一種回轉(zhuǎn)體工件自旋轉(zhuǎn)磨粒流拋光用的夾具及其設(shè)計方法與流程

本發(fā)明涉及回轉(zhuǎn)體工件的表面光整加工技術(shù)，特別是一種適用于回轉(zhuǎn)體工件的磨粒流拋光方法。

背景技術(shù)：

對類似于彈頭、軸承轉(zhuǎn)子等回轉(zhuǎn)體工件的表面光整加工，有加工批量大、表面質(zhì)量要求高等特點，經(jīng)過鑄造、壓鑄等加工方法加工出來的回轉(zhuǎn)體工件表面氧化層較厚、表面缺陷較大，而且回轉(zhuǎn)體工件的正常使用對其圓度和圓柱度要求較高，因此對表面加工均勻性和去除量都有很高的要求，所以傳統(tǒng)的加工方法有加工成本高、效率低、均勻性難以保證等缺陷。

現(xiàn)有對回轉(zhuǎn)體工件的拋光技術(shù)一般多采用化學(xué)拋光、光飾拋光等拋光方法，所采用的拋光裝置自動化程度較低，無法滿足加工批量大的加工特點，從而提高了加工成本，此外對表面的氧化層和缺陷的去除能力較差，甚至產(chǎn)生新的氧化層和缺陷。

磨粒流(Abrasive FlowMachining，簡稱AFM)適應(yīng)于復(fù)雜曲面的表面光整加工，且具有加工效率高、加工成本低等特點。采用傳統(tǒng)的磨粒流加工方法對回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行光整加工雖然能夠很好的去除表面層和缺陷，但是對回轉(zhuǎn)體工件的材料去除不均勻，影響工件的圓度和圓柱度，進(jìn)而影響工件的正常使用。另外采用傳統(tǒng)的磨粒流加工方法加工回轉(zhuǎn)體工件須要對工件進(jìn)行裝夾，然而裝夾處無法進(jìn)行拋光，須要進(jìn)行二次加工，這樣不僅不能滿足材料去除的均勻性要求，而且加工效率很低，二次裝夾會對工件造成夾緊損傷；若是不對工件進(jìn)行夾緊，在加工過程中工件容易和夾具碰撞，磨粒嵌于工件和夾具之間容易對工件產(chǎn)生新的損傷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種既能提高回轉(zhuǎn)體工件光整加工的加工效率、降低加工成本、并實現(xiàn)批量生產(chǎn)，又能解決回轉(zhuǎn)體工件表面材料去除不均勻、裝夾點無法拋光、工件與夾具接觸有損傷問題的回轉(zhuǎn)體工件自旋轉(zhuǎn)磨粒流拋光用的夾具及其設(shè)計方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種回轉(zhuǎn)體工件自旋轉(zhuǎn)磨粒流拋光用的夾具，包括夾具基體和模具，所述的模具分層均布在夾具基體內(nèi)；所述的夾具基體的上蓋板和下蓋板均開有多個流道通孔；所述的夾具基體用于對模具定位并支撐外部機床的壓力；

所述的模具包括流道上板和流道下板，所述的流道上板和流道下板對扣構(gòu)成流道，用于放置待加工的工件；所述的流道上板和流道下板采用硬度較小的材料制成；

所述的流道上板和流道下板均開有通孔，流道上板和流道下板對扣后，流道上板的通孔和流道下板的通孔即構(gòu)成流道的入口和出口；

所述的流道的左側(cè)壁與右側(cè)壁均為不對稱的內(nèi)凹形斜臺表面，前側(cè)壁與后側(cè)壁均為平面；

設(shè)流道的前側(cè)壁和后側(cè)壁的中心連線為x軸、左側(cè)壁和右側(cè)壁的中心連線為y軸、流道上板和流道下板的中心連線為z軸；則在yz平面上，左側(cè)壁的上斜邊與y軸之間和下斜邊與y軸之間均具有角度α₁，右側(cè)壁的上斜邊與y軸之間和下斜邊與y軸之間均具有角度α₂；在xy平面上，左側(cè)壁的前斜邊與y軸之間具有角度β₁，左側(cè)壁的后斜邊與y軸之間具有角度β₂，右側(cè)壁的前斜邊與y軸之間具有角度β₃，右側(cè)壁的后斜邊與y軸之間具有角度β₄。

