CN115533728A - 一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，包括执行部和驱动箱。执行部包括万向节，精抛轮，粗抛轮和保持架，执行部用于伸入管道内壁进行抛光。驱动箱包括控制系统、主轴、主轴电机、抛光液输出系统和用于调节主轴行程的主轴电机移动装置，驱动箱用于提供抛光动力，存储和泵送化学机械抛光液，设置抛光参数。执行部通过万向节柔性连接，顺应弯管曲线，避免折弯处过抛。通过设置保持架确保抛光轴线与弯管轴线重合，确保抛光的均匀性和一致性，避免薄壁管破损。通过主轴电机和丝杠电机联动驱动粗抛轮和精抛轮在管道内旋转和往复运动以及结合化学机械抛光液的作用，大幅提高了抛光后管道内壁的质量。

Description

一种柔性薄壁弯管内壁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，尤其涉及一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法。

背景技术

3D打印增材制造薄壁弯管类零件具有形状可随意定制，壁厚薄，质量轻，刚度高的优点，广泛应用在航空航天领域。但是，3D打印增材制造生产的零件由于特殊的成型工艺表面质量较差，表面粗糙度通常在Ra 10μm左右，而航空航天领域所用薄壁弯管类零件需要表面粗糙度Ra≤0.8μm。现有的管道内壁抛光的方法主要有磨料流抛光，机械珩磨，手工抛光。磨料流抛光容易在出口、入口处出现“过抛”、“倒棱”，严重影响管道的形位精度，且磨料流抛光需要较大的压力，抛光薄壁管道容易变形和破裂。机械珩磨通常使用刚性工具伸入管道内抛光，对于长径比较大的管道刚性工具容易在管道内颤振，且不适用于弯管抛光。手工抛光，抛光后表面一致性较差、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。且上述传统的以应力去除材料的抛光方式，抛光后残余损伤层厚，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化学机械抛光液与工件表面接触，其中的化学成份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。但是，化学机械抛光方法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，在薄壁弯管类零件抛光方面难以实现。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，可以实现抛光后薄壁弯管类零件内壁表面粗糙度Ra≤0.8μm，解决了现有3D打印增材制造薄壁弯管类零件表面粗糙度高难以在航空航天领域应用的难题。本发明采用的技术手段如下：

一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，包括执行部和驱动箱，所述执行部包括组装在一起的万向节、精抛轮、粗抛轮和保持架，其中精抛轮、粗抛轮至少为一个，所述粗抛轮和精抛轮两侧均设有所述保持架，精抛轮、粗抛轮及保持架之间通过万向节连接，所述执行部用于伸入管道内壁进行抛光，通过所述万向节和保持架的共同作用保证执行部在弯管里的运行状态；所述的驱动箱包括控制系统、主轴、主轴电机、抛光液输出系统和用于调节主轴行程的主轴电机移动装置，所述驱动箱用于提供抛光动力、存储和泵送化学机械抛光液、设置抛光参数，所述主轴电机的输出端与主轴相连，所述主轴与执行部的输入端相连，所述主轴电机与主轴电机移动装置相连，通过主轴、主轴电机和主轴电机移动装置的共同作用调节执行部在管道内壁的抛光状态；所述抛光液输出系统用于向待抛光管道内部供给化学机械抛光液。

进一步地，所述驱动箱上设置有部件收纳位和整体收纳位，所述部件收纳位，用于分别单独收纳不同规格的万向节、精抛轮、粗抛轮、保持架，以便损耗后单独更换；所述整体收纳位，用于整体收纳组装后的万向节、精抛轮、粗抛轮、保持架形成的执行部，以便整体取用。

进一步地，所述保持架用于保证加工轴线与管道轴线重合，确保执行部在弯管里的运行状态，在折弯处不会卡顿，不会使抛光轮在折弯处偏心导致过抛。

进一步地，所述万向节用于连接精抛轮，粗抛轮和保持架，并将驱动箱提供的动力传输至精抛轮和粗抛轮，同时起到抛光轮在在折弯处过渡的作用。

进一步地，所述粗抛轮用于粗抛，快速降低粗糙度，提高抛光效率，粗抛轮包括麻布轮、羊毛轮、纤维轮、聚氨酯轮。

进一步地，所述精抛轮用于精抛，确保抛光质量，降低残余损伤层，精抛轮包括麻布轮、羊毛轮、纤维轮、聚氨酯轮，精抛轮需要比粗抛轮具有更细腻的质地，以满足精抛的需要。抛光时，粗抛轮和精抛轮以及化学机械抛光液中的磨粒的协同机械作用，去除化学机械抛光液中化学成份导致的工件表面软化层，周而复始，达到内壁精密抛光。

