基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工装置

摘要

基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工装置，包括工作台、抛光工具系统、磨料液循环装置、计算机控制模块，所述的抛光工具安装在所述的工作台上的龙门架上，所述的磨料液循环装置的进口与所述的工作台上设置的磨料回流口连通，所述的工作台、抛光工具系统、磨料液循环装置分别与所述的计算机控制模块连接。本发明的有益效果是：（1）适用范围广；（2）所加工工件的尺寸不受限制，装置结构与控制简单；（3）计算机控制其运行轨迹，可有效地控制非牛顿流体磨料液与工件表面的抛光过程；（4）采用非牛顿流体磨料液循环系统，具备磨料液的磨屑去除与净化、回收、输运、储存、性能调节等功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工 装置。

背景技术

各种面形零件广泛应用于天文、航空、汽车零部件、模具等领域。 如在天文观测领域使用非球面光学零件能够很好地矫正多种像差，提 高观测设备的鉴别能力并简化设备结构；复杂曲面反射镜可有效减少 反射次数和功率损失，提高设备的精度以及稳定性；随着产品外形设 计日趋复杂与精度要求的提高，模具及汽车零部件越来越多的应用了 复杂曲面外形；大量的模具型腔采用复杂的自由曲面；在航空及航海 领域，涡扇发动机、涡轮机发动机叶片以及大型船用螺旋桨等零件就 属于大中型复杂曲面。复杂曲面的加工质量对设备性能有重要影响， 如光学系统中的反射镜，其面型误差会给系统成像带来各种像差，而 其表面粗糙度则会使光线发生大角度散射，降低镜面反射率及系统分 辨率；美国太阳动力学观测站(Solar dynamics observatory，SDO) 中焦距为3750mm的AIA望远镜，其反射镜的表面粗糙度为0.44nm， 所导致的散射在13.1~30.4nm波段产生了约0.42″的分辨率误差； 而应用于发电机组的涡轮叶片，其表面经过精密加工后发电机组的整 机效率可提高1%；航空发动机的压气机转子叶片在经过精加工其面 型误差由60μm降至12μm、表面粗糙度由0.5μm降至0.2μm后， 则发动机的压缩效率将由87%提高至94%；潜艇的螺旋桨叶片表面经 过精加工后其噪音将降至原来的15%。

目前开发的曲面抛光技术主要包括计算机控制表面成型、磨粒流 抛光、电解抛光、磁场辅助抛光以及气囊抛光等。计算机控制表面成 型属于传统的接触式抛光技术，一般是通过较小的抛光工具来适应工 件曲面曲率的变化，以牺牲抛光效率来获得高的面形精度要求，但接 触式抛光中抛光工具曲率与被加工曲面曲率吻合差，影响了抛光的精 度；加工效率较低，且表面质量对磨粒尺寸差异敏感。磨粒流抛光是 通过载有磨料的黏弹体在压力下反复通过工件表面实现抛光加工，其 需要复杂的磨粒流推动系统，且工件抛光效率较低；电解抛光加工表 面质量好，加工效率高，但其仅适用于部分金属工件，且电解液易对 环境造成不利影响。磁场辅助抛光方法是利用磁场控制磁性磨粒或磁 流变抛光液对工件表面进行抛光，是一类高效、柔性的抛光方法，能 够获得很好的加工效果，但较为复杂的磁场辅助设备和较高的加工介 质使用成本制约了这类抛光方法的应用。气囊抛光是使用一个气压可 控的充气气囊作为抛光工具进行抛光加工，由于加工工具尺寸的限制 仅可抛光中-大口径曲面，且对工件边缘抛光质量控制较差。

一种利用非牛顿流体剪切增稠效应的抛光方法，主要是利用抛光 液与工件接触部分受剪切而增稠，接触区域的抛光液的粘度增大，增 强了对磨粒或微粉的把持力，抛光液中具有抛光作用的磨粒或微粉对 工件产生微切削作用或化学机械作用实现工件表面材料的去除，从而 实现对工件表面的抛光。已公开中国发明专利，申请号： 201210192915.8，专利名称：一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超 精密曲面抛光方法，由于所采用加工方式的局限性或者一些技术上的 难题没有解决，该发明尚没有解决基于非牛顿流体剪切增稠机理的抛 光装置及相关设备问题。

