CN109434570B - 一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料表面精加工相关技术领域，其公开了一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法，该装置包括控制组件、表面轮廓探测仪、联动机构、等离子加工枪及零件夹具，表面轮廓探测仪及联动机构分别连接于控制组件，零件夹具设置在联动机构上；等离子加工枪连接于控制组件；当上一遍抛光完成后，控制组件根据曲面金属零件已抛光区域的表面形貌,计算覆盖上一遍抛光扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；此后，控制组件根据最佳抛光参数控制联动机构运动以对待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光，由此覆盖掉带状凸起条纹。本发明提高了曲面抛光表面的质量及抛光效率，且便于使用。

Description

一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法

技术领域

本发明属于金属材料表面精加工相关技术领域，更具体地，涉及一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法。

背景技术

随着对抛光产品的质量、运作成本和多功能化的要求越来越高，为了获得表面粗糙度可接受的工件，在工件制备的最后步骤中，需对其表面进行抛光处理。抛光是指使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。传统的抛光方法利用抛光工具和磨料颗粒或者其他抛光介质对工件表面进行的精密加工。现有技术下，普通的抛光机可以加工平面等简单的型面，对于曲面无法加工，容易产生打磨痕迹，且打磨不均匀，抛光效果差，所以寻求新的曲面精加工方法已经迫在眉睫。

目前，等离子束已经被成功应用于金属的平面抛光上，利用高纯Ar气电离，在放电钨极和阳极材料表面之间形成等离子弧。在等离子弧高能量密度束流作用下，材料表层金属达到熔点并熔化，由于待处理表面是凹凸不平的，粗糙表面的凸起峰尖处最先受热熔化，在自身重力以及表面张力作用下，熔融液相最先向凹陷处流动填补沟壑，随后迅速凝固，最终获得平滑光亮的作用表面。

液态熔池自身重力以及表面张力的影响是实现表面平滑的关键所在，一方面若熔池自身重力方向与曲面法向存在夹角，液态熔池自身重力会引导液相往低处流动，另一方面表面张力受温度梯度的影响，若熔池两侧受热不一致将导致熔池内液相的非对称流动，因此把握好重力和温度梯度在单道轨迹两侧的平衡是实现曲面金属零件的微束等离子抛光的核心原则，直接影响着微熔凝后的金属表面形貌，而高能束作用在曲面时比作用在平面时更难保持熔池重力平衡与熔池两侧温度梯度的平衡。此外，等离子束抛光过程中，熔池内液态金属在表面张力和热毛细力的共同作用下，形成轴对称的环流，熔池中部液态金属在环流作用下到达边界并凝固，并形成熔道两侧微凸起，而且等离子弧热输入越大，凸起越明显。这样虽然熔池中部局部粗糙度很低，但是对于整个抛光面来说粗糙度不能降低到最理想状态。相应地，本领域存在着发展一种抛光质量较好的曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法，其基于曲面金属零件的抛光特点，研究及设计了一种使用简单、抛光质量较好的曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法。所述抛光装置工作时基于前一遍等离子扫描在搭接处进行下一遍扫描，且以能够覆盖前一遍抛光时搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数作为下一遍抛光的工作参数，如此下一遍抛光覆盖上一遍抛光搭接处的带状凸起条纹，直至获得所需要的表面粗糙度，提高了效率及质量，适用性较强，灵活性较好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置，该装置包括控制组件、表面轮廓探测仪、联动机构、气体保护罩、等离子加工枪、等离子枪固定基座及零件夹具，所述表面轮廓探测仪连接于所述控制组件，所述联动机构连接于所述控制组件，所述零件夹具设置在所述联动机构上，所述零件夹具用于夹持待抛光曲面金属零件；所述等离子加工枪设置在所述等离子枪固定基座上，且其连接于所述控制组件；所述气体保护罩罩设在所述等离子加工枪外部；

当上一遍抛光完成后，所述表面轮廓探测仪测量当前的所述待抛光曲面金属零件的抛光区域的表面形貌，并将得到的数据传输给所述控制组件，进而所述控制组件根据待抛光曲面金属零件的表面粗糙度及轮廓线计算获得覆盖上一遍抛光时扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；此后，所述控制组件根据所述最佳抛光参数控制所述联动机构带动待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪运动，以对所述待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光，由此覆盖掉所述带状凸起条纹。

