一种带电解抛光液的湿式自动抛光方法及其设备的制作方法
【专利摘要】本发明是一种带电解抛光液的湿式自动抛光方法及其设备，是一种用于金属表面抛光的加工方法及其设备，属于金属表面处理领域。包括抛光轮、机器手、压电传感器、控制器、计算机、夹具和电解槽；机器手设置有安装座，安装座上部设置有一根立柱，立柱后部设置有电器控制柜，电器控制柜通过电器控制线与控制器相连接，计算机通过RS232C接口数据连接线与控制器相连，立柱上部设置有一根与立柱成90°支撑杆，支撑杆一端设置有机器手的上臂，上臂前端设置有机器手的小臂，压电传感器安装在机器手的小臂的台阶内孔的台阶面上，机器手通过夹具夹持工件压向高速旋转的抛光轮；在电解槽中盛装有电解抛光液，工件和抛光轮浸入电解槽的电解抛光液中，进行电解抛光。
【专利说明】一种带电解抛光液的湿式自动抛光方法及其设备
【技术领域】
[0001]本发明是一种带电解抛光液的湿式自动抛光方法及其设备，是一种用于金属表面抛光的加工方法及其设备，属于金属表面处理领域。
【背景技术】
[0002]人工关节，是进行关节置换术中用到的主要植入医疗器材，是骨科植入物中最复杂，最具有技术含量的医疗器械产品。目前，人工关节置换术已经被广泛应用于关节骨性关节炎、类风湿性关节炎和创伤后关节炎的治疗中。关节产品原理是关节两个相对运动摩擦副表面的内在机理，关节面材料和几何尺寸的选择，其中关键在于研究关节表面的摩擦学、生物力学等指标。粗糖度是关节面摩擦的关键因素，提升粗糖度指标，对于假体寿命，病人发生骨溶解的几率，是最为关键的因素。对于怎样通过先进的制造工艺去实现假体表面的高精度抛光，是一道摆在国内关节假体制造行业面前的难题。传统的机械抛光工艺中，高速旋转的抛光轮压向工件，使磨料对工件表面产生滚压和微量切削，从而获得光亮的加工表面，可以解决工件表面微小划痕和麻点，这是机械抛光所独有的优势。但对于复杂曲面的产品，机械抛光的难度大、合格率低。
【发明内容】
[0003]本发明目的是针对上述不足之处，提供一种带电解抛光液的湿式自动抛光方法及其设备。在进行复杂曲面工件抛光加工时比普通机械式抛光加工更能保证加工工件表面质量，加工出来的产品具备高 度的质量一致性，而且加工效率大大提高。电解抛光可以极大提高表面耐蚀性，电解抛光后的微观表面比机械抛光的更平滑，反光率更高。电解抛光不受工件尺寸和形状的限制。本发明将机械式抛光和电解抛光结合在一起，由机器人通过专用夹具夹持工件，将抛光工具和工件，浸入电解抛光液中，在机械抛光的同时进行电解抛光。通过自动的机械式抛光去除工件表面微小划痕和麻点，使用带电解抛光液的湿式自动抛光方法及其设备进行自动抛光成本得到显著降低。由计算机、控制器、机器手、夹具和压电传感器组成的控制系统，动态调整抛光力，柔性变换角度，合理规划抛光路径，得到高质量的表面。高质量的表面，可以减少使用时表面的磨损和骨溶解发生的几率，提高产品使用寿命。
[0004]带电解抛光液的湿式自动抛光方法及设备是采取以下技术方案实现的:
带电解抛光液的湿式自动抛光设备包括抛光轮、机器手、压电传感器、控制器、计算机、
夹具和电解槽。机器手采用PUMA-562机器手，机器手设置有安装座，安装座底面设置有螺钉孔，螺钉通过螺钉孔将安装座固定在地面上。安装座上部设置有一根立柱，立柱后部设置有电器控制柜，电器控制柜通过电器控制线与控制器相连接，计算机通过RS232C接口的数据连接线与控制器相连，用来控制机器手的动作，立柱可以作旋转运动。立柱上部设置有一根与立柱成90°支撑杆，支撑杆是圆柱体。支撑杆的一端设置有与支撑杆成90°的机器手的上臂，机器手的上臂可以做旋转运动。机器手的上臂前端设置有机器手的小臂，机器手的小臂设置有台阶内孔，压电传感器安装在台阶内孔的台阶面上，传感器前端设置有弹簧，用来固定夹具连接器，并产生动态力。机器手的小臂端面设置有螺纹，端盖通过螺纹与小臂连接，并能调整弹簧的胀紧力。螺纹下部设置有O型圈安装槽，用于安装O型圈，防止电解液进入。机器手的小臂可以做旋转运动。机器手的小臂前端设置有夹具连接器，夹具连接器设置有两段，大端为一段圆柱体，并设置有两个直径不同的内孔，直径大的内孔用来连接夹具，在直径小的内孔内插入一根圆柱销用来固定夹具。