一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置及加工方法
【专利摘要】本发明涉及金属或非金属硬脆材料微孔内表面的抛光，是一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置及方法。将电泳辅助和超声加工复合在一起，电泳的吸附作用使微细磨粒吸附在工具附近，工具在溶液中的超声振动引起的正负液压冲击产生的挤压与泵吸作用，对微孔中的溶液进行扰动，以及超声空泡溃灭产生的冲击波，能够加剧溶液的扰动，从而使溶液中的超微磨粒相对于被加工表面运动达到对单微孔工件或群微孔工件抛光的目的。
【专利说明】一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置及加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属或非金属硬脆材料微孔内表面的抛光，尤其是一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置及抛光微孔的方法。
【背景技术】
[0002]各种微孔在飞机、汽车、电器、化工、食品、生物医疗等行业中的应用越来越广泛。如印刷电路板上微孔、内燃机燃料喷嘴、化纤细丝喷嘴等。化纤丝喷嘴的喷出孔最小直径约10微米。
[0003]目前适合于微孔加工的方法主要有:机械钻孔、激光打孔、电火花加工和电解加工。但是，用机械钻孔的方法，在微孔的出口处会留下毛刺，这种毛刺会影响使用效果，用激光和电火花加工都会在微孔孔壁处留下再铸层，从而影响微孔的使用寿命，使得微孔的孔壁表面质量发生恶化。例如传统方法加工的汽车喷油嘴，粗糙度大，在压力室中有翻边毛刺，喷油嘴流量系数只有0.5?0.6。为了满足越来越严格的排放法规要求，柴油机要求喷油嘴流量系数在0.8以上，需要进一步提高其流量系数。
[0004]磨料流加工是利用磨粒相对于被加工表面的挤压运动来实现的，磨粒必须在磨粒流介质承载下靠压力作连续流动，磨粒流加工技术可分为动压磨粒流加工和静压磨粒流加工技术，静压磨粒流加工技术是近二十年发展起来的，它采用粘度很高的有机高分子材料作为介质，将具有切削作用的磨粒悬浮，其中形成粘弹性磨料，在压力作用下使磨料与被加工表面接触，产生切削作用进行光整加工。由于磨粒流加工是通过紧贴壁面的边界层磨粒的切削作用产生抛光效果的，通道内磨粒流沿径向的流速分布直接影响到边界层磨粒在壁面的运动及受力状况，进而决定了加工效果。磨料流是挤压工作液使磨粒相对于被加工表面运动，而电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔是利用超声振动的工具在溶液中形成正负液压冲击对溶液产生挤压与泵吸作用，致使微孔内的溶液扰动，超声空化泡溃灭产生的冲击波又能加剧这种扰动，从而使磨粒相对于被加工表面运动。微孔越小，磨料流所需的挤压力越大，对设备的要求更高；而电泳辅助超声振动驱动磨料运动只需减小超微磨粒的平均粒径。
[0005] 申请人:于2013年5月22日，提交过一份申请，名称为一种电泳辅助微细超声加工机床及加工方法，申请号为201310192315.6。主要介绍了电泳辅助微细超声加工机床的结构及加工方法，而本申请是在面对微小孔难加工的技术问题时而提出的。由于磨粒流是磨粒相对于被加工表面的挤压运动实现的，孔越小越难以实现，所需要的挤压力越大，对液压系统与设备的要求越高。磨料工作液在工件和工具之间比较分散，磨料利用率不高，影响抛光加工效率，尤其是对于极小微孔(50微米)采用磨粒流很难实现。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置；同时，本发明还提供了采用所述装置进行抛光微孔的方法，并且能有效的解决了磨粒利用率和微小孔的抛光。
[0007]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，包括超声加工机床、工作液槽、电泳直流电源、工具、工作液、超微磨粒、微孔工件、电泳辅助圆形电极；所述超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴超声纵振系统；所述电泳直流电源通过所述进电系统，其正极与工具连接，其负极与电泳辅助圆形电极连接；所述工具的端面应能覆盖所需抛光微孔，且其与微孔工件的表面至少保持一个振幅的距离；所述超微磨粒分布在工作液中，超微磨粒的平均粒径小于I微米；所述微孔工件，其微孔直径小于等于50微米。
[0008]作为本发明所述电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的优选实施方式，所述微孔工件为单微孔工件。
[0009]作为本发明所述电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的优选实施方式，所述微孔工件为群微孔工件。
[0010]作为本发明所述电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的优选实施方式，所述工作液槽安装在最小分辨率为0.1微米的三维运动平台上。
[0011]作为本发明所述电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的优选实施方式，所述超微磨粒不带电，由于其表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷呈现负电。
[0012]另外，本发明还提供了一种使用电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法，该方法包括以下步骤:
[0013](I)微孔工件固定安装在工作液槽中的工作台上；
[0014](2)电泳直流电源的正极与工具连接，电泳直流电源的负极与电泳辅助圆形电极连接；
[0015](3)工具通过工具夹头安装在主轴超声纵振系统上，工具在超声电源的驱动下沿轴向高频振动；
