基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置及其方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，具体涉及一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置及其方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展，对飞行器导流罩等高陡度腔体表面提出了高精度、高可靠性等性能要求。导流罩在高速飞行中会与复杂气流形成强烈的相对运动，优良的导流罩能有效减小飞行器高速飞行时的空气阻力、提高折射率分布的均匀性、降低风噪、降低燃油消耗和提高飞行稳定性。因此，高陡度腔体成为愈发重要的元件，它的几何面型和表面形貌在空气动力学、气动光学、成像质量学和制导精度上都有巨大影响和应用。如今的高陡度腔体需具有高精度等级、低表面粗糙度、耐热性和高稳定性的综合性能要求。

目前高陡度腔体表面的传统抛光方法主要以小磨头抛光和人工抛光为主，小磨头抛光方法利用计算机控制表面成型技术控制小磨头的抛光轨迹和时间。抛光过程中，抛光头与工件表面的抛光压力、抛光时间和抛光轨迹尤为重要。但是小磨头与高陡度腔体表面的曲面不能很好吻合，加工得到的腔体表面无法满足要求。人工抛光能得到较好的表面形貌，但人工抛光效率低下、表面均匀性得不到保障且在操作中容易出现工件损伤等意外。在上述方法的基础上得出，高陡度腔体表面现有的抛光方式较少，且利用现有的抛光方式得到的表面效果不理想，表面无法达到较高精度。由于高陡度内腔结构的复杂性，想要对内部表面均匀加工难度大。柔性抛光工具利用激光检测技术，保证抛光加工位置和加工距离的准确性。力流变抛光利用非牛顿流体的流变特性，抛光液从通孔溢出，在纤维抛光头表面形成“柔性固着磨具”，其同表面接触时会产生形变从而实现与工件面形吻合，实现高效抛光。因此，目前市面上专门从事加工高陡度内腔结构的机器很少，主要以小磨头工具抛光和人工抛光为主，这种方式和装置抛光高陡度腔体表面存在如下主要问题：1)小磨头无法与连续曲面很好吻合，不能确保面形质量的均一性；2)人工抛光费时费力，抛光效率低。

专利CN 202110654490.7发明了一种基于力流变抛光技术的滚珠丝杠抛光方法，通过带动黏附在传送带表面的抛光液，抛光液与丝杠之间的相对速度超过一定阈值时而产生力流变效应，实现对丝杠滚道进行高效、高质量抛光。专利CN202110659173.4发明了一种圆柱滚子力流变抛光方法，通过使用非牛顿流体作为基底制成抛光液，利用非牛顿流体力流变增加抛光液与圆柱滚子之间的去除率，达到高效的抛光。目前力流变加工方法和装置主要针对小尺寸工件面抛光，不能实现高陡度腔体工件的表面抛光。因此，亟待提出一种可实现高陡度腔体表面抛光方法和工具。

发明内容

为了克服现有对高陡度腔体表面等高陡度内腔复杂表面抛光不均匀，效率低下等问题；本发明针对现有技术的不足之处，提出了一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置及其方法，该装置和方法利用激光检测、柔性抛光工具加工和抛光液的力流变效应，实现复杂高陡度腔体内表面的高效、高质量抛光。本发明设计了一种基于激光检测、实时调节姿态的柔性抛光方法和工具，能实现高陡度内表面稳定加工，在降低人工成本的同时也提高生产效益和效率，弥补目前高陡度腔体表面抛光后精度低和装置缺少的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置，包括抛光臂，所述抛光臂的下端转动设置抛光轮，所述抛光臂上设置用以驱动抛光轮转动的驱动机构，所述抛光轮的轮面上环布若干纤维抛光头以及若干通孔，抛光轮内部具有与所述通孔连通的抛光轮空腔，所述抛光臂上还设置与抛光轮空腔连通的抛光液输送通道。

进一步地，所述驱动机构与抛光轮的轮轴通过传动机构实现传动。

进一步地，所述传动机构为皮带轮机构。

进一步地，所述抛光臂上设置激光扫描装置，激光扫描装置包括激光扫描发射器和激光扫描接收器。

进一步地，所述抛光臂上设置喷气清理机构，所述喷气清理机构用以对激光扫描发射器和激光扫描接收器进行喷气清洁。

进一步地，所述抛光轮的轮面上，纤维抛光头与通孔交错设置。

进一步地，所述抛光轮的轮面为外缘高内低平的抛物线形倾斜状结构。

进一步地，所述抛光臂配合连接多轴联动数控机床。

本发明还提供一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光方法，包括：

第一步，用夹具将工件定位固定好；

第二步，将纤维抛光头安装到抛光轮上；

第三步，将抛光轮与抛光臂连接；

第四步，将配制好的力流变抛光液倒入转子泵，通过抛光液输送通道运送到抛光轮空腔中；

第五步，启动多轴联动数控机床，抛光轮移动至加工起始位置，启动驱动机构，使抛光轮以预定的转速旋转，抛光轮旋转带动内部的抛光液通过表面通孔，抛光液产生力流变效应，在纤维抛光头上形成一层柔性固着模具，从而对工件表面进行高效、高质量抛光，实现材料去除；

