椭圆振动复合静压磨料流的圆管内壁精密光整加工方法与流程

本发明属于零件内表面抛光领域，尤其涉及针对圆管内壁等轴对称结构的回转型内表面进行精密抛光技术，具体为一种椭圆振动复合静压磨料流的圆管内壁精密光整加工方法。

背景技术：

随着制造业的发展和社会需求的多样化，对产品高质量光滑表面的需求愈加广泛，对零部件光整加工的效果要求越来越高；大量的圆管类零件如不锈钢圆管以及轴对称结构的回转型内表面零件在特定的使用场合都对低粗糙度光滑表面有较高的光整加工需求，在粗糙度值要求降低到ra0.1以下的同时要求保持较高的尺寸精度。目前用常规的光整加工方法很难取得满意的效果，如常规的单向或双向磨料流光整加工通过严格控制加工条件可在流体磨料的流动方向上使粗糙度值降低到ra0.1左右，但在与流体磨料流动方向垂直的方向上粗糙度值则难以达到这样的要求，从而使零件整体的抛光效果难以满足，而且在流体磨料的流动方向上存在压差导致材料去除量不一致，不能满足光整加工后高尺寸精度的要求；电解和化学等抛光方法虽然可以达到较低的表面粗糙度，但环境污染严重等问题使其难以大规模使用；从而需要发展新的抛光工艺来达到对零部件光整加工低粗糙度、高质量表面的要求。

在磨料流光整加工领域中，采用粘弹性流体与磨粒组成的流体磨料对零件内表面或细小狭缝等封闭区域进行光整加工，主要是利用粘弹性流体的壁面滑移特性来带动磨粒以一定的速度和压力在零件壁面滑移，对表面进行光整加工，降低表面粗糙度值；但这种沿流体磨料流动方向进行的单向或双向磨料流加工，只能形成沿流动方向的单一纹理，使得零件表面各个方向的粗糙度不一致，甚至差别相当大。超声振动加工近年来被越来越多地辅助到其它加工方法中，产生的复合加工方式使得加工质量得到大幅提升。在传统的磨料流加工方法中引入一维超声振动，可使待加工表面处的磨粒产生振动和流动的复合运动，在光整加工表面上产生波浪形的划痕，可显著提高光整加工的效果，但不能改善传统磨料流光整加工造成的材料去除量的不一致性，仍然会降低工件的尺寸精度，难以满足对工件光整加工后高尺寸精度的要求。

目前，在申请号为cn201410737104和cn201410742611的专利中分别给出了一种高效恒压差间歇式旋转挤压磨料流抛光方法和装置，该方法给出了一种诸如航空发动机整体叶盘、叶轮、叶片、薄壁件、泵阀体和细长孔等具有复杂曲面零件的间歇式旋转抛光方法，利用液压马达驱动齿轮外啮合负游隙转盘轴承旋转系统驱动工件做间歇式旋转，工件转速范围可在0.5转/分～2转/分之间，工件的转速与本发明的工件在超声振动驱动下的振动方式和振动速度均有显著区别，预期达到的效果与本发明有显著差异；以及在申请号为cn201710376483.9的专利给出了一种用于磨料流超声复合去除细长杆毛刺的超声复合光整机床，在磨料流光整加工细长杆工件内腔的基础上在细长杆轴向施加超声振动实现超声去毛刺；申请号为cn201620006604.1和cn201510467814.0的专利，均通过在流体磨料中施加超声振动，进行工件的磨料流光整加工；这些超声振动辅助磨料流光整加工方法与本发明均不相同。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种椭圆振动复合静压磨料流的圆管内壁精密光整加工方法，对圆管内壁进行精密光整加工过程中，将圆管内壁的表面粗糙度在圆周方向和轴向均达到ra0.1以下的低粗糙度光滑表面的同时，解决圆管内壁精密光整加工材料去除量均匀性一致性差的问题，提高流体磨料光整加工的尺寸精度。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种椭圆振动复合静压磨料流的圆管内壁精密光整加工方法，该方法通过如下光整装置实现：

所述光整装置包括机架，所述机架上左端水平安装第一推料缸，所述第一推料缸左端面安装有第一液压缸，所述第一液压缸活塞杆与第一推料缸内的第一推料活塞连接，所述第一推料缸右端面连接第一挤料管、其右端上安装第一加料筒。

