專利名稱：一種復雜表面光整加工設備及工藝的制作方法
技術領域：
本發明一種復雜表面光整加工設備及工藝屬于特種加工技術領域范疇。具體來講，涉及 超聲能量的多維加載技術、超聲振動系統的固定技術、液固懸浮兩相流體在復雜表面的流動 及沖擊技術。本發明適應于加工復雜形狀工件的內外表面。
背景技術：
零件表面的光整加工是目前機械加工中重點研究的課題和解決的關鍵問題之一，內表面 的光整加工更是這方面研究需解決的難題；尤其是復雜交叉孔道的零件的內表面光整加工非 常困難，是光整加工應用中的瓶頸；而類似于液壓閥體這類內表面孔不但要和閥芯有配合要 求實現密封，還要滑動實現換向，故要求配合表面硬度高、耐磨，粗糙度低，因此對液壓閥 體內表面孔光整加工難度大，目前尚無有效解決方法，成為科技工作者孜孜不倦追求解決的 難題之一。現有的內表面光整加工技術主要有磁力研磨、擠壓珩磨等。磁力研磨的磁刷雖然 為柔性的，但它的電極為剛性的，難以加工復雜的通道；擠壓珩磨的流體磨料為粘彈性的， 也是柔性的，根據粘彈性力學，它在孔道的突出部分有很大的壓力降，所以加工效果好，但 在孔道的下落部分死角流體不流動，所以沒有加工效果。目前對于零件表面的光整加工按表 面類型可以分為四類外平整表面已有許多成熟技術；直徑大，通道形狀簡單的內表面有一
些加工方法；對于復雜通道的內表面加工方法很少；而對復雜通道的內凹表面沒有加工方法。 所以急需復雜通道的內表面加工方法，尤其是復雜通道的內凹表面的加工方法。
現有的超聲波加工方法都是利用超聲波振動系統中的變幅桿激振工具或介質來進行加工 的，激振工具的超聲加工方法主要用于一些復合加工，如超聲車削、銑削、磨削、珩磨等， 主要用于表面加工，不屬于光整加工工藝范疇；激振介質的加工方法有超聲清洗及超聲拋光， 這兩種加工方法都是利用安裝在容器壁上的變幅桿激振加工介質，由于容器體積大，超聲波 在液體介質中傳播時損耗較大，對零件表面的作用較小，所以超聲波清洗的工件只能達到去 除表面污物的效果，超聲拋光是將工件放入加工質中，由于液體中超聲的空化作用，在固體 粒子的沖擊下只能使小而硬的毛邊及尖角被除去，對表面基本沒有光整加工效果。因此現有 的超聲加工工藝方法不能很好地對復雜零件內表面進行光整加工，對內凹表面及內死角完全 沒有加工效果。
發明內容
本發明一種復雜表面光整加工設備及工藝目的在于為了解決上述現有的復雜零件內表 面光整加工工藝方法中難以解決的問題和存在的嚴重不足，從而公開一種超聲變幅桿直接激 振工件產生的高強度超聲振動與在復雜工件表面強制流動的液固兩相流體作用，產生了工件 表面與磨粒的撞擊及液體的空化導致磨粒對工件表面的沖擊，實現復雜工件表面的光整加工， 尤其是復雜通道的內凹表面亦存在高強度的超聲振動及液固兩相流體的無孔不入的特性，保 證了內凹表面及內死角同樣有很好的光整加工效果的技術方案。 本發明一種復雜表面光整加工設備，
本發明一種復雜表面光整加工設備，其特征在于是一種超聲變幅桿直接激振工件產生的 高強度超聲振動與在復雜工件表面強制流動的液固兩相流體作用，產生工件表面與磨粒的撞擊及液體的空化導致磨粒對工件表面的沖擊，實現復雜工件表面的光整加工，尤其是具有復 雜通道的內凹表面亦存在高強度的超聲振動及液固兩相流體無孔不入特性，保證內凹表面及 內死角同樣有很好的光整加工效果的復雜表面光整加工設備，該設備由超聲波發生電源1、 液固兩相流體2、機床工作臺3、出口節流擋板4、被加工工件5、泥漿泵6、支座ll、進口 8、超聲換能器9、超聲變幅桿10及溶液槽7組成；溶液槽7機床工作臺3密封連接，被加 工工件5旋轉于機床工作臺3上的支承元件上，支座11固定在機床工作臺3或溶液槽7上， 出口節流擋板4連接在工件5孔道出口上，泥漿泵6固定在溶液槽7內并與工件孔道入口緊 固；與轉動軸組件12上設有圓弧槽，能使變幅桿9繞其旋轉±45° ，并通過螺釘13固定超 聲變幅桿9的角度；通過移動調節螺釘11和15實現對變幅桿9高度的調節，并由連接螺釘 將其緊固，變幅桿角度和高度的調整適應不同形狀的工件表面。
