本發(fā)明涉及一種新型內(nèi)表面光整加工方法及其裝置，尤其針對非直異形盲孔內(nèi)表面光整加工，屬于難加工材料高效精密光整技術領域。

背景技術：

隨著半導體、醫(yī)療、原子能、航空航天等高新科技產(chǎn)業(yè)的日新月異，現(xiàn)代零部件/構件呈現(xiàn)結構微型化、密集化和復雜化發(fā)展趨勢，對于具有高質(zhì)量復雜異形盲孔結構的零部件/構件需求越來越多。隨著三維增材制造技術（增材制造技術是基于離散-堆積原理的一種新型制造技術）的快速發(fā)展，能夠直接制造出各種具有非直異形盲孔結構的零部件/構件。然而，增材制造加工后非直異形盲孔內(nèi)表面質(zhì)量卻難以滿足實際技術要求，需要進一步進行表面光整處理。

當前，由于受非直異形盲孔結構以及加工工具運動干涉的限制，傳統(tǒng)機械切削與電火花加工難以實現(xiàn)非直異形盲孔復雜內(nèi)表面的精密加工。傳統(tǒng)用于復雜曲面光整與內(nèi)孔光整加工的磁力研磨、磨料水射流與擠壓研磨等磨粒加工技術難以直接應用于非直異形盲孔復雜內(nèi)表面光整。磨料水射流技術以水和混入磨料的流體為工作介質(zhì)，通過增壓設備和特制的噴嘴產(chǎn)生高壓射流束，利用高壓射流束對加工表面進行光整加工。對內(nèi)孔進行光整時，噴嘴必須與工件表面處于準接觸狀態(tài)，對于孔徑較小且路徑復雜的通孔或盲孔，由于噴嘴移動受限，無法完成對整體內(nèi)表面光整。擠壓研磨是以一種摻有磨粒的可流動混合物為工作介質(zhì)，采用兩個相對的光整介質(zhì)存儲缸使磨料流在工件與夾具構成的通道內(nèi)往復運動，從而實現(xiàn)工件內(nèi)表面光整。由于磨料流無法在盲孔內(nèi)往復運動，所以擠壓研磨僅適應于通孔內(nèi)表面的光整加工。磁性研磨技術是通過控制磁場將磁性磨料吸附在加工表面，形成彈性磁刷，旋轉磁場或旋轉工件，使磁刷與加工表面產(chǎn)生相對運動，實現(xiàn)對工件內(nèi)外表面的光整加工。但是，針對非直異形復雜盲孔的零部件/構件，采用磁性研磨技術進行光整時，磁場或者工件難以實現(xiàn)相對運動，磁場強度在非直異形復雜盲孔內(nèi)表面分布不均勻，導致光整效率低、材料去除均一性差、超大粗糙度表面難以光整等科技難題。針對非直異形盲孔內(nèi)表面光整加工，國內(nèi)外鮮有實際可行的光整加工方法與技術的相關報道。

針對當前非直異形復雜盲孔內(nèi)表面光整加工中存在的光整效率低、材料去除均一性差、超粗糙表面難以光整、無法批量自動化光整等難題，發(fā)明了一種新型非直異形盲孔光整加工方法及其裝置。通過特制超聲輔助漩渦發(fā)生裝置，將磨料混合化學光整液快速推進非直異形復雜結構盲孔，形成氧化性和堿性（或酸性）的工作液環(huán)境，并在管道內(nèi)產(chǎn)生高速可控旋轉渦旋流場，使光整液中磨粒介質(zhì)與活性化的管道內(nèi)表面（特別是微凸峰處）發(fā)生沖蝕、碰撞、接觸、變形與微切削，在化學、機械、超聲等多能量場的耦合作用下，實現(xiàn)非直異形復雜盲孔內(nèi)表面材料的高效高質(zhì)量去除。本發(fā)明光整液形成的“柔性”可控渦旋流場易于進入非直異形復雜盲孔內(nèi)管道，材料去除均一性好；裝置通過數(shù)控編程或PLC控制，操作簡便；光整加工與清洗可同時進行，生產(chǎn)加工效率顯著提高，易于批量自動化生產(chǎn)。

