专利名称：固体颗粒磨削液复合加工工艺与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机械加工领域中的复合加工方法与装置，尤其涉及一种固体颗粒磨削液复合加工工艺与装置。
背景技术：
在普通磨削中，由于高温和碾压产生的工件表层材料过度塑性变形、微裂纹、残余应力和表面层污染等，会在工件上形成表面缺陷层，增大表面粗糙度和波纹度。这将影响零件疲劳强度、抗蚀性能和接触刚度，使零件满足不了较高的使用要求。因此，重要零件需要在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度的研抛加工。由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于液体和气体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几十倍甚至上百倍。悬浮有金属、非金属或聚合物固体颗粒的液体、的导热系数要比纯液体大许多。在磨削介质中添加固体颗粒，如研抛加工中普遍采用的氧化铝、碳化硅、氮化硅、金刚石、立方氮化硼磨料可进一步增加磨削介质的导热系数，提高对流热传递的能力。为此，申请人在先申请了 201010004222. 2号纳米磨削工艺及纳米磨削液专利，它将固体颗粒加入磨削介质中制成固体颗粒磨削液，即固体颗粒与磨削液(矿物油、或乳化液)以一定体积分数含量配比混合。但目前，磨削加工和研抛加工这两道工序需要在不同的设备上进行，这不仅增加了工时和成本，而且工件在传输过程中，其表面容易发生不必要的磕破、划伤，影响到表面的加工质量和形位精度。工件的磨削和研抛加工不能在同一设备上连续进行的重要原因是两个工序所用的介质不同，磨削加工时需要注入起冷却、润滑和清洗作用的磨削液，而研抛加工则需注入磨料与流体混合的研抛液，而目前尚没有能实现磨削与研抛一体化的加工设备以及在一台设备中能同时供应这两种加工所用液体介质的装置。若在同一磨床上装配两套供液装置，既不便安装，也不便操作，还会增加设备成本和作业成本。
发明内容
本发明的目的就是为解决目前磨削和研抛加工不能设置在同一设备上的问题，提供一种固体颗粒磨削液复合加工工艺与装置，它将油箱内盛装的固体颗粒磨削液筛选成三个区域，分别是粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域，细粒径区域含有的磨料粒径为5^10 u m,中粒径区域含有的磨料粒径集中在If 50 u m，粗粒径区域含有的磨料粒径集中在51^63 u m。磨削加工使用细粒径区域的固体颗粒磨削液,进一步提高磨削介质的换热能力；研抛加工使用中粒径区域的固体颗粒磨削液，对磨削加工后的工件进行研抛加工，进一步提高工件的表面质量与表面完整性；此外砂轮如果变钝，丧失磨削能力，可使用粗粒径区域的固体颗粒磨削液，借助于超声波振动喷嘴给固体颗粒磨削液中悬浮的磨料以很大的速度和加速度撞击砂轮表面，去除砂轮磨料间的结合剂，进行在线修锐砂轮。它在一个装置上可连续进行磨削加工、研抛加工、在线修锐砂轮的复合加工过程，充分利用了固体颗粒具有更强的冷却性能和冲击加工能力的优点，有效解决磨削烧伤，提高工件表面完整性和加工精度，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种固体颗粒磨削液复合加工装置，它包括油箱，油箱通过电磁铁与超声波振动发生器连接；油箱内部设有粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域，每个区域设有一个对应的供油口并与相应的液压管路连接；液压管路与电磁换向阀连接，电磁换向阀出口通液压管路与泥浆泵、溢流阀连接，溢流阀通过金属软管与超声波振动喷嘴连接；超声波振动发声器、电磁铁均与控制器连接。所述油箱侧面设有液位计，在底部设有放油塞，顶部设有换气阀；同时在油箱内还设有回油区，回油区设有回油口，回油区由交错布置的隔板组成半包围区域；在该半包围区域外为细粒径区域、中粒径区域以及粗粒径区域，其中，细粒径区域由孔径为粒径为5-lOum的筛板围成，中粒径区域由粒径为ll-50um的筛板围成，粗粒径区域为细粒径区域、中粒径区域外的剩余区域，其磨料粒径在51-63um。 