[0016](4)电泳辅助圆形电极通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液中，由于电泳的吸附作用，使工作液中的超微磨粒在电场力的驱动下吸附到工具表面附近；
[0017](5)微孔工件和工具在超声机床的伺服进给系统驱动下，使工具端面覆盖所需抛光的微孔，且其与微孔工件表面保持至少一个振幅的距离；工具在溶液中的超声振动引起的正负液压冲击产生挤压与泵吸作用，对微孔内的溶液进行扰动，以及超声空泡溃灭产生的冲击波能够加剧溶液的扰动，从而使溶液中的超微磨粒相对于被加工表面运动，达到对微孔抛光的目的；实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工。
[0018]作为本发明所述使用电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述微孔工件为单微孔工件。
[0019]作为本发明所述使用电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述微孔工件为群微孔工件。
[0020]作为本发明所述使用电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述工作液槽安装在最小分辨率为0.1微米的三维运动平台上。
[0021]作为本发明所述使用电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置的实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法的优选实施方式，所述超微磨粒不带电，由于其表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷呈现负电。
[0022]本发明所述使用电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置及实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法，利用超声振动的工具在溶液中形成正负液压冲击对溶液产生挤压与泵吸作用，致使微孔内的溶液扰动，超声空化泡溃灭产生的冲击波又能加剧这种扰动，从而使磨粒相对于被加工表面运动，实现对微孔的抛光；工具与电泳辅助圆形电极之间电场的施加，能够使超微磨粒吸附到工具附近与微孔内，提高磨料的利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明所述电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光单孔的原理图。
[0024]图2为本发明所述电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光群孔的原理图。
[0025]图中，I为工作液槽、2为电泳直流电源、3为工具、4为工作液、5为超微磨粒、6为微孔工件、7为电泳辅助圆形电极。
【具体实施方式】
[0026]为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0027]如图1-2所示，一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，包括超声加工机床，工作液槽1、电泳直流电源2、工具3、工作液4、超微磨粒5、微孔工件6、电泳辅助圆形电极7 ;所述超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴超声纵振系统；所述电泳直流电源2通过所述进电系统，其正极与工具3连接，其负极与电泳辅助圆形电极7连接；所述超微磨粒5分布在工作液4中，工作液4放在工作液槽I中，其中，超微磨粒4的平均粒径小于I微米；所述微孔工件6，其微孔直径小于等于50微米。
[0028]图1-2中所示的工具3端面应覆盖所需抛光的微孔，工具3端面与微孔至少相距一个超声振幅的距离，以免工具3对工件6进行锤击加工。工具3安装于能提供超声振动的主轴中，在超声电源的驱动下，工具3沿轴向做高频振动。主轴安装于立式滑台上，立式滑台能够驱动主轴上下运动以便于加工时进行粗对刀。
[0029]图1-2中所示的工具3不需要在线加工，也不需要使其随主轴一起做旋转运动，只要其端面能够覆盖所需抛光的微孔，即可对单个微孔进行抛光，也可同时对多个微孔进行抛光，实现群孔抛光，提高抛光效率。
[0030]图1-2中所示的电泳直流电源2的阳极接工具3，电泳直流电源2的阴极接电泳辅助圆形电极7，在工具3与电泳辅助圆形电极7之间形成一电场，使工作液4中的超微磨粒5在电场力的作用下吸附到工具3附近与所需抛光的微孔内，提高加工区域磨料的溶度。
[0031]图1-2中所示的超微磨粒5悬浮于工作液4中，平均粒径小于I微米。电泳辅助超声振动驱动磨粒运动是利用超微磨粒5在溶液中的电泳特性,超微磨粒5本身是不带电的。由于超微磨粒5的表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷，使整个磨粒呈负电。超微磨粒5平均粒径越小,超微磨粒5的电泳特性越明显。
[0032]图1-2中所示的微孔工件6安装于工作液槽I中，浸没于磨料工作液，且工具3端面也需浸没于磨料工作液中，否则无法实施电泳辅助超声振动驱动磨料运动抛光微孔。工作液槽I安装于微三维运动平台上，微三维运动平台X轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米。
