CN1686668A - 砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法及装置 - Google Patents

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种砂轮约束磨粒喷射精密加工方法，包括砂轮磨削、磨粒喷射等工序，其特征在于磨粒流由加压泵喷射出来后，磨料流体在砂轮外圆周的约束之下，借助于砂轮转动的离心力、拖曳力以及在砂轮与工件之间楔形区流体压力场和速度场的作用下获得的动量实施其对工件表面的精微去除加工。本发明还提出了一种实施上面精密加工方法的装置，它包括磨床、砂轮、工作台等部件。其特征在于另安有由磨粒流加压泵、控制阀、流量计、喷咀、防护罩、集液槽、挡流板和储液箱等组成的磨粒喷射加工系统。用本发明的方法实施起来既为简便，而又高效，其装置也不复杂，不仅可消除磨削加工工件表面的缺陷层，去除过度的塑性变形，而且可使工件的表面粗糙度和波纹同时得到明显的降低。

Description

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法及装置
技术领域
本发明属于材料表面机械加工的技术领域。具体地说，本发明提出了一种材料表面光整加工的新方法。
背景技术
随着科学技术进步，现代机械工业在致力于提高加工精度的同时，更注重提高零件表层质量和表面的完整性，以提高产品性能的稳定性和可靠性，并且还要兼顾提高生产效率和降低加工成本。
传统的材料表面光整加工方法有：(1)靠磨粒的机械作用进行研磨与抛光；(2)用化学反应和机械磨削进行机械化学研磨抛光；(3)利用磁流变抛光液和旋转盘进行的表面磁流变抛光；(4)利用研具的磁性吸附磨粒进行的磁性研磨和(5)利用粘性磨料流体反复挤压经过工件的表面实现的磨料流加工等。这些光整加工通常是在材料精加工工序之后进行的，并且需要使用特殊的专用设备如各种磨床，这不仅增加了加工的时间和生产成本，而且工件在工序间传输过程中，其表面容易发生不必要的磕破、划伤，这也会影响到表面的光整质量。
近年来，发展了依靠磨粒的动量冲击工件表面进行光整加工的方法，这主要有磨料喷射加工法和弹性发射加工法。
用于光整加工的磨料喷射法(Abrasive Jet Machining)，是利用粒径10～50μm的磨粒与压力0.2～1.3Mpa的压缩气流形成的高速(150m/s)磨料流对加工工件表面的高速冲击、微细蚀刻和磨擦抛光作用，去除工件表面缺陷层、降低表面的粗糙度，达到对工件进行光整加工的目的。该方法对磨粒流束未加约束，可随工件的轮廓形状对不规则的表面进行光整加工，但在与工件接触处会形成弯月洼坑，并在工件表面产生散乱的纹理。虽然加工后工件表面粗糙度可达Ra0.15～1.6μm，但不能修正表面形状和提高尺寸精度。
弹性发射加工法(Elastic Emission Machining)是使用亚微米级的磨粒微粉与水混合，通过加压使其进入旋转的聚氨酯球(或圆柱体)下面大约1μm微小间隙来抛光工件，实现原子和分子级尺度的加工。其磨粒的速度是通过旋转的聚氨酯球(或圆柱体)的带动及在楔形间隙中加速而获得的。由于该方法的磨料流束边界受聚氨酯球(或圆柱体)的约束，故可通过控制聚氨酯球(或圆柱体)的运动来控制加工表面的形状和精度，但其加工效率显然要比磨料喷射加工法要低得多。
发明内容
本发明的目的是要寻求一种低成本、高效率的材料表面光整加工的方法。
本发明综合了弹性发射加工和磨料喷射加工两者的优点，提出了一种砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法。该方法在磨床上一次性完成，先用砂轮磨削工件，当工件表面粗糙度达到Ra～2.0μm标准后，砂轮便停止切入进给，此时将磨粒混合液通过加压泵、控制阀、流量计和喷咀注入砂轮外圆周和工件表面之间的楔形磨削区内，磨粒借助砂轮速度、离心力和在楔形区所受到的压力获得很大的速度和动量，从而对工件表面进行精细磨蚀加工。
