CN112658816B

CN112658816B - 一种粘度可控的磨粒流抛光方法及其装置

Info

Publication number: CN112658816B
Application number: CN202011571070.4A
Authority: CN
Inventors: 王华东; 鄂世举; 贺新升; 王城武; 何力钧; 黄平; 庞佩
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2020-12-27
Filing date: 2020-12-27
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2040-12-27
Also published as: CN112658816A

Abstract

本发明公开了一种粘度可控的磨粒流抛光方法及其装置，在固体石蜡和液态石蜡的融化混合液中加入抛光磨粒、分散剂和增稠剂等添加剂，形成抛光粘液；其中，固体石蜡质量百分比为50～90％，液体石蜡质量百分比为0～20％，抛光磨粒质量百分比为5～30％，分散剂质量百分比为0.5～2％，增稠剂质量百分比为0.2～2％。同时公开了一种实现上述抛光方法的装置，在抛光过程中，使用温度调节器将抛光用石蜡固体加热至软化点，形成抛光粘液，驱动加工零件与抛光粘液之间做相对运动，通过控制抛光槽的温度调节抛光粘液的粘度，进而改变抛光粘液中磨粒的把持力，实现加工零件表面高效精密抛光。本发明可通过调节抛光介质粘度实现回转体零件的高效超精密抛光。

Description

一种粘度可控的磨粒流抛光方法及其装置

技术领域

本发明属于超精密抛光技术领域，具体涉及一种粘度可控的磨粒流抛光方法及其装置，尤其涉及一种回转体零件的磨粒流抛光方法及其装置。

背景技术

回转体零件广泛应用于日用品、机械工业、航空航天和军事武器领域。例如，日常生活中的保温杯和电饭煲内胆等、工业领域常用的轴承滚子元件和液压开关轴类元件、航空航天和军事领域使用的非球面镜均为典型的回转体零件。其中，保温杯和电饭煲内胆须在电镀前抛光以保证镀层的质量；轴承滚柱和滚珠须均匀抛光至光滑表面以延长轴承的服役寿命；非球面镜须抛光至超光滑无损伤的加工表面以保证光路传输的准确性。

上述回转体零件均为典型的曲面零件，且对工作表面的抛光质量要求较高。传统抛光方法对零件表面损伤较大，且自动化水平较低。不锈钢内胆的抛光主要依赖于手工抛光，加工环境对操作者健康危害较大；高精度轴类零件和非球面镜加工依赖于高档数控机床，设备昂贵，且得到的表面光洁度和表层损伤难以满足使用要求。近年来，各国学者试图采用磨粒流体抛光方法加工曲面零件。常用流体抛光方法包括：磁流变抛光技术、浮法抛光技术和剪切增稠抛光技术。磁流变抛光的加工介质是以磁性颗粒为主要成分的Bingham流体，其在高速运动过程中可实现材料剪切去除，缺点是加工斑点小，对工件尺寸和曲率有一定限制，此外，磁流变液还有沉降的缺陷，限制其加工效率；浮法抛光技术的抛光精度较高，可达到原子级别抛光，但是效率较低，且对磨料粒度要求极高(d<20nm)；剪切增稠抛光技术利用工件与剪切增稠液相对运动发生的剪切增稠现象，局部粘度急剧增大，实现零件表面材料的微量去除，但是此工艺的有效抛光区域较小，导致抛光效率较低。

202010654986专利公开了一种机械抛光用抛光膏，使用单一成分石蜡和多种磨粒混合得到固定粘度的抛光膏。由于不同的加工阶段的磨粒与零件的作用力不同，单一配方得到的固定粘度的抛光介质，难以适应不同抛光精度的要求。

综上所述，现有的流体抛光技术难以低成本地实现高效超精密抛光回转体零件。因此，需要开发一种加工效率可控，实现成本较低，且能够保证加工质量的抛光方法。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明基于融化态石蜡的粘度与温度的关系特性，提出一种粘度可控的磨粒流抛光方法及其装置。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种粘度可控的磨粒流抛光方法，将固体石蜡和液体石蜡混合加热融化，在融化的石蜡混合液中加入抛光磨粒和添加剂，充分搅拌后均匀冷却，形成包含磨粒的抛光用石蜡固体；其中，固体石蜡质量百分比为50～90％，液体石蜡质量百分比为0～20％，抛光磨粒质量百分比为5～30％，分散剂质量百分比为0.5～2％，增稠剂质量百分比为0.2～2％；

