阅读说明：本技术 利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料的方法 (Method for polishing hard materials using a molded rod pressed with wood fiber wet powder ) 是由 何利华 罗冬妮 王昱晨 龚适 施锦磊 倪敬 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料的方法。目前各种硬质材料表面的精密、超精密加工制造较为困难,精度不一致,光泽保持时间不长。本发明将木纤维粉末和竹纤维丝浸泡纳米水溶性乳化液后压制成模压棒抛光工具,与安装在机床的电主轴上待加工工件进行对抛。本发明的模压棒抛光工具同时含有溶液和纳米颗粒,提高其韧性和耐磨性,从而改善模压成形模压棒抛光工具的加工性能,提高了加工效率和工件表面光洁度,同时保护工件表面,不会对工件造成损伤,光泽保持时间长,适用于精密、超精密加工制造,以及复杂零件加工；模压棒抛光工具制造方便,制造成本低。(The invention discloses a method for polishing hard materials using a molded rod pressed with wood fiber wet powder. The precision and ultra-precision processing and manufacturing of the surfaces of various hard materials are difficult at present, the precision is inconsistent, and the gloss retention time is short. According to the invention, wood fiber powder and bamboo fiber are soaked in nano water-soluble emulsion and then pressed into a mold pressing rod polishing tool, and the mold pressing rod polishing tool is used for polishing a workpiece to be processed, which is arranged on an electric spindle of a machine tool. The die pressing rod polishing tool disclosed by the invention contains the solution and the nano particles simultaneously, so that the toughness and the wear resistance of the die pressing rod polishing tool are improved, the processing performance of the die pressing forming die pressing rod polishing tool is improved, the processing efficiency and the surface smoothness of a workpiece are improved, the surface of the workpiece is protected, the workpiece cannot be damaged, the gloss retention time is long, and the die pressing rod polishing tool is suitable for precision and ultra-precision processing and complex part processing; the die pressing rod polishing tool is convenient to manufacture and low in manufacturing cost.)

利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料的方法

技术领域

本发明属于材料表面的加工与制造技术领域，特别涉及一种利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料的方法。

背景技术

抛光在材料表面的加工与制造中具有较高的精度，是机械加工中不可缺少的一步，抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光主要分为机械抛光、化学抛光、电化学抛光等。在机械抛光中，通常采用抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行修饰加工，但其加工表面光洁度不高，无法加工复杂零件，同时磨料硬度较高，容易对工件表面造成细微损伤；化学抛光是依靠化学试剂的化学浸蚀对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用，来消除磨痕、浸蚀整平的一种方法，但其使用的化学溶液对环境有一定危害，且溶液调整和再生比较困难，应用受限。电化学抛光以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果，但该方式的工艺复杂，成本极高。基于此，有必要针对抛光过程的环保性、加工精度和工艺复杂等问题，提供一种对环境无害、加工精度高和工艺简单的抛光方法。

目前，在相关领域并没有采用湿木作为刀具抛光硬质材料的方法与装置，如申请专利号为201810587750.1(申请公布号为108714832A，申请公布日为2018年10月30日)的专利公开了一种抛光机，包括：机架；位于所述机架上抛光盘；用于控制所述抛光盘运转的驱动机构，所述驱动机构包括第一驱动杆和驱动电机，所述第一驱动杆与所述抛光盘相连；所述抛光盘的抛光面上均匀开设有若干大小相同、呈中心对称的弧形凹槽，以及将所述弧形凹槽相连通的连通槽，所述抛光盘的抛光面的中心为若干所述弧形凹槽的对称中心。上述抛光机在抛光过程中，因蛇形的弧形凹槽之间通过弧形连通槽相通。无论抛光盘跟随抛光机是做左右摆臂运动还是圆周运动，抛光液均可以做周期性的随摆，以使抛光液尽可能的在弧形凹槽中均匀分散，这样待抛光制品的表面可均匀接收抛光液，进而使抛光制品表面抛光平整。该发明机构简单、使用方便，采用独特的弧形凹槽存储抛光液对工件进行抛光，但其抛光盘的平面结构只能加工简单的平面零件，无法加工具有复杂平面的零件。申请专利号为201710722593.6(授权公告号为CN 107398783B，授权公告日为2019年5月21日)的专利公开了一种金属材料表面纳米级形貌加工方法及装置。该发明针对待加工金属工件材料，选择不同材料的刀具；根据在金属工件上获得的预设纳米级形貌中刀具的分子或原子数量预设范围，调节超声振动装置的振动频率以及振幅；夹紧气缸带动夹具夹紧待加工金属工件；XY驱动台将金属工件的初始加工位置定位到刀具正下方；启动超声振动装置，使刀具在加工前微振动；工件移动平台和微量进给装置的配合运动，且微量进给装置按预设进给量进给，加工出金属工件的预设纳米级形貌。该发明利用软刀具向金属工件表面传质扩散成传质膜，从而改变工件表面能量梯度，不会对工件造成损害，但该发明没有使用传统加工中常用的冷却液体，在加工过程中会影响加工效果，降低加工效率。

