CN101246109A - 磁流变抛光液流变性测试装置 - Google Patents

Abstract

一种磁流变抛光液流变性测试装置，它包括计算机、支架以及固定于支架上的扭矩测量装置、磁场发生装置、剪切机构和驱动机构，扭矩测量装置、磁场发生装置和驱动机构与计算机相连，装设于磁场发生装置中的剪切机构包括剪切环和固定环，剪切环位于固定环的上方，剪切环和固定环上的外圆周处分别设有具有一定高度的剪切环边沿和固定环边沿，剪切环边沿和固定环边沿之间形成用来存储磁流变抛光液的储液凹槽，呈盘状的剪切环中心处上方设有与驱动机构相连的旋转轴，固定环的中心处下方设有与扭矩测量装置相连的连接轴。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、控制方便、测试稳定且精度高等优点。

Description

磁流变抛光液流变性测试装置

技术领域

本发明主要涉及到磁流变抛光的技术领域，特指一种磁流变抛光液流变性测试装置。

背景技术

磁流变抛光液(Magnetorheological polishing fluid)由载液(如水，矿物油，硅油等)、磁敏微粒、表面活性剂、抛光颗粒及具有其他功能的添加剂组成。磁流变抛光液的流变性是指其在外磁场作用下变硬，具有类似于“固体”的性质。外加的磁场强度越大，磁流变抛光液的硬度也越大，在撤掉磁场作用后，磁流变抛光液又能迅速恢复液体状态。磁流变抛光(Magetorheological Finishing)技术正是利用磁流变抛光液在磁场中的流变性，通过控制外磁场对磁流变抛光液的剪切屈服应力和局部形状来进行实时控制，创造一个能够与被加工光学表面相吻合的“柔性抛光模”，实现对光学玻璃等材料的抛光加工。磁流变抛光液流变性能的好坏直接影响到磁流变抛光的成败，同时对磁流变抛光液流变性的定量描述也是建立磁流变抛光数学模型的基础。因此实现对磁流变抛光液流变性的定性定量测量具有非常重要的意义。

磁流变抛光是一种新兴的光学加工技术，其相关的技术都还不成熟，特别是对磁流变抛光液的定量测量基本上是空白。对磁流变抛光液的定量测量就是得到其在相应磁场强度和剪切速率下的剪切应力。国内基本上是套用对磁流变液(Magnetorheologicalfluid)的测量手段，而对磁流变液的定量测量也没有专门的仪器，一般是采用一些简单的装置或者对流变仪进行改装进行初步的测量，如重庆大学、中科大等都是通过对传统的流变仪进行改装来对磁流变液进行测量。经对现有技术文献的检索发现，中国专利号：01113648.0，发明名称：磁流变液流变特性的测试系统，该发明采用的是双平板的剪切机构，中国专利申请号：200510029654.8，发明名称：磁流变液流变特性测量系统，该系统也是对传统流变仪的改进。国外也发展了一些设备来测试磁场作用下的磁流变液的屈服应力，如德国Paar Physica公司的商用磁流变液测试系统MR-100-450等。磁流变液根据组成和性能的不同种类比较多，而并不是每种磁流变液都可以用于抛光，同时由于磁流变抛光液和磁流变液在应用时所外加的磁场形式等方面的不同，所以现有的方法不能满足对磁流变抛光液进行流变性定量测试的要求，也没有对磁流变抛光液的流变性进行定量测试的设备。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、控制方便、测试稳定且精度高的磁流变抛光液流变性测试装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种磁流变抛光液流变性测试装置，其特征在于：它包括计算机、支架以及固定于支架上的扭矩测量装置、磁场发生装置、剪切机构和驱动机构，扭矩测量装置、磁场发生装置和驱动机构与计算机相连，装设于磁场发生装置中的剪切机构包括剪切环和固定环，剪切环位于固定环的上方，剪切环和固定环上的外圆周处分别设有具有一定高度的剪切环边沿和固定环边沿，剪切环边沿和固定环边沿之间形成用来存储磁流变抛光液的储液凹槽，呈盘状的剪切环中心处上方设有与驱动机构相连的旋转轴，固定环的中心处下方设有与扭矩测量装置相连的连接轴。