所述机架上右端水平安装第二推料缸，所述第二推料缸右端面安装有第二液压缸，所述第二液压缸活塞杆与第二推料缸内的第二推料活塞连接，所述第二推料缸左端面连接第二挤料管。

所述机架中部两侧设有第一滑动支撑座和第二滑动支撑座，所述第一滑动支撑座和第二滑动支撑座分别通过第一滑动支撑座压盖和第二滑动支撑座压盖共同水平安装圆管试样；所述圆管试样左端通过第一连接软管与第一挤料管连接，所述圆管试样右端通过第二连接软管与第二挤料管连接。

所述圆管试样中部夹合安装有夹紧环臂和夹紧环盖，所述夹紧环臂上设有上侧水平悬臂和下侧悬臂；所述机架中部设有第一支座和第二支座，所述第一支座竖直方向安装有第一超声振动杆，所述第二支座水平方向安装有第二超声振动杆；所述上侧水平悬臂端部设有安装第一超声振动杆连接螺钉的过孔，所述第一超声振动杆端面为凸球面、其中心设有用于连接第一超声振动杆连接螺钉的内螺纹，所述第一超声振动杆连接螺钉上套装第一超声振动杆压簧后穿过上侧水平悬臂端部过孔并连接第一超声振动杆；所述下侧悬臂端部设有安装第二超声振动杆连接螺钉的过孔，所述第二超声振动杆端面为凸球面、其中心设有用于连接第二超声振动杆连接螺钉的内螺纹，所述第二超声振动杆连接螺钉上套装第二超声振动杆压簧后穿过下侧悬臂端部过孔并连接第二超声振动杆。

具体方法如下：

步骤一、将圆管试样依次穿过第一滑动支撑座的座孔、夹紧环臂的圆环孔和第二滑动支撑座的座孔，并固定夹紧圆管试样；再将圆管试样左端套在第一连接软管上并固定，将圆管试样右端套在第二连接软管上并固定。

步骤二、通过加料筒在第一推料缸中装满粘弹性流体和磨粒均匀混合的流体磨料；启动第二液压缸，推动第二推料活塞位于第二推料缸的左侧极限位置。

步骤三、第一液压缸以设定的送料压力或流量推动第一推料活塞，将流体磨料沿圆管试样内圆表面构成的流道挤到第二推料缸。

步骤四、第二推料活塞停止，以设定的工作压力推动第一推料活塞，当第二推料缸中的压力达到设定的工作压力时，第一液压缸停止推动第一推料活塞，圆管试样内的流体磨料停止流动并保持设定的压力，形成压力为p的静压。

步骤五、启动第一超声振动杆，使圆管试样以其轴线为中心，沿圆周方向上产生振幅为a1、频率为f1、初相为α1的超声振动，振动速度vf1＝2πf1a1cos(2πf1t+α1)；同时启动第二超声振动杆使圆管试样轴向上产生振幅为a2、频率为f2、初相为α2的超声振动，振动速度vf2＝2πf2a2cos(2πf2t+α2)；使得流体磨料中圆管试样壁面处的磨粒相对圆管试样的内圆壁面在圆周方向和轴向的振动复合，壁面与磨粒之间形成相对的椭圆振动，产生的相对滑移速度为vslip，k为滑移系数。

步骤六、加工至设定时间，使流体磨料在相互垂直的滑移速度vf1和滑移速度vf2复合作用下，与圆管试样内壁面接触的磨粒在圆管试样内表面微量切削、滑擦，形成相互交织的椭圆形划痕。

步骤七、重复步骤三、四、五、六，通过持续推动流体磨料通过圆管试样，加工至设定的抛光时间，停止第一超声振动杆和第二超声振动杆，将第一推料活塞运行至第一推料缸的左侧极限位置，将第一推料活塞停止工作，使第一连接软管、第二连接软管和圆管试样内泄压，将圆管试样从与第一连接软管、第二连接软管的连接处松开，取出圆管试样，圆管试样的内表面光整加工完成。

本发明的有益效果如下：

(1)通过在圆管内表面的磨料流光整加工中，在圆管的圆周方向和轴向方向上同时施加超声振动，使得圆管内表面磨粒的划痕由沿壁面的轴向改变为如附图5所示的椭圆形。

(2)由大量磨粒的椭圆形划痕相互交织，不但可以降低圆管试样内表面沿轴线x方向的粗糙度，而且可以降低圆管试样内表面沿圆周y方向的粗糙度，能够显著提高圆管试样内表面各个方向粗糙度的均匀性一致性，提升磨料流光整加工的效果。

