CN110315397B - 超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，磨粒流抛光在低压流体中进行；所述磨粒流抛光在楔形流道内进行；所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过更换置于加工装置内的角度块零件实现；所述空化为超声波空化，通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器在磨粒流中产生空化泡；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动。以及提供一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光装置。本发明提供一种使工件抛光后表面粗糙度均匀、表面质量提高、加工效率提高的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法及装置。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工领域，是超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法及装置。
背景技术
低压磨粒流抛光是一种新型加工技术，以流体作为磨粒的载体，通过磨粒相对工件表面的流动对工件表面进行抛光处理。传统的抛光工艺，如研磨，其工艺是在研磨盘上通过游离磨粒对工件表面进行抛光，由于游离磨粒在研磨盘上的分布具有很大的不均匀性，容易导致研磨加工后工件表面各处的表面粗糙度不等，且易造成表面损伤，严重影响工件的性能。目前较为先进的磁性研磨加工过程中，磁性磨粒在随磁场高速旋转时离心作用明显，边缘处磨粒脱离磁场约束向外飞散，最终也会导致加工区域内抛光力分布不均匀的问题。相比与上述抛光工艺，低压磨粒流抛光的效果更好，具体体现在更低的表面粗糙度、更均匀的表面质量和更小的表面损伤率等方面。此外，低压磨粒流抛光的优势还体现在对各类平面、沟槽及具有复杂几何形状的工件抛光上，传统的抛光工艺由于抛光工具的限制难以对上述形状的工件进行彻底的加工，但低压磨粒流抛光过程中磨粒可以随流体流经工件各处，几乎不存在加工死角，实现一次加工到位。
尽管低压磨粒流抛光有许多无可比拟的优越性，低压磨粒流抛光中仍存在一些问题，具体体现在以下两个方面：(1)加工过程中流体与工件表面的摩擦和磨粒与工件表面的碰撞会导致能量损失，造成加工区域内的流体沿流动方向上压力下降，使工件表面的抛光力分布不均匀，最终导致抛光后工件表面粗糙度值分布不均匀，表面质量降低。(2)加工过程中效率低下，达到理想加工效果需要较长时间。低压磨粒流抛光的物料切蚀率较低，磨粒本身具有的能量小、磨粒对工件表面的压力不足都导致了磨粒对工件表面波峰的剪切力较小。磨粒在垂直流体流动方向的截面内分布较为随机，只有少部分在工件表面附近的磨粒能起到实际抛光作用，大部分磨粒只是随流体流经加工腔体，没有参与抛光加工，磨粒利用率低。
发明内容
为了克服低压磨粒流抛光中存在的抛光后工件表面粗糙度不均匀、表面质量低、加工效率低的问题，本发明提供一种使工件抛光后表面粗糙度均匀、表面质量提高、加工效率提高的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，磨粒流抛光在低压流体中进行；所述磨粒流抛光在楔形流道内进行；所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过更换置于加工装置内的角度块零件实现；所述空化为超声波空化，通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器在磨粒流中产生空化泡；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为Fe-Al2O3磨粒。
进一步地，所述低压流体指加工装置内的压力在0.05～2MPa。相比于高压流体，低压流体中磨粒在加工装置中的流动速度慢，对工件表面的剪切力较小，材料去除量少，可控性好。
进一步地，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调通过更换置于加工装置内的角度块零件实现，加工装置如图2所示，其内部结构和零件组成如图3和图4所示，加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出。加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降。一组倾斜角从0至10度均匀增加的角度块零件，可以在0～10度范围内均匀地改变楔形流道上顶面的倾斜角，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。角度块零件如图5所示，示例角度块305a的倾斜角为0度，示例角度块305b的倾斜角为10度。
进一步地，所述超声波空化通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器实现，超声波发生器发射的超声波频率介于20～80kHz区间内，强度在0.5～2.5W/cm2区间内可调，超声波空化作用如图6所示，在超声波发生器(2)发射的超声波作用下，流体(21)中产生大量空化泡(23)，这些空化泡迅速膨胀，然后突然闭合，空化泡闭合瞬间产生的冲击波能够提高湍流强度，使斜楔形流道内的磨粒(22)能量提高，增大磨粒对加工表面的剪切力，从而增强材料的去除效果，提高加工效率。