机器手前端安装有夹具用来夹持工件，根据手夹持工件的不同，夹具会有所不同。机器手通过夹具夹持工件压向高速旋转的抛光轮，抛光轮转速为3000r/min。抛光轮安装在电解槽中的旋转轴一端，通过螺纹连接使之固定。旋转轴另一端通过弹性联轴器与电动机连接在一起。电动机通过弹性联轴器使旋转轴及抛光轮旋转。在电解槽中盛装有电解抛光液，工件和抛光轮浸入电解槽的电解抛光液中，进行电解抛光。[0005]利用计算机辅助制造系统在AutoCAD环境下二次开发，AutoCAD对零件进行实体造型，并将实体模型保存为实体模型文件，通过二次开发的刀轨生成软件读取实体模型文件，实现无干涉的抛光刀具加工轨迹的生成，并通过坐标变换将工件坐标系中的刀具轨迹转换为机器手坐标系统中工件的运动轨迹，从而控制机器手的运动。在机器手前端设置有压电传感器用于测量接触应力，当工件产生接触应力，应力通过夹具、夹具连接器传递到压电传感器，压电传感器接触到应力就会输出脉冲信号，接触应力越大脉冲型号越大，控制器根据脉冲信号判断抛光力的大小，动态的微调机器手运动的轨迹，从而实现工件与抛光轮接触时抛光力的恒定。通过计算机辅助制造软件对抛光线路的规划使抛光力方向的变换更加柔性，减少工件表面的凹坑。实际抛光的过程，工件和抛光轮是浸入在7mol:1mol (HN03:HF)的混合液中在电解槽中进行电解，工件接阳极，电解槽的溶液接阴极，通电时工件表面会产生电阻率高的稠性黏膜，其厚度在工件表面不均匀。表面微观凸出部分较薄，电流密度较大，金属溶解较快；表面微观下凹处较厚，电流密度较小，金属溶解较慢。由于稠性黏膜和电流密度分布的不均匀性，微观凸起部分尺寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使工件表面粗糙度降低，从而达到抛光的目的。电解抛光不受工件尺寸和形状的限制。对不宜进行机械抛光的工件可实施抛光，尤其适合针对关节面的非均匀有理B样条曲面和复杂的高阶曲面的表面处理。
[0006]带电解抛光液的湿式自动抛光设备的湿式自动抛光方法如下:
在机器手坐标系中，抛光轮被安装在旋转轴上，选转轴的回转中心到机器手的回转中心的相对位置是固定的。机器手是一个具有六自由度的手腕式PUMA-562机器手，计算机通过RS232C接口的数据连接线与机器手的控制器相连。控制器采用西门子或发那科数控系统，数控系统执行计算机编译好的代码，机器手通过安装在前端的夹具夹持工件，控制器根据预先设定好的程序控制机器手在空间三维运动，将空间压向抛光轮。当工件产生接触应力时，控制器接收压电传感器反馈脉冲信号的大小，控制器动态微调机器手的运动轨迹，当工件的接触应力小于预先设定的值时，控制器会控制机器手接近抛光轮，使工件表面产生足够的摩擦力。当工件接触应力大于预先设定值时，控制器会控制机器手远离抛光轮，使工件表面的摩擦力减少摩擦力。控制器可以柔性地改变工件运动的轨迹，动态调整抛光力的大小，保持抛光力的恒定。抛光过程中，基于电解抛光原理，工件和抛光轮是浸入在电解槽的电解抛光液中进行电解抛光，电解抛光液采用硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)混合液，其中硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)配比为7mol:lmol，电解抛光时，工件接阳极，电解槽中的电解抛光液接阴极，在电解槽中进行阳极电解，电解抛光液应选择硝基溶液。硝酸是一种强氧化剂，它作为保护剂在合金表面形成氧化膜，工件接阳极，电解抛光液接阴极，阳极表面金属在电解抛光过程中，金属表面突起部位氧化膜较薄，阻挡溶解离子的扩散以及防止氢氟酸侵入作用较小，进一步加剧表面溶解；而凹陷部分氧化膜较厚，能更有效屏蔽合金表面，使溶解更少。这样的综合作用实现了对钴铬钥合金的表面平整。电解抛光后的合金表面光滑均匀，击穿电位升高，耐蚀性得到改善。电解抛光后工件的耐腐蚀性不但具有更好的稳定性，而且具有更低的孔蚀敏感性。