进一步地，所述控制系统用于集成控制主轴电机转速，抛光液泵转速，丝杠电机转速。

进一步地，所述抛光液输出系统包括抛光液箱、抛光液泵和抛光液出口，所述抛光液箱用于盛放化学机械抛光液，所述抛光液泵用于将抛光液箱中的化学机械抛光液泵送至抛光液出口。

进一步地，所述主轴电机为主轴提供动力，所述主轴为驱动箱动力输出端，用于连接执行部，主轴电机旋转时带动执行部在管道内旋转；所述主轴电机移动装置包括活动支架、丝杠、导轨和丝杠电机，所述导轨安装于部件收纳位背面底部；所述活动支架安装于导轨上，可沿导轨滑动，主轴电机安装于活动支架上；所述丝杠电机安装于部件收纳位背面底部另一端，用于为丝杠提供动力，丝杠旋转时能带动活动支架沿着导轨平移，进而带动主轴电机和主轴平移，进而带动执行部在管道内平移。

进一步地，驱动箱的底部设有支座，所述支座为驱动箱提供支撑。

本发明还公开了基于上述柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装置的一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光方法，包括如下步骤：

步骤1、将保持架、万向节、粗抛轮和精抛轮等部件从驱动箱中拿出，按照保持架，万向节，粗抛轮，万向节，保持架，万向节，精抛轮，万向节，保持架的顺序依次连接成执行部。连接时粗抛轮和精抛轮两侧必需安装保持架，以保证抛光轴线与弯管轴线重合。连接时根据管道长度增加抛光轮的数量，也可以根据实际需要重复串联粗抛轮或精抛轮，或者先全部串联粗抛轮，粗抛完整后全部串联精抛轮进行精密抛光。

步骤2、将连接完成的执行部插入弯管工件中，将执行部的末端通过万向节或者软轴与驱动箱的主轴相连接。在抛光液箱中加入化学机械抛光液。固定工件，以免抖动影响抛光效果。

步骤3、准备一根塑料管一端与驱动箱的抛光液出口相连，一端置于有执行部的工件口，使得化学机械抛光液可以通入工件中。

步骤4、开启抛光液泵，开启主轴电机，开启丝杠电机，运行参数通过控制系统根据实际情况调整。执行部中各抛光轮在旋转的同时，在丝杠电机的带动下在管道内往复运动。

步骤5、抛光结束后，关闭抛光液泵，关闭主轴电机，关闭丝杠电机，抽出执行部，并将其按需放入驱动箱中的部件收纳位或整体收纳位。

本发明具有以下优点：

1.本发明提供了一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，其通过粗抛轮和精抛轮以及化学机械抛光液中磨粒的协同机械作用，去除化学机械抛光液中化学成份导致的工件表面软化层，周而复始，达到薄壁弯管内壁精密抛光。解决了传统抛光方法难以/无法抛光薄壁弯管内壁的难题。

2.本发明提供了一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，其通过万向节柔性连接，顺应弯管曲线，避免折弯处过抛；通过设置保持架确保抛光轴线与弯管轴线重合，确保抛光的均匀性和一致性，避免薄壁管破损；通过主轴电机和丝杠电机联动驱动粗抛轮和精抛轮在管道内旋转和往复运动以及结合化学机械抛光液的作用，大幅提高了抛光后管道内壁的质量。

3.本发明提供了一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，其通过更换不同直径的抛光轮可以适用于不同管径内壁抛光，通用性强，且抛光过程不会产生粉尘和噪音污染，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执行部在半剖管道中的三维结构示意图。

