技术领域
[0001] 本
发明涉及表面粗化处理技术，尤其涉及一种轮廓表面的高效粗化加工系统及方法。
背景技术
[0002] 目前，固体火箭
发动机的喷管多采用
复合材料扩散段和金属壳体粘接的结构形式，受限于粘接的强度，工作时高压燃气导致喷管扩散段胶接界面失效并被吹脱落是固体
火箭发动机喷管的常见故障。研究人员发现对机械零件表面进行粗化处理，使得表面形成微小的凹槽，可以大幅增加胶接贴合面面积，从而极大提高复合结构的粘附强度和可靠性。表面粗化处理方法除了被广泛应用于零部件的粘接和胶接以及复合材料制备等场合，在涂层附着方面也有较多应用，例如可对
铝制发动机缸孔表面进行粗化处理以接收
钢基的
热喷涂涂层，从而使涂层和基体之间形成的附着
力能够承受加工及发动机
活塞工作时的
载荷。
[0003] 可用于金属零件表面粗化的工艺方法有很多，如
机械加工、
喷砂、高压
水冲洗、激光加工、
放电加工等方式，这些方式都有各自的优缺点。喷砂可以提高零件表面的抗疲劳强度和使用寿命，但需要使用单独的喷砂设备，且因喷砂材料磨损导致喷砂
质量较难控制；高压水冲洗能够获得很好的粘附强度，虽然粗化过后零件表面干净，无需额外清洗机，但粗化过程中需要用到高压清洗设备，设备能耗及运营成本高；激光加工也可以形成较高的粘附强度，但激光加工设备的投资较高，加工前需要清洗
工件；而机械加工进行普通材料表面粗化时，刀具成本低、加工时间短，且形成的粗化表面能获得高的粘附强度，但是当粗化对象为高温
合金、复合材料等难加工材料时，由于加工成本的上升和加工效率的降低，采用机械加工的方式进行表面粗化不再是一个良好的选择；以电火花加工为代表的放电加工，其加工范围不受工件材料强度、硬度的限制，在难加工材料的制造方面有广泛应用，但是加工效率低下始终是其发展过程中的最大短板，近年来，
电弧加工的兴起逐渐解决了放电加工效率较低的难题。
[0004] 日本学者富冈晃德等人在
专利CN106345928B中提出了一种用于金属材料的表面粗化装置及方法，通过把具有尖
角凸起特征的模具按压至待粗化表面，从而在待粗化表面形成相应的凹陷特征，达到实现表面粗化的目的。该专利通过改变模具尖角凸起的尺寸可对表面粗化形貌尺寸进行控制，从而可以控制粗化后增加的表面粘接面积。然而，该粗化方法的原理是通过机械力将模具按压至待粗化表面，当待粗化表面为高强度、高硬度材料时，会对模具提出较高的要求，导致粗
化成本上升，同时也会造成粗化效率低下，粗化效果差。除此之外，具有复杂曲面特征的零件也是该方式难以胜任的粗化对象。
[0005] 福特
汽车公司在专利CN108374729A中提出了一种用于汽车发动机缸孔表面的粗化方法及工具。该专利提及的粗化方法及工具利用机械加工的方式可以在以发动机缸孔为
实施例的表面加工出多个槽，每个槽具有基部和顶部，且顶部具有相对的
倒角边缘。形成槽之后，可利用修光工具(例如，旋锻修光工具)使顶部
变形，以产生底切，最终形成的槽轮廓避免了带有尖锐拐角的燕尾形峰部，可在向孔表面涂覆涂层时减少
氧化物的生长。但是，该专利中提及的粗化工具结构复杂，成本较高，且无法做到对缸孔表面粗化的一次加工完成。和其他机械加工粗化方式一样，由于粗化结束后，缸孔表面存在残留的
切削屑，需要对缸孔表面进行仔细清洗。
[0006] 在专利CN1878972A中公开了一种表面粗糙化的方法，其利用具有第一和第二切削刃的径向
切削刀片在工件表面进行切削加工，形成沟槽及粗糙化破裂表面，该方法可用于圆筒形内或外表面的粗化。该粗化方法也会受待粗化零件材料限制，对于难切削加工材料，粗化成本高、效率低，无法取得较好的粗化效果，并且为了去除残留的切削屑，粗化结束后也需要对工件表面仔细清洗
