專利名稱：固體顆粒磨削液復合加工工藝與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種機械加工領域中的復合加工方法與裝置，尤其涉及一種固體顆粒磨削液復合加工工藝與裝置。
背景技術：
在普通磨削中，由于高溫和碾壓產生的工件表層材料過度塑性變形、微裂紋、殘余應力和表面層污染等，會在工件上形成表面缺陷層，增大表面粗糙度和波紋度。這將影響零件疲勞強度、抗蝕性能和接觸剛度，使零件滿足不了較高的使用要求。因此，重要零件需要在磨削后進行去除表面缺陷層、降低粗糙度和波紋度的研拋加工。由強化換熱理論可知，固體的傳熱能力遠大于液體和氣體。常溫下固體材料的導熱系數要比流體材料大幾十倍甚至上百倍。懸浮有金屬、非金屬或聚合物固體顆粒的液體、的導熱系數要比純液體大許多。在磨削介質中添加固體顆粒，如研拋加工中普遍采用的氧化鋁、碳化硅、氮化硅、金剛石、立方氮化硼磨料可進一步增加磨削介質的導熱系數，提高對流熱傳遞的能力。為此，申請人在先申請了 201010004222. 2號納米磨削工藝及納米磨削液專利，它將固體顆粒加入磨削介質中制成固體顆粒磨削液，即固體顆粒與磨削液(礦物油、或乳化液)以一定體積分數含量配比混合。但目前，磨削加工和研拋加工這兩道工序需要在不同的設備上進行，這不僅增加了工時和成本，而且工件在傳輸過程中，其表面容易發生不必要的磕破、劃傷，影響到表面的加工質量和形位精度。工件的磨削和研拋加工不能在同一設備上連續進行的重要原因是兩個工序所用的介質不同，磨削加工時需要注入起冷卻、潤滑和清洗作用的磨削液，而研拋加工則需注入磨料與流體混合的研拋液，而目前尚沒有能實現磨削與研拋一體化的加工設備以及在一臺設備中能同時供應這兩種加工所用液體介質的裝置。若在同一磨床上裝配兩套供液裝置，既不便安裝，也不便操作，還會增加設備成本和作業成本。

發明內容
本發明的目的就是為解決目前磨削和研拋加工不能設置在同一設備上的問題，提供一種固體顆粒磨削液復合加工工藝與裝置，它將油箱內盛裝的固體顆粒磨削液篩選成三個區域，分別是粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域，細粒徑區域含有的磨料粒徑為5^10 u m,中粒徑區域含有的磨料粒徑集中在If 50 u m，粗粒徑區域含有的磨料粒徑集中在51^63 u m。磨削加工使用細粒徑區域的固體顆粒磨削液,進一步提高磨削介質的換熱能力；研拋加工使用中粒徑區域的固體顆粒磨削液，對磨削加工后的工件進行研拋加工，進一步提高工件的表面質量與表面完整性；此外砂輪如果變鈍，喪失磨削能力，可使用粗粒徑區域的固體顆粒磨削液，借助于超聲波振動噴嘴給固體顆粒磨削液中懸浮的磨料以很大的速度和加速度撞擊砂輪表面，去除砂輪磨料間的結合劑，進行在線修銳砂輪。它在一個裝置上可連續進行磨削加工、研拋加工、在線修銳砂輪的復合加工過程，充分利用了固體顆粒具有更強的冷卻性能和沖擊加工能力的優點，有效解決磨削燒傷，提高工件表面完整性和加工精度，實現高效、低耗、環境友好、資源節約的低碳綠色清潔生產，具有舉足輕重的意義。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種固體顆粒磨削液復合加工裝置，它包括油箱，油箱通過電磁鐵與超聲波振動發生器連接；油箱內部設有粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域，每個區域設有一個對應的供油口并與相應的液壓管路連接；液壓管路與電磁換向閥連接，電磁換向閥出口通液壓管路與泥漿泵、溢流閥連接，溢流閥通過金屬軟管與超聲波振動噴嘴連接；超聲波振動發聲器、電磁鐵均與控制器連接。所述油箱側面設有液位計，在底部設有放油塞，頂部設有換氣閥；同時在油箱內還設有回油區，回油區設有回油口，回油區由交錯布置的隔板組成半包圍區域；在該半包圍區域外為細粒徑區域、中粒徑區域以及粗粒徑區域，其中，細粒徑區域由孔徑為粒徑為5-lOum的篩板圍成，中粒徑區域由粒徑為ll-50um的篩板圍成，粗粒徑區域為細粒徑區域、中粒徑區域外的剩余區域，其磨料粒徑在51-63um。 