一种涂写式金属工件表面强化研磨加工方法及设备与流程

本发明涉及金属工件表面强化加工方法和设备，具体涉及一种涂写式金属工件表面强化研磨加工方法及设备。

背景技术：

随着现代工业技术的发展，人们对机械装备的安全可靠性能和寿命要求越来越高，例如飞机、装甲车、船舶、机车、汽车、内燃机、汽轮机、冶金机械、石油机械、采煤机械、矿山机械等；其中，凡是承受循环载荷的承力件，随时可能因疲劳而出现零件断裂等现象，其后果不仅会造成财产损失，还会导致人员伤亡，因此提高机械零部件的疲劳强度和寿命具有重大意义。

其中，现有技术中提出一些利用高速喷射研磨材料对工件进行撞击的加工方法，例如，申请公开号为cn101733707a的发明申请提出了一种强化研磨的新型加工方法，该加工方法利用强化研磨料以一定的角度高速冲击待加工靶面，切削加工的同时，在冲击区域形成具有一定深度的强化层，降低工件表面粗糙度的同时能够有效抑制表层微裂纹的产生，延长零部件的疲劳寿命，总体提升了工件的表面质量。

但是，随着质量和要求的不断提升，上述强化加工技术存在以下的不足：

1、钢珠、研磨粉和研磨液的混合分布不均，导致加工过程中研磨料喷射不能够连续进行，影响加工精度。

2、研磨粉随机分布在钢珠上，喷射时不能保证每一个冲击点前面都均匀的粘附有研磨粉，很大程度上影响了切削性能，同时也降低了加工区域的冲击强度，导致残余压应力下降，抗疲劳性能降低。

3、研磨粉直接喷射释放到大气中，加工区域悬浮颗粒密度增大，污染环境同时且严重影响操作工人的身体健康，同时也会导致这部分研磨粉无法回收，导致研磨粉利用率降低。

4、在加工过程中，工件的加工表面直接暴露在空气中，容易导致加工表面发生氧化现象，质量有待提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种涂写式金属工件表面强化研磨加工方法，该强化研磨加工方法不仅能够保证强化研磨加工效果更加均匀，而且还可以有效防止研磨材料在工作环境中扩散而造成的污染，同时避免工件的加工表面被氧化。

本发明的另一个目的在于，提供一种涂写式金属工件表面强化研磨加工设备。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种涂写式金属工件表面强化研磨加工方法，包括以下步骤：

(1)将待加工的工件装夹在电磁无心夹具上，高压喷射装置的高速喷头和混合涂写装置的涂写头对准于工件的加工表面；

(2)启动旋转驱动机构，驱动电磁无心夹具进行旋转，继而带动待加工的工件转动；

(3)启动混合涂写装置，将研磨粉和研磨液进行混合，并通过涂写头将混合研磨料涂写在不断旋转的工件的加工表面上，研磨液通过自身的粘附力将研磨粉均匀地粘附在工件的加工表面上；

(4)启动高压喷射装置，将钢珠高速地喷往工件的粘附有混合研磨料的加工表面，工件随着旋转驱动机构循环转动，高速的钢珠接近工件的加工表面后直接撞击附着在工件表面的研磨粉，通过体积较小的研磨粉对工件的加工表面进行强烈的冲击，使得工件的表面形成强化研磨层。

本发明的一个优选方案，步骤(2)中，启动旋转驱动机构后，启动轴向驱动机构，在工件作旋转运动的同时沿着其轴向方向作直线运动，这样可以作相对于涂写头和高速喷头的横向移动，在涂写头和高速喷头不动的情况下，横向来回循环地接收涂写头的涂写和高速喷头的撞击，提高强化加工的效果。