[0007] 综上所述，现有的粗化工艺适用材料范围窄，特别是面对难切削加工材料无法取得良好的粗化效果，同时，粗化刀具结构复杂、制备成本高也是一大局限性。此外，现有粗化工艺都缺乏对粗化表面进行去毛刺处理，而毛刺的存在不仅会对后续的清洗工序提出更高的要求，而且会影响涂层的喷涂效果或胶接的强度。
发明内容
[0008] 为了克服
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轮廓表面的高效粗化加工系统及方法，对于不同粗化对象，分别选择以放电加工或者磨削加工或者两者复合的方式实现零件内表面粗化。本发明适用材料范围广，高效和精密兼具，且粗化表面无毛刺产生，弥补了现有粗化工艺的不足。
[0009] 本发明的目的采用以下技术方案实现：
[0010] 一种轮廓表面的高效粗化加工系统，系统包括机床
工作台、机床
主轴、快换接头、工具头、放电电源和电源
开关，所述放电电源的正极(或负极)与机床工作台上夹持的待粗化零件连接，所述放电电源的负极(或正极)与所述工具头连接，所述工具头包括放电加工工具头、机械磨削工具头和放电磨削复合加工工具头，通过快换接头实现工具头的快速换装并以此实现对待粗化零件轮廓表面的放电加工、磨削加工或放电磨削复合加工。
[0011] 优选的，所述放电电源为直流电源或交流电源，且放电参数为放电
电流0.5A-1000A范围可调，脉宽和脉间0.1μs-100ms范围可调。
[0012] 优选的，所述的放电加工方式包括电弧放电加工、电火花加工和电化学放电加工。
[0013] 优选的，所述的工具头在轴向间隔的设置至少一个加工部。
[0014] 优选的，所述工具头的加工部的截面形状包括矩形、梯形、三角形、弧形或前述形状的组合。
[0015] 优选的，在待粗化零件的轮廓表面加工出至少一个微小尺寸槽，所述微小尺寸槽的截面形状包括矩形、梯形、三角形、弧形或前述形状的组合。
[0016] 优选的，工具头的加工部的截面凸起形状为微小尺寸槽截面减去放电间隙及运动间隙。
[0017] 优选的，所述的放电加工工具头为具有光滑表面的导电工具头，采用工具头外侧面的加工部加工。
[0018] 优选的，所述的放电加工工具头为
石墨电极；所述磨削工具头和放电磨削复合加工工具头的
磨料层的磨料材料为人造金刚石。
[0019] 优选的，所述放电磨削复合加工工具头包括导电层和磨料层，导电层用于放电加工，磨料层进行机械磨削以实现复合加工；磨料层的磨料不导电，磨料层的外表面凸出于导电层的外表面；当采用电火花或电弧加工时，工具头的导电层和待粗化零件之间形成放电通道以
熔化或
软化工件材料，磨料层去除材料；当采用
电化学加工时，工具头的导电层和待粗化零件之间形成导电通道，工件接电源正极并发生电化学反应，同时磨料层去除材料。
[0020] 优选的，所述的机械磨削工具头参与加工部分的表面全部为磨料层，依靠磨料与待粗化零件表面之间的机械力去除材料。
[0021] 优选的，所述的放电磨削复合加工工具头和机械磨削工具头磨料层的磨料粒度尺寸为1μm-100μm。
[0022] 一种采用上述系统对工件轮廓表面高效粗化的方法，方法包括以下步骤：
[0023] 步骤一、待粗化零件准备阶段，根据待粗化零件的结构尺寸、材料特性和粗化需求选择粗化用工具头类型、放电电源的放电参数、加工参数和编写加工代码，将待粗化零件安装在机床工作台上，调整机床工作台将待粗化零件移动到机床加工起点位，将选好的工具头装夹到快换接头上并移动至加工始点；
[0024] 步骤二、当待粗化零件为难切削材料，工具头可选择放电加工工具头或放电磨削复合加工工具头；当选择放电加工工具头时，将放电加工工具头卡接到快换接头上，闭合电源开关，启动加工程序，在待粗化零件的轮廓表面与工具头的加工部之间形成高温放电
