一种自由曲面均匀仿形磨削装置及磨削方法与流程

本发明属于自由曲面表面加工技术领域，具体涉及一种自由曲面均匀仿形磨削装置及磨削方法。

背景技术：

叶片作为发动机的核心部件，占整个航空发动机工作量的一半左右，长期处在高温、高压、高转速及高负荷环境，成为工况最为恶劣的航空零部件，对航空发动机的服役性能有着至关重要的影响。高温合金叶片的表面质量对叶片的抗高温性、抗疲劳强度、抗腐蚀性等服役性能都有相当大的影响，美国nasa和英国r.r的研究结果都表明，更佳的表面粗糙度和表面完整性可显著提高叶片的抗高温性、抗疲劳强度、抗腐蚀性能，可以提高5%发动机效率和6%加速率。

高温合金叶片的初加工一般采用锻造、熔模铸造等制造技术，表面留有成型痕迹、表面粗糙度大、一致性差等缺陷，还需要进行砂带磨削处理。虽然砂带磨削加工可以实现小面积仿形加工，但由于弹性橡胶层与叶片表面接触区域的非均匀性弹性变形，导致叶片与砂带之间的磨削作用力分布不均匀且难以调控（见下图1），精确去除函数难以获取，降低了加工效率和加工质量，根据“木桶定律”，发动机的整体工作性能和寿命取决于局部型面精度和表面质量最差的叶片，因此，提高型面精度和表面质量的一致性对发动机的整体性能和寿命具有重要影响。

因此，如何提供一种适用于自由曲面叶片大面积均匀仿形磨削加工的装置，并通过相应的振动辅助装置，来实现镍基高温合金叶片的高效率、高质量加工要求，是目前航空发动叶片制造厂家急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自由曲面均匀仿形磨削装置及方法，解决现有镍基高温合金叶片砂带磨削加工过程中的磨削力不均匀和难以调控的问题。

本发明的第一目的是提供一种自由曲面均匀仿形磨削装置，主要包括仿形磨削砂带、仿形磨削头、仿形施力机构。

仿形磨削砂带，其由驱动机构驱动并贴合于工件表面进行磨削；

仿形磨削头，其上设有与上述工件表面形状匹配的仿形面；

仿形施力机构，其包括磁流变胶和磁流变胶容器；上述磁流变胶容器底部固定有所述仿形磨削头，上述磁流变胶填充在所述磁流变容器中，上述磁流变胶被上述仿形磨削砂带密封于上述仿形磨削头与上述仿形磨削砂带之间；上述磁流变胶内还设有仿形内冷却流道。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，所述仿形磨削砂带与所述仿形磨削头之间还设有密封机构，所述密封机构为弹性增强橡胶垫和橡胶垫紧固圈。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，上述仿形磨削砂带的两侧均设有滑动密封组件，上述滑动密封组件包括凹凸配合的滑槽和滑轨，上述滑轨设置于上述仿形磨削砂带上，上述滑槽设置于磁流变胶容器顶部外侧。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，上述砂带压紧轮设置于限位挡板上的凹坑中，上述限位挡板设置于上述磁流变胶容器仿形磨削头的上部，上述限位挡板、上述磁流变胶容器的上侧壁、上述仿形磨削头之间围设成容纳上述磁流变胶的仿形型腔，上述仿形磨削头固定于上述磁流变胶容器底部，砂带压紧轮可以设置在磁流变胶容器仿形磨削头上或限位挡板上，或者设置于设备主体上。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，上述仿形磨削头由热塑性塑料、铁粉和铜粉颗粒热压成型而成，上述仿形面上还均布设有多个均匀微织构。热压成型，具有加工迅速，形状调整快速的优点，同时仿形磨削头的仿形面上设置有多个微织构，能够通过“尖峰效应”在局部形成磁场聚集效应，对局部形成更强烈的均匀挤压作用。仿形磨削头材料具体由质量百分比70%-80%的热塑性塑料、20%-30%的铁粉和10%-20%的铜粉构成，均匀混合后采用热压成型方式制备，与叶片对应一侧的形状与叶片表面形状互补。

