一种超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工系统及方法与流程

本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工系统及方法。

背景技术：

工程陶瓷、光学玻璃等难加工材料的加工方法可分为机械加工、特种加工、能量辅助加工三大类。目前，难加工材料主要以磨削加工为主，逐渐发展有高速/超高速磨削、深切缓进给磨削、高效磨削、在线修整磨削等多个类型，具有技术成熟、加工效率较高等优势，但存在加工表面损伤大、成本较高等缺点。另外，车削、铣削等机械加工方式仅局限于难加工材料加工的实验研究方面，存在工艺技术不成熟、刀具磨损严重等缺点，在实际生产中应用极少。

磁流体抛光加工是一项成熟可控的磁力抛光特种加工技术，可去除精磨后的变质层与修正面型精度，但加工效率较低，常用于红外成像制导反射镜、激光陀螺仪反射镜、坦克夜视仪红外透镜等非球面光学零件超精密加工。其他的特种加工技术主要包括电火花加工、等离子束加工、水射流加工、超声加工、激光加工、引弧微爆炸加工等方式，但大多数尚存在技术不成熟、变质层较深、加工成本高、加工精度低等严峻问题。

能量辅助切削加工技术通常是在磨削、车削、铣削等切削加工过程中施加一些能量辅助手段的复合加工，主要包括超声振动辅助加工、激光加热辅助加工、电火花辅助加工等。能量复合方式的工艺实现难度较大，目前在工程上还没有实现广泛的应用。目前主要以超声振动辅助磨削加工、激光加热辅助磨削加工、电火花辅助磨削加工等将两种加工技术进行二元复合的加工方法为主，极少研究考虑将多种加工技术进行多元复合加工。能量辅助切削加工复合了现在技术较成熟的机械加工和热点研究的特种加工，有利于发挥各自的加工优势，减少加工损伤，提高切削加工效率与加工表面质量，是解决工程陶瓷等硬脆材料难加工困境的有效途径。

技术实现要素：

本发明的目的是针对工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料具有低效高损伤的难题，提出一种超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工系统及方法，将超声加工、磨削加工与磁流体抛光三项加工技术进行多元复合，实现砂轮在线自动修锐，获得较高的材料去除率和较低损伤的加工表面质量。本发明的加工方法能够及时修锐砂轮，提高工件加工表面质量与材料去除效率，实现难加工材料的高效精密加工。

一种超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工系统，其包括：超声波发生装置、电磁场生成装置、竖轴矩台精密平面磨床和磁流变液供给系统；其中，第一控制器与超声波发生装置连接，以调节超声波发生装置的超声振动频率；第二控制器与电磁场生成装置连接，以调节电磁场生成装置的磁场强度；待加工工件固定在竖轴矩台精密平面磨床的机床矩形工作台上，砂轮、电磁场生成装置、超声波发生装置从下往上依次固定在机床矩形工作台的安装主轴上；待加工工件与机床矩形工作台之间充满磁流变液；磁流变液供给系统包括工作液储蓄箱、输液泵、喷嘴和磁流变液，磁流变液通过管路进入工作液储蓄箱，喷嘴向待加工工件喷出磁流变液，以此工作液储蓄箱、输液泵、喷嘴通过管路组成闭环线路，以便于磁流变液的循环利用。

一种超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工方法，其包括以下步骤：

步骤1，建立超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工系统，主要由磨床、磁流变液供给系统、砂轮、超声振动发生装置和电磁场生成装置等组成。采用容纳硬质磨粒的磁流变液作为工作液介质，硬质磨粒可根据被加工材料分别选择al2o3、sic、cbn、金刚石等磨料。在砂轮安装主轴或工件装夹工具上安装超声波发生装置，可控制在砂轮与工件之间形成频率连续可控的强迫超声振动。在砂轮安装主轴或磨床工作台上安装电磁场生成装置，便于磁流变液能在磁场力作用下，可在砂轮与被加工工件之间形成“弹性抛光膜”。