[0033]另外，实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法。微孔工件6固定安装在工作液槽I的工作台上；电泳直流电源2的正极与工具3连接，电泳直流电源2的负极与电泳辅助圆形电极7连接；工具3通过工具夹头安装在主轴超声纵振系统上，工具在超声电源的驱动下沿轴向高频振动；电泳辅助圆形电极7通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液4中，由于电泳的吸附作用，使工作液4中的超微磨粒5在电场力的驱动下吸附到工具3表面附近；微孔工件6和工具3在超声机床的伺服进给系统驱动下，使工具3端面能够覆盖所需抛光的微孔，且其与微孔工件6表面保持至少一个振幅的距离；工具3在溶液中的超声振动引起的正负液压冲击产生挤压与泵吸作用，对微孔内的溶液进行扰动，以及超声空泡溃灭产生的冲击波能够加剧溶液的扰动，从而使溶液中的超微磨粒5相对于被加工表面运动，达到对微孔工件6抛光的目的；实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工。
[0034]所述工具3端面应覆盖所需抛光的微孔，工具3端面与微孔至少相距一个超声振幅的距离，以免工具3对工件6进行锤击加工。工具3安装于能提供超声振动的主轴中，在超声电源的驱动下，工具3沿轴向做高频振动。主轴安装于立式滑台上，立式滑台能够驱动主轴上下运动以便于加工时进行粗对刀。
[0035]所述工具3不需要在线加工，也不需要使其随主轴一起做旋转运动，只要其端面能够覆盖所需抛光的微孔，即可对单个微孔进行抛光，也可同时对多个微孔进行抛光，实现群孔抛光，提高抛光效率。
[0036]所述电泳直流电源2的阳极接工具3，电泳直流电源2的阴极接电泳辅助圆形电极
7,在工具3与电泳辅助圆形电极7之间形成一电场,使工作液4中的超微磨粒5在电场力的作用下吸附到工具3附近与所需抛光的微孔内，提高加工区域磨料的溶度。
[0037]所述超微磨粒5悬浮于工作液4中，平均粒径小于I微米。电泳辅助超声振动驱动磨粒运动是利用超微磨粒5在溶液中的电泳特性，超微磨粒5本身是不带电的。由于超微磨粒5的表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷，使整个磨粒呈负电。超微磨粒5平均粒径越小，超微磨粒5的电泳特性越明显。
[0038]所述微孔工件6安装于工作液槽I中，浸没于磨料工作液，且工具3端面也需浸没于磨料工作液中，否则无法实施电泳辅助超声振动驱动磨料运动抛光微孔。工作液槽I安装于微三维运动平台上，微三维运动平台X轴、y轴与z轴的最小分辨率都为0.1微米。
[0039]最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
【权利要求】
1.一种电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，包括超声加工机床，其特征在于，还包括工作液槽、电泳直流电源、工具、工作液、超微磨粒、微孔工件、电泳辅助圆形电极； 所述超声加工机床包括主轴系统、进电系统、主轴超声纵振系统； 所述电泳直流电源通过所述进电系统，其正极与工具连接，其负极与电泳辅助圆形电极连接； 所述工具的端面应能覆盖所需抛光的微孔，且其与微孔工件的表面至少保持一个振幅的距离； 所述超微磨粒分布在工作液中，超微磨粒的平均粒径小于I微米； 所述微孔工件，其微孔直径小于等于50微米。
2.如权利要求1所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，其特征在于，所述微孔工件为单微孔工件。
3.如权利要求1所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，其特征在于，所述微孔工件为群微孔工件。
4.如权利要求1所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，其特征在于，所述工作液槽安装在最小分辨率为0.1微米的三维运动平台上。
5.如权利要求1或4所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的装置，其特征在于，所述超微磨粒不带电，由于其表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷呈现负电。
6.一种使用如权利要求1所述装置实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)微孔工件固定安装在工作液槽中的工作台上； (2)电泳直流电源的正极与工具连接，电泳直流电源的负极与电泳辅助圆形电极连接； (3)工具通过工具夹头安装在主轴超声纵振系统上，工具在超声电源的驱动下沿轴向高频振动； (4)电泳辅助圆形电极通过电泳辅助圆形电极夹具安装浸泡于工作液中，由于电泳的吸附作用，使工作液中的超微磨粒在电场力的驱动下吸附到工具表面附近； (5)微孔工件和工具在超声机床的伺服进给系统驱动下，使工具端面能够覆盖所需抛光的微孔，且其与微孔工件表面保持至少一个振幅的距离；工具在溶液中的超声振动引起的正负液压冲击产生挤压与泵吸作用，对微孔内的溶液进行扰动，以及超声空泡溃灭产生的冲击波能够加剧溶液的扰动，从而使溶液中的超微磨粒相对于被加工表面运动，达到对微孔抛光的目的；实施电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的加工。
7.如权利要求6所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的方法，其特征在于，所述微孔工件为单微孔工件。
8.如权利要求6所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的方法，其特征在于，所述微孔工件为群微孔工件。
9.如权利要求6所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的方法，其特征在于，所述工作液槽安装在最小分辨率为0.1微米的三维运动平台上。
10.如权利要求6所述的电泳辅助超声振动驱动磨粒运动抛光微孔的方法，其特征在于，所述超微磨粒不带电，由于其表面能很大，能够吸附溶液中的负电荷呈现负电。
【文档编号】B24B1/04GK103551927SQ201310557926
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】郭钟宁, 连海山, 何俊峰, 陈铁牛 申请人:广东工业大学