一种基于磁流变-射流电沉积原理的曲面加工装置及其方法与流程

本发明涉及一种基于磁流变-射流电沉积原理的曲面加工装置及其方法。
背景技术：
：先进表面工程
技术领域：
，射流电沉积技术是一种具有较好应用前景的低成本涂层制作方法，具有工艺简单、加工速度快、操作方便、镀层种类多等优点。不过由于电沉积加工中存在的边缘效应导致了电场分布不均匀，造成局部优势生长，晶粒粗大，形成枝状晶甚至结瘤等沉积衍生物，使镀覆沉积层不均匀，导致沉积层整平性较差，质量恶化。对于复杂几何特征下的异形曲面加工，特别是航天、卫星等应用的光学精密反射镜所使用的球面加工或凹面加工，其镀覆的均匀度和沉积质量更难以把握。为了获得复杂曲面晶粒细化且表面光整的沉积层，技术人员采取了许多方法，如对沉积面进行整平化机加工后处理，如铣削、磨削或电火花线切割电沉积表面。该法可保证尺寸要求，但延长了加工时间，易造成沉积层分层剥离，存在质量隐患。对于几何形状较为复杂的曲面加工，会增大加工难度；又如采用游离微珠辅助磨技术、研磨射流电沉积技术也有助于改善此问题。但该法但多用于柱状回转体的外壁加工，并不适于曲面及凹面加工，同时因需要直径约1mm的研磨陶瓷珠，所需加工设备比较复杂，工序较繁复。综合以上分析，现有的电沉积辅助整平方法并不理想，或方法简便效果不明显，或效果良好装置复杂、可操作性低，极大的限制了电沉积技术在曲面加工中的广泛应用。目前，光学精密加工中使用的磁流变抛光技术为曲面电沉积加工质量的提高提供了解决思路。磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液进行抛光的一种超精密加工方法。磁流变液主要由离散的微米级磁性颗粒、抛光粉和载液等组成。在无外加磁场时，磁性微粒无规则分布，磁流变液为可流动液体状态；而在外加磁场作用下，磁性微粒呈链状分布，表现为类似固体的性质；撤除磁场后，又会立刻恢复原液体性质。磁流变抛光技术正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”与工件之间快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。与传统抛光方法相比，磁流变抛光技术可实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光，通常可作为光学零件加工的最后一道工序。通过对比发现，射流电沉积技术与磁流变抛光技术有着重要的相似之处：1.二者都通过液体射流进行加工，即通过喷嘴将加工液体介质-磁流变液和电解液以一定速度喷向加工表面，完成加工过程；2.加工液体中都含有微粒。磁流变液中含有磁性微粒，可用于对加工面微观凸起进行铣削、磨削，而电解液射流中也可混杂复合颗粒，例如氧化铝和碳化硅等微纳尺度陶瓷微粒，或可作为增强相共沉积加入沉积层内部提高沉积层力学性能，或可通过改善电场分布和结晶过程来细化晶粒，达到光整沉积表面的目的。此类应用已有诸多报道；3.加工目的类似，都是为获得平整、致密、质量较好的加工表面。射流电沉积的加工特点是可以获得极高的极限电流密度，从而提高过电位和形核率，减小晶粒尺寸，得到细化致密的沉积表面。而磁流变抛光技术则是利用微小颗粒对加工表面实现微量去除。只不过从加工效果上有所区别，射流电沉积属于增材加工范畴，而磁流变抛光则为减材加工加工领域，但同时也为二者的互补提供了可行性。综上三点相似之处不难发现，磁流变抛光具有的柔性、可控性、以及对工件表面的保护性为射流电沉积高速沉积后带来的镀层均匀性问题提供了有效的解决途径。