[發明專利]一種輪廓表面的高效粗化加工系統及方法

有效

• 申請號: 201910089059.5
• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN109759659B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 何國健;顧琳
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23H5/04
• 分類號: B23H5/04;B23H9/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種輪廓表面的高效粗化加工系統及方法，通過配合使用工具頭、放電電源，在待粗化零件輪廓表面可分別實現微小余量放電加工、磨削加工或者放電磨削復合的加工方式，工具頭與待粗化零件進行相對運動，進而在零件輪廓表面加工出單個或多個微小尺寸槽，實現表面粗化效果。本發明適用范圍廣，對于難切削加工材料的表面也具有粗化成本低、效率高、效果好的工藝特點。特別地，與現有表面粗化方法相比，本發明高效和精密兼具，且粗化表面無毛刺產生。

技術領域

本發明涉及表面粗化處理技術，尤其涉及一種輪廓表面的高效粗化加工系統及方法。

背景技術

目前，固體火箭發動機的噴管多采用復合材料擴散段和金屬殼體粘接的結構形式，受限于粘接的強度，工作時高壓燃氣導致噴管擴散段膠接界面失效并被吹脫落是固體火箭發動機噴管的常見故障。研究人員發現對機械零件表面進行粗化處理，使得表面形成微小的凹槽，可以大幅增加膠接貼合面面積，從而極大提高復合結構的粘附強度和可靠性。表面粗化處理方法除了被廣泛應用于零部件的粘接和膠接以及復合材料制備等場合，在涂層附著方面也有較多應用，例如可對鋁制發動機缸孔表面進行粗化處理以接收鋼基的熱噴涂涂層，從而使涂層和基體之間形成的附著力能夠承受加工及發動機活塞工作時的載荷。

可用于金屬零件表面粗化的工藝方法有很多，如機械加工、噴砂、高壓水沖洗、激光加工、放電加工等方式，這些方式都有各自的優缺點。噴砂可以提高零件表面的抗疲勞強度和使用壽命，但需要使用單獨的噴砂設備，且因噴砂材料磨損導致噴砂質量較難控制；高壓水沖洗能夠獲得很好的粘附強度，雖然粗化過后零件表面干凈，無需額外清洗機，但粗化過程中需要用到高壓清洗設備，設備能耗及運營成本高；激光加工也可以形成較高的粘附強度，但激光加工設備的投資較高，加工前需要清洗工件；而機械加工進行普通材料表面粗化時，刀具成本低、加工時間短，且形成的粗化表面能獲得高的粘附強度，但是當粗化對象為高溫合金、復合材料等難加工材料時，由于加工成本的上升和加工效率的降低，采用機械加工的方式進行表面粗化不再是一個良好的選擇；以電火花加工為代表的放電加工，其加工范圍不受工件材料強度、硬度的限制，在難加工材料的制造方面有廣泛應用，但是加工效率低下始終是其發展過程中的最大短板，近年來，電弧加工的興起逐漸解決了放電加工效率較低的難題。

日本學者富岡晃德等人在專利CN106345928B中提出了一種用于金屬材料的表面粗化裝置及方法，通過把具有尖角凸起特征的模具按壓至待粗化表面，從而在待粗化表面形成相應的凹陷特征，達到實現表面粗化的目的。該專利通過改變模具尖角凸起的尺寸可對表面粗化形貌尺寸進行控制，從而可以控制粗化后增加的表面粘接面積。然而，該粗化方法的原理是通過機械力將模具按壓至待粗化表面，當待粗化表面為高強度、高硬度材料時，會對模具提出較高的要求，導致粗化成本上升，同時也會造成粗化效率低下，粗化效果差。除此之外，具有復雜曲面特征的零件也是該方式難以勝任的粗化對象。

福特汽車公司在專利CN108374729A中提出了一種用于汽車發動機缸孔表面的粗化方法及工具。該專利提及的粗化方法及工具利用機械加工的方式可以在以發動機缸孔為實施例的表面加工出多個槽，每個槽具有基部和頂部，且頂部具有相對的倒角邊緣。形成槽之后，可利用修光工具(例如，旋鍛修光工具)使頂部變形，以產生底切，最終形成的槽輪廓避免了帶有尖銳拐角的燕尾形峰部，可在向孔表面涂覆涂層時減少氧化物的生長。但是，該專利中提及的粗化工具結構復雜，成本較高，且無法做到對缸孔表面粗化的一次加工完成。和其他機械加工粗化方式一樣，由于粗化結束后，缸孔表面存在殘留的切削屑，需要對缸孔表面進行仔細清洗。

在專利CN1878972A中公開了一種表面粗糙化的方法，其利用具有第一和第二切削刃的徑向切削刀片在工件表面進行切削加工，形成溝槽及粗糙化破裂表面，該方法可用于圓筒形內或外表面的粗化。該粗化方法也會受待粗化零件材料限制，對于難切削加工材料，粗化成本高、效率低，無法取得較好的粗化效果，并且為了去除殘留的切削屑，粗化結束后也需要對工件表面仔細清洗