本发明所提供的砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法，包括砂轮磨削、磨粒喷射等工序，其特征在于：高速磨粒流由加压泵喷射出来后，磨料流体在砂轮外圆周的约束之下，借助于砂轮转动的离心力、拖曳力以及在砂轮与工件之间楔形区流体压力场和速度场的作用下获得的动量实施其对工件表面的精微去除加工。
本发明所采用磨粒的材质可以是：刚玉、石英微粉或者碳化硅微粒。磨粒的粒度号为W0.5～W63；其所对应的磨粒粒径为0.5μm～63μm。
本发明所采用的高速磨粒流，其磨粒与流体介质的质量百分数之比为1∶100～15∶100，而流体介质可以是油，水或者乳化液。
本发明还提供了一种实施砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法的装置，包括磨床、砂轮工作台等部件，其特征在于另安有由磨粒流加压泵、控制阀、流量计、磨粒流喷咀、防护罩、集液槽、挡流板和储液箱等组成磨粒喷射加工系统。该装置在对工件进行表面精密光整加工时，先将待加工的工件固定在磨床的工作台上，并将砂轮安装在砂轮架上，固定好防护罩，启动磨床开关，用砂轮对工件表面进行磨削。当工件表面粗糙度达Ra～2μm时，停止砂轮的切深进给，再启动加压泵、调节控制阀控制磨粒流的压强(即流速)，磨粒流通过流量计、喷咀高速注入砂轮与工件表面之间的空隙(楔形区)内，在砂轮外圆周的约束之下，借助砂轮拖曳力以及磨料流体速度和压力迅速增高，使磨粒获得更大的动量对工件表面进一步进行精密光整加工，很快便能使工件的粗糙度Ra达到0.02～0.32μm，并且去除和减少磨削精加工产生的微裂纹、表面变质层，实现低成本，高表面完整性，精加工和表面光整加工集成的全新工艺方法。
本发明装置所说的磨床可以是平面磨床、外圆磨床，也可以是数控磨床。而根据磨床的不同，可以对工件外圆、内孔、平面或者齿侧等各种表面进行光整加工。
本发明所提出的工件表面精密光整加工方法其实施起来既为简便而又高效，其装置的设计制造和安装也不复杂。
采用本方法加工工件时，由于磨粒流在楔形区侧向流出的速度方向变化而形成交叉网状切痕。而且由于磨粒流对工件表面的材料的微量剥离是在砂轮外圆周的约束之下进行的，故可获得尺寸精确、形状规则和粗糙度极小的表面光整的工件。用本方法不仅消除了工件的表面缺陷层，去除被加工工件表面过度的塑性变形，还可使工件的表面粗糙度和波纹度同时得以明显的降低。
附图说明
图1是磨粒喷射精密光整加工装置简图；
其中：1磨粒流泵出口，2控制阀，3流量计，4喷咀，5工件，6工作台，7防护罩，8集液槽，9挡液板，10储液箱，11砂轮、12磨床架和13工件夹垫；
图2为砂轮约束磨粒喷射加工示意图；
图3平面磨床加工示意图；
图4外圆磨床加工示意图；
图5内圆磨床加工示意图；
图6楔形区三维速度场；
图7楔形区三维压力场；
图8磨料在工件表面运动路线图；
图9用本发明的方法加工不同循环次数的表面电子显微镜照片，其中a为加工循环10次；b为加工循环20次；C为加工循环30次；d为加工循环40次；
图10为不同磨粒浓度对表面粗糙度的影响曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步的补充和说明。
实施例1
在普通磨床M7120上实施本发明。
在普通磨床上方加装磨粒流加压泵和输液管(1)、控制阀(2)、流量计(3)和喷咀(4)组成的磨粒喷射系统，安装好砂轮盘之后，在砂轮架外架一个防护罩(7)，磨床另一端工作台对着喷咀的方向上安装集液槽(8)和挡液板(9)。磨粒流加工工件之后，流经集液槽、挡流板后进入储液箱(10)内，再由加压泵抽出，进入新的一轮喷射光整加工过程，形成一个封闭的循环。储液箱底部最好安有电磁铁，防止工作铁屑也进入磨粒流的循环中。