所述電磁換向閥為三位四通閥，它包括閥體和閥芯，在閥體上設有A、B、C三個入口，分別與粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域相連接；還設有一個P出口與管路連接；閥芯安裝在閥體的通道內，通過沿通道的運動打開或關閉A、B、C、P各口。所述超聲波振動噴嘴包括上端塊和下端塊，兩者之間設有壓電陶瓷，并由壓緊螺栓將三者壓緊；下端塊通過螺栓與變幅桿固連，變幅桿下端為圓錐面，其內設有橫截面為矩形的噴孔II，沿高度方向，寬度不變為2 5_，而長度逐漸變大；在噴孔II的上方為與其垂直設置的橫向進孔I ;壓電陶瓷與鎳片連接，鎳片與超聲波發生器連接，超聲波發生器與控制器連接。所述溢流閥與金屬軟管之間還設有壓力表、流量計。所述變幅桿為陶瓷材料變幅桿。所述變幅桿的長度為聲波半波長的整數倍，壓電陶瓷加上下端塊的長度為聲波半波長的整數倍；變幅桿上部圓柱橫截面積與下端塊的橫截面積相等，控制變幅桿下部圓錐橫截面積，使圓錐下端面振幅放大I. 2^2. 6倍。一種采用固體顆粒磨削液復合加工裝置的加工工藝，對工件進行普通磨削、研拋以及普通磨削過程中對砂輪修銳的操作過程如下對工件進行普通磨削(I)電磁鐵通電，使其吸住油箱；(2)超聲波振動發生器通電，使油箱內的磨削液與磨料混合均勻；(3)調整好超聲波振動噴嘴角度；(4)調節溢流閥的溢流壓力，使其設置為0. 4^0. 5MPa ；(5)電磁換向閥的得電，閥芯移動，使油箱細粒徑區域即磨料粒徑為5 10i!m的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接；(6)工件定位、夾緊，啟動砂輪與泥漿泵，固體顆粒磨削液經電磁換向閥、泥漿泵、流量計、金屬軟管、超聲波振動噴嘴進入砂輪\工件之間，即進行普通磨削；普通磨削過程中，當工件表面粗糙度Ra為3. 2 I. 6 ii m時，即結束普通磨削，開始對工件進行研拋；在普通磨削過程中，若砂輪磨鈍，工件的表面質量及精度都會下降，此時需要對砂輪進行在線修銳，去除磨料間的結合劑，此時轉入步驟(9)；對工件進行研拋(7)電磁換向閥失電，閥芯回到中間位置，使油箱中粒徑區域即磨料粒徑為If 50 u m的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接；(8)砂輪停止切入進給，調節其他磨削參數，含 有中粒徑磨料的固體顆粒磨削液在砂輪拖拽作用下進入磨削區，開始對工件進行研拋；(9)修銳時，先停止砂輪，關閉泥漿泵；(10)調整噴嘴位置，使噴嘴垂直于砂輪外圓表面，并使噴嘴與砂輪外圓表面的距離為5 10mm ；(11)電磁換向閥5得電，閥芯移動，使油箱粗粒徑區域即磨料粒徑為51飛3 的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接；(12)啟動砂輪，砂輪轉速不要太高，速度為2(T60r/min ；(13)開啟泥漿泵，使含粗粒徑磨料的固體顆粒磨削液進入電磁換向閥、泥漿泵、流量計、金屬軟管、超聲波振動噴嘴垂直噴向砂輪外圓；(14)超聲波發生器通電，使超聲波振動噴嘴開始振動，為固體顆粒磨削液修銳砂輪提供能量；(15)修銳結束時，依次關閉泥漿泵、超聲波發生器、電磁換向閥、超聲波振動發聲器、電磁鐵。本發明的有益效果是在一個裝置上可連續進行磨削加工、研拋加工、在線修銳砂輪的復合加工過程。將油箱內盛裝的固體顆粒磨削液經過超聲波振動混合均勻后篩選成三個區域，分別是粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域，細粒徑區域含有的磨料粒徑為5 10 ym，中粒徑區域含有的磨料粒徑為If 50 ym，粗粒徑區域含有的磨料粒徑為51飛3 Pm。通過改變電磁換向閥的不同工作位置，將油箱內三個區域的不同磨料粒徑的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接，分別實現磨削加工、研拋加工、在線修銳砂輪的復合加工過程。