一种电化学增稠抛光方法与流程

本发明属于超精密加工技术领域，具体是涉及一种电化学增稠抛光方法。

背景技术：

超精密加工技术在现代科学技术的重要组成部分，在众多领域中广泛应用。例如蓝宝石、单晶硅及各功能性陶瓷等硬脆难加工材料的加工方面；各种复杂曲面的高精度、低损伤、美观等方面。利用超精密加工技术，可以获得低表面粗糙度、低/无表面损伤或亚表面损伤的工件表面。

抛光是超精密加工的一种，是指能够使得工件在机械、化学或电化学的作用下，降低工件表面粗糙度，提高工件表面光洁度的超精密加工工艺。电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。

增稠是使悬浮于液体中的固体粒子变为浓稠的拢浆而从液体中分离出来的操作，也称为沉淀浓缩或沉降浓缩。影响增稠的因素大致分成两类：化学因素(树脂的化学组成、增稠剂的化学特性、添加剂、杂质等)和物理因素(物料混合中所达到的剪切程度、温度、时间、填料和增稠剂的表面积等)。电化学增稠是指通过电化学反应使溶液中某物质生成具有增稠效应的新物质，通过得到的新物质从溶液中分离出来形成浓稠的拢浆，即增稠(沉淀浓缩或沉降浓缩)，从而实现电化学增稠。

已公开中国发明专利(cn201810122104.8)，专利名称：一种高效超精密剪切增稠-化学协同抛光装置。该专利实施设备包括抛光工具、抛光工具夹具、抛光固动盘、防尘罩及抛光液循环装置。本发明利用液流边界主动约束与抛光液流流动主动控制、剪切增稠与绿色化学作用协同，提高加工效率、精度，并扩展可加工材料及面形。该专利优点在于可加工材料广、加工面型多样、抛光液环保，利用了剪切增稠效应，使该抛光柔性抛光，提高材料去除确定性，表面变质层少；缺点在于抛光过程中，抛光液从未变化过，其中一直存再化学物质参与反应，导致最后得到的工件中仍有部分区域会发生轻微的化学腐蚀现象，导致工件表面质量降低。

已授权中国发明专利(cn201210192915.8)，专利名称：一种基于非牛顿流体剪切增稠效应的超精密曲面抛光方法。该方法在具有剪切增稠效应的非牛顿流体中添加磨料制成抛光液，抛光过程中，抛光液与工件表面具有一定的相对速度，抛光区域的抛光液因剪切作用产生剪切增稠效应，形成剪切增稠柔性磨具，实现对曲面的超精密抛光。但由于该抛光方法仅仅依靠单一剪切增稠效应对工件产生微切削形成材料去除，抛光效率仍有提升空间。

已授权中国实用新型专利(cn201410436897.2)，专利名称：非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密加工装置。电源通电后，在阳极工件与阴极抛光工具间产生电化学反应，工件表面的金属被电解溶解，随之工件表面会形成一层妨碍电化学反应的氧化膜。工件表面凸起处的氧化膜首先被磨掉，暴露出新鲜金属，电化学反应得以在凸起处继续进行。而凹陷处的氧化膜未被去除，化学反应受到阻碍，该处金属得到了保护。同时由于电流的尖峰效应，凸起处电场强度大，对金属的腐蚀能力也强，加上剪切增稠作用下磨粒对工件表面凸起处的去除作用更强，这几方面的共同作用影响，使得工件表面凸起处迅速被去除，表面粗糙度也迅速减小。该专利缺点在于对可加工工件的面形适应性差，不能解决材料去除的确定性问题，难以实现工件材料的确定性抛光和高面形精度，限制了可加工材料(具有导电性能)的范围，电解液属于非环保物质，对环境影响大、环保处理成本高。

技术实现要素：

为了克服已有抛光装置的抛光效率较低的不足，本发明提供了一种电化学增稠抛光方法，粗抛减少总抛光时间，精抛(电化学增稠抛光)可获得表面质量高、无/低表面损伤的工件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电化学增稠抛光方法，包括如下步骤：

1)选用工件夹具；

2)将工件装夹在工件夹具上；

3)配置具有可电化学增稠的抛光液(非增稠态)，并将抛光液置于抛光液箱内；

4)启动主轴和抛光液箱水泵，形成抛光液循环系统，将抛光液经夹具输入到抛光盘上，使得抛光液在抛光盘上相对运动；

5)粗抛：使工件在抛光液下抛光一段时间；

6)精抛：启动工件夹具内部电化学增稠发生器，输入到反应池的抛光液发生变化，形成电化学增稠抛光液；与此同时，增稠抛光液经微型水泵输入到抛光盘上，实现对工件的电化学增稠抛光。