第六步，抛光过程中，激光扫描装置通过发射、接收和传输信息，上位机接收信息并反馈调整抛光装置的姿态，确保抛光轮跟高陡度腔体内表面的加工距离和轴向加工位置与加工区域的法线重合，提高加工稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1)本发明方案，通过激光检测反馈调节加工距离和加工位置，增强了加工的可控性，可以实现对高陡度腔体表面的高效、高质量抛光；

2)本发明方案中，通过采用特定的技术手段，使用转子泵将抛光液运输到抛光轮内部，由于抛光轮表面均匀通孔和纤维抛光头表面抛物线形倾斜形状，使抛光液易附着于纤维抛光头表面，形成柔性固着模具，与工件接触后变形提高与加工面形的吻合度，能均匀加工高陡度腔体表面。

附图说明

图1是本发明的一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置结构示意图；

图2是本发明的一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置的截面结构示意图；

图3是高陡度腔体内表面基于力流变抛光技术的微观原理图；

图4是本发明的一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光方法流程图；

图5是高陡度腔体工件原始表面粗糙度轮廓图；

图6是高陡度腔体工件抛光后表面粗糙度轮廓图。

图中：抛光臂1、喷气清理机构2、激光扫描接收器3、激光扫描发射器4、抛光轮5、纤维抛光头6、通孔7、抛光液输送通道8、驱动机构9、皮带轮机构10、抛光液11、高陡度腔体表面12、磨粒13、粒子簇14。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1-图3，一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置，包括抛光轮5、纤维抛光头6、抛光臂1、驱动机构9、抛光液输送通道8、激光扫描装置、喷气清理机构2。纤维抛光头6安装在抛光轮5上，抛光轮5与抛光臂1连接，抛光轮5的材质为不锈钢、铝合金、赛钢、尼龙或聚氨酯的其中一种，抛光臂1与多轴联动数控机床连接，多轴联动数控机床优选为五轴联动机床，抛光轮5在驱动机构9的驱动下旋转并通过抛光臂1的调整实现角度倾斜，驱动机构9为电机，通过皮带轮机构10带动抛光轮5转动。

抛光轮5为滚轮结构且内部空心，抛光轮5轮面均匀分布通孔7，抛光液通过抛光液输送通道8传送到抛光轮空腔，保证纤维抛光头6表面供液，使得加工区域抛光液供给充足且分布均匀，抛光轮5的直径为200-300mm，抛光轮5的内部厚度为15-20mm，抛光轮5转速为500-1100rpm。

抛光轮5的轮面为外缘高内低平的抛物线形倾斜状结构，中间与边缘的高度差为10mm，外缘斜面为连续的抛物线曲面。纤维抛光头6表面纤维均匀分布且长度为25-50mm。纤维材质为尼龙丝、纳米丝、猪鬃毛、马尾毛的其中一种。加工过程中，抛物线形倾斜状能减弱抛光液发生侧泄现象，增强抛光液在纤维表面的聚合能力，节约成本，提升加工效率。判断加工对象的硬度较高，选择尼龙丝、纳米丝材质。判断加工对象的硬度较低，选择猪鬃毛、马尾毛材质；选择后使用的纤维材质与工件表面接触变形后，能有效提高与工件表面的贴合度。

激光扫描装置包括激光扫描接收器3、激光扫描发射器4和信号传输器。激光扫描发射器4对加工区域发射激光信号，激光扫描接收器3接受反射回的信息并将信号传输至上位机，上位机接受并处理信息，反馈调整抛光装置姿态。其目的是加工过程中，激光检测能实时反馈调节至最优的加工位置并保证抛光轮的轴线与加工区域的法线重合。

