CN103551926B - 一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属或非金属硬脆材料微孔内表面的抛光，是一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置及抛光微孔的方法。将电泳辅助和微细超声加工复合在一起，电泳的吸附作用使超微磨粒吸附在微细工具表面，微孔工件和微细工具在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，贯穿于微孔工件，微细工具沿轴向高频振动，带动工作液剧烈扰动，从而使超微磨粒滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件进行抛光的目的；实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工；从而实现对直径小于等于100微米微孔的抛光，提高超微磨料的利用率并能降低微孔内表面的粗糙度。
Description
技术领域
本发明涉及金属或非金属硬脆材料微孔内表面的抛光，尤其是一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置及抛光微孔的方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，微结构、微小零部件及微细产品在电子、光学、机械、生物技术、通信等工业领域的需求日益增加。为减少零件的磨损、提高其配合精度、提高疲劳强度及耐腐蚀性等性能，人们对零件表面的微观几何精度及表面粗糙度提出了越来越高的要求，而这些要求对光整加工技术的快速发展起到了推动作用。如今产品的设计日益趋向于轻、薄、小，对于各种结构复杂以及难以利用传统人工抛光方式的工件，例如微小孔等。需要有新的抛光技术的帮助。
目前,微小孔加工广泛采用电火花技术、激光技术、电脉冲、电子束、钻削及电化学等技术。加工后，一般达不到高表面质量，需要通过精密抛光方法达到去除毛刺、重熔层、微裂纹，降低表面粗糙度。在航空航天领域，由于零件的残余毛刺，严重影响卫星的姿态控制正常工作，要求多孔相交处的残余毛刺小于0.005mm，对微小孔超精密加工需求越来越迫切，而传统的磨粒流加工技术就是在这一背景下应运而生。
磨料流加工是利用磨粒相对于被加工表面的挤压运动来实现的,磨粒必须在磨粒流介质承载下靠压力作连续流动，磨粒流加工技术可分为动压磨粒流加工和静压磨粒流加工技术，静压磨粒流加工技术是近二十年发展起来的，它采用粘度很高的有机高分子材料作为介质，将具有切削作用的磨粒悬浮，其中形成粘弹性磨料，在压力作用下使磨料与被加工表面接触，产生切削作用进行光整加工。由于磨粒流加工是通过紧贴壁面的边界层磨粒的切削作用产生抛光效果的，通道内磨粒流沿径向的流速分布直接影响到边界层磨粒在壁面的运动及受力状况，进而决定了加工效果。
申请人于2013年5月22日，提交过一份申请，名称为一种电泳辅助微细超声加工机床及加工方法，申请号为201310192315.6。主要介绍了电泳辅助微细超声加工机床的结构及加工方法，而本申请是在面对微小孔难加工的技术问题时而提出的。由于磨粒流是磨粒相对于被加工表面的挤压运动实现的，孔越小越难以实现，所需要的挤压力越大，对液压系统与设备的要求越高。磨料工作液在工件和工具之间比较分散，磨料利用率不高，影响抛光加工效率，尤其是对于极小微孔采用磨粒流很难实现。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置；同时，本发明还提供了采用所述装置进行抛光微孔的方法，并且能有效的解决了磨粒利用率和微小孔的抛光。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置，包括微细超声加工机床、电泳直流电源、微细工具、工作液、超微磨粒、微孔工件、电泳辅助圆形电极；所述微细超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴微细超声纵振系统；所述电泳直流电源通过所述进电系统，其正极与微细工具连接，其负极与电泳辅助圆形电极连接；所述超微磨粒分布在工作液中，超微磨粒的平均粒径小于1微米；所述微孔工件，其微孔直径小于等于100微米。
作为本发明所述电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的优选实施方式，所述微细超声加工机床的主轴系统为可旋转的。
作为本发明所述电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的优选实施方式，所述微细工具通过在线加工完成。
作为本发明所述电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的优选实施方式，所述微细工具其在线加工为微细电火花块反拷法或微细电化学法或其二者的组合。
作为本发明所述电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的优选实施方式，所述微细工具的直径小于所述微孔工件的孔径。
另外，本发明还提供了一种使用电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工方法，该方法包括以下步骤：