技術實現(xiàn)要素：

為解決非直異形盲孔光整加工光整效率低、材料去除均一性差、超粗糙表面難以光整、無法批量自動化光整加工等難題，發(fā)明了一種新型光整加工方法及其裝置。

本發(fā)明所述的一種非直異形盲孔光整加工裝置，其特征在于：

(1)所述裝置包括光整系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、裝卸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；所述光整系統(tǒng)與清洗系統(tǒng)包括旋轉超聲主軸系統(tǒng)、旋渦發(fā)生器、底座、工作臺、固定導軌、微型水泵、工作液儲存箱、廢液回收箱、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、超聲發(fā)生器；所述旋轉超聲主軸系統(tǒng)包括伺服電機、聯(lián)軸器、主軸、軸承、碳刷、壓電換能器、變幅桿、工具夾頭、主軸箱外殼；所述旋渦發(fā)生器包括透蓋、外殼、螺旋槳葉片；所述工作臺包括升降臺、橫向滑移臺、縱向滑移臺、轉臺、液壓裝置；所述供料系統(tǒng)包括五自由度機械手、工件周轉臺；所述控制系統(tǒng)包括PLC控制柜與數(shù)控操作面板；

(2)所述旋轉超聲主軸系統(tǒng)：伺服電機通過聯(lián)軸器連接主軸，主軸內(nèi)部裝有壓電換能器，其依次連接變幅桿和工具夾頭，主軸末端的環(huán)形金屬片與碳刷的一端接觸，碳刷通過導線連接超聲發(fā)生器，向壓電換能器輸入電信號產(chǎn)生超聲能；所述旋渦發(fā)生器：透蓋底端通過連接件固定在主軸箱外殼上，透蓋底部的進出液孔通過導管與微型水泵連接，透蓋頂部有氣閥，螺旋槳葉片末端穿過透蓋中心孔安裝在工具夾頭上，并利用密封圈進行密封，外殼從螺旋槳葉片前端與透蓋進行螺紋連接，將螺旋槳葉片前端裝入外殼內(nèi)；所述工作臺：升降臺通過液壓裝置安裝在底座上，能夠在Z軸方向移動，縱向滑移臺安裝在升降臺上端，能夠在X軸方向移動，橫向滑移臺安裝在縱向滑移臺上端，能夠在Y軸方向移動，轉臺安裝在橫向滑移臺上端，能夠分別繞Y軸和Z軸轉動，該工作臺具有五個自由度。

本發(fā)明所述一種非直異形盲孔光整加工方法，采用以下步驟實現(xiàn)：

(1)五自由度機械手從工件周轉臺抓取未加工工件放于光整系統(tǒng)工作臺的轉臺上；

(2)通過工作臺的移動和轉動將工件盲孔的開口端與光整系統(tǒng)旋渦發(fā)生器的前端進行對接，旋渦發(fā)生器前端具有密封環(huán)，使旋渦發(fā)生器與盲孔構成封閉的空腔；

(3)旋渦發(fā)生器頂部的氣閥打開，光整系統(tǒng)的微型水泵將工作液儲存箱中的光整液通過導管輸送進旋渦發(fā)生器與盲孔所構成的空腔內(nèi)，光整液體積達到空腔容積3/4左右時，停止輸送光整液，關閉氣閥；

(4)旋轉超聲主軸系統(tǒng)開始運行，主軸帶動旋渦發(fā)生器中的螺旋槳葉片轉動，同時超聲發(fā)生器通過壓電換能器以及變幅桿使螺旋槳葉片產(chǎn)生超聲振動；螺旋槳葉片的轉動使空腔內(nèi)的光整液產(chǎn)生旋渦流，超聲振動能使旋渦能沿非直異形盲孔的路徑向前傳遞，使整個非直異形空腔內(nèi)的光整液產(chǎn)生高速可控旋渦流，使光整液中磨粒介質(zhì)與活性化的盲孔內(nèi)表面（特別是微凸峰處）發(fā)生沖蝕、碰撞、接觸、變形與微切削，在化學、機械、超聲等多能量場的耦合作用下，實現(xiàn)非直異形復雜盲孔內(nèi)表面材料的高效高質(zhì)量去除，從而達到光整的效果；

