一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法
阅读说明：本技术 一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法 (Water-bath heating-assisted small ball head magnetorheological polishing method ) 是由 刘赫男 田金川 陈明君 程健 吴春亚 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法,它属于研抛加工技术领域,具体涉及一种小球头磁流变抛光方法。本发明的目的是要解决现有小球头磁流变抛光技术加工工件时存在抛光效率较低的问题。方法：一、配置磁流变液；二、将磁流变液倒入搅拌器中；三、装卡被加工工件；四、调整抛光工具头的球心位置；五、编写加工轨迹程序,并导入机床控制软件中,调整将抛光头加工轨迹；六、调整抛光头位置；七、组装磁流变液循环回路；八、将硅胶软管放入恒温水浴锅中；九、设定恒温水浴锅的温度；十、调整恒温水浴锅的设定温度；十一、放置磁流变液挡板,开启抛光工具头主轴和工件主轴；十二、对被加工工件进行抛光。本发明主要用于小球头磁流变抛光。(A small ball head magnetorheological polishing method based on water bath heating assistance belongs to the technical field of polishing processing, and particularly relates to a small ball head magnetorheological polishing method. The invention aims to solve the problem of low polishing efficiency when the existing small ball head magnetorheological polishing technology is used for processing workpieces. The method comprises the following steps: firstly, preparing magnetorheological fluid; secondly, pouring the magnetorheological fluid into a stirrer; thirdly, clamping the processed workpiece; fourthly, adjusting the position of the spherical center of the polishing tool head; fifthly, compiling a machining track program, importing the program into machine tool control software, and adjusting the machining track of the polishing head; sixthly, adjusting the position of the polishing head; seventhly, assembling a magnetorheological fluid circulation loop; eighthly, placing the silica gel hose into a constant-temperature water bath kettle; ninth, setting the temperature of the constant-temperature water bath kettle; tenthly, adjusting the set temperature of the constant-temperature water bath kettle; placing a magnetorheological fluid baffle, and opening a main shaft of the polishing tool head and a main shaft of the workpiece; and twelfth, polishing the workpiece to be processed. The invention is mainly used for the magnetorheological polishing of the small ball head.)
技术领域
本发明属于研抛加工技术领域，具体涉及一种小球头磁流变抛光方法。
背景技术
近年来，随着科学研究的不断深入，各种新技术、新理论不断被应用到新一代工业产品的设计中，小尺寸复杂结构零件成为一些工业产品的核心器件，这些零件的加工质量直接影响产品的使用性能，通常，其表面粗糙度要求达到纳米级、形状精度要求达到亚微米级甚至更低，需要经过超精密研抛加工，才能满足其精度和表面质量的要求。
