CN117260402A - 一种深孔类零件内表面抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔类零件内表面抛光方法，获取工件内孔的表面质量；确定抛光头的位置；根据工件的内孔设计结构和抛光头的位置确定抛光路径，根据内孔的表面质量的确定抛光头的材质和抛光工艺；所述工件和抛光头在旋转状态下，抛光头根据抛光路径和抛光工艺对工件的内孔进行抛光；抛光过程中每达到设定条件，获取工件内孔的表面质量，并根据表面质量调整抛光头的材质和抛光工艺，并重复该过程中，直至内孔的表面质量符合要求。该抛光方法适用于复杂几何形状和狭窄通道的深孔类零件，解决了传统的机械抛光方法不能对几何形状复杂和狭窄通道的抛光问题，能够有效地进行内表面抛光，提高工件的表面质量。

Description

一种深孔类零件内表面抛光方法

技术领域

本发明属于深孔零件加工技术领域，具体涉及一种深孔类零件内表面抛光方法。

背景技术

深孔类零件内表面抛光方法在制造和加工领域具有重要性。深孔类零件，如航空发动机涡轮轴、飞机起落架作动筒等，由于其大深径比(＞10)和复杂内腔的结构特征，使得其内表面的加工和抛光变得复杂而困难。然而，深孔类零件的内表面质量和光洁度对于其性能和寿命具有关键影响。

现有的深孔类零件内表面抛光方法，常见的方法是采用机械抛光。机械抛光通常涉及使用旋转工具(如砂轮或磨料刷)通过机械力和磨粒在工件内部进行抛光。然而，由于深孔类零件的复杂形状和磨杆弱刚性的限制，机械抛光难以达到理想的效果。同时，机械抛光过程中还存在一些挑战，例如操作复杂、加工效率低、加工质量一致性差和无法实现高精度加工等问题。

另一种是采用化学或电化学抛光。这种方法通过在深孔类零件内部注入特定的抛光液体或电解液体，在化学反应或电化学作用的作用下去除表面的不均匀层和缺陷。化学或电化学抛光技术具有一定的优势，包括能够达到较高的加工精度、能够处理复杂的几何形状和狭窄通道、可以实现自动化和批量加工等。然而，该方法也存在一些缺点，例如对抛光液体的选择和控制要求较高、废液处理困难、操作技术复杂、需要进行多次观测和调整等；因此，开发一种高效、精确的深孔类零件内表面抛光方法至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种深孔类零件内表面抛光方法，实现深孔类零件内表面的快速抛光。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种深孔类零件内表面抛光方法，包括以下步骤：

步骤1、将工件固定在抛光机床上，工件的内孔与抛光头同轴设置；

步骤2、获取工件内孔的表面质量；

步骤3、确定抛光头的位置；

步骤4、根据工件的内孔设计结构和抛光头的位置确定抛光路径，根据内孔的表面质量的确定抛光头的材质和抛光工艺；

步骤5、所述工件和抛光头在旋转状态下，抛光头根据抛光路径和抛光工艺对工件的内孔进行抛光；

步骤6、抛光过程中每达到设定条件，获取工件内孔的表面质量，并根据表面质量调整抛光头的材质和抛光工艺，并重复该过程中，直至内孔的表面质量符合要求。

优选的，所述步骤1中工件的一端固定在在机床的夹持部件上，并且夹持部件能够转动。

优选的，步骤2中通过内窥镜获取工件内孔的表面质量。

优选的，所述内窥镜与抛光头同轴安装在抛光杆上。

优选的，步骤3中所述确定抛光头位置的方法如下：

移动抛光头的位置，使其圆周面与工件内孔的内壁接触，得到抛光头的X向位置，然后再次移动抛光头的位置，使抛光头端部与工件内孔的端面接触，得到抛光头的Z向位置，根据X向位置和Z向位置得到抛光头位置。