先将工件(5)在工作台(6)用工件夹垫(13)固定好，先开动磨床以砂轮(11)对工件作常规磨削，待工件表面粗糙度接近2.0μm时，停止砂轮进给。启动磨粒流加压泵并将磨料混合流注入磨削区(即间隙楔形区)。在磨削区内，由于砂轮的高速旋转，当磨粒流注入砂轮外圆与工件表面之间的楔形间隙区时(图2)，在楔形区内就形成了类似于流体动压润滑的情况，形成如图(6)所示的三维速度场和图(7)所示的三维压力场。磨粒流体借助于砂轮的高速旋转，在离心力、三维速度场和压力场的作用下，获得动量也即是冲量。在砂轮的边界约束作用下，进入砂轮与工件之间，完成好工件的微去除加工。由于速度场和压力场在砂轮边缘存在侧泄现象，所以当磨粒流体进入楔形区后，磨粒在磨粒流体的携带下，不仅纵向通过工作，也会横向滑擦工件表面，图(8)所观察到的便是磨料在工件表面运动路线图。
至于磨粒材质、磨粒粒度、流体介质和磨粒与流体介质的重量百分比的选择，必须要按工件的材质，表面粗糙度的要求而定。在工件的材质和表面粗糙度标准确定之后，再确定砂轮的类型和磨床主轴的转速，最后确定磨粒和磨粒流的上述各项技术参数，表1中列出的是40r钢工件的加工条件及结果。
                       表1 磨粒喷射加工条件及结果
工件材料                       40Cr钢、HRC50
磨料流体砂轮主轴转速光整加工砂轮循环次数磨料流泵入压强磨后表面粗糙度喷射加工表面粗糙度 W7(粒径5～7μm)Al2O3微粉与航空液压油质量分数为5％；10％；15％砂轮类型WA60J8V；直径250mm；宽度26mm2880r/min平面磨床逆磨；10；15；20；30；40循环3×105PaRa＝1.6～2.0μmRa＝0.8～0.2μm
其加工后工件表面的电子显微镜照片如图9所示，其中a为加工循环10次；b为加工循环20次；C为加工循环30次；d为加工循环40次；为了确定磨粒液浓度的优化参数，选择了Al2O3微粉与航空液压油质量分数的5％、10％和15％三种条件，试验结果示于图10，图10为不同磨粒浓度对表面粗糙度的影响曲线图。
实施例2
在外圆磨床上实施本发明。
同实施例1，首先是安装砂轮约束磨粒喷射精密光整加工装置，即在外圆磨床上加安由磨粒流加压泵(1)、控制阀(2)、流量计(3)、喷咀(4)、防护罩(7)、集液槽(8)、挡流板(9)和储液箱(10)组成的磨粒喷射加工系统。由于外圆磨床的结构特点，磨粒流喷咀的方向、位置约有改变。
当把加工工件(5)固定到工作台(6)上，砂轮(11)，固定到砂轮架上，开动磨床磨削工件，当工件表面粗糙度Ra＜2μm时，停止砂轮进给。此时开动磨粒流加压泵，打开控制阀，进行砂轮约束磨粒喷射精密光整加工。此时磨粒、砂轮和工件之间的相互作用如图4所示。
表2列出了在外圆磨床上用本发明的方法，对1Cr18Ni4V不锈钢工件表面精密光整加工的条件和结果。
                       表2 磨粒喷射加工条件及结果
    工件材料                   1Cr18Ni4V、HRC62
磨料流体砂轮主轴转速设备及加工时间磨料流泵入压强磨后表面粗糙度喷射加工表面粗糙度表面微观质量 W20(粒径20～14μm)碳化硅微粉与航空液压油质量分数为10％；砂轮类型WA80J8V；直径260mm；宽度30mm2880r/min外圆磨床，加工时间2min～8min2×103PaRa＝0.8～1.6μmRa＝0.10～0.16μm无裂纹、烧伤，均化和降低微观不平度
从结果可以看出：外圆磨床经砂轮磨削后表面粗糙度为Ra＝0.8～1.6μm，再用本发明的方法加工2～8分钟。其表面粗糙度改善到Ra＝0.10～0.16μm，而且表面微观质量也有明显改观。
实施例3
在内圆磨床上实施本发明
首先按实施例1的方法给内圆磨床加安由磨粒流加压泵(1)、控制阀(2)、流量计(3)、磨粒流喷咀(4)、防护罩(7)、集液槽(8)、挡泥板(9)和储液箱(10)等组成的砂轮约束磨粒喷射光整加工系统。
