CN105458900B - 一种管状工件内表面的抛光装置 - Google Patents

一种管状工件内表面的抛光装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管状工件内表面的抛光装置，该抛光装置具有一由箱体和箱盖组成的长方体的机架盒；所述的箱体底部设有泄露研磨液的回流孔，箱体两头分别设有同轴的进口管和出口管；所述的进口管位于箱体内的末端紧套有静环，所述的出口管位于箱体内的末端套设动环；所述的静环内设有两头延伸至其内壁上的涡旋发生柱，静环外套设有齿圈；所述的齿圈对应处的箱盖上设有与所述齿圈啮合的传动齿轮，该传动齿轮设在支承于箱盖上的动力装置的输出轴上；所述的齿圈和动环的内壁分别与所述管状工件两头的外壁紧配合，以使得所述管状工件与齿圈和动环三者同步转动。本发明所述的抛光装置具有抛光均匀、效率高的优点。

Description

一种管状工件内表面的抛光装置
技术领域
本发明涉及用于磨削或抛光的装置，具体涉及特殊磨削加工的专用装置，该装置利用卡门涡街原理增强流动性磨料对工件进行研磨。
背景技术
利用流动的磨料对工件表面进行研磨抛光是一种新的光整加工方法，常见的方法有两种，即射流抛光和磨料流加工。
射抛光是利用由喷嘴的小孔高速喷出的混有细小磨粒的抛光液作用于工件表面，通过磨粒的高速碰撞剪切作用去除微观不平材料，通过控制抛光液喷射时的压力、角度及喷射时间等工艺参数来定量修正工件表面粗糙度的抛光加工工艺。如申请公开号为CN103433857A的发明专利申请公开的一种“射流抛光机”，该射流抛光机分别通过高压液泵和隔膜泵将载基液和磨料输送至射流器，载基液和磨料在射流器中发生紊动扩散和掺混后经射流器的喷嘴喷出形成磨料液射流，磨料液射流作用在工件表面可达到抛光的目的。
磨料流加工也称挤压研磨，是一种使用具有流动性的粘弹性材料(由聚合物载体和磨粒组成)对工件表面进行光整加工的方法。它主要是在一定的压力下强迫粘弹性材料流过被加工零件的表面，使其内部包含的磨粒在被加工零件的表面产生滑移，进而利用磨粒的刮削作用来去除被加工零件表面的微观不平材料，达到去毛刺和抛光的目的。如公开号为CN101602182A的发明专利申请公开的一种“磨料流加工机床”，该磨料流加工机床在使用时将工件夹置于上推料缸与下推料缸之间，通过工件上待抛光的孔道连通两推料缸，推料缸中装有流体磨料，两推料缸交替推料即可迫使流体磨料在待抛光的孔道中往复的挤压流动，以此达到抛光的目的。
然而上述两种光整加工方法仍存在以下不足：
1、射流抛光需要使用高压液泵来形成高速射流，成本较高；高速射流直接在喷嘴中形成，导致喷嘴极易磨损；高速射流溅射厉害，磨料浪费严重；另外该加工方法所用到的喷头通常很难伸至管状工件的内部，其对管状工件内表面的抛光难度较高。
2、磨料流加工通常需要较为复杂的液压系统来实现工件的夹紧和推料缸的动作，操作复杂且成本较高；同时加工过程中磨料流对工件的压力极高，这具有一定的安全隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种管状工件内表面的抛光装置，该装置无需使用高成本的高压液泵或液压系统，而且具有抛光均匀、效率高。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种管状工件内表面的抛光装置，该抛光装置具有一长方体的机架盒，该机架盒由相互配合的箱体和箱盖组成，其中所述的箱体的底部设有泄漏研磨液回流孔；所述的箱体两头分别设有同轴的进口管和出口管；所述的进口管位于箱体内的末端紧套有静环，所述的出口管位于箱体内的末端套设动环；所述的静环内设有两头延伸至其内壁上的涡旋发生柱，静环外套设有齿圈；所述的齿圈对应处的箱盖上设有与所述齿圈啮合的传动齿轮，该传动齿轮设在支承于箱盖上的动力装置的输出轴上；所述的齿圈和动环的内壁分别与所述管状工件两头的外壁紧配合，以使得所述管状工件与齿圈和动环三者同步转动；所述的涡旋发生柱的横截面为多边形，该多边形由靠近静环的矩形和靠近齿圈的等腰梯形组成，其中所述等腰梯形较短的底边靠近齿圈，且所述的多边形的尺寸满足以下关系：
d＝(0.2～0.3)D (Ⅰ)
c＝(0.1～0.2)D (Ⅱ)
b＝(1～1.5)d (Ⅲ)
θ＝15°～65° (Ⅳ)
上式(Ⅰ)～(Ⅳ)中，d为涡旋发生柱横截面的宽度，D为待加工管状工件的内径，c为涡旋发生柱横截面侧边的长度，b为涡旋发生柱横截面的长度，θ为所述等腰梯形腰的斜边与所述矩形与之相交的的一条边的延长线的夹角。
为增加所述抛光装置的密封性能，本发明的一个改进方案是，所述的动环与所述出口管之间设有耐磨密封垫片。
上述抛光装置可组成抛光系统，该系统包括依次串联的输液泵、电动调节阀、电磁流量计和上述圆柱形工件外周面的抛光装置。
本发明所述的抛光装置的工作过程简述如下：
将待加工的管状工件夹置在所述齿圈和动环之间，调节研磨液的流速，使雷诺数Re达到47～105，通过动力装置驱动齿圈、管状工件和动环一起缓慢旋转，即可实现对工件内表面的抛光处理。
