本發(fā)明屬于超精密研拋領(lǐng)域，具體涉及一種機(jī)器人控制電化學(xué)超聲剪切流變拋光制造方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、航空航天部件中的整體化金屬增材制件通常由具有內(nèi)部流道、空腔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件組成。例如，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，如噴注器殼體和推力室，在苛刻的使用環(huán)境下，零件內(nèi)部有上百條冷卻流道。這些部件的表面質(zhì)量直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能和使用壽命。因此，對(duì)其進(jìn)行有效地精整加工是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。對(duì)于復(fù)雜的金屬增材部件，其內(nèi)部表面的精細(xì)加工已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中的一大挑戰(zhàn)，同時(shí)也是限制金屬增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要障礙之一。由于航空產(chǎn)品對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外觀精度提出更高要求，因此，需要采用先進(jìn)工藝進(jìn)行內(nèi)表面精密加工，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。在航空航天領(lǐng)域，具有功能流道的產(chǎn)品可以用于傳遞質(zhì)量或能量，對(duì)內(nèi)表面的成形質(zhì)量有較高的要求。但是，后處理加工涉及的作業(yè)條件復(fù)雜，限制條件多，內(nèi)部工作環(huán)境惡劣，加工困難，因此，內(nèi)流道的精整加工變得困難。在工業(yè)界，目前主流的技術(shù)手段包括機(jī)械拋光技術(shù)(例如磨粒流加工技術(shù))、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光等。這些方法在處理簡(jiǎn)單流道時(shí)基本能夠滿足需求，但在處理復(fù)雜流道、盲孔、薄壁、變截面和復(fù)雜曲面等方面仍有明顯的不足。

2、電化學(xué)拋光技術(shù)是一種在特定電化學(xué)拋光液環(huán)境中對(duì)金屬工件陽(yáng)極進(jìn)行溶解，從而降低其表面粗糙度、提升光亮度并賦予金屬光澤的表面處理方法。作為金屬表面處理的一種手段，電化學(xué)拋光具有如下優(yōu)勢(shì)：1)能有效地降低表面粗糙度，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的表面拋光效果；2)拋光的效率很高，并且與被處理材料的機(jī)械特性(如硬度、韌性、強(qiáng)度等)沒(méi)有直接關(guān)系；3)與機(jī)械拋光設(shè)備相比，拋光成形零件所需的設(shè)備更為簡(jiǎn)潔和經(jīng)濟(jì)。在拋光過(guò)程中，工件不會(huì)與刀具(陰極)產(chǎn)生接觸，也不會(huì)產(chǎn)生切削力、熱量、毛刺或刀痕刀具的損耗。

3、超聲振動(dòng)輔助磨料流拋光技術(shù)(ultrasonic?assistant?abrasive?flowpolishing?uvafp)融合了超聲振動(dòng)與磨料流拋光的方法，它代表了一種綜合性的拋光技術(shù)。利用該工藝對(duì)金屬零件進(jìn)行拋光時(shí)可實(shí)現(xiàn)無(wú)工具磨削加工，同時(shí)可以改善拋光后的表面完整性。這一技術(shù)特別適用于處理硬而脆、難以拋光的材料表面以及具有復(fù)雜形狀的表面，它拓寬了磨料流拋光技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而提升了拋光效率和工件表面的質(zhì)量。uvafp技術(shù)可以根據(jù)超聲振動(dòng)的不同作用原理分為兩類：一類是以超聲能量為主的零件拋光，另一類是利用超聲波和磨粒流的復(fù)合作用機(jī)制進(jìn)行零件拋光。其中，后者主要包括脈沖超聲拋光和非接觸超聲拋光兩大類。相較于傳統(tǒng)的拋光技術(shù)，通過(guò)在磨粒的相對(duì)動(dòng)能基礎(chǔ)上加入超聲波處理能力，不僅能顯著提升拋光的效率，而且拋光的效果也會(huì)有明顯的改善。

4、已公開中國(guó)發(fā)明專利(cn116121842a)，一種小口徑管道內(nèi)表面電化學(xué)拋光裝置，包括電源系統(tǒng)、用于存儲(chǔ)電化學(xué)拋光液的存儲(chǔ)槽，存儲(chǔ)槽內(nèi)設(shè)有用于支撐水平管道的支架，電源系統(tǒng)的正極與管道電連接，電源系統(tǒng)的負(fù)極電連接有伸入管道內(nèi)的陰極棒，陰極棒連接有往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)陰極棒在管道內(nèi)往復(fù)移動(dòng)，管道一端連接有電化學(xué)拋光液循環(huán)裝置，電化學(xué)拋光液循環(huán)裝置帶動(dòng)電化學(xué)拋光液在管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，在陰極棒的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和電化學(xué)拋光液的循環(huán)流動(dòng)結(jié)合下，避免了由于氣泡附著在管道內(nèi)表面而在內(nèi)表面生成白斑以及雜質(zhì)積聚導(dǎo)致陰陽(yáng)極接觸造成短路的現(xiàn)象發(fā)生。然而，本專利沒(méi)有涉及到超聲輔助磨粒流變拋光機(jī)制，以及電化學(xué)拋光液的回收與利用。