抛光前，使用温度调节器将抛光用石蜡固体加热至软化点，形成抛光粘液；抛光过程中，加工零件与抛光粘液之间做相对运动，通过控制抛光槽的温度调节抛光粘液的粘度，进而改变抛光粘液中磨粒的把持力，实现加工零件表面高效精密抛光。

进一步，所述的抛光磨粒为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化锆、氧化钛的一种或几种磨粒的混合物，粒径范围为0.02～10μm，磨粒的种类、粒度和浓度根据抛光零件的加工质量和效率选取。

再进一步，在所述石蜡混合液中，添加分散剂防止抛光磨粒的沉降和凝聚，添加增稠剂改变抛光粘液的粘度，所述的分散剂为丙三醇、聚乙二醇或聚乙烯醇的一种，所述增稠剂为聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸类增稠剂或环氧树脂增稠剂的一种，分散剂和增稠剂的种类和浓度根据抛光磨粒和石蜡种类以及加工工件的材料特性选取。

本发明进一步公开了一种实现所述抛光方法的装置，包括用于盛放抛光粘液的抛光槽、温度调节器和用于固定零件的夹具，所述温度调节器安装在所述抛光槽的周围，所述夹具位于所述抛光槽上方。

进一步，所述温度调节器包括加热平台和热浴池，所述热浴池的加热方式为水浴、油浴或砂浴加热方式的一种，所述抛光槽安装在所述热浴池的底部。

再进一步，所述夹具与用于驱动夹具转动以及上下左右前后移动的驱动机构连接。

本发明的构思为：开发一种粘度受温度控制的抛光介质，在温度调节器的控制下实现加工零件的高效精密抛光。其中，所述抛光介质为改性石蜡为主体的抛光粘液，通过温度调节器调节抛光粘液的粘度，配合零件与抛光流体的相对运动，控制加工磨粒与零件的剪切力，达到高效抛光光学玻璃零件的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现为：属于流体抛光方法，适用于加工曲面零件；加工磨粒通过石蜡柔性把持，有利于减少加工损伤层；针对不同加工对象，可选用不同的粘液温度，得到适用粘度，有效提高抛光精度和效率；抛光石蜡易于制备，抛光装置可方便应用于数控机床，可显著降低加工成本。

附图说明

图1为本发明粘度可控磨粒流抛光装置工作状态的结构示意图；

图2为本发明使用的石蜡软化后粘度与温度的关系示意图；

图3为本发明抛光过程零件与抛光槽相对运动的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案做进一步说明。

参照图1、图2和图3，一种粘度可控的磨粒流抛光方法，将固体石蜡和液体石蜡混合加热融化，在融化的石蜡混合液1中加入抛光磨粒2和添加剂，充分搅拌后均匀冷却，形成包含磨粒2的抛光用石蜡固体，改性后抛光用石蜡软化温度为30～50℃。其中，固体石蜡质量百分比为50～90％，液体石蜡质量百分比为0～20％。抛光前，首先采用温度调节器将所述抛光用石蜡固体加热至软化点，形成抛光粘液3；抛光过程中，加工零件4与抛光粘液3之间做相对运动，通过控制抛光槽7的温度调节抛光粘液3的粘度，进而改变抛光粘液3中磨粒2的把持力，实现加工零件表面材料的高效超精密去除。

进一步，所述的加工磨粒为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化锆、氧化钛的一种或几种磨粒的混合物，抛光磨粒质量百分比为5～30％，粒径范围为0.02～10μm，磨粒的种类、粒度和浓度根据抛光工件的加工质量和效率选取。

再进一步，在所述石蜡混合液中，可以添加分散剂以防止抛光磨粒的沉降和凝聚，添加增稠剂增强抛光粘液的粘度，所述的分散剂为丙三醇、聚乙二醇或聚乙烯醇的一种，质量百分比为0.5～2％；所述增稠剂为聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸类增稠剂或环氧树脂增稠剂的一种，质量百分比为0.2～2％。分散剂和增稠剂的种类和浓度根据抛光磨粒和石蜡种类以及加工工件的材料特性选取。

本发明进一步公开了一种实现所述抛光方法的装置，包括用于盛放抛光液的抛光槽7、温度调节器和用于固定零件的夹具8，所述温度调节器安装在所述抛光槽7的周围，所述夹具8位于所述抛光槽7上方。

