本發(fā)明涉及磨粒射流拋光加工，更具體的說，一種尺度可調(diào)的超聲輔助旋轉(zhuǎn)線射流拋光裝置。

背景技術(shù)：

1、目前，針對一些復(fù)雜零件表面的拋光處理，接觸式拋光方法在針對復(fù)雜和細小曲面的接觸式拋光時，要求拋光工具的尺寸要比被加工表面的尺寸更小，這無疑給拋光作業(yè)過程中穩(wěn)定性維護帶來了難題；同時，微型拋光頭磨損會導(dǎo)致表面精度問題。隨著流體拋光在復(fù)雜表面的精密拋光優(yōu)勢越來越明顯，使得流體拋光工具得到了更加廣泛的研究。這些復(fù)雜曲面通常由多種曲率的曲面組合構(gòu)成，旨在實現(xiàn)高精度的特定數(shù)學(xué)特征，并滿足功能與美學(xué)的雙重需求，涵蓋非球面、自由曲面及異型面等類型。這類曲面在航空航天、天文觀測、航海設(shè)備、汽車零件、模具制造以及生物醫(yī)用植入體等多個領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件中扮演著核心角色。流體拋光方法是指采用柔性極好的流體作為磨粒驅(qū)動介質(zhì)，可較好避免由于磨粒的硬性壓入造成工件損傷，同時由于流體形態(tài)的不確定性，使之能夠?qū)?fù)雜自由曲面形成仿形拋光。面對復(fù)雜曲面零件日益增長的需求和不斷提升的性能標準，傳統(tǒng)流體拋光技術(shù)無法滿足高效的加工需求。

2、為提高磨粒射流對零件的拋光效率，多噴嘴的磨料水射流開始廣泛應(yīng)用，主要為平行式或匯聚式噴嘴設(shè)計、平行多噴嘴適用于大面積處理，而匯聚多噴嘴則適合高精度拋光。當磨料流入口壓力不穩(wěn)定時，多噴嘴孔間射流束干涉導(dǎo)致材料去除函數(shù)偏離理想狀態(tài)，劣化工件表面質(zhì)量。后來，專利號為cn202010989012.7的發(fā)明專利提出了一種流體線射流拋光裝置及其應(yīng)用方法，該拋光裝置出口噴射出高壓高速的流體線性射流，該方法在保持表面完整性的情況下，增大拋光區(qū)域，同時射流束穩(wěn)定，能夠大幅提高流體射流拋光的拋光效率和質(zhì)量。但是該裝置沒有超聲能場輔助拋光，并且線射流噴嘴不可調(diào)。