进一步地，所述控制组件用于根据待抛光曲面金属零件的结构来设计预抛光曲面金属零件的结构参数，并利用有限元数值模拟分析的方法模拟微束等离子抛光过程，由此确定抛光过程中的工作参数。

进一步地，所述等离子加工枪与待抛光曲面金属零件之间产生等离子主弧；所述等离子加工枪内产生先导弧；所述工作参数包括先导弧的电压和电流；等离子主弧的电流；电离气和保护气的流速、预送时间、后滞时间；等离子加工枪的枪口高度；弧移动距离及待抛光曲面金属零件的曲面自转速度。

进一步地，抛光过程中，所述等离子加工枪的中心轴与待抛光曲面金属零件于抛光点处的曲面法向线重合。

进一步地，待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪的单道抛光移动为待抛光曲面金属零件绕自身中心轴轴线的自旋转运动；旋转抛光时旋轮的移动轨迹从待抛光曲面金属零件的中心部位开始，由里向外进行抛光。

进一步地，所述等离子加工枪包括铜喷嘴及设置在所述铜喷嘴内的钨针；所述抛光装置包括分别连接于所述控制组件的引弧高频电源及主弧直流电源，所述主弧直流电源的正负极分别连接于待抛光曲面金属零件及所述钨针；所述引弧高频电源的负极和正极分别连接于所述钨针及所述铜喷嘴。

进一步地，所述抛光装置还包括电离气气瓶、保护气气瓶及流量控制器，所述流量控制器连接于所述控制组件，所述电离气气瓶及所述保护气气瓶通过所述流量控制器分别与所述等离子加工枪及所述气体保护罩相连接。

进一步地，下一遍扫描所用的总输入功率小于上一遍扫描所用的总输入功率，且下一遍扫描单道道宽与上一遍扫描单道道宽的比值为1:(3～4)。

按照本发明的另一个方面，提供了一种曲面金属零件的微束等离子抛光方法，该方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，并将待抛光曲面金属零件放置于所述零件夹具上，所述抛光装置对所述待抛光曲面金属零件进行第一遍抛光；

(2)所述表面轮廓探测仪测量经过上一遍抛光后的待抛光曲面金属零件的抛光区域的形貌，并将测量得到的数据传输给所述控制组件，所述控制组件根据待抛光曲面金属零件的结构计算得出覆盖上一遍抛光时扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；所述抛光装置根据所述最佳抛光参数对待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光；

(3)所述表面轮廓探测仪测量经步骤(2)得到的待抛光曲面金属零件的金属材料表面形貌，并将得到的数据传输给控制组件，进而所述控制组件判断待抛光曲面金属零件的表面粗糙度是否满足目标要求，若满足，则抛光结束，否则转至步骤(2)。

进一步地，进入所述气体保护罩的保护气的气体流速为5L/min，预送时间为10s，后滞时间为10s。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法主要具有以下有益效果：

1.所述控制组件根据待抛光曲面金属零件的表面粗糙度及轮廓线计算获得覆盖上一遍抛光时扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；此后，所述控制组件根据所述最佳抛光参数控制所述联动机构带动待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪运动，以对所述待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光，由此覆盖掉所述带状凸起条纹，提高了抛光表面的质量及生产效率，且结构简单，便于制造及使用。

2.预送及后滞所述保护气，可以确保起弧的成功，同时在抛光接触后继续防止金属材料表面的氧化及所述等离子加工枪内部钨针的氧化。

3.旋转抛光时旋轮的移动轨迹从待抛光曲面金属零件的中心部位开始，由里向外进行抛光，避免因基底温度低，温度梯度大在单道轨迹上产生鱼鳞纹，提高了抛光质量。

4.待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪的单道抛光移动为待抛光曲面金属零件绕自身中心轴轴线的自旋转运动，节约了抛光工序所需要的时间，提高了抛光效率。

附图说明

图1是本发明提供的曲面金属零件的微束等离子抛光装置处于使用状态时的示意图。

图2是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置处于另一个使用状态时的局部示意图。

图3中的(a)图及(b)图是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置的等离子加工枪的中心轴线与Z轴夹角对等离子弧形貌的两个影响示意图。

图4是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置的等离子加工枪的局部剖视图。

图5是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置的联动机构的原理示意图。

图6A是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置第一遍扫描采用的路径示意图。

图6B是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置按照图6A中的路径扫描得到的工件沿A-A方向的局部剖视图。

