基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置製造方法

2023-06-08 14:22:01 1

基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置製造方法
【專利摘要】一種基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，包括拋光工具、拋光工具夾具、工件夾具和拋光池，所述拋光工具位於拋光池內，所述拋光池內放置拋光液，所述工件夾具上的工件位於拋光池內且與所述拋光工具之間存在間隙，所述工件夾具與工件驅動機構連接，所述拋光工具夾具的導電件與拋光工具驅動機構連接，所述工件夾具的導電件與電源陽極連接，所述拋光工具夾具與電源陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應的非牛頓流體中添加磨粒或微粉、電解液成分的拋光液。本發明適用範圍廣、效率高、質量高、成本低、裝置結構與控制簡單。
【專利說明】
基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝

【技術領域】
[0001]本發明涉及超精密加工領域，尤其是一種針對平面、柱面、非球面、異形面等各種曲面的高效、高質量的超精密拋光裝置。

【背景技術】
[0002]拋光作為曲面超精密加工的最重要的工序，主要作用就是去除前期加工工序產生的表面破壞層，修正面型誤差，減小工件表面粗糙度。曲面零件廣泛應用於天文、航天航空、航海、汽車零部件、模具等領域。如在天文觀測領域使用非球面光學零件能夠提高觀測設備的鑑別能力、簡化設備結構；大量的模具型腔及汽車零部件採用複雜的自由曲面。複雜曲面的加工質量對設備性能有重要影響，如光學系統中的反射鏡，其面型誤差會給系統成像帶來各種像差，而其表面粗糙度則會使光線發生大角度散射，降低鏡面反射率及系統解析度；美國太陽動力學觀測站中AIA望遠鏡，其反射鏡經超精密加工後表面粗糙度達到0.44nm,可使儀器解析度在13.1?30.4nm波段僅產生約0.42"的誤差；航空發動機的壓氣機轉子葉片在經過精加工其面型誤差由60 μ m降至12 μ m、表面粗糙度由0.5 μ m降至0.2 μ m後，則發動機的壓縮效率將由87%提高至94%。
[0003]目前開發的曲面工件精密加工或拋光技術主要包括計算機控制表面成型、磁場輔助拋光、磨粒流拋光以及氣囊拋光等。計算機控制表面成型屬於傳統的接觸式拋光技術，一般是通過較小的拋光工具來適應工件曲面曲率的變化，以犧牲拋光效率來獲得高的面形精度要求，但拋光工具曲率與被加工曲面曲率吻合差，影響了加工精度。磁場輔助拋光方法是利用磁場控制磁性磨粒或磁流變拋光液對工件表面進行拋光，是一類高效、柔性的拋光方法，能夠獲得很好的加工效果，但較為複雜的磁場輔助設備和較高的加工介質使用成本制約了這類拋光方法的應用。磨粒流拋光是通過載有磨料的黏彈體在壓力下反覆通過工件表面實現拋光加工，其需要複雜的磨粒流推動系統，工件拋光效率較低，表面質量對磨粒尺寸差異敏感。氣囊拋光是使用一個氣壓可控的充氣氣囊作為拋光工具進行拋光加工，由於加工工具尺寸的限制僅可加工中-大口徑曲面，並對工件邊緣拋光質量控制較差。
[0004]電解拋光利用金屬表面微觀凸點在特定電解液中和適當電流密度下，發生陽極溶解的原理進行拋光，可以保證良好的加工精度和表面質量，獲得較高的加工效率，成本較低，適用於金屬工件。然而，電解拋光存在以下不足:對表面有序化組織敏感性較大；較難保持零件尺寸和幾何形狀的精確度；；拋光後工件表面易存有斑點。
[0005]專利(CN201210192915.8)公開了一種基於非牛頓流體剪切增稠效應的超精密曲面拋光方法。基於非牛頓流體剪切增稠效應的拋光方法，主要是利用拋光液與工件接觸部分受剪切而增稠，接觸區域的拋光液的粘度增大，增強了對磨粒或微粉的把持力，拋光液中具有拋光作用的磨粒或微粉對工件產生微切削作用或化學機械作用實現工件表面材料的去除，從而實現對工件表面的拋光。