等离子体，进而蚀除待粗化表面的材料形成微小尺寸槽，获得粗化效果的零件；当选择放电磨削符合加工工具头时，将放电磨削复合加工工具头卡接到快换接头上，放电磨削复合加工工具头的导电层与待粗化零件的轮廓表面之间放电通道或导电通道，熔化或软化工件材料达到可磨削硬度，工具头转动，使得放电磨削复合加工工具头的磨料层与已熔化或软化的待粗化零件的轮廓表面之间相对运动，磨料层的进给施加机械力去除材料形成微小尺寸槽，获得粗化效果的零件；
[0025] 当待粗化零件为易切削材料时，将机械磨削工具头卡接到快换接头上，电源开关处于断开状态，启动机械磨削加工程序，机械磨削工具头的加工部与待粗化表面相对运动，进而通过机械力去除待粗化表面的材料形成微小尺寸槽，获得粗化效果的零件；
[0026] 步骤三、当步骤二加工完成后，清洗粗化处理的零件；
[0027] 步骤四、检测粗化处理的零件，防止尺寸不达标，输出合格的零件并入库。
[0028] 优选的，待粗化零件轮廓面为内壁面、外壁面及端面，内壁面和外壁面包括圆柱形壁面或非规整曲面壁。
[0029] 比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0030] 1、本发明提出的表面粗化方法具有更广泛的应用场合，且粗化成本低、效率高、效果好。对于不同材料的待粗化表面可选择采用放电加工、磨削加工或者两者复合的方式进行粗化加工，例如对于易加工的材料可以采用磨削加工的方式，对于以
高温合金、
钛合金、复合材料为代表的难切削加工的材料使用放电加工的方式，或者使用放电磨削复合加工的方式边放电边磨削对表面进行粗化。
[0031] 2、本发明提出的表面粗化方法高效和精密兼具，且粗化表面无毛刺产生。由于采用放电和磨削的加工方式，粗化表面避免了毛刺的产生，从而降低了对后续清洗工序的要求，并且有利于增强涂层的喷涂效果或者胶接的强度。
[0032] 3、相较于现有粗化工艺中使用的结构复杂的切削工具，本发明提出的三种工具头结构简单、制备成本低。
[0033] 4、通过调整放电电源的
能量或者磨料层磨料粒度尺寸可对粗化效果进行控制，以满足不同的粗化需求。
附图说明
[0034] 图1为本发明一种轮廓表面的高效粗化方法的示意图；
[0035] 图2为包含三个加工部的三种类型工具头的示意图，其中，(a) 为放电加工工具头，(b)为放电磨削复合加工工具头，(c)为机械磨削工具头。
[0036] 图中：1、待粗化零件；2、工具头；3、放电电源；4、电源开关。
具体实施方式
[0037] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0039] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的
说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0040] 一、技术原理
[0041] 对于不同粗化对象，分别选择以放电加工或者磨削加工或者两者复合的方式实现零件内表面粗化。且粗化表面无毛刺产生，弥补了现有粗化工艺的不足。
[0042] 二、结构及连接关系
[0043] 工具头2安装于机床主轴，待粗化零件1紧固在机床工作台上，放电电源3的正负两极分别于工具头2、待粗化零件1相连，电源开关4存在闭合与断开两种状态，用于控制放电电源是否加载到工具头 2与零件1之间；根据待粗化表面的材料及粗化需求，选择电源开关 4状态及相应的工具头2类型，使工具头2在待粗化零件1内轮廓表面可分别实现微小余量放电加工、磨削加工或者两者复合的加工方式；实施过程中，工具头2跟随主轴做高速旋转运动，并与待粗化零件1形成相对运动，进而在工件轮廓表面加工出单个或多个微小尺寸槽，实现表面粗化效果。