图7A是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置第二遍扫描采用的路径示意图。

图7B是图1中的曲面金属零件的微束等离子抛光装置按照图7A中的路径扫描得到的工件沿B-B方向的局部剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-等离子加工枪，2-气体保护罩，3-等离子枪固定基座，4-电离气气瓶，5-保护气气瓶，6-气体流量控制器，7-引弧高频电源，8-主弧直流电源，9-待抛光凸面零件，10-控制组件，11-零件夹具，12-导电工作平台，13-联动机构，14-表面轮廓探测仪，15-待抛光凹面零件，16-钨针，17-铜喷嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，所述微束等离子抛光装置包括等离子加工枪1、气体保护罩2、等离子枪固定基座3、电离气气瓶4、保护气气瓶5、气体流量控制器6、引弧高频电源7、主弧直流电源8、控制组件10、零件夹具11、导电工作平台12、联动机构13及表面轮廓探测仪14，所述等离子加工枪1连接于所述等离子枪固定基座3上，所述气体保护罩2罩设在所述等离子加工枪1的外部，且所述等离子体加工枪1的中心轴与所述等离子枪固定基座3的中心轴重合。所述等离子加工枪1连接于所述控制组件10，所述控制组件10用于控制所述等离子加工枪1。所述表面轮廓探测仪14连接于所述控制组件10，所述控制组件10用于控制所述表面轮廓探测仪14实时对待抛光曲面金属零件的抛光区域进行实时测量，所述表面轮廓探测仪14还将测量到的数据实时传输给所述控制组件10，所述控制组件10根据接受到的数据确定抛光过程中的各项最佳参数。

所述气体流量控制器6、所述引弧高频电源7、所述主弧直流电源8及所述联动机构13分别连接于所述控制组件10，所述控制组件10用于分别控制所述气体流量控制器6、所述引弧高频电源7、所述主弧直流电源8及所述联动机构13。所述引弧高频电源7的负极和正极分别连接于所述等离子加工枪1内的钨针16及铜喷嘴17。

所述电离气气瓶4及所述保护气气瓶5通过所述气体流量控制器6分别与所述等离子加工枪1及所述气体保护罩2相连接。所述主弧直流电源8的正负极分别连接于待抛光曲面金属零件及所述钨针16。所述导电工作台12设置在所述等离子加工枪1的下方，其接地。所述联动机构13设置在所述导电工作平台12上，所述零件夹具11设置在所述联动机构13上且所述零件夹具11与所述导电工作平台12相连接，其用于夹持待抛光曲面金属零件。所述控制组件10控制所述联动机构13运动，所述联动机构13通过所述零件夹具11带动待抛光曲面金属零件运动，由此改变待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪1的位姿。本实施方式中，待抛光曲面金属零件可以为待抛光凸面零件9，还可以为待抛光凹面零件15。

所述表面轮廓探测仪14用于实时检测待抛光曲面金属零件的设定区域的表面轮廓，并将检测到的数据传输给所述控制组件10。所述控制组件10根据待抛光曲面金属零件的结构特点来设计预抛光曲面零件的结构参数，并利用有限元数值模拟分析的方法模拟微束等离子抛光过程，由此确定抛光过程所使用的先导弧的电压和电流、等离子主弧的电流、电离气和保护气的流速、预送时间、后滞时间、枪口高度、弧移动距离及曲面自转速度。该结构参数包括预抛光件的材料、形状、尺寸及表面粗糙度。

所述等离子加工枪1包括所述铜喷嘴17及设置在所述铜喷嘴17内的所述钨针16。本实施方式中，所述钨针16为圆柱状，其直径等于1.2mm且尖端以30°进行磨削；所述铜喷嘴17的喷口直径等于1mm；所述气体保护罩2呈圆筒状，其直径等于15mm。

所述等离子加工枪1安装在所述等离子枪固定基座3上，其在空间内无运动。所述等离子加工枪1内产生先导弧，所述引弧高频电源7及所述主弧直流电源8并联帮助等离子主弧在所述等离子加工枪1与待抛光曲面金属零件之间产生，所述等离子主弧用于待抛光曲面金属零件的表面抛光。其中，等离子束抛光时，金属表面形貌对热输入的大小敏感，能量过大将造成表面金属元素的烧损及表面形貌缺陷。本实施方式中，所述等离子加工枪1与待抛光曲面金属零件的表面之间产生等离子弧过程的总功率不超过300W。

