CN108581640A - 一种珩磨式磁流变抛光方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抛光设备和工艺领域，特别是一种珩磨式磁流变抛光方法及装置。抛光头内置电磁铁，在抛光头外表面形成高梯度磁场，磁流变抛光液从抛光头内腔流出在磁场作用下，迅速流变成具有黏塑性的Bingham介质，通过调整励磁电流的大小可调节磁场作用下磁流变抛光液的剪切屈服强度以及对工件表面的压力；抛光头由调速电机驱动作高速旋转运动，工件在滚珠丝杠的带动下作往复直线运动，通过抛光头与工件的相对运动实现对工件表面的材料去除；流经抛光区域的磁流变抛光液经由收集装置收集起来，经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后，继续参与磁流变抛光过程。采用本发明抛光均匀性好，适用于不锈钢、陶瓷、钛合金等非导磁管件内壁的高效抛光。

Description

一种珩磨式磁流变抛光方法及装置

技术领域

本发明涉及抛光设备和工艺领域，特别是一种利用磁流变抛光液对非导磁管件内壁进行抛光的方法及装置。

背景技术

随着现代制造技术的飞速发展，对各种机械产品的加工质量要求也越来越高，特别是工程中对于一些小直径细长管内壁的光洁度要求越来越高。一般管件内壁在生产过程中会不可避免地产生毛刺、微裂纹、褶皱等表面缺陷，严重影响管件的使用性能和使用寿命，因此需要增加工序对管件内壁进行抛光处理，提高内壁表面质量，消除表面残余应力。

传统的机械抛光劳动强度大、加工效率低，对于细长的管件，受管件形状的限制，一般的抛光工具难以深入管件内部进行抛光。采用磨粒流工艺可以对细长管件内壁进行光整加工，通过半固态的有机高分子材料作为载体，将具有刮削作用的磨粒悬浮在其中形成黏弹性磨料，在压力作用下流动的磨粒流介质挤擦流过管件表面从而实现对管件表面的材料去除，但由于磨料在介质内的分布内在随机性和变量多样性，加工效果受流速、压力方面影响较大，缺乏成熟的理论支持，管件内表面易出现厚薄不均、表面加工不均匀的情况。化学抛光是靠化学试剂的化学浸蚀作用对工件表面进行光整加工，化学抛光设备简单，能够处理细管、带有深孔及形状复杂的零件，生产效率高，但是抛光溶液的使用寿命短，对环境污染非常严重，不适于可持续发展的要求。

采用磁流变抛光技术可以很好地克服上述问题，能实现微米、纳米量级的材料去除，获得高精度的超光滑表面。在磁场作用下磁流变抛光液会迅速流变成“柔性抛光模”，通过“柔性抛光模”与管件的相对运动实现对管件材料的剪切去除。磁流变抛光也是一种确定性精密加工技术，通过磁场控制“柔性抛光模”的大小、形状及强度，结合对“柔性抛光模”运动轨迹的控制，可实现对管件表面的确定性加工策略。目前，磁流变抛光装置主要用于平面、球面、非球面或者3D曲面的表面抛光处理。

发明内容

为了提高管件的使用性能和使用寿命，提高内壁抛光效率，实现管件内壁的磁流变抛光，本发明提供一种操作简单、抛光效率高、抛光均匀性好、能实现磁流变抛光液循环的珩磨式磁流变抛光方法及装置，尤其适用于非导磁管件的内壁抛光。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种珩磨式磁流变抛光方法，抛光头内置电磁铁，在抛光头外表面形成高梯度磁场，磁流变抛光液从抛光头内腔流出在磁场作用下，迅速流变成具有黏塑性的Bingham介质，通过调整励磁电流的大小可调节磁场作用下磁流变抛光液的剪切屈服强度以及对工件表面的压力。抛光头由调速电机驱动作高速旋转运动，工件在滚珠丝杠的带动下作往复直线运动，通过抛光头与工件的相对运动实现对工件表面的材料去除。流经抛光区域的磁流变抛光液经由收集装置收集起来，经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后，继续参与磁流变抛光过程。

所述的珩磨式磁流变抛光方法，具体步骤如下：

步骤1、将管件固定在两端夹具上，通过滚珠丝杠调节管件位置，使得管件右端面与抛光头右端面平齐，管件内壁和抛光头之间留有0.5-2mm的抛光间隙；

步骤2、调整励磁电流大小，使得抛光头和管件内壁之间的抛光区域的磁场强度为100-200mT；

步骤3、将送液管两端分别与抛光头和旋转接头连接，启动蠕动泵将磁流变抛光液泵入抛光头内腔，在磁场作用下磁流变抛光液迅速流变成具有黏塑性的Bingham介质，流经抛光区域的磁流变抛光液从管件两端流出经收集装置收集起来，经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后，再由蠕动泵将磁流变抛光液泵入抛光区域，实现磁流变抛光液的循环使用；