5、已公開中國(guó)發(fā)明專利(cn114985855a)，是一種電化學(xué)輔助機(jī)械拋光加工裝置。其中包括磨塊、拋磨振動(dòng)槽、激振器、彈簧和底座共同構(gòu)成機(jī)械加工組件；脈沖電源、支撐板、隔板、陰極管材等組成電化學(xué)加工組件；支撐軸、第一皮帶輪、第二皮帶輪、傳動(dòng)皮帶和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件；循環(huán)泵、閥門、過(guò)濾器、循環(huán)管道、噴頭和噴管組成電化學(xué)拋光液循環(huán)組件。本發(fā)明中電化學(xué)的輔助擴(kuò)大了機(jī)械加工的加工范圍，可加工各種高硬度高強(qiáng)度的金屬材料，滾磨對(duì)于電化學(xué)加工形成的鈍化層有全方位的磨削效果，加工效率和加工效果有了極大的提高，同時(shí)對(duì)于滾磨工藝不太擅長(zhǎng)的管體內(nèi)壁，其中的電化學(xué)部分也有良好的加工效果。然而，本專利并不能拋光長(zhǎng)徑比較大的毛細(xì)管和復(fù)雜形狀的金屬管，對(duì)零件種類拓展與性能方面有望進(jìn)一步改善。

6、已公開中國(guó)發(fā)明專利(cn116967850a)，一種細(xì)長(zhǎng)管內(nèi)表面流體拋光裝置與方法，包括工作平臺(tái)、流體加工單元和磁控流體單元；所述的流體加工單元有兩個(gè)，對(duì)稱安裝在工作平臺(tái)的左右兩側(cè)；細(xì)長(zhǎng)管即工件的左右兩端分別與左右兩側(cè)的流體加工單元連接；所述的磁控流體單元位于工件的下側(cè)，通過(guò)磁極施加的磁場(chǎng)控制流體加工單元中拋光液內(nèi)的磁性顆粒沿磁力方向形成具有一定屈服強(qiáng)度的磁鏈，吸附在工件內(nèi)表面形成局部阻塞塊，減小拋光液在阻塞區(qū)域的實(shí)際流通口徑，進(jìn)而增大拋光液流速，提高拋光強(qiáng)度。本發(fā)明基于磁流變液體的流動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)極細(xì)口徑、極大長(zhǎng)徑比的細(xì)長(zhǎng)管的區(qū)域選擇性拋光，如長(zhǎng)度>200mm、內(nèi)徑≤1mm的針管。然而，本專利并未涉及電化學(xué)拋光，在工件高效研拋方面尚有提升之處。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服已有技術(shù)的復(fù)雜流道、細(xì)長(zhǎng)管道與小孔內(nèi)壁拋光難、拋光效率低和加工種類單一的不足，本發(fā)明提供了一種機(jī)器人控制電化學(xué)超聲剪切流變拋光制造方法及裝置，不僅能極大提高拋光效率，還能達(dá)到原子近原子尺度拋光精度。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

3、一種機(jī)器人控制電化學(xué)超聲剪切流變拋光制造方法，利用電化學(xué)反應(yīng)使工件陽(yáng)極表面溶解并形成鈍化膜，超聲波空化-剪切復(fù)合效應(yīng)使電化學(xué)拋光液中的納米磨粒產(chǎn)生微小射流剪切去除鈍化膜，之后再繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

4、進(jìn)一步，所述電化學(xué)超聲剪切流變拋光包括以下步驟：

5、1)機(jī)器人自動(dòng)裝夾工件，將其放置在限位凹槽上，并將工件內(nèi)流道排液口對(duì)準(zhǔn)限位凹槽，使陰極桿深入到工件內(nèi)流道中；

6、2)調(diào)節(jié)升降工作臺(tái)使工件達(dá)到設(shè)定高度，機(jī)器人將夾具裝夾在工件內(nèi)流道輸液口處；

7、3)將含有納米磨粒的電化學(xué)拋光液加入到電化學(xué)拋光液槽中，開啟液壓泵，電化學(xué)拋光液順著輸液管流入工件內(nèi)腔中；

8、4)開啟電源，調(diào)節(jié)變壓器，使得工件內(nèi)表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得工件陽(yáng)極表面溶解并形成鈍化膜；