(3)由于圆管试样中粘弹性流体磨料的压力为处处相等的静压力，使得圆管试样壁面处材料去除量具有较高的一致性，提高了光整加工的尺寸精度。

附图说明

图1表示本发明所使用光整装置的结构示意图。

图2表示本发明所使用光整装置的b-b剖示图。

图3表示图2的c向示图。

图4表示本发明所使用光整装置的a-a剖示图。

图5表示本发明工件壁面处磨粒的滑移轨迹示意图。

图中：1-第一液压缸，2-第一推料缸，3-第一推料活塞，4-第一加料筒，5-第一挤料管，6-第一连接软管，7-第一滑动支撑座压盖，8-圆管试样，9-夹紧环臂，10-第二滑动支撑座压盖，11-第二连接软管，12-第二挤料管，13-第二推料活塞，14-第二推料缸，15-第二液压缸，16-第一卡箍，17-第二卡箍，18-第二滑动支撑座销钉，19-第二滑动支撑座，20-第二超声振动杆，21-第一超声振动杆，22-第一滑动支撑座，23-第三卡箍，24-第四卡箍，25-机架，26-夹紧螺钉，27-第二滑动支撑座连接螺钉，28-夹紧环盖，29-夹紧环销钉，30-第一超声振动杆连接螺钉，31-第一超声振动杆压簧，32-第一超声振动杆垫片，33-第二超声振动杆垫片，34-第二超声振动杆压簧，35-第二超声振动杆连接螺钉，36-第一滑动支撑座销钉，37-第一滑动支撑座连接螺钉，38-上侧水平悬臂，39-下侧悬臂，40-第一支座，41-第二支座，42-凸球面。

x-圆管试样沿其轴向的振动方向，y-圆管试样沿其圆周的振动方向，i0-流体磨料中与圆管试样内壁接触的第i个磨粒，i1-流体磨料中与圆管试样内壁接触的第i+1个磨粒，i2-流体磨料中与圆管试样内壁接触的第i+2个磨粒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种椭圆振动复合静压磨料流的圆管内壁精密光整加工装置，如图1所示，包括机架25，机架25上左端水平安装第一推料缸2，第一推料缸2左端面安装有第一液压缸1，第一液压缸1活塞杆与第一推料缸2内的第一推料活塞3连接，第一推料缸2右端面连接第一挤料管5、其右端上安装第一加料筒4，第一挤料管5由一体化的法兰盘和圆管组成，第一挤料管5内部成锥台过渡，其法兰盘端与第一推料缸2右端部固定连接。

如图1所示，机架25上右端水平安装第二推料缸14，第二推料缸14右端面安装有第二液压缸15，第二液压缸15活塞杆与第二推料缸14内的第二推料活塞13连接，第二推料缸14右端面连接第二挤料管12，第二挤料管12由一体化的法兰盘和圆管组成，第二挤料管12内部成锥台过渡，其法兰盘端与第二推料缸14左端部固定连接。

如图1所示，机架25中部两侧设有第一滑动支撑座22和第二滑动支撑座19，第一滑动支撑座22和第二滑动支撑座19分别通过第一滑动支撑座压盖7和第二滑动支撑座压盖10共同水平安装圆管试样8，且与圆管试样8转动连接；圆管试样8通过外圆结构完全相同的第一滑动支撑座22的座孔和第二滑动支撑座19的座孔进行配合，同时第一滑动支撑座22和第二滑动支撑座19与机架25固定相连，对圆管试样8进行支撑；第一滑动支撑座22和第二滑动支撑座19的座孔与圆管试样8的外圆面之间采用间隙配合，并使第一滑动支撑座22的座孔中心线、第二滑动支撑座19的座孔中心线与圆管试样8的外圆面中心线在同一轴线上，圆管试样8能够在第一滑动支撑座22和第二滑动支撑座19的座孔内以低阻力进行转动和轴向往复振动。

如图4所示，第一滑动支撑座22与第一滑动支撑座压盖7的一侧通过第一滑动支撑座销钉36采用间隙配合连接，另一端通过第一滑动支撑座连接螺钉37与第一滑动支撑座22固定连接；如图2所示，第二滑动支撑座19与第二滑动支撑座压盖10的一侧通过第二滑动支撑座销钉18采用间隙配合连接，另一端通过第二滑动支撑座连接螺钉27与第二滑动支撑座19固定连接。