图2为本发明实施例中装置的驱动箱三维结构示意图。

图3为本发明实施例中装置的驱动箱底部视角的三维结构示意图。

图4为本发明实施例中保持架的三维结构示意图。

图5为本发明实施例中所抛光工件实物图。

图6为本发明实施例中所抛光工件内壁抛光前的光学照片1。

图7为本发明实施例中所抛光工件内壁抛光前的光学照片2。

图8为本发明实施例中所抛光工件内壁抛光后的光学照片1。

图9为本发明实施例中所抛光工件内壁抛光后的光学照片2。

图10为本发明实施例中所抛光工件内壁抛光后的表面粗糙度测量照片1。

图11为本发明实施例中所抛光工件内壁抛光后的表面粗糙度测量照片2。

图中：1、工件；2、万向节；3、精抛轮；4、粗抛轮；5、保持架；5.1、保持架外圈；5.2、保持架滚珠；5.3、保持架内圈；5.4、保持架芯轴；6、驱动箱；6.1、部件收纳位；6.2、整体收纳位；6.3、控制系统；6.4、主轴；6.5、主轴电机；6.6、抛光液出口；6.7、抛光液泵；6.8、抛光液箱；6.9、活动支架；6.10、丝杠；6.11、导轨；6.12、丝杠电机；6.13支座。

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柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，抛光过程中通过粗抛轮4和精抛轮3以及化学机械抛光液中磨粒的协同机械作用，去除化学机械抛光液中化学成份导致的工件1表面软化层，周而复始，达到薄壁弯管内壁精密抛光。解决了传统抛光方法难以/无法抛光薄壁弯管内壁的难题。

一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，包括执行部和驱动箱6。所述执行部包括万向节2，精抛轮3，粗抛轮4和保持架5，执行部用于伸入工件1内部对内壁进行抛光。所述的驱动箱6包括部件收纳位6.1，整体收纳位6.2，控制系统6.3，主轴6.4，主轴电机6.5，抛光液出口6.6，抛光液泵6.7，抛光液箱6.8，活动支架6.9，丝杠6.10，导轨6.11，丝杠电机6.12和支座6.13，驱动箱6用于提供抛光动力，存储和泵送化学机械抛光液，设置抛光参数。

具体地，所述保持架5为设有芯轴的滚套结构，包括保持架外圈5.1，保持架滚珠5.2，保持架内圈5.3，保持架芯轴5.4，保持架外圈5.1嵌套在保持架内圈5.3，嵌套后在内外圈之间形成滚道，保持架滚珠5.2间隔安装在滚道内，保持架内圈5.3中心设有保持架芯轴5.4，其与保持架内圈5.3和保持架外圈5.1同轴。保持架5用于保证加工轴线与管道轴线重合，确保执行部在弯管里的运行状态，在折弯处不会卡顿，不会使抛光轮在折弯处偏心导致过抛。

具体地，所述万向节2为十字轴式万向节，用于连接精抛轮3，粗抛轮4和保持架5，并将驱动箱6提供的动力传输至精抛轮3和粗抛轮4，同时起到抛光轮在折弯处渐变过渡的作用。

具体地，所述粗抛轮4用于粗抛，快速降低粗糙度，提高抛光效率，粗抛轮4可以是麻布轮、羊毛轮、纤维轮、聚氨酯轮等等。

具体地，所述精抛轮3用于精抛，确保抛光质量，降低残余损伤层，精抛轮3同样可以是麻布轮、羊毛轮、纤维轮、聚氨酯轮等等，精抛轮3需要比粗抛轮4具有更细腻的质地，以满足精抛的需要。抛光时，粗抛轮4和精抛轮3以及化学机械抛光液中的磨粒的协同机械作用，去除化学机械抛光液中化学成份导致的工件表面软化层，周而复始，达到内壁精密抛光。

具体地，所述部件收纳位6.1，用于分别单独收纳万向节2、精抛轮3、粗抛轮4、保持架5，以便损耗后单独更换。

具体地，所述整体收纳位6.2，用于整体收纳万向节2、精抛轮3、粗抛轮4、保持架5等串联在一起的执行部，以便整体取用。

具体地，所述控制系统6.3用于集成控制主轴电机6.5转速，抛光液泵6.7转速，丝杠电机6.12转速。

具体地，所述主轴电机6.5为主轴6.4提供动力，所述主轴6.4为驱动箱6动力输出端，用于连接执行部，主轴电机6.5旋转时带动执行部在管道内旋转。

具体地，所述抛光液箱6.8安装于整体收纳位6.2背面底部，用于盛放化学机械抛光液，所述抛光液泵6.7用于将抛光液箱6.8中的化学机械抛光液泵送至抛光液出口6.6。