步骤2，同时开启超声波发生装置与电磁场生成装置，实现超声振动辅助磨削-磁力抛光三元复合加工方法。超声振动使得砂轮与工件之间存在频率可控的强迫往复振动，促使工作液中悬浮磨粒冲蚀被加工表面与修锐砂轮表面。当砂轮因振动离开接触工件时，磁流变液在流经砂轮与工件的间隙，受到磁场力作用而发生磁流变效应，迅速固化而形成剪切屈服强度可控的“弹性抛光膜”。磁流变液里容纳的磨粒均匀分布在“弹性抛光膜”表面，实现工件局部的光整加工与砂轮修锐。超声振动的辅助作用，即有助于增强磁流体抛光效果，又有利于改善磨削加工性能。当砂轮又因振动恢复接触工件时，又直接参与磨削工件表面。砂轮的强迫往复振动，使得砂轮与工件之间存在脉冲切削作用，减少了磨削过程的摩擦和塑性变形，减小磨削力和磨削温度，提高材料去除率和磨削表面质量。

进一步，利用超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工系统，还可通过控制超声波发生装置与电磁场生成装置实现普通磨削或二元复合磨削加工。具体操作可分为：

(1)若同时关闭超声波发生装置与电磁场生成装置的电源开关，则实现常规的普通磨削加工。该情形下即无超声振动也无磁场力影响。砂轮直接磨削工件，磁流变液仅起到冷却、冲洗等普通切削液的作用。

(2)若开启超声波发生装置，但关闭电磁场生成装置，则实现超声振动辅助磨削加工。磁流变液在零磁场时依旧为液流体，但超声振动会使得砂轮与工件之间存在频率可控的强迫往复振动。当砂轮因振动离开接触工件时，超声振动会迫使工作液中悬浮磨粒以较大冲击能量冲蚀被加工表面，同时修锐砂轮表面。当砂轮又因振动恢复接触工件时，又直接参与磨削工件表面。砂轮与工件之间的强迫往复振动，使得砂轮与工件之间存在脉冲切削作用。

(3)若关闭超声波发生装置，但开启电磁场生成装置，则实现磨削-磁力抛光复合加工。砂轮与工件之间只存在磁流变效应，在局部切削区域形成微型“弹性抛光膜”。一方面，砂轮磨削起主要材料去除作用；另一方面，磁流变液里硬质磨粒均布在固化后的“弹性抛光膜”表面，可实现工件局部的光整加工与砂轮修整。

本发明具有如下的特点及有益效果：

(1)本发明将超声加工、磨削加工与磁流体抛光三项加工技术进行多元复合，将特种加工、机械加工、磁力抛光集合一体，实现新型复合的超声振动辅助磨削法-磁力抛光技术。该新型复合加工方法整合了超声振动辅助磨削加工、超声加工、磁力抛光等先进加工技术的优势，又相互弥补缺点。该新型复合加工方法即能实现砂轮在线自动修锐，又能提高材料去除效率与加工表面质量，为工程陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料的高效精密加工提供了有效途径。

(2)本发明建立的超声振动辅助磨削与磁力抛光的复合加工系统，除了能实现超声加工-磨削-磁流体抛光的三元复合加工外，还可实现超声振动辅助磨削加工、磨削加工-磁力抛光复合、超声辅助磁力抛光的二元复合加工。因此该复合加工系统具有灵活的选择自由度，便于根据被加工材料的加工工艺性能与加工质量要求进行选择加工方式。

(3)数控磨削、超声振动频率、磁流变效应均是可以准确控制的成熟技术。超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工的新型技术具有准确灵活可控性，便于实现机械加工的高效率、低损伤、高精度、自动化、智能化趋势发展。