進(jìn)一步地，所述的模具沿著磨料流動方向即z軸方向分層疊加；在同一層各模具排成平行陣列，即各模具的y軸方向相互平行，且沿x軸方向均布、沿y軸方向均布。

進(jìn)一步地，所述的模具沿著磨料流動方向即z軸方向分層疊加；在同一層各模具排成旋轉(zhuǎn)陣列，即各模具按y軸方向沿徑向均布，按x軸方向沿環(huán)向均布。

進(jìn)一步地，所述的模具沿著磨料流動方向即z軸方向分層疊加，各層之間的模具流道對齊，并與上蓋板和下蓋板上的流道通孔對齊。

進(jìn)一步地，所述的流道上板和流道下板采用洛氏硬度在60到80之間的材料制成，所述的材料包括尼龍或PVC。

進(jìn)一步地，所述的夾具基體分為平行陣列夾具基體和旋轉(zhuǎn)陣列夾具基體；所述的平行陣列夾具基體包括左擋板、右擋板、前擋板、后擋板、上蓋板和下蓋板，所述的左擋板、右擋板、前擋板、后擋板、上蓋板和下蓋板通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘固定連接；所述的旋轉(zhuǎn)陣列夾具基體包括圓筒、上蓋板和下蓋板，所述的圓筒通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘分別連接上蓋板和下蓋板。

一種回轉(zhuǎn)體工件自旋轉(zhuǎn)磨粒流拋光用的夾具的設(shè)計方法，包括以下步驟：

A、根據(jù)工件尺寸確定模具流道尺寸L；模具流道尺寸L的確定原則是既保證工件在批量加工時候的順利裝夾，又保證工件在裝入模具流道后、不會因為磨料流動而產(chǎn)生大范圍的移動；模具流道尺寸L為工件長度的1.01到1.1倍之間；

B、根據(jù)工件的尺寸反求出角度α₁、α₂、β₁、β₂、β₃、β₄；α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的選擇原則是保證工件在模具流道中的順利裝夾且不夾緊，即角度α₁、α₂為限制工件在磨料流動方向運動的角度，角度β₁、β₂、β₃、β₄為限制工件在垂直于磨料流動方向運動的角度；

C、確定偏心距；通過改變角度β₁、β₂、β₃、β₄使工件在流道中偏心放置，即保證偏心距l(xiāng)₁≠l₂，所述的偏心距l(xiāng)₁為流道下板到工件軸線的距離，偏心距l(xiāng)₂為流道上板到工件軸線的距離。

進(jìn)一步地，所述的角度α₁在40-80度之間，角度α₂在40-80度之間。

進(jìn)一步地，所述的角度α₁、α₂、β₁、β₂、β₃、β₄的角度誤差控制在±2度以內(nèi)，所述的偏心距l(xiāng)₁＝(1.3～2)l₂之間。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提出了無夾緊的裝夾方式，通過給定模具流道的大小和壁面的傾斜角度，限制工件的運動，解決了因為被加工工件需要全部拋光而無裝夾點的問題。

2、本發(fā)明通過給定模具流道內(nèi)部壁面傾斜角度使工件在流道中偏心放置，實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體工件在磨料流加工的過程中實現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)，相對于無偏心旋轉(zhuǎn)的磨料流加工方法，提高了表面加工均勻性和降低了表面粗糙度。

3、本發(fā)明的模具可以在單層均勻分布，并且可以沿著磨料流動方向疊加，單次加工的工件數(shù)量多且加工效率高，模具裝拆方便易行，因此可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)體工件的光整加工方法，降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1是回轉(zhuǎn)體工件偏心裝夾方式與流道示意圖。

