单向磨料流加工技术背景
技术领域
本发明涉及非传统的机械工具和机械加工领域，它将含有分散
的磨料的粘弹性介质挤压通过工件的表面，特别是孔、流道和其它内
部结构的内表面。这种技术已被广泛使用，例如将内燃机的进气管、
气缸盖和孔磨光，以降低流动阻力和保持工作液体向各气缸的平衡
流动。
涉及的案子
本发明涉及美国专利5,070,652号公开的和要求保护的内容。
现有技术
磨料流加工是一种非传统的加工工艺，它将掺有磨料粒子的粘
弹性介质挤压通过或经过一工件表面，以便使磨料对该表面加工。在
磨料流加工中，磨料的作用可被认为类似于切削、锉削、磨削、研磨、
抛光或搪磨加工，其中，被挤压的粘弹性磨料介质象个“塞子”一样通
过或经过工件。当该塞子在压力下被挤压通过狭窄的通道时，它成了
一个可按工件表面自行成形的物体，从而对工件选定的表面进行加
工。
虽然磨料流加工有点类似于其它的研磨技术，这种技术利用流
体作介质以携带呈分散状态的磨料粒子，并进行类似的研磨加工(诸
如流体动力加工)，但存在着显著的不同。在使用流体(即液体或气
体)的应用中，必须有非常高的速度，这不仅是为了使粒子保持分散
状态，还因为在这种加工中，粒子相对被研磨表面的高速碰撞是主要
的作用力。然而，所有这些流体动力加工受到流体动力学定律的限
制，因此，不能均衡地加工复杂的表面。
然而，在本发明中，如同在其它的磨料流加工中那样，粘弹性的
磨料介质是一种在相当大的压力作用下、但以相当低的速度被挤压
通过限定通道的半固态的、非牛顿的流体。半固态的粘弹性介质不仅
使磨料粒子保持均匀的分散状态，并且在半固态的、粘弹性的介质和
粒子被挤压通过或经过工件时，它还进一步对受到剪切力作用的磨
料粒子提供相对牢固的支撑，以使粒子牢靠地抵压在通道表面。因
此，当粒子被迫沿着被研磨的壁表面移动时，不再是以高速碰撞被研
磨的通道表面，而是以(比悬浮在流体载体里的高速粒子)更高得多
的作用力缓慢而有效地对工件表面加工。然而，与大多数利用固体支
承使磨料粒子紧贴着工件的传统研磨技术不同，支承磨料粒子的介
质是粘弹性的，因此作为一种支撑材料，它能适应通道或通道转弯和
改变形状时的转角和变形的横截面形状。
一般用来进行磨料流加工的、现有技术中的装置包括一个具有
两个相对的挤压室、而工件可插入它们之间的结构。挤压室是进行挤
压的、变容的、可膨胀的室，它具有机械驱动的活塞，该活塞能从室内
将进行研磨的介质挤压通过工件的通道，然后进入另一个挤压室。在
工件和两个挤压室之间必须固定一个或两个可拆卸的、使工件固定
在挤压室上和使工件通道与挤压室密封连接的工件夹具。工件夹具
必须被设计成可牢牢地固定工件，以使待加工的工件表面暴露在两
个挤压室之间的通道内，从而允许磨料介质被挤入和挤出工件，且不
会有任何泄漏。如果待研磨的表面是一个通过工件的孔，夹具必须能
使孔的两端各与一挤压室密封连接，从而使孔本身成为在一个挤压
室和另一个挤压室之间的密封通道。另一方面，如果待研磨的工件表
面是一个外表面，夹具一般就较复杂，并必须被设计成由工件和夹具
一起形成基本的限定通道，从而使待研磨的表面成为通道的一部分，
这样在介质被挤压通过通道时将至少研磨该表面。
一些进行磨料流加工的早期技术采用单向加工方法，它利用一
个挤压室，磨料介质从该挤压室被挤压通过一进口夹具和工件通道，
然后在其离开工件时允许其落到加工台上或落入一容器内。每过一
段时间，必须将收集的磨料介质重新装入挤压室。由于将介质送回到
挤压室需要额外的精力和时间，因此这种单向将磨料介质来回挤压
通过一个或几个工件(如上所述)的技术消除了利用人工重新装载挤
压室的需要，并显著地缩短整个加工时间。
当加工循环开始时，将掺有磨料粒子的、由半固态的、可流动的、
粘弹性材料组成的挤压介质装入一个挤压室，而另一个挤压室是空