研磨液的雷诺数Re由以下公式获得：
其中，v为研磨液的流速，D1为流经管状工件的研磨液的水力直径，μ为研磨液的动力粘度。
本发明的有益效果是：
1、由于研磨液流经涡旋发生柱时，涡旋发生柱两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列漩涡(即卡门涡旋)，这种双列漩涡能携带研磨液中的磨粒对涡旋发生柱后方旋转的管状工件内表面进行均匀撞击，不仅抛光均匀，而且效率高。
2、研磨液流经涡旋发生柱后其所携带的能量向其后方形成的涡旋中聚集，因此由涡旋携带磨粒高速撞击工件表面来完成对工件的抛光，不仅充分利用了研磨液所携带的能量，有效提高装置的能效，而且还降低了研磨液对装置本身零件的磨损。
3、卡门涡旋能在较低的雷诺数Re下形成，因此输送研磨液的泵的扬程和流量不需很大，可有效地降低装置的成本，提高装置的安全性。
附图说明
图1为本发明所述抛光装置的一个具体实施例的结构示意图(剖视)。
图2为图1所示实施例的立体结构示意图。
图3～6为图1所示实施例内部结构的结构示意图；其中，图3为主视图(剖视)，图4为俯视图(剖视)，图5为左视图，图6为图3中局部I的放大图。
图7为图3～6所示内部结构的立体结构示意图。
图8为图1所示抛光装置的抛光工作原理示意图。
图9为图1所示实施例中研磨液的速度分布云图。
图10为利用图1所示抛光装置组成一种抛光系统的示意图。
具体实施方式
参见图1和2，本例中的抛光装置具有一长方体的机架盒，该机架和由相互配合的箱体11和箱盖12组成，其中所述的箱体11的底部设有泄漏研磨液的回流孔10，用以回收抛光过程中泄露出来的研磨液；所述的箱体11两头分别设有同轴的进口管2和出口管7。
参见图3～7，并结合图2，所述的进口管2位于箱体11内的末端套设有与之紧配合的静环3，所述的出口管7位于箱体11内的末端套设与之松配合的动环8，该动环8内侧设有向内凸出的限位环，所述出口管7的端部与该限位环之间设有耐磨密封垫片9。所述的静环3内沿其竖向的直径方向设有两头延伸至其内壁上的涡旋发生柱5，其外套设有齿圈4；所述的齿圈4内侧设有向其内部凸出的限位环6，所述静环3的端部抵托在该限位环6的肩部，且形成该抵托关系的两接触面为光滑的动密封面。所述箱盖12上对应齿圈4的位置设有与之啮合的传动齿轮14，该传动齿轮14设在支承于箱盖12上的电机13的输出轴上，以电机13作为动力装置可驱动齿圈4缓慢转动。
参见图3～7，所述的齿圈4和动环8的内壁分别与所述管状工件1两头的外壁紧配合，当电机13开启时，齿圈4可带动管状工件1和动环8一起转动。
参见图4并结合图8，所述的涡旋发生柱5的横截面为多边形，该多边形由靠近静环3的矩形和靠近齿圈4的等腰梯形组成，其中，所述等腰梯形较长的底边与所述矩形靠近齿圈4的一条边完全重合，较短的底边靠近齿圈4，所述多边形的尺寸满足以下关系：
本例中待抛光的管状工件的内径D为600mm，取d＝0.25D，c＝1/6×D，b＝d，θ＝45°，即涡旋发生柱横截面的宽度d为150mm，涡旋发生柱横截面侧边的长度c为100，涡旋发生柱横截面的长度b为150mm，所述等腰梯形腰的斜边与所述矩形与之相交的的一条边的延长线的夹角为45°。
以下结合附图简要说明本例中抛光装置的工作原理：
参见图8，当研磨液流体的雷诺数Re达到47时能在涡旋发生柱5后方形成稳定的、多少有些规则的、旋向相反、两边交替脱落的涡旋(卡门涡街现象)；这种涡旋可夹带研磨液中的磨粒以远高于研磨液平均流速的速度碰撞管状工件1的内壁，实现对其内表面的抛光处理。
参见图10并结合图2，利用本例中的抛光装置15结合储液箱16和输液泵17构建一套抛光系统，所述输液泵17的进口与储液箱16的底部连通，出口与抛光装置15的研磨液进口管道2相连，抛光装置15的研磨液出口管道7与储液箱16连通。所述输液泵17与抛光装置15之间的管道上串接有电动调节阀18和电磁流量计19，用以调节和监控研磨液的流量，以便获得合适的流速。
本例中研磨液的配方如下：
棕刚玉粉30％(平均粒度为18.6μm)，油性液(63％的去离子水，0.5％的聚丙烯酸钠，7％的碳酸氢钠，21％的46号矿物油，8.5％的乳化剂司班80)70％，密度为1620kg/m3，动力粘度为0.008Pa.s；以上百分比均为质量百分比。
以下采用数值模拟软件Fluent16对研磨液流体进行分析，以便验证本例中研磨装置的效果：
计算条件为：稳态层流模型，将磨料流体的密度和动力粘度输入，流动方程动量项采用二阶迎风格式离散，压力项采用标准格式离散，采用SIMPLE算法求解，其他设置为缺省状态。设置研磨液以1m/s(计算中入口直径为600mm，此时Re为60)的速度流经涡旋发生柱5。
利用Fluent16软件对本例中抛光装置15内研磨液的流动情况进行模拟，并导出研磨液的流动速度分布云图(见图8)。
图9显示，涡旋发生柱5后方流域最高速度为2.7m/s，速度增率170％，远大于研磨室5的入口速度，显然管状工件1内表面的平均剪切应力增大，抛光效率明显提高。