所述等离子加工枪1的枪口位置作为所述控制组件10设计抛光路径轨迹的参考点，等离子弧受重力影响，所述等离子加工枪1的中心轴线与Z轴之间的夹角对等离子主弧形貌有重要影响，当所述等离子加工枪1的中心轴与Z轴重合，且所述等离子加工枪1指向地面时，等离子弧的挺直度最好，输入热量分布均匀。

请参阅图5，所述联动机构13用于调整待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪1枪口的方向及位置，以控制所述等离子加工枪1的枪口与抛光点之间的轴向距离不变，且始终通过抛光点位置的曲面法向。抛光点位置与所述等离子加工枪1枪口之间的轴向距离对抛光点位置所受热量分布有重要影响，距离过低会造成表面氧化损伤，距离过高则会造成熔化不充分。本实施方式中，所述联动机构13形成有S轴、L轴、U轴、R轴、B轴及T轴，所述S轴、所述L轴、所述U轴、所述R轴、所述B轴及所述T轴相连接。

所述保护气气瓶5及所述气体保护罩2共同组成保护组件以防止抛光过程中金属表面的氧化，且所述保护气气瓶5与所述气体保护罩2之间设置有所述气体流量控制器6，所述气体流量控制器6受所述控制组件10的命令来控制保护气的预送及后滞，且实时控制保护气的流速。保护气的预送与否将影响起弧的成功与否，而保护气的后滞可以在抛光结束后继续防止金属材料表面的氧化及所述钨针16的氧化。

所述微束等离子抛光装置进行抛光时，所述表面轮廓探测仪14用于实时检测待抛光曲面金属零件的设定区域的表面轮廓，并将检测到的数据传输给所述控制组件10，进而所述控制组件10根据待抛光曲面金属零件的结构特点，设计预抛光零件的结构参数，并利用有限元数值模拟分析的方法模拟微束等离子抛光过程，由此确定抛光过程所使用的各项工作参数。所述控制组件10根据得到的各项工作参数控制所述联动机构13运动以旋转待抛光曲面金属零件到初始位置。之后，所述控制组件10控制打开保护气，以用干燥的保护气清洁整个气路；此外，开启等离子气体，所述控制组件10控制所述引弧高频电源7产生先导弧；所述引弧高频电源7和所述主弧直流电源8并联工作使等离子主弧在所述等离子加工枪1与待抛光金属工件表面之间产生，随后根据计算路径和最优参数，对待抛光曲面金属零件进行第一遍曲面扫描，不规则粗糙表面经过第一遍扫描粗糙度大大降低，搭接处会产生微凸起，整个抛光曲面呈现出平行带状凸起条纹；第一遍扫描抛光完成后，待抛光曲面金属零件回到初始位置；所述控制组件10通过此时所述表面轮廓探测仪14测量所得的抛光区域的表面轮廓，计算覆盖凸起的抛光最优参数，进而进行覆盖凸起的第二遍曲面扫描，第一遍扫描形成的规则平行带状条纹表面经过第二遍扫描之后尺寸将减小；可重复上述步骤进行多遍扫描加工，直到得到需要的表面粗糙度。

待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪1枪口的单道抛光移动为待抛光曲面金属零件绕自身中心轴线的自旋转运动，抛光的工厂化需要高效率，采用绕中心轴线的自旋转运动能节约抛光工序所需要的时间，提高了抛光效率。上一条单道扫描结束终点，所述主弧直流电源8关闭，等离子主弧消失，由于是绕中心轴线的自旋转运动，所以单道扫描的起点和终点是重合的，所述引弧高频电源7保持工作，直到所述待抛光曲面金属零件移动到下一条单道扫描开始的起点，所述主弧直流电源8再次开启，等离子主弧重新在所述等离子加工枪1与待抛光曲面金属零件的表面之间产生；待抛光曲面金属零件的表面粗糙度越大，总输入功率越大，产生的熔池宽度越宽；扫描搭接处产生的凸起尺寸与总输入功率大小相关，总输入功率越大产生的凸起尺寸越大；下一遍扫描单道扫描道宽与上一遍扫描单道道宽比值为1：(3-4)；下一遍扫描所用的总输入功率总比上一遍扫描所用的总输入功率小；待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪1枪口的多道抛光移动分为多层进行，每层按照“等高弧长”进行移动，即到达当次轨迹终点，所述主弧直流电源8关闭后，保持枪口与待抛光曲面金属零件的轴向距离不变，通过绕待抛光曲面金属零件的中心轴线旋转到达下一单道抛光轨迹起点位置，再次开启所述主弧直流电源8，直至完成所有层的单道抛光，这样的多层抛光工序可以保证每条单道扫描的熔池宽度和深度一致，表面性能均匀性好；旋转抛光时旋轮的移动轨迹优选采用从待抛光曲面金属零件的中心部位开始，由里到外进行抛光，避免因基底温度低，温度梯度大在单道轨迹上产生鱼鳞纹。

