基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置制造方法
【專利摘要】一種基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)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，所述拋光工具位于拋光池內(nèi)，所述拋光池內(nèi)放置拋光液，所述工件夾具上的工件位于拋光池內(nèi)且與所述拋光工具之間存在間隙，所述工件夾具與工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述拋光工具夾具與拋光工具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述工件夾具的導(dǎo)電件與電源陽極連接，所述拋光工具夾具的導(dǎo)電件與電源陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體中添加磨?；蛭⒎邸㈦娊庖撼煞值膾伖庖?。本實(shí)用新型適用范圍廣、效率高、質(zhì)量高、成本低、裝置結(jié)構(gòu)與控制簡單。
【專利說明】
基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及超精密加工領(lǐng)域，尤其是一種針對(duì)平面、柱面、非球面、異形面等各種曲面的高效、高質(zhì)量的超精密拋光裝置。

【背景技術(shù)】
[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(chǎn)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(yīng)用于天文、航天航空、航海、汽車零部件、模具等領(lǐng)域。如在天文觀測領(lǐng)域使用非球面光學(xué)零件能夠提高觀測設(shè)備的鑒別能力、簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)；大量的模具型腔及汽車零部件采用復(fù)雜的自由曲面。復(fù)雜曲面的加工質(zhì)量對(duì)設(shè)備性能有重要影響，如光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡，其面型誤差會(huì)給系統(tǒng)成像帶來各種像差，而其表面粗糙度則會(huì)使光線發(fā)生大角度散射，降低鏡面反射率及系統(tǒng)分辨率；美國太陽動(dòng)力學(xué)觀測站中AIA望遠(yuǎn)鏡，其反射鏡經(jīng)超精密加工后表面粗糙度達(dá)到0.44nm,可使儀器分辨率在13.1?30.4nm波段僅產(chǎn)生約0.42"的誤差；航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在經(jīng)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后，則發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮效率將由87%提高至94%。
[0003]目前開發(fā)的曲面工件精密加工或拋光技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)控制表面成型屬于傳統(tǒng)的接觸式拋光技術(shù)，一般是通過較小的拋光工具來適應(yīng)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?；虼帕髯儝伖庖簩?duì)工件表面進(jìn)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，但較為復(fù)雜的磁場輔助設(shè)備和較高的加工介質(zhì)使用成本制約了這類拋光方法的應(yīng)用。磨粒流拋光是通過載有磨料的黏彈體在壓力下反復(fù)通過工件表面實(shí)現(xiàn)拋光加工，其需要復(fù)雜的磨粒流推動(dòng)系統(tǒng)，工件拋光效率較低，表面質(zhì)量對(duì)磨粒尺寸差異敏感。氣囊拋光是使用一個(gè)氣壓可控的充氣氣囊作為拋光工具進(jìn)行拋光加工，由于加工工具尺寸的限制僅可加工中-大口徑曲面，并對(duì)工件邊緣拋光質(zhì)量控制較差。
[0004]電解拋光利用金屬表面微觀凸點(diǎn)在特定電解液中和適當(dāng)電流密度下，發(fā)生陽極溶解的原理進(jìn)行拋光，可以保證良好的加工精度和表面質(zhì)量，獲得較高的加工效率，成本較低，適用于金屬工件。然而，電解拋光存在以下不足:對(duì)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；；拋光后工件表面易存有斑點(diǎn)。
[0005]專利(CN201210192915.8)公開了一種基于非牛頓流體剪切增稠效應(yīng)的超精密曲面拋光方法?；诜桥ｎD流體剪切增稠效應(yīng)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(qū)域的拋光液的粘度增大，增強(qiáng)了對(duì)磨?；蛭⒎鄣陌殉至?，拋光液中具有拋光作用的磨?；蛭⒎蹖?duì)工件產(chǎn)生微切削作用或化學(xué)機(jī)械作用實(shí)現(xiàn)工件表面材料的去除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的拋光。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)目前的超精密拋光過程中拋光效果差、成本高的問題，本實(shí)用新型提出了一種適用范圍廣、效率高、質(zhì)量高、成本低、裝置結(jié)構(gòu)與控制簡單的一種基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置。
[0007]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)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，所述拋光工具位于拋光池內(nèi)，所述拋光池內(nèi)放置拋光液，所述工件夾具上的工件位于拋光池內(nèi)且與所述拋光工具之間存在間隙，所述工件夾具與工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述拋光工具夾具與拋光工具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述工件夾具的導(dǎo)電件與電源陽極連接，所述拋光工具夾具的導(dǎo)電件與電源陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體中添加磨?；蛭⒎邸㈦娊庖撼煞值膾伖庖?。
[0009]進(jìn)一步，所述設(shè)備還包括循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)與所述拋光池連接，拋光液在經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)中拋光池的底部抽出并從拋光池上部輸入。
[0010]再進(jìn)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后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后與陰極電極接觸緊固。