本实施例的磨削装置进一步设置为，所述磁流变胶容器为凹槽状或圆筒状或无盖盒状。

上述热塑性塑料可为聚乙烯（pe）、聚氯乙烯（pvc）、聚丙烯（pp）、聚苯乙烯（ps）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（abs），优选抗冲性和耐热性较好的abs。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，上述磁流变胶配置过程如下：首先将弹性塑料颗粒逐步加入到硅油中，并不停搅拌，待其均匀分散悬浮于硅油中后，再将2-8μm的改性海泡石纤维加入硅油中，并不停搅拌，然后再将1-4μm粒径的铜粉和1μm粒径的mnzn铁氧体逐步加入到硅油中，mnzn铁氧体和铜粉被均匀吸附于海泡石表面，并悬浮于硅油中制备而成。磁流变胶中磁性颗粒占20%-30%，硅油占20%-30%，铜粉占10%-20%，弹性塑料颗粒占40%-60%，海泡石占15%-18%。

上述磁性颗粒优选mnzn铁氧体，还可为羟基铁粉、fe3o4、fe3n、fe、co、ni等磁性微粒。

上述载液优选硅油，还可为矿物油、合成油和水。

上述分散剂优选海泡石，还可为硅胶、聚醚基。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，上述仿形冷却流道的换热面与上述仿形面平行设置。平行设置能够改善磁流变胶内部温度的均匀性。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，磨削装置不设置弹性增强橡胶垫和橡胶垫紧固圈，仿形磨削砂带的两侧均设有滑动密封组件，滑动密封组件包括凹凸配合的滑槽和滑轨，滑轨设置于仿形磨削砂带上，具体位置为砂带运动方向的两侧，滑槽设置于磨削头的顶部外侧。也可以使用滑槽设置于仿形磨削砂带，滑轨设置于磨削头的方式。仿形磨削砂带使用柔性基体的磨削砂带，同时砂带上还设有可以密封的密封层或密封涂胶。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，上述磁流变胶封装成磁流变胶棒，其包括橡胶套，其内密封充满有磁流变胶，上述橡胶套呈棒状设置，其顶部与砂带内侧或者橡胶密封垫内侧接触，底部通过弹簧与上述仿形磨削头的仿形面相连或接触，上述仿形面上设有用于固定上述弹簧的限位槽；上述橡胶套外侧还设有普通流体，可以增强其整体流动性，改善静液压力的快速响应和均匀性。

本发明提供的磨削装置进一步设置为，还包括：磁场发生器，其设于上述仿形磨削头底部或侧旁；温度传感器，其设于上述磁流变胶内部或上述仿形磨削头上；

冷却循环系统，其包括与上述内冷却流道相连的输送泵和输送管、冷却剂回收仓；

高频振动发生器，其设于上述设备主体上；控制器，其连接并控制实施磁场发生器、上述驱动机构、上述输送泵、上述温度传感器、上述高频振动发生器。

本发明的第二目的是提供一种自由曲面均匀仿形磨削装置的磨削方法，其包括：

步骤一、磁流变胶制备；首先将弹性塑料颗粒逐步加入到硅油中，并不停搅拌，待其均匀分散悬浮于硅油中后，再将2-8μm的改性海泡石纤维加入硅油中，并不停搅拌，然后再将1-4μm粒径的铜粉和1μm粒径的mnzn铁氧体逐步加入到硅油中，mnzn铁氧体和铜粉被均匀吸附于海泡石表面，并悬浮于硅油中制备而成。

步骤二、仿形磨削头制备；将上述配比的热塑性塑料、铁粉和铜粉颗粒搅拌均匀，然后倒入模具中进行热压成型，热压温度为200-240℃。

步骤三、仿形施力机构安装；首先将仿形磨削头固定安装于不锈钢磁流变胶容器的底部，然后在不锈钢磁流变胶容器的开口端安装限位挡板，并用六角螺栓进行固定。安装好仿形冷却流道后将步骤一获得的磁流变胶注入仿形磨削头、磁流变胶容器和限位挡板构成的型腔，磁流变胶上方铺上弹性增强橡胶垫、排除空气后用橡胶垫紧固圈进行固定，形成密封结构。