所述微束等离子抛光装置可以处理表面粗糙度Ra在5μm～10μm之间的经过粗加工生成的规则曲面零件以及模具。通过使用直径为1mm的所述等离子加工枪1和总功率低于300W的等离子弧进行了曲面扫描抛光，通过重复扫描搭接凸起处，不断降低金属表面粗糙度。原始粗糙度较高的金属制件相对于原始粗糙度较低的金属制件，以达到相同的最终目标粗糙度所需要的重复抛光次数更多。当粗糙度Ra较高时，需要更大的热输入才能熔化较高的表面不规则凸起以及其他颗粒物质，所形成的熔池也更宽，可以在较短时间和较短行程下完成大面积抛光。经过第一遍抛光后，金属表面以及变得较为平整光滑能达到Ra＝1μm，但存在规则带状凸起条纹，影响整体曲面粗糙度大小，可以适用于对表面粗糙度要求不高的零件，进行第二遍抛光以覆盖第一遍抛光所产生的凸起后，第一遍扫描形成的凸起高度将大大减小，将会得到更为平整光滑的曲面。经过两遍抛光工序后，可以满足大多数金属制件表面粗糙度要求，重复抛光次数可以进一步降低表面粗糙度，目前对表面粗糙度Ra在5μm～10μm之间经过粗加工的曲面零件以及模具进行抛光，抛光粗糙度可以达到0.2μm，但当达到0.2μm后继续进行重复抛光将一定程度增加表面粗糙度，增加的表面粗糙度可达到1μm。相对于原始表面粗糙度Ra为10um的金属制件，曲面工件表面粗糙度降低到0.2μm意味着减小了98％。

本发明还提供了一种曲面金属零件的微束等离子抛光方法，所述抛光方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供如上所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，并将待抛光曲面金属零件放置于所述零件夹具上，所述抛光装置对所述待抛光曲面金属零件进行第一遍抛光。

具体地，所述表面轮廓探测仪14测量原始材料表面形貌，并将数据输入所述控制组件10，所述控制组件10根据所需抛光的曲面零件的结构特点来设计预抛光零件的结构参数，并利用有限元数值模拟分析的方法模拟微束等离子抛光过程，由此确定抛光过程所使用的先导弧的电压和电流、等离子主弧电流、电离气气体流速、枪口高度、弧移动距离及曲面自转速度；所述控制组件10将计算得到的工艺参数连同人工输入的保护气气体的流速为5L/min、预送时间为10s、后滞为时间10s等参数分别传输到所述联动机构13、所述主弧直流电源8和所述体流量控制器6。其中，该结构参数包括预抛光件的材料、形状、尺寸及表面粗糙度。

所述气体流量控制器6预送干燥保护气氮气清洁气路，预送电离气高纯氩气，所述引弧高频电源7开启，先导弧在所述等离子加工枪1内部产生；所述联动机构13按照计算所得到的路径移动待抛光曲面金属零件，将选定抛光起始点移动至枪口正下方，起始点与枪口距离为计算所得的枪口高度距离。所述主弧直流电源8工作，等离子主弧在所述等离子加工枪1与待抛光曲面金属零件的表面之间产生。

根据计算所得的最优实验参数，所述联动机构13带动待抛光曲面金属零件按照计算扫描轨迹进行运动，如图6A所示，阴影区域表示此次扫描还未作用区域。完成第一遍抛光后得到相对光滑表面，如图6B所示，所述主弧直流电源8停止工作。

