键轴化学机械抛光装备，其特征在于，所述控制系统用于集成控制各部件的运行，设置运行参数。
9.一种权利要求1～8任一项所述大长径比花键轴化学机械抛光装备的抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、控制系统控制毛刷辊台上升至Z向最大位移处，两侧驱动台相背运行至最大位移处；将工件置于抛光液槽内；
步骤2、两侧驱动台相向运行，调节驱动台高度，并将工件夹装在两侧卡盘内，毛刷辊台下降至毛刷辊与工件接触的位置，接触距离视情况而定；
步骤3、在抛光液槽内添加磁力介质，在抛光液喷射循环系统内添加化学机械抛光液；
步骤4、开启抛光液喷射循环系统，化学机械抛光液通过抛光液喷嘴喷向工件，并收集循环；开启毛刷模块，毛刷辊旋转，并沿着Y轴做往复平移；
开启磁力模块，磁盘旋转，并沿着Y轴做往复平移，带动磁力介质在抛光液槽内运动；
开启驱动台，卡盘带动工件缓慢间歇旋转；工件在缓慢间歇旋转过程中，工件上下部位分别被毛刷辊和磁性介质处理；根据抛光情况调整各部件运行参数；
步骤5、抛光结束后，卡盘停止转动，关闭磁力模块，升起毛刷辊台，关闭抛光液喷射循环系统，松开卡盘，卸下工件；化学机械抛光液回收至抛光液喷射循环系统中，磁性介质留在抛光液槽中。
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