步骤4、启动调速电机，调节抛光头转速为400-800r/min；启动步进电机，调节管件往复移动速度为1-4mm/s；

步骤5、在抛光头的高速转动和管件的往复直线运动的复合运动下，实现管件内壁材料的去除；

步骤6、抛光结束，关停调速电机和步进电机，抛光头和管件停止运动，断掉电磁铁电流。拆卸送液管和旋转接头，将管件从两端夹具上取下来。

一种珩磨式磁流变抛光装置，包括机架、旋转机构、往复移动机构、供液机构、抛光机构，具体结构如下：

所述的旋转机构包括调速电机、电机支架、电机垫块、联轴器、传动杆、导电滑环，调速电机通过电机支架固定在电机垫块上，电机垫块通过螺栓固定在机架上，传动杆左端通过联轴器与调速电机连接，传动杆右端与抛光头螺纹连接，导电滑环通过转子部分的螺丝与传动杆连接，导电滑环由支撑架夹持住，通过立柱与固定在机架上的支撑座连接；

所述的往复移动机构包括管件夹具、滚珠丝杠、连接板、丝杠滑块、步进电机，管件经管件夹具夹持住，管件夹具通过连接板固定在丝杠滑块上，与丝杠滑块相配合的滚珠丝杠固定在机架上且与步进电机相连接，在步进电机的驱动下，滚珠丝杠可带动管件作同步往复直线运动；

所述的供液机构包括送液管、旋转接头、软管接头、软管、蠕动泵，送液管左端与抛光头螺纹连接，送液管右端与旋转接头螺纹连接，旋转接头由支撑架夹持住，通过立柱与固定在机架上的支撑座连接，软管通过软管接头与旋转接头连通，蠕动泵通过软管将磁流变抛光液泵入抛光头内腔；

所述的抛光机构包括抛光头、铁芯、端盖、励磁线圈、O型圈，抛光头内部两端铁芯分别与传动杆、送液管螺纹连接，励磁线圈分别缠绕在两端铁芯柱面上，两端铁芯通过端盖隔开，两侧端盖在抛光头内部形成长度为1-3mm的空腔，用于容纳磁流变抛光液，端盖与抛光头内壁通过O型圈径向密封。

所述抛光头内部的励磁线圈通过传动杆上的出线孔与导电滑环连接，实现向连续转动的抛光头内部电磁铁的持续输电；

所述蠕动泵通过软管将磁流变抛光液泵入旋转接头，流经送液管、抛光头内部右侧铁芯以及端盖的内孔，积聚在抛光头内部的空腔内，实现向旋转抛光头的持续供液。

本发明的工作原理是：通过改变励磁电流大小，使得管件内壁和抛光头之间的抛光区域产生高梯度磁场；磁流变抛光液经蠕动泵作用泵入抛光头内腔，通过抛光头周遭的矩形孔溢出，分别从左右两侧流向抛光区域，在磁场作用下磁流变抛光液的表观粘度、剪切屈服应力迅速增大，流变成具有黏塑性的“柔性抛光模”，通过改变磁场强度的大小，可改变“柔性抛光模”的剪切屈服强度以及对管壁的压力；抛光头在调速电机驱动下作高速旋转运动，管件在步进电机驱动下作往复直线运动，通过抛光头和管件的相对运动，可实现“柔性抛光模”对管壁材料的剪切去除；随着磁流变抛光液向抛光区域的持续泵入，参与抛光过后的磁流变液经管件两侧的磁流变抛光液收集机构收集起来，在经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后继续参与抛光过程，实现磁流变抛光液的循环使用。在磁流变抛光液循环的过程中带走抛光区域产生的热量，再经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后保证磁流变抛光液内部颗粒分布稳定性，避免因长时间加工磁流变抛光液产生沉淀的问题，保证抛光区域材料去除函数的稳定性。

与现有技术相比，本发明珩磨式磁流变抛光方法及装置具有以下优点：

1、本发明设计的抛光设备通过磁流变抛光技术对管件内壁进行抛光，可以通过改变励磁电流大小，控制“柔性抛光模”的剪切屈服强度以及对管壁的压力，不会对管件表面造成亚损伤，具有柔性可控、材料去除率高的优点。