待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪1枪口的抛光移动为待抛光零件绕自身中心轴线的自旋转运动和“等高弧长”运动的结合，当结束当次单道扫描到达单道轨迹终点时，所述联动机构13的T轴(如图5所示)旋转运动停止，所述主弧直流电源8停止工作，由于是绕中心轴线的自旋转运动，所以单道扫描的起点和终点是重合的，所述联动机构13带动待抛光曲面金属零件“等高弧长”运动到下次单道扫描起点，所述主弧直流电源8再次开始工作，如图6A所示实线箭头代表所述主弧直流电源8在工作状态下待抛光曲面金属零件按照箭头方向运动，虚线箭头代表所述主弧直流电源8停止工作状态下待抛光曲面金属零件按照箭头方向运动。最后，待抛光曲面金属零件放置于所述零件夹具11上冷却1min。

步骤二，所述表面轮廓探测仪测量经过上一遍抛光后的待抛光曲面金属零件的抛光区域的形貌，并将测量得到的数据传输给所述控制组件，所述控制组件根据待抛光曲面金属零件的结构计算得出覆盖上一遍抛光时扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；所述抛光装置根据所述最佳抛光参数对待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光。

所述表面轮廓探测仪14测量经过上一遍抛光后的金属材料表面形貌，并将得到的数据输入所述控制组件10，所述控制组件10根据所需抛光的曲面零件的结构特点，设计预抛光零件的结构参数，并利用有限元数值模拟分析的方法模拟微束等离子抛光过程，由此确定抛光过程所使用的先导弧的电压和电流、等离子主弧电流、电离气气体流速、枪口高度、弧移动距离及曲面自转速度；所述控制组件10将计算得到的工艺参数连同人工输入的保护气气体的流速为5L/min、预送时间为10s、后滞时间为10s等参数分别传输到所述联动机构13、所述主弧直流电源8和所述气体流量控制器6。

所述联动机构13按照计算所得路径移动待抛光曲面金属零件，将选定抛光起始点移动至枪口正下方，起始点与枪口距离为计算所得枪口高度距离；所述主弧直流电源8工作，等离子主弧在所述等离子加工枪1与待抛光曲面金属零件的表面之间产生；根据计算所得的最优实验参数，所述联动机构13带动待抛光曲面金属零件按照计算得到的扫描轨迹进行运动，如图7A所示，阴影区域表示此次扫描还未作用区域，完成第一遍抛光后得到相对光滑表面如图7B所示，接着，所述主弧直流电源8停止工作。

待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪1枪口的抛光移动为待抛光零件绕中心轴线的自旋转运动和“等高弧长”运动的结合，当结束当次单道扫描到达单道轨迹终点时，所述联动机构13的T轴(如图5所示)旋转运动停止，所述主弧直流电源8停止工作，由于是绕中心轴线的自旋转运动，所以单道扫描的起点和终点是重合的，所述联动机构13带动待抛光曲面金属零件“等高弧长”运动到下次单道扫描起点，所述主弧直流电源8再次开始工作，如图7A所示实线箭头代表所述主弧直流电源8工作状态下待抛光曲面金属零件按照箭头方向运动，虚线箭头代表所述主弧直流电源8停止工作状态下待抛光曲面金属零件按照箭头方向运动。最后，待抛光曲面金属零件放置于所述零件夹具11上冷却1min。

步骤三，所述表面轮廓探测仪测量经步骤二得到的待抛光曲面金属零件的金属材料表面形貌，并将得到的数据传输给控制组件，进而所述控制组件判断待抛光曲面金属零件的表面粗糙度是否满足目标要求，若满足，则抛光结束，否则转至步骤二。本实施方式中，对于表面粗糙度Ra在5μm～10μm之间经过粗加工的曲面零件以及模具进行抛光，抛光后粗糙度可以达到0.2μm。

本发明提供的曲面金属零件的微束等离子抛光装置及方法，其旋转抛光时的移动轨迹自待抛光曲面金属零件的中心部位开始，由里向外进行抛光，避免了因基底温度低，温度梯度大在单道轨迹上产生鱼鳞纹，提高了抛光质量。此外，进行第一次抛光后，金属表面变得较为平整平滑，但存在带状凸起条纹，影响整体平面粗糙度大小，接着进行第二次抛光以覆盖第一遍抛光产生的凸起后，第一遍抛光所形成的凸起的高度将大大减小，如此可以得到更为平整光滑的平面，提高了抛光质量及效率，灵活性较高，且易于使用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种曲面金属零件的微束等离子抛光装置，其特征在于：