應用上述一種復雜表面光整加工設備的工藝，其特征在于，在光整加工時，被加工工件 5放在相互獨立的三個支座11上，超聲變幅桿10進行移動和轉動調整以適應不同形狀工件 表面并保持工件的有效平穩夾持；液固兩相流體2在泥漿泵6的壓力作用下，流過被加工工 件5的內表面并充滿各個角落；出口節流擋板4和溶液槽7相連接實現液固兩相流體的循環 流動，出口節流擋板4調節工件不同孔徑的流量；打開超聲波發生電源l后，超聲變幅桿IO 發生超聲振動并激發被加工工件5產生高強度超聲振動，工件各個表面通過與磨粒的撞擊及 液體的空化導致磨粒對工件表面的沖擊，實現復雜工件表面的光整加工，內凹表面亦存在高 強度的超聲振動及液固兩相流體的無孔不入的特性，保證了內凹表面及內死角同樣有很好的 光整加工效果；被加工工件5全部浸入、部分浸入或全部不浸入溶液槽中，對外表面根據需 要進行整體加工、局部加工或全部不加工；具體加工的工藝步驟為
I在具有復雜的型腔表面和孔道的被加工工件5上固定了三個與超聲變幅桿10相同的 變幅桿，這些超聲變幅桿與相應的超聲換能器9相連，超聲換能器9與能發出不同頻率的超 聲波發生電源l相連，被加工工件5受到不同頻率的超聲激勵而產生超聲振動，超聲振動在 工件內迭加；
II所有超聲變幅桿10都分別固定在各自獨立的支座11上，支座11與機床工作臺3采 用可拆卸易調節的活動連接方式，調整變幅桿的空間位置及角度，保持工件的有效平穩夾持， 以適合各種不同零件的加工要求；
III液固兩相流體2是液體中懸浮固體磨料顆粒，液體在泥漿泵6的作用下，通過管道導 入工件內表面，通過其它一個或多個出口節流擋板4排入溶液槽7，被加工工件5及超聲變 幅桿10也部分或全部浸入溶液槽7中，被加工工件5的所有需加工表面與液固兩相流體8 相接觸；
IV被加工工件5以20 35KHz的頻率超聲振動，并與1 3米/分速度流動的液固兩相流 體2中的磨粒發生撞擊，導致液固兩相流體在工件孔道內流動發生空化，空化又使液固兩相 流體中的磨粒撞擊被加工工件5，同時液固兩相流體2的流動連續補充磨料實現進給運動， 并且在被加工工件5表面滑擦，使加工表面粗糙度值降低，實現工件復雜內表面的光整加工。
本發明一種復雜表面光整加工設備及工藝的優點在于利用液固兩相流體的流動實現復 雜表面的均勻連續補充磨料和超聲振動的撞擊加工能力及超聲空化沖擊相結合來實現工件復 雜內表面的光整加工，尤其可以有效的對內凹表面進行有效的光整加工，從而解決了現有的 復雜零件內表面光整加工工藝方法中難以解決的問題和存在的嚴重不足。有益效果是不但實 現了復雜內外表面的光整加工，而且解決了內凹表面及內死角目前尚無法光整加工的難題。 該技術可以全面有效地對內表面進行光整加工，有效降低零件的表面粗糙度值，從而大幅度 提高零件的表面配合質量、表面耐磨性、表面密封性、零件的清潔度及使用壽命。
圖1超聲振動光整加工原理圖 圖中的標號為
1、超聲波發生電源2、液固兩相流體3、機床工作臺4、出口節流擋板5、被加工工件 6、泥漿泵7、溶液槽8、進口 9、超聲換能器10、超聲變幅桿11、支座 圖2變幅桿位移轉角調整示意圖
圖中的標號為
3、機床工作臺9、變幅桿10、超聲換能器11、支座 12、壓板13、螺釘14、銷 15、連接螺釘7、移動調節螺釘
具體實施例方式
實施方式l:浸入式加工
結合附圖1，具體來進一步闡述，具有復雜內外表面的六面體被加工工件5是如何實現 光整加工的。被加工工件5放在機床工作臺3上，調整工件位置使孔道與泥漿泵的進口8連 接；三個變幅桿10采用正交布置，移動或和轉動變幅桿10確保其與工件的三個表面良好接 觸并使工件的平穩夾持；接好變幅桿10與超聲電源1的連線，加入液固兩相流體2，開動泥 槳泵6，調整泵的壓力使流速為2米/分左右，打開超聲電源，微調整振動頻率，使三個變幅 桿振動良好；經過10分鐘的加工，可以達到光整加工的要求。值得提出的是由于工件孔道截 面積相差較大，出口4處設有節流擋板，均衡工件不同孔徑的流量。環形內凹槽里亦充滿懸 浮磨料，凹槽表面的超聲振動實現了光整加工。