步骤四、仿形磨削砂带安装；在步骤三的基础上，排除空气后，将仿形磨削砂带贴合弹性橡胶垫安装，使仿形磨削砂带有磨粒的一面朝上，并通过砂带压紧轮进行固定。

步骤五、磨削加工；将叶片待加工一面贴合压紧步骤四获得仿形磨削砂带，待叶片表面与仿形磨削砂带完全接触；启动磁场发生器电磁铁，密封磁流变胶在磁场作用下发生磁流变效应，变成类固态柔性压力机构，基于帕斯卡定律对加工区域施加均匀磨削压力；之后启动高频振动发生器带动叶片振动，通过振动方式来实施磨削加工。此外，在磨削过程中，可通过调节磁场发生器的电流大小来改变磁流变胶的粘弹性力学性能，从而实现磨削力的在线可控。

有益效果

本发明提供了一种磁流变效应明显、可控性好、性能稳定的一种自由曲面均匀仿形磨削装置及磨削方法，具有以下优点：

（1）传统砂带磨削和叶片的接触面积小，加工效率低。本发明通过对磁流变胶进行密封处理，在叶片的挤压力作用下可以获得较大面积的仿形接触，从而可以提高加工效率。

（2）本发明通过弹性增强橡胶、砂带、弹性增强橡胶紧固圈、砂带紧固圈及不锈钢磁流变胶容器构成密闭空间，基于帕斯卡定律，磁流变胶流体受到叶片挤压后会将内部静压力等值传递至与砂带接触的整个叶片表面，形成均匀压力，该压力垂直于各接触面，有利于提高加工质量。

（3）本发明采用绕线电磁铁，通过改变线圈电流大小来调节磁场强度，影响内垫层内磁流变胶的粘弹性力学参数，从而可以实现磨削压力的调控。

（4）本发明采用热压成型方法来制备仿形磨削头，可以提高磨削头的制备效率和制备质量，并降低成本。

（5）一种自由曲面均匀仿形磨削方法将传统砂带磨削、振动磨削、磁场辅助磨削方式进行集成，可以有效改善磨削力不均匀的问题，并提高表面质量。

附图说明

图1是现有砂带磨削结构示意图。

图2是本发明的一种实施例的结构示意图。

图3是本发明实施例中密封组件的结构示意图。

图4本实施例的立体剖视图。

图5本实施例的立体示意图。

图6本实施例的磁流变胶棒安装示意图。

以上图中的标示为：1、仿形磨削砂带；2、工件；3、砂带压紧轮；4、限位挡板；41、紧固螺栓；42、凹坑；5、弹性增强橡胶垫；51、橡胶垫紧固圈；511、密封槽；6、磁流变胶；7、仿形磨削头；8、磁流变胶容器；9、仿形冷却流道；61、铜粉；62、弹性塑料；63、铁氧体；64；海泡石；10、磨粒；11、仿形面；12、微织构；13、滑轨；14、滑槽；15、电磁铁；16、磁流变胶棒；17、限位槽。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

结合图1，图2，图5，一种自由曲面均匀仿形磨削装置及方法，包括仿形磨削砂带1、仿形磨削头7、其由驱动机构驱动砂带（驱动机构使用现有技术的砂带驱动部件或市售产品，一般至少包括主动轮，张紧轮、变速机构、动力总成，本专利中不一一赘述）并贴合于工件2表面进行磨削；仿形磨削头7，其上设有与工件2表面形状匹配的仿形面11；仿形施力机构，其包括磁流变胶6；磁流变胶6被密封于弹性增强橡胶垫5、限位挡板4、磁流变胶容器8、仿形磨削头7之间；磁流变胶6内还设有仿形内冷却流道9。在可以产生流变效应的磁流变胶6内部设置仿形内冷却流道9，能够将热量迅速转移，防止温度升高影响磁流变效应和磁流变胶6的物理化学性质。

本实施例的磨削装置进一步设置为，弹性增强橡胶垫5与限位挡板4之间还设有密封机构，密封机构包括密封槽511和橡胶垫紧固圈51。弹性增强橡胶垫5的铺设在限位挡板4上，通过设置在限位挡板4上的密封槽511，橡胶垫紧固圈51将弹性增强橡胶垫5紧紧锁紧在限位挡板4上，橡胶垫紧固圈51也可以采用其他方式，如带螺栓的紧固板等密封紧固结构。