发明内容

本发明的目的是针对目前各种硬质材料表面的精密、超精密加工制造较为困难，而传统机械抛光技术劳动强度大，复杂零件无法加工，精度不一致，光泽保持时间不长的问题，提供一种利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来加工硬质材料(如陶瓷、玻璃等脆硬材料，钨钴类硬质合金、钨钛钴类硬质合金等合金材料)的方法。本发明是一种类似“软抛”的方式，是采用硬度较大的木材制成的粉末，经浸润后模压成木棒，以此作为工具来抛光硬质工件表面的方法；是一种在加工时利用纳米乳化液浸泡木屑，实现以“湿木棒”作为抛光工具的方法；是一种作为抛光工具的“湿木棒”中同时包含了液体和纳米颗粒的加工方法；是一种可在抛光过程中发挥液体冷却润滑作用的加工方法；是一种在加工过程中抛光工具和工件都能转动，能实现对抛，且旋转方向可调节的加工方法与装夹方式。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料的方法，具体步骤如下：

步骤一、制作模压棒抛光工具；

1.1制备模压原料：选用硬质木材(如梨木、橡木、樟木等)的废料放入打磨机中打磨，打磨后形成打磨料，利用孔径小于或等于500μm的筛筛选打磨料，制成木纤维粉末。然后将毛竹放入破碎机中进行破碎得到毛竹碎块，使用刨花机对毛竹碎块进行刨花，再将刨花后的毛竹拉成竹纤维丝。最后，将木纤维粉末和竹纤维丝按质量比为4：1组成模压原料。

1.2干燥模压原料：将模压原料放入鼓风烘箱中，80℃干燥24h。

1.3浸润模压原料：将干燥的模压原料放入纳米水溶性乳化液中浸泡10-15天，使纳米水溶性乳化液渗透至模压原料中。

1.4混合搅拌：将浸润纳米水溶性乳化液后的模压原料放入搅拌机，在25℃环境下搅拌至少12分钟，再将质量为模压原料2-4％的胶粘剂和质量为模压原料1.5-5％的固化剂混合后加入搅拌机中，在80℃环境下，搅拌至少25分钟，得到半成品材料。

1.5模压成型：将半成品材料放入带有模具钢的手动挤压机进行挤压，得到圆柱形模压棒抛光工具。

步骤二、将待加工工件固定安装在机床的电主轴上，将模压棒抛光工具固定安装在抛光工具旋转装置上。

步骤三、机床的三轴联动装置实现电主轴和待加工工件同步在工作空间内移动，使待加工工件定位到模压棒抛光工具上方；然后三轴联动装置实现电主轴和待加工工件同步沿Z向平移到待加工工件与模压棒抛光工具接触。

步骤四、设置顺抛或逆抛方式，设置电主轴的转速、模压棒抛光工具的转速、对抛时间、三轴联动装置驱动待加工工件沿X向往复移动速度、三轴联动装置驱动待加工工件沿Z向进给量、三轴联动装置驱动待加工工件沿Z向进给次数以及相邻两次进给的时间间隔。

步骤五、启动抛光工具旋转装置实现模压棒抛光工具绕Y向旋转，同时启动电主轴实现待加工工件绕Z向旋转，从而实现模压棒抛光工具与待加工工件按照步骤四设置的各参数进行对抛。