然后固定砂轮盘和Q235-A钢质工件，开动磨床进行砂轮磨削，待工件的表面粗糙度达Ra＝1.6～3.2μm，停止砂轮进给。开动磨粒加压泵。含W50(粒径50～40μm)Al2O3微粒的乳化液，Al2O3同乳化液的重量百分数为2∶100，通过控制阀，调节压强达3×103Pa进行磨粒喷射光整加工。此时工件、砂轮和磨粒三者之相对位置如图5所示，其加工条件和结果如表3所示。加工时间仅为2～10分钟，表面粗糙度即降为Ra0.8～0.32μm，表面微观质量也显著改善。
                      表3 磨粒喷射加工条件及结果
    工件材料                   Q235-A钢
磨料流体砂轮主轴转速设备及加工时间磨料流泵入压强磨后表面粗糙度喷射加工表面粗糙度表面微观质量 W50(粒径50～40μm)Al2O3微粉与乳化液质量分数为2％；砂轮类型WA40J8V；直径80mm；宽度26mm2880r/min内圆磨床，加工时间2min～10min3×103PaRa＝1.6～3.2μmRa＝0.8～0.32μm无裂纹、烧伤，均化和降低微观不平度
实施例4
在数控磨床上实施本发明
同上述实施例，先在数控磨床上安装好砂轮约束磨粒喷射精密光整加工装置。
按实施例1的方法对35钢工件进行砂轮磨削加工，待其表面粗糙度Ra＝0.8～2.5μm时，停止砂轮切深进给，再以含W2.5(粒径2.5～1.5μm)SiO2(石英)微粉的水流(SiO2∶H2O＝15∶100)进行喷射加工1～5分钟，工件表面粗糙度降为Ra＝0.10～0.20μm。其加工条件和结果如表4所示。
                      表4 磨粒喷射加工条件及结果
    工件材料                       35钢 HRC45
磨料流体砂轮主轴转速设备及加工时间磨料流泵入压强磨后表面粗糙度喷射加工表面粗糙度  W2.5(粒径2.5～1.5μm)SiO2微粉与水质量分数为15％砂轮类型WA60J8V；直径260mm；宽度30mm2880r/min数控磨床，加工时间1min～5min3×103PaRa＝0.8～2.5μmRa＝0.10～0.20μm
大量的实施例表明本发明的方法是成功的，发明人根据工件的材质和表面粗糙度的要求，做了大量的试验工作，表5是对钢件的加工时的优选参数；表6是对其它各种金属工件的加工的优选参数。这些均表明本发明的方法适合于金属材料表面的精密光整加工，可望取得很好的社会效益和经济效益。
          表5 本发明的方法加工钢质工件的技术参数
                                                    单位：μm
       表6 本发明的方法加工金属工件材料的技术参数
                                                    单位：μm
Figure A20051004630500101

Claims (7)

1、一种砂轮约束磨粒喷射精密光整加工方法，包括砂轮磨削、磨粒喷射等工序，其特征在于高速磨粒流由加压泵喷射出来后，磨料流体在砂轮外圆周的约束之下，借助于砂轮转动的离心力、拖曳力以及在砂轮与工件之间楔形区流体压力场和速度场的作用下获得的动量实施其对工件表面的精微去除加工。
2、按权利要求1所述的精密加工方法，其特征在于所说磨粒流中磨粒的材质可以是刚玉、石英或者碳化硅。
3、按权利要求1所述的精密加工方法，其特征在于所说磨粒流中磨粒的粒度号为W0.5～63，其相应粒径为0.5～63μm。
4、按权利要求1所述的精密加工方法，其特征在于所说磨粒与流体介质的质量百分数之比为1∶100～15∶100。
5、按权利要求1所述的精密加工方法，其特征在于所说的磨粒流的流体介质可以是油、水或者乳化液。
6、一种实施权利要求1所述的精密加工方法的装置，包括磨床、砂轮、工作台等部件，其特征在于另安有由磨粒流加压泵、控制阀、流量计、喷咀、防护罩、集液槽、挡流板和储液箱等组成的磨粒喷射加工系统。
7、按权利要求6所述的装置，其特征在于所说的磨床可以是平面磨床、外圆磨床也可以是数控磨床。
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