為了提高固體顆粒磨削液的修銳能力和效果，粗粒徑區域的固體顆粒磨削液不僅在泥漿泵的供液壓力作用下，另外還借助于超聲波振動噴嘴給固體顆粒磨削液中懸浮的磨料以很大的速度和加速度撞擊砂輪表面，進一步提高修銳砂輪的能力。磨削加工使用細粒徑區域的固體顆粒磨削液,進一步提高磨削介質的換熱能力；研拋加工使用中粒徑區域的固體顆粒磨削液，對磨削加工后的工件進行研拋加工，進一步提高工件的表面質量與表面完整性；此外砂輪如果變鈍，喪失磨削能力，可使用粗粒徑區域的固體顆粒磨削液，借助于超聲波振動噴嘴給固體顆粒磨削液中懸浮磨料的附加能量撞擊砂輪表面，去除砂輪磨料間的結合劑，進行在線修銳砂輪。本發明不僅充分利用了固體顆粒的強大換熱能力，避免了傳統磨削加工中容易產生磨削燒傷，表面完整性惡化的難題，而且還使磨削加工、研拋加工和在線修銳砂輪在同一臺設備上的同一個工位上完成，集成化程度高，加工精度高和表面質量好，對于用先進技術提升傳統裝備具有重要的意義，對國民經濟影響重大。


圖I固體顆粒磨削液復合加工裝置液壓系統圖2油箱正二測視圖；圖3油箱俯視剖面圖；圖4油箱剖面旋轉圖；圖5電磁換向閥結構圖；圖6電磁換向閥工作原理圖；圖7超聲波振動噴嘴結構剖視圖；圖8偏離位移計算原理圖。表I電磁換向閥動作順序表。 其中，I-油箱，2-電磁鐵，3-超聲波振動發生器，4-液壓管路，5-電磁換向閥，6-泥漿泵，7-溢流閥，8-壓力表，9-流量計，10-金屬軟管，11-超聲波振動噴嘴，12-超聲波振動噴嘴各截面振幅曲線，13-放油塞，14-粗粒徑磨料供油口，15-中粒徑磨料供油口，16-換氣閥，17-細粒徑磨料供油口，18-回油口，19-液位計，20-孔徑為50 ii m的篩板，21-孔徑為10 ii m的篩板，22-隔板，23-閥體，24-閥芯，25-超聲波發生器，26-鎳片，27-壓緊螺栓，28-上端塊，29-壓電陶瓷，30-下端塊，31-螺栓，32-變幅桿。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。如圖I所示，一種固體顆粒磨削液復合加工工藝與裝置，它主要由油箱1，電磁鐵2，超聲波振動發生器3，液壓管路4，電磁換向閥5，泥漿泵6，溢流閥7，壓力表8，流量計9，金屬軟管10以及超聲波振動噴嘴11構成；其中油箱I固定在超聲波振動發生器3上，油箱I底部設有電磁鐵2，頂部有三個供油口，三個供油口通過液壓管路4與電磁換向閥5三個入口相接，電磁換向閥5有三個入口和一個出口，其出口通過液壓管路4依次與泥漿泵6、溢流閥7、壓力表8、流量計9以及金屬軟管10相連，金屬軟管10最終與超聲波振動噴嘴11相接。圖2為油箱的正二測視圖，油箱I頂部有換氣閥16、回油口 18和3個供油口，3個供油口分別是粗粒徑磨料供油口 14、中粒徑磨料供油口 15和細粒徑磨料供油口 17，液位計19位于油箱I前側上方，放油塞13位于油箱I右側面右下角處。油箱I內裝著磨削液與微粉級固體磨料(粒徑為5 63 u m)均勻混合的固體顆粒磨削液，油箱I內部由孔徑分別為5-10 u m、11-50 u m的細粒徑篩板21、中粒徑篩板20把固體顆粒磨削液篩選成三個區域，分別是粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域，其中回油區與粗粒徑區域相通，如圖3所示，經各篩板篩選，細粒徑區域含有的磨料粒徑為5 10 u m,中粒徑區域含有的磨料粒徑集中在If 50 ym，粗粒徑區域含有的磨料粒徑集中在63 ym，根據不同的磨削需要，使用不同區域的固體顆粒磨削液。中粒徑區域和細粒徑區域的一側面靠著油箱壁，其余三個側面都由相應篩板構成，如圖3所示，細粒徑區域篩板右側面及中粒徑區域篩板左側面距油箱內壁為5 10mm，篩板高度為油箱內壁高度(圖4)。回油口與粗粒徑區域供油口分別置于油箱I兩側，并且在回油口 18附近設置了兩塊隔板22，以加大液流循環的路徑，提高散熱及分離空氣的效果，隔板22的高度為油箱I內壁高度的2/3 3/4。油箱I中液位計19位于細粒徑區域，放油塞13位于粗粒徑區域底部。