【發明內容】

[0006]針對目前的超精密拋光過程中拋光效果差、成本高的問題，本發明提出了一種適用範圍廣、效率高、質量高、成本低、裝置結構與控制簡單的一種基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置。
[0007]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
[0008]一種基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，包括拋光工具、拋光工具夾具、工件夾具和拋光池，所述拋光工具位於拋光池內，所述拋光池內放置拋光液，所述工件夾具上的工件位於拋光池內且與所述拋光工具之間存在間隙，所述工件夾具與工件驅動機構連接，所述拋光工具夾具與拋光工具驅動機構連接，所述工件夾具的導電件與電源陽極連接，所述拋光工具夾具的導電件與電源陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應的非牛頓流體中添加磨粒或微粉、電解液成分的拋光液。
[0009]進一步，所述設備還包括循環系統，循環系統與所述拋光池連接，拋光液在經循環系統中拋光池的底部抽出並從拋光池上部輸入。
[0010]再進一步，所述的工件夾具上安裝有陽極電極，所述陽極電極通過電刷連接電源陽極，工件被安裝到所述的工件夾具後與陽極電極接觸緊固。
[0011]所述的拋光工具夾具上安裝有陰極電極，所述陰極電極通過電刷連接電源陰極，所述的拋光工具被安裝到所述的拋光工具夾具後與陰極電極接觸緊固。
[0012]所述循環系統包括循環管路、拋光液溫控與過濾裝置、拋光液補給裝置和泵，所述循環管路上安裝所述泵和拋光液溫控與過濾裝置，所述泵上連接所述拋光液補給裝置。
[0013]所述拋光液過濾裝置包括過濾大顆粒磨削的濾網和添加或取出拋光液的進出料□。
[0014]本發明的技術構思為:基於非牛頓流體剪切增稠效應的拋光方法與電解拋光方法複合加工，將有效的結果電解拋光工件表面易存有斑點的問題，極大地提高加工效率，更好地實現工件表面的高效率高質量高一致性的拋光。
[0015]在具有剪切增稠效應的非牛頓流體中添加磨粒或微粉製備出拋光液，並添加電解液成分，使拋光液即具有電解作用又具有剪切增稠效果。電源通電後，在陽極工件與陰極拋光工具間產生電化學反應，工件表面的金屬被電解溶解，隨之工件表面會形成一層妨礙電化學反應的氧化膜。同時工件與拋光工具做相對運動，從而使拋光液在工件與拋光工具間隙處受剪切作用發生剪切增稠現象，該區域的拋光液的粘度增大，增強了對磨粒或微粉的把持力，拋光液中具有拋光作用的磨粒或微粉對工件表面產生微切削作用。工件表面凸起處的氧化膜首先被磨掉，暴露出新鮮金屬，電化學反應得以在凸起處繼續進行。而凹陷處的氧化膜未被去除，化學反應受到阻礙，該處金屬得到了保護。同時由於電流的尖峰效應，凸起處電場強度大，對金屬的腐蝕能力也強，加上剪切增稠作用下磨粒對工件表面凸起處的去除作用更強，這幾方面的共同作用影響，使得工件表面凸起處迅速被去除，表面粗糙度也迅速減小。
[0016]本發明的有益效果是:(I)本發明提供了一種基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工方法，可以拋光各類面形零件，包括平面、球面、非球面、各類複雜曲面等，適用範圍廣；(2)本發明與普通電解方法比較，加工效率顯著提高，因電解產生的斑點問題易被磨粒去除，工件表面質量更好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發明對平面工件拋光的整體示意圖。
[0018]圖2是本發明對球面工件拋光的示意圖。
[0019]圖3是本發明對柱面工件拋光的示意圖。
[0020]圖4是工件未加工前工件與拋光工具之間放大示意圖。