3、超聲能場輔助被廣泛認為是提升射流拋光效率的關(guān)鍵方法之一。相較于傳統(tǒng)無超聲輔助射流拋光，超聲脈沖射流拋光可顯著提升效率。在超聲場作用下，噴嘴射出的磨粒流產(chǎn)生脈沖效應(yīng)，其沖擊動能顯著增強，從而實現(xiàn)高效拋光。超聲輔助拋光工具多設(shè)計為單噴嘴或多噴嘴拋光，雖然可以提升效率，但是其有效拋光區(qū)域受限。針對上述拋光問題，本發(fā)明提出了一種尺度可調(diào)的超聲輔助旋轉(zhuǎn)線射流拋光裝置，能夠使噴射出的線射流旋轉(zhuǎn)起來以增加拋光面積，同時，利用超聲能場輔助進一步提高對高硬度材料的拋光效率。射流噴嘴開口可調(diào)設(shè)計顯著增強了工況適應(yīng)性，拓展了多領(lǐng)域應(yīng)用范圍，有力提升了產(chǎn)品商業(yè)價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、在超精密拋光領(lǐng)域，傳統(tǒng)流體拋光裝置對復(fù)雜幾何特征零件拋光時存在效率低下的問題。為提升效率，本發(fā)明提出一種尺度可調(diào)的超聲輔助旋轉(zhuǎn)線射流拋光裝置。該裝置通過超聲變幅桿末端在圓錐導(dǎo)流罩內(nèi)的高頻振動，賦予噴嘴射流以脈沖效應(yīng)，顯著提升材料去除率。同時，其噴嘴開口可調(diào)設(shè)計，一方面增大了拋光區(qū)域面積，另一方面可根據(jù)不同工件表面需求自動調(diào)節(jié)射流尺寸，大幅提升產(chǎn)品適用性。裝置旋轉(zhuǎn)功能設(shè)計使線射流形成圓柱形拋光區(qū)域，實現(xiàn)對復(fù)雜零件表面的高效、高質(zhì)量拋光。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：一種尺度可調(diào)的超聲輔助旋轉(zhuǎn)線射流拋光裝置，包括動力源、套筒、中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤、噴嘴法蘭盤、動平衡單元、射流長度調(diào)節(jié)單元、射流寬度調(diào)節(jié)單元、射流調(diào)節(jié)板、固定外殼、齒輪切換單元、整體固定支架、超聲發(fā)生器；所述動力源安裝在超聲發(fā)生器的法蘭上，并通過螺栓進行連接；所述套筒上端通過螺栓孔與所述超聲發(fā)生器連接，下端通過所述套筒上的所述圓錐滾子軸承與中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤相配合固定；所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤與所述噴嘴法蘭盤通過螺栓進行連接；所述動平衡單元通過螺栓連接固定在所述噴嘴法蘭盤上；所述射流長度調(diào)節(jié)單元和所述射流寬度調(diào)節(jié)單元均安裝在所述固定外殼內(nèi)部，并且所述射流長度調(diào)節(jié)裝置和所述射流寬度調(diào)節(jié)裝置空間位置相互分離，各自傳動互不干涉；所述射流調(diào)節(jié)板安裝在所述噴嘴法蘭盤底部，并通過所述射流長度調(diào)節(jié)單元和所述射流寬度調(diào)節(jié)單元進行調(diào)節(jié)；所述固定外殼通過螺栓連接固定在所述噴嘴法蘭盤上；所述齒輪切換單元通過螺栓連接固定在所述噴嘴法蘭盤上，通過電磁鐵控制所述射流長度調(diào)節(jié)單元和所述射流寬度調(diào)節(jié)單元的動力輸入，進而控制所述射流調(diào)節(jié)板的開合；所述整體固定支架安裝在超聲發(fā)生器的法蘭上，并通過螺栓進行連接，用于整個拋光工具的固定。所述超聲發(fā)生器上端裸露在外，下端密封于所述套筒和所述噴嘴法蘭盤的腔體內(nèi)。

3、所述動力源，包括步進電機、電機輸出齒輪、電機安裝支架；所述步進電機固定在所述電機安裝支架上，用于拋光工具旋轉(zhuǎn)的輸入動力源；所述電機輸出齒輪作為所述步進電機的輸出齒輪與所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤的上端傳動齒輪相配合，將所述步進電機的動力傳遞到所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤；所述電機安裝支架通過螺栓連接安裝在所述超聲發(fā)生器法蘭盤的上端。

4、所述套筒包括上端隔振橡膠圈、磨粒流入口、圓錐滾子軸承、下端隔振橡膠圈、旋轉(zhuǎn)密封件；所述上端隔振橡膠圈設(shè)置在所述套筒的法蘭上端，用于所述殼體與所述超聲發(fā)生器之間的減震；所述磨粒流入口用于將混合好的磨料流輸入拋光工具的接口；所述圓錐滾子軸承安裝一端所述套筒的軸肩上，另一端安裝在所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤的內(nèi)部軸肩上；所述下端隔振橡膠圈設(shè)置在所述套筒下端，用于所述殼體與所述噴嘴法蘭盤之間的減震；所述旋轉(zhuǎn)密封件設(shè)置在所述套筒下端，用于所述噴嘴法蘭盤旋轉(zhuǎn)時與所述套筒的密封。

5、所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤包括內(nèi)部軸肩、下端傳動齒輪、上端傳動齒輪、中間傳動齒輪、軸槽；所述內(nèi)部軸肩設(shè)置于所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤內(nèi)腔，用于與所述圓錐滾子軸承的配合；所述下端傳動齒輪與所述中間傳動齒輪相互配合，并形成齒輪傳動；所述上端傳動齒輪與所述電機輸出齒輪相互配合，并形成齒輪傳動；所述中間傳動齒輪與所述下端傳動齒輪形成齒輪配合，這樣所述中間傳動齒輪隨著所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤旋轉(zhuǎn)的同時又可以自轉(zhuǎn)；所述軸槽對稱分布2個，隨著所述中間傳動齒輪的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動。