本发明的一个优选方案，步骤(3)中，所述研磨粉和研磨液以1∶1的体积比进行混合，形成半流体状的混合体。

一种涂写式金属工件表面强化研磨加工设备，包括用于对工件进行装夹的旋转装夹装置、用于在工件的加工表面上均匀涂写混合研磨料的混合涂写装置以及用于向工件的加工表面喷射高速的钢珠的高压喷射装置，所述混合研磨料为研磨液和研磨粉混合而成的半流体状的混合体；

其中，所述旋转装夹装置包括电磁无心夹具和用于驱动电磁无心夹具进行旋转的旋转驱动机构；所述混合涂写装置包括涂写机构以及用于将研磨液和研磨粉均匀混合的混合机构，所述涂写机构包括用于以涂写的方式将混合研磨料均匀地布置在工件的加工表面上的涂写头。

上述强化研磨加工设备的工作原理是：

工作时，将工件装夹在电磁无心夹具上，并由旋转驱动机构进行旋转驱动；通过混合机构将研磨液和研磨粉均匀混合，得到半流体状的混合体，再通过涂写头以涂写(涂画)的方式将混合体布置在工件的加工表面上，最后通过高速的钢珠对粘附着混合体的工件表面进行撞击，从而在工件的表面形成强化研磨层。具体地，在工件旋转的过程中，金属钢珠携带巨大的动能对待加工表面进行具有一定角度随机、等概率的撞击，由于研磨粉(由尺寸比钢珠小的棕刚玉组成)均匀地粘附在工件表面，因而钢珠会撞击在研磨粉上，具有微小接触面的研磨粉会形成巨大的瞬时冲击，当冲击强度大于工件表面的动态屈服强度时，工件表面即会发生塑性变形，在冲击传播方向塑变具有一定深度，冲击结束后，受周围只发生弹性变形，未发生塑性变形组织回复的挤压，冲击区域会形成残余压应力；同时研磨粉脱离并带走部分靶面材料，在靶面产生微切削，在多次重复加工后微切削趋于均匀化的达到宏观上的研磨效果，最终实现在研磨的过程中强化加工表面的效果。

本发明的一个优选方案，其中，所述旋转装夹装置还包括用于驱动电磁无心夹具进行轴向移动的轴向驱动机构。

本发明的一个优选方案，其中，所述高压喷射装置包括用于装载待喷射的钢珠的料斗、用于往工件表面喷射高速的钢珠的高速喷头以及用于将钢珠从料斗中抽吸至高速喷头的高压抽吸机构。

本发明的一个优选方案，其中，所述电磁无心夹具将工件装夹固定后，该工件呈竖向放置，其轴线沿着水平方向延伸；所述高速喷头和涂写头位于所述工件之上，且自上而下倾斜地朝向工件的加工表面。通过上述结构，不仅有效地保证在钢珠撞击后对其进行收集的工作，而且实现了涂写头在上、工件在下的涂写方式，便于工件接受涂写头的涂写。

优选地，所述高速喷头和涂写头分别设置在经过工件的轴线的竖直面的两侧；沿着旋转的方向，工件的待涂写的加工表面绕着其转动中心自下而上地从涂写头的前方转过。这样，基于研磨混合体自身的重力和粘附力(大于离心力)，当涂写头将研磨混合体涂在工件的表面后，研磨混合体可以稳定地附着在工件的表面上，不会轻易发生脱离。

本发明的一个优选方案，其中，所述旋转装夹装置还包括限位挡块，该限位挡块为两个，用于自下而上地对工件进行定位；其中，两个限位挡块分别设置在在经过工件的轴线的竖直面的两侧。通过设置两个限位挡块，不仅能够将工件限定在电磁无心夹具设定的位置上，起到定位的作用，还能在旋转的过程中对工件进行限位，始终将工件挡在两个挡块上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中，将研磨粉和研磨液均匀混合起来，并通过涂写的方式布置在工件的表面上，这样可以通过研磨液自身的粘附力将研磨粉稳定且均匀地粘附工件上，保证高速的钢珠冲击的时候每一个冲击点都有研磨粉，使得强化加工的效果更加均匀。