的或近乎空的。加工进行时，利用液压的或机械的方法，将磨料介质
从充填的室、经约束通道挤压通过待研磨的工件表面而进入空的室，
从而如希望的那样对表面进行加工。一般来说，被挤压的介质然后在
两个挤压室之间被来回双向挤压，直至达到所需要的研磨程度为止。
利用约束器或芯杆引导磨料介质沿待研磨的表面流动可对埋头孔、
凹陷区、甚至封闭的内腔进行研磨。关于采用磨料流加工的基本的现
有技术的更详细说明可见美国专利3,521,412号(麦卡蒂)；3,634,
973号(麦卡蒂)；3,802,128号(小迈尼尔)；以及3,819,343号(罗
兹)。
现有技术存在的问题
虽然现有技术是非常有效的，但相对于某些工件特征来说它们
的确存在着局限性。所述的美国专利5,070,652号是最接近本发明
的现有技术，它存在着已被本发明克服的局限性。例如，某些工件具
有复杂的几何形状，这将使设计或应用夹具、以有效地密封在待加工
的通道上的开口变得困难。作为这种工件的例子，有些内燃机(其每
个气缸上有多个进气和/或出气阀)上的较先进的气缸盖对于在孔的
歧管一侧还是活塞缸一侧进行固定都是很困难的。对于利用磨料流
加工来抛光在这种气缸盖里的进气口或出气口来说，将夹具固定在
孔的歧管一侧是相对容易的，因为孔的外侧开口通常位于一平表面
上，而进气或出气岐管最后将固定在该表面上。而孔的另一端要密封
连接一夹具却是非常不容易，因为孔的开口一般与圆盖形或半球形
气缸盖内的复杂的几何结构靠得很近，由于圆盖形的气缸盖还包含
着一个火花塞开口，从而使该气缸盖的结构进一步复杂化。虽然也可
设计出适当的夹具，但制造成本相当昂贵，而且如果要获得足以防止
介质流入诸如出气口和火花塞开口等区域的密封，那么将气缸盖工
件妥善地安装在这种夹具上可能是非常耗时的。此外，由于通道是呈
锥形的，因此在大多数情况下反向流动经过这类进口的加工不是很
理想的。
这种技术的另一个显著缺点在于，常常需要靠活塞式挤压室的
一次充填量来完成对工件的加工(对于复杂的零件来说，这将需要特
别大的挤压室和介质量)，或必须在加工循环之间卸下、然后再装上
夹具(这将需要额外的工作量，耽误时间并增加了发生错误的可能
性)。
在我们先前的美国专利5,070,652号里，单向流动是通过将介
质收集在处于“备用”状态的一挤压介质室、而利用在“工作”状态的
另一配对的挤压介质室进行加工而实现的。当在工作状态的挤压介
质室里的工作介质被排出的时候，处于备用状态的挤压介质室将被
重新充填，这时，两个配对的挤压介质室的作用互相交换。
加工时，两个挤压介质室在连续的循环中可在两种状态之间变
换，直至完成工件的加工。然后取下工件，安装另一个工件，并重新开
始加工。
这种技术需要两个挤压室，以及与它们相关的液压驱动的活塞，
而在加工循环的任何时候只有一个在进行有效的加工，这意味着存
在额外的装备费用，而这在许多情况下是不能接受的。
本发明的目的
本发明的一个目的是提供一种简单的、低成本的、可进行单向磨
料流加工的装置，它可对工件内形成的内孔、流道和类似结构进行磨
削、去毛刺、切圆角和抛光。
本发明的另一目的是提供一种既快速又容易的单向磨料流加
工。
本发明提供的这些和其它的目的通过下面说明书的描述将变得
更清楚。
发明的简要介绍
提供一种磨料流加工和抛光装置，它具有一液压驱动的、往复运
动的活塞和一挤压介质室，该挤压介质室能接受呈粘弹性的磨料分
散体，并将其单向挤压通过具有内部通道的工件的内表面，从而对所
述表面进行研磨加工。
一夹具引导粘弹性的磨料介质从所述挤压室进入工件内部通道
的进口，并安装一收集器，以便当粘弹性磨料分散体从内部通道的出
口挤出并落入该收集器时利用重力作用收集该磨料。
挤压室设一进口，以便接受在重力作用下从收集器流入挤压介
质室的粘弹性磨料分散体。