所述磁场发生装置包括铁芯、上磁极、下磁极、线圈以及直流稳流电源，所述铁芯由上横梁、下横梁以及位于上横梁和下横梁之间的左立柱和右立柱，与直流稳流电源相连的线圈绕设于右立柱上，左立柱的中段处由上至下分成两截，上磁极和下磁极相对固定于左立柱上两截的端面，剪切机构设置于上磁极和下磁极之间。

所述左立柱的上、下两截以及上磁极和下磁极上开设有对应的通孔，剪切环的旋转轴穿设于通孔内并与驱动机构相连，固定环的连接轴穿设于通孔内并与扭矩测量装置相连。

所述固定环的底部为一环槽，环槽通过两根或两根以上的筋板与连接轴相连，所述下磁极的底部开设有与筋板配合的凹槽。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明磁流变抛光液流变性测试装置，结构简单紧凑、成本低廉、控制方便、测试稳定且精度高，可以完成对磁流变抛光液的定量测试，填补了磁流变抛光液定量测试的空白；

2、本发明磁流变抛光液流变性测试装置，采用特殊形状的磁极结构，可以在储液凹槽处产生与磁流变抛光相似的“鼓包”形磁场，磁场发生装置采用直流稳流电源为线圈提供电流，可以准确控制所产生的磁场强度的大小，因此使得测量装置在测量区域的磁场完全模拟实际抛光时的磁场，从而能够提供准确的磁流变抛光液流变性数据；

3、本发明磁流变抛光液流变性测试装置，采用特殊结构的剪切机构，剪切环类似于磁流变抛光中的抛光轮，通过旋转轴与驱动装置相连，实现无级调速，从而可以得到与实际加工时抛光轮相同剪切速率下的剪切应力，且该机构简单、装拆方便，可以根据应用需要更换剪切机构和相应的磁极来测量不同磁场条件下的磁流变液的流变性；