如图1所示，圆管试样8和第一挤料管5之间通过第一连接软管6连接，第一连接软管6的左端套在第一挤料管5的直管端并通过第四卡箍24固定，第一连接软管6的右端套在圆管试样8的左端并通过第三卡箍23固定。第一挤料管5用来使流体磨料从第一推料缸2挤出时将流体磨料在第一推料缸2内的直径以圆锥形缩小到第一挤料管5的圆管端出口处的内径大小，降低流体磨料的流动阻力，增大流体磨料的流量，第一挤料管5出口外径与圆管试样8的外径基本一致，方便第一连接软管6的两端分别进行连接固定。

如图1所示，圆管试样8与第二挤料管12之间通过第二连接软管11连接，第二连接软管11的右端套在第二挤料管12的直管端并通过第一卡箍16固定，第二连接软管11的左端套在圆管试样8的右端并通过第二卡箍17固定。第二挤料管12用来使流体磨料从第二推料缸14挤出时将流体磨料在第二推料缸14内的直径以圆锥形缩小到第二挤料管12的圆管端出口处的内径大小，降低流体磨料的流动阻力，增大流体磨料的流量，第二挤料管12出口外径与圆管试样8的外径基本一致，方便第二连接软管11的两端分别进行连接固定。

第一连接软管6和第二连接软管11均为柔性材料(如橡胶等)制作的软管，在圆管试样8被第一超声振动杆21和第二超声振动杆20驱动做以其轴线为中心的圆周方向上和与轴线平行振动合成的椭圆振动时，由第一连接软管6的柔性，隔断振动向第一挤料管5的传递，由第二连接软管11的柔性，隔断振动向第二挤料管12的传递，只允许圆管试样8做以其轴线为中心的圆周方向和轴线方向振动合成的椭圆振动，有利于减小第一超声振动杆21和第二超声振动杆20驱动圆管试样8做椭圆振动的阻力，减小第一超声振动杆21和第二超声振动杆20驱动圆管试样8振动的功率。

如图1所示，圆管试样8中部夹合安装有夹紧环臂9和夹紧环盖28，如图2所示，夹紧环臂9与夹紧环盖28的一端通过夹紧环销钉29采用间隙配合连接，夹紧环盖28的另一端与夹紧环臂9用夹紧螺钉26固定连接，通过夹紧螺钉26锁紧夹紧环盖28和夹紧环臂9之间的圆管试样8，夹紧环臂9上设有上侧水平悬臂38和下侧悬臂39。

如图1所示，机架25中部设有第一支座40和第二支座41，第一支座40竖直方向安装有第一超声振动杆21，第二支座41水平方向安装有第二超声振动杆20。

如图2所示，上侧水平悬臂38端部设有安装第一超声振动杆连接螺钉30的过孔，过孔与螺栓的间隙为0.5～1mm，第一超声振动杆21端面为凸球面42、其中心设有用于连接第一超声振动杆连接螺钉30的内螺纹，第一超声振动杆21端部的凸球面与悬臂端的平面配合，第一超声振动杆连接螺钉30上套装第一超声振动杆压簧31和第一超声振动杆垫片32后穿过上侧水平悬臂38端部过孔与第一超声振动杆21连接。第一超声振动杆21的轴线与圆管试样8的轴线异面，该两条异面直线相互垂直，第一超声振动杆21轴线方向上的振动通过夹紧环臂9传递给圆管试样8，使圆管试样8能形成以其轴线为转动中心线的圆周方向上的超声振动。第一超声振动杆21在与圆管试样8轴线垂直的方向上做超声振动时，在使第一超声振动杆21端部的球面与悬臂端产生滑移的状态下，通过第一超声振动杆连接螺钉30、第一超声振动杆压簧31和第一超声振动杆垫片32使悬臂端与第一超声振动杆21紧密接触，保证与圆管试样8轴线垂直的方向上超声振动向夹紧环臂9的传递。