优选的，步骤4所述抛光路径为抛光头在紧贴内孔的内壁情况下，沿Z轴移动的路径。

优选的，所述抛光工艺包括抛光头的转速、抛光头沿X轴的进给和Z轴的进给，以及工件的转速。

优选的，所述步骤5中工件和抛光头的旋向相反。

优选的，步骤6中设定条件为抛光头完成内孔的一次抛光过程，一次抛光过程为抛光头自内孔口部抛光至内孔的最深处。

优选的，所述抛光机床包括床身，以及同轴安装在其顶部的床头箱组件和研磨抛光装置；

所述床头箱组件上设置有能够转动，并用于对工件固定的夹持部件；

所述研磨抛光装置包括双向直线模组和抛光组件，双向直线模组安装在床身上，抛光组件与双向直线模组连接，抛光头安装在抛光组件上，双向直线模组用于控制抛光组件的X向和Z向的位移。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种深孔类零件内表面抛光方法，通过获取工件内孔的表面质量，通过表面质量设计内孔的抛光工艺，同时根据内孔的设计结构确定抛光路径，通过抛光工艺和抛光路径对抛光头进行控制，实现深孔的自动抛光，在抛光过程中，通过内窥镜对内孔的表面质量继续观测和记录，能够实时监控抛光过程，并根据表面质量的要求进行调整和优化，这种精确的控制和观测反馈，能够提高抛光的精度和一致性。由于对抛光路径的规划，使得该抛光方法适用于复杂几何形状和狭窄通道的深孔类零件，解决了传统的机械抛光方法不能对几何形状复杂和狭窄通道的抛光问题，本发明通过合理的抛光头选择和控制，以及内窥镜的引导，能够有效地进行内表面抛光，提高工件的表面质量。

附图说明

图1为本发明深孔类零件内表面抛光装置组成图；

图2为本发明抛光加工流程图；

图3为本发明磨料刷去除材料模型；

图4为本发明磨料刷加工前后工件表面微观形貌。

图中：1、床头箱组件，2、三爪卡盘，3、床头箱Z向进给组件，4、中心架，5、抛光头，6、研磨抛光装置，7、床身，8、研磨抛光进给组件，9、抛光杆，10、内窥镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

定义：

1、Z向为零件的待抛光孔的轴向。

2、X向为零件的待抛光孔的径向。

如图1所示，一种深孔类零件内表面抛光装置，包括床头箱组件1，三爪卡盘2，床头箱Z向进给组件3，中心架4，抛光头5，研磨抛光装置6，床身7，研磨抛光进给组件8，抛光杆9和内窥镜10。

所述床身7为整个抛光装置的承载部件，上述各部件均安装在床身7的顶部，床身7固定在地面或工作台上，并且使床身的顶部的处于水平状态；床头箱组件1和研磨抛光装置6分别同轴安装在床身7顶部的两侧，其中床头箱组件1用于固定待抛光工件，研磨抛光装置6用于对待抛光工件进行抛光。

床头箱组件1包括Z向进给组件3、三爪卡盘2和主轴电机。所述Z向进给组件包括Z3直线模组和床头箱座，Z3直线模组安装在床身上并沿床身的Z轴布置，床头箱座配装在Z3直线模组滑台上，床头箱座能够沿Z3直线模组的滑动方向移动，Z3直线模组为丝杆滑块机构，床头箱座与滑块连接，驱动丝杆转动使床头箱座沿丝杆的轴向移动，在电机的驱动下能够完成床头箱组件的Z向进给。

主轴电机安装在床头箱座的前端，即正对研磨抛光装置6的方向，主轴电机安装在床头箱座中并通过同步带与三爪卡盘2连接，主轴电机驱动三爪卡盘2转动，三爪卡盘2用于夹持待抛光工件的端部，实现工件的牢固固定。

所述研磨抛光装置6包括双向直线模组和研磨抛光进给组件8，研磨抛光进给组件8包括抛光杆9、内窥镜和抛光头。

双向直线模组包括耦合的Z向直线模组和X向直线模组，X向直线模组与Z向直线模组连接，双向直线模组固定在床身的顶部，Z向直线模组固定在床身上，X向直线模组位于上部，抛光杆沿Z向设置并与X向直线模组连接，通过X向直线模组调节抛光管的X向位置，同时Z向直线模组控制抛光杆的进给。