所述电磁换向阀为三位四通阀，它包括阀体和阀芯，在阀体上设有A、B、C三个入口，分别与粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域相连接；还设有一个P出口与管路连接；阀芯安装在阀体的通道内，通过沿通道的运动打开或关闭A、B、C、P各口。所述超声波振动喷嘴包括上端块和下端块，两者之间设有压电陶瓷，并由压紧螺栓将三者压紧；下端块通过螺栓与变幅杆固连，变幅杆下端为圆锥面，其内设有横截面为矩形的喷孔II，沿高度方向，宽度不变为2 5_，而长度逐渐变大；在喷孔II的上方为与其垂直设置的横向进孔I ;压电陶瓷与镍片连接，镍片与超声波发生器连接，超声波发生器与控制器连接。所述溢流阀与金属软管之间还设有压力表、流量计。所述变幅杆为陶瓷材料变幅杆。所述变幅杆的长度为声波半波长的整数倍，压电陶瓷加上下端块的长度为声波半波长的整数倍；变幅杆上部圆柱横截面积与下端块的横截面积相等，控制变幅杆下部圆锥横截面积，使圆锥下端面振幅放大I. 2^2. 6倍。一种采用固体颗粒磨削液复合加工装置的加工工艺，对工件进行普通磨削、研抛以及普通磨削过程中对砂轮修锐的操作过程如下对工件进行普通磨削(I)电磁铁通电，使其吸住油箱；(2)超声波振动发生器通电，使油箱内的磨削液与磨料混合均匀；(3)调整好超声波振动喷嘴角度；(4)调节溢流阀的溢流压力，使其设置为0. 4^0. 5MPa ；(5)电磁换向阀的得电，阀芯移动，使油箱细粒径区域即磨料粒径为5 10i!m的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接；(6)工件定位、夹紧，启动砂轮与泥浆泵，固体颗粒磨削液经电磁换向阀、泥浆泵、流量计、金属软管、超声波振动喷嘴进入砂轮\工件之间，即进行普通磨削；普通磨削过程中，当工件表面粗糙度Ra为3. 2 I. 6 ii m时，即结束普通磨削，开始对工件进行研抛；在普通磨削过程中，若砂轮磨钝，工件的表面质量及精度都会下降，此时需要对砂轮进行在线修锐，去除磨料间的结合剂，此时转入步骤(9)；对工件进行研抛(7)电磁换向阀失电，阀芯回到中间位置，使油箱中粒径区域即磨料粒径为If 50 u m的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接；(8)砂轮停止切入进给，调节其他磨削参数，含 有中粒径磨料的固体颗粒磨削液在砂轮拖拽作用下进入磨削区，开始对工件进行研抛；(9)修锐时，先停止砂轮，关闭泥浆泵；(10)调整喷嘴位置，使喷嘴垂直于砂轮外圆表面，并使喷嘴与砂轮外圆表面的距离为5 10mm ；(11)电磁换向阀5得电，阀芯移动，使油箱粗粒径区域即磨料粒径为51飞3 的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接；(12)启动砂轮，砂轮转速不要太高，速度为2(T60r/min ；(13)开启泥浆泵，使含粗粒径磨料的固体颗粒磨削液进入电磁换向阀、泥浆泵、流量计、金属软管、超声波振动喷嘴垂直喷向砂轮外圆；(14)超声波发生器通电，使超声波振动喷嘴开始振动，为固体颗粒磨削液修锐砂轮提供能量；(15)修锐结束时，依次关闭泥浆泵、超声波发生器、电磁换向阀、超声波振动发声器、电磁铁。本发明的有益效果是在一个装置上可连续进行磨削加工、研抛加工、在线修锐砂轮的复合加工过程。将油箱内盛装的固体颗粒磨削液经过超声波振动混合均匀后筛选成三个区域，分别是粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域，细粒径区域含有的磨料粒径为5 10 ym，中粒径区域含有的磨料粒径为If 50 ym，粗粒径区域含有的磨料粒径为51飞3 Pm。