本实施例的磨削装置进一步设置为，砂带压紧装置包括砂带压紧轮3，砂带压紧轮3设置于限位挡板4上的凹坑42中，限位挡板4设置于磁流变胶容器8的上部，并通过紧固螺栓41固定。砂带压紧轮3还可以设置在限位挡板上上，或者设置于设备主体上，只需要起到将砂带压入到凹坑42中的作用，使得砂带形状和工件形状匹配即可。

本实施例的磨削装置进一步设置为，仿形磨削头7由热塑性塑料、铁粉和铜粉61颗粒热压成型而成，仿形面11上还均布设有多个微织构12。热压成型，具有加工迅速，形状调整快速的优点，同时仿形磨削头7的仿形面11上设置有多个微织构12，能够在局部形成磁场聚集效应，增强磁流变效应。仿形磨削头7材料具体由质量百分比70%-80%的热塑性塑料、20%-30%的铁粉和10%-20%的铜粉61构成，均匀混合后采用热压成型方式制备，与叶片对应一侧的形状与叶片表面形状互补，并设置有均匀微织构的锯齿状微织构12。

热塑性塑料可为聚乙烯（pe）、聚氯乙烯（pvc）、聚丙烯（pp）、聚苯乙烯（ps）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（abs），优选抗冲性和耐热性较好的abs。

本实施例的磨削装置进一步设置为，磁流变胶6通过将弹性塑料62颗粒逐步加入到硅油中，并不停搅拌，待其均匀分散悬浮于硅油中后，再将2-8μm的改性海泡石纤维加入硅油中，并不停搅拌，然后再将1-4μm粒径的铜粉61逐步加入到硅油中，再按同样方法加入1μm粒径的mnzn铁氧体63，mnzn铁氧体63和铜粉61被均匀吸附于海泡石表面，并悬浮于硅油中制备而成。磁流变胶6具有一定流动性，并压力均匀，磁流变胶6中铁氧体63颗粒占20%-30%，硅油占20%-30%，铜粉61占10%-20%，弹性塑料62颗粒占40%-60%，海泡石64占15%-18%。磁性颗粒优选mnzn铁氧体63，还可为羟基铁粉、fe3o4、fe3n、fe、co、ni等磁性微粒。

载液优选硅油，还可为矿物油、合成油和水。

分散剂优选海泡石，还可为硅胶、聚醚基。

本实施例的磨削装置进一步设置为，内冷却流道9的换热面与仿形面11平行设置。平行设置能够改善磁流变胶6内部温度的均匀性。

本实施例的磨削装置进一步设置为，还包括：磁场发生器，其设于仿形磨削头7底部下方或侧旁，在本实施例中其为电磁铁15，多个电磁铁15均布设置于仿形磨削头7底部下方磁流变胶容器的底部；温度传感器，其设于磁流变胶6内部或仿形磨削头7上；

冷却循环系统，其包括与内冷却流道9相连的输送泵和输送管、冷却剂回收仓；具体使用的时候，内冷却流道9为非磁性材质，如塑料软管构成，同时输送泵输送管、冷却剂回收仓均使用普通现有技术，冷却剂回收仓直接使用水做冷却剂、回收仓使用大型水桶或盛水容器即可。

高频振动发生器，其设于设备主体上；且设置于工件或者磨削装置的底部。在本实施例中高频振动发生器与工件相连设置。

控制器，其连接并控制实施磁场发生器、驱动机构、输送泵、温度传感器、高频振动发生器。控制器使用现有技术的单片机来控制，用于控制各个需要控制的部件。

具体实施时，一种自由曲面均匀仿形磨削装置及方法的加工过程，其包括：

步骤一、磁流变胶6制备；首先将弹性塑料62颗粒逐步加入到硅油中，并不停搅拌，待其均匀分散悬浮于硅油中后，再将2-8μm的改性海泡石纤维64加入硅油中，并不停搅拌，然后再将1-4μm粒径的铜粉61逐步加入到硅油中，再按同样方法加入1μm粒径的mnzn铁氧体63，mnzn铁氧体63和铜粉61被均匀吸附于海泡石表面，并悬浮于硅油中。