所述抛光杆9为空心管，其靠近工件的一端的圆周面上嵌置有内窥镜10，内窥镜10的数据线穿过抛光杆9并沿另一端引出，用于观察工件内表面，其信号线通过内孔穿出。抛光杆9的端部嵌置固定有同轴的气动马达，抛光头5安装在气动马达的输出轴上，气动马达的气路设置在抛光杆9的中心孔中，并沿抛光杆的另一端引出并与高压气源连接，抛光头可拆卸安装在气动马达的端部，通过电机驱动Z向直线模组和X向直线模组实现抛光头5的位置进给调节。

床头箱组件和研磨抛光装置之间设置有中心架4，中心架4固定在床身上，中心架4上设置有固定孔，用于固定工件的前端，保证工件的研磨孔与研磨抛光装置处于同一直线，便于加工，同时降低工件转动时的抖动。

所述主轴电机、Z3直线模组和双向直线模组均与控制单元连接，控制单元对主轴电机的转速进行控制，同时对直线模组和双向直线模组的移动距离进行控制。

参阅图2，下面结合上述抛光装置对一种深孔类零件内表面抛光方法进行详细的阐述，包括如下步骤：

步骤1、开启机床电源，驱动床头箱Z向进给组件，将床头箱组件准确移动至预设位置，将待研磨孔沿轴向布置在床身上，使用三爪卡盘对工件的一端固定，工件的另一端固定在中心架上，完成工件的安装过程。

步骤2、启动驱动电机，通过皮带带动三爪卡盘2转动，进而使工件转动为后续的抛光作业做准备。

步骤3、驱动双向直线模组使抛光杆进入到工件的研磨孔中。

步骤4、利用内窥镜观测并详细记录研磨孔内壁各部位的表面形貌及其表面粗糙度，为后续抛光提供依据。

步骤5、根据步骤4获取的表面粗糙度确定抛光头的磨料，选择选择合适的磨料刷。

抛光头的磨料的选择方法如下：

针对管件的不同结构，采用理论分析与仿真模拟相结合，建立了辊刷去除材料过程中的力学模型，盘刷去除材料过程中的力学模型与刷丝表面磨粒去除材料的力学模型。图3为磨料刷去除材料模型，由此可得磨粒的切向切削力和径向切削力，见下式：

选定方案：最终确定采用辊刷加工管件内表面。

(2)磨料刷加工试验。针对磨料刷高效抛光，开展了磨料刷抛光试验，得出涡轮轴表面的加工最优工艺参数为主轴转速150rad/min，进给速度60mm/min，磨料刷转速1500rad/min，刷丝偏压量3mm，磨料刷型号2-80×42×1×77×6-CF240。

步骤6、对抛光头的位置进行校准，确定其在机床坐标系中的X向和Z向坐标。

将抛光头安装在抛光杆的端部，然后使抛光头进入到研磨孔中，通过X向直线模组控制研磨头沿X向移动，使抛光头与研磨孔的内部接触，得到抛光头的位置。

步骤7、根据工件的图纸以及观测到的粗糙度确定抛光工艺，启动气动马达驱动抛光头高速转动，抛光头与工件的旋向相反，进行工件内表面抛光的粗加工。

抛光工艺包括抛光路径和抛光参数；

抛光路径，根据工件的内孔的设计图以及抛光头的位置确定抛光头的抛光路径，在抛光过程中抛光头在紧贴抛光孔的内壁状态沿Z向往复移动。

抛光参数，根据内孔的粗糙度并结合研磨头的磨料参数，确定研磨头的转速以及Z向进给。

步骤8、通过控制单元控制双向直线模组X向和Z向的进给，使研磨头对内孔继续抛光加工，每完成单次抛光，通过内窥镜观测抛光后的内孔表面质量。

步骤9、根据步骤8得到的内孔表面质量调整抛光工艺和抛光头，并再次抛光，直至内孔的表面质量符合要求。

利用内窥镜观测精加工后的工件内表面质量情况，并判断工件内表面质量是否合格。如果合格，则继续进行抛光精加工；如果不合格，则更换合适的磨料刷抛光头。

步骤10、完成抛光加工后，取下工件，整个深孔类零件内表面抛光过程结束。

磨料刷加工方案。针对管件的不同结构，采用理论分析与仿真模拟相结合，建立了辊刷去除材料过程中的力学模型，盘刷去除材料过程中的力学模型与刷丝表面磨粒去除材料的力学模型。图3为磨料刷去除材料模型，由此可得磨粒的切向切削力和径向切削力，见下式：