如图3所示，下侧悬臂39端部设有安装第二超声振动杆连接螺钉35的过孔，过孔与螺栓的间隙为0.5～1mm，第二超声振动杆20端面为凸球面、其中心设有用于连接第二超声振动杆连接螺钉35的内螺纹，第二超声振动杆20端部的凸球面与悬臂端的平面配合，第二超声振动杆连接螺钉35上套装第二超声振动杆压簧34和第二超声振动杆垫片33后穿过下侧悬臂39端部过孔与第二超声振动杆20连接。第二超声振动杆20的轴线与圆管试样8的轴线平行，第二超声振动杆20轴线方向上的振动通过夹紧环臂9传递给圆管试样8，使圆管试样8能形成以其轴线为振动方向的超声振动。第二超声振动杆20在与圆管试样8轴线平行的方向上做超声振动时，在使第二超声振动杆20端部的球面与悬臂端产生滑移的状态下，通过第二超声振动杆连接螺钉35、第二超声振动杆压簧34和第二超声振动杆垫片33使夹紧环臂9的下侧悬臂端与第二超声振动杆20紧密接触，保证与圆管试样8轴线平行的方向上超声振动向夹紧环臂9的传递。

基于上述椭圆振动复合静压磨料流的圆管内壁精密光整加工装置的加工方法，按照如下的步骤进行：

步骤一、将圆管试样8依次穿过第一滑动支撑座22的座孔、夹紧环臂9的圆环孔和第二滑动支撑座19的座孔，并拧紧相应的第一滑动支撑座连接螺钉37、夹紧螺钉26和第二滑动支撑座连接螺钉27，夹紧圆管试样8；再将圆管试样8左端套在第一连接软管6上，用第三卡箍23固定，将圆管试样8右端套在第二连接软管11上，用第二卡箍17固定。

步骤二、通过加料筒4在第一推料缸2中装满粘弹性流体和磨粒均匀混合的流体磨料；启动第二液压缸15，推动第二推料活塞13位于第二推料缸14的左侧极限位置。

步骤三、第一液压缸1以设定的送料压力或流量推动第一推料活塞3，将流体磨料沿圆管试样8内圆表面构成的流道挤到第二推料缸14。

步骤四、第二推料活塞13停止，以设定的工作压力推动第一推料活塞3，当第二推料缸14中的压力达到设定的工作压力时，第一液压缸1停止推动第一推料活塞3，圆管试样8内的流体磨料停止流动并保持设定的压力，形成压力为p的静压，此时，圆管试样中流体磨料的压力为处处相等的静压力。

步骤五、启动第一超声振动杆21，使圆管试样8以其轴线为中心，沿圆周方向上产生振幅为a1、频率为f1、初相为α1的超声振动，振动速度vf1＝2πf1a1cos(2πf1t+α1)；同时启动第二超声振动杆20使圆管试样8轴向上产生振幅为a2、频率为f2、初相为α2的超声振动，振动速度vf2＝2πf2a2cos(2πf2t+α2)；使得流体磨料中圆管试样8壁面处的磨粒相对圆管试样8的内圆壁面在圆周方向和轴向的振动复合，壁面与磨粒之间形成相对的椭圆振动，产生的相对滑移速度为vslip，k为滑移系数。此时，流体磨料中圆管试样壁面处的单颗磨粒使圆管试样内表面形成椭圆形划痕。

步骤六、加工至设定时间，使流体磨料在相互垂直的滑移速度vf1和滑移速度vf2复合作用下，与圆管试样8内壁面接触的磨粒i0、i1、i2等在圆管试样8内表面微量切削、耕犁和滑擦，形成大量相互交织的椭圆形划痕，如图5所示。

步骤七、重复步骤三、四、五、六，通过持续推动流体磨料通过圆管试样8，加工至设定的抛光时间，停止第一超声振动杆21和第二超声振动杆20，将第一推料活塞3运行至第一推料缸2的左侧极限位置，将第一推料活塞3停止工作，使第一连接软管6、第二连接软管11和圆管试样8内泄压，然后依次将第一滑动支撑座连接螺钉37、夹紧螺钉26和第二滑动支撑座连接螺钉27松开，将圆管试样8从与第一连接软管6、第二连接软管11的连接处松开，取出圆管试样8，圆管试样8的内表面光整加工完成。

进一步的，通过控制协调左右两个料缸的推料动作，实现圆管试样8的超声振动辅助磨料流双向推料，进行椭圆振动复合静压粘弹性流体磨料光整加工，使粘弹性流体磨料在光整加工过程中产生的热量适时得到散发，提高光整加工的效率。

进一步的，可以将第二推料活塞13、第二液压缸15去掉，将第二推料缸14右端用法兰紧固，在光整加工过程中无需推动流体磨料在圆管试样8中流动，仅进行椭圆振动复合静压粘弹性流体磨料光整加工。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。