圖2是回轉(zhuǎn)體工件在模具內(nèi)的裝夾示意圖。

圖3是圖2的A-A剖視圖。

圖4是偏心自旋轉(zhuǎn)磨粒流原理示意圖。

圖5是工件加工時受力分析示意圖。

圖6是流場模型建立示意圖。

圖7是流道在沿著磨料流動方向的分層疊加。

圖8是單層流道的平行陣列方式。

圖9是單層流道的旋轉(zhuǎn)陣列方式。

圖10是平行陣列方式的夾具示意圖。

圖11是圖10的A-A剖視圖。

圖12是圖10的B-B剖視圖。

圖中：1、工件，2、流道上板，3、流道下板，4、穩(wěn)定流動區(qū)，5、擠壓變形區(qū)，7、模具，8、微元體，9、左擋板，10、右擋板，11、內(nèi)六角圓柱頭螺釘，12、前擋板，13、后擋板，14、上蓋板，15、下蓋板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。

圖1為工件1偏心裝夾方式與流道示意圖，也是單個模具7的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2-3所示為用于回轉(zhuǎn)體工件1無夾緊偏心旋轉(zhuǎn)磨料流加工方法的裝夾示意圖(圖示箭頭為磨料流動方向)，從圖中可以看出來，根據(jù)工件1的實際尺寸選擇流道的尺寸，對流道尺寸的選擇應(yīng)該保證以下幾點條件：

(1)如圖2-3所示的流道尺寸L應(yīng)近似等于且略大于工件1的尺寸，一方面保證工件1在批量加工時候的順利裝夾，另一方面保證工件1在裝入流道后，在裝夾過程中工件1不會因為磨料流動而產(chǎn)生大范圍的移動。

(2)根據(jù)工件1的實際尺寸反求出如圖2-3所示的角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄。α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的選擇應(yīng)保證工件1在流道中的順利裝夾且不夾緊，即α₁、α₂(如圖3中斜臺與z方向的角度)為限制工件1在磨料流動方向運動的角度，β₁、β₂(如圖2中夾具流道靠近工件1兩端側(cè)壁與工件1軸線的夾角)為限制工件1在垂直于磨料流動方向運動的角度，以上角度根據(jù)實際工件1的形狀確定其角度，在保證不夾緊的前提下，限制其在磨料流動方向和垂直磨料流動方向上的自由度，一般情況下，為保證實際的加工需要，以上的角度誤差應(yīng)該控制在±2度以內(nèi)。

(3)通過改變上述的β₁和β₂不同，以及β₃和β₄的不同來使工件1在流道中偏心放置，保證有一定的偏心距，即如圖2中的l₁≠l₂，一般情況下l₁＝(1.3～2)l₂之間。

(4)所用的模具7一般采用硬度較低的材料，例如尼龍等，以避免工件1在加工的過程中出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象。

本發(fā)明提出的無夾緊偏心裝夾方法，主要解決了工件1表面需全部拋光與裝夾部分無法拋光到相矛盾的難題。本發(fā)明設(shè)計的無夾緊裝夾方法和原理具體如下：工件1的裝夾滿足上述的條件(2)，即角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的選擇應(yīng)保證工件1在流道中的順利裝夾且不夾緊，限制α₁、α₂大小可以限制工件1在z方向(磨料流動方向)的自由度和沿z方向的自由度，限制β₁、β₂、β₃、β₄大小即限制工件1在沿著y軸(工件1的軸線方向)旋轉(zhuǎn)、x軸方向和沿著x軸方向旋轉(zhuǎn)的自由度。而y軸方向上的自由度可由流道兩側(cè)壁面限制，即裝夾方式應(yīng)滿足上述的條件(1)。因此在滿足上述的限制條件下，工件1運動的所有自由度只有沿著y軸旋轉(zhuǎn)的自由度沒有被限制，從而保證了工件1能夠有效裝夾且能夠沿著其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