（1）微孔工件固定安装在工作液槽中的工作台上；
（2）电泳直流电源的正极与微细工具连接，电泳直流电源的负极与电泳辅助圆形电极连接；
（3）微细工具通过微细工具夹头安装在主轴微细超声纵振系统上，微细工具在超声电源的驱动下沿轴向高频振动；
（4）电泳辅助圆形电极通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液中，由于电泳的吸附作用，使工作液中的超微磨粒在电场力的驱动下吸附到微细工具表面；
（5）微孔工件和微细工具在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，贯穿于微孔工件，微细工具沿轴向高频振动，带动工作液剧烈扰动，从而使超微磨粒滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件进行抛光的目的；实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工。
作为本发明所述使用电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述微细超声加工机床的主轴系统为可旋转的。
作为本发明所述使用电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述微细工具通过在线加工完成。
作为本发明所述使用电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述微细工具其在线加工为微细电火花块反拷法或微细电化学法或其二者的组合。
作为本发明所述使用电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置的实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述微细工具的直径小于所述微孔工件的孔径。
本发明由于将在线制作的微细工具直接用于电泳辅助微细超声加工，只是通过更换工作液槽与加工工作液实现不同的加工工艺，能够充分保证加工精度且机床结构紧凑。这样，电极通过在线制作完成，避免电极因二次装夹而产生的重复定位误差，最大限度降低工具电极位置精度对微加工的不利影响。电极的制作是通过传统的块反拷法或者微细电化学或者其二者的组合进行加工的，将电泳辅助和微细超声加工复合在一起，电泳的吸附作用使微细磨粒吸附在微细工具表面，微孔工件和微细工具在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，贯穿于微孔工件，微细工具沿轴向高频振动，带动工作液剧烈扰动，从而使超微磨粒滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件进行抛光的目的；实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工；从而实现对直径小于等于100微米微孔的抛光，提高磨料的利用率并能降低微孔内表面的粗糙度。
附图说明
图1为本发明所述电泳辅助微细超声抛光微孔的原理图。
图2为本发明所述电泳辅助微细旋转超声抛光微孔的原理图。
图中，1为工作液槽、2为电泳直流电源、3为微细工具、4为工作液、5为超微磨粒、6为微孔工件、7为电泳辅助圆形电极。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种电泳辅助微细超声抛光微孔的装置，包括微细超声加工机床，工作液槽1、电泳直流电源2、微细工具3、工作液4、超微磨粒5、微孔工件6、电泳辅助圆形电极7；所述微细超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴微细超声纵振系统；所述电泳直流电源2通过所述进电系统，其正极与微细工具3连接，其负极与电泳辅助圆形电极7连接；所述超微磨粒5分布在工作液4中，工作液4放在工作液槽1中，其中，超微磨粒5的平均粒径小于1微米；所述微孔工件6，其微孔直径小于等于100微米。
图1中所示的微细工具3的直径必须小于微孔工件6被抛光微孔的直径，否则微细工具3无法贯穿微孔实施电泳辅助微细超声抛光。微细工具3是采用在线加工的方式加工到所需的微细尺寸，一种是直接采用微细电火花块反拷加工方法加工微细工具3到所需的微细尺寸；另一种是先采用微细电火花块反拷加工方法对微细工具3进行加工，以减少或消除微细工具3的安装偏心，然后再采用微细电解腐蚀的加工方法加工工具到所需的微细尺寸。相对于前者，后一种加工微细工具3的加工效率更高。
图1中所示的微细工具3是装夹在微细超声振动的主轴上的，主轴安装于立式滑台上。通过超声电源的驱动，使微细工具3沿轴向高频振动。
图1中所示的微细工具3贯穿微孔过程是通过在线视频显微系统完成，立式滑台驱动微细超声振动的主轴运动实现粗定位，然后，再驱动微三维运动平台运动实现精确定位。
图1中所示的超微磨粒5悬浮于工作液4中，平均粒径小于1微米。电泳辅助微细超声是利用超微磨粒5在溶液中的电泳特性，超微磨粒5本身是不带电的。由于超微磨粒5的表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷，使整个磨粒呈负电。超微磨粒5平均粒径越小，超微磨粒5的电泳特性越明显。
