面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置制造方法及图纸

一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，包括工作电极模块、对电极模块、参比电极模块、电化学工作站、力流变抛光机、抛光液池和力流变抛光液，工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，与电化学工作站连接；对电极模块固定安装在力流变抛光机上，对电极与力流变抛光液接触，与电化学工作站相连；参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，参比电极与力流变抛光液接触，与电化学工作站相连。本发明专利技术通过优化电化学反应和力流变机械力的协同作用，实现复杂曲面高表面完整性加工。同时，力流变抛光液是水基溶液，比热容大，可以有效抑制热的影响。

A three electrode system controlled electrochemical assisted ultra precision polishing device for complex surface machining

【技术实现步骤摘要】
面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置
本专利技术属于超精密加工领域，涉及一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，使用电化学工作站和三电极体系对抛光工件表面电化学反应过程进行精确调控，与力流变抛光液形成的柔性固着磨具协同配合，实现复杂曲面绿色、高质、高效加工。
技术介绍
高性能滚动轴承、高表面完整性发动机叶轮、高精度金属反射镜、超光滑模具以及高表面质量刀具等零部件是决定轨道交通、航空航天、国防军事、机械制造等领域的高端装备能否安全可靠服役的关键。它们的核心工作部分主要是复杂曲面，其精度和表面完整性直接决定了产品的性能、质量和可靠性。与世界先进水平相比，我国装备制造业仍存在较大差距，主要原因之一为上述关键部件核心工作面的精度和表面完整性无法达到性能要求，产品可靠性低。下面简要介绍上述关键部件中复杂曲面的应用背景和超精密加工需求：1)高性能滚动轴承。轴承主要由内外圈、保持架和滚动体组成，其中内外圈的滚道和保持架属于凹槽面，滚动体的表面则属于球面或圆弧面。随着科技的发展，对轴承的稳定性、可靠性等服役要求越来越高，轴承常见的失效形式包括磨损、塑性变形，主要是零部件表面粗糙度高、滚动体形状精度低等原因造成的。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现高性能滚动轴承复杂曲面高精度加工。2)高表面完整性发动机叶轮。航空发动机叶轮和现代船舶推进系统叶轮通常采用复杂的变曲率截面设计，以维持气流稳定，减少气流能量损失，提高工作效率，比如平板叶片、圆弧窄叶片、圆弧叶片、平板曲线后向叶片等。另外，随着科技的发展，对叶轮表面完整性的要求越来越高，表面缺陷会造成气流扰动，发热量增大，推力减小等问题。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现发动机叶轮复杂曲面高表面完整性加工。3)高精度金属反射镜。现代高精度金属反射镜的反射面通常是抛物面、双曲面等弧形曲面，以满足在特定角度下聚焦入射光，或者平行反射入射光需求。出于不同反射焦点距离的需要，金属反射镜的曲面由各种不同曲率的弧线构成。表面质量差的金属反射镜会产生散光、光型差等缺陷。因此，为了提高系统可靠性，需要有更精确的光学反射轨迹和更高的光线反射率，同时也带来了更高的表面精度和表面光洁度加工要求。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现金属反射镜复杂曲面高精度加工。4)超光滑模具。超光滑模具型腔为满足使用需求，往往存在复杂的沟、槽、孔等变截面设计。模具的表面质量直接影响模具的使用寿命和工作使用效率，超光滑模具的浇筑和脱模时间远远小于普通模具。此外，模具的表面光洁程度也影响浇筑零件的美观程度，表面质量差的模具会带来毛边、倒刺等缺陷。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现模具复杂曲面超光滑加工。5)高表面质量高效刀具。现代加工中心的刀具往往具有非常复杂的刃口，如螺旋形前刀、阶梯型刀具、圆锥球头刀具、圆柱球头刀具、梳刀等，复杂曲面刀具可以一次完成多步工序，减少走刀和换刀次数，可以成倍地提高效率，并减少加工出错的概率。此外，刀具的表面质量极大地影响刀具的使用寿命，同时加工工件表面质量也与刀具表面质量直接相关。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现刀具复杂曲面高表面质量加工。超精密抛光是高端装备关键部件终加工的最后一道工序，直接决定了零部件的几何精度和形状误差，超精密抛光结果对产品的质量和使用寿命有着至关重要的影响。目前面向复杂曲面加工开发的技术主要有磁流变抛光、气囊抛光、剪切增稠抛光等，下面对各抛光技术进行简要介绍：1)磁流变抛光。磁流变抛光是磁场辅助抛光的一种，是电磁场和流体动力学的融合，利用磁流变液在磁场中的流变特性对工件进行抛光。当抛光轮上的磁流变液被传送至工件与抛光轮形成的小空隙附近时，高梯度磁场使之凝聚、变硬，成为粘塑性的介质。具有较高运动速度的粘塑性介质通过狭小空隙时，在工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件的表面材料被去除。目前，磁流变抛光存在以下需要改进的地方：a)无法加工磁性金属；b)磁流变缎带比较大，具有微小特征的复杂曲面无法加工；c)磁流变抛光装备和加工液价格昂贵。2)气囊抛光。气囊抛光属于柔性接触式抛光。气囊采用抗拉伸的较薄材料，气囊的内部充以气体，气体的压力可随抛光曲面可所需的去除量实时变化，以适应不同面型的加工表面。气囊的外部则包有抛光垫或者砂纸。加工过程中，气囊自身作旋转运动并带有小幅度的摆动，工件由多轴数控设备或者机器人夹持，跟随气囊的旋转作预定的进给运动。工件的运动轨迹为最终希望得到的表面轮廓曲线，驻留时间通常由高斯算法得出。因此，气囊抛光属于确定性超精密抛光技术，可以加工复杂曲面。目前，气囊抛光存在以下需要改进的地方：a)由于气囊抛光头的尺寸原因，气囊抛光只能加工平面和大尺寸的渐变曲面，对于曲率变化大的工件则会产生干涉；b)气囊抛光装备及和耗材价格昂贵非常昂贵，维护成本高；c)气囊在加工过程中会出现失稳现象。3)剪切增稠抛光。剪切增稠抛光过程中，工件与剪切增稠液二者之间相对运动，剪切增稠液与工件接触部分受剪切作用发生剪切增稠现象，接触区域的剪切增稠液粘度增大，分子间结构发生改变，呈现类似固体的性质，增强了固态粒子对磨粒的把持作用，形成剪切层，磨料对工件表面的微突峰产生微切削作用实现工件材料去除来达到抛光的效果。目前，剪切增稠抛光的加工效率和表面完整性均有待提高。申请人所在团队申请了专利技术专利1：“基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密抛光装置”，公开号CN104191340A，公开了一种普通的两电极电解机械抛光方法，其专利技术的装置通过电解和剪切增稠效应的协同作用来实现工件加工，但是存在如下不可避免的缺陷：1)无法在线监测。与三电极体系存在电流和电压两个回路不同，两电极体系只有一个回路，在加工时无法对抛光工件表面电位、电流等电化学参数进行精确在线监测；2)材料去除无法精确控制。与三电极体系不同，两电极体系无法对抛光工件表面电解反应过程进行精确调控，进而无法实现材料去除精确可控；3)资源浪费。三电极体系中电化学工作站的电压是施加在待抛光工件与不发生极化的参比电极之间的，所需的工作电压更小。而两电极体系的电压施加在阴极和阳极之间，阴极发生极化反应会产生一部分电压降，因此所需的工作电压更大，浪费资源且设备安全性低。综上所述，磁流变抛光无法加工磁性金属和带有微小特征的复杂曲面，气囊抛光设备复杂、造价昂贵，而剪切增稠抛光表面完整性和加工效率有待提高。因此，亟需发展一种新的控形控性超精密加工技术，实现复杂曲面的绿色、高质、高效抛光。
技术实现思路
传统的复杂曲面超精密加工技术受纯机械去除原理限制，去除时接触压力需要达到材料的塑性屈服极限，最小去除厚度受限，表面完整性难以进一步提高，且在热力耦合作用下不可避免地产生各种形式的损伤。为解决上述问题，本专利技术提出了一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，抛光工件浸没在含有电解质的力流变抛光液中，采用电化学工作站和三电极体系在抛光工件表面生成一层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述装置包括工作电极模块、对电极模块、参比电极模块、电化学工作站、力流变抛光机、抛光液池和力流变抛光液；所述工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站连接；所述对电极模块固定安装在力流变抛光机上，对电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连；所述参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，参比电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述装置包括工作电极模块、对电极模块、参比电极模块、电化学工作站、力流变抛光机、抛光液池和力流变抛光液；所述工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站连接；所述对电极模块固定安装在力流变抛光机上，对电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连；所述参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，参比电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连。