液压驱动的活塞间歇地从在所述挤压介质室的挤压位置退回，
以打开挤压介质室进口，并使在重力作用下返流的所述粘弹性磨料
分散体通过打开的进口进入所述挤压介质室。在活塞退回时在挤压
介质室里形成的低压将有助于介质的重力流进入该室并加速充填过
程。
当挤压介质室充填工作介质时，活塞向前移动并与挤压介质室
接合，密封在室内的介质，并准备另一个挤压循环。以一种连续的、循
环的方式重新开始操作，直至完成对工件的加工，然后换上另一个工
件，开始新的循环。
这种加工可利用一个或几个挤压介质室进行。当必须实施短的
生产过程时，可考虑使用单个挤压介质室，以降低装置成本。有时，也
可使用两个或更多的挤压介质室。其中一个挤压介质室接受工作介
质流，而另一个挤压介质室进行加工，从而不需要从工件上或从磨料
介质的加工流上卸下夹具。
附图说明
图1是本发明的装置的剖视示意图；
图2是图1中的实施例在不同运转阶段的剖视示意图；
图3是本发明装置的另一实施例的剖视示意图；
图4是图3中的实施例在不同运转阶段的剖视示意图。
详细说明
单向磨料流加工、研磨和抛光的工作性能在很大范围内是非常
理想的，特别是在那些因被加工零件的复杂性或介质必须通过的开
口的形状而使来回挤压介质所需的夹具做不出来的场合。在另外一
些场合，双向、来回挤压可能太费钱，诸如在较短的生产过程中。在有
些情形下，所需要的设备可能太昂贵和复杂。
早先，我们已经提供了有效和实际可行的单向磨料流加工技术，
它公布于第5,070,652号美国专利。然而，仍需要简化设备和操作。
在本发明里，我们提供了一种简单的、低成本的、且同样可靠和
方便的系统，它只需极少的调整工具和夹具，就能进行单向磨料流加
工、研磨和抛光。该系统使用至少一个由活塞驱动的挤压室，或液压
驱动挤压介质室及类似的驱动机构。在该挤压室脱机时，利用磨料介
质的重力流动再装满该室。
这种简化是可实现的，即利用加工过程中使用的、被挤压的磨
料介质的重力作用来重新给料。磨料从工件的出口落入一料斗，在那
里有控制地和间歇地通过挤压介质室进口而进入挤压室。这种重新
给料是通过操纵驱动活塞进行控制的，该活塞周期性地从所述挤压
介质室里的挤压位置退回到退回位置，以便打开所述挤压介质室进
口，让粘弹性的磨料分散体在重力作用下返流到所述挤压介质室。
挤压介质室进口直接与料斗的内腔连通，磨料介质汇集在料斗
里，而该进口一般由活塞所封闭。当活塞退回时，该进口与挤压室内
腔连通，从而允许介质流入并充填该室，以备加工作业重新开始。
在较佳的实施例里，挤压室是一垂直取向的挤压介质室，它具有
若干环形排列的、通过挤压介质室侧壁上端的进口，和一在挤压介质
室底部的出口。在该较佳的实施例里，活塞被从上向下驱动。
在该较佳实施例的一个变型中，也可以使挤压介质室顶部敞开，
并提供一通过活塞面的进口。该进口需要一种隔离阀装置以关闭该
进口。
如果愿意，垂直设置的活塞可被从下向上驱动，且出口和进口均
位于顶部。这种装置要求在活塞后退时打开关闭着进口的阀以便进
行重新给料的流动，这种阀可以是滑阀、单向阀或类似的阀。
可与上述较佳实施例相匹敌的是一种水平安装和驱动的圆筒形
挤压室，而料斗与设置在挤压室壁的上表面上的进口连通。该进口最
好在活塞退回到挤压介质室的头部打开。其出口设在挤压介质室远
离进口的另一端上。
用于本发明的、被推荐的粘弹性介质的特征是具有非牛顿的流
动性能。当在挤压和磨料流加工过程中处于剪切状态时，这些材料就
象塞子流动通过通道，在施加剪切时呈现出显著增加的粘滞性。当施
加的剪切撤消时，该材料在松弛情况下呈现出较低的粘滞性和较多
的流动性能。特别是，在重力作用下它能容易地流动，这样，聚集在料
斗底部的材料在活塞从挤压室退回而打开进口时可容易地流入和充
填该挤压室。退回活塞还会对挤压室抽真空，这样，当进口打开时将