发明内容

针对目前的抛光装置的抛光效果差、成本高、对工件边缘抛光质 量控制差的问题，本发明提出了一种适用范围广、加工能力强、效率 高、成本低、装置结构与控制简单、高效环保的基于非牛顿流体剪切 增稠机理抛光方法的加工装置。

本发明所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工装 置，其特征在于：包括工作台、抛光工具系统、磨料液循环装置、计 算机控制模块，所述的抛光工具安装在所述的工作台上的龙门架上， 所述的磨料液循环装置的进口与所述的工作台上设置的磨料回流口 连通，所述的工作台、抛光工具系统、磨料液循环装置分别与所述的 计算机控制模块连接；

所述的工作台带有装夹各类尺寸大小的工件的工件夹具，并且具 有多个的自由度，在所述的计算机控制模块的控制下作出适应各类面 形抛光时所需要的工件的位姿变换；

所述的抛光工具系统固定于工作台的龙门架横梁下方，并位于装 夹于工作台的待加工工件的上方，具有多个自由度，且绕中心轴自转 的抛光工具由所述的计算机控制模块精确控制运行轨迹；

粘度计、非牛顿流体磨料液补充配置系统包含流量控制装置和粘 度检测与调节装置；所述粘度检测与调节装置、流量控制装置分别同 计算机控制模块相连接；所述的计算机控制模块通过粘度检测与调节 装置得到磨料液的粘度反馈信号，实时调控加水器以获取性能适合加 工的非牛顿流体磨料液；所述的流量控制装置实时采集磨料液储存箱 中的磨料容量数据实时传输到计算机控制模块，所述的计算机控制模 块通过对磨料液容量的反馈信息控制非牛顿流体磨料液配置补充系 统和流量控制器，合理补充所需要的磨料液的同时，控制通过输出管 道进入抛光工具内的磨料液。

所述的工作台包括工件夹具、抛光工具运动机构、工件夹具驱动 机构、工作平台、龙门架，所述的工件夹具和所述的龙门架均安装在 所述的工作平台上，所述的抛光工具运动机构安装在龙门架的横梁 上，所述的工作平台设有与所述的工作平台上表面连通的磨料回流 口；所述的抛光工具运动机构、工件夹具驱动机构与所述的计算机控 制模块连接。

所述的抛光工具系统包括抛光头、磨料液连接管、连接轴、轴套、 驱动机构安装件，所述的连接轴上端设有与所述的连接轴中心孔连通 的环形槽，所述的连接轴的下端安装抛光头；所述的轴套套接在所述 的连接轴上端，并且所述的磨料液连接管的出液口与轴套的一端连 接；所述的连接轴的中心孔与抛光头的内腔连通。

所述的磨料液循环装置包括回收装置、磨屑去除净化器、收集储 存箱、封闭式磨料液输送装置、磨料液储存箱，所述的收集储存箱与 所述的磨屑去除净化器出口连接，所述的磨屑去除净化器进口通过回 收管道与上述的磨料回流口连接；所述的封闭式磨粒液输送装置的输 入口与所述的收集储存箱连通，所述的封闭式磨粒液输送装置的输出 口与所述的磨料液储存箱连通；所述的磨料液储存箱通过输出管道与 上述的磨料液连接管连通；所述的封闭式磨料液输送装置与所述的计 算机控制模块连接。

所述的磨料液储存箱上设置粘度检测与调节器、加水器、非牛顿 流体磨料液补充配置系统、流量控制器，非牛顿流体磨料液补充配置 系统的补液口连通所述的磨料液储存箱；上述的磨料液出口依次通过 输出管路、粘度检测与调节装置、加水器、磨料液储存箱、封闭式磨 料液输送装置的出口相连组成磨料液输出通路；所述的回收装置依次 通过回收管路、磨屑去除净化器、封闭式磨料液输运装置相连组成磨 料液回收通路；所述的粘度检测与调节器、加水器、磨料液补充装置、 流量控制器均受控于所述的计算机控制模块。