通过改变电磁换向阀的不同工作位置，将油箱内三个区域的不同磨料粒径的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接，分别实现磨削加工、研抛加工、在线修锐砂轮的复合加工过程。为了提高固体颗粒磨削液的修锐能力和效果，粗粒径区域的固体颗粒磨削液不仅在泥浆泵的供液压力作用下，另外还借助于超声波振动喷嘴给固体颗粒磨削液中悬浮的磨料以很大的速度和加速度撞击砂轮表面，进一步提高修锐砂轮的能力。磨削加工使用细粒径区域的固体颗粒磨削液,进一步提高磨削介质的换热能力；研抛加工使用中粒径区域的固体颗粒磨削液，对磨削加工后的工件进行研抛加工，进一步提高工件的表面质量与表面完整性；此外砂轮如果变钝，丧失磨削能力，可使用粗粒径区域的固体颗粒磨削液，借助于超声波振动喷嘴给固体颗粒磨削液中悬浮磨料的附加能量撞击砂轮表面，去除砂轮磨料间的结合剂，进行在线修锐砂轮。本发明不仅充分利用了固体颗粒的强大换热能力，避免了传统磨削加工中容易产生磨削烧伤，表面完整性恶化的难题，而且还使磨削加工、研抛加工和在线修锐砂轮在同一台设备上的同一个工位上完成，集成化程度高，加工精度高和表面质量好，对于用先进技术提升传统装备具有重要的意义，对国民经济影响重大。
图I固体颗粒磨削液复合加工装置液压系统图2油箱正二测视图；图3油箱俯视剖面图；图4油箱剖面旋转图；图5电磁换向阀结构图；图6电磁换向阀工作原理图；图7超声波振动喷嘴结构剖视图；图8偏离位移计算原理图。表I电磁换向阀动作顺序表。 其中，I-油箱，2-电磁铁，3-超声波振动发生器，4-液压管路，5-电磁换向阀，6-泥浆泵，7-溢流阀，8-压力表，9-流量计，10-金属软管，11-超声波振动喷嘴，12-超声波振动喷嘴各截面振幅曲线，13-放油塞，14-粗粒径磨料供油口，15-中粒径磨料供油口，16-换气阀，17-细粒径磨料供油口，18-回油口，19-液位计，20-孔径为50 ii m的筛板，21-孔径为10 ii m的筛板，22-隔板，23-阀体，24-阀芯，25-超声波发生器，26-镍片，27-压紧螺栓，28-上端块，29-压电陶瓷，30-下端块，31-螺栓，32-变幅杆。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。如图I所示，一种固体颗粒磨削液复合加工工艺与装置，它主要由油箱1，电磁铁2，超声波振动发生器3，液压管路4，电磁换向阀5，泥浆泵6，溢流阀7，压力表8，流量计9，金属软管10以及超声波振动喷嘴11构成；其中油箱I固定在超声波振动发生器3上，油箱I底部设有电磁铁2，顶部有三个供油口，三个供油口通过液压管路4与电磁换向阀5三个入口相接，电磁换向阀5有三个入口和一个出口，其出口通过液压管路4依次与泥浆泵6、溢流阀7、压力表8、流量计9以及金属软管10相连，金属软管10最终与超声波振动喷嘴11相接。图2为油箱的正二测视图，油箱I顶部有换气阀16、回油口 18和3个供油口，3个供油口分别是粗粒径磨料供油口 14、中粒径磨料供油口 15和细粒径磨料供油口 17，液位计19位于油箱I前侧上方，放油塞13位于油箱I右侧面右下角处。油箱I内装着磨削液与微粉级固体磨料(粒径为5 63 u m)均匀混合的固体颗粒磨削液，油箱I内部由孔径分别为5-10 u m、11-50 u m的细粒径筛板21、中粒径筛板20把固体颗粒磨削液筛选成三个区域，分别是粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域，其中回油区与粗粒径区域相通，如图3所示，经各筛板筛选，细粒径区域含有的磨料粒径为5 10 u m,中粒径区域含有的磨料粒径集中在If 50 ym，粗粒径区域含有的磨料粒径集中在63 ym，根据不同的磨削需要，使用不同区域的固体颗粒磨削液。中粒径区域和细粒径区域的一侧面靠着油箱壁，其余三个侧面都由相应筛板构成，如图3所示，细粒径区域筛板右侧面及中粒径区域筛板左侧面距油箱内壁为5 10mm，筛板高度为油箱内壁高度(图4)。回油口与粗粒径区域供油口分别置于油箱I两侧，并且在回油口 18附近设置了两块隔板22，以加大液流循环的路径，提高散热及分离空气的效果，隔板22的高度为油箱I内壁高度的2/3 3/4。