把介质吸入挤压室里。一旦挤压室填满介质，活塞就会向前进入挤压
室，关闭进口，将介质封闭在挤压室里，然后，系统准备下一个挤压循
环，而这是通过进一步驱动活塞向前进入挤压室进行的。
用于本发明的较佳的介质是聚硼硅氧烷，它可被增塑，通常利用
硅液，以达到适当的低剪切粘性。在该介质中添加适当量的磨料，而
对磨料的选择涉及到工件的材料和在工件上进行的加工，其一般的
类型在现有技术中已经说明。可以使用的磨料包括硅石，氧化铝，碳
硅砂，金刚砂，碳化钨，碳化硅，金刚石，胡桃壳等。
参看图1和1a，它们描述了本发明的一个实施例，它被用来研
磨和抛光内燃机气缸盖的进气口。如图1和2所示，本装置包括一挤
压室10，它能够依序处理一系列工件，例如内燃机气缸盖。
图1和2描述了本系统的细节，其中挤压室10置于工件40之
下，而该工件40可方便地安装在一夹紧台(未画出)上。
参看图1，该图描述了第一步加工工序，工件40(在本案中是一
气缸盖)被固定不动，这样，夹具24可使进口与在待研磨的工件内的
通道对齐并连通。待研磨工件通道28的出口一侧位于料斗30的上
方，这样，离开通道28的磨料介质将落入料斗内并被收集和重新导
入挤压室10。在这个具体应用中，被加工的通道一般是气缸盖的进
气口。因此，将气缸盖(工件40)的进气岐管一侧牢牢地固定在夹具
24上是较为可取的。
为了开始第一步加工工序，如图1所示，挤压室10含有要被挤
压通过工件的磨料介质。然后启动挤压室，使由一液压缸或类似装置
驱动的活塞42向下移动，挤压在挤压室10里的磨料介质，使其通过
由排出口11限定的通道，通过管道26，到达夹具24和工件通道41，
从而使磨料介质如所希望的那样研磨工件40的通道41的内表面。
当磨料介质离开工件40时，磨料介质落入料斗30，而重力将使其汇
聚并靠近挤压室10的进口16。
在某些地方，通常当工件40已被加工到所需程度时，或当挤压
室10已将所有充填的磨料介质挤出时。第一步加工工序即告完成。
而在本发明中，不需要将装置设计成具有足够大的挤压室容积，以致
在每一个加工循环中就完成在各工件上的研磨工作。与现有技术不
同，即不再苛求在活塞42每完成一个挤压冲程时，就要被加工的工
件加工完毕并卸下，再换上一个新的未加工的工件。这是因为可以采
用多次循环，从而又不必在操作中对所用的夹紧装置和调整装置作
任何改变。多次循环允许有效地使用较小的装置，从而节省可观的费
用。
当加工工序的第一步完成时，这可以是工件所需要的加工已完
成，或活塞42到达排出冲程的尽头，便开始向挤压室重新充填磨料
介质的第二步。如图2所示，活塞42退回到某一位置，以打开位于料
斗40底部内的、通过室10的壁的充填口16。在重力和活塞退回产
生的真空作用下，使磨料介质流动通过进口16，直到挤压介质室被
完全填满为止。
如图2所示，挤压室10设有一排环状进口16，它们环绕挤压介
质室的圆周排列，并通过挤压介质室的壁。当活塞42向上退回到图
1所示的位置时，进口16向料斗30的内腔敞开，从而提供聚集在料
斗里的、靠近该进口处的介质。
一当室10填满时，活塞42向下移动到将进口1 6封闭的位置，
然后已充填的挤压介质室10便准备好开始另一循环。
接着，准备好重复第一步，或者加工另一个新的工件，或者如果
需要的话对同一工件继续进行另一次加工循环。
很显然，本装置提供磨料介质单向流动通过工件的内部通道。
从上面的介绍可看到，在充填的磨料介质必须流入的挤压室10
上，进口16的设置必须使该进口可接受料斗30内的磨料介质。因
此，该进口必须与料斗30的内腔连通，并从实用出发，通过挤压室的
进口应位于挤压室的上部，从而可较方便地接受磨料介质流，以充填
室10。
本技术领域的熟练人员将看到，也可以使用带有一个敞开的顶