进一步，所述步骤3)中，所述抛光液各成分及其比例：抛光磨粒15wt.％-25wt.％、可电化学增稠粒子25wt.％-35wt.％、水40wt.％-50wt.％。可电化学增稠的抛光液是未经过电化学反应的原始抛光液，粘度低、流动性能好，其中的可电化学增稠粒子在抛光液中以离子形式存在。

再进一步，实现该抛光方法的设备包括工件夹具、抛光盘、抛光垫、抛光液池和主轴，所述抛光盘安装在主轴上，抛光垫安装在抛光盘上，抛光液池安装在抛光盘下；所述工件夹具在抛光盘的上方，工件装夹在工件夹具上；所述抛光装置还包括电化学增稠发生器，所述的电化学增稠发生器安装在工件夹具内，其反应电极在反应池内。

所述抛光装置还包括抛光液箱和供液泵，所述的抛光液箱、供液泵、输液管、工件夹具、抛光液池形成抛光液循环系统，抛光液箱在抛光液池的左下方，输液管连接抛光液池与抛光液箱，供液泵安装在抛光液箱中，供液泵与输液管连接；所述步骤4)中，抛光液箱中的抛光液通过水泵经输液管输入到工件夹具内、抛光垫上，多余的抛光液流入到抛光液池经输液管到达抛光液箱。

所述的步骤5)的粗抛阶段，使工件在大剪切速率和瞬时载荷的作用下快速抛光。

所述的步骤6)的电化学增稠抛光液，是由电化学导致的大粘度的抛光液，电化学增稠抛光液是可电化学增稠的抛光液(非增稠态)经过工件夹具内部电化学增稠发生器产生电化学反应，使得可电化学增稠粒子生产具有增稠特性的粒子，与磨料结合形成“磨料增稠团”，使抛光液粘度增大，大量聚集的“磨料增稠团”如同一层柔性磨具。生成的电化学增稠抛光液输入到工件表面上，实现对工件的电化学增稠抛光。

进一步，所述工件夹具的上部为抛光液入口，所述工件夹具内设有反应池，所述的电化学增稠发生器具有多根反应电极，每一根反应电极内都有阴极和阳极，所述反应池的下部出口设有微型水泵。

优选的，所述电化学增稠发生器包括内置独立电源和外置遥控器，所述遥控器能够通过无线启动/关闭电化学增稠发生器。只有在精抛时启动，将电化学增稠粒子转化为电化学增稠相，形成电化学增稠抛光液，粘度增大。

优选的，所述可电化学增稠粒子能溶于水，在电化学增稠发生器的作用下，生成增稠相；所述的增稠相为绿色树脂类物质，具有增稠效应，不会对环境造成污染。

所述的抛光液箱分为两层，一层存放可电化学增稠抛光液，一层存放发生过电化学反应的电化学增稠抛光液，有利于切换抛光模式(正常抛光/电化学增稠抛光)。

本发明的技术构思：对工件表面进行快速抛光时，可选择正常抛光模式，即粗抛阶段，该模式下抛光液为可电化学增稠抛光液，使工件在大剪切速率和瞬时载荷的作用下快速抛光；对工件表面机械精细抛光时，可选择电化学增稠抛光模式，即精抛阶段，该模式下抛光液为电化学增稠抛光液，工件在小剪切速率、瞬时载荷以及电化学增稠抛光液(发生电化学反应)的作用下。

所述的电化学增稠抛光液，是由电化学导致的大粘度的抛光液。电化学增稠抛光液是可电化学增稠的抛光液(非增稠态)经过工件夹具内部电化学增稠发生器产生电化学反应，使得可电化学增稠粒子生产具有增稠特性的粒子，与磨料结合形成“磨料增稠团”，使抛光液粘度增大，大量聚集的“磨料增稠团”如同一层柔性磨具。生成的电化学增稠抛光液输入到工件表面上，实现对工件的电化学增稠抛光。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)粗抛时，工件在大剪切速率、瞬时载荷以及可电化学增稠抛光液(未发生电化学反应)的作用下，快速得到表面质量较好的工件，提高了抛光效率。

(2)精抛时，工件在小剪切速率、瞬时载荷以及电化学增稠抛光液(发生电化学反应)的作用下，实现对工件表面的柔性抛光，获得高表面质量、无/低表面损伤或亚表面损伤。

(3)电化学增稠抛光液的粘度可由电化学增稠发生器的功率改变，通过改变抛光液中增稠相的浓度实现，不同粘度下，最终得到的工件表面质量也不同。通过该方法，可控的得到不同表面质量的工件。