4、本发明磁流变抛光液流变性测试装置，所提供的测试数据可以为磁流变抛光液的配置和磁流变抛光的数学建模提供定量依据。

附图说明

图1是本发明测试装置的框架结构示意图；

图2是本装置的结构示意图；

图3是本发明实施例中剪切机构和磁极装配的剖视结构示意图；

图4是本发明实施例中剪切机构固定环和下磁极装配的剖视结构示意图；

图5是本发明实施例中剪切机构剪切环和上磁极装配的剖视结构示意图；

图6是本发明实施例中磁场发生装置的立体结构示意图；

图7是磁场发生装置所产生磁场的示意图；

图8是磁场发生装置所产生磁场磁力线分布的仿真示意图；

图9是磁场发生装置所产生磁场的实际测量结果曲线示意图；

图10是本发明实施例对磁流变抛光液在不同磁场强度下的测试结果曲线示意图。

图例说明

1、计算机              2、支架

3、扭矩测量装置        4、剪切机构

5、铁芯                6、线圈

8、联轴器              9、伺服电机

10、下磁极             11、固定环

12、剪切环             13、上磁极

14、筋板               15、凹槽

16、第一接线柱         17、第二接线柱

18、储液凹槽           19、连接轴

20、旋转轴             21、固定环边沿

22、剪切环边沿         23、通孔

51、上横梁             52、下横梁

53、左立柱             54、右立柱

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明的一种磁流变抛光液流变性测试装置，它包括计算机1、支架2以及固定于支架2上的扭矩测量装置3、磁场发生装置、剪切机构4和驱动机构，扭矩测量装置3、磁场发生装置和驱动机构与计算机1相连，装设于磁场发生装置中的剪切机构4包括剪切环12和固定环11，剪切环12位于固定环11的上方，剪切环12和固定环11上的外圆周处分别设有具有一定高度的剪切环边沿22和固定环边沿21，剪切环边沿22和固定环边沿21之间形成用来存储磁流变抛光液的储液凹槽18，呈盘状的剪切环12中心处上方设有与驱动机构相连的旋转轴20，固定环11的中心处下方设有与扭矩测量装置3相连的连接轴19。其中，支架2主要为其他部件提供支撑，由非磁性材料加工而成，在保证刚度的同时不要影响磁场发生装置所产生的磁场的形状。剪切机构4置于磁场发生装置的内部，一方面为测试的磁流变抛光液提供存储容器，另一方面对发生流变性变化的磁流变抛光液进行剪切，剪切环12和固定环11均采用不导磁材料制成。驱动机构采用伺服驱动装置，它由伺服电机9和控制电路组成，伺服电机9固定在支架2上，通过联轴器8与剪切环12的旋转轴20相联接，带动剪切环12对磁流变抛光液进行剪切，通过伺服电机9的速度就可以改变剪切环12对磁流变抛光液的剪切速率。扭矩测量装置3由扭矩传感器和测量电路组成，扭矩传感器与剪切机构4的固定环11相联，对发生了流变性变化的磁流变抛光液的剪切力矩进行测量，测量电路将测试数据传送到计算机1进行处理。在较佳实施例中，磁场发生装置包括铁芯5、上磁极13、下磁极10、线圈6以及直流稳流电源，所述铁芯5由上横梁51、下横梁52以及位于上横梁51和下横梁52之间的左立柱53和右立柱54，与直流稳流电源相连的线圈6绕设于右立柱54上，线圈6上设置有用来连接直流稳流电源的第一接线柱16和第二接线柱17。左立柱53的中段处由上至下分成两截，上磁极13和下磁极10相对固定于左立柱53上两截的端面，剪切机构4设置于上磁极13和下磁极10之间。其中，磁场发生装置包括磁场发生和磁场控制两部分，为磁流变抛光液发生流变性变化提供所需要的磁场。由于直流电磁铁具有安全，控制方便等特点，所以采用直流电磁铁作为装置的磁场发生装置。铁芯5采用软磁性材料制成，加工成“口”字型，在一侧的立柱(如右立柱54)上绕制漆包线做成线圈6，并将另一侧的立柱(如左立柱54)在中间位置截断并在整个长度上加工通孔23，用于放置剪切机构4以及驱动装置和测量装置的轴与剪切机构4相连接。上磁极13和下磁极10也是用软磁性材料制成，加工成碗状，主要是产生与磁流变抛光类似的“鼓包”形磁场。上磁极13和下磁极10对立安装，用螺钉固定在铁芯5上，在上磁极13和下磁极10之间存在间隙。

在本实施例中，其具体结构为：左立柱53的上、下两截以及上磁极13和下磁极10上开设有对应的通孔23，剪切环12的旋转轴20穿设于通孔23内并与驱动机构相连，固定环11的连接轴19穿设于通孔23内并与扭矩测量装置3相连。在较佳实施例中，固定环11的底部为一环槽24，环槽24通过两根或两根以上的筋板14与连接轴19相连，所述下磁极10的底部开设有与筋板14配合的凹槽15。剪切环12呈盘状，盘中央的上侧是旋转轴20，旋转轴20穿过铁芯5的左立柱53上截中央的通孔23，并通过联轴器8与伺服电机9相连，其盘的边沿上下两侧都比盘的中央高并存在一定的宽度，装置装配后磁极就被挡在边沿的内侧，避免磁流变抛光液与磁极直接接触，而边沿的外侧与磁流变抛光液直接接触，相当于磁流变抛光时抛光轮的外表面。固定环11中央的下侧是连接轴19，连接轴19穿过铁芯5的左立柱53下截中央的通孔23与扭矩传感器直接相连，盘的边沿的上侧比盘的中央高并存在一定的宽度，装置装配后固定环11的边沿内侧和剪切环12边沿的外侧就形成了一个储液凹槽18，这就是磁流变抛光液放置的位置。固定环11的边沿通过四根筋板14与中央的连接轴19连接，装配后这四根筋板14在下磁极10的四个凹槽15中，从而保证固定环11能绕连接轴19小角度旋转，从而将力矩传递给扭矩传感器。

工作原理：测量时，首先将磁流变抛光液注入剪切机构4的储液凹槽18中，然后调节磁场发生装置的输入电流，在剪切机构4内部产生所需要的磁场后，通过计算机1控制伺服驱动机构的转速，启动伺服电机9带动剪切机构4对发生了流变性变化的磁流变抛光液进行剪切，扭矩传感器与剪切机构4相连，对剪切力矩进行测量，处理电路采取自动或者手动的方式将测试数据导入计算机进行处理得到测量结果并以图表的形式输出。