抛光头的抛光面上均匀分布与抛光头内腔连通的密布小孔。

所述的轴套与所述的连接轴之间设置密封环。

使用时，先在计算机控制模块上设置好待加工运动轨迹，然后将 工件固定在工件夹具上，然后运行整个设备，抛光工具就会按照预先 设定的程序对工件进行抛光，同时，抛光加工后的磨料液经工作平台 下部的回收管道，流入回收装置收集液体；经磨屑去除净化器将所收 集的磨料液中的磨削去除并净化；净化后的磨料液进入收集储存箱储 存，通过封闭式磨料液输运装置将磨料液输送到高位磨料液储存箱； 计算机控制系统通过粘度检测与调节器的反馈信号，控制加水器，调 节并获取性能适合加工的非牛顿流体磨料液；此外，通过磨料液容量 信号反馈，控制非牛顿流体磨料液配置补充装置，合理补充所需要的 磨料液；控制流量控制器，磨料液经输出管道，将输送到抛光工具中。

本发明的有益效果是：（1）本发明提供了一种基于非牛顿流体剪 切增稠机理抛光方法的加工装置，可以抛光各类面形零件，包括平面、 球面、非球面、各类复杂曲面等，适用范围广；（2）本发明采用的工 作台，可装夹各种面形及尺寸大小的工件，可实现抛光工具装置的水 平、垂直、旋转运动和多自由度摆动，并可实现工件的多位姿变换， 所加工工件的尺寸不受限制，装置结构与控制简单；（3）本发明采用 了一种抛光工具，计算机控制其运行轨迹，可有效地控制非牛顿流体 磨料液与工件表面的抛光过程，可沿水平、旋转、垂直方向运动和多 自由度摆动，能够使得工件与抛光液接触部位形成一个柔性“固着磨 具”，与各类面形零件表面都具有良好的吻合度，可有效控制加工驻 留时间及正压力，并且针对不同工件特性更换相应的抛光头，加工能 力强、加工效率高；（4）本发明采用了一种非牛顿流体磨料液循环系 统，具备磨料液的磨屑去除与净化、回收、输运、储存、性能调节等 功能，可有效保证加工所需成份、流量等各项性能稳定的非牛顿流体 磨料液，减少了成本，并且高效环保。

附图说明

图1是本发明的整体示意图（其中，6代表初始加工用非牛顿流 体磨料液；7代表加工后回流磨料液，实心箭头代表液体运动方向； 空心箭头代表工件旋转方向）。

图2是本发明的抛光工具示意图（其中，61代表非牛顿流体分散 相；62代表磨粒；实心箭头代表液体运动方向）。

图3是本发明的实施非牛顿流体抛光磨料液循环系统的原理示意 图（实心箭头代表液体运动方向；空心箭头代表工件旋转方向）。

图4是本发明的计算机控制框架示意图。

图5是本发明的工作台的自由度示意图（A、B分别代表抛光头的 运动自由度；C、D分别代表工件的运动自由度；X、Y、Z分别代表工 作平台的运动自由度）。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

本发明所述的基于非牛顿流体剪切增稠机理抛光方法的加工装 置，包括工作台1、抛光工具系统2、磨料液循环装置3、计算机控 制模块4，所述的抛光工具2安装在所述的工作台1上的龙门架11 上，所述的磨料液循环装置3的进口与所述的工作台1上设置的磨料 回流口12连通，所述的工作台1、抛光工具2、磨料液循环装置3分 别与所述的计算机控制模块4连接。

所述的工作台1带有装夹各类尺寸大小的工件的工件夹具，并且 具有多个的自由度，在所述的计算机控制模块4的控制下作出适应各 类面形抛光时所需要的工件的位姿变换；

所述的抛光工具系统2固定于工作台1的龙门架横梁111下方， 并位于装夹于工作台1的待加工工件的上方，具有多个自由度，且绕 中心轴自转的抛光工具由所述的计算机控制模块4精确控制运行轨 迹；

