一种空化辅助铣削加工装置及方法

1.本发明属于机械加工领域，涉及铣削加工，具体是采用空化辅助铣削加工的装置及其加工方法。


背景技术：

2.现代精密仪器应用广泛，对零部件表面质量提出了更高的要求，在对工件的铣削加工过程中通常因切削条件的影响，铣削工件的边缘等部位常会出现毛刺，所以就需要依靠后续工艺加以去除，这就极大地降低了加工效率，因此有必要在铣削加工的同时能够去除毛刺。另一方面，精密部件的表面在运行过程中常受到外力的作用，为降低部件表面因外力的影响而产生变形并减少裂纹的发展，需要对精密部件表面进行强化处理以提高部件的表面压缩残余应力。目前，常用的表面强化工艺主要为机械喷丸，该技术是利用弹丸的冲击作用从而在工件表面引入残余应力，虽然能将工件表面得到强化，但是其表面光洁度与平整度会下降，因此，仍然无法满足现代高端精密部件的要求。
3.近年来，空化技术逐步被引入表面处理工艺中，例如中国发明专利公开号为cn110004279b的文献中公开了一种容积交变式微孔内表面空化强化装置及加工方法，其利用容积交变的原理产生空化，然后利用空化气泡破裂产生的能量强化已加工的通孔内壁。但这种方法仅适用于对已经加工的孔内壁进行强化，属于是加工之后的表面处理，显然无法应用到在铣削加工的同时完成表面的强化和去毛刺的过程中。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述问题，提供一种空化辅助铣削加工装置及其加工方法，能够在铣削加工的同时完成表面的强化和去毛刺，保证表面光洁度与平整度。
5.本发明所述的一种空化辅助铣削加工装置采用的技术方案是：其包括旋转的铣刀，铣刀内部设有主流道、辅气流道、辅纳米磨粒悬浊液流道和风琴管型分流道，主流道的进口端在铣刀的刀柄后端，沿铣刀中心轴直至铣刀的刀齿段，主流道的旁侧开有辅气流道和纳米磨粒悬浊液流道，辅气流道和纳米磨粒悬浊液流道的进口端在刀柄后端、出口端均穿过主流道的侧壁与主流道内部连通；主流道的前端分别经至少两个风琴管型分流道与外部连通；工件固定装夹在储液箱的底部且浸没在水中，主流道的进口通过一条高压输水管线连通蓄水池，辅气流道的进口端通过一条输气管线连接空压机，纳米磨粒悬浊液流道的进口端通过一条悬浊液管线连通悬浊液池。
6.本发明提供的一种空化辅助铣削加工装置的加工方法采用的技术方案是具有以下步骤：
7.步骤a：铣刀旋转对工件的待加工孔进行铣削，待加工孔中具外流场水体，蓄水池中的高压水射流经高压输水管线涌入主流道中，同时压缩空气经辅气流道涌入主流道中，纳米磨粒悬浊液经纳米磨粒悬浊液流道涌入主流道中；
8.步骤b：高压水射流、压缩空气和纳米磨粒这三种物质的混合液以高速射流的形式
从风琴管型分流道喷射而出，与外流场水体发生剪切作用，产生空化气泡；
9.步骤c：空化气泡在铣削表面发生溃灭，产生的高速微射流和冲击波作用于已铣削表面，依靠纳米磨粒的微切削作用，对已铣削表面去毛刺和强化。
10.相较于现有技术，本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果：
11.1.本发明可以在铣削加工的同时对工件进行空化强化和去毛刺的工作，与铣削工艺同时进行，因此加工效率高，并且无需对工件进行单独的去毛刺工序。
12.2.本发明能够将空化融合在铣削加工过程中，该原理主要是利用空化泡溃灭时的柔性“锤击”作用，促使工件上毛刺的脱落，并使其表面得到强化。相比于传统机械喷丸技术以及现阶段空化辅助加工技术，本发明能够使被加工表面拥有更好的表面质量。
13.3.本发明设置的输气管线，能进一步提高高压水射流的流速并增加射流中的空化核，促使产生更多的空化气泡。
14.4.本发明通过悬浊液管线，在射流中加入了纳米磨粒，进一步加强了去毛刺的效果。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，
16.图1为本发明一种空化辅助铣削加工装置的结构示意图；