进一步地，所述磁场为施加于楔形流道内且垂直于工件表面的强度在0.01～1.00T区间内可调的均匀磁场，如图7所示，其通过置于加工装置(3)正下方的电磁铁(4)生成。磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节。
进一步地，所述磁性磨粒在均匀磁场作用下被磁化，如图7所示，磁场强度为B，磁场方向垂直工件(310)表面向上，被磁化的磁性磨粒(22)受到垂直指向工件(310)表面的磁场力Fm作用，在楔形流道内沿平行于工件表面方向流动的同时沿垂直指向工件表面方向流动。磁场力的存在不仅增大磁性磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磁性磨粒向工件表面聚集，提高磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率、缩短加工时间。
进一步地，所述磁性磨粒为Fe-Al2O3磨粒，粒径0.2～5μm，在磨粒流中的质量分数介于2～15％。铁粉作为磁性粒子，刚玉粉作为磨粒，二者在高温下烧结制成Fe-Al2O3磁性磨粒。
进一步地，所述加工系统中的泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降。为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15～45℃范围内。
一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光装置，由压力表、加工装置、磨粒缸、泵、控制阀组成的低压磨粒流回路，所述装置还包括置于加工装置流道入口前的超声波发生器、置于加工装置下方的电磁铁、置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器；所述搅拌器和水冷装置使磨粒流均匀且温度恒定，泵将磨粒流从磨粒缸吸出并送入管道，磨粒流经过控制阀和压力表后流入超声波发生器，再流入配备了电磁铁的加工装置中，最后通过管道回流到磨粒缸，整个加工过程通过系统控制器控制。
所述加工装置包括端盖、密封圈、入口导流件、角度块、腔体、工件槽、工件盘和出口导流件，所述端盖通过螺钉与腔体连接，所述入口导流件位于加工区域入口，出口导流件位于加工区域出口，所述加工区域内设有角度块和工件槽，所述角度块位于工件槽的上方，工件盘位于工件槽内。
进一步地，所述楔形流道空间的上顶面倾斜角度可调通过更换置于加工装置(3)内的角度块零件(305)实现。角度块零件如图5所示，示例角度块305a的倾斜角为0度，示例角度块305b的倾斜角为10度。角度块以滑块的形式滑入腔体中，并通过两侧导流件和端盖限制其水平位移。制作一组倾斜角从0至10度均匀增加的角度块零件，可以使楔形流道夹角在0～10度范围内的均匀调整，实现楔形流道截面积沿流动方向的不同程度缩小，弥补流道内沿流动方向的压力损失，使工件表面剪切力分布均匀。
本发明的有益效果在于：通过角度调整补偿因加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞导致的能量损失所引起的流场内沿流动方向上的压力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件各处表面粗糙度一致，表面质量提高。通过空化辅助提高湍流强度，增加磨粒的能量，增大磨粒对加工表面的剪切力，从而增强材料的去除效果。同时，通过磁场辅助使磨粒对工件表面的压力增大，并使原本在流道截面内无序分布的磨粒向工件表面聚集，提高工件表面附近磨粒浓度，使磨粒得到充分利用，进一步提高加工效率。
附图说明
图1为超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光装置的示意图.
图2为加工装置截面图。
图3为加工装置爆炸图。
图4为角度块零件示例图。
图5为超声波空化示意图。
图6为磁场示意图。
图7为磁性磨粒受力示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，磨粒流抛光在低压流体中进行；所述磨粒流抛光在楔形流道内进行；所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过更换置于加工装置内的角度块零件实现；所述空化为超声波空化，通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器在磨粒流中产生空化泡；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为Fe-Al2O3磨粒。
进一步地，所述低压流体指加工装置内的压力在0.05～2MPa。相比于高压流体，低压流体中磨粒在加工装置中的流动速度慢，对工件表面的剪切力较小，材料去除量少，可控性好。