6、所述噴嘴法蘭盤包括旋轉(zhuǎn)密封臺階、推力球軸承、噴嘴法蘭盤凹槽、噴嘴法蘭盤螺栓孔、圓錐導(dǎo)流罩、噴嘴口、射流長度調(diào)節(jié)限位、射流寬度調(diào)節(jié)限位；所述旋轉(zhuǎn)密封臺階設(shè)置在所述噴嘴法蘭盤內(nèi)腔上，用于放置所述旋轉(zhuǎn)密封件的一端，防止旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時的磨粒流流出；所述推力球軸承安裝在所述噴嘴法蘭盤凹槽上；所述噴嘴法蘭盤凹槽開在所述噴嘴法蘭盤的法蘭上，所述噴嘴法蘭盤凹槽的槽寬要大一些便于所述推力球軸承的拆裝；所述噴嘴法蘭盤螺栓孔開在所述噴嘴法蘭盤的法蘭上，并且圓形等距陣列10個，用于與所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤法蘭上的螺栓孔進行螺栓連接；所述圓錐導(dǎo)流罩設(shè)置于所述噴嘴法蘭盤內(nèi)腔中，所述圓錐導(dǎo)流罩圓錐形內(nèi)腔用于所述超聲發(fā)生器形成脈沖射流；所述射流長度調(diào)節(jié)限位和所述射流寬度調(diào)節(jié)限位均設(shè)置于所述噴嘴法蘭盤底部，均成對稱分布，用于限制所述射流調(diào)節(jié)板只能在其內(nèi)相對滑動；所述射流長度調(diào)節(jié)限位上設(shè)置有長度調(diào)節(jié)限位滑槽，用于所述長度調(diào)節(jié)板臺階的固定和限位。

7、所述動平衡單元包括動平衡單元螺栓孔、動平衡塊；所述動平衡單元螺栓孔圓形等距2個，并與所述噴嘴法蘭盤的法蘭下端螺栓孔對應(yīng)，使得所述動平衡單元可以通過螺栓連接固定；所述法動平衡塊用于拋光工具的動平衡調(diào)節(jié)，這是由于所述齒輪切換單元和一些傳動部件均位于所述噴嘴法蘭盤一側(cè)，所述旋轉(zhuǎn)時噴嘴法蘭盤由于偏心的存在會產(chǎn)生離心力，所以需要所述動平衡單元。

8、所述射流長度調(diào)節(jié)單元包括長度調(diào)節(jié)齒輪、長度調(diào)節(jié)固定支架、長度調(diào)節(jié)下端齒輪、長度調(diào)節(jié)上端齒輪；所述長度調(diào)節(jié)齒輪與所述長度調(diào)節(jié)固定支架分別設(shè)置于所述射流長度調(diào)節(jié)單元的兩端，所述長度調(diào)節(jié)齒輪為一個內(nèi)齒輪圈與所述長度調(diào)節(jié)下端齒輪形成齒輪傳動配合，所述長度調(diào)節(jié)固定支架設(shè)有2個，且呈對稱分布；所述長度調(diào)節(jié)下端齒輪與所述長度調(diào)節(jié)上端齒輪在同一個軸上，同步旋轉(zhuǎn)，進而可將所述長度調(diào)節(jié)上端齒輪的動力傳遞到所述長度調(diào)節(jié)齒輪。

9、所述射流寬度調(diào)節(jié)單元包括寬度調(diào)節(jié)齒輪、寬度調(diào)節(jié)下端齒輪、寬度調(diào)節(jié)固定支架、寬度調(diào)節(jié)上端齒輪；所述寬度調(diào)節(jié)齒輪與所述寬度調(diào)節(jié)固定支架分別設(shè)置于所述射流寬度調(diào)節(jié)單元的兩端，所述寬度調(diào)節(jié)齒輪為一個內(nèi)齒輪圈與所述寬度調(diào)節(jié)下端齒輪形成齒輪傳動配合，所述寬度調(diào)節(jié)固定支架設(shè)有2個，且呈對稱分布；所述寬度調(diào)節(jié)下端齒輪與所述寬度調(diào)節(jié)上端齒輪在同一個軸上，同步旋轉(zhuǎn)，進而可將所述寬度調(diào)節(jié)上端齒輪的動力傳遞到所述寬度調(diào)節(jié)齒輪。

10、所述射流調(diào)節(jié)板包括寬度調(diào)節(jié)板、寬度調(diào)節(jié)連桿、長度調(diào)節(jié)板、長度調(diào)節(jié)連桿；所述寬度調(diào)節(jié)板和長度調(diào)節(jié)板各設(shè)有兩個，均呈對稱分布，兩者相互正交交叉布置，且所述寬度調(diào)節(jié)板設(shè)于所述長度調(diào)節(jié)板上方，所述長度調(diào)節(jié)板上設(shè)有一個長度調(diào)節(jié)板臺階，所述長度調(diào)節(jié)板臺階適配插入所述噴嘴法蘭盤的所述長度調(diào)節(jié)限位滑槽內(nèi)；所述寬度調(diào)節(jié)連桿一端連接所述寬度調(diào)節(jié)板，另一端連接所述寬度調(diào)節(jié)固定支架，通過所述射流寬度調(diào)節(jié)單元即可控制所述寬度調(diào)節(jié)板的滑動；所述長度調(diào)節(jié)連桿一端連接所述長度調(diào)節(jié)板，另一端連接所述長度調(diào)節(jié)固定支架，通過所述射流長度調(diào)節(jié)單元即可控制所述長度調(diào)節(jié)板的滑動。