上述的角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄的選擇可以根據(jù)工件1的形狀和尺寸確定，具體確定方法可以由電腦輔助設(shè)計(CAD)軟件根據(jù)工件1的尺寸設(shè)計尺寸，具體步驟為：(1)根據(jù)工件1尺寸求得上述的L、l₁和l₂，并確定工件1在流道中所處的位置；(2)根據(jù)工件1兩頭的形狀，畫出流道兩頭的壁面傾斜形狀，即保證工件1不會掉落和完全拋光無遮擋；(3)根據(jù)上面的壁面傾斜形狀在軟件中量出角度α₁、α₂和β₁、β₂、β₃、β₄。

圖4為偏心自旋轉(zhuǎn)磨料流原理示意圖，根據(jù)已知的實驗結(jié)果可以得出結(jié)論：工件1在加工過程中旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磨料流拋光方法可以有效得提高磨料流的加工效率和加工質(zhì)量。本發(fā)明設(shè)計的偏心自旋轉(zhuǎn)裝夾方法和原理具體如下：在實際加工過程中，當(dāng)磨料流經(jīng)工件1時，會出現(xiàn)磨料的擠壓變形，磨料的流動可以分為三個區(qū)：磨料到達(dá)工件1之前的穩(wěn)定流動區(qū)4，磨料流經(jīng)工件1的擠壓變形區(qū)5，磨料流過工件1的穩(wěn)定流動區(qū)4。所以可以做出假設(shè)：工件1兩側(cè)磨料的壓力降是相同的，并且可以近似認(rèn)為工件1兩側(cè)的壓力在z軸方向上的分布近似相同。為方便研究，假設(shè)工件1在流道中是固定不動的，分析工件1此時的受力情況。圖5為工件1的受力分析示意圖，在此時的磨料流動方向上，工件1受如圖5所示的力：磨料和夾具對工件1兩側(cè)的合力F_n1和F_n2；磨料對工件1兩側(cè)剪切應(yīng)力產(chǎn)生的合力F_t1和F_t2；模具7和磨料對工件1在z方向上的支承力N和推力F；工件1兩頭和模具7之間的摩擦力f₁和f₂。工件1在加工過程中實現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)的必要條件是：工件1兩側(cè)剪切應(yīng)力差大于工件1兩頭與夾具接觸處的摩擦力力矩之和，即表示為：│M₁-M₂│>f₁R₁+f₂R₂。工件1一側(cè)的剪切應(yīng)力力矩可以表示為：

$M={\∫}_0^L{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}R\×\mathrm{\τ}\×(R\×d\mathrm{\θ})\×d\mathrm{\σ}={\∫}_0^L{\∫}_{\mathrm{\π}}^{-\mathrm{\π}}{R}^2\mathrm{\τ}d\mathrm{\θ}d\mathrm{\σ}---\left(1\right)$

上式中：M為力矩，N.mm；R為工件1在不同軸向位置的半徑，mm；τ為工件1壁面處的剪切應(yīng)力；L是工件1的長度，mm；l為工件1一側(cè)距離模具7壁面的最小距離，mm；dθ為工件1圓周角度的微分，rad；dσ為長度方向的微分，mm；

為方便分析磨料流經(jīng)流道時的流場變化，首先研究磨料流經(jīng)方管時候的剪切應(yīng)力分布，假設(shè)方管的長度是dz，底面寬為a、長為b，磨料流過方管的壓降為dp，若不考慮介質(zhì)內(nèi)部的摩擦，則方管的剪切應(yīng)力分布可以根據(jù)如下公式求出：

dp·a·b＝2(a+b)·dz·τ (2)

從而得到：

$\mathrm{\τ}=\frac{ab}{2(a+b)}\·\frac{dp}{dz}---\left(3\right)$

如圖6所示的坐標(biāo)系中，為方便分析，可以假設(shè)工件1為圓柱體，當(dāng)磨料流過微元體8的dz長度時，可以近似認(rèn)為磨料流過上述的一段方管，假設(shè)此時的壓力降為dp，代入(3)式可得剪切應(yīng)力為：

