一种回转体工件自旋转磨粒流抛光用的夹具及其设计方法与流程

本发明涉及回转体工件的表面光整加工技术，特别是一种适用于回转体工件的磨粒流抛光方法。

背景技术：

对类似于弹头、轴承转子等回转体工件的表面光整加工，有加工批量大、表面质量要求高等特点，经过铸造、压铸等加工方法加工出来的回转体工件表面氧化层较厚、表面缺陷较大，而且回转体工件的正常使用对其圆度和圆柱度要求较高，因此对表面加工均匀性和去除量都有很高的要求，所以传统的加工方法有加工成本高、效率低、均匀性难以保证等缺陷。

现有对回转体工件的抛光技术一般多采用化学抛光、光饰抛光等抛光方法，所采用的抛光装置自动化程度较低，无法满足加工批量大的加工特点，从而提高了加工成本，此外对表面的氧化层和缺陷的去除能力较差，甚至产生新的氧化层和缺陷。

磨粒流(Abrasive FlowMachining，简称AFM)适应于复杂曲面的表面光整加工，且具有加工效率高、加工成本低等特点。采用传统的磨粒流加工方法对回转体工件进行光整加工虽然能够很好的去除表面层和缺陷，但是对回转体工件的材料去除不均匀，影响工件的圆度和圆柱度，进而影响工件的正常使用。另外采用传统的磨粒流加工方法加工回转体工件须要对工件进行装夹，然而装夹处无法进行抛光，须要进行二次加工，这样不仅不能满足材料去除的均匀性要求，而且加工效率很低，二次装夹会对工件造成夹紧损伤；若是不对工件进行夹紧，在加工过程中工件容易和夹具碰撞，磨粒嵌于工件和夹具之间容易对工件产生新的损伤。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种既能提高回转体工件光整加工的加工效率、降低加工成本、并实现批量生产，又能解决回转体工件表面材料去除不均匀、装夹点无法抛光、工件与夹具接触有损伤问题的回转体工件自旋转磨粒流抛光用的夹具及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种回转体工件自旋转磨粒流抛光用的夹具，包括夹具基体和模具，所述的模具分层均布在夹具基体内；所述的夹具基体的上盖板和下盖板均开有多个流道通孔；所述的夹具基体用于对模具定位并支撑外部机床的压力；

所述的模具包括流道上板和流道下板，所述的流道上板和流道下板对扣构成流道，用于放置待加工的工件；所述的流道上板和流道下板采用硬度较小的材料制成；

所述的流道上板和流道下板均开有通孔，流道上板和流道下板对扣后，流道上板的通孔和流道下板的通孔即构成流道的入口和出口；

所述的流道的左侧壁与右侧壁均为不对称的内凹形斜台表面，前侧壁与后侧壁均为平面；

设流道的前侧壁和后侧壁的中心连线为x轴、左侧壁和右侧壁的中心连线为y轴、流道上板和流道下板的中心连线为z轴；则在yz平面上，左侧壁的上斜边与y轴之间和下斜边与y轴之间均具有角度α₁，右侧壁的上斜边与y轴之间和下斜边与y轴之间均具有角度α₂；在xy平面上，左侧壁的前斜边与y轴之间具有角度β₁，左侧壁的后斜边与y轴之间具有角度β₂，右侧壁的前斜边与y轴之间具有角度β₃，右侧壁的后斜边与y轴之间具有角度β₄。

进一步地，所述的模具沿着磨料流动方向即z轴方向分层叠加；在同一层各模具排成平行阵列，即各模具的y轴方向相互平行，且沿x轴方向均布、沿y轴方向均布。

进一步地，所述的模具沿着磨料流动方向即z轴方向分层叠加；在同一层各模具排成旋转阵列，即各模具按y轴方向沿径向均布，按x轴方向沿环向均布。

进一步地，所述的模具沿着磨料流动方向即z轴方向分层叠加，各层之间的模具流道对齐，并与上盖板和下盖板上的流道通孔对齐。

进一步地，所述的流道上板和流道下板采用洛氏硬度在60到80之间的材料制成，所述的材料包括尼龙或PVC。

进一步地，所述的夹具基体分为平行阵列夹具基体和旋转阵列夹具基体；所述的平行阵列夹具基体包括左挡板、右挡板、前挡板、后挡板、上盖板和下盖板，所述的左挡板、右挡板、前挡板、后挡板、上盖板和下盖板通过内六角圆柱头螺钉固定连接；所述的旋转阵列夹具基体包括圆筒、上盖板和下盖板，所述的圆筒通过内六角圆柱头螺钉分别连接上盖板和下盖板。