图1中所示的工件6安装于工作液槽1中，浸没于磨料工作液。溶液未覆盖的微孔部分无法实施电泳辅助微细超声抛光。工作液槽1安装于微三维运动平台上，微三维运动平台x轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米。
另外，实施电泳辅助微细超声抛光微孔的加工方法。微孔工件6固定安装在工作液槽中的工作台上；电泳直流电源2的正极与微细工具3连接，电泳直流电源2的负极与电泳辅助圆形电极7连接；微细工具3通过微细工具夹头安装在主轴微细超声纵振系统上，其中，微细工具3的直径小于微孔工件6的孔径尺寸，微细工具3在超声电源的驱动下沿轴向高频振动；电泳辅助圆形电极7通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液4中，由于电泳的吸附作用，使工作液中的超微磨粒5在电场力的驱动下吸附到微细工具3表面；微孔工件6和微细工具3在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，贯穿于微孔工件6，微细工具3沿轴向高频振动，带动工作液4剧烈扰动，从而使超微磨粒5滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件6进行抛光的目的；实施电泳辅助微细超声抛光微孔的加工。
实施微细工具在线加工的方法。微细工具3是采用在线加工的方式加工到所需的微细尺寸，一种是直接采用微细电火花块反拷加工方法加工微细工具3到所需的微细尺寸；另一种是先采用微细电火花块反拷加工方法对微细工具3进行加工，以减少或消除微细工具3的安装偏心，然后再采用微细电解腐蚀的加工方法加工工具到所需的微细尺寸。相对于前者，后一种加工微细工具3的加工效率更高。
实施例2
如图2所示，一种电泳辅助微细旋转超声抛光微孔的装置，包括微细超声加工机床，工作液槽1、电泳直流电源2、微细工具3、工作液4、超微磨粒5、微孔工件6、电泳辅助圆形电极7；所述微细超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴微细超声纵振系统；所述电泳直流电源2通过所述进电系统，其正极与微细工具3连接，其负极与电泳辅助圆形电极7连接；所述超微磨粒5分布在工作液4中，工作液4放在工作液槽1中，其中，超微磨粒5的平均粒径小于1微米；所述微孔工件6，其微孔直径小于等于100微米。
图2中所示的微细工具3的直径必须小于微孔工件6被抛光微孔的直径，否则微细工具3无法贯穿微孔实施电泳辅助微细旋转超声抛光。微细工具3是采用在线加工的方式加工到所需的微细尺寸，一种是直接采用微细电火花块反拷加工方法加工微细工具3到所需的微细尺寸；另一种是先采用微细电火花块反拷加工方法对微细工具3进行加工，以减少或消除微细工具3的安装偏心，然后再采用微细电解腐蚀的加工方法加工工具到所需的微细尺寸。相对于前者，后一种加工微细工具3的加工效率更高。
图2中所示的微细工具3是装夹在微细超声振动的主轴上的，主轴安装于立式滑台上，微细工具3一边随主轴一起旋转，一边通过超声电源的驱动沿轴向高频振动。
图2中所示的微细工具3贯穿微孔过程是通过在线视频显微系统完成，立式滑台驱动微细超声振动的主轴运动实现粗定位，然后，再驱动微三维运动平台运动实现精确定位。
图2中所示的超微磨粒5悬浮于工作液4中，平均粒径小于1微米。电泳辅助微细旋转超声是利用超微磨粒5在溶液中的电泳特性，超微磨粒5本身是不带电的。由于超微磨粒5的表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷，使整个磨粒呈负电。超微磨粒5平均粒径越小，超微磨粒5的电泳特性越明显。
图2中所示的工件6安装于工作液槽1中，浸没于磨料工作液。溶液未覆盖的微孔部分无法实施电泳辅助微细旋转超声抛光。工作液槽1安装于微三维运动平台上，微三维运动平台x轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米。
另外，实施电泳辅助微细旋转超声抛光微孔的加工方法。微孔工件6固定安装在工作液槽中的工作台上；电泳直流电源2的正极与微细工具3连接，电泳直流电源2的负极与电泳辅助圆形电极7连接；微细工具3通过微细工具夹头安装在主轴微细超声纵振系统上，其中，微细工具3的直径小于微孔工件6的孔径尺寸，微细工具3一边随主轴旋转，一边在超声电源的驱动下沿轴向高频振动；电泳辅助圆形电极7通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液4中，由于电泳的吸附作用，使工作液中的超微磨粒5在电场力的驱动下吸附到微细工具3表面；微孔工件6和微细工具3在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，贯穿于微孔工件6，微细工具3沿轴向高频振动，带动工作液4剧烈扰动，从而使超微磨粒5滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件6进行抛光的目的；实施电泳辅助微细旋转超声抛光微孔的加工。