油箱I與其下部的電磁鐵2在油箱I底面外側固連，如圖4所示，電磁鐵2不僅能牢牢吸住油箱1，而且使磨削液中的金屬磨屑固定在油箱I底部，防止金屬磨屑隨磨削液進入砂輪/工件之間。油箱I和電磁鐵2 —起固定在超聲波振動發生器3上。超聲波振動發生器3的作用是使油箱I內的磨削液與磨料混合均勻，它類似于超聲波攪拌機，主要由超聲波發生器25、換能器(上端塊28、下端塊30以及兩者之間的壓電陶瓷29)和變幅桿32構成，變幅桿32端面粘在油箱I底部的電磁鐵2上，超聲波發生器25把工頻交流電轉變為有一定功率輸出的超聲頻電振蕩，超聲頻電振蕩通過換能器的壓電效應轉換成同頻率的機械振蕩，并以超音頻機械波的形式傳播到油箱I內固體顆粒磨削液中，在固體顆粒磨削液中產生高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化”作用，從而使油箱I內的磨削液與磨料混合均勻。超聲波振動發生器3所產生的超聲波頻率為16 20kHz。電磁換向閥5是專門為本液壓系統設計的三位四通閥，控制含有不同粒徑磨料的固體顆粒磨削液進入液壓系統，其結構圖、工作原理圖分別如圖5、6所示，P 口是出口，A、B、C是入口，A 口與油箱I粗粒徑磨料供油口 14相連，B 口與中粒徑磨料供油口 15相連，C 口 與細粒徑磨料供油口 17相連。當閥芯24處在圖示中位時，通口 P和B相通，通口 A和C關閉，此時含有中粒徑磨料(粒徑為If 50 ym)的固體顆粒磨削液進入液壓系統；當閥芯24移向左端時，通口 P和A相通，通口 B和C關閉，此時含有粗粒徑磨料(粒徑為5f63iim)的固體顆粒磨削液進入液壓系統；當閥芯移向右端時，通口 P和C相通，通口 A和B關閉，此時含有細粒徑磨料(粒徑為5 10i!m)的固體顆粒磨削液進入液壓系統；電磁換向閥動作順序表如表I所示。表I電磁換向閥動作順序表
權利要求
1.ー種固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，它包括油箱，油箱通過電磁鐵與超聲波振動發生器連接；油箱內部設有粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域，每個區域設有ー個對應的供油ロ并與相應的液壓管路連接；液壓管路與電磁換向閥連接，電磁換向閥出口通液壓管路與泥漿泵、溢流閥連接，溢流閥通過金屬軟管與超聲波振動噴嘴連接；超聲波振動發聲器、電磁鐵均與控制器連接。
2.如權利要求I所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，所述油箱側面設有液位計，在底部設有放油塞，頂部設有換氣閥；同時在油箱內還設有回油區，回油區設有回油ロ，回油區由交錯布置的隔板組成半包圍區域；在該半包圍區域外為細粒徑區域、中粒徑區域以及粗粒徑區域，其中，細粒徑區域由孔徑為粒徑為5-10um的篩板圍成，中粒徑區域由粒徑為ll_50um的篩板圍成，粗粒徑區域為細粒徑區域、中粒徑區域外的剰余區域，其磨料粒徑在51-63um。
3.如權利要求I所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，所述電磁換向閥為 三位四通閥，它包括閥體和閥芯，在閥體上設有A、B、C三個入口，分別與粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域相連接；還設有ー個P出口與管路連接；閥芯安裝在閥體的通道內，通過沿通道的運動打開或關閉A、B、C、P各ロ。
4.如權利要求I所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，所述超聲波振動噴嘴包括上端塊和下端塊，兩者之間設有壓電陶瓷，并由壓緊螺栓將三者壓緊；下端塊通過螺栓與變幅桿固連，變幅桿下端為圓錐面，其內設有橫截面為矩形的噴孔II，沿高度方向，寬度不變為2 5_，而長度逐漸變大；在噴孔II的上方為與其垂直設置的橫向進孔I ;壓電陶瓷與鎳片連接，鎳片與超聲波發生器連接，超聲波發生器與控制器連接。
