一种曲面抛光装置的研制与试验研究

作者:方海生;董晨晨;孙磊 刊名:新技术新工艺 上传者:李清泉

【摘要】随着全球技术革新的不断发展,精密零件的工艺性能日益提升,同时对于超精加工的要求也越来越高,尤其是复杂的曲面类零件很难加工。本文针对曲面类零件具有多曲率的特性,研制出能够抛光曲面的新型抛光装置,可以实现曲面类零件高效和高质量的抛光。通过试验研究发现,不同抛光速度和磨料浓度对表面粗糙度、材料去除率及表面质量影响很大,使用新型的装置抛光曲面类零件,工件表面粗糙度可以达到Ra 10nm左右,达到了镜面的效果。

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目前,随着市场竞争的日趋剧烈,具有复杂曲面的产品越来越多;复杂曲面已经成为航空航天、天文、汽车零部件、模具和生物医用植入等领域众多零件的重要工作面。非球面光学零件能够很好地矫正多种像差,提高仪器鉴别能力,简化仪器结构[1];复杂曲面反射镜可有效减少反射次数和功率损失,提高精度及稳定性[2];复杂曲面的发动机缸提高了其工作效能。同时,随着产品外形设计日趋复杂,高精度、微细化的生物医用植入物、模具以及汽车零部件越来越多地应用了复杂曲面外形。据统计,有30%左右的模具型腔采用了复杂的自由曲面[3]。随着对复杂曲面类零件性能要求的不断提高和需求量的增加,对曲面零件的加工要求也越来越高:一方面要求更高的表面质量和精度,另一方面又要求高效、低成本的加工方法。抛光技术一直都是超精密加工中最主要的一种方法,可应用于平面、镜面和复杂曲面的加工,是降低表面粗糙度,去除损伤层,获得光滑、无损伤表面的最终加工手段[4-5];复杂曲面抛光由于其技术的复杂性,一直受到研究人员的关注[6]。因此,为满足复杂曲面元器件的超高精度要求,并在此基础上力求提高复杂曲面类零件的加工效率和降低加工成本,本文研制了一种新型的曲面抛光装置;并使用此种抛光设备对曲面类零件进行加工试验,通过试验研究抛光速度和磨料浓度2个因素对抛光结果的影响,并分析每个因素对加工后工件的表面粗糙度、去除率和表面质量的影响程度。1抛光设备的研制针对曲面类零件多曲率的特性,本文研制的抛光装置能够实现曲面类零件高效和高质量的抛光。该抛光装置可以保证工件横向、纵向和转动3个方向上的移动,横向和纵向方向上的移动均由丝杆传动实现,工件的转动由电动机控制。其中,工件的横向移动有2种形式:1)使用步进电动机控制或者采用手动控制;2)工件的纵向移动则采用手动控制,这主要因为操作方便,便于加工过程中夹具和工件的安装和卸取。抛光装置主轴的驱动方式是步进电动机驱动,可以准确地控制加工中工件的转速。抛光设备的实物图如图1所示。施加给抛光盘一个固定转速,抛光液会随着抛光盘一起转动,工件浸入在抛光液中,如此工件与抛光液会产生相对运动,利 用磨粒的微切削作用实现工作的抛光作业。图1抛光设备的实物图本文自主研发了用于调节夹具(工件)转速的步进电动机的控制系统。对于驱动主轴步进电动机的控制采用了上位机和下位机相结合的控制方式。上位机采用的是PC机,下位机采用的是51开发板(见图2),并辅以相关的电源和控制器。图2步进电动机的控制系统为了实现对抛光过程更为细致的研究,我们在编写控制系统的上位机程序时对步进电动机的转速进行了细致的划分。具体如下:将步进电动机的转速(10~100r/min)划分为19档,各档之间依次增加5r/min。同时,为了更加精确地把握试验中工件的抛光时间,在程序中也添加了加工时间设定选项(见图3)。图3上位机软件界面2加工试验2.1试验方法与试验条件本文使用一种自制的粘度低于磨粒流加工的抛光液。将抛光用磨粒(如4000#Al2O3)分散在粘度较大的流体溶液中,得到可用于抛光曲面的抛光液。自制的抛光液黏度如图4所示。如图5所示,给出了在抛光作业过程中工件周图4抛光液黏度图围抛光液的运动情况。从图5可以看出,抛光液并不是直接从工件周围流过,而是在工件周围包裹了一层抛光液。这主要是因为抛光液在流经工件时,与工件间发生了相对运动,由于抛光液的粘性作用,使其表现出胀塑性向外膨胀,而磨粒被抛光液中的分散粒子所包裹,磨粒受到约束,在流体动压条件下,磨粒对工件产生微切削作用。由于抛光液具有良好的流动性,因此可抛光球面、柱面及自由曲面。图5抛光过程

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