$\mathrm{\τ}=\frac{(l+R-\sqrt{R^2-z^2})Ldp}{2\[\left(\right(l+R-\sqrt{R^2-z^2})+L)\]dz}=\frac{1}{2(\frac{1}{L}+\frac{1}{l+R-\sqrt{R^2-z^2}})}\frac{dp}{dz}---\left(4\right)$

其中：

dz＝R·dsinθ (5)

根據(jù)前面的假設(shè)：工件1兩側(cè)磨料的壓力降是相同的，并且可以近似認(rèn)為工件1兩側(cè)的壓力在z軸方向上的分布近似相同。所以，工件1上某點處的剪切應(yīng)力與l有關(guān)。實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)實際需要調(diào)整工件1在裝夾過程中的偏心距，以保證工件1兩側(cè)剪切應(yīng)力的力矩差大于工件1兩頭與模具7接觸處的摩擦力力矩之和，即表示為：│M₁-M₂│>f₁R₁+f₂R₂，從而保證工件1自旋轉(zhuǎn)。

考慮到工件1的光整加工的生產(chǎn)批量很大，因此上述的流道可以在沿著磨料流動方向上進(jìn)行分層疊加，在每一層之間可以陣列疊加。圖7為流道在沿著磨料流動方向的分層疊加示意圖，圖8為單層流道的平行陣列方式，圖9為單層流道的旋轉(zhuǎn)陣列方式。所分的層數(shù)以及單層的陣列個數(shù)應(yīng)該根據(jù)實際的機床參數(shù)而定；考慮到磨料能夠在每層之間順利流過，所以流道的疊加和陣列應(yīng)該保證層與層之間陣列方式全部相同，且每一層之間的流道在模具7安裝過程中應(yīng)該保證對齊。

圖10-12所示是模具7按平行陣列方式排列的夾具示意圖。

所述夾具流道按指定方式均布于模具7的每層中，工件7放置于流道中(工件7自由放置其中，可在一個很小的范圍內(nèi)運動，以方便裝夾和實現(xiàn)偏心旋轉(zhuǎn))。所述模具7為流道上板2和流道下板3對扣而成。所述模具7放置于由左擋板9、右擋板10、上蓋板14、下蓋板15、前擋板12、后擋板13形成的夾具基體內(nèi)，擋板和蓋板之間由內(nèi)六角圓柱頭螺釘11連接和固定，上蓋板14和下蓋板15應(yīng)該開有和流道大小和位置相同的通孔，以方便磨料流動，該夾具基體起到對上蓋板14和下蓋板15的定位和承受機床所施加的壓力。

旋轉(zhuǎn)陣列方式夾具和平行陣列方式夾具相似，所述流道相同，不同的是將由左擋板9、右擋板10、前擋板12、后擋板13形成的矩形筒體換成圓筒筒體，上蓋板14和下蓋板15的通孔的分布方式和所采用的陣列方式相同。

本發(fā)明的拋光方法包括以下步驟：

A、根據(jù)工件1尺寸、磨料物性參數(shù)和機床參數(shù)，確定工件1裝夾時的偏心距，即確定偏心距l(xiāng)₁和l₂數(shù)值；

B、根據(jù)工件1尺寸和偏心距l(xiāng)₁和l₂設(shè)計模具7的尺寸，所述的模具7的尺寸包括流道尺寸L和角度α₁、α₂、β₁、β₂、β₃、β₄；

C、根據(jù)工件1加工批量的大小、加工要求以及機床的參數(shù)，設(shè)計模具7在夾具基體內(nèi)的布局方式，所述的布局方式包括同層排列方式和層數(shù)，所述的排列方式包括平行陣列和旋轉(zhuǎn)陣列；

D、根據(jù)步驟D的布局方式，逐個安裝模具7和工件1；每個模具7和工件1的安裝步驟如下：安裝流道下板3；放入工件1；將流道上板2對扣在流道下板3上；

F、按照規(guī)定流程對所有工件1進(jìn)行拋光。

本發(fā)明不局限于本實施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護(hù)范圍。