同时，二者的加工方式都属于射流性特殊加工，导致加工设备比较类似，都具有喷嘴、含有一定微粒的工作液、以及液体循环、回收装置，这一相似性为二者的结合提供了可靠的客观基础。因此，我们的技术方案是将二者有机结合，形成一种新的复合加工技术，加工过程中主要包含两个工作环节：电沉积环节和抛光环节。首先数控机床的xyz轴联动，控制喷嘴将电解液喷射在工件表面，产生射流电沉积涂层；然后通过磁流变去除机理，工作液中的磁微粒在抛光轮的作用下铣削抛光电沉积中产生的微观凸起。技术实现要素：本发明主要目的在于提供设计了一种简单易行的磁流变-射流电沉积曲面加工方法及其装置，提供了数控平台的选择范围、设计简单的工作液循环系统、组合夹具，工作液回收装置，磁场控制装置，抛光轮及其传动装置固定装置，并制定了简单易行的操作原则和方法。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于磁流变-射流电沉积原理的曲面加工装置，其特征在于，包括数控工作台模块、抛光轮及其传动模块、喷嘴系统、循环模块和磁场发生模块。所述包括数控工作台模块包括可实现x向和y向数控运动的工作台和龙门立柱，其曲面型工件通过锁紧装置和摆动模块装夹在龙门立柱上；抛光轮及其传动模块由抛光轮和传动装置两部分组成，均安放在机床工作平台，抛光轮尺寸由喷嘴与阴极距离调节确定，抛光轮和工件之间要形成一个可调间隙，传动装置调节抛光轮转速，保证抛光轮的平稳转动；磁场发生模块由铁芯，线圈和可控电源组成，通过电流调节磁场的强度，磁场发生模块为对称配置，放置在抛光轮两侧；喷嘴系统采用工程塑料制成，由阳极腔和喷嘴两部分组成，阳极腔的下端密封垫圈和密封盖固定密封，中间固定有阳极棒，上端通过连接管与喷嘴相连，工作状态下工作液从阳极腔进液口流入从喷嘴喷出，喷嘴向上延长方向应与抛光轮曲面切面方向重合，保证喷射出工作液与抛光轮曲面重合，喷嘴安装在工作台喷嘴旋转支架导轨上，可自由调节喷嘴的入射角度，并可沿导轨调节喷嘴与抛光轮的距离以改变工作液束流长度；循环模块由工作液收集器、工作液回收罐、泵体、调速阀组成，抛光轮侧面装有工作液收集器，主要用于收集发生沉积并抛光后的工作液，收集器回收后将磁流变液又送回回收罐中重新进行搅拌、过滤，保证抛光区的工作液的均匀性，使抛光能够稳定进行。所述工作液为电解质及磁流变液成分构成，电解液的成分为普通酸性镀铜或镀镍溶液，磁流变液主要成分包括羰基铁粉，金刚石颗粒，羧甲基纤维素钠，溶质为蒸馏水，以上成分经充分溶解、搅拌在室温下制成。一种基于磁流变-射流电沉积原理的曲面加工方法，其特征在于，包括如下方法：抛光轮进行定向旋转，其旋转切线方向与工作液接触方向设为同向；启动磁场发生装置，形成磁流变状态的必要磁场；启动泵，使工作液从喷嘴斜向上喷射到抛光轮外缘表面，流经抛光轮与工件形成的工作间隙；加载输入的数控程序，其功能范围应使抛光轮磨头的运动轨迹覆盖整个待加工工件表面；启动电源，使阳极棒接通正极，工件接通负极；工作液中在沿着抛光轮流至阴极位置时，其中的电解液与磁流变液分流，金属阳离子接负电在阴极上沉积结晶；磁流变液在通过工作间隙之后，流入回收装置，进入工作液回收罐，并经泵输送经管道再次送入阳极腔。在抛光轮与工件加工面间隙处，磁场产生缎带突起形成“柔性抛光膜”，对工件材料进行微观整平去除，达到抛光的目的，通过调节电流大小可以控制“柔性抛光膜”的形状、大小和硬度等特征，以及数控程序中调整工件与抛光轮的间隙以实现微小区域的抛光，提高抛光精度和表面质量，最终在曲面表面形成高质量均匀涂层。所述的工艺参数：圆形喷嘴口径2mm，喷嘴与阴极距离为2-5mm，电流密度200-500a/dm2，工作液流速5-10m/s。