[0021]圖5是本發明方法加工時工件表面微凸處去除示意圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0023]參照圖1?圖5，一種基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，包括拋光工具2、拋光工具夾具9、工件夾具6和拋光池29，所述拋光工具2位於拋光池29內，所述拋光池29內放置拋光液19，所述工件夾具6上的工件位於拋光池29內且與所述拋光工具2之間存在間隙，所述工件夾具6與工件驅動機構連接，所述拋光工具夾具9與拋光工具驅動機構連接，所述工件夾具6的導電件與電源5陽極連接，所述拋光工具夾具9的導電件與電源5陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應的非牛頓流體中添加磨粒或微粉、電解液成分的拋光液。
[0024]進一步，所述設備還包括循環系統，循環系統與所述拋光池連接，拋光液在經循環系統中拋光池的底部抽出並從拋光池上部輸入。
[0025]所述的工件夾具上6安裝有陽極電極8，所述陽極電極8通過電刷31連接電源5陽極，工件I被安裝到所述的工件夾具6後與陽極電極8接觸緊固。
[0026]所述的拋光工具夾具9上安裝有陰極電極11，所述陰極電極11通過電刷32連接電源5陰極，所述的拋光工具2被安裝到所述的拋光工具夾具9後與陰極電極11接觸緊固。
[0027]所述拋光液循環系統包括拋光池29、循環管路20、拋光液溫控與過濾裝置12、拋光液補給裝置13、泵14。所述循環管路20上安裝所述泵14和拋光液溫控與過濾裝置12，所述泵104上連接所述拋光液補給裝置13。
[0028]所述拋光液過濾裝置12包括過濾大顆粒磨削的濾網和添加或取出拋光液的進出料口，並可調節拋光液溫度至30-60°C。
[0029]本實施例的加工裝置實現的加工方法包括如下步驟:
[0030](I)電源5的陽極與工件I電連接，電源5的陰極與拋光工具2電連接，使得工件I作為電解對象；
[0031](2)在具有剪切增稠效應的非牛頓流體中添加磨粒或微粉17製備出拋光液19，並添加電解液成分21，使拋光液19即具有電解作用又具有剪切增稠效果；拋光液在經循環系統中拋光池29的底部抽出並從拋光池29上部輸入；
[0032](3)拋光過程中，工件I與所述的拋光工具2留有間隙，所述的拋光液19中有電解液，工件1、拋光液19、拋光工具2與電源5構成電解迴路，工件I表面微凸處在電解作用下發生陽極融解或形成一層氧化膜15，而凹處不易發生陽極融解或形成氧化膜15 ;氧化膜15與工件I本體材料結合較弱，更容易被去除；同時工件I與拋光工具2做相對旋轉運動，從而使所述拋光液19在工件I與拋光工具2間隙處受剪切作用發生剪切增稠現象(參照圖5)，增大了拋光液19中分散相18對磨粒17的包裹作用，由於工件I微凸處對拋光液19施加的額外剪切力，使與工件I表面微凸部位接觸的拋光液19所受剪切增稠作用更為顯著，磨粒17更易去除所述工件I表面微凸處氧化膜；工件I在電解與磨粒17共同作用下對工件I表面凸點的選擇性去除，實現拋光加工，使工件I表面變得平滑、光亮。
[0033]所述的拋光液19中電解液成分為以下一種或兩種以上混合物:磷酸、硫酸、鉻酸、氯化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、氫氧化鈉、氫氧化鎂。
[0034]所述的電源5電壓為10-80V，電流密度為20_100A/dm2。
[0035]再進一步，所述的工件I固定在工件夾具6上，所述的工件夾具6與用於驅動工件夾具6上下左右移動及轉動的驅動機構7連接。
[0036]所述的拋光工具2固定在拋光工具夾具9上，所述的拋光工具夾具9與用於驅動拋光工具夾具9轉動的驅動機構10連接。