步骤六、三轴联动装置复位，取下待加工工件测量表面粗糙度，若表面粗糙度小于10nm，则抛光结束，否则执行下一步。

步骤七、将待加工工件固定安装在机床的电主轴上，重复步骤四、步骤五和步骤六。

进一步，所述竹纤维丝的直径小于500μm，长度为20-30mm。

进一步，所述的抛光工具旋转装置置于电主轴下方，主要由旋转电机、三爪夹头、模压棒抛光工具和顶针装置组成；模压棒抛光工具一端由三爪夹头夹紧，另一端由顶针装置压紧。

进一步，三轴联动装置驱动待加工工件沿Z向进给次数设置为10次，且相邻两次进给的时间间隔为对抛时间的十分之一；若待加工工件维氏硬度小于200(如钛合金、铝合金等)，则采用顺抛方式，设置对抛时间不少于30min，三轴联动装置驱动待加工工件沿Z向进给量为20-30μm；若待加工工件维氏硬度不小于200(如不锈钢等)，则采用逆抛方式，设置对抛时间不少于90min，三轴联动装置驱动待加工工件沿Z向进给量为10-20μm。

进一步，右手定则定义为：右手四指指向旋转方向，右手大拇指所指的就是Y轴或Z轴正向；左手定则定义为：左手四指指向旋转方向，左手大拇指所指的就是Y轴或Z轴负向；顺抛定义为：待加工工件的转向和模压棒抛光工具的转向同时符合右手定则，或同时符合左手定则；逆抛定义为：待加工工件的转向和模压棒抛光工具的转向有一个符合右手定则，另一个符合左手定则。

进一步，所述电主轴的转速为7000-10000r/min。

进一步，所述模压棒抛光工具的转速为0-1000r/min。

进一步，所述三轴联动装置驱动待加工工件沿X向往复移动速度0-2000mm/min。

本发明具有的有益效果：

1、本发明所使用的模压棒抛光工具主要成分为木纤维粉末和竹纤维丝；将木纤维粉末和竹纤维丝进行干燥处理，减少其自身水分对模压成形模压棒抛光工具的影响；将木纤维粉末和竹纤维丝进行润湿处理，使原料中同时含有溶液和纳米颗粒，提高其韧性和耐磨性，从而改善模压成形模压棒抛光工具的加工性能。本发明所使用的模压棒抛光工具制造方便，制造成本低。

2、本发明利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料，是“以柔克刚”的一种加工方式；采用将工具和工件共同旋转的对抛方式进行抛光，提高了加工效率和工件表面光洁度，同时保护工件表面，不会对工件造成损伤，光泽保持时间长，适用于精密、超精密加工制造，以及复杂零件加工。

附图说明

图1为本发明采用的装置结构立体图。

图2为本发明采用的装置侧视图。

图3为本发明采用的抛光工具旋转装置结构立体图。

图4(a)为本发明中模压棒抛光工具和待加工工件采用符合右手定则的顺抛方式对抛的示意图。

图4(b)为本发明中模压棒抛光工具和待加工工件采用符合左手定则的顺抛方式对抛的示意图。

图4(c)为本发明中模压棒抛光工具采用符合右手定则和待加工工件采用符合左手定则的顺抛方式对抛的示意图。

图4(d)为本发明中模压棒抛光工具采用符合左手定则和待加工工件采用符合右手定则的顺抛方式对抛的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

利用木纤维润湿粉末压制的模压棒来抛光硬质材料的方法，具体步骤如下：

步骤一、制作模压棒抛光工具13；

1.1制备模压原料：将橡木的废料放入打磨机中打磨，打磨后形成打磨料，利用孔径为50μm的筛筛选打磨料，得到木纤维粉末(粒径小于或等于50μm)。然后将毛竹放入破碎机中进行破碎得到毛竹碎块，使用刨花机对毛竹碎块进行刨花，再将刨花后的毛竹拉成竹纤维丝(直径为50μm，长度为20-30mm)；最后，将木纤维粉末和竹纤维丝按质量比为4：1组成模压原料。

1.2干燥模压原料：将模压原料放入鼓风烘箱中，80℃干燥24h(除去木纤维粉末和竹纤维丝中原有的水分)。

1.3浸润模压原料：将干燥的模压原料放入纳米水溶性乳化液中浸泡10天，使纳米水溶性乳化液渗透至模压原料中。

1.4混合搅拌：将浸润纳米水溶性乳化液后的模压原料放入搅拌机，在25℃环境下，搅拌至少12分钟；然后，选用如下胶粘剂原料按质量份数比为：玉米和糯米混合淀粉(按质量比为1:2配比混合)30份、食用乙醇10份、食用白醋10份、食品级防腐剂1份，配制成胶粘剂；选用如下固化剂原料按质量份数比为：环氧大豆油15份、脱脂大豆粉5份、潜固化剂1份，配制成固化剂，将胶粘剂和固化剂混合后加入搅拌机中，在80℃环境下，搅拌25分钟，得到半成品材料。其中，加入的胶粘剂质量为模压原料质量的3％，加入的固化剂质量为模压原料质量的3％。