一种回转体工件自旋转磨粒流抛光用的夹具的设计方法，包括以下步骤：

A、根据工件尺寸确定模具流道尺寸L；模具流道尺寸L的确定原则是既保证工件在批量加工时候的顺利装夹，又保证工件在装入模具流道后、不会因为磨料流动而产生大范围的移动；模具流道尺寸L为工件长度的1.01到1.1倍之间；

B、根据工件的尺寸反求出角度α₁、α₂、β₁、β₂、β₃、β₄；α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的选择原则是保证工件在模具流道中的顺利装夹且不夹紧，即角度α₁、α₂为限制工件在磨料流动方向运动的角度，角度β₁、β₂、β₃、β₄为限制工件在垂直于磨料流动方向运动的角度；

C、确定偏心距；通过改变角度β₁、β₂、β₃、β₄使工件在流道中偏心放置，即保证偏心距l₁≠l₂，所述的偏心距l₁为流道下板到工件轴线的距离，偏心距l₂为流道上板到工件轴线的距离。

进一步地，所述的角度α₁在40-80度之间，角度α₂在40-80度之间。

进一步地，所述的角度α₁、α₂、β₁、β₂、β₃、β₄的角度误差控制在±2度以内，所述的偏心距l₁＝(1.3～2)l₂之间。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出了无夹紧的装夹方式，通过给定模具流道的大小和壁面的倾斜角度，限制工件的运动，解决了因为被加工工件需要全部抛光而无装夹点的问题。

2、本发明通过给定模具流道内部壁面倾斜角度使工件在流道中偏心放置，实现了回转体工件在磨料流加工的过程中实现自旋转，相对于无偏心旋转的磨料流加工方法，提高了表面加工均匀性和降低了表面粗糙度。

3、本发明的模具可以在单层均匀分布，并且可以沿着磨料流动方向叠加，单次加工的工件数量多且加工效率高，模具装拆方便易行，因此可以实现大批量生产。比传统回转体工件的光整加工方法，降低了生产成本。

附图说明

图1是回转体工件偏心装夹方式与流道示意图。

图2是回转体工件在模具内的装夹示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是偏心自旋转磨粒流原理示意图。

图5是工件加工时受力分析示意图。

图6是流场模型建立示意图。

图7是流道在沿着磨料流动方向的分层叠加。

图8是单层流道的平行阵列方式。

图9是单层流道的旋转阵列方式。

图10是平行阵列方式的夹具示意图。

图11是图10的A-A剖视图。

图12是图10的B-B剖视图。

图中：1、工件，2、流道上板，3、流道下板，4、稳定流动区，5、挤压变形区，7、模具，8、微元体，9、左挡板，10、右挡板，11、内六角圆柱头螺钉，12、前挡板，13、后挡板，14、上盖板，15、下盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

图1为工件1偏心装夹方式与流道示意图，也是单个模具7的结构示意图，图2-3所示为用于回转体工件1无夹紧偏心旋转磨料流加工方法的装夹示意图(图示箭头为磨料流动方向)，从图中可以看出来，根据工件1的实际尺寸选择流道的尺寸，对流道尺寸的选择应该保证以下几点条件：

(1)如图2-3所示的流道尺寸L应近似等于且略大于工件1的尺寸，一方面保证工件1在批量加工时候的顺利装夹，另一方面保证工件1在装入流道后，在装夹过程中工件1不会因为磨料流动而产生大范围的移动。