附图说明

图1为超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工系统；

图2为超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工过程示意图；

图3为普通磨削加工示意图；

图4为超声振动辅助磨削加工示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

现以对竖轴矩台精密平面磨床进行改造成超声振动辅助磨削与磁力抛光复合加工系统，实现碳化硅陶瓷的高效精密加工为例，它包括以下步骤：

第一步：以竖轴矩台精密平面磨床为基础，建立超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工系统，如附图1所示。在金刚石砂轮3固定所在的主轴上安装超声振动发生装置1和电磁场生成装置2，第一控制器5可调节超声振动频率，第二控制器6可调节磁场强度。碳化硅陶瓷工件4通过装夹安放在机床矩形工作台11上。磁流变液供给系统由工作液储蓄箱7、输液泵8、喷嘴9等部件组成闭环线路，以便于磁流变液10的循环利用。进一步的，合理配制磁流变液成份，且溶入金刚石微粒，确保具有零磁场的低粘度流动特性和强磁场的高屈服强度特性。

第二步：同时开启超声波发生装置1与电磁场生成装置2，则可实现超声振动辅助磨削-磁力抛光三元复合加工方法。超声振动使得金刚石砂轮3与工件4之间存在频率可控的轴向强迫往复振动，促使磁流变液10中悬浮磨粒冲蚀被加工表面与修锐砂轮表面。当金刚石砂轮3振动离开接触碳化硅陶瓷工件4，导致两者之间存在微小间隙，如附图2所示，磁流变液10在流经砂轮与工件的间隙时，受到磁场力作用而发生磁流变效应，迅速固化而形成剪切屈服强度可控的“弹性抛光膜”12。磁流变液10里容纳的金刚石微粒13均匀分布在“弹性抛光膜”表面，实现工件局部的光整加工与砂轮修锐。超声振动的辅助作用，即有助于增强磁流体抛光效果，又有利于改善磨削加工性能。

当金刚石砂轮3又振动恢复接触碳化硅陶瓷工件4时，如附图3所示，又直接参与磨削工件表面。金刚石砂轮与工件之间的轴向强迫往复振动，使得砂轮与工件之间存在脉冲切削作用，即超声振动辅助磨削加工，减少了磨削过程的摩擦和塑性变形，减小磨削力和磨削温度，提高材料去除率和磨削表面质量。

进一步，还可操作超声波发生装置1与电磁场生成装置2的控制器，利用超声振动辅助磨削-磁力抛光复合加工系统还实现普通磨削或二元复合磨削加工。具体操作可分为：

(1)若同时关闭超声波发生装置1与电磁场生成装置2的电源开关，即无超声振动也无磁场力影响。金刚石砂轮3直接磨削碳化硅陶瓷工件4，磁流变液10仅起到冷却、冲洗等普通切削液的作用。此情况为常规的普通磨削加工。

(2)若开启超声波发生装置1，但关闭电磁场生成装置2，则磁流变液10在零磁场时依旧为液流体，但超声振动会使得金刚石砂轮3存在频率可控的轴向强迫往复振动。当金刚石砂轮3振动离开接触碳化硅陶瓷工件4时，如附图3所示，超声振动会迫使工作液中悬浮磨粒以较大冲击能量冲蚀被加工表面，同时修锐砂轮表面，即存在超声加工。当金刚石砂轮3又振动恢复接触碳化硅陶瓷工件4时，又直接参与磨削工件表面。砂轮与工件之间的轴向强迫往复振动，使得砂轮与工件之间存在脉冲切削作用。因此该情形下为超声振动辅助磨削加工。

(3)若关闭超声波发生装置1，但开启电磁场生成装置2，则在砂轮与工件之间只存在磁流变效应，在局部切削区域形成微型“弹性抛光膜”。一方面，砂轮磨削起主要材料去除作用；另一方面，磁流变液里硬质磨粒均布在固化后的“弹性抛光膜”表面，可实现工件局部的光整加工与砂轮修整。因此，在该情形下为磨削-磁力抛光复合加工，利于保证必要的材料去除率，降低加工损伤，提升加工表面质量。