2、由于钢珠为单独工作，在混合研磨料布置好后才对工件的加工表面进行冲击，这样避免了与研磨液和研磨粉混合，因而不会产生粘结力较大的混合体，从而不会对高压喷射装置的管道造成堵塞，确保喷射的过程完全通畅。

3、具有较大粘力的研磨液与研磨粉混合后，除了能够将研磨粉稳定地粘附在工件的表面上，还能“锁住”研磨粉，防止其扩散在工作环境中，不仅避免了空气污染，还能提高研磨粉的回收率。

4、将混合研磨料涂在工件的表面上，亦即将工件的表面与空气隔绝开来，避免刚完成加工的表面发生氧化，有效提高强化加工的整体质量。

5、相对于传统的强化加工技术(钢珠、研磨粉、研磨液混合在一起共同对工件表面进行冲击)，本发明将质量和体积较大的钢珠与质量和体积较小的研磨粉完全分开工作，将通过研磨液将研磨粉均匀布置在工件的表面上，使得研磨粉作为被动冲击体，而由高压喷射装置高速喷射的钢珠作为主动冲击体；在工件旋转的过程中，钢珠携带着巨大的动能往工件表面撞击，当携带着巨大的动能的钢珠与附着在工件表面上的体积微小的研磨粉接触时，巨大的功能不是由钢珠传递至工件表面，而是由体积微小的研磨粉进行间接传递，由于研磨粉与工件之间的接触面积十分微小，相当于体积微小的研磨粉拥有高速钢珠的巨大功能对工件表面进行撞击，因而这样带来的冲击应力将会更加巨大，从而带来更加良好的强化加工效果。

附图说明

图1为本发明中的涂写式金属工件表面强化研磨加工设备的工作简图。

图2为本发明中的钢珠与研磨粉接触时的放大图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

参见图1，本是实施例中的涂写式金属工件表面强化研磨加工设备，包括用于对工件1进行装夹的旋转装夹装置、用于在工件1的加工表面上均匀涂写混合研磨料的混合涂写装置以及用于向工件1的加工表面喷射高速的钢珠5的高压喷射装置，所述混合研磨料为研磨液和研磨粉混合而成的半流体状的混合体。

其中，所述旋转装夹装置包括电磁无心夹具和用于驱动电磁无心夹具进行旋转的旋转驱动机构、用于驱动电磁无心夹具进行轴向移动的轴向驱动机构以及限位挡块4，所述限位挡块4为两个，用于自下而上地对工件1进行定位；其中，两个限位挡块4分别设置在在经过工件1的轴线的竖直面的两侧。通过设置两个限位挡块4，不仅能够将工件1限定在电磁无心夹具设定的位置上，起到定位的作用，还能在旋转的过程中对工件1进行限位，始终将工件1挡在两个挡块上。

所述混合涂写装置包括涂写机构和混合机构，所述涂写机构包括用于涂写头2，所述混合机构将研磨液和研磨粉均匀混合，由涂写头2以涂写的方式将混合研磨料均匀地布置在工件1的加工表面上。所述混合机构包括分别用于装载研磨液和研磨粉的料盒、用于传输的管道以及用于将研磨混合体送至涂写头2的高压送料器。具体地，本实施例中，关于两种研磨料的混合方式，可通过文丘里管实现，通过两个与文丘里管连通的管道将研磨液和研磨粉传输至文丘里管中，从而实现研磨料的混合，再通过管道输送至涂写头2中。当然，两种研磨料的混合方式还可以采用现有技术中其他可行的技术手段。

进一步，所述涂写头2主要实现将研磨混合体以涂写的方式转移至工件1的表面上，在本实施例中，由于工件1在不断进行旋转，所述涂写头2靠近工件1的表面后持续输出研磨混合体，从而实现了反体位的涂写。当然，所述涂写头2也可以采用现有技术中其他可行的技术手段。