实施微细工具在线加工的方法。微细工具3是采用在线加工的方式加工到所需的微细尺寸，一种是直接采用微细电火花块反拷加工方法加工微细工具3到所需的微细尺寸；另一种是先采用微细电火花块反拷加工方法对微细工具3进行加工，以减少或消除微细工具3的安装偏心，然后再采用微细电解腐蚀的加工方法加工工具到所需的微细尺寸。相对于前者，后一种加工微细工具3的加工效率更高。
电泳辅助微细旋转超声抛光微孔是在电泳辅助微细超声抛光微孔的基础上，对微细工具施加旋转运动，旋转运动与高频振动的复合可以有效地增强工作液的扰动，提高磨粒对微孔的抛光效率。
本发明由于将在线制作的微细工具直接用于电泳辅助微细超声加工，只是通过更换工作液槽与加工工作液实现不同的加工工艺，能够充分保证加工精度且机床结构紧凑。这样，电极通过在线制作完成，避免电极因二次装夹而产生的重复定位误差，最大限度降低工具电极位置精度对微加工的不利影响。电极的制作是通过传统的块反拷法或者微细电化学或者其二者的组合进行加工的，将电泳辅助和微细超声加工复合在一起，电泳的吸附作用使微细磨粒吸附在微细工具表面，微孔工件和微细工具在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，贯穿于微孔工件的微细工具沿轴向高频振动，带动工作液剧烈扰动，从而使超微磨粒滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件进行抛光的目的；实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工；从而实现对直径小于等于100微米微孔的抛光，提高磨料的利用率并能降低微孔内表面的粗糙度。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置，包括微细超声加工机床，其特征在于，还包括电泳直流电源、微细工具、工作液、超微磨粒、微孔工件、电泳辅助圆形电极；
所述微细超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴微细超声纵振系统；
所述电泳直流电源通过所述进电系统，其正极与微细工具连接，其负极与电泳辅助圆形电极连接；
所述超微磨粒分布在工作液中，超微磨粒的平均粒径小于1微米；
所述微孔工件，其微孔直径小于等于100微米。
2.如权利要求1所述的电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置，其特征在于，所述微细超声加工机床的主轴系统为可旋转的。
3.如权利要求1所述的电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置，其特征在于，所述微细工具通过在线加工完成。
4.如权利要求1所述的电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置，其特征在于，所述微细工具其在线加工为微细电火花块反拷法或微细电化学法或其二者的组合。
5.如权利要求1所述的电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的装置，其特征在于，所述微细工具的直径小于所述微孔工件的孔径。
6.一种使用如权利要求1所述装置实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)微孔工件固定安装在工作液槽中的工作台上；
(2)电泳直流电源的正极与微细工具连接，电泳直流电源的负极与电泳辅助圆形电极连接；
(3)微细工具通过微细工具夹头安装在主轴微细超声纵振系统上，微细工具在超声电源的驱动下沿轴向高频振动；
(4)电泳辅助圆形电极通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液中，由于电泳的吸附作用，使工作液中的超微磨粒在电场力的驱动下吸附到微细工具表面；
(5)微孔工件和微细工具在微细超声加工机床的伺服进给系统驱动下，微细工具贯穿于微孔工件，微细工具沿轴向高频振动，带动工作液剧烈扰动，从而使超微磨粒滑擦微孔工件的内表面，以达到对微孔工件进行抛光的目的；实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的加工。
7.如权利要求6所述的一种实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的方法，其特征在于，所述微细超声加工机床的主轴系统为可旋转的。
8.如权利要求7所述的一种实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的方法，其特征在于，所述微细工具通过在线加工完成。
9.如权利要求8所述的一种实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的方法，其特征在于，所述微细工具其在线加工为微细电火花块反拷法或微细电化学法或其二者的组合。
10.如权利要求9所述的一种实施电泳辅助微细超声或微细旋转超声抛光微孔的方法，其特征在于，所述微细工具的直径小于所述微孔工件的孔径。
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