17.图2为图1中铣刀的刀齿段加工工件时发生空化辅助铣削加工的结构放大图；
18.图3为图1中铣刀的主视结构放大图；
19.图4为图3中铣刀的剖视结构放大图；
20.图5为图4中风琴管型分流道的局部放大图。
21.图中：1.高压输水管线；2.输气管线；3.悬浊液管线；4.注水管线；5.溢水管线；6.排水管线；7.第一过滤组件；8.循环泵；9.高压泵；10.调压阀；11.压力表；12.流量阀；13.压力泵；14.悬浊液池；15.蓄水池；16.第二过滤组件；17.阀门；18.排水口；19.溢水口；20.铣刀；21.铣削主轴；22.工件；23.储液箱；24.风琴管型分流道；25.纳米磨粒；26.空化气泡；27.空压机；28.减压阀；29.稳流阀；30.皂膜流量计；31.主流道；32.辅气流道；33.纳米磨粒悬浊液流道；34.入口段；35.收缩段；36.锥形扩散段。
具体实施方式
22.参见图1，本发明一种空化辅助铣削加工装置，包括铣削主轴21和铣刀20，所述铣刀20安装于铣削主轴21上，将铣削主轴21与铣刀20同轴心固定连接，铣削主轴21旋转带动铣刀20同步旋转，从而加工工件22。
23.参见图3和图4，铣刀20分为刀柄段和刀齿段，刀柄段是光杆，铣刀20的后段，刀齿段是铣削刀段，是铣刀20的前段。
24.在铣刀20内部开有主流道31、辅气流道32、辅纳米磨粒悬浊液流道33和风琴管型分流道24，主流道31的进口端在刀柄后端，从刀柄后端开始，沿其中心轴的方向，直至铣刀
20的刀齿段，主流道31为盲孔结构，并不贯穿铣刀20的刀齿段前端。在主流道31的旁侧开有辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33，辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33与主流道31相平行，在相对于主流道31中心轴的正对面，对称布置。辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33的进口端也在刀柄后端，出口端均连接且连通主流道31，穿过主流道31的侧壁与主流道31内部相连通。辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33的轴向长度要小于铣刀20的刀柄段的轴向长度，辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33与主流道31的连接处位于刀柄段范围。主流道31的孔径要大于辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33的孔径，辅气流道32和纳米磨粒悬浊液流道33的孔径相等，两者相对于主流道31中心轴呈对称分布。
25.在主流道31的前端分别连接且连通至少两个风琴管型分流道24，至少两个风琴管型分流道24与外部相通，风琴管型分流道24与铣刀20中心轴之间形成夹角。
26.辅气流道32的出口端和纳米磨粒悬浊液流道33的出口端与主流道31连接时，两个出口端之间的夹角为120
°
～150
°
，风琴管型分流道24与铣刀20的中心轴之间的夹角为50
°
～70
°
。
27.参见图5，所有风琴管流道24的结构完全相同，沿圆周方向均匀布置。本发明优选两个风琴管流道24，沿铣刀20中心轴在面对面的两侧对称布置。每个风琴管流道24均由入口段34、收缩段35以及锥形扩散出口段36相串联组成，锥形扩散出口段36在铣刀20的刀槽处。收缩段35的内径小于入口段34和锥形扩散出口段36的内径，入口段34和收缩段35均是圆形孔道，锥形扩散出口段36的锥形小端与收缩段35连接，锥形大端与外部相通。
28.工件22固定装夹在储液箱23的底部，储液箱23中储有水，工件22整体浸没在水中。