部的挤压室，并带有通过活塞42的进口，而在该进口处设一诸如滑
阀之类的打开和关闭机构，从而不再需要通过挤压介质室壁的进口。
同样地，开设于工件上的、磨料介质必须由此离开的出口应面向
下，或至少是横向的，这样，可控制磨料介质的落下，并让其落入接受
室或料斗装置里，而不致聚集在工件上。在磨料介质被挤压通过的进
口和磨料介质必须由此掉落的工件出口之间，磨料介质必须通过的
通道可是由工件设计时决定的任何形状和方向。
很显然，倘若磨料介质通过面向上的开口离开工件，将其导入适
当的挤压室将是较困难的。然而，如果确实需要，也可允许面向上的
出口，但需提供适当的屏障、引导装置，或者甚至是单独的出口夹具，
以便将离开的磨料介质导入一个可掉入接受该介质的挤压室的地
方。
利用一可倾斜的或可转动的工作台将工件安装在夹具上和料斗
30上是一种非常方便的手段，但显然也可利用其它的技术。例如，在
有些应用中，的确比较简单，只是有选择地将工件固定在适当的挤压
室的上方，且不需要任何可移动的器具。在另外的实施例里，料斗装
置事实上可以是一个单独的出口夹具，它将磨料介质导入可让其随
后流入接受该介质的挤压室的地方。
应该明白，本发明的加工方法并不要求全部取消任何出口固定。
虽然本发明的大多数应用可在没有任何出口的情况下进行，但应该
看到，在有些情况下，至少一个局部的出口夹具可能是必需的，特别
是在如果出现在工件上表面的出口是不能避免的情况下。然而，即使
在这种情况下，在工件和接受介质的挤压室之间的整套出口夹具也
将不是必需的。按照本发明的实践，只有能将离开的磨料介质引导到
一个随后可使其落入接受该介质的挤压室的地方的、任何这种出口
夹具才是有用的，而且也不要求往复流动中夹具所必须的那种严格
的密封。
虽然上述的装置和加工方法与现有技术相比具有大量相同的特
征，但也有显著的差异，这些差异提供了值得称道的优点，特别是对
于具有至少一个表面、而该表面难以固定和密封连接一夹具的工件
的加工来说。具体来说，允许在出口处离开工件的磨料介质落下将免
去对夹具和密封出口一侧的需要。还应该清楚地看到：由于仅使用一
个夹具，就可免去制造出口夹具而节省费用，还因为免去安装和密封
出口夹具又可节省时间。而且这个优点对于如上所述的、具有难以夹
紧的表面的工件是非常有利的，还有，在加工不管夹紧其表面是容易
的还是困难的工件时，能节省费用和时间都是好的。除了上述优点之
外，使用如上所述的落下的磨料介质，与使用完全封闭在内的磨料介
质相比，将降低对能量的需要，因为它不再需要用能量和动力将磨料
介质从工件挤压到回收该介质的挤压室去。此外，磨料介质离开工件
后将不再受磨擦力作用，这必将降低磨料颗粒的磨损程度；还有，不
受约束的磨料介质暴露在外界空气中，将在其重新压缩和重新挤出
前的这段时间里得到很好的冷却，这将进一步提高介质的使用寿命，
甚至不再需要现有技术中的磨料流加工装置有时必需的介质外部冷
却装置。
与我们先前的5,070,652号美国专利相比，我们获得了巨大的
简化和可靠性，并因省去了旋转台机构而显著地节省了设备费用。意
想不到的是，因将可流动的介质重新充填挤压室所需要的时间延迟
十分有限，并且当单个循环足以完全加工好工件的内部通道时，必将
会发现，将工件取下并将另一工件安装到位所需要的时间完全可以
或基本上足以使介质流入要填充的挤压室，因此当开始一个新的循
环时将不再需要延时。
在图3和4中，描述了挤压室10的一种替换装置，它具有进口
16，该进口位于并通过水平放置的圆筒形室的上表面。该装置的操作
和功能与图1所示的实施例相同。
上述介绍和具体的实施例是用来描述本发明，以使本技术领域
的熟练人员可实施本发明，而不是用来限止其范围。本发明的全部范
围由附后的权利要求书限定，该权利要求书陈述了本发明的具体界
限。