具体地，所述导轨6.11安装于部件收纳位6.1背面底部；所述活动支架6.9安装于导轨6.11，可沿导轨6.11滑动，主轴电机6.5安装于活动支架6.9；所述丝杠电机6.12安装于部件收纳位6.1背面底部另一端，为丝杠6.10提供动力，丝杠6.10旋转时能带动活动支架6.9沿着导轨6.11平移，进而带动主轴电机6.5和主轴6.4平移，进而带动执行部在管道内平移。

具体地，所述支座6.13为驱动箱6提供支撑。

本实施例抛光时采用的工件1如图5所示，其为3D打印薄壁弯管，壁厚1mm，管径5cm，管长45cm，抛光前弯管内壁表面粗糙度为Ra 10μm左右，抛光前弯管内壁表面质量如图6、7所示，表面质量较差，表面粘附大量半熔粉末和烧结瘤。采用本实施例抛光后，弯管内壁表面质量如图8、9所示，表面光滑，光亮，半镜面，无半熔粉末和烧结瘤。抛光后弯管内壁表面粗糙度为Ra 0.488～0.533μm，低于Ra 0.8μm的使用要求，粗糙度测量结果如图10、11所示。因此，本实施例对3D打印薄壁弯管内壁抛光具有十分优异的效果。

一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备与方法，包括如下步骤：

步骤1、将保持架5、万向节2、粗抛轮4和精抛轮3等部件从驱动箱6中拿出，按照保持架5，万向节2，粗抛轮4，万向节2，保持架5，万向节2，精抛轮3，万向节2，保持架5的顺序依次连接成执行部。连接时粗抛轮4和精抛轮3两侧必需安装保持架5，以保证抛光轴线与弯管轴线重合。连接时根据管道长度增加抛光轮的数量，也可以根据实际需要重复串联粗抛轮4或精抛轮3，或者先全部串联粗抛轮4，粗抛完整后全部串联精抛轮3进行精密抛光。

步骤2、将连接完成的执行部插入弯管工件1中，将执行部的末端通过万向节2或者软轴与驱动箱6的主轴6.4相连接。在抛光液箱6.8中加入化学机械抛光液。固定工件1，以免抖动影响抛光效果。

步骤3、准备一根塑料管一端与驱动箱6的抛光液出口6.6相连，一端置于有执行部的工件1口，使得化学机械抛光液可以通入工件1中。

步骤4、开启抛光液泵6.7，开启主轴电机6.5，开启丝杠电机6.12，运行参数通过控制系统6.3根据实际情况调整。执行部中各抛光轮在旋转的同时，在丝杠电机6.12的带动下在管道内往复运动。

步骤5、抛光结束后，关闭抛光液泵6.7，关闭主轴电机6.5，关闭丝杠电机6.12，抽出执行部，并将其按需放入驱动箱6中的部件收纳位6.1或整体收纳位6.2。

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 (10)

1.一种柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，包括执行部和驱动箱，所述执行部包括组装在一起的万向节、精抛轮、粗抛轮和保持架，其中精抛轮、粗抛轮至少为一个，所述粗抛轮和精抛轮两侧均设有所述保持架，精抛轮、粗抛轮及保持架之间通过万向节连接，所述执行部用于伸入管道内壁进行抛光，通过所述万向节和保持架的共同作用保证执行部在弯管里的运行状态；所述的驱动箱包括控制系统、主轴、主轴电机、抛光液输出系统和用于调节主轴行程的主轴电机移动装置，所述驱动箱用于提供抛光动力、存储和泵送化学机械抛光液、设置抛光参数，所述主轴电机的输出端与主轴相连，所述主轴与执行部的输入端相连，所述主轴电机与主轴电机移动装置相连，通过主轴、主轴电机和主轴电机移动装置的共同作用调节执行部在管道内壁的抛光状态；所述抛光液输出系统用于向待抛光管道内部供给化学机械抛光液。