进一步地，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调通过更换置于加工装置内的角度块零件实现。加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降。一组倾斜角从0至10度均匀增加的角度块零件，可以在0～10度范围内均匀地改变楔形流道上顶面的倾斜角，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。进一步地，所述超声波空化通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器实现，超声波发生器发射的超声波频率介于20～80kHz，强度在0.5～2.5W/cm2区间内可调，超声波空化作用如图6所示，在超声波发生器(2)发射的超声波作用下，流体(21)中产生大量空化泡(23)，这些空化泡迅速膨胀，然后突然闭合，空化泡闭合瞬间产生的冲击波能够提高湍流强度，使斜楔形流道内的磨粒(22)能量提高，增大磨粒对加工表面的剪切力，从而增强材料的去除效果，提高加工效率。
进一步地，所述磁场为施加于楔形流道内且垂直于工件表面的强度在0.01～1.00T区间内可调的均匀磁场，如图7所示，其通过置于加工装置(3)正下方的电磁铁(4)生成。
进一步地，所述磁性磨粒在均匀磁场作用下被磁化，如图7所示，磁场强度为B，磁场方向垂直工件(310)表面向上，被磁化的磁性磨粒(22)受到垂直指向工件(310)表面的磁场力Fm作用，在楔形流道内沿平行于工件表面方向流动的同时沿垂直指向工件表面方向流动。磁场力的存在不仅增大磁性磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磁性磨粒向工件表面聚集，提高磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率、缩短加工时间。
进一步地，所述磁性磨粒为Fe-Al2O3磨粒，粒径0.2～5μm。其中铁粉作为磁性粒子，刚玉粉作为磨粒，二者在高温下烧结制成Fe-Al2O3磁性磨粒。
进一步地，配制磨粒流，把Fe-Al2O3磨粒加入去离子水中，控制磨粒的质量分数介于2～15％，并加入六偏磷酸钠作为分散剂，控制分散剂的质量分数介于0.2～0.5％，防止磨粒结块。
进一步地，所述加工系统中的泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降，为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15～45℃范围内。
一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光装置，如图1所示，所述装置包括：由压力表(1)、加工装置(3)、磨粒缸(7)、泵(9)和控制阀(10)组成的低压磨粒流回路，置于加工装置(3)流道入口前的超声波发生器(2)，置于加工装置(3)下方的电磁铁(4)，置于磨粒缸(7)中的搅拌器(5)和水冷装置(6)，以及系统控制器(8)。整个加工系统通过系统控制器(8)控制。
加工过程如下：当系统启动时，电磁铁(4)通电，生成垂直于工件表面的均匀磁场，磁场强度通可过系统控制器(8)在0.01～1.00T范围内调整。搅拌器(5)启动，将磨粒缸内的磁性颗粒和磨粒搅拌均匀。泵(9)启动，控制阀(10)打开，将磨粒流送入加工装置(3)，向加工装置(3)的角度可调楔形流道空间内提供0.05～2MPa的低压，进行抛光加工。超声波发生器(2)启动，向磨粒流发射频率介于20～80kHz，强度介于0.5～2.5W/cm2的超声波，使磨粒流中产生大量空化泡，水冷装置(6)启动，系统控制器(8)通过安装在磨粒缸内的温度计测得磨粒缸内的温度并控制水冷装置(6)的冷却水流量，将磨粒流温度维持在允许范围内。
进一步地，加工装置(3)如图2所示，其内部结构如图3所示，其零件组成如图4所示。加工装置由端盖(301)、螺钉(302)、密封圈(303)、入口导流件(304)、角度块(305)、腔体(306)、工件槽(307)、工件盘(308)、出口导流件(309)组成。
进一步地，所述楔形流道空间的上顶面倾斜角度可调通过更换置于加工装置(3)内的角度块零件(305)实现。角度块零件如图5所示，示例角度块305a的倾斜角为0度，示例角度块305b的倾斜角为10度。角度块以滑块的形式滑入腔体中，并通过两侧导流件和端盖限制其水平位移。制作一组倾斜角从0至10度均匀增加的角度块零件，可以使楔形流道夹角在0～10度范围内的均匀调整，实现楔形流道截面积沿流动方向的不同程度缩小，弥补流道内沿流动方向的压力损失，使工件表面剪切力分布均匀。
进一步地，加工装置(3)中的入口导流件(304)和出口导流件(309)分别用于流道入口和出口的导流，实现流道入口和出口截面积的平缓变化，降低局部阻力系数，减小磨粒流能量损失。导流件通过销与腔体连接。
进一步地，把工件放置在工件盘上，再把工件盘放置于工件槽中。采用可拆卸式工件盘，在加工不同形状的工件时，只需要根据工件形状制作对应的工件盘并更换即可，不需要更换工件槽，相比于整体式的工件盘，可拆卸的工件盘用材更少，加工更容易。
进一步地，工件槽以滑块的形式滑入腔体底部的沟槽内，并通过两侧导流件和端盖限制其水平位移。
进一步地，整个加工装置的密封通过两个密封圈实现。两个密封圈用于端盖和腔体间的沟槽密封，防止磨粒流向加工装置外泄露。
进一步地，盖上加工装置两侧端盖，拧紧螺钉。加工装置通过两侧的密封管螺纹与软管相连，接入磨粒流抛光回路中。
Claims (8)