[0007]带电解抛光液的湿式自动抛光方法及设备的特点:
由于手工抛光质量很难控制，一旦操作人员稍有失误，就会对加工表面造成致命损伤甚至导致整个零件报废，报废率高。虽然人工抛光的设备投入非常低，工时成本不高，但是考虑精密铸锻件原料的报废，和已经投入的人力和物力等因素，实际成本还是比较高。
[0008]使用带电解抛光液的湿式自动抛光的方法使成本得到显著降低。通过计算机合理规划抛光路径，通过传感器对抛光力的反馈，控制器动态调整，柔性变换角度，得到恒定的抛光力，产品得到高质量的表面。工件处于电解抛光液中表面溶质和可溶气体更加均匀，减少氧化膜的的破坏，使耐蚀性得到改善。电解抛光可以改善抗腐蚀性，但表面仍存在较多划痕，这部分可以通过机械式抛光得到修复。通过创新现在将电解抛光和机械式抛光结合在一起，实现了两者的优点，可以实现对复杂曲面的电解自动抛光，例如关节产品。使产品表面的光洁度和耐腐蚀性能大大提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]以下将结合附图对本发明作进一步说明:
图1是带电解抛光液的 湿式自动抛光设备结构示意图。
[0010]图2是带电解抛光液的湿式自动抛光设备的夹具连接器示意确图。
【具体实施方式】
[0011]参照附图1、2，带电解抛光液的湿式自动抛光设备包括抛光轮12、机器手18、压电传感器16、控制器2，计算机1、夹具11和电解槽26。采用PUMA-562机器手18，机器手18设置有安装座3，安装3座底面设置有螺钉孔4，螺钉通过螺钉孔4将安装座3固定在地面上。安装座3上部设置有一根立柱19，立柱19后部设置有电器控制柜5，电器控制柜5通过电器控制线与控制器2相连接，计算机I通过RS232C接口的数据连接线与控制器2相连，用来控制机器手18的动作，立柱19可以作旋转运动。立柱19上部设置有一根与立柱19成90°支撑杆6，支撑杆6是圆柱体。支撑杆6的一端设置有与支撑杆6成90°的机器手18的上臂7，机器手18的上臂7可以做旋转运动。机器手18的上臂7的前端设置有机器手18的小臂8，机器手18的小臂8设置有台阶内孔29，压电传感器16安装在台阶内孔29的台阶面28上，压电传感器16前端设置有弹簧17，弹簧17安装在夹具连接器9的圆柱体24上。用来固定夹具连接器9，并产生动态力。机器手18的小臂8端面设置有螺纹20，端盖21通过螺纹20与小臂8连接，并能调整弹簧17的胀紧力。螺纹20下部设置有O型圈安装槽27，用于安装O型圈30，防止电解液进入。机器手18的小臂8可以做旋转运动。机器手18的小臂8前端设置有夹具连接器9，夹具连接器9设置有两段，大端为一段圆柱体22，并设置有两个直径不同的内孔，直径大的内孔25用来连接夹具，在直径小的内孔23内插入一根圆柱销10用来固定夹具11。机器手18前端安装有夹具11用来夹持工件，根据所夹持工件的不同，夹具11会有所不同。机器手18通过夹具11夹持工件压向高速旋转的抛光轮12，抛光轮12转速为3000r/min。抛光轮12安装在电解槽26中的旋转轴13 —端，通过螺纹连接使之固定。旋转轴13另一端通过弹性联轴器14与电动机15连接在一起。电动机15通过弹性联轴器14使旋转轴及抛光轮12旋转。在电解槽中盛装有电解抛光液，工件和抛光轮浸入电解槽的电解抛光液中，进行电解抛光。
[0012]计算机采用市售工业控制计算机。
[0013]机器手18可米用具有六自由度的手腕式PUMA-562机器手18。
[0014]控制器采用市售发那科和西门子的数控系统。