9、5)開啟超聲信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)由超聲信號(hào)輸送線傳遞，通過(guò)超聲換能器和變幅桿向旋轉(zhuǎn)拋光軸中聚焦超聲波，并在電化學(xué)拋光液中產(chǎn)生大量的由納米磨粒包膜的空化氣泡；

10、6)在超聲波的空化-剪切復(fù)合作用下，電化學(xué)拋光液中所形成空化泡-剪切復(fù)合機(jī)制對(duì)電化學(xué)拋光液起到增稠流變效應(yīng)，其中的納米磨粒產(chǎn)生微小射流剪切去除鈍化膜，此時(shí)的電化學(xué)拋光液繼續(xù)溶解暴露出來(lái)的新鮮表面；通過(guò)電化學(xué)溶解陽(yáng)極工件和納米磨粒剪切去除鈍化膜的反復(fù)作用下，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制電化學(xué)超聲剪切流變拋光。

11、一種機(jī)器人控制電化學(xué)超聲剪切流變拋光制造裝置，包括箱體和超聲輔助組件、供電輔助組件、電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件、拋光組件和機(jī)器人控制組件，所述拋光組件位于箱體內(nèi)部，所述超聲輔助組件、供電輔助組件、電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件、機(jī)器人控制組件位于箱體外端；所述的電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件的進(jìn)口側(cè)與箱體的排液口連通，所述的電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件的出口側(cè)為輸液管，所述的拋光組件包括陽(yáng)極連接件、伸縮管、夾具、限位凹槽、陰極桿、拋光工作臺(tái)、絕緣層和升降工作臺(tái)，伸縮管的上端通過(guò)陽(yáng)極連接件與輸液管出口處連接，所述的超聲輔助組件與輸液管相連接，伸縮管的下端設(shè)置夾具，所述夾具位于放置待拋光工件的工位的上方，所述工位下端設(shè)置用于固定工件的限位凹槽，限位凹槽內(nèi)存有陰極桿，所述的供電輔助組件與陽(yáng)極連接件、陰極桿連接，連接限位凹槽與拋光工作臺(tái)緊密連接在一起，拋光工作臺(tái)的下端依次是絕緣層和升降工作臺(tái)。

12、進(jìn)一步，所述限位凹槽固定在拋光工作臺(tái)的上端，呈圓周陣列排布；限位凹槽的內(nèi)部開口，可將電化學(xué)拋光液排出；同時(shí)限位凹槽的內(nèi)部存有陰極桿，能夠更好的在工件內(nèi)部進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

13、再進(jìn)一步，所述箱體與伸縮管之間存有調(diào)整墊片，

14、優(yōu)選的，所述工件是高能束激光增材制品的內(nèi)部流道、空腔結(jié)構(gòu)的部件、細(xì)長(zhǎng)毛細(xì)管或標(biāo)準(zhǔn)件管。

15、所述的超聲輔助組件位于箱體的右上端，與輸液管相連接；所述的供電輔助組件位于箱體的左端；所述的電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件位于箱體右端。

16、所述的機(jī)器人控制組件包括基座、第一關(guān)節(jié)、主臂、第二關(guān)節(jié)、次臂、第三關(guān)節(jié)、小臂和機(jī)械抓，第一關(guān)節(jié)連接基座和主臂，第二關(guān)節(jié)連接主臂和次臂，第三關(guān)節(jié)連接次臂和小臂，小臂末端設(shè)有機(jī)械爪。

17、所述的超聲輔助組件從上到下依次包括超聲信號(hào)發(fā)生器、超聲信號(hào)輸送線、超聲換能器、散熱片和變幅桿，超聲信號(hào)發(fā)生器用過(guò)超聲信號(hào)輸送線與超聲換能器連接，超聲換能器被散熱片包裹，超聲換能器的下端連接變幅桿，變幅桿的下端處與兩個(gè)輸液管匯聚處。

18、所述的供電輔助組件包括直流電源、電路保護(hù)裝置、變壓器、電壓表和電流表，供電輔助組件位于箱體的左端，直流電源的陽(yáng)極通過(guò)電路保護(hù)裝置與陽(yáng)極連接件相連，電源的陰極通過(guò)變壓器與陰極桿相連，電壓表所測(cè)得是輸出電壓，電流表所測(cè)的是輸出電流。