喷气清理机构2能清理附着在激光扫描发射器4和激光扫描接收器3表面的抛光液和碎屑。其目的是确保加工过程中激光扫描装置运行的精确性和稳定性，提高加工质量。

本发明的一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光装置工作过程：

将高陡度腔体表面12用夹具固定，抛光臂1与多轴联动机床连接；纤维抛光头6套在抛光轮5上并固定，抛光液输送通道8安装在抛光臂1内部，抛光液输送通道8与抛光轮5进料口校准，将抛光轮5与抛光臂1连接，驱动装置9安装在抛光臂1内部，驱动机构9与抛光轮5之间通过皮带10传动；将激光扫描发射器4和激光扫描接收器3固定在抛光臂1的外部，喷气清理机构2安装在激光扫描发射器4和激光扫描接收器3的上方；调整抛光臂1角度，使抛光轮5移动到起始位置，将抛光液11倒入转子泵中，抛光液11通过抛光液输送通道8进入抛光轮5内部，启动驱动机构9，控制抛光轮5转动；加工过程中，多轴联动机床根据轨迹程序带动抛光臂1运动，且激光扫描发射器4和激光扫描接收器3开始工作，实时检测和反馈抛光轮5与高陡度腔体表面12的相对位置，同时喷气清理机构2对激光扫描发射器4和激光扫描接收器3进行喷气清洁；加工过程中，抛光液11由于抛光轮5的转动，经表面通孔7附着到纤维抛光头6上，抛光液11中均匀分布的聚合物与磨粒13汇集形成粒子簇14，在纤维抛光头6表面形成一层柔性固着模具；在抛光轮5高转速运动下，纤维抛光头6表面形成剪切流变区域，柔性固着模具与高陡度腔体表面12表面充分接触，粒子簇14包裹磨粒13对表面进行抛光。

其中，高陡度腔体表面12通过夹具固定不动，多轴联动装置控制抛光臂1运动并通过抛光轮5对高陡度腔体表面12内表面进行抛光加工。

其中，激光扫描发射器4与激光扫描接收器3的安装间距为1cm-5cm，喷气清理机构2安装在激光扫描发射器4与激光扫描接收器3上方。

其中，抛光液11由力流变基液、磨粒、活性添加剂和化学添加剂组成；力流变基液由去离子水和多羟基聚合物组成；磨粒13粒径为#3000-#8000；磨粒13为以下一种或者多种的混合物：氧化铝、金刚石、二氧化硅或氧化铈；磨粒13所占比例为10-30wt％；活性添加剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂中的一种或者多种的混合物；活性添加剂所占比例为1-5wt％；所述化学添加剂为芬顿试剂；所述芬顿试剂实际配比为过氧化氢浓度为0.1-0.25wt％。

其中，抛光轮5的直径为200-300mm，转动速度为500-1100rpm。

其中，抛光轮5轮面外缘为抛物线形倾斜状，与竖直面倾斜角度约为30度，能减少抛光液的侧泄现象，节约成本和提高加工效率。

其中，纤维抛光头6的纤维长度为25-50mm，与工件表面的接触距离为5-10mm。

其中，纤维抛光头6表面形成的柔性固着模具能根据表面形貌改变，从而与曲面更好的吻合。

其中，激光扫描装置通过发射、接收和传输信息，反馈调整抛光臂1位置，确保抛光轮5加工距离和轴向加工精度，优化加工轨迹和提高加工稳定性。

参照图4，一种基于激光检测的柔性纤维辅助力流变抛光方法，采用上述的柔性纤维辅助力流变抛光装置实现，包括：

第一步，用夹具将工件定位固定好；

第二步，将纤维抛光头6安装到抛光轮5上；

第三步，将抛光轮5与抛光臂1连接；

第四步，将配制好的力流变抛光液倒入转子泵，通过抛光液输送通道8运送到抛光轮空腔中；

第五步，启动多轴联动数控机床，抛光轮5移动至加工起始位置，启动驱动机构9，使抛光轮5以预定的转速旋转，抛光轮5旋转带动内部的抛光液通过表面通孔7，抛光液产生力流变效应，在纤维抛光头6上形成一层柔性固着模具，从而对工件表面进行高效、高质量抛光，实现材料去除；

第六步，抛光过程中，激光扫描装置通过发射、接收和传输信息，上位机接收信息并反馈调整抛光装置的姿态，确保抛光轮5跟高陡度腔体内表面的加工距离和轴向加工位置与加工区域的法线重合，提高加工稳定性。

其中，加工过程中，加工温度为15-50℃。

实施例选取

利用本发明的装置和方法，加工高陡度腔体内表面，实验加工条件如表1：

表1实验加工条件

初始工件表面轮廓粗糙，平整度较低，如图5所示，图中横坐标代表工件表面位置，纵坐标代表工件表面粗糙度值。基于激光检测反馈调整，在稳定距离和加工方向的条件下，抛光工具对工件表面进行一轮完整均匀加工，加工效率较高，表面形貌改善明显，抛光后工件表面轮廓如图6所示，图中横坐标代表工件表面位置，纵坐标代表工件表面粗糙度值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。