步骤二、仿形磨削头7制备；将上述配比的热塑性塑料、铁粉和铜粉颗粒搅拌均匀，然后倒入模具中进行热压成型，热压温度为200-240℃。

步骤三、仿形施力机构安装；首先将仿形磨削头7固定安装于磁流变胶容器8的底部，然后在磁流变胶容器8的开口端安装限位挡板4，并用六角螺栓41进行固定。安装好仿形冷却流道9后将步骤一获得的磁流变胶6注入磁流变胶容器8和限位挡板4构成的型腔，磁流变胶6上方铺上弹性增强橡胶垫5、排除空气后用橡胶垫紧固圈51进行固定，形成密封结构。

步骤四、仿形磨削砂带1安装；在步骤三的基础上，排除空气后，将仿形磨削砂带1贴合弹性橡胶垫5安装，使仿形磨削砂带1有磨粒10的一面朝上，并通过砂带压紧轮3进行固定。

步骤五、磨削加工；将叶片工件2待加工一面贴合压紧步骤四获得仿形磨削砂带1，待工件2表面与仿形磨削砂带1完全接触后；启动磁场发生器电磁铁15，密封磁流变胶6在磁场作用下发生磁流变效应，变成类固态柔性压力机构，基于帕斯卡定律对加工区域施加均匀磨削压力；之后启动高频振动发生器带动叶片工件2振动，通过振动方式来实施磨削。此外，在磨削过程中，可通过调节电磁铁15的电流大小来改变磁流变胶6的粘弹性力学性能，从而实现磨削力的在线可控。在本步骤5中的磨削过程中，还可根据工件的表面质量状态，可以选择砂带运动，或者砂带静止。

实施例2

结合实施例1和图3，图4，与实施例1的区别在于，本实施例中不设置弹性增强橡胶垫5和橡胶垫紧固圈51，仿形磨削砂带1的两侧均设有滑动密封组件，滑动密封组件包括凹凸配合的滑槽14和滑轨13，滑轨13设置于仿形磨削砂带1上，具体位置为砂带运动方向的两侧，滑槽14设置于磨削头的顶部外侧。也可以使用滑槽14设置于仿形磨削砂带1，滑轨13设置于磨削头的方式。仿形磨削砂带1使用柔性基体的磨削砂带，同时砂带上还设有可以密封的密封层或密封涂胶。本实施例中图2中，滑槽14设置于限位挡板4上。磨削方法与实施例1相同。

具体实施的时候，此时如图3、图4、图5所示，砂带两侧的密封组件将磁流变胶密封在限位挡板的下方仿形空腔中。此种情况下，将弹性增强橡胶垫省略，直接利用砂带本体上面的密封涂胶或密封层或连接层的方式，来达到砂带既能够抛光，同时又能够密封磁流变胶的目的。可以大大降低安装难度、提高使用的便利性。

实施例3

结合实施例1，和图6，与实施例1的区别在于，所述磁流变胶内还设有磁流变胶棒16，其包括橡胶套，其内密封充满有磁流变胶6，所述橡胶套呈棒状设置，其顶部与砂带内侧或者橡胶密封垫内侧接触，底部通过弹簧（图中未画出）与所述仿形磨削头的仿形面相连或接触，所述仿形面上设有用于固定所述弹簧的限位槽；所述橡胶套外侧还设有普通流体（如硅油），可以增强其整体流动性，改善静液压力的快速响应和均匀性。

具体实施时，此种情况下，工件压迫砂带，并压紧磁流变胶棒16，此时其底部弹簧也会施加弹簧力，同时，弹簧使用非磁性弹簧，如塑料弹簧，不会对磁场进行干扰，在实际使用时候，工件曲面形状差异不大，也可以不设置仿形面，直接利用工件压迫弹簧和不同长度的磁流变胶棒16、以及砂带内密封的硅油液体，在三者的作用下，自适应工件表面的形状，大大降低操作难度。