所述高压喷射装置包括用于装载待喷射的钢珠5的料斗、用于往工件1表面喷射高速的钢珠5的高速喷头3以及用于将钢珠5从料斗中抽吸至高速喷头3的高压抽吸机构。进一步，具体的结构可参考授权公告号为cn104942664b的发明专利中公开的技术手段或现有技术中其他相关的技术。

参见图1，所述电磁无心夹具将工件1装夹固定后，该工件1呈竖向放置，其轴线沿着水平方向延伸；所述高速喷头3和涂写头2位于所述工件1之上，且自上而下倾斜地朝向工件1的加工表面。通过上述结构，不仅有效地保证在钢珠5撞击后对其进行收集的工作，而且实现了涂写头2在上、工件1在下的涂写方式，便于工件1接受涂写头2的涂写。具体地，所述电磁无心夹具的装夹方式可参考电磁夹具的现有技术，例如授权公告号为cn104942664b的发明专利中公开的一种轴承强化研磨机以及申请公布号为cn109176318a的发明申请中公开的一种轮齿形工件的强化研磨加工方法的相关技术。

进一步，所述高速喷头3和涂写头2分别设置在经过工件1的轴线的竖直面的两侧；沿着旋转的方向，工件1的待涂写的加工表面绕着其转动中心自下而上地从涂写头2的前方转过。这样，基于研磨混合体自身的重力和粘附力(大于离心力)，当涂写头2将研磨混合体涂在工件1的表面后，研磨混合体可以稳定地附着在工件1的表面上，不会轻易发生脱离。

具体地，所述旋转驱动机构包括旋转驱动电机和传动杆等，具体的结构可参考现有技术中用于实现旋转的技术手段。

所述轴向驱动机构包括轴向驱动电机和丝杆传动组件，具体的结构可参考现有技术中用于实现直线传动的技术手段。

参见图1和2，上述强化研磨加工设备的工作原理是：

工作时，将工件1(例如轴承的内圈)装夹在电磁无心夹具上，并由旋转驱动机构进行旋转驱动；通过混合机构将研磨液和研磨粉均匀混合，得到半流体状的混合体，再通过涂写头2以涂写(涂画)的方式将混合体布置在工件1的加工表面上，最后通过高速的钢珠5对粘附着混合体的工件1表面进行撞击，从而在工件1的表面形成强化研磨层。具体地，在工件1旋转的过程中，金属钢珠5携带巨大的动能对待加工表面进行具有一定角度随机、等概率的撞击，由于研磨粉(由尺寸比钢珠5小的棕刚玉6组成)均匀地粘附在工件1表面，因而钢珠5直接撞击在研磨粉上，具有微小接触面的研磨粉会形成巨大的瞬时冲击，当冲击强度大于工件1表面的动态屈服强度时，工件1表面即会发生塑性变形，在冲击传播方向塑变具有一定深度，冲击结束后，受周围只发生弹性变形，未发生塑性变形组织回复的挤压，冲击区域会形成残余压应力；同时研磨粉脱离并带走部分靶面材料，在靶面产生微切削，在多次重复加工后微切削趋于均匀化的达到宏观上的研磨效果，最终实现在研磨的过程中强化加工表面的效果。

参见图1-2，本实施例中的一种涂写式金属工件表面强化研磨加工方法，包括以下步骤：

(1)将工件1(例如轴承的内圈)放置在两个限位挡块4上，保证工件1的背面与电磁无心夹具的平面支撑板相贴。其中，先松开两个限位挡块4，将工件1紧贴平面支撑板移动到合适的位置，即偏心距e在规定范围内的位置，再将其中一个限位挡块4移动到紧贴工件1的位置，拧紧挡块固定螺母，照此例移动另一个限位挡块4，使其紧贴工件1并拧紧螺母固定，从而根据该工件1的大小调整好两个限位挡块4的位置。