2.如权利要求1所述工作电极模块包括抛光工件夹具上部、导电滑环、抛光工件、抛光工件夹具下部和导线；所述抛光工件夹具上部包括键槽和导线，抛光工件夹具上部通过键槽与电机输出轴固定连接，导电滑环采用过盈配合方式固定安装在抛光工件夹具上部；抛光工件作为工作电极，通过抛光工件夹具下部固定安装在抛光工件夹具上部，抛光工件通过导线、导电滑环、导线与电化学工作站连接，为旋转运动的抛光工件提供稳定的电流通路。


3.如权利要求1所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述对电极模块包括对电极模块固定夹具、碳刷夹具、碳刷、对电极、导线、导电环和导线，对电极模块固定夹具与力流变抛光机上的对电极模块支撑杆连接，调节紧固螺钉实现对电极模块的升降以及碳刷与导电环接触角度的调整，碳刷夹具通过螺纹连接方式与对电极模块固定夹具连接，碳刷通过螺纹与碳刷夹具固定，对电极安装在抛光液池正上方，并通过导线、导电环、碳刷、导线与电化学工作站相连，为旋转运动的对电极提供稳定的电流通路。


4.如权利要求1所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述参比电极模块包括参比电极、参比电极保护罩和导线，参比电极固定安装在电机安装板上的参比电极固定孔，并通过参比电极保护罩进行保护，参比电极通过导线与电化学工作站相连，为工作电极提供稳定可靠的外加电压，参比电极的类型包括氢电极、甘汞电极、硫酸汞电极、氧化汞电极和氯化银电极。


5.如权利要求1所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述力流变抛光机包括工件自转模块支撑杆、工件自转模块、抛光液池旋转平台、对电极模块支撑杆；所述工件自转模块包括工件自转模块固定夹具、电机连接板、电机安装板和电机，工件自转模块固定夹具与力流变抛光机上的工件自转模块支撑杆连接，调节紧固螺钉实现工件自转模块的升降；电机连接板通过螺栓与工件自转模块固定夹具连接；电机安装板通过螺栓与电机连接板连接，通过圆弧槽改变调节电机安装板的角度，进而优化调节抛光工件与力流变抛光液的接触角度，电机通过螺栓与电极安装板固定。


6.如权利要求1或5所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述抛光液池通过定位销与力流变...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕冰海，江亮，王佳焕，周亚峰，陈宇山，邵琦，袁巨龙，
申请(专利权)人：浙江工业大学，西南交通大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33