1.5模压成型：将半成品材料放入带有模具钢的手动挤压机进行挤压，得到圆柱形模压棒抛光工具13。

步骤二、将待加工工件10固定安装在机床1的电主轴8上，将模压棒抛光工具13固定安装在抛光工具旋转装置上。

其中，如图1、图2和图3所示，电主轴8的座体固定安装在机床上三轴联动装置的Z向移动装置7的滑台上；三轴联动装置主要由X向驱动电机4、Y向驱动电机3、Z向驱动电机6、X向移动装置5、Y向移动装置2和Z向移动装置7组成；X向驱动电机4驱动X向移动装置5在X方向移动；Y向驱动电机3驱动Y向移动装置2在Y方向移动；Z向驱动电机6驱动电主轴8、主轴夹持9和待加工工件10同步在Z方向移动；待加工工件10通过电主轴8实现绕Z向正反转。X向移动装置5、Y向移动装置2和Z向移动装置7均为单轴直线模组，包括滚珠丝杆、滑台、直线导轨和支撑座；滚珠丝杆的丝杆与支撑座构成转动副；滚珠丝杆上的螺母与直线导轨构成滑动副；滑台与滚珠丝杆上的螺母固定；X向驱动电机4的输出轴与X向移动装置5的丝杆通过联轴器连接，Y向驱动电机3的输出轴与Y向移动装置2的丝杆通过联轴器连接，Z向驱动电机6的输出轴与Z向移动装置7的丝杆通过联轴器连接；X向移动装置5的支撑座固定在Y向移动装置2的滑台上，Y向移动装置2的支撑座固定在机架上，Z向移动装置7的支撑座固定在X向移动装置5的滑台上。

抛光工具旋转装置置于电主轴8下方，主要由旋转电机11、三爪夹头12、模压棒抛光工具13和顶针装置14组成；模压棒抛光工具13一端由三爪夹头12夹紧，另一端由顶针装置14压紧；顶针装置14采用现有车床上的成熟技术，可根据模压棒抛光工具13的不同长度在Y向调节位置实现模压棒抛光工具13的压紧；旋转电机11驱动三爪夹头12绕Y向正反转。

步骤三、机床的三轴联动装置实现电主轴8和待加工工件10同步在工作空间内移动，使待加工工件10定位到模压棒抛光工具13上方；然后三轴联动装置实现电主轴8和待加工工件10同步沿Z向平移到待加工工件10与模压棒抛光工具13接触。

步骤四、如图4(a)和4(b)所示，本实施例中待加工工件10选用铝合金材料，采用顺抛方式，电主轴的转速设置为9000r/min，模压棒抛光工具的转速设置为1000r/min，对抛时间设置为30min，三轴联动装置驱动待加工工件10沿X向往复移动速度设置为1500mm/min，三轴联动装置驱动待加工工件10沿Z向进给量设置为20μm，三轴联动装置驱动待加工工件10沿Z向进给次数设置为10次，且间隔3分钟进给一次。

右手定则定义为：右手四指指向旋转方向，右手大拇指所指的就是Y轴或Z轴正向；左手定则定义为：左手四指指向旋转方向，左手大拇指所指的就是Y轴或Z轴负向；如图4(a)和4(b)所示，顺抛定义为：待加工工件10的转向和模压棒抛光工具13的转向同时符合右手定则，或同时符合左手定则；如图4(c)和4(d)所示，逆抛定义为：待加工工件10的转向和模压棒抛光工具13的转向有一个符合右手定则，另一个符合左手定则。

步骤五、启动抛光工具旋转装置实现模压棒抛光工具13绕Y向旋转，同时启动电主轴8实现待加工工件10绕Z向旋转，从而实现模压棒抛光工具13与待加工工件10按照步骤四设置的各参数进行对抛。

步骤六、三轴联动装置复位，取下待加工工件10测量表面粗糙度，若表面粗糙度小于10nm，则抛光结束，否则执行下一步。

步骤七、将待加工工件10固定安装在机床的电主轴8上，重复步骤四、步骤五和步骤六。