(2)给电磁无心夹具通电，电磁无心夹具产生磁力，从而将工件1吸附在平面支撑板上。

(3)启动旋转驱动机构，带动电磁无心夹具进行转动，由于工件1的中心o1和电磁无心夹具的中心o存在偏心距，因而电磁无心夹具产生的磁力相对于工件1平面产生相对的滑动，形成相对的摩擦力和驱动力，从而使得工件1进行转动。与此同时，启动旋转驱动机构，在工件1作旋转运动的同时驱动其沿着轴向方向作直线运动，这样可以作相对于涂写头2和高速喷头3的横向移动，在涂写头2和高速喷头3不动的情况下，横向来回循环地接收涂写头2的涂写和高速喷头3的撞击，提高强化加工的效果。

(4)启动混合涂写装置，将研磨粉和研磨液进行1∶1的混合，形成半流体状的混合体；并通过涂写头2将混合研磨料涂写在不断旋转的工件1的加工表面上，研磨液通过自身的粘附力将研磨粉均匀地粘附在工件1的加工表面上；其中，由于研磨液具有一定的粘度和极性，因而能够充分地包裹住研磨粉，保证了混合物不会在喷射过程中雾化，从而避免了颗粒悬浮在空气中污染环境，同时对金属工件1表面具有较强的吸附力，使得研磨粉能够附着在旋转着的工件1表面不脱落。

(5)待混合涂写装置稳定运行后，启动高压喷射装置，将质量较大的钢珠5加速到相对较高的速度，并向工件1的表面喷射；当携带着巨大动能的钢珠5与体积微小的研磨粉(棕刚玉6，具有很强的硬度和耐磨性，大小为120目)接触时，在极短的时间内，完成动能的传递，动能从很大的一个值从很大的一直在极短时间内减为零并以相反的方向弹开，在工件1表面上形成强烈的冲击，进而在表面形成强化研磨层。

进一步，本实施例中，根据理论公式研究钢珠5的碰撞效果，由碰撞力学知：

其中：m1为钢珠5质量，v1为碰撞后钢珠5的速度，即速度为v1＝0，v2为弹丸撞击速度，f为接触过程中产生的平均碰撞力，f^*为碰撞时钢珠5受到的反作用力。

由此可知，碰撞力不仅和碰撞物的速度呈正相关，还和碰撞体的质量成正比，研磨粉虽然具有很大的速度，但质量小，形成的冲击力也小，钢珠5质量大，形成的冲击力大。同时，冲击应力的大小不仅和冲击力有关，还和冲击碰撞时的接触面积有关，为了研究方便，假设研磨粉为球体(实际为不规则多面体，相同压力下接触应力更大)，则由球面和平面hertz接触理论知：

其中：a为接触圆半径，μ1，μ2和e1，e2分别为接触的两球的泊松比和弹性模量，r0为接触的球半径，则有：

由上式可知，球面和平面接触的应力大小和成反比，即当冲击力大小相同时，半径越小，冲击应力越大。

所以，相较于单纯用钢珠5冲击，参见图2，本实施例中使用钢珠5冲击附着在工件1表面上的研磨粉，当钢珠5和研磨粉碰撞后一起向靶面方向运动，此时可以将研磨粉和钢珠5看成是一个整体，此时，钢珠5和研磨粉的结合体具有了钢珠5的大质量，钢珠5、研磨粉混合物和靶面碰撞具有钢珠5和靶面碰撞同等的冲击力，而钢珠5、研磨粉混合物与靶面接触点半径较钢珠5和靶面接触点半径小(研磨粉只有钢珠5直径的1/20～1/10)，产生的冲击应力更大(钢珠5的2.1～2.7倍)。

其中，所述研磨粉和研磨液的组成可参考现有技术，例如申请公布号为cn109681532a的发明申请公开的一种滚子轴承内圈的复合加工方法。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。