(4)电化学抛光可根据需要选择正常抛光或者电化学增稠抛光。

附图说明

图1为电化学增稠抛光示意图，工件夹具1、工件2、电化学增稠发生器3、反应腔4、微型水泵5、抛光液6、抛光垫7、抛光液池8、主轴9、抛光液箱10、供液泵11、输液管12、抛光盘13、夹具内部结构图14。

图2为抛光液电化学微观图，其中a为未进行电化学反应时的抛光液，b为进行了电化学反应的抛光液，磨料15、可电化学增稠粒子16、电化学增稠粒子17、磨料增稠团18。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种电化学增稠抛光方法，本发明用于抛光平面工件(如高铁轴承、轴承钢、硬质合金、金属陶瓷、光学玻璃以及难加工硬脆等材料)，抛光过程包括如下步骤：

1)选用工件夹具1；

2)将工件2装夹在工件夹具1上；

3)配置具有可电化学增稠的抛光液5(非增稠态)，并将抛光液6置于抛光液箱10内，如图2-a所示为可电化学增稠的抛光液5的微观图；

4)启动主轴9和供液泵11，形成抛光液循环系统，将抛光液6经夹具输入到抛光盘13上，使得抛光液6在抛光盘13上相对运动；

5)粗抛：使工件2在抛光液6(可电化学增稠)下抛光一段时间；

6)精抛：启动工件夹具1内部电化学增稠发生器3，输入到反应池4的抛光液6发生变化，形成电化学增稠抛光液6，2-b所示为电化学增稠的抛光液6的微观图；与此同时，增稠抛光液6经微型微型水泵5输入到抛光盘13上，实现对工件的电化学增稠抛光。

进一步，所述步骤3)中，所述抛光液各成分及其比例：抛光磨粒15wt.％-25wt.％、可电化学增稠粒子25wt.％-35wt.％、水40wt.％-50wt.％。可电化学增稠的抛光液是未经过电化学反应的原始抛光液，粘度低、流动性能好，其中的可电化学增稠粒子在抛光液中以离子形式存在。

本实施例中，所述抛光液可以选择的各成分及其比例为：

抛光磨子15wt.％、可电化学增稠粒子35wt.％、水50wt.％；

或者是：抛光磨粒20wt.％、可电化学增稠粒子32wt.％、水48wt.％；

再或者是：抛光磨25wt.％、可电化学增稠粒子25wt.％、水50wt.％；

又或者是：抛光磨粒25wt.％、可电化学增稠粒子35wt.％、水40wt.％。

再进一步，实现该抛光方法的设备包括工件夹具1、抛光盘13、抛光垫7、抛光液池8、主轴9、抛光液箱10、电化学增稠发生器3、遥控器、反应池4、供液泵11和微型水泵5，所述抛光盘13安装在主轴9上，抛光垫7安装在抛光盘13上，抛光液池8安装在抛光盘13下；所述工件夹具1在抛光盘13的上方，工件2装夹在工件夹具1上；所述的抛光液箱10、水泵11、输液管12、工件夹具1、抛光液池8形成抛光液循环系统，抛光液箱10在抛光液池8的左下方，输液管12连接抛光液池8与抛光液箱10，供液泵11安装在抛光液箱10中，供液泵11与输液管12连接；所述的电化学增稠发生器3安装在工件夹具1内，其反应电极在反应池内。

抛光液6包括可电化学增稠粒子，所述可电化学增稠粒子能溶于水，在电化学增稠发生器的作用下，生成增稠相；粗抛时，未启动可电化学增稠抛光液，粘度小；精抛时，启动电化学增稠发生器，抛光液是电化学增稠抛光液，粘度大。

进一步，所述工件夹具1的上部为抛光液入口，所述工件夹具1内设有反应池4，所述的电化学增稠发生器具有多根反应电极，每一根反应电极内都有阴极和阳极，所述反应池4的下部出口设有微型水泵5，所述的微型水泵5随着电化学增稠发生器的启动而启动或关闭而关闭。

优选的，所述电化学增稠发生器3包括内置独立电源和外置遥控器，所述遥控器能够通过无线启动/关闭电化学增稠发生器。

优选的，所述的增稠相为绿色树脂类物质，具有增稠效应，不会对环境造成污染。

所述的抛光液箱10分为两层，一层存放可电化学增稠抛光液，一层存放发生过电化学反应的电化学增稠抛光液，有利于切换抛光模式(正常抛光/电化学增稠抛光)。