[0044] 具体的，一种轮廓表面的高效粗化加工系统，系统包括机床工作台、机床主轴、快换接头、工具头2、放电电源3和电源开关4，所述放电电源3的正极(或负极)与机床转台上夹持的待粗化零件连接，所述放电电源3的负极(或正极)与所述工具头2连接，所述工具头 2包括放电加工工具头、机械磨削工具头和放电磨削复合加工工具头。放电加工工具头为具有光滑表面的导电工具头，采用工具头外侧面的加工部加工。放电加工工具头为石墨电极；磨削工具头和放电磨削复合加工工具头的磨料层的磨料材料为人造金刚石。
[0045] 实施过程中，工具头2跟随主轴做旋转运动，并与待粗化零件1 形成相对运动，运动轨迹为圆形或螺旋形。
[0046] 通过快换接头实现工具头2的快速换装并以此实现对待粗化零件1轮廓表面的放电加工、磨削加工或放电磨削复合加工。
[0047] 放电电源3为直流电源或交流电源，且放电参数为放电电流 0.5A-1000A范围可调，脉宽和脉间0.1μs-100ms范围可调。
[0048] 放电加工方式包括电弧放电加工、电火花加工和电化学放电加工。
[0049] 在待粗化零件1的轮廓表面加工出至少一个微小尺寸槽，所述微小尺寸槽的截面形状包括矩形、梯形、三角形、弧形或前述形状的组合。
[0050] 参见图2中的(a)、(b)和(c)，工具头2在轴向间隔的设置至少一个加工部，优选的为三个加工部，加工部在工具头的外周面向外凸起形成。工具头2的加工部的截面形状包括矩形、梯形、三角形、弧形或前述形状的组合。
[0051] (a)所示的放电加工工具头的加工部为光滑的导电层。
[0052] (b)所示的放电磨削复合加工工具头包括导电层和磨料层，导电层用于放电加工，磨料层进行机械磨削以实现复合加工；磨料层的磨料不导电，磨料层的外表面凸出于导电层的外表面；当采用电火花或电弧加工时，工具头的导电层和待粗化零件1之间形成放电通道以熔化或软化工件材料，磨料层去除材料；当采用电化学加工时，工具头的导电层和待粗化零件1之间形成导电通道，工件接电源正极并发生电化学反应，同时磨料层去除材料。
[0053] (c)机械磨削工具头参与加工部分的表面全部为磨料层，依靠磨料与待粗化零件1表面之间的机械力去除材料。
[0054] 放电磨削复合加工工具头和机械磨削工具头磨料层的磨料粒度尺寸为1μm-100μm。
[0055] 工具头2的加工部的截面凸起形状为微小尺寸槽截面减去放电间隙及运动间隙。
[0056] 三、加工方法
[0057] 一种采用上述系统对工件轮廓表面高效粗化的方法，方法包括以下步骤。
[0058] 步骤一、待粗化零件准备阶段，根据待粗化零件的结构尺寸、材料特性和粗化需求选择粗化用工具头类型、放电电源的放电参数、加工参数和编写加工代码，将待粗化零件安装在机床工作台上，调整机床工作台将待粗化零件移动到机床加工起点位，将选好的工具头2装夹到快换接头上并移动至加工始点。
[0059] 步骤二、当待粗化零件1为难切削材料，工具头可选择放电加工工具头或放电磨削复合加工工具头；当选择放电加工工具头时，将放电加工工具头卡接到快换接头上，闭合电源开关4，启动加工程序，在待粗化零件1的轮廓表面与工具头的加工部之间形成高温
放电等离子体，进而蚀除待粗化表面的材料形成微小尺寸槽，获得粗化效果的零件；当选择放电磨削符合加工工具头时，将放电磨削复合加工工具头卡接到快换接头上，放电磨削复合加工工具头的导电层与待粗化零件1的轮廓表面之间放电通道或导电通道，熔化或软化工件材料达到可磨削硬度，工具头转动，使得放电磨削复合加工工具头的磨料层与已熔化或软化的待粗化零件的轮廓表面之间相对运动，磨料层的进给施加机械力去除材料形成微小尺寸槽，获得粗化效果的零件。