1.一种超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，其特征在于，磨粒流抛光在低压流体中进行；所述磨粒流抛光在楔形流道内进行；所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调，通过更换置于加工装置内的角度块零件实现；所述空化为超声波空化，通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器在磨粒流中产生空化泡；所述磁场为置于加工装置正下方的电磁铁所产生的垂直工件表面的强度可调均匀磁场，在所述磁场的作用下，流场中的磁性磨粒被磁化，受磁场力作用向工件表面运动；所述磁性磨粒为Fe-Al2O3磨粒；
所述超声波空化通过安装在加工装置流道入口前的超声波发生器实现，超声波发生器发射的超声波频率介于20～80kHz，强度介于0.5～2.5W/cm2；在超声波发生器发射的超声波作用下，流体中产生大量空化泡，这些空化泡迅速膨胀，然后突然闭合，空化泡闭合瞬间产生的冲击波能够提高湍流强度，使斜楔形流道内的磨粒能量提高，增大磨粒对加工表面的剪切力，从而增强材料的去除效果，提高加工效率；
所述磁性磨粒在均匀磁场作用下被磁化，磁场强度为B，磁场方向垂直工件表面向上，被磁化的磁性磨粒受到垂直指向工件表面的磁场力Fm作用，在楔形流道内沿平行于工件表面方向流动的同时沿垂直指向工件表面方向流动，磁场力的存在不仅增大磁性磨粒对工件表面的压力，还使原本在流道截面内无序分布的磁性磨粒向工件表面聚集，提高磨粒在工件表面的驻留时间，从而提高加工效率、缩短加工时间；
所述磁性磨粒为Fe-Al2O3磨粒，粒径0.2～5μm，在磨粒流中的质量分数介于2～15％，铁粉作为磁性粒子，刚玉粉作为磨粒，二者在高温下烧结制成Fe-Al2O3磁性磨粒。
2.如权利要求1所述的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，其特征在于，所述低压流体指加工装置内的压力在0.05～2MPa。
3.如权利要求1或2所述的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，其特征在于，所述楔形流道的上顶面倾斜角度可调通过更换置于加工装置内的角度块零件实现，加工时低压磨粒流从左侧进入，右侧流出；加工过程中流体和磨粒与加工装置腔体或工件表面的摩擦碰撞会导致能量损失，引起流场内沿流动方向上的压力下降，进而导致磨粒对工件表面的剪切力下降；一组倾斜角位于大于0度和小于等于10度之间均匀增加的角度块零件，可以在大于0度和小于等于10度范围内均匀地改变楔形流道上顶面的倾斜角，实现流道截面积沿磨粒流动方向的逐渐缩小，弥补流场内沿流动方向上的压力下降，从而弥补工件表面沿流动方向上的剪切力下降，使工件表面的抛光力分布均匀，抛光后工件表面粗糙度分布均匀。
4.如权利要求1或2所述的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，其特征在于，所述磁场为施加于楔形流道内且垂直于工件表面的强度在0.01～1.00T区间内可调的均匀磁场，通过置于加工装置正下方的电磁铁生成，磁场强度由系统控制器调整，通过改变电磁铁线圈中的电流大小实现磁场强度的调节。
5.如权利要求1或2所述的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法，其特征在于，所述加工系统中的泵发热和控制阀节流会导致加工回路内的磨粒流温度上升，而磨粒流温度上升会导致磨粒流粘度变化，造成工件表面抛光力变化，最终造成抛光质量下降；为避免磨粒流温度升高导致上述不良影响，在磨粒缸中安装水冷装置，通过系统控制器调节水冷装置的冷却水流量以维持磨粒流的温度在15～45℃范围内。
6.一种如权利要求1所述的超声空化和磁场辅助低压磨粒流抛光方法实现的装置，其特征在于，所述装置包括由压力表、加工装置、磨粒缸、泵、控制阀组成的低压磨粒流回路，所述装置还包括置于加工装置流道入口前的超声波发生器、置于加工装置下方的电磁铁、置于磨粒缸中的搅拌器和水冷装置以及系统控制器；所述搅拌器和水冷装置使磨粒流均匀且温度恒定，泵将磨粒流从磨粒缸吸出并送入管道，磨粒流经过控制阀和压力表后流入超声波发生器，再流入配备了电磁铁的加工装置中，最后通过管道回流到磨粒缸，整个加工过程通过系统控制器控制。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述加工装置包括端盖、密封圈、入口导流件、角度块、腔体、工件槽、工件盘和出口导流件，所述端盖通过螺钉固定在腔体上，所述入口导流件位于加工区域入口，出口导流件位于加工区域出口，所述加工区域内设有角度块和工件槽，所述角度块位于工件槽的上方，工件盘位于工件槽内。
8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述楔形流道空间的上顶面倾斜角度可调通过更换置于加工装置内的角度块零件实现，角度块以滑块的形式滑入腔体中，并通过两侧导流件和端盖限制其水平位移；制作一组倾斜角位于大于0度和小于等于10度之间均匀增加的角度块零件，可以使楔形流道夹角在大于0度和小于等于10度范围内的均匀调整，实现楔形流道截面积沿流动方向的不同程度缩小，弥补流道内沿流动方向的压力损失，使工件表面剪切力分布均匀。
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