[0012]所述循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)管路、拋光液溫控與過濾裝置、拋光液補(bǔ)給裝置和泵，所述循環(huán)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(bǔ)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(wǎng)和添加或取出拋光液的進(jìn)出料□。
[0014]本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思為:基于非牛頓流體剪切增稠效應(yīng)的拋光方法與電解拋光方法復(fù)合加工，將有效的結(jié)果電解拋光工件表面易存有斑點(diǎn)的問題，極大地提高加工效率，更好地實(shí)現(xiàn)工件表面的高效率高質(zhì)量高一致性的拋光。
[0015]在具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體中添加磨粒或微粉制備出拋光液，并添加電解液成分，使拋光液即具有電解作用又具有剪切增稠效果。電源通電后，在陽極工件與陰極拋光工具間產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，工件表面的金屬被電解溶解，隨之工件表面會(huì)形成一層妨礙電化學(xué)反應(yīng)的氧化膜。同時(shí)工件與拋光工具做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使拋光液在工件與拋光工具間隙處受剪切作用發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象，該區(qū)域的拋光液的粘度增大，增強(qiáng)了對(duì)磨?；蛭⒎鄣陌殉至Γ瑨伖庖褐芯哂袙伖庾饔玫哪チ；蛭⒎蹖?duì)工件表面產(chǎn)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(xué)反應(yīng)得以在凸起處繼續(xù)進(jìn)行。而凹陷處的氧化膜未被去除，化學(xué)反應(yīng)受到阻礙，該處金屬得到了保護(hù)。同時(shí)由于電流的尖峰效應(yīng)，凸起處電場強(qiáng)度大，對(duì)金屬的腐蝕能力也強(qiáng)，加上剪切增稠作用下磨粒對(duì)工件表面凸起處的去除作用更強(qiáng)，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]本實(shí)用新型的有益效果是:(1)本實(shí)用新型提供了一種基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)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、各類復(fù)雜曲面等，適用范圍廣；(2)本實(shí)用新型與普通電解方法比較，加工效率顯著提高，因電解產(chǎn)生的斑點(diǎn)問題易被磨粒去除，工件表面質(zhì)量更好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型對(duì)平面工件拋光的整體示意圖。
[0018]圖2是本實(shí)用新型對(duì)球面工件拋光的示意圖。
[0019]圖3是本實(shí)用新型對(duì)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是本實(shí)用新型方法加工時(shí)工件表面微凸處去除示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
[0023]參照圖1?圖5，一種基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)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位于拋光池29內(nèi)，所述拋光池29內(nèi)放置拋光液19，所述工件夾具6上的工件位于拋光池29內(nèi)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述拋光工具夾具9與拋光工具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述工件夾具6的導(dǎo)電件與電源5陽極連接，所述拋光工具夾具9的導(dǎo)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(yīng)的非牛頓流體中添加磨?；蛭⒎邸㈦娊庖撼煞值膾伖庖?。
[0024]進(jìn)一步，所述設(shè)備還包括循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)與所述拋光池連接，拋光液在經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)中拋光池的底部抽出并從拋光池上部輸入。
[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1被安裝到所述的工件夾具6后與陽極電極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后與陰極電極11接觸緊固。
[0027]所述拋光液循環(huán)系統(tǒng)包括拋光池29、循環(huán)管路20、拋光液溫控與過濾裝置12、拋光液補(bǔ)給裝置13、泵14。所述循環(huán)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(bǔ)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(wǎng)和添加或取出拋光液的進(jìn)出料口，并可調(diào)節(jié)拋光液溫度至30-60°C。
[0029]本實(shí)施例的加工裝置實(shí)現(xiàn)的加工方法包括如下步驟:
[0030](1)電源5的陽極與工件1電連接，電源5的陰極與拋光工具2電連接，使得工件1作為電解對(duì)象；
[0031](2)在具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體中添加磨粒或微粉17制備出拋光液19，并添加電解液成分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(jīng)循環(huán)系統(tǒng)中拋光池29的底部抽出并從拋光池29上部輸入；