19、所述的直流電源為硅整流電源和晶閘管整流電源。所述的電路保護(hù)裝置是有效防止電路短路或電載過(guò)大而造成損害。

20、所述的電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件包括輸液管、液壓泵、過(guò)濾器、電化學(xué)拋光液槽和排液口，電化學(xué)拋光液循環(huán)輔助組件位于箱體右端，電化學(xué)拋光液通過(guò)輸液管依次流經(jīng)過(guò)濾器、液壓泵、超聲輔助裝置抵達(dá)工件內(nèi)腔，再通過(guò)排液口流回電化學(xué)拋光液槽，完成電化學(xué)拋光液循環(huán)。

21、所述過(guò)濾器分為物理過(guò)濾和化學(xué)過(guò)濾，物理過(guò)濾主要過(guò)濾掉電化學(xué)拋光液中的鈍化膜和工件碎屑，化學(xué)過(guò)濾除妖過(guò)濾掉電化學(xué)拋光液中的金屬陽(yáng)離子。

22、所述電化學(xué)拋光液中包含納米磨粒，納米磨粒包括納米金剛石、立方氧化硼、碳化硼、碳化硅、氮化硅、氧化硅、氧化鎵、氧化鐵、氧化鎂、氟化鋰、石墨和al2o3中一種或兩種及以上混合物。

23、所述電化學(xué)拋光液通常有酸性、中性和堿性拋光液，對(duì)于加工鈦合金材料和不銹鋼材料主要采用酸性電化學(xué)拋光液，其中包括磷酸系、硫酸系、高氯酸系、磷酸-硫酸系再配以各種添加劑而成的電化學(xué)拋光液。通用性較好的酸性拋光液為磷酸-硫酸系電化學(xué)拋光液。其中添加劑主要有緩蝕劑、平整劑和光亮劑。其中緩蝕劑有乙醇、丁醇、乙二醇、乙酸、草酸等，平整劑包括三乙醇胺、尿素、硫脲等，光亮劑包括葡萄糖類、糖精、淀粉、蔗糖類等。

24、本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

25、1、加工工件種類豐富。本發(fā)明所涉及的裝置可加工不同種類的工件，且對(duì)于不同粗細(xì)的細(xì)長(zhǎng)管也能同時(shí)進(jìn)行，還可以加工復(fù)雜內(nèi)流道件件，能夠極大的提高加工效率。

26、2、超聲波的重要作用。超聲波不僅對(duì)電化學(xué)過(guò)程起到了促進(jìn)和物理強(qiáng)化作用(主要體現(xiàn)為對(duì)電化學(xué)拋光中的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程起到強(qiáng)化作用)，加快了電極表面氧化還原的速度，還可以輔助納米磨粒對(duì)陽(yáng)極工件表面高效剪切去除。

27、3、易排屑。在拋光過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生碎屑，通過(guò)不斷積累從而影響表面加工精度。本發(fā)明采用磨料流流變技術(shù)去除，在加工過(guò)程中利用拋光液能有效對(duì)碎屑及時(shí)清除，使得工件表面保持清潔，從而保證拋光的進(jìn)行。

28、4、散熱快。工件與去除工具通過(guò)相互摩擦來(lái)去除材料，在去除過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)而影響工件表面拋光精度以及對(duì)工件表面造成燒傷問(wèn)題。本發(fā)明采用空化效應(yīng)，不僅可以加快對(duì)工件表面的機(jī)械破壞，還可以充分起到冷卻和潤(rùn)滑效果，從而減輕或避免傳統(tǒng)拋光對(duì)工件表面造成燒傷問(wèn)題。

29、5、較高的材料去除。而本發(fā)明采用的電化學(xué)超聲剪切流變拋光技術(shù)，具體為，通電后，在電化學(xué)的反應(yīng)作用下，工件陽(yáng)極表面大量凸起處最先溶解并生成鈍化膜；在超聲波的空化-剪切復(fù)合作用下，電化學(xué)拋光液中所形成空化泡-剪切復(fù)合機(jī)制對(duì)電化學(xué)拋光液起到增稠流變效應(yīng)，其中的納米磨粒產(chǎn)生微小射流剪切去除鈍化膜，此時(shí)的電化學(xué)拋光液繼續(xù)溶解暴露出來(lái)的新鮮表面；通過(guò)電化學(xué)溶解陽(yáng)極工件和納米磨粒剪切去除鈍化膜的反復(fù)作用下，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制電化學(xué)超聲剪切流變拋光新方法。

30、6、自動(dòng)化裝置。本發(fā)明裝置添加機(jī)器人控制系統(tǒng)，機(jī)器人可以適時(shí)地裝夾或拆卸工件，根據(jù)不同大小的工件調(diào)節(jié)工作臺(tái)最佳拋光位置，簡(jiǎn)化人工操作流程，極大提高加工效率。

31、7、本發(fā)明對(duì)拋光設(shè)備要求相對(duì)較低。