29.参见图1、图2和图4，主流道31的进口通过一条高压输水管线1连通蓄水池15，在高压输水管线1上设置高压泵9、调压阀10和压力表11，高压泵9从蓄水池15泵出高压水进入主流道31中，以获得能够产生空化的高压水射流。高压泵9的进水端置于装有水的蓄水池15中，高压泵9的出水端经由调压阀10调压后接入主流道31。调压阀10用于调节水压大小，压力表11实时检测水压。
30.辅气流道32的进口端通过一条输气管线2连接空压机27，在输气管线2上设置减压阀28、稳流阀29和皂膜流量计30。空气经由空压机27压缩后流入减压阀28，再经稳流阀29稳定输出气流到主流道31中，进一步提高高压水射流的流速并增加射流中的空化核，以产生更多的空化气泡26，参见图2。气流量的具体数值则由皂膜流量计30查看。
31.纳米磨粒悬浊液流道33的进口端通过一条悬浊液管线3连通悬浊液池14，在悬浊液管线3上安装压力泵13和流量阀12，悬浊液池14中是含有纳米磨粒25的悬浊液，压力泵13的进口置于悬浊液池14中，纳米磨粒悬浊液经过压力泵14的汲取，经流量阀12稳流后经输送至纳米磨粒悬浊液流道33中，加强去毛刺的效果。纳米磨粒悬浊液为水基溶液，纳米磨粒25的硬度大于工件22的硬度且小于铣刀20的硬度。
32.储液箱23和蓄水池15之间通过注水管线4相连通，注水管线4的两端分别连在储液箱23和蓄水池15的顶部，在注水管线4上安装循环泵8，蓄水池15中的水经由循环泵8，通过储液箱23的顶部注入，在铣削加工前将储液箱23中先灌满水。
33.在储液箱23的侧壁上，有一定高度位置开有溢水口19，溢水口19经溢水管线5连通蓄水池15，在溢水管线上安装第一过滤组件7。在铣削过程中当储液槽23中的水位到达一定高度后，水经由溢水口19流至第一过滤组件7，经过滤后最后流入蓄水池15，解决铣削加工
中储液箱23中液体的不断溢出。
34.储液槽23的底部设置排水口18，排水口18经排水管线6连通蓄水池15，在排水管线6上设置阀门17和第二过滤组件16，在停止铣削加工后，打开阀门17，液体从储液槽23中排出，流经第二过滤组件16，最后排入蓄水池15，能在停止铣削加工后排空储液槽23中的液体。
35.参见图1-5所示，本发明一种空化辅助铣削加工装置工作时，先将待铣削的工件22装夹在储液箱23的底部，开启循环泵8，将蓄水池15中的水灌入储液箱23中，在水位没过工件22时关闭循环泵8。然后，开启高压泵9，调节调压阀10，待压力表11显示压力为20mpa左右是，压力为20mpa的高压水射流涌入铣刀22内部的主流道31中；与此同时，开启空压机27，调节减压阀28和稳流阀29，待皂膜流量计30显示流量为1l/min左右，流量为1l/min的压缩空气经辅气流道32涌入主流道31中；与此同时，开启压力泵13，调整流量阀12，控制纳米磨粒25悬浊液的流量为5l/min左右，流量为5l/min左右的纳米磨粒25悬浊液经纳米磨粒悬浊液流道33涌入主流道31中；这样，高压水射流、压缩空气和纳米磨粒25这三种物质的混合液以高速射流的形式从风琴管型分流道24的入口段34进入其收缩段35，使得混合液获得更大的流速，最后经由锥形扩散段36喷射而出。开启机床，铣削主轴21带动铣刀20旋转，并对工件22的待加工孔进行铣削加工，工件22待加工孔中有外流场水体，由锥形扩散段36喷射而出的混合液与外流场水体发生剧烈的剪切作用，产生空化气泡26。开启机床，铣削主轴21带动铣刀20旋转，并对工件22进行铣削加工。在铣削过程中，空化气泡26以及纳米磨粒25随着射流的驱使到达已铣削表面，空化气泡26发生溃灭，所产生的高速微射流和冲击波直接作用于已铣削表面，并依靠纳米磨粒25的微切削作用，实现对已铣削表面去毛刺和强化的作用。铣削过程中，由于水射流的不断注入，为防止储液槽23中液体的不断溢出，当储液槽23中的水位到达一定高度后，水经由溢水口19流至第一过滤组件7，经过滤后最后流入蓄水池15。最后，铣削完成后，关闭机床的同时关闭高压泵9、空压机27和压力泵13，打开阀门17，储液箱23中的所有液体经第二过滤组件16流入蓄水池15中，待储液箱23中的液体彻底排空后关闭阀门17，取出工件22。