2、本发明抛光头的旋转速度可由调速电机进行控制，管件的进给速度可由步进电机进行控制，管件与抛光头的复合运动不仅可以提高抛光效率，还能够使抛光表面均匀性更好。

3、本发明磁流变抛光液的循环使用不仅可以带走抛光区域产生的热量，还能够保证磁流变液内部颗粒分布的稳定性，保证材料去除函数的稳定性。

附图说明

图1为本发明珩磨式磁流变抛光装置的三维立体图；

图2为图1所示的珩磨式磁流变抛光装置的主视图；

图3为抛光头的剖面视图；

图中：1-调速电机，2-梅花联轴器，3-导电滑环，4-传动杆，5-管件夹具，6-管件，7-送液管，8-旋转接头，9-软管接头，10-软管，11-步进电机，12-机架，13-滚珠丝杠，14-连接板，15-丝杠滑块，16-电机垫块，17-电机支架，18-支撑架，19-支撑座，20-立柱，21-O型圈，22-励磁线圈，23-抛光头，24-端盖，25-磁流变抛光液，26-铁芯；101-螺丝，102-出线孔，103-矩形孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-图3所示，本发明珩磨式磁流变抛光装置，主要包括：调速电机1、梅花联轴器2、导电滑环3、传动杆4、管件夹具5、管件6、送液管7、旋转接头8、软管接头9、软管10、步进电机11、机架12、滚珠丝杠13、连接板14、丝杠滑块15、电机垫块16、电机支架17、支撑架18、支撑座19、立柱20、O型圈21、励磁线圈22、抛光头23、端盖24、磁流变抛光液25、铁芯26等，具体结构如下：

调速电机1通过电机支架17固定在电机垫块16上，电机垫块16通过螺栓固定在机架12上，传动杆4左端通过梅花联轴器2与调速电机1连接，传动杆4右端与抛光头23螺纹连接，导电滑环3通过转子部分的螺丝101与传动杆4连接，导电滑环3由支撑架18夹持住，通过立柱20与固定在机架12上的支撑座19连接，管件6经管件夹具5夹持住，管件夹具5通过连接板14固定在丝杠滑块15上，与丝杠滑块15相配合的滚珠丝杠13固定在机架12上且与步进电机11相连接，在步进电机11的驱动下，滚珠丝杠13可带动管件6作同步往复直线运动，通过抛光头23和管件6的相对运动实现管件内壁的材料去除。送液管7左端与抛光头23螺纹连接，送液管7右端与旋转接头8螺纹连接，旋转接头8由支撑架18夹持住，通过立柱20与固定在机架12上的支撑座19连接，软管10通过软管接头9与旋转接头8连通，蠕动泵通过软管10将磁流变抛光液25泵入旋转接头8，流经送液管7、抛光头23内部右侧铁芯26以及端盖24的内孔，积聚在抛光头23内部的空腔内，通过抛光头23周遭的矩形孔103溢出，实现向旋转抛光头23的持续供液。

如图1、图3所示，抛光头23与管件6内壁间隙1mm，励磁线圈22缠绕在抛光头23内部的铁芯26上。抛光头23内部两端铁芯通过端盖24隔开，两侧端盖24在抛光头23内部形成长度为2mm的空腔，用于容纳磁流变抛光液25，端盖24与抛光头23内壁通过O型圈21密封，抛光头23内部的励磁线圈22通过传动杆4上的出线孔102与导电滑环3连接，实现向连续转动的抛光头23内部电磁铁的持续输电。

如图1-图3所示，利用上述珩磨式磁流变抛光装置进行抛光，包括以下步骤：

步骤1、将管件6固定在两端管件夹具5上，通过滚珠丝杠13调节管件6位置，使得管件6右端面与抛光头23右端面平齐，管件6内壁和抛光头23之间留有1mm的抛光间隙；

步骤2、调整励磁电流大小，使得抛光头23和管件6内壁之间的抛光区域的磁场强度为100-200mT；

步骤3、将送液管7两端分别与抛光头23和旋转接头8连接，启动蠕动泵将磁流变抛光液25泵入抛光头23内腔，在磁场作用下磁流变抛光液25迅速流变成具有黏塑性的宾汉姆(Bingham)介质，流经抛光区域的磁流变抛光液25从管件6两端流出经收集装置收集起来，经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后，再由蠕动泵将磁流变抛光液25泵入抛光区域，实现磁流变抛光液25的循环使用；

步骤4、启动调速电机1，调节抛光头23转速为400-800r/min；启动步进电机11，调节管件6往复移动速度为1-4mm/s；

步骤5、在抛光头23的高速转动和管件6的往复直线运动的复合运动下，实现管件6内壁材料的去除；

步骤6、抛光结束，关停调速电机1和步进电机11，抛光头23和管件6停止运动，断掉电磁铁电流。拆卸送液管7和旋转接头8，将管件6从两端管件夹具5上取下来。

结果表明，本发明具有抛光均匀性好、去除函数稳定、可实现磁流变抛光液的循环利用等优点，尤其适用于不锈钢、陶瓷、钛合金等非导磁管件内壁的高效抛光。

Claims (5)