2.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，所述驱动箱上设置有部件收纳位和整体收纳位，所述部件收纳位，用于分别单独收纳万向节、精抛轮、粗抛轮、保持架，以便损耗后单独更换；所述整体收纳位，用于整体收纳组装后的万向节、精抛轮、粗抛轮、保持架形成的执行部，以便整体取用。

3.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，所述保持架用于保证加工轴线与管道轴线重合，确保执行部在弯管里的运行状态，在折弯处不会卡顿，不会使抛光轮在折弯处偏心导致过抛，具体地，所述保持架为设有芯轴的滚套结构，包括保持架外圈、保持架滚珠、保持架内圈和保持架芯轴，保持架外圈嵌套在保持架内圈中，嵌套后在内外圈之间形成滚道，保持架滚珠间隔安装在滚道内，保持架内圈中心设有保持架芯轴，其与保持架内圈和保持架外圈同轴。

4.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，所述万向节用于连接精抛轮，粗抛轮和保持架，并将驱动箱提供的动力传输至精抛轮和粗抛轮，同时起到抛光轮在在折弯处过渡的作用。

5.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，所述粗抛轮用于粗抛，快速降低粗糙度，提高抛光效率，粗抛轮包括麻布轮、羊毛轮、纤维轮、聚氨酯轮；所述精抛轮用于精抛，确保抛光质量，降低残余损伤层，精抛轮包括麻布轮、羊毛轮、纤维轮、聚氨酯轮，精抛轮需要比粗抛轮具有更细腻的质地，以满足精抛的需要。

6.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，所述控制系统用于集成控制主轴电机转速，抛光液泵转速，丝杠电机转速。

7.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，所述抛光液输出系统包括抛光液箱、抛光液泵和抛光液出口，所述抛光液箱用于盛放化学机械抛光液，所述抛光液泵用于将抛光液箱中的化学机械抛光液泵送至抛光液出口。

8.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，所述主轴电机为主轴提供动力，所述主轴为驱动箱动力输出端，用于连接执行部，主轴电机旋转时带动执行部在管道内旋转；所述主轴电机移动装置包括活动支架、丝杠、导轨和丝杠电机，所述导轨安装于部件收纳位背面底部；所述活动支架安装于导轨上，可沿导轨滑动，主轴电机安装于活动支架上；所述丝杠电机安装于部件收纳位背面底部另一端，用于为丝杠提供动力，丝杠旋转时能带动活动支架沿着导轨平移，进而带动主轴电机和主轴平移，进而带动执行部在管道内平移。

9.根据权利要求1所述的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装备，其特征在于，驱动箱的底部设有支座，所述支座为驱动箱提供支撑。

10.一种权利要求1～9任一项所述柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光装置的柔性薄壁弯管内壁化学机械抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将保持架、万向节、粗抛轮和精抛轮从驱动箱中拿出，按照保持架，万向节，粗抛轮，万向节，保持架，万向节，精抛轮，万向节，保持架的顺序依次连接成执行部，连接时粗抛轮和精抛轮两侧必需安装保持架，以保证抛光轴线与弯管轴线重合，连接时根据管道长度增加抛光轮的数量，根据实际需要重复串联粗抛轮或精抛轮，或者先全部串联粗抛轮，粗抛完整后全部串联精抛轮进行精密抛光；

步骤2、将连接完成的执行部插入弯管工件中，将执行部的末端通过万向节或者软轴与驱动箱的主轴相连接，在抛光液箱中加入化学机械抛光液；固定工件，以免抖动影响抛光效果；

步骤3、准备一根塑料管一端与驱动箱的抛光液出口相连，一端置于有执行部的工件口，使得化学机械抛光液可以通入工件中；

步骤4、开启抛光液泵，开启主轴电机，开启丝杠电机，运行参数通过控制系统根据实际情况调整，执行部中各抛光轮在旋转的同时，在丝杠电机的带动下在管道内往复运动；

步骤5、抛光结束后，关闭抛光液泵，关闭主轴电机，关闭丝杠电机，抽出执行部，并将其按需放入驱动箱中的部件收纳位或整体收纳位。

Images