(5)光整一定時間后，旋轉超聲主軸系統(tǒng)停止運行，旋渦發(fā)生器的氣閥開啟，微型水泵將空腔內(nèi)的光整液抽出，通過導管輸送到廢液回收箱中；通過縱向滑移臺的移動將工件盲孔的開口端與旋渦發(fā)生器前端分離，通過升降臺和縱向滑移臺的移動將縱向滑移臺與固定導軌進行對接，橫向滑移臺帶動整個轉臺和工件從縱向滑移臺移動到固定導軌，通過轉臺繞Y軸和Z軸的旋轉，將工件盲孔中殘留的光整液排出，通過橫向滑移臺上端面的導流槽排入廢液回收槽中；

(6)橫向滑移臺沿固定導軌繼續(xù)移動至清洗系統(tǒng)的縱向滑移臺上，清洗系統(tǒng)的工作液為清洗液，重復步驟（2）-（6），對非直異形盲孔進行清洗；清洗完成后橫向滑移臺沿固定導軌移動至下一光整系統(tǒng)的縱向滑移臺上，五自由度機械手將已處理工件從轉臺移動至工件周轉臺上；

(7)重復步驟（1）-（6），實現(xiàn)非直異形盲孔光整加工批量自動化生產(chǎn)。

本發(fā)明具有以下明顯效果： 克服目前非直異形盲孔光整加工技術難題，提高光整效率以及表面光整質(zhì)量；可進行編程或PLC控制，操作簡便；光整加工與清洗可并行進行，生產(chǎn)效率顯著提高，易于批量自動化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是一種非直異形盲孔光整、清洗、工件裝卸、控制系統(tǒng)整體示意圖，其中Ⅰ-光整系統(tǒng)，Ⅱ-清洗系統(tǒng)，Ⅲ-裝卸系統(tǒng)，Ⅳ-控制系統(tǒng)。

圖2是光整裝置整體示意圖。

圖3是裝卸系統(tǒng)示意圖。

圖4是控制系統(tǒng)示意圖。

圖5是旋轉超聲主軸與旋渦發(fā)生器主體示意圖。

圖6是一種非直異形盲孔光整加工批量自動化生產(chǎn)示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5詳細說明一種非直異形盲孔光整加工裝置，其特征在于：

(1) 所述裝置包括光整系統(tǒng)-Ⅰ、清洗系統(tǒng)-Ⅱ、裝卸系統(tǒng)-Ⅲ、控制系統(tǒng)-Ⅳ；所述光整系統(tǒng)-Ⅰ與清洗系統(tǒng)-Ⅱ包括旋轉超聲主軸系統(tǒng)[1]、旋渦發(fā)生器[2]、微型水泵[3]、轉臺[5]、廢液回收箱[6]、固定導軌[7]、橫向滑移臺[8]、升降臺[9]、液壓裝置[10]、縱向滑移臺[11]、底座[12]、潤滑系統(tǒng)[13]、檢測系統(tǒng)[14]、冷卻系統(tǒng)[15]、超聲發(fā)生器[16]、工作液儲存箱[17]；所述裝卸系統(tǒng)-Ⅲ包括五自由度機械手[18]、工件周轉臺[19]；所述控制系統(tǒng)-Ⅳ包括PLC控制柜[20]、數(shù)控操作面板[21]；所述旋轉超聲主軸系統(tǒng)[1]包括伺服電機[101]、聯(lián)軸器[102]、主軸[103]、壓電換能器[104]、變幅桿[105]、工具夾頭[106]、軸承[107]、主軸箱外殼[108]、碳刷[109]。所述旋渦發(fā)生器[2]包括螺旋槳葉片[201]、外殼[202]、透蓋[203]、連接件[204]；