所述抛光装置包括控制组件、表面轮廓探测仪、联动机构、气体保护罩、等离子加工枪、等离子枪固定基座及零件夹具，所述表面轮廓探测仪连接于所述控制组件，所述联动机构连接于所述控制组件，所述零件夹具设置在所述联动机构上，所述零件夹具用于夹持待抛光曲面金属零件；所述等离子加工枪设置在所述等离子枪固定基座上，且其连接于所述控制组件；所述气体保护罩设置在所述等离子加工枪外部；

当上一遍抛光完成后，所述表面轮廓探测仪测量当前的所述待抛光曲面金属零件的抛光区域的表面形貌，并将得到的数据传输给所述控制组件，进而所述控制组件根据待抛光曲面金属零件的表面粗糙度及轮廓线计算获得覆盖上一遍抛光时扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；此后，所述控制组件根据所述最佳抛光参数控制所述联动机构带动待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪运动，以对所述待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光，由此覆盖掉所述带状凸起条纹；

所述控制组件用于根据待抛光曲面金属零件的结构来设计预抛光曲面金属零件的结构参数，并利用有限元数值模拟分析的方法模拟微束等离子抛光过程，由此确定抛光过程中的工作参数；所述等离子加工枪与待抛光曲面金属零件之间产生等离子主弧；所述等离子加工枪内产生先导弧；所述工作参数包括先导弧的电压和电流；等离子主弧的电流；电离气和保护气的流速、预送时间、后滞时间；等离子加工枪的枪口高度；弧移动距离及待抛光曲面金属零件的曲面自转速度。

2.如权利要求1所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，其特征在于：抛光过程中，所述等离子加工枪的中心轴与待抛光曲面金属零件于抛光点处的曲面法向线重合。

3.如权利要求1所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，其特征在于：待抛光曲面金属零件相对于所述等离子加工枪的单道抛光移动为待抛光曲面金属零件绕自身中心轴轴线的自旋转运动；旋转抛光时旋轮的移动轨迹从待抛光曲面金属零件的中心部位开始，由里向外进行抛光。

4.如权利要求1-3任一项所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，其特征在于：所述等离子加工枪包括铜喷嘴及设置在所述铜喷嘴内的钨针；所述抛光装置包括分别连接于所述控制组件的引弧高频电源及主弧直流电源，所述主弧直流电源的正负极分别连接于待抛光曲面金属零件及所述钨针；所述引弧高频电源的负极和正极分别连接于所述钨针及所述铜喷嘴。

5.如权利要求1-3任一项所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，其特征在于：所述抛光装置还包括电离气气瓶、保护气气瓶及流量控制器，所述流量控制器连接于所述控制组件，所述电离气气瓶及所述保护气气瓶通过所述流量控制器分别与所述等离子加工枪及所述气体保护罩相连接。

6.如权利要求1-3任一项所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，其特征在于：下一遍扫描所用的总输入功率小于上一遍扫描所用的总输入功率，且下一遍扫描单道道宽与上一遍扫描单道道宽的比值为1:(3～4)。

7.一种曲面金属零件的微束等离子抛光方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供权利要求1-6任一项所述的曲面金属零件的微束等离子抛光装置，并将待抛光曲面金属零件放置于所述零件夹具上，所述抛光装置对所述待抛光曲面金属零件进行第一遍抛光；

(2)所述表面轮廓探测仪测量经过上一遍抛光后的待抛光曲面金属零件的抛光区域的形貌，并将测量得到的数据传输给所述控制组件，所述控制组件根据待抛光曲面金属零件的结构计算得出覆盖上一遍抛光时扫描搭接处所产生的带状凸起条纹的最佳抛光参数；所述抛光装置根据所述最佳抛光参数对待抛光曲面金属零件进行下一遍抛光；

(3)所述表面轮廓探测仪测量经步骤(2)得到的待抛光曲面金属零件的金属材料表面形貌，并将得到的数据传输给控制组件，进而所述控制组件判断待抛光曲面金属零件的表面粗糙度是否满足目标要求，若满足，则抛光结束，否则转至步骤(2)。

8.如权利要求7所述的曲面金属零件的微束等离子抛光方法，其特征在于：进入所述气体保护罩的保护气的气体流速为5L/min，预送时间为10s，后滞时间为10s。