油箱I中液位计19位于细粒径区域，放油塞13位于粗粒径区域底部。油箱I与其下部的电磁铁2在油箱I底面外侧固连，如图4所示，电磁铁2不仅能牢牢吸住油箱1，而且使磨削液中的金属磨屑固定在油箱I底部，防止金属磨屑随磨削液进入砂轮/工件之间。油箱I和电磁铁2 —起固定在超声波振动发生器3上。超声波振动发生器3的作用是使油箱I内的磨削液与磨料混合均匀，它类似于超声波搅拌机，主要由超声波发生器25、换能器(上端块28、下端块30以及两者之间的压电陶瓷29)和变幅杆32构成，变幅杆32端面粘在油箱I底部的电磁铁2上，超声波发生器25把工频交流电转变为有一定功率输出的超声频电振荡，超声频电振荡通过换能器的压电效应转换成同频率的机械振荡，并以超音频机械波的形式传播到油箱I内固体颗粒磨削液中，在固体颗粒磨削液中产生高频、交变的液压正负冲击波和“空化”作用，从而使油箱I内的磨削液与磨料混合均匀。超声波振动发生器3所产生的超声波频率为16 20kHz。电磁换向阀5是专门为本液压系统设计的三位四通阀，控制含有不同粒径磨料的固体颗粒磨削液进入液压系统，其结构图、工作原理图分别如图5、6所示，P 口是出口，A、B、C是入口，A 口与油箱I粗粒径磨料供油口 14相连，B 口与中粒径磨料供油口 15相连，C 口 与细粒径磨料供油口 17相连。当阀芯24处在图示中位时，通口 P和B相通，通口 A和C关闭，此时含有中粒径磨料(粒径为If 50 ym)的固体颗粒磨削液进入液压系统；当阀芯24移向左端时，通口 P和A相通，通口 B和C关闭，此时含有粗粒径磨料(粒径为5f63iim)的固体颗粒磨削液进入液压系统；当阀芯移向右端时，通口 P和C相通，通口 A和B关闭，此时含有细粒径磨料(粒径为5 10i!m)的固体颗粒磨削液进入液压系统；电磁换向阀动作顺序表如表I所示。表I电磁换向阀动作顺序表
权利要求
1.ー种固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，它包括油箱，油箱通过电磁铁与超声波振动发生器连接；油箱内部设有粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域，每个区域设有ー个对应的供油ロ并与相应的液压管路连接；液压管路与电磁换向阀连接，电磁换向阀出口通液压管路与泥浆泵、溢流阀连接，溢流阀通过金属软管与超声波振动喷嘴连接；超声波振动发声器、电磁铁均与控制器连接。
2.如权利要求I所述的固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，所述油箱侧面设有液位计，在底部设有放油塞，顶部设有换气阀；同时在油箱内还设有回油区，回油区设有回油ロ，回油区由交错布置的隔板组成半包围区域；在该半包围区域外为细粒径区域、中粒径区域以及粗粒径区域，其中，细粒径区域由孔径为粒径为5-10um的筛板围成，中粒径区域由粒径为ll_50um的筛板围成，粗粒径区域为细粒径区域、中粒径区域外的剰余区域，其磨料粒径在51-63um。
3.如权利要求I所述的固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，所述电磁换向阀为 三位四通阀，它包括阀体和阀芯，在阀体上设有A、B、C三个入口，分别与粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域相连接；还设有ー个P出口与管路连接；阀芯安装在阀体的通道内，通过沿通道的运动打开或关闭A、B、C、P各ロ。
4.如权利要求I所述的固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，所述超声波振动喷嘴包括上端块和下端块，两者之间设有压电陶瓷，并由压紧螺栓将三者压紧；下端块通过螺栓与变幅杆固连，变幅杆下端为圆锥面，其内设有横截面为矩形的喷孔II，沿高度方向，宽度不变为2 5_，而长度逐渐变大；在喷孔II的上方为与其垂直设置的横向进孔I ;压电陶瓷与镍片连接，镍片与超声波发生器连接，超声波发生器与控制器连接。