参见图7所示，是磁流变抛光时抛光区域的“鼓包”形磁场磁力线示意图。根据磁流变抛光的原理，磁场发生装置在抛光区域产生的磁场的磁力线分布是由一个磁极发散，向另一个磁极汇聚的“鼓包”形状，从而使得磁流变抛光液受到磁场作用后，变硬形成于类似的“鼓包”形状对工件进行加工。

参见图8所示，是用ANSYS软件仿真的在磁场发生装置上磁极13和下磁极10之间形成的磁力线分布图。从图中可以看到，这与抛光所用磁场的“鼓包”形磁场是非常相似的。

参见图9所示，是用ANSYS软件仿真的在上磁极13和下磁极10之间产生鼓包形磁场强度随测量位置的变化图。纵坐标为磁感应强度，单位是特斯拉，横坐标是位置Z，单位是毫米。参考图6的坐标，Z方向的磁场为BZ，X方向的磁场为BX，Y方向的磁场为BY，可以看到BZ随着Z的变化是一个由小变大又由大变小的鼓包形，而BY沿Z向的变化关于BZ的最高点对称，BX基本上为零，这与磁流变抛光时的磁场分布也是一致的，说明了设计的正确性。

参见图10所示，是在具体实施例中对水基磁流变抛光液的测量结果。所用水基磁流变抛光液的基载液是脱氧水，悬浮相为羰基铁粉，体积百分比是30％，活性剂为纤维素，所加的抛光粉为氧化铈。图中纵坐标是磁流变抛光液的剪切应力，横坐标是剪切速率，可以看到剪切应力随剪切速率的变化很小，说明磁流变抛光液的零场粘度很小。随着磁场强度的增大，磁流变抛光液的剪切应力随之增大，在磁场强度300mT时，测得的水基磁流变抛光液的剪切应力为15KPa左右。

Claims (4)

1、一种磁流变抛光液流变性测试装置，其特征在于：它包括计算机(1)、支架(2)以及固定于支架(2)上的扭矩测量装置(3)、磁场发生装置、剪切机构(4)和驱动机构，扭矩测量装置(3)、磁场发生装置和驱动机构与计算机(1)相连，装设于磁场发生装置中的剪切机构(4)包括剪切环(12)和固定环(11)，剪切环(12)位于固定环(11)的上方，剪切环(12)和固定环(11)上的外圆周处分别设有具有一定高度的剪切环边沿(22)和固定环边沿(21)，剪切环边沿(22)和固定环边沿(21)之间形成用来存储磁流变抛光液的储液凹槽(18)，呈盘状的剪切环(12)中心处上方设有与驱动机构相连的旋转轴(20)，固定环(11)的中心处下方设有与扭矩测量装置(3)相连的连接轴(19)。

2、根据权利要求1所述的磁流变抛光液流变性测试装置，其特征在于：所述磁场发生装置包括铁芯(5)、上磁极(13)、下磁极(10)、线圈(6)以及直流稳流电源，所述铁芯(5)由上横梁(51)、下横梁(52)以及位于上横梁(51)和下横梁(52)之间的左立柱(53)和右立柱(54)，与直流稳流电源相连的线圈(6)绕设于右立柱(54)上，左立柱(53)的中段处由上至下分成两截，上磁极(13)和下磁极(10)相对固定于左立柱(53)上两截的端面，剪切机构(4)设置于上磁极(13)和下磁极(10)之间。

3、根据权利要求2所述的磁流变抛光液流变性测试装置，其特征在于：所述左立柱(53)的上、下两截以及上磁极(13)和下磁极(10)上开设有对应的通孔(23)，剪切环(12)的旋转轴(20)穿设于通孔(23)内并与驱动机构相连，固定环(11)的连接轴(19)穿设于通孔(23)内并与扭矩测量装置(3)相连。

4、根据权利要求1或2或3所述的磁流变抛光液流变性测试装置，其特征在于：所述固定环(11)的底部为一环槽(24)，环槽(24)通过两根或两根以上的筋板(14)与连接轴(19)相连，所述下磁极(10)的底部开设有与筋板(14)配合的凹槽(15)。

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