實施方式2:浸入式加工
結合附圖l，具體來進一步闡述，具有復雜內外表面的六面體被加工工件5是如何實現 光整加工的。被加工工件5放在機床工作臺3上，調整工件位置使孔道與泥漿泵的進口8連 接；三個變幅桿10采用正交布置，移動或和轉動變幅桿10確保其與工件的三個表面良好接 觸并使工件的平穩夾持；接好變幅桿10與超聲電源1的連線，加入液固兩相流體2，開動泥 漿泵6，調整泵的壓力使流速為l米/分左右，打開超聲電源，微調整振動頻率，使三個變幅 桿振動良好；經過5分鐘的加工，可以達到光整加工的要求。值得提出的是由于工件孔道截 面積相差較大，出口4處設有節流擋板，均衡工件不同孔徑的流量。環形內凹槽里亦充滿懸 浮磨料，凹槽表面的超聲振動實現了光整加工。 實施方式3:浸入式加工
結合附圖l，具體來進一步闡述，具有復雜內外表面的六面體被加工工件5是如何實現 光整加工的。被加工工件5放在機床工作臺3上，調整工件位置使孔道與泥漿泵的進口 8連 接；三個變幅桿10采用正交布置，移動或和轉動變幅桿10確保其與工件的三個表面良好接 觸并使工件的平穩夾持；接好變幅桿10與超聲電源1的連線，加入液固兩相流體2，開動泥 漿泵6，調整泵的壓力使流速為3米/分左右，打開超聲電源，微調整振動頻率，使三個變幅 桿振動良好；經過15分鐘的加工，可以達到光整加工的要求。值得提出的是由于工件孔道截 面積相差較大，出口4處設有節流擋板，均衡工件不同孔徑的流量。環形內凹槽里亦充滿懸 浮磨料，凹槽表面的超聲振動實現了光整加工。
實施方式4:非浸入式加工
結合附圖2說明具有復雜內表面且外表面不需加工的非浸入式加工式光整加工工藝裝
置。調整工件位置使其一孔道口與泥漿泵6的入口連接，其它孔道口與導管將泥漿排出；調 整三t變幅桿10的空間位置，使其保持與工件的三個表面良好接觸并使工件的平穩夾持；接
好變幅桿與超聲電源1的連線，加入液固兩相流體2，開動泥漿泵6，調整泵的壓力使流速為 2米/分左右，打開超聲電源，微調整振動頻率，使三個變幅桿振動良好；經過IO分鐘的加 工，可以達到光整加工的要求。內凹盲孔里亦充滿懸浮磨料，盲孔表面的超聲振動實現了光整加工。
實施方式5:非浸入式加工
結合附圖2說明具有復雜內表面且外表面不需加工的非浸入式加工式光整加工工藝裝
置。調整工件位置使其一孔道口與泥漿泵6的入口連接，其它孔道口與導管將泥漿排出；調 整三個變幅桿10的空間位置，使其保持與工件的三個表面良好接觸并使工件的平穩夾持；接 好變幅桿與超聲電源1的連線，加入液固兩相流體2，開動泥漿泵6，調整泵的壓力使流速為 l米/分左右，打開超聲電源，微調整振動頻率，使三個變幅桿振動良好；經過5分鐘的加工， 可以達到光整加工的要求。內凹盲孔里亦充滿懸浮磨料，盲孔表面的超聲振動實現了光整加 工。
實施方式6:非浸入式加工
結合附圖2說明具有復雜內表面且外表面不需加工的非浸入式加工式光整加工工藝裝置。
調整工件位置使其一孔道口與泥漿泵6的入口連接，其它孔道口與導管將泥漿排出；調整三 個變幅桿IO的空間位置，使其保持與工件的三個表面良好接觸并使工件的平穩夾持；接好變
幅桿與超聲電源1的連線，加入液固兩相流體2,開動泥漿泵6，調整泵的壓力使流速為3 米/分左右，打開超聲電源，微調整振動頻率，使三個變幅桿振動良好；經過15分鐘的加工， 可以達到光整加工的要求。內凹盲孔里亦充滿懸浮磨料，盲孔表面的超聲振動實現了光整加工。
權利要求