[0032](3)拋光過程中，工件1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(gòu)成電解回路，工件1表面微凸處在電解作用下發(fā)生陽極融解或形成一層氧化膜15，而凹處不易發(fā)生陽極融解或形成氧化膜15 ;氧化膜15與工件1本體材料結(jié)合較弱，更容易被去除；同時(shí)工件1與拋光工具2做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使所述拋光液19在工件1與拋光工具2間隙處受剪切作用發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象(參照圖5)，增大了拋光液19中分散相18對(duì)磨粒17的包裹作用，由于工件1微凸處對(duì)拋光液19施加的額外剪切力，使與工件1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1表面微凸處氧化膜；工件1在電解與磨粒17共同作用下對(duì)工件1表面凸點(diǎn)的選擇性去除，實(shí)現(xiàn)拋光加工，使工件1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(jìn)一步，所述的工件1固定在工件夾具6上，所述的工件夾具6與用于驅(qū)動(dòng)工件夾具6上下左右移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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與用于驅(qū)動(dòng)拋光工具夾具9轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)10連接。
[0037]電源5通電后，在陽極工件1與陰極拋光工具2間產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，工件1表面的金屬被電解溶解(參照圖5中a)，隨之工件1表面會(huì)形成一層妨礙電化學(xué)反應(yīng)的氧化膜15。同時(shí)工件1與拋光工具2做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使拋光液19在工件1與拋光工具2間隙處受剪切作用發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象，該區(qū)域的拋光液19的粘度增大，增強(qiáng)了對(duì)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(duì)工件1表面產(chǎn)生微切削作用。工件表面1凸起處的氧化膜15首先被磨掉，暴露出新鮮金屬，電化學(xué)反應(yīng)得以在凸起處繼續(xù)進(jìn)行。而凹陷處的氧化膜未被去除，化學(xué)反應(yīng)受到阻礙，該處金屬得到了保護(hù)。同時(shí)由于電流的尖峰效應(yīng)，凸起處電場強(qiáng)度大，對(duì)金屬的腐蝕能力也強(qiáng)，加上剪切增稠作用下磨粒17對(duì)工件1表面凸起處的去除作用更強(qiáng)，這幾方面的共同作用影響，使得工件1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，以水為溶劑制備了具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體，隨后向其中加入1000#的A1203磨粒并加入電解成分Η3Ρ04攪拌均勻制備出拋光液。工件1為球面碳素鋼材料。工件驅(qū)動(dòng)裝置3即可以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又可以左右擺動(dòng)，工件1與拋光工具2之間留有5-20_間隙，調(diào)節(jié)工件驅(qū)動(dòng)裝置3使工件1曲面與拋光工具2曲面曲率相適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工件1整個(gè)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(nèi)徑比圓柱面工件1直徑大5_20mm。工件1在驅(qū)動(dòng)裝置3的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，拋光工具2固定不動(dòng)，在工件1與拋光工具2的間隙處拋光液4發(fā)生剪切增稠效應(yīng)與電解效應(yīng)，在磨粒的作用下，迅速的去除圓柱面工件1表面的凸起處，是工件表面平滑光亮。
[0040]本說明書實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)實(shí)用新型構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
【權(quán)利要求】
1.一種基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置，其特征在于:包括拋光工具、拋光工具夾具、工件夾具和拋光池，所述拋光工具位于拋光池內(nèi)，所述拋光池內(nèi)放置拋光液，所述工件夾具上的工件位于拋光池內(nèi)且與所述拋光工具之間存在間隙，所述工件夾具與工件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述拋光工具夾具與拋光工具驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，所述工件夾具的導(dǎo)電件與電源陽極連接，所述拋光工具夾具的導(dǎo)電件與電源陰極連接，所述拋光液為在具有剪切增稠效應(yīng)的非牛頓流體中添加磨?；蛭⒎邸㈦娊庖撼煞值膾伖庖?。
2.如權(quán)利要求1所述的基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置，其特征在于:所述設(shè)備還包括循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)與所述拋光池連接，拋光液在經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)中拋光池的底部抽出并從拋光池上部輸入。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置，其特征在于: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后與陽極電極接觸緊固。
4.如權(quán)利要求3所述的基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置，其特征在于: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后與陰極電極接觸緊固。
5.如權(quán)利要求2所述的基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置，其特征在于:所述循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)管路、拋光液溫控與過濾裝置、拋光液補(bǔ)給裝置和泵，所述循環(huán)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(bǔ)給裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的基于非牛頓流體剪切增稠與電解復(fù)合效應(yīng)的超精密加工裝置，其特征在于:所述拋光液過濾裝置包括過濾大顆粒磨削的濾網(wǎng)和添加或取出拋光液的進(jìn)出料口。
【文檔編號(hào)】B24B29/00GK204123241SQ201420495587
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】戴偉濤, 董晨晨, 呂冰海, 余龍芬, 翁海舟, 鄧乾發(fā), 袁巨龍, 李敏, 林旺票 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)