(2)根据工件1的实际尺寸反求出如图2-3所示的角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄。α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的选择应保证工件1在流道中的顺利装夹且不夹紧，即α₁、α₂(如图3中斜台与z方向的角度)为限制工件1在磨料流动方向运动的角度，β₁、β₂(如图2中夹具流道靠近工件1两端侧壁与工件1轴线的夹角)为限制工件1在垂直于磨料流动方向运动的角度，以上角度根据实际工件1的形状确定其角度，在保证不夹紧的前提下，限制其在磨料流动方向和垂直磨料流动方向上的自由度，一般情况下，为保证实际的加工需要，以上的角度误差应该控制在±2度以内。

(3)通过改变上述的β₁和β₂不同，以及β₃和β₄的不同来使工件1在流道中偏心放置，保证有一定的偏心距，即如图2中的l₁≠l₂，一般情况下l₁＝(1.3～2)l₂之间。

(4)所用的模具7一般采用硬度较低的材料，例如尼龙等，以避免工件1在加工的过程中出现划伤现象。

本发明提出的无夹紧偏心装夹方法，主要解决了工件1表面需全部抛光与装夹部分无法抛光到相矛盾的难题。本发明设计的无夹紧装夹方法和原理具体如下：工件1的装夹满足上述的条件(2)，即角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的选择应保证工件1在流道中的顺利装夹且不夹紧，限制α₁、α₂大小可以限制工件1在z方向(磨料流动方向)的自由度和沿z方向的自由度，限制β₁、β₂、β₃、β₄大小即限制工件1在沿着y轴(工件1的轴线方向)旋转、x轴方向和沿着x轴方向旋转的自由度。而y轴方向上的自由度可由流道两侧壁面限制，即装夹方式应满足上述的条件(1)。因此在满足上述的限制条件下，工件1运动的所有自由度只有沿着y轴旋转的自由度没有被限制，从而保证了工件1能够有效装夹且能够沿着其轴线进行旋转。

上述的角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的选择可以根据工件1的形状和尺寸确定，具体确定方法可以由电脑辅助设计(CAD)软件根据工件1的尺寸设计尺寸，具体步骤为：(1)根据工件1尺寸求得上述的L、l₁和l₂，并确定工件1在流道中所处的位置；(2)根据工件1两头的形状，画出流道两头的壁面倾斜形状，即保证工件1不会掉落和完全抛光无遮挡；(3)根据上面的壁面倾斜形状在软件中量出角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄。

图4为偏心自旋转磨料流原理示意图，根据已知的实验结果可以得出结论：工件1在加工过程中旋转的旋转磨料流抛光方法可以有效得提高磨料流的加工效率和加工质量。本发明设计的偏心自旋转装夹方法和原理具体如下：在实际加工过程中，当磨料流经工件1时，会出现磨料的挤压变形，磨料的流动可以分为三个区：磨料到达工件1之前的稳定流动区4，磨料流经工件1的挤压变形区5，磨料流过工件1的稳定流动区4。所以可以做出假设：工件1两侧磨料的压力降是相同的，并且可以近似认为工件1两侧的压力在z轴方向上的分布近似相同。为方便研究，假设工件1在流道中是固定不动的，分析工件1此时的受力情况。图5为工件1的受力分析示意图，在此时的磨料流动方向上，工件1受如图5所示的力：磨料和夹具对工件1两侧的合力F_n1和F_n2；磨料对工件1两侧剪切应力产生的合力F_t1和F_t2；模具7和磨料对工件1在z方向上的支承力N和推力F；工件1两头和模具7之间的摩擦力f₁和f₂。工件1在加工过程中实现自旋转的必要条件是：工件1两侧剪切应力差大于工件1两头与夹具接触处的摩擦力力矩之和，即表示为：│M₁-M₂│>f₁R₁+f₂R₂。工件1一侧的剪切应力力矩可以表示为：

$M={\∫}_0^L{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}R\×\mathrm{\τ}\×(R\×d\mathrm{\θ})\×d\mathrm{\σ}={\∫}_0^L{\∫}_{\mathrm{\π}}^{-\mathrm{\π}}{R}^2\mathrm{\τ}d\mathrm{\θ}d\mathrm{\σ}---\left(1\right)$

上式中：M为力矩，N.mm；R为工件1在不同轴向位置的半径，mm；τ为工件1壁面处的剪切应力；L是工件1的长度，mm；l为工件1一侧距离模具7壁面的最小距离，mm；dθ为工件1圆周角度的微分，rad；dσ为长度方向的微分，mm；