(2) 所述旋轉超聲主軸系統(tǒng)[1]：伺服電機[101]通過聯(lián)軸器[102]連接主軸[103]，主軸[103]內(nèi)部裝有壓電換能器[104]，其依次連接變幅桿[105]和工具夾頭[106]，主軸[103]末端的環(huán)形金屬片與碳刷[109]的一端接觸，碳刷[109]通過導線連接超聲發(fā)生器[16]，向壓電換能器[104]輸入電信號產(chǎn)生超聲能；所述旋渦發(fā)生器[2]：透蓋[203]底端通過連接件[204]固定在主軸箱外殼[108]上，透蓋[203]底部的進出液孔通過導管與微型水泵[3]連接，透蓋[203]頂部有氣閥，螺旋槳葉片[201]末端穿過透蓋[203]中心孔安裝在工具夾頭[106]上，并利用密封圈進行密封，外殼[202]從螺旋槳葉片[201]前端與透蓋[203]進行螺紋連接，將螺旋槳葉片[201]前端裝入外殼[202]內(nèi)；升降臺[9]通過液壓裝置[10]安裝在底座[12]上，能夠在Z軸方向移動，縱向滑移臺[11]安裝在升降臺[9]上端，能夠在X軸方向移動，橫向滑移臺[8]安裝在縱向滑移臺[11]上端，能夠在Y軸方向移動，轉臺[5]安裝在橫向滑移臺[8]上端，能夠分別繞Y軸和Z軸轉動，該工作臺具有五個自由度。

具體實施方式二：結合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6詳細說明所述非直異形盲孔加工方法，其采用以下步驟實現(xiàn)：

(1) 五自由度機械手[18]從工件周轉臺[19]抓取未加工工件[4]放于光整系統(tǒng)-Ⅰ工作臺的轉臺[5]上；

(2) 通過工作臺的移動和轉動將工件[4]盲孔的開口端與旋渦發(fā)生器[2]的前端進行對接，旋渦發(fā)生器前端具有密封環(huán)，使旋渦發(fā)生器[2]與工件[4]盲孔構成封閉的空腔；

(3) 旋渦發(fā)生器[2]頂部的氣閥開啟，同時微型水泵[3]將工作液儲存箱[17]中的光整液通過導管輸送進旋渦發(fā)生器[2]與工件[4]盲孔所構成的空腔內(nèi)，光整液體積達到空腔容積3/4左右時，停止輸送光整液，關閉氣閥；

(4) 旋轉超聲主軸系統(tǒng)[1]開始運行，主軸[103]帶動旋渦發(fā)生器[2]中的螺旋槳葉片[201]轉動，同時超聲發(fā)生器[16]通過壓電換能器[104]以及變幅桿[105]使螺旋槳葉片[201]產(chǎn)生超聲振動；螺旋槳葉片[201]的轉動使空腔內(nèi)的光整液產(chǎn)生旋渦流，超聲振動能使旋渦能沿非直異形盲孔的路徑向前傳遞，使整個非直異形空腔內(nèi)的光整液產(chǎn)生高速可控旋渦流，使光整液中磨粒介質(zhì)與活性化的盲孔內(nèi)表面（特別是微凸峰處）發(fā)生沖蝕、碰撞、接觸、變形與微切削，在化學、機械、超聲等多能量場的耦合作用下，實現(xiàn)盲孔內(nèi)表面材料的高效高質(zhì)量光整加工；

(5) 光整加工結束后，旋轉超聲主軸系統(tǒng)[1]停止運行，旋渦發(fā)生器[2]的氣閥開啟，微型水泵[3]將空腔內(nèi)的光整液抽出，通過導管輸送到廢液回收箱[6]中；通過縱向滑移臺[11]的移動將工件[4]盲孔的開口端與旋渦發(fā)生器[2]前端分離，通過升降臺[9]和縱向滑移臺[11]的移動將縱向滑移臺[11]與固定導軌[7]進行對接，橫向滑移臺[8]帶動整個轉臺[5]和工件[4]從縱向滑移臺[11]移動到固定導軌[7]，通過轉臺[5]繞Y軸和Z軸的旋轉，將工件[4]盲孔中殘留的光整液排出，通過橫向滑移臺[8]上端面的導流槽排入廢液回收槽[6]中；

(6) 橫向滑移臺[8]沿固定導軌[7]繼續(xù)移動至清洗系統(tǒng)Ⅱ的縱向滑移臺[11]上，清洗系統(tǒng)-Ⅱ的工作液為清洗液，重復(2)、(3)、(4)、(5)步驟，對非直異形盲孔進行清洗；清洗完成后橫向滑移臺[8]沿固定導軌[7]移動至下一光整系統(tǒng)的縱向滑移臺[11]上，五自由度機械手[18]將已加工工件[4]從轉臺[5]移動至工件周轉臺[19]上；

(7) 重復 (1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6) 步驟，實現(xiàn)非直異形盲孔光整加工批量自動化生產(chǎn)。