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）利用磁流变抛光与射流电沉积同为射流加工的相同点，将二者加工机理巧妙结合互补，利用同一设备（喷嘴、工作液回收装置、循环装置）同时进行两种加工，确保在涂镀加工中即时去除沉积衍生物，避免累积不均匀度误差。2）在常规电解液中加入磁性磨粒成分，同时构成具有电解液和磁流变液两种成分的混合工作液，达到射流电沉积和磁流变抛光的复合加工效果。3）磁场发生器装置的实现，通过调节电流大小、工件与抛光轮的间隙可以控制“柔性抛光膜”的形状、大小和硬度等特征，通过控制能够实现微小区域的抛光，提高抛光精度和表面质量。4）数控程序应能控制xyz3轴以及摆动模块联动，使射流束及抛光轮磨头运动轨迹覆盖整个待加工曲面部位，并在加工中确保抛光轮与曲面保持恒定间隙。附图说明图1为本发明磁流变-射流电沉积曲面加工装置示意图；图2为本发明加工部件放大图；图3为沉积和抛光作用过程图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1至图3所示，1）数控平台的选择。工作平台：可实现x向和y向数控运动的工作台，工作台尺寸450×160mm(x/y)，工作台工作行程:175×300mm(y/x)，工作台重复定位精度(x、y向)为+0.02mm/300mm，工件最大重量(包括夹具)为40kg。符合上述要求的商用或教学用小型数控钻、铣床基本可满足该要求，如附图1所示。2）曲面型工件通过锁紧装置和摆动模块装夹在龙门立柱上，加工面向下，可以一定速度旋转并沿z轴上下移动。工作台可沿x、y轴平动。因此，工件可做3个自由度运动，绕机床主轴方向转动、沿z轴上下移动以及以一定角度摆动（如附图2所示）。在数控系统的控制下，可自动生成加工路线，确保喷嘴射流及抛光轮磨头的运动轨迹覆盖整个工件表面。曲面工件在加工中作为阴极，由导线接电源负极。3）抛光轮及其传动模块由抛光轮和传动装置两部分组成，均安放在机床工作平台，如附图1所示。抛光轮尺寸由喷嘴与阴极距离调节确定，直径范围在20-30mm。抛光轮和工件之间要形成一个可调间隙，约2-5mm，传动装置调节抛光轮转速，保证抛光轮的平稳转动。4)磁场发生模块由铁芯，线圈和可控电源组成，通过电流调节磁场的强度。磁场发生模块为对称配置，放置在抛光轮两侧，如附图2所示。5)喷嘴系统采用工程塑料制成，由阳极腔和喷嘴两部分组成，阳极腔的下端密封垫圈和密封盖固定密封，中间固定有阳极棒（由导线与电源正极相连），上端通过连接管与喷嘴相连。工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴喷出，喷嘴向上延长方向应与抛光轮曲面切面方向重合，保证喷射出工作液与抛光轮曲面重合。喷嘴安装在工作台喷嘴旋转支架导轨上，可自由调节喷嘴的入射角度，并可沿导轨调节喷嘴与抛光轮的距离以改变工作液束流长度。如附图2所示。6）循环模块由工作液收集器、液体回收罐、泵体、调速阀组成，如附图1所示。抛光轮侧面装有工作液收集器，主要用于收集发生沉积并抛光后的电解液/磁流变液，收集器回收后将磁流变液又送回回收罐中重新进行搅拌、过滤，保证抛光区的电解液/磁流变液的均匀性，使抛光能够稳定进行。7）工作液由电解质及磁流变液成分构成。电解液的成分为普通酸性镀铜或镀镍溶液。磁流变液主要成分包括羰基铁粉，金刚石颗粒，羧甲基纤维素钠。溶质为蒸馏水。以上成分经充分溶解、搅拌在室温下制成。