11、所述固定外殼包括內(nèi)腔軸肩、圓弧形臺階、導(dǎo)電滑環(huán)、外殼豁口；所述內(nèi)腔軸肩位于所述外殼內(nèi)部，用于所述長度調(diào)節(jié)單元的限位，使其只能在沿著所述內(nèi)腔軸肩做旋轉(zhuǎn)運動；所述圓弧形臺階設(shè)有兩個，對稱分布在所述固定外殼內(nèi)腔底部，用于所述射流寬度調(diào)節(jié)單元的限位，使其只能在所述圓弧形臺階上做旋轉(zhuǎn)運動；所述導(dǎo)電滑環(huán)安裝在所述固定外殼外部，用于拋光工具旋轉(zhuǎn)時所述齒輪切換單元電磁裝置的供電；所述外殼豁口設(shè)有2個，且呈對稱分布在所述固定外殼的兩側(cè)，為所述動平衡裝置和所述齒輪切換單元提供安裝空間。

12、所述齒輪切換單元包括齒輪固定支架、滑動齒輪組、齒輪軸固定套筒、電磁鐵固定支架；所述齒輪固定支架和所述電磁鐵固定支架通過螺栓連接固定在所述噴嘴法蘭盤下端；所述滑動齒輪組包括花鍵軸套、長度調(diào)節(jié)傳動齒輪、寬度調(diào)節(jié)傳動齒輪、圓柱形鐵磁材料、撥叉；所述花鍵軸套通過套筒內(nèi)部對稱分布的鍵與所述軸槽相配合，因此所述花鍵軸套可以在所述軸槽上下滑動，并隨著所述軸槽的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，所述花鍵軸套與所述長度調(diào)節(jié)傳動齒輪、所述寬度調(diào)節(jié)傳動齒輪設(shè)為一體，同時旋轉(zhuǎn)，所述長度調(diào)節(jié)傳動齒輪和所述寬度調(diào)節(jié)傳動齒輪分別和所述長度調(diào)節(jié)上端齒輪、所述寬度調(diào)節(jié)上端齒輪形成齒輪傳動配合，因此它們能夠進行動力的傳遞，所述圓柱形鐵磁材料設(shè)置在所述撥叉，用于當有磁力吸引時帶動所述滑動齒輪組上下滑動；所述撥叉設(shè)置在所述花鍵軸套，它們之間安裝有滑動軸承，所述撥叉不會隨所述花鍵軸套的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動；所述齒輪軸固定套筒通過螺栓連接固定在所述齒輪固定支架上，所述齒輪軸固定套筒包括中間傳動齒輪固定套、寬度調(diào)節(jié)固定軸套、長度調(diào)節(jié)固定軸套；所述中間傳動齒輪固定套用于所述中間傳動齒輪所在軸的下端固定；所述寬度調(diào)節(jié)固定軸套和所述長度調(diào)節(jié)固定軸套分別用于所述射流寬度調(diào)節(jié)單元、所述射流長度調(diào)節(jié)單元中傳動齒輪軸的固定；所述電磁鐵固定支架包括上吸電磁鐵、支撐彈簧、下吸電磁鐵；所述上吸電磁鐵用于吸引所述圓柱形鐵磁材料，進而將所述滑動齒輪組沿著所述軸槽往上滑動；所述支撐彈簧用于將所述撥叉放置在上，進而在電磁鐵不通電時，所述滑動齒輪組可以靜止在所述支撐彈簧上；所述下吸電磁鐵用于吸引所述圓柱形鐵磁材料，進而將所述滑動齒輪組沿著所述軸槽往下滑動。

13、所述整體固定支架包括拋光工具固定螺栓孔、外部固定螺栓孔；所述拋光工具固定螺栓孔通過螺栓與超聲發(fā)生器法蘭上的螺栓孔連接，從而固定整個拋光工具。所述外部固定螺栓孔則用于連接外部的執(zhí)行機構(gòu)。