采用传统的接触式抛光方法难以对复杂结构零件的表面进行有效抛光，且接触式抛光会对零件表面施加压力，容易使零件发生变形甚至破碎。为此，可采用小球头磁流变抛光的方法对小尺寸复杂结构零件进行超精密抛光。在磁流变抛光过程中，永磁材料制成的抛光工具头不与工件表面直接接触，它跟工件之间留有一定的间隙，使磁流变液能够从中流过，可大幅减少抛光时对零件表面的压力；借助小尺寸抛光工具头，可实现对复杂结构零件中的小曲率半径面型位置的有效抛光。该抛光方法的核心是磁流变液，它由非磁性基液、微米级磁性颗粒、微米级抛光粉、稳定剂等原料按特定顺序配制而成，它的特点是在有无磁场作用时表现出截然不同的流变特性：在无磁场作用时，磁流变液表现为低粘度的牛顿流体特性；有磁场作用时，磁流变液表现为高粘度、类固体状态。抛光工具头由用永磁材料烧结钕铁硼制成的头端和不锈钢杆粘接而成，当磁流变液流经用抛光工具头与工件之间的间隙时，受到来自工具头的外加磁场作用，磁流变液中的磁性微粒在毫秒级时间内包覆在抛光头表面，并与工件表面形成收敛间隙。在抛光过程中，含有磨粒的磁流变液在收敛间隙中流动，形成一层“液体膜”，“液体膜”中的磨粒与工件表面相互作用，从而使工件表面材料被去除，达到抛光的效果；从间隙中流出后，磁场作用消失，磁流变液又会立刻恢复成低粘度液体正常流动。
在磁流变抛光过程中，由于磁流变液粘度较高，其在抛光间隙中的流动性较低，导致“液体膜”的流速较低，使磨粒与工件表面相互作用时的速度和频率较低，限制了抛光效率的提高。
发明内容
本发明的目的是要解决使用现有小球头磁流变抛光技术加工工件时由于磁流变液粘度较高，使磁流变液在抛光间隙中的流动性较低，导致抛光效率较低的问题，而提供一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法。
一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配置磁流变液：将纤维素加入100℃热水中并搅拌均匀，然后加入20℃常温水并再次搅拌均匀，再加入氧化铈抛光粉并搅拌均匀，最后加入羰基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液；所述纤维素与100℃热水的质量比为3.5:(480～520)；所述纤维素与20℃常温水的质量比为3.5:(400～420)；所述纤维素与氧化铈抛光粉的质量比为3.5:(165～200)；所述纤维素与羰基铁粉的质量比为3.5:(2050～2150)；
二、将磁流变液倒入搅拌器的存储罐中，磁流变液使用前进行搅拌；
三、将被加工工件装卡至主轴上，使用千分表测量工件不同位置的径向圆跳动，若跳动大于5μm，重新装卡，至跳动维持在5μm以内；
四、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光工具头的球心位置，使其与C轴转台的回转中心线重合；
五、编写加工轨迹程序，并导入机床控制软件中，利用机床控制软件中的刀具长度补偿指令G43，将抛光头加工轨迹向远离工件的方向偏移0.1mm；
六、操作机床调整抛光头位置，使抛光头位于加工起点位置；
七、在被加工工件下方放置磁流变液回收底座，按磁流变液流动方向利用硅胶软管先将搅拌器、供给蠕动泵、万向竹节管喷头依次相连，再将磁流变液回收底座、回收蠕动泵、搅拌器依次相连，并将磁流变液回收底座放置在万向竹节管喷头下方，形成闭合的磁流变液循环回路；
八、将供给蠕动泵和万向竹节管喷头之间的硅胶软管中间部分盘成卷，并放入恒温水浴锅中；
九、按照需求向恒温水浴锅中加水，按照磁流变液目标温度对恒温水浴锅进行温度设定，然后使恒温水浴锅升温至设定温度；
十、当恒温水浴锅升温至设定温度后，打开搅拌器流出阀门，开启蠕动泵，通过硅胶软管向加工区域持续泵入磁流变液，并用手持探针式温度传感器测量万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度，若万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度低于磁流变液目标温度，通过调整恒温水浴锅的设定温度至万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度达到磁流变液目标温度；
十一、在被加工工件四周放置磁流变液挡板，开启抛光工具头主轴，使抛光头以7000r/min旋转，开启工件主轴，使工件以90r/min旋转；
十二、执行步骤五编写的加工轨迹程序对被加工工件进行抛光。
本发明的优点：
一、磁流变液的粘度与温度密切相关，温度越高，粘度越低，本发明通过水浴加热降低磁流变液粘度，提高“液体膜”流动速度，增大磨粒与工件表面相互作用时的速度和频率，提升抛光效率。
二、采用恒温水浴锅，可在20～80℃的温度范围区间内调整磁流变液温度，使磁流变液粘度降低至室温时的1/3～1/10，可以提高磁流变液的流动性，促进抛光区域磁流变液更替，使抛光材料去除率最大可超过0.02mm3/min，相比于不加热磁流变液时的材料去除率，抛光效率可提高120％以上。