1.一种珩磨式磁流变抛光方法，其特征在于：抛光头内置电磁铁，在抛光头外表面形成高梯度磁场，磁流变抛光液从抛光头内腔流出在磁场作用下，迅速流变成具有黏塑性的Bingham介质，通过调整励磁电流的大小可调节磁场作用下磁流变抛光液的剪切屈服强度以及对工件表面的压力；抛光头由调速电机驱动作高速旋转运动，工件在滚珠丝杠的带动下作往复直线运动，通过抛光头与工件的相对运动实现对工件表面的材料去除；流经抛光区域的磁流变抛光液经由收集装置收集起来，经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后，继续参与磁流变抛光过程。

2.根据权利要求1所述的珩磨式磁流变抛光方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、将管件固定在两端管件夹具上，通过滚珠丝杠调节管件位置，使得管件右端面与抛光头右端面平齐，管件内壁和抛光头之间留有0.5-2mm的抛光间隙；

步骤2、调整励磁电流大小，使得抛光头和管件内壁之间的抛光区域的磁场强度为100-200mT；

步骤3、将送液管两端分别与抛光头和旋转接头连接，启动蠕动泵将磁流变抛光液泵入抛光头内腔，在磁场作用下磁流变抛光液迅速流变成具有黏塑性的Bingham介质，流经抛光区域的磁流变抛光液从管件两端流出经收集装置收集起来，经过过滤杂质、补充水分、充分搅拌后，再由蠕动泵将磁流变抛光液泵入抛光区域，实现磁流变抛光液的循环使用；

步骤4、启动调速电机，调节抛光头转速为400-800r/min；启动步进电机，调节管件往复移动速度为1-4mm/s；

步骤5、在抛光头的高速转动和管件的往复直线运动的复合运动下，实现管件内壁材料的去除；

步骤6、抛光结束，关停调速电机和步进电机，抛光头和管件停止运动，断掉电磁铁电流，拆卸送液管和旋转接头，将管件从两端夹具上取下来。

3.一种实现权利要求1或2所述方法的珩磨式磁流变抛光装置，其特征在于，包括机架、旋转机构、往复移动机构、供液机构、抛光机构，具体结构如下：

所述的旋转机构包括调速电机、电机支架、电机垫块、联轴器、传动杆、导电滑环，调速电机通过电机支架固定在电机垫块上，电机垫块通过螺栓固定在机架上，传动杆左端通过联轴器与调速电机连接，传动杆右端与抛光头螺纹连接，导电滑环通过转子部分的螺丝与传动杆连接，导电滑环由支撑架夹持住，通过立柱与固定在机架上的支撑座连接；

所述的往复移动机构包括管件夹具、滚珠丝杠、连接板、丝杠滑块、步进电机，管件经管件夹具夹持住，管件夹具通过连接板固定在丝杠滑块上，与丝杠滑块相配合的滚珠丝杠固定在机架上且与步进电机相连接，在步进电机的驱动下，滚珠丝杠带动管件作同步往复直线运动；

所述的供液机构包括送液管、旋转接头、软管接头、软管、蠕动泵，送液管左端与抛光头螺纹连接，送液管右端与旋转接头螺纹连接，旋转接头由支撑架夹持住，通过立柱与固定在机架上的支撑座连接，软管通过软管接头与旋转接头连通，蠕动泵通过软管将磁流变抛光液泵入抛光头内腔；

所述的抛光机构包括抛光头、铁芯、端盖、励磁线圈、O型圈，抛光头内部两端铁芯分别与传动杆、送液管螺纹连接，励磁线圈分别缠绕在两端铁芯柱面上，两端铁芯通过端盖隔开，两侧端盖在抛光头内部形成长度为1-3mm的空腔，用于容纳磁流变抛光液，端盖与抛光头内壁通过O型圈径向密封。

4.根据权利要求3所述的珩磨式磁流变抛光装置，其特征在于：抛光头内部的励磁线圈通过传动杆上的出线孔与导电滑环连接，实现向连续转动的抛光头内部电磁铁的持续输电。

5.根据权利要求3所述的珩磨式磁流变抛光装置，其特征在于：蠕动泵通过软管将磁流变抛光液泵入旋转接头，流经送液管、抛光头内部右侧铁芯以及端盖的内孔，积聚在抛光头内部的空腔内，实现向旋转抛光头的持续供液。