[0015]利用计算机辅助制造系统在AutoCAD环境下二次开发，AutoCAD对零件进行实体造型，并将实体模型保存为实体模型文件，通过二次开发的刀轨生成软件读取实体模型文件，实现无干涉的抛光刀具加工轨迹的生成，并通过坐标变换将工件坐标系中的刀具轨迹转换为机器手18坐标系统中工件的运动轨迹，从而控制机器手18的运动。在机器手18前端设置有压电传感器用16于测量接触应力，当工件产生接触应力，应力通过夹具11、夹具连接器9传递到压电传感器16，压电传感器16接触到应力就会输出脉冲信号，接触应力越大脉冲型号越大，控制器2根据脉冲信号判断抛光力的大小，动态的微调机器手18运动的轨迹，从而实现工件与抛光轮12接触时抛光力的恒定。通过计算机辅助制造软件对抛光线路的规划使抛光力方向的变换更加柔性，减少工件表面的凹坑。实际抛光的过程，工件和抛光轮12是浸入在电解槽2 6电解抛光液中进行电解抛光，电解抛光液米用硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)混合液，其中硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)配比为7mo1:1moI，电解抛光时，工件接阳极，电解槽26中的电解抛光液接阴极，通电时工件表面会产生电阻率高的稠性黏膜，其厚度在工件表面不均匀。表面微观凸出部分较薄，电流密度较大，金属溶解较快；表面微观下凹处较厚，电流密度较小，金属溶解较慢。由于稠性黏膜和电流密度分布的不均匀性，微观凸起部分尺寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使工件表面粗糙度降低，从而达到抛光的目的。电解抛光不受工件尺寸和形状的限制。对不宜进行机械抛光的工件可实施抛光，尤其适合针对关节面的非均匀有理B样条曲面和复杂的高阶曲面的表面处理。
[0016]带电解抛光液的湿式自动抛光设备的湿式自动抛光方法如下:
在机器手18坐标系中，抛光轮12被安装在旋转轴13上，旋转轴13的回转中心到机器手18的回转中心的相对位置是固定的。机器手18是一个具有六自由度的手腕式PUMA-562机器手18，计算机I通过RS232C接口的数据连接线与机器手的控制器2相连。控制器2采用发那科和西门子的数控系统，数控系统执行通过计算机I编译好的代码，机器手18通过安装在前端的夹具夹持工件，控制器2根据预想设定好的程序控制机器手18在空间三维运动，将空间压向抛光轮12。当工件产生接触应力时，控制器2接收压电传感器11反馈脉冲信号的大小，控制器2动态微调机器手18的运动轨迹，当工件的接触应力小于预先设定的值时，控制器2会控制机器手18接近抛光轮12，使工件表面产生足够的摩擦力。当工件接触应力大于预先设定值时，控制器2会控制机器手18远离抛光轮12，使工件表面的摩擦力减少摩擦力。当机器人18控制器2柔性地改变工件运动的轨迹，动态调整抛光力的大小，保持抛光力的恒定。基于电解抛光原理，工件和抛光轮12是浸入在电解槽26电解抛光液中进行电解抛光，电解抛光液采用硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)混合液，其中硝酸(HNO3)和氢氟酸(HF)配比为7mol:lmol，电解抛光时，工件接阳极，电解槽26中的电解抛光液接阴极，在电解槽中26进行阳极电解，电解抛光液应选择硝基溶液。硝酸是一种强氧化剂，它作为保护剂在合金表面形成氧化膜，工件接阳极，溶液接阴极，阳极表面金属在电解抛光过程中，金属表面突起部位氧化膜较薄，阻挡溶解离子的扩散以及防止氢氟酸侵入作用较小，进一步加剧表面溶解；而凹陷部分氧化膜较厚，能更有效屏蔽合金表面，使溶解更少。这样的综合作用实现了对钴铬钥合金的表面平整。电解抛光后的合金表面光滑均匀，击穿电位升高，耐蚀性得到改善。电 解抛光后工件的耐腐蚀性不但具有更好的稳定性，而且具有更低的孔蚀敏感性。
【权利要求】
1.一种带电解抛光液的湿式自动抛光设备，其特征在于:包括抛光轮、机器手、压电传感器、控制器、计算机、夹具和电解槽；机器手设置有安装座，安装座上部设置有一根立柱，立柱后部设置有电器控制柜，电器控制柜通过电器控制线与控制器相连接，计算机通过RS232C接口的数据连接线与控制器相连，用来控制机器手的动作，立柱可以作旋转运动，立柱上部设置有一根与立柱成90°支撑杆，支撑杆的一端设置有与支撑杆成90°的机器手的上臂，机器手的上臂可以做旋转运动，机器手的上臂前端设置有机器手的小臂，机器手的小臂设置有台阶内孔，压电传感器安装在台阶内孔的台阶面上，传感器前端设置有弹簧，用来固定夹具连接器，并产生动态力；机