三、不加热磁流变液时的抛光表面粗糙度Ra为5nm～8nm，通过加热磁流变液，抛光表面粗糙度Ra能够达到3nm～5nm，因此，水浴加热辅助磁流变抛光不仅能够提高抛光去除效率，还可以进一步降低表面粗糙度；
四、本发明方法对磁流变液的稳定性、抗沉降性等特性无负影响，可用于工件的持续抛光加工；
五、本发明方法具有一定普适性，可推广用于在小球头磁流变抛光中降低磁流变液粘度，改善流动性，提高抛光去除效率。
附图说明
图1是实施例1中所述四轴三联动超精密小球头磁流变抛光机床的结构示意图；
图2是实施例1中恒温水浴锅的结构示意图；
图3是实施例1中步骤七中所述磁流变液循环的流程示意图；
图中，1-C轴转台、2-U轴连接架、3-工具主轴固定架、4-工具主轴、5-抛光工具、6-磁流变液回收底座、7-水平工作台、8-工件主轴保护罩、9-被加工工件、10-工件主轴、11-硅胶软管、12-U轴保护罩、13-U轴、14-恒温水浴锅、15-万向竹节管喷头、16-回收蠕动泵、17-搅拌器、18-供给蠕动泵。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配置磁流变液：将纤维素加入100℃热水中并搅拌均匀，然后加入20℃常温水并再次搅拌均匀，再加入氧化铈抛光粉并搅拌均匀，最后加入羰基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液；所述纤维素与100℃热水的质量比为3.5:(480～520)；所述纤维素与20℃常温水的质量比为3.5:(400～420)；所述纤维素与氧化铈抛光粉的质量比为3.5:(165～200)；所述纤维素与羰基铁粉的质量比为3.5:(2050～2150)；
二、将磁流变液倒入搅拌器的存储罐中，磁流变液使用前进行搅拌；
三、将被加工工件装卡至主轴上，使用千分表测量工件不同位置的径向圆跳动，若跳动大于5μm，重新装卡，至跳动维持在5μm以内；
四、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光工具头的球心位置，使其与C轴转台的回转中心线重合；
五、编写加工轨迹程序，并导入机床控制软件中，利用机床控制软件中的刀具长度补偿指令G43，将抛光头加工轨迹向远离工件的方向偏移0.1mm；
六、操作机床调整抛光头位置，使抛光头位于加工起点位置；
七、在被加工工件下方放置磁流变液回收底座，按磁流变液流动方向利用硅胶软管先将搅拌器、供给蠕动泵、万向竹节管喷头依次相连，再将磁流变液回收底座、回收蠕动泵、搅拌器依次相连，并将磁流变液回收底座放置在万向竹节管喷头下方，形成闭合的磁流变液循环回路；
八、将供给蠕动泵和万向竹节管喷头之间的硅胶软管中间部分盘成卷，并放入恒温水浴锅中；
九、按照需求向恒温水浴锅中加水，按照磁流变液目标温度对恒温水浴锅进行温度设定，然后使恒温水浴锅升温至设定温度；
十、当恒温水浴锅升温至设定温度后，打开搅拌器流出阀门，开启蠕动泵，通过硅胶软管向加工区域持续泵入磁流变液，并用手持探针式温度传感器测量万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度，若万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度低于磁流变液目标温度，通过调整恒温水浴锅的设定温度至万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度达到磁流变液目标温度；
十一、在被加工工件四周放置磁流变液挡板，开启抛光工具头主轴，使抛光头以7000r/min旋转，开启工件主轴，使工件以90r/min旋转；
十二、执行步骤五编写的加工轨迹程序对被加工工件进行抛光。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述纤维素与100℃热水的质量比为3.5:(490～510)。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述纤维素与100℃热水的质量比为3.5:500。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述纤维素与20℃常温水的质量比为3.5:(405～415)。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤一中所述纤维素与20℃常温水的质量比为3.5:412。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述纤维素与氧化铈抛光粉的质量比为3.5:(166～170)。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤一中所述纤维素与氧化铈抛光粉的质量比为3.5:168。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤一中所述纤维素与羰基铁粉的质量比为3.5:(2080～2120)。其他与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤一中所述纤维素与羰基铁粉的质量比为3.5:2100。其他与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤一中步骤二中磁流变液使用前在转速为550rpm～750rpm下搅拌1h～1.5h。其他与具体实施方式一至九相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果：