[0037]電源5通電後，在陽極工件I與陰極拋光工具2間產生電化學反應，工件I表面的金屬被電解溶解(參照圖5中a)，，隨之工件I表面會形成一層妨礙電化學反應的氧化膜15。同時工件I與拋光工具2做相對運動，從而使拋光液19在工件I與拋光工具2間隙處受剪切作用發生剪切增稠現象，該區域的拋光液19的粘度增大，增強了對磨粒或微粉17的把持力，拋光液19中具有拋光作用的磨粒或微粉17對工件I表面產生微切削作用。工件表面I凸起處的氧化膜15首先被磨掉，暴露出新鮮金屬，電化學反應得以在凸起處繼續進行。而凹陷處的氧化膜未被去除，化學反應受到阻礙，該處金屬得到了保護。同時由於電流的尖峰效應，凸起處電場強度大，對金屬的腐蝕能力也強，加上剪切增稠作用下磨粒17對工件I表面凸起處的去除作用更強，這幾方面的共同作用影響，使得工件I表面凸起處迅速被去除，表面粗糙度也迅速減小。
[0038]參照圖2，以多羥基醛高聚體為分散相，以水為溶劑製備了具有剪切增稠效應的非牛頓流體，隨後向其中加入1000#的Al2O3磨粒並加入電解成分H3PO4攪拌均勻製備出拋光液。工件I為球面碳素鋼材料。工件驅動裝置3即可以旋轉運動，又可以左右擺動，工件I與拋光工具2之間留有5-20_間隙，調節工件驅動裝置3使工件I曲面與拋光工具2曲面曲率相適應，實現工件I整個曲面的均勻拋光。
[0039]參照圖3，拋光工具2為圓筒狀，拋光工具2內徑比圓柱面工件I直徑大5_20mm。工件I在驅動裝置3的帶動下旋轉，拋光工具2固定不動，在工件I與拋光工具2的間隙處拋光液4發生剪切增稠效應與電解效應，在磨粒的作用下，迅速的去除圓柱面工件I表面的凸起處，是工件表面平滑光亮。
[0040]本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也包括本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
【權利要求】
1.一種基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，其特徵在於:包括拋光工具、拋光工具夾具、工件夾具和拋光池，所述拋光工具位於拋光池內，所述拋光池內放置拋光液，所述工件夾具上的工件位於拋光池內且與所述拋光工具之間存在間隙，所述工件夾具與工件驅動機構連接，所述拋光工具夾具與拋光工具驅動機構連接，所述工件夾具的導電件與電源陽極連接，所述拋光工具夾具的導電件與電源陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應的非牛頓流體中添加磨粒或微粉、電解液成分的拋光液。
2.如權利要求1所述的基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，其特徵在於:所述設備還包括循環系統，循環系統與所述拋光池連接，拋光液在經循環系統中拋光池的底部抽出並從拋光池上部輸入。
3.如權利要求1或2所述的基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，其特徵在於:所述的工件夾具上安裝有陽極電極，所述陽極電極通過電刷連接電源陽極，工件被安裝到所述的工件夾具後與陽極電極接觸緊固。
4.如權利要求3所述的基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，其特徵在於:所述的拋光工具夾具上安裝有陰極電極，所述陰極電極通過電刷連接電源陰極，所述的拋光工具被安裝到所述的拋光工具夾具後與陰極電極接觸緊固。
5.如權利要求2所述的基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，其特徵在於:所述循環系統包括循環管路、拋光液溫控與過濾裝置、拋光液補給裝置和泵，所述循環管路上安裝所述泵和拋光液溫控與過濾裝置，所述泵上連接所述拋光液補給裝置。
6.如權利要求5所述的基於非牛頓流體剪切增稠與電解複合效應的超精密加工裝置，其特徵在於:所述拋光液過濾裝置包括過濾大顆粒磨削的濾網和添加或取出拋光液的進出料口。
【文檔編號】C09G1/02GK104191340SQ201410436897
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】呂冰海, 董晨晨, 李敏, 戴偉濤, 翁海舟, 鄧乾發, 袁巨龍 申請人:浙江工業大學