[发明专利]一种基于磁流变-射流电沉积原理的曲面加工装置及其方法

说明书

本发明公开了一种简单易行的磁流变‑射流电沉积曲面加工方法及其装置，提供了数控平台的选择范围、设计简单的工作液循环系统、组合夹具，工作液回收装置，磁场控制装置，抛光轮及其传动装置固定装置，并制定了简单易行的操作原则和方法。

技术领域

本发明涉及一种基于磁流变-射流电沉积原理的曲面加工装置及其方法。

背景技术

先进表面工程技术领域，射流电沉积技术是一种具有较好应用前景的低成本涂层制作方法，具有工艺简单、加工速度快、操作方便、镀层种类多等优点。不过由于电沉积加工中存在的边缘效应导致了电场分布不均匀，造成局部优势生长，晶粒粗大，形成枝状晶甚至结瘤等沉积衍生物，使镀覆沉积层不均匀，导致沉积层整平性较差，质量恶化。对于复杂几何特征下的异形曲面加工，特别是航天、卫星等应用的光学精密反射镜所使用的球面加工或凹面加工，其镀覆的均匀度和沉积质量更难以把握。

为了获得复杂曲面晶粒细化且表面光整的沉积层，技术人员采取了许多方法，如对沉积面进行整平化机加工后处理，如铣削、磨削或电火花线切割电沉积表面。该法可保证尺寸要求，但延长了加工时间，易造成沉积层分层剥离，存在质量隐患。对于几何形状较为复杂的曲面加工，会增大加工难度；又如采用游离微珠辅助磨技术、研磨射流电沉积技术也有助于改善此问题。但该法但多用于柱状回转体的外壁加工，并不适于曲面及凹面加工，同时因需要直径约1mm的研磨陶瓷珠，所需加工设备比较复杂，工序较繁复。综合以上分析，现有的电沉积辅助整平方法并不理想，或方法简便效果不明显，或效果良好装置复杂、可操作性低，极大的限制了电沉积技术在曲面加工中的广泛应用。

目前，光学精密加工中使用的磁流变抛光技术为曲面电沉积加工质量的提高提供了解决思路。磁流变抛光技术是利用磁流变抛光液进行抛光的一种超精密加工方法。磁流变液主要由离散的微米级磁性颗粒、抛光粉和载液等组成。在无外加磁场时，磁性微粒无规则分布，磁流变液为可流动液体状态；而在外加磁场作用下，磁性微粒呈链状分布，表现为类似固体的性质；撤除磁场后，又会立刻恢复原液体性质。磁流变抛光技术正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”与工件之间快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。与传统抛光方法相比，磁流变抛光技术可实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光，通常可作为光学零件加工的最后一道工序。

通过对比发现，射流电沉积技术与磁流变抛光技术有着重要的相似之处：1. 二者都通过液体射流进行加工，即通过喷嘴将加工液体介质-磁流变液和电解液以一定速度喷向加工表面，完成加工过程；2. 加工液体中都含有微粒。磁流变液中含有磁性微粒，可用于对加工面微观凸起进行铣削、磨削，而电解液射流中也可混杂复合颗粒，例如氧化铝和碳化硅等微纳尺度陶瓷微粒，或可作为增强相共沉积加入沉积层内部提高沉积层力学性能，或可通过改善电场分布和结晶过程来细化晶粒，达到光整沉积表面的目的。此类应用已有诸多报道；3. 加工目的类似，都是为获得平整、致密、质量较好的加工表面。射流电沉积的加工特点是可以获得极高的极限电流密度，从而提高过电位和形核率，减小晶粒尺寸，得到细化致密的沉积表面。而磁流变抛光技术则是利用微小颗粒对加工表面实现微量去除。只不过从加工效果上有所区别，射流电沉积属于增材加工范畴，而磁流变抛光则为减材加工加工领域，但同时也为二者的互补提供了可行性。

综上三点相似之处不难发现，磁流变抛光具有的柔性、可控性、以及对工件表面的保护性为射流电沉积高速沉积后带来的镀层均匀性问题提供了有效的解决途径。同时，二者的加工方式都属于射流性特殊加工，导致加工设备比较类似，都具有喷嘴、含有一定微粒的工作液、以及液体循环、回收装置，这一相似性为二者的结合提供了可靠的客观基础。因此，我们的技术方案是将二者有机结合，形成一种新的复合加工技术，加工过程中主要包含两个工作环节：电沉积环节和抛光环节。首先数控机床的XYZ轴联动，控制喷嘴将电解液喷射在工件表面，产生射流电沉积涂层；然后通过磁流变去除机理，工作液中的磁微粒在抛光轮的作用下铣削抛光电沉积中产生的微观凸起。

发明内容