14、所述超聲發(fā)生器包括超聲換能器、變幅桿前端、變幅桿末端；所述超聲換能器將電能轉(zhuǎn)換為機械振動，通過所述變幅桿前端變幅放大作用，進而增強所述變幅桿末端振動；所述變幅桿前端與所述變幅桿末端通過螺紋可拆卸地連接，便于因空化效應(yīng)而易于損壞的所述變幅桿末端的更換；所述變幅桿末端在所述圓錐導(dǎo)流罩內(nèi)作高頻振動，使噴射出的磨粒流具有脈沖效應(yīng)。

15、進一步的，所述步進電機驅(qū)動所述電機輸出齒輪旋轉(zhuǎn)，所述電機輸出齒輪嚙合驅(qū)動所述上端傳動齒輪旋轉(zhuǎn)，進而帶動所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤旋轉(zhuǎn)；所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤經(jīng)由螺栓與所述噴嘴法蘭盤的連接，驅(qū)動所述噴嘴法蘭盤進行旋轉(zhuǎn)運動，致使從所述噴嘴口噴射出的線型磨粒流形成圓柱形射流，從而擴大拋光加工覆蓋區(qū)域；同時，所述中空旋轉(zhuǎn)法蘭盤的所述下端傳動齒輪隨動旋轉(zhuǎn)，并驅(qū)動所述中間傳動齒輪旋轉(zhuǎn)；所述中間傳動齒輪軸上的所述軸槽隨軸轉(zhuǎn)動，通過其與所述滑動齒輪組的所述花鍵軸套的花鍵配合，驅(qū)動整個所述滑動齒輪組旋轉(zhuǎn)。

16、進一步的，當所述上吸電磁鐵經(jīng)由所述導(dǎo)電滑環(huán)通電時，其吸引所述圓柱形鐵磁材料，驅(qū)動所述撥叉將所述滑動齒輪組向上滑動，致使所述長度調(diào)節(jié)傳動齒輪嚙合驅(qū)動所述長度調(diào)節(jié)上端齒輪旋轉(zhuǎn)；所述長度調(diào)節(jié)上端齒輪帶動所述長度調(diào)節(jié)固定支架轉(zhuǎn)動，進而通過所述長度調(diào)節(jié)連桿的收縮拉動所述長度調(diào)節(jié)板滑動，以調(diào)節(jié)射流束的長度。反之，當所述下吸電磁鐵經(jīng)由所述導(dǎo)電滑環(huán)通電時，其吸引所述圓柱形鐵磁材料，驅(qū)動所述撥叉將所述滑動齒輪組向下滑動，致使所述寬度調(diào)節(jié)傳動齒輪嚙合驅(qū)動所述寬度調(diào)節(jié)上端齒輪旋轉(zhuǎn)；所述寬度調(diào)節(jié)上端齒輪帶動所述寬度調(diào)節(jié)固定支架轉(zhuǎn)動，進而通過所述寬度調(diào)節(jié)連桿的收縮拉動所述寬度調(diào)節(jié)板滑動，以調(diào)節(jié)射流束的寬度。通過控制所述步進電機的旋轉(zhuǎn)方向，即可分別實現(xiàn)射流束長度的增長/縮短或?qū)挾鹊脑鰧?收窄。

17、進一步的，所述噴嘴口、所述寬度調(diào)節(jié)板及所述長度調(diào)節(jié)板噴射磨粒流的端部區(qū)域均需施加耐磨處理。

18、本發(fā)明的有益效果在于：

19、1)本發(fā)明提出的一種尺度可調(diào)的超聲輔助旋轉(zhuǎn)線射流拋光裝置，相較于一般的線射流拋光，本發(fā)明中，其一，可旋轉(zhuǎn)的線射流大幅擴大了拋光面積，可以實現(xiàn)較大零件復(fù)雜表面的快速拋光，并且能夠獲得較好的表面質(zhì)量，同時，磨粒流在噴射時旋轉(zhuǎn)起來，這樣的線射流不僅有縱向速度，而且還有徑向和切向分速，能夠增加磨粒流與材料表面的剪切作用，從而能更快的拋光零件表面。其二，具有脈沖效應(yīng)的線射流，顯著提升了磨粒沖擊強度，極大提高零件表面拋光效率。

20、2)本發(fā)明通過射流長度調(diào)節(jié)單元和寬度長度調(diào)節(jié)單元，可以根據(jù)產(chǎn)品拋光需要自動調(diào)節(jié)線射流的長度和寬度，提高了拋光工具的適用性，具備超精密拋光領(lǐng)域的應(yīng)用前景。