实施例1：一种基于水浴加热辅助的小球头磁流变抛光方法，采用四轴三联动超精密小球头磁流变抛光机床，并配置恒温水浴锅，具体是按以下步骤完成的：
一、配置磁流变液：将3.5g纤维素加入500g 100℃热水中并搅拌均匀，然后加入412g20℃常温水并再次搅拌均匀，再加入168g氧化铈抛光粉并搅拌均匀，最后加入2100g羰基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液；
二、将磁流变液倒入搅拌器的存储罐中，磁流变液使用前在转速为650rpm下搅拌1.2h；
三、将被加工工件装卡至主轴上，使用千分表测量工件不同位置的径向圆跳动，若跳动大于5μm，重新装卡，至跳动维持在5μm以内；
四、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光工具头的球心位置，使其与C轴转台的回转中心线重合；
五、编写加工轨迹程序，并导入机床控制软件中，利用机床控制软件中的刀具长度补偿指令G43，将抛光头加工轨迹向远离工件的方向偏移0.1mm；
六、操作机床调整抛光头位置，使抛光头位于加工起点位置；
七、在被加工工件下方放置磁流变液回收底座，按磁流变液流动方向利用硅胶软管先将搅拌器、供给蠕动泵、万向竹节管喷头依次相连，再将磁流变液回收底座、回收蠕动泵、搅拌器依次相连，并将磁流变液回收底座放置在万向竹节管喷头下方，形成闭合的磁流变液循环回路；
八、将供给蠕动泵和万向竹节管喷头之间的硅胶软管中间部分盘成卷，并放入恒温水浴锅中；
九、按照需求向恒温水浴锅中加水，按照磁流变液目标温度对恒温水浴锅进行温度设定，然后使恒温水浴锅升温至设定温度；
十、当恒温水浴锅升温至设定温度后，打开搅拌器流出阀门，开启蠕动泵，通过硅胶软管向加工区域持续泵入磁流变液，并用手持探针式温度传感器测量万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度，若万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度低于磁流变液目标温度，通过调整恒温水浴锅的设定温度至万向竹节管喷头出口位置的磁流变液温度达到磁流变液目标温度；
十一、在被加工工件四周放置磁流变液挡板，开启抛光工具头主轴，使抛光头以7000r/min旋转，开启工件主轴，使工件以90r/min旋转；
十二、执行步骤五编写的加工轨迹程序对被加工工件进行抛光。
对比例1：无恒温水浴锅对比：
一、配置磁流变液：将3.5g纤维素加入500g 100℃热水中并搅拌均匀，然后加入412g20℃常温水并再次搅拌均匀，再加入168g氧化铈抛光粉并搅拌均匀，最后加入2100g羰基铁粉，搅拌均匀，得到磁流变液；
二、将磁流变液倒入搅拌器的存储罐中，磁流变液使用前在转速为650rpm下搅拌1.2h；
三、将被加工工件装卡至主轴上，使用千分表测量工件不同位置的径向圆跳动，若跳动大于5μm，重新装卡，至跳动维持在5μm以内；
四、借助CCD相机和放大镜头，调整抛光工具头的球心位置，使其与C轴转台的回转中心线重合；
五、编写加工轨迹程序，并导入机床控制软件中，利用机床控制软件中的刀具长度补偿指令G43，将抛光头加工轨迹向远离工件的方向偏移0.1mm；
六、操作机床调整抛光头位置，使抛光头位于加工起点位置；
七、在被加工工件下方放置磁流变液回收底座，按磁流变液流动方向利用硅胶软管先将搅拌器、供给蠕动泵、万向竹节管喷头依次相连，再将磁流变液回收底座、回收蠕动泵、搅拌器依次相连，并将磁流变液回收底座放置在万向竹节管喷头下方，形成闭合的磁流变液循环回路；
八、在被加工工件四周放置磁流变液挡板，开启抛光工具头主轴，使抛光头以7000r/min旋转，开启工件主轴，使工件以90r/min旋转；
九、执行步骤五编写的加工轨迹程序对被加工工件进行抛光。
分别统计计算实施例1和对比例1抛光材料去除率，并检测实施例1和对比例1抛光后被加工工件的抛光表面粗糙度，若表1所示。
表1
抛光材料去除率(mm<sup>3</sup>/min)
抛光表面粗糙度Ra(nm)
实施例1
0.02
4.1
对比例1
0.01
6.1
通过表1可知，本发明通过使用水浴加热辅助的小球头磁流变抛光技术，抛光材料去除率最大达到0.02mm3/min，而抛光表面粗糙度Ra能够达到4.1nm，而现有的普通小球头磁流变抛光技术(对比例1)，抛光材料去除率仅为0.01mm3/min，抛光表面粗糙度Ra为6.1nm。且通过抛光效率的计算克制，与对比例1相比，实施例1抛光方法的抛光效率提高120％以上。
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