器手的小臂端面设置有螺纹，端盖通过螺纹与小臂连接，并能调整弹簧的胀紧力，螺纹下部设置有O型圈安装槽，用于安装O型圈，防止电解液进入，机器手的小臂可以做旋转运动，机器手的小臂前端设置有夹具连接器，夹具连接器设置有两段，大端为一段圆柱体，并设置有两个直径不同的内孔，直径大的内孔用来连接夹具，在直径小的内孔内插入一根圆柱销用来固定夹具，机器手前端安装有夹具用来夹持工件，机器手通过夹具夹持工件压向高速旋转的抛光轮；抛光轮安装在电解槽中的旋转轴一端，通过螺纹连接使之固定，旋转轴另一端通过弹性联轴器与电动机连接在一起，电动机通过弹性联轴器使旋转轴及抛光轮旋转；在电解槽中盛装有电解抛光液，工件和抛光轮浸入电解槽的电解抛光液中，进行电解抛光。
2.根据权利要求1所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备，其特征在于:所述的安装座底面设置有螺钉孔，螺钉通过螺钉孔将安装座固定在地面上。
3.根据权利要求1所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备，其特征在于:所述的支撑杆是圆柱体。
4.根据权利要求1所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备，其特征在于:所述的机器手采用具有六自由度的手腕式PUMA-562机器手。
5.根据权利要求1所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备，其特征在于:所述的抛光轮转速为3000r/min。
6.根据权利要求1所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备，其特征在于:所述的控制器采用发那科或西门子的数控系统。
7.权利要求1所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备的湿式自动抛光方法，其特征在于 : 在机器手坐标系中，抛光轮被安装在旋转轴上，选转轴的回转中心到机器手的回转中心的相对位置是固定的，机器手是一个具有六自由度的手腕式机器手，计算机通过RS232C接口的数据连接线与机器手的控制器相连，控制器采用西门子或发那科数控系统，数控系统执行计算机编译好的代码，机器手通过安装在前端的夹具夹持工件，控制器根据预先设定好的程序控制机器手在空间三维运动，将空间压向抛光轮；当工件产生接触应力时，控制器接收压电传感器反馈脉冲信号的大小，控制器动态微调机器手的运动轨迹，当工件的接触应力小于预先设定的值时，控制器会控制机器手接近抛光轮，使工件表面产生足够的摩擦力；当工件接触应力大于预先设定值时，控制器会控制机器手远离抛光轮，使工件表面的摩擦力减少摩擦力，控制器可以柔性地改变工件运动的轨迹，动态调整抛光力的大小，保持抛光力的恒定； 抛光过程中，基于电解抛光原理，工件和抛光轮是浸入在电解槽电解抛光液中进行电解抛光，电解抛光液采用硝酸和氢氟酸混合液，电解抛光时，工件接阳极，电解槽中的电解液接阴极，在电解槽中进行阳极电解，电解抛光液应选择硝基溶液，硝酸是一种强氧化剂，它作为保护剂在合金表面形成氧化膜，工件接阳极，电解抛光液接阴极，阳极表面金属在电解抛光过程中，金属表面突起部位氧化膜较薄，阻挡溶解离子的扩散以及防止氢氟酸侵入作用较小，进一步加剧表面溶解；而凹陷部分氧化膜较厚，能更有效屏蔽合金表面，使溶解更少，这样的综合作用实现了对钴铬钥合金的表面平整；电解抛光后的合金表面光滑均匀，击穿电位升高，耐蚀性得到改善，电解抛光后工件的耐腐蚀性不但具有更好的稳定性，而且具有更低的孔蚀敏感性。
8.根据权利要求7所述的带电解抛光液的湿式自动抛光设备的湿式自动抛光方法，其特征在于:所述的电解抛光液中硝酸和氢氟酸配比为7m0l:lm0l。
【文档编号】C25F7/00GK103510149SQ201310477922
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】陈功 申请人:陈功