5.如权利要求I所述的固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，所述溢流阀与金属软管之间还设有压カ表、流量计。
6.如权利要求4所述的固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，所述变幅杆为陶瓷材料变幅杆。
7.如权利要求4所述的固体颗粒磨削液复合加工装置，其特征是，所述变幅杆的长度为声波半波长的整数倍，压电陶瓷加上下端块的长度为声波半波长的整数倍；变幅杆上部圆柱横截面积与下端块的横截面积相等，控制变幅杆下部圆锥横截面积，使圆锥下端面振幅放大I. 2 2. 6倍。
8.ー种采用权利要求1-4任一所述的固体颗粒磨削液复合加工装置的加工エ艺，其特征是，对エ件进行普通磨削、研抛以及普通磨削过程中对砂轮修锐的操作过程如下 对エ件进行普通磨削 (1)电磁铁通电，使其吸住油箱； (2)超声波振动发生器通电，使油箱内的磨削液与磨料混合均匀； (3)调整好超声波振动喷嘴角度； (4)调节溢流阀的溢流压力，使其设置为0.4^0. 5MPa ； (5)电磁换向阀的得电，阀芯移动，使油箱细粒径区域即磨料粒径为5 10i!m的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接； (6)エ件定位、夹紧，启动砂轮与泥浆泵，固体颗粒磨削液经电磁换向阀、泥浆泵、流量计、金属软管、超声波振动喷嘴进入砂轮\エ件之间，即进行普通磨削；普通磨削过程中，当エ件表面粗糙度Ra为3. 2^1. 6 ii m吋，即结束普通磨削，开始对エ件进行研抛；在普通磨削过程中，若砂轮磨钝，エ件的表面质量及精度都会下降，此时需要对砂轮进行在线修锐，去除磨料间的结合剂，此时转入步骤(9)； 对エ件进行研抛 (7)电磁换向阀失电，阀芯回到中间位置，使油箱中粒径区域即磨料粒径为lf50i!m的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接； (8)砂轮停止切入进给，调节其他磨削參数，含有中粒径磨料的固体颗粒磨削液在砂轮拖拽作用下进入磨削区，开始对エ件进行研抛； (9)修锐时，先停止砂轮，关闭泥浆泵； (10)调整喷嘴位置,使喷嘴垂直于砂轮外圆表面，并使喷嘴与砂轮外圆表面的距离为 O IOmm ； (11)电磁换向阀5得电，阀芯移动，使油箱粗粒径区域即磨料粒径为51飞m的固体颗粒磨削液通过管路与泥浆泵相连接； (12)启动砂轮，砂轮转速不要太高，速度为2(T60r/min； (13)开启泥浆泵，使含粗粒径磨料的固体颗粒磨削液进入电磁换向阀、泥浆泵、流量计、金属软管、超声波振动喷嘴垂直喷向砂轮外圆； (14)超声波发生器通电，使超声波振动喷嘴开始振动，为固体颗粒磨削液修锐砂轮提供能量； (15)修锐结束时，依次关闭泥浆泵、超声波发生器、电磁换向阀、超声波振动发声器、电磁铁。
全文摘要
本发明涉及一种固体颗粒磨削液复合加工工艺与装置，它包括油箱，油箱通过电磁铁与超声波振动发生器连接；油箱内部设有粗粒径区域、中粒径区域和细粒径区域，每个区域设有一个对应的供油口并与相应的液压管路连接；液压管路与电磁换向阀连接，电磁换向阀出口通液压管路与泥浆泵、溢流阀连接，溢流阀通过金属软管与超声波振动喷嘴连接；超声波振动发声器、电磁铁均与控制器连接。它在一个装置上连续进行磨削加工、研抛加工、在线修锐砂轮复合加工，充分利用了固体颗粒具有更强的冷却性能和冲击加工能力的优点，有效解决磨削烧伤，提高工件表面完整性和加工精度，实现高效、低耗、环境友好、资源节约的低碳绿色清洁生产，具有举足轻重的意义。
文档编号B24B57/02GK102729101SQ20121020858
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月22日 优先权日2012年6月22日
发明者张强, 李长河, 王胜 申请人:青岛理工大学