为方便分析磨料流经流道时的流场变化，首先研究磨料流经方管时候的剪切应力分布，假设方管的长度是dz，底面宽为a、长为b，磨料流过方管的压降为dp，若不考虑介质内部的摩擦，则方管的剪切应力分布可以根据如下公式求出：

dp·a·b＝2(a+b)·dz·τ (2)

从而得到：

$\mathrm{\τ}=\frac{ab}{2(a+b)}\·\frac{dp}{dz}---\left(3\right)$

如图6所示的坐标系中，为方便分析，可以假设工件1为圆柱体，当磨料流过微元体8的dz长度时，可以近似认为磨料流过上述的一段方管，假设此时的压力降为dp，代入(3)式可得剪切应力为：

$\mathrm{\τ}=\frac{(l+R-\sqrt{R^2-z^2})Ldp}{2\[\left(\right(l+R-\sqrt{R^2-z^2})+L)\]dz}=\frac{1}{2(\frac{1}{L}+\frac{1}{l+R-\sqrt{R^2-z^2}})}\frac{dp}{dz}---\left(4\right)$

其中：

dz＝R·dsinθ (5)

根据前面的假设：工件1两侧磨料的压力降是相同的，并且可以近似认为工件1两侧的压力在z轴方向上的分布近似相同。所以，工件1上某点处的剪切应力与l有关。实际生产中，应根据实际需要调整工件1在装夹过程中的偏心距，以保证工件1两侧剪切应力的力矩差大于工件1两头与模具7接触处的摩擦力力矩之和，即表示为：│M₁-M₂│>f₁R₁+f₂R₂，从而保证工件1自旋转。

考虑到工件1的光整加工的生产批量很大，因此上述的流道可以在沿着磨料流动方向上进行分层叠加，在每一层之间可以阵列叠加。图7为流道在沿着磨料流动方向的分层叠加示意图，图8为单层流道的平行阵列方式，图9为单层流道的旋转阵列方式。所分的层数以及单层的阵列个数应该根据实际的机床参数而定；考虑到磨料能够在每层之间顺利流过，所以流道的叠加和阵列应该保证层与层之间阵列方式全部相同，且每一层之间的流道在模具7安装过程中应该保证对齐。

图10-12所示是模具7按平行阵列方式排列的夹具示意图。

所述夹具流道按指定方式均布于模具7的每层中，工件7放置于流道中(工件7自由放置其中，可在一个很小的范围内运动，以方便装夹和实现偏心旋转)。所述模具7为流道上板2和流道下板3对扣而成。所述模具7放置于由左挡板9、右挡板10、上盖板14、下盖板15、前挡板12、后挡板13形成的夹具基体内，挡板和盖板之间由内六角圆柱头螺钉11连接和固定，上盖板14和下盖板15应该开有和流道大小和位置相同的通孔，以方便磨料流动，该夹具基体起到对上盖板14和下盖板15的定位和承受机床所施加的压力。

旋转阵列方式夹具和平行阵列方式夹具相似，所述流道相同，不同的是将由左挡板9、右挡板10、前挡板12、后挡板13形成的矩形筒体换成圆筒筒体，上盖板14和下盖板15的通孔的分布方式和所采用的阵列方式相同。

本发明的抛光方法包括以下步骤：

A、根据工件1尺寸、磨料物性参数和机床参数，确定工件1装夹时的偏心距，即确定偏心距l₁和l₂数值；

B、根据工件1尺寸和偏心距l₁和l₂设计模具7的尺寸，所述的模具7的尺寸包括流道尺寸L和角度α₁、α₂、β₁、β₂、β₃、β₄；

C、根据工件1加工批量的大小、加工要求以及机床的参数，设计模具7在夹具基体内的布局方式，所述的布局方式包括同层排列方式和层数，所述的排列方式包括平行阵列和旋转阵列；

D、根据步骤D的布局方式，逐个安装模具7和工件1；每个模具7和工件1的安装步骤如下：安装流道下板3；放入工件1；将流道上板2对扣在流道下板3上；

F、按照规定流程对所有工件1进行抛光。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。