Claims (3)

1.一种管状工件内表面的抛光装置，该抛光装置具有一长方体的机架盒，该机架盒由相互配合的箱体和箱盖组成，其中所述的箱体的底部设有泄漏研磨液回流孔；所述的箱体两头分别设有同轴的进口管和出口管；所述的进口管位于箱体内的末端紧套有静环，所述的出口管位于箱体内的末端套设动环；所述的静环内设有两头延伸至其内壁上的涡旋发生柱，静环外套设有齿圈；所述的齿圈对应处的箱盖上设有与所述齿圈啮合的传动齿轮，该传动齿轮设在支承于箱盖上的动力装置的输出轴上；所述的齿圈和动环的内壁分别与所述管状工件两头的外壁紧配合，以使得所述管状工件与齿圈和动环三者同步转动；所述的涡旋发生柱的横截面为多边形，该多边形由靠近静环的矩形和靠近齿圈的等腰梯形组成，其中所述等腰梯形较短的底边靠近齿圈，且所述的多边形的尺寸满足以下关系：
d＝(0.2～0.3)D (Ⅰ)
c＝(0.1～0.2)D (Ⅱ)
b＝(1～1.5)d (Ⅲ)
θ＝15°～65° (Ⅳ)
上式(Ⅰ)～(Ⅳ)中，d为涡旋发生柱横截面的宽度，D为待加工管状工件的内径，c为涡旋发生柱横截面侧边的长度，b为涡旋发生柱横截面的长度，θ为所述等腰梯形腰的斜边与所述矩形与之相交的的一条边的延长线的夹角；
所述管状工件内研磨液的雷诺数Re为47～105。
2.根据权利要求1所述的一种管状工件内表面的抛光装置，其特征在于，所述的动环与所述出口管之间设有耐磨密封垫片。
3.一种管状工件内表面的抛光系统，该系统包括依次串联的输液泵、电动调节阀、电磁流量计和权利要求1或2所述的管状工件内表面的抛光装置。
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