进一步，所述温度调节器包括加热平台10和热浴池9，所述热浴池9的加热方式为水浴、油浴或砂浴加热方式的一种，所述抛光槽7固定在热浴池9底部。

再进一步，所述夹具8与用于驱动夹具转动以及上下左右前后移动的驱动机构连接。

由于石蜡为非晶固体，加热过程中持续吸热，且变形过程连续。固体石蜡加热融化变形过程包括：固体-软化(软化温度)-融化(融化温度)，液态石蜡的粘度随温度升高而降低逐渐变小，参见图2。本发明所述的一种粘度可控的磨粒流抛光方法，可实现各种回转体零件的高效低成本抛光。

以抛光半球形模具钢零件为例，工作状态参见图1。选用固体石蜡为52#全精制石蜡(质量百分比70％，下同)，其硬度和软化温度较高。为适应环境温度，加入液体石蜡(18％)，降低软化点。首先将混合石蜡倒入抛光槽7，采用温度调节器加热至完全融化态，随后加入2000目的Al₂O₃磨粒(10％)，同时加入聚乙二醇(1％)，聚丙烯酸类增稠剂(1％)，充分搅拌后冷却，作为抛光用固态石蜡。

抛光步骤：首先采用温度调节器将所述抛光用石蜡固体加热至软化点，形成抛光粘液3，并保持抛光槽7温度恒定，所述温度调节器采用水浴加热方式控制抛光槽7温度，温度控制分辨力为±0.2℃；零件4通过夹具8固定于主轴6后，降低主轴6将零件4插入抛光粘液3，随后启动主轴电机5驱动主轴6转动，转速为1000r/min，同时驱动主轴6在抛光槽7内做圆周运动，参见图3。抛光15分钟后，完成粗抛加工；然后加热抛光槽，提高抛光粘液温度以降低粘度，保持抛光槽温度恒定，提高主轴转速至2000r/min，继续抛光15分钟，完成模具钢曲面的抛光。

本发明适用的应用场景为回转体零件的终端超精密抛光工艺。使用的抛光磨粒为细粒度硬质磨粒，抛光介质为粘度可控的磨粒流体，方便贴合曲面零件表面，结合零件与抛光液的相对运动，实现回转体零件表面的高效高精度抛光。

以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的范围之内，所做的简单变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims

1.一种粘度可控的磨粒流抛光方法，其特征在于：将固体石蜡和液体石蜡混合加热融化，在融化的石蜡混合液中加入抛光磨粒和添加剂，充分搅拌后均匀冷却，形成包含磨粒的抛光用石蜡固体；其中，固体石蜡质量百分比为50～90％，液体石蜡质量百分比为0～20％，抛光磨粒质量百分比为5～30％，分散剂质量百分比为0.5～2％，增稠剂质量百分比为0.2～2％；

2.如权利要求1所述的一种粘度可控的磨粒流抛光方法，其特征在于：所述的抛光磨粒为金刚石、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅、氧化锆、氧化钛的一种或几种磨粒的混合物，粒径范围为0.02～10μm，磨粒的种类、粒度和浓度根据抛光零件的加工质量和效率选取。

3.如权利要求1所述的一种粘度可控的磨粒流抛光方法，其特征在于：在所述石蜡混合液中，添加分散剂防止抛光磨粒的沉降和凝聚，添加增稠剂改变抛光粘液的粘度，所述的分散剂为丙三醇、聚乙二醇或聚乙烯醇的一种，所述增稠剂为聚氨酯类增稠剂、聚丙烯酸类增稠剂或环氧树脂增稠剂的一种，分散剂和增稠剂的种类和浓度根据抛光磨粒和石蜡种类以及加工工件的材料特性选取。

4.一种应用于如权利要求1所述的一种粘度可控的磨粒流抛光方法的抛光装置，其特征在于：包括用于盛放抛光粘液的抛光槽、温度调节器和用于固定零件的夹具，所述温度调节器安装在所述抛光槽的周围，所述夹具位于所述抛光槽上方。

5.如权利要求4所述的一种粘度可控的磨粒流抛光装置，其特征在于：所述温度调节器包括加热平台和热浴池，所述热浴池的加热方式为水浴、油浴或砂浴加热方式的一种，所述抛光槽安装在所述热浴池的底部。

6.如权利要求4所述的一种粘度可控的磨粒流抛光装置，其特征在于：所述夹具与用于驱动夹具转动以及上下左右前后移动的驱动机构连接。