粘度计、非牛顿流体磨料液补充配置系统包含流量控制装置和粘 度检测与调节装置；所述粘度检测与调节装置、流量控制装置分别同 计算机控制模块相连接；所述的计算机控制模块通过粘度检测与调节 装置得到的反馈信号，实时调控加水器以获取性能适合加工的非牛顿 流体磨料液；所述的流量控制装置实时采集磨料液储存箱中的磨料容 量数据实时传输到计算机控制模块，所述的计算机控制模块通过对磨 料液容量的反馈信息控制非牛顿流体磨料液配置补充系统和流量控 制器，合理补充所需要的磨料液的同时，控制通过输出管道进入抛光 工具内的磨料液。

所述的工作台1包括工件夹具13、抛光工具运动机构14、工件 夹具驱动机构15、工作平台16、龙门架11，所述的工件夹具13和 所述的龙门架11均安装在所述的工作平台16上，所述的抛光工具运 动机构14安装在龙门架11的横梁111上，所述的工作平台16设有 与所述的工作平台16上表面连通的磨料回流口12；所述的抛光工具 运动机构14、工件夹具驱动机构15与所述的计算机控制模块4连接。

所述的抛光工具2包括抛光头21、磨料液连接管22、连接轴23、 轴套24、驱动机构安装件25，所述的连接轴23上端设有与所述的连 接轴中心孔231连通的环形槽232，所述的连接轴23的下端安装抛 光头21；所述的轴套24套接在所述的连接轴23上端，并且所述的 磨料液连接管22的出液口与轴套24的一端连接；所述的连接轴的中 心孔231与抛光头21的内腔连通。

所述的磨料液循环装置3包括回收装置31、磨屑去除净化器32、 收集储存箱33、封闭式磨料液输送装置34、磨料液储存箱35，所述 的收集储存箱33与所述的磨屑去除净化器34出口连接，所述的磨屑 去除净化器34进口通过回收管道36与上述的磨料回流口12连接； 所述的封闭式磨粒液输送装置34的输入口与所述的收集储存箱33连 通，所述的封闭式磨粒液输送装置34的输出口与所述的磨料液储存 箱35连通；所述的磨料液储存箱35通过输出管道37与上述的磨料 液连接管22连通；所述的封闭式磨料液输送装置34与所述的计算机 控制模块4连接。

所述的磨料液储存箱35上设置粘度检测与调节器351、加水器 352、非牛顿流体磨料液补充配置系统353、流量控制器354，非牛顿 流体磨料液补充配置系统353的补液口连通所述的磨料液储存箱35； 上述的磨料液出口12依次通过输出管路355、粘度检测与调节装置 351、加水器352、磨料液储存箱35、封闭式磨料液输送装置34的出 口相连组成磨料液输出通路；所述的回收装置31依次通过回收管路 36、磨屑去除净化器32、封闭式磨料液输运装置34相连组成磨料液 回收通路；所述的粘度检测与调节器351、加水器352、磨料液补充 装置354、流量控制器354均受控于所述的计算机控制模块4。

抛光头21的抛光面211上均匀分布与抛光头21内腔连通的密布 小孔212。

所述的轴套24与所述的连接轴23之间设置密封环25。

使用时，先在计算机控制模块4上设置好待加工运动轨迹，然后 将工件5固定在工件夹具13上，然后运行整个设备，抛光工具2就 会按照预先设定的程序对工件5进行抛光，同时，抛光加工后的磨料 液7经工作平台16下部的回收管道36，流入回收装置31收集液体； 经磨屑去除净化器32将所收集的磨料液中的磨削去除并净化；净化 后的磨料液进入收集储存箱33储存，通过封闭式磨料液输运装置34 将磨料液输送到高位磨料液储存箱35；进一步计算机控制系统4通 过粘度检测与调节器351的反馈信号，控制加水器352，调节并获取 性能适合加工的非牛顿流体磨料液；此外，通过磨料液容量信号反馈， 控制非牛顿流体磨料液补充配置系统353，合理补充所需要的磨料液； 进一步控制流量控制器354，磨料液经输出管道355，将输送到抛光 工具2中。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列 举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形 式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够 想到的等同技术手段。