8)工作时，首先应按顺序进行下列准备工作（附图3a所示）：抛光轮进行定向旋转，其旋转切线方向与工作液接触方向设为同向；启动磁场发生装置，形成磁流变状态的必要磁场；启动泵，使工作液（电解液/磁流变液）从喷嘴斜向上喷射到抛光轮外缘表面，流经抛光轮与工件形成的工作间隙；加载输入的数控程序，其功能范围应使抛光轮磨头的运动轨迹覆盖整个待加工工件表面；启动电源，使阳极棒接通正极，工件接通负极。9)工艺参数：圆形喷嘴口径2mm，喷嘴与阴极距离为2-5mm，电流密度200-500a/dm2，工作液流速5-10m/s。此区间为经验参数供参考之用，可根据实际工况将具体参数在此范围内调节、选择。10)电结晶沉积环节。工作液中在沿着抛光轮流至阴极位置时（附图3a所示），其中的电解液与磁流变液分流，金属阳离子接负电在阴极上沉积结晶。11）磁流变液在通过工作间隙之后，流入回收装置，进入工作液回收罐，并经泵输送经管道再次送入阳极腔。12)在抛光轮与工件加工面间隙处，磁场产生缎带突起形成“柔性抛光膜”，对工件材料进行微观整平去除，达到抛光的目的（附图3b所示）。通过调节电流大小可以控制“柔性抛光膜”的形状、大小和硬度等特征，以及数控程序中调整工件与抛光轮的间隙以实现微小区域的抛光，提高抛光精度和表面质量，最终在曲面表面形成高质量均匀涂层（附图3c所示）。13）整个加工过程均由数控程序设定：该程序中应包含扫描次数、扫描距离、xyz轴运动轨迹、摆动模块摆动角度轨迹、磁场发生器启动频率（可由脉冲电源控制，达到间断）、泵的工作启停频率等设定。这些信息应根据实际加工要求、工况调整取得最优效果。在试件不锈钢半球体尺寸为r50mm表面，上、使用附图1电沉积设备加工方法制备纳米晶铜沉积层，其操作步骤如下：1）对半球体进行表面处理，依次抛光、除油、钝化、水洗、干燥。2）配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：cuso4·5h2o250g/l，98%浓硫酸50g/l，电解液温度为25℃。电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。磁流变液主要成分包括微米级羰基铁粉，金刚石颗粒，羧甲基纤维素钠。3）将半球体装夹在龙门立柱，电沉积参数选择为电流密度300a/dm2，电解液流速7m/s，沉积时间为120分钟。引用不均匀度σ来描述沉积层的不均匀性，式中：hmax表示沉积层的最大值，hmin表示沉积层的最小值，hav表示沉积层的平均值。表1不同加工条件下沉积层高度值的统计加工条件平均值(mm)最小值(mm)最大值(mm)不均匀度普通电沉积0.4210.3640.4910.300磁流变-射流电沉积复合加工0.3470.3380.3540.046由上表可见，相对于普通槽镀式电沉积，磁流变-射流电沉积复合加工得到的不均匀度减小，对沉积质量特别是整平性具有显著改善作用。与目前已知方法相比，具有以下优点：1）利用磁流变抛光与射流电沉积同为射流加工相似性，将二者加工机理巧妙结合并互补，实现电沉积同时即时去除沉积衍生物，在逐层加工中有效改善沉积质量、提高了沉积层的整平性。2）避免了传统电沉积层在二次加工后需进行整平处理的繁琐程序，简化了加工工艺环节，缩短了加工时间，提高了加工效率。3）通过工件夹持机构多轴联动,以射流形式在曲面工件表面进行定域沉积和定域抛光可实现工件的曲面加工，提高了非平面工件镀覆加工的通用性和实用性，具有精准加工的特点。4）该加工装置可直接以现有小型数控钻铣床为平台，无需机构上过多改造。只需将磁流变抛光装置与机床组合，即可达到加工目的，具有模块化安装、简便易行、易于实现的特点。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。当前第1页12