选定方案：最终确定采用辊刷加工管件内表面。

(2)磨料刷加工试验。针对磨料刷高效抛光，开展了磨料刷抛光试验，得出涡轮轴表面的加工最优工艺参数为主轴转速150rad/min，进给速度60mm/min，磨料刷转速1500rad/min，刷丝偏压量3mm，磨料刷型号2-80×42×1×77×6-CF240。

图4为磨料刷加工前后工件表面微观形貌，从图中可以看出，工件表面经过磨料刷抛光后，其表面微观形貌更加平整。磨料刷加工后，工件表面的表面粗糙度值为Ra0.251μm，下降了75.27％。

本发明的抛光方法对抛光头的位置进行控制同时获取抛光后的表面质量，通过床头箱组件和研磨抛光进给组件的精确控制，能够精确控制抛光杆的位置，实现对待清理位置的准确抛光。同时，使用内窥镜进行观测和记录，能够实时监控抛光过程，并根据表面质量的要求进行调整和优化。这种精确的控制和观测反馈，能够提高抛光的精度和一致性。

其次，该抛光方法适用于复杂几何形状和狭窄通道的深孔类零件，特别适用于处理深孔类零件，如涡轮轴等具有复杂曲面结构和狭窄通道的工件。传统的机械抛光方法往往难以处理这些复杂几何形状和狭窄通道，而本发明通过合理的抛光头选择和控制，以及内窥镜的引导，能够有效地进行内表面抛光，提高工件的表面质量。本发明的抛光方法可在深孔零件内表面抛光方面具有极高的使用价值和推广价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将工件固定在抛光机床上，工件的内孔与抛光头同轴设置；

步骤2、获取工件内孔的表面质量；

步骤3、确定抛光头的位置；

步骤4、根据工件的内孔设计结构和抛光头的位置确定抛光路径，根据内孔的表面质量的确定抛光头的材质和抛光工艺；

步骤5、所述工件和抛光头在旋转状态下，抛光头根据抛光路径和抛光工艺对工件的内孔进行抛光；

步骤6、抛光过程中每达到设定条件，获取工件内孔的表面质量，并根据表面质量调整抛光头的材质和抛光工艺，并重复该过程中，直至内孔的表面质量符合要求。

2.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，所述步骤1中工件的一端固定在在机床的夹持部件上，并且夹持部件能够转动。

3.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，步骤2中通过内窥镜获取工件内孔的表面质量。

4.根据权利要求3所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，所述内窥镜与抛光头同轴安装在抛光杆上。

5.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，步骤3中所述确定抛光头位置的方法如下：

移动抛光头的位置，使其圆周面与工件内孔的内壁接触，得到抛光头的X向位置，然后再次移动抛光头的位置，使抛光头端部与工件内孔的端面接触，得到抛光头的Z向位置，根据X向位置和Z向位置得到抛光头位置。

6.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，步骤4所述抛光路径为抛光头在紧贴内孔的内壁情况下，沿Z轴移动的路径。

7.根据权利要求5所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，所述抛光工艺包括抛光头的转速、抛光头沿X轴的进给和Z轴的进给，以及工件的转速。

8.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，所述步骤5中工件和抛光头的旋向相反。

9.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，步骤6中设定条件为抛光头完成内孔的一次抛光过程，一次抛光过程为抛光头自内孔口部抛光至内孔的最深处。

10.根据权利要求1所述的一种深孔类零件内表面抛光方法，其特征在于，所述抛光机床包括床身，以及同轴安装在其顶部的床头箱组件和研磨抛光装置；

所述床头箱组件上设置有能够转动，并用于对工件固定的夹持部件；

所述研磨抛光装置包括双向直线模组和抛光组件，双向直线模组安装在床身上，抛光组件与双向直线模组连接，抛光头安装在抛光组件上，双向直线模组用于控制抛光组件的X向和Z向的位移。