1、一種復雜表面光整加工設備，其特征在于是一種超聲變幅桿直接激振工件產生的高強度超聲振動與在復雜工件表面強制流動的液固兩相流體作用，產生工件表面與磨粒的撞擊及液體的空化導致磨粒對工件表面的沖擊，實現復雜工件表面的光整加工，尤其是具有復雜通道的內凹表面亦存在高強度的超聲振動及液固兩相流體無孔不入特性，保證內凹表面及內死角同樣有很好的光整加工效果的復雜表面光整加工設備，該設備由超聲波發生電源(1)、液固兩相流體(2)、機床工作臺(3)、出口節流擋板(4)、被加工工件(5)、泥漿泵(6)、支座(11)、進口(8)、超聲換能器(9)、超聲變幅桿(10)及溶液槽(7)組成；溶液槽(7)機床工作臺3密封連接，被加工工件5旋轉于機床工作臺3上的支承元件上，支座(11)固定在機床工作臺(3)或溶液槽(7)上，出口節流擋板(4)連接在工件(5)孔道出口上，泥漿泵(6)固定在溶液槽(7)內并與工件孔道入口緊固；與轉動軸組件(12)上設有圓弧槽，能使變幅桿(9)繞其旋轉±45°，并通過螺釘(13)固定超聲變幅桿(9)的角度；通過移動調節螺釘(11)和(15)實現對變幅桿(9)高度的調節，并由連接螺釘將其緊固，變幅桿角度和高度的調整適應不同形狀的工件表面。
2、應用上述一種復雜表面光整加工設備的工藝，其特征在于，在光整加工 時，被加工工件(5)放在相互獨立的三個支座上，超聲變幅桿(9)進行移動和轉動 調整以適應不同形狀工件表面并保持工件的有效平穩夾持；液固兩相流體(2)在 泥漿泵(6)的壓力作用下，流過被加工工件(5)的內表面并充滿各個角落；出口節 流擋板(4)和溶液槽(7)相連接實現液固兩相流體的循環流動，出口節流擋板(4)調 節工件不同孔徑的流量；打開超聲波發生電源(l)后，超聲變幅桿(10)發生超聲振 動并激發被加工工件(5)產生高強度超聲振動，工件各個表面通過與磨粒的撞擊 及液體的空化導致磨粒對工件表面的沖擊，實現復雜工件表面的光整加工，內凹 表面亦存在高強度的超聲振動及液固兩相流體的無孔不入的特性，保證了內凹表 面及內死角同樣有很好的光整加工效果；被加工工件(5)全部浸入、部分浸入或 全部不浸入溶液槽中，對外表面根據需要進行整體加工、局部加工或全部不加工； 具體加工的工藝步驟為I在具有復雜的型腔表面和孔道的被加工工件(5)上固定三個超聲變幅桿 (9)，這些超聲變幅桿與相應的超聲換能器(10)相連，超聲換能器(10)與能發出不 同頻率的超聲波電源(l)相連，被加工工件(5)受到不同頻率的超聲激勵而產生超 聲振動，超聲振動在工件內迭加；II所有超聲變幅桿(9)分別固定在各自獨立的支座(11)上，支座(ll)與機床工 作臺(3)采用可拆卸易調節的活動連接方式，調整變幅桿的空間位置及角度，保 持工件的有效平穩夾持，以適合各種不同零件的加工要求；III液固兩相流體(2)是液體中懸浮固體磨料顆粒，液體在泥漿泵(6)的作用下， 通過管道導入工件內表面，通過其它一個或多個出口節流擋板4排入溶液槽7， 被加工工件(5)及超聲變幅桿(10)也部分或全部浸入溶液槽(7)中，被加工工件(5) 的所有需加工表面與液固兩相流體(8)相接觸；IV被加工工件(5)以20 35KHz的頻率超聲振動，并與1 3米/分速度流動 的液固兩相流體(2)中的磨粒發生撞擊，導致液固兩相流體在工件孔道內流動發 生空化，空化又使液固兩相流體中的磨粒撞擊被加工工件(5),同時液固兩相流 體(2)的流動連續補充磨料實現進給運動，并且在被加工工件(5)表面滑擦，使加 工表面粗糙度值降低，實現工件復雜內表面的光整加工。
全文摘要
一種復雜表面光整加工設備及工藝屬于特種加工技術領域范疇，其特征在于是一種超聲變幅桿直接激振工件產生的高強度超聲振動與在復雜工件表面強制流動的液固兩相流體作用，產生了工件表面與磨粒的撞擊及液體的空化導致磨粒對工件表面的沖擊，實現復雜工件表面的光整加工，尤其是具有復雜通道的內凹表面亦存在高強度的超聲振動及液固兩相流體的無孔不入的特性，其優點在于實現了復雜內外表面的光整加工，而且解決了內凹表面及內死角目前尚無法光整加工的難題。該技術可以全面有效地對內表面進行光整加工，有效降低零件的表面粗糙度值，從而大幅度提高零件的表面配合質量、表面耐磨性、表面密封性、零件的清潔度及使用壽命。
文檔編號B24B1/04GK101417401SQ20081007998
公開日2009年4月29日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者劉潤愛, 姚新改, 李雪紅, 王時英, 韓世平 申請人:太原理工大學