[0060] 当待粗化零件1为易切削材料时，将机械磨削工具头卡接到快换接头上，电源开关4处于断开状态，启动机械磨削加工程序，机械磨削工具头的加工部与待粗化表面相对运动，进而通过机械力去除待粗化表面的材料形成微小尺寸槽，获得粗化效果的零件。
[0061] 步骤三、当步骤二加工完成后，清洗粗化处理的零件。
[0062] 步骤四、检测粗化处理的零件，防止尺寸不达标，输出合格的零件并入库。
[0063] 上述方法适应的待粗化零件1轮廓面为内壁面、外壁面及端面，内壁面和外壁面包括圆柱形壁面或非规整曲面壁。
[0064] 四、具体实施例
[0065] 实施例1
[0066] 镍基高温合金的表面粗化实施案例。镍基高温合金是一种典型的难加工材料，选择使用放电加工的方式对其进行粗化，具体过程是，将电源开关置于闭合的状态，放电电源、工具头、待加工零件三者形成放电回路，用于在工具头和待加工零件之间形成高温放电等离子体，进而蚀除待粗化表面的材料。工具头选择由石墨材料制成的放电加工工具头，截面形状为梯形，只包含单个加工部；设置放电电源参数为：开路
电压90V、峰值电流100A、脉冲宽度2ms以及脉冲间隔 2ms；设置其余加工参数为：工具头旋转速度1200rpm，粗化深度200 μm，工具头与待粗化表面进行相对螺旋运动，
螺距1mm；根据上述参数，编写加工代码，同时在加工过程中配合使用冲液式或浸液式的工作液，对放电加工区域进行冷却，带走放电蚀除颗粒和产物，防止粗化表面被烧伤，即可在待粗化的镍基高温合金材料表面加工出深度大约为200μm(还需考虑放电间隙)，螺距为1mm的单条微小尺寸梯形
螺旋槽，达到表面粗化的目的。
[0067] 实施例2
[0068]
铝合金的表面粗化实施案例。由于铝合金属于易于加工的材料，选择使用机械磨削的方式对其进行粗化，具体过程是，将电源开关置于断开状态，工具头选择机械磨削加工工具头，截面形状为三角形，含有3个加工部，磨料材料为人造金刚石，粒度尺寸为5μm；设置加工参数为：磨削工具头旋转速度20000rpm，粗化深度100μm，工具头与待粗化表面的相对运动轨迹为圆形；根据上述参数，编写加工代码，可在待粗化的铝合金材料表面加工出3条深度为100μm的微小尺寸三角形槽，取得粗化效果。
[0069] 综上，本发明提出的表面粗化系统和方法具有广泛的应用场合，且粗化成本低、效率高、效果好。对于不同材料的待粗化表面可选择采用放电加工、磨削加工或者两者复合的方式进行粗化加工，例如对于易加工的材料可以采用磨削加工的方式，对于以高温合金、钛合金、复合材料为代表的难切削加工的材料使用放电加工的方式，或者使用放电磨削复合加工的方式边放电边磨削对表面进行粗化。表面粗化方法高效和精密兼具，且粗化表面无毛刺产生。由于采用放电和磨削的加工方式，粗化表面避免了毛刺的产生，从而降低了对后续清洗工序的要求，并且有利于增强涂层的喷涂效果或者胶接的强度。本发明提出的三种工具头结构简单、制备成本低。通过调整放电电源的能量或者磨料层磨料粒度尺寸可对粗化效果进行控制，以满足不同的粗化需求。
[0070] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上诉教导，可以进行很多改变及变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变，即根据以上描述的技术方案以及构思，本领域的技术人员能够做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明
权利要求的保护范围之内。