5.如權利要求I所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，所述溢流閥與金屬軟管之間還設有壓カ表、流量計。
6.如權利要求4所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，所述變幅桿為陶瓷材料變幅桿。
7.如權利要求4所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置，其特征是，所述變幅桿的長度為聲波半波長的整數倍，壓電陶瓷加上下端塊的長度為聲波半波長的整數倍；變幅桿上部圓柱橫截面積與下端塊的橫截面積相等，控制變幅桿下部圓錐橫截面積，使圓錐下端面振幅放大I. 2 2. 6倍。
8.ー種采用權利要求1-4任一所述的固體顆粒磨削液復合加工裝置的加工エ藝，其特征是，對エ件進行普通磨削、研拋以及普通磨削過程中對砂輪修銳的操作過程如下 對エ件進行普通磨削 (1)電磁鐵通電，使其吸住油箱； (2)超聲波振動發生器通電，使油箱內的磨削液與磨料混合均勻； (3)調整好超聲波振動噴嘴角度； (4)調節溢流閥的溢流壓力，使其設置為0.4^0. 5MPa ； (5)電磁換向閥的得電，閥芯移動，使油箱細粒徑區域即磨料粒徑為5 10i!m的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接； (6)エ件定位、夾緊，啟動砂輪與泥漿泵，固體顆粒磨削液經電磁換向閥、泥漿泵、流量計、金屬軟管、超聲波振動噴嘴進入砂輪\エ件之間，即進行普通磨削；普通磨削過程中，當エ件表面粗糙度Ra為3. 2^1. 6 ii m吋，即結束普通磨削，開始對エ件進行研拋；在普通磨削過程中，若砂輪磨鈍，エ件的表面質量及精度都會下降，此時需要對砂輪進行在線修銳，去除磨料間的結合劑，此時轉入步驟(9)； 對エ件進行研拋 (7)電磁換向閥失電，閥芯回到中間位置，使油箱中粒徑區域即磨料粒徑為lf50i!m的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接； (8)砂輪停止切入進給，調節其他磨削參數，含有中粒徑磨料的固體顆粒磨削液在砂輪拖拽作用下進入磨削區，開始對エ件進行研拋； (9)修銳時，先停止砂輪，關閉泥漿泵； (10)調整噴嘴位置,使噴嘴垂直于砂輪外圓表面，并使噴嘴與砂輪外圓表面的距離為 O IOmm ； (11)電磁換向閥5得電，閥芯移動，使油箱粗粒徑區域即磨料粒徑為51飛m的固體顆粒磨削液通過管路與泥漿泵相連接； (12)啟動砂輪，砂輪轉速不要太高，速度為2(T60r/min； (13)開啟泥漿泵，使含粗粒徑磨料的固體顆粒磨削液進入電磁換向閥、泥漿泵、流量計、金屬軟管、超聲波振動噴嘴垂直噴向砂輪外圓； (14)超聲波發生器通電，使超聲波振動噴嘴開始振動，為固體顆粒磨削液修銳砂輪提供能量； (15)修銳結束時，依次關閉泥漿泵、超聲波發生器、電磁換向閥、超聲波振動發聲器、電磁鐵。
全文摘要
本發明涉及一種固體顆粒磨削液復合加工工藝與裝置，它包括油箱，油箱通過電磁鐵與超聲波振動發生器連接；油箱內部設有粗粒徑區域、中粒徑區域和細粒徑區域，每個區域設有一個對應的供油口并與相應的液壓管路連接；液壓管路與電磁換向閥連接，電磁換向閥出口通液壓管路與泥漿泵、溢流閥連接，溢流閥通過金屬軟管與超聲波振動噴嘴連接；超聲波振動發聲器、電磁鐵均與控制器連接。它在一個裝置上連續進行磨削加工、研拋加工、在線修銳砂輪復合加工，充分利用了固體顆粒具有更強的冷卻性能和沖擊加工能力的優點，有效解決磨削燒傷，提高工件表面完整性和加工精度，實現高效、低耗、環境友好、資源節約的低碳綠色清潔生產，具有舉足輕重的意義。
文檔編號B24B57/02GK102729101SQ20121020858
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月22日 優先權日2012年6月22日
發明者張強, 李長河, 王勝 申請人:青島理工大學