CN108687669A - 一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，属于磁流变抛光的技术领域，包括储液罐、超声空化系统以及搅拌器；超声空化系统包括超声波发生器、压电换能器、变幅杆、阶梯圆盘和振动圆筒；阶梯圆盘的上表面设置有高度等于磁流变抛光液半波长的阶梯；振动圆筒的下端与阶梯圆盘上最外侧阶梯的上端连接，长度为磁流变抛光液半波长的整数倍，外壁涂有吸声材料；压电换能器的输入端与超声波发生器连接，输出端与变幅杆连接；变幅杆与阶梯圆盘连接。该装置能够在磁流变抛光过程中产生大范围的超声空化现象，空化现象产生的空化气泡以及溃灭时释放的冲击能量实现磁性颗粒、非磁性磨料颗粒的在线均匀分散，并预防颗粒发生沉降。

Description

一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置

技术领域

本发明属于磁流变抛光的技术领域，具体涉及一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，特别适用于磁流变抛光过程中颗粒凝聚和沉降稳定性的调控。

背景技术

磁流变抛光液是一种新兴的智能材料，它是由磁性颗粒、非磁性磨料颗粒、基载液和少量添加剂组成的悬浮液，可以在施加磁场时形成有序排列的链状或纤维状结构，从而形成类似于“磁刷”的磨具进行光整加工，特别适用于光学元器件、智能手机外壳以及复杂型腔等精密及超精密零件的研磨和抛光。磁流变抛光液的液体循环系统作为持续更新磁流变抛光液的关键环节对磁流变抛光技术的应用非常重要。然而，磁流变抛光液的液体循环系统在使用过程中由于颗粒密度通常大于基载液的密度，容易出现颗粒凝聚、结块及沉降现象，导致磁流变抛光液的稳定性急剧下降，进而影响加工效率、材料去除率及表面质量。

目前，磁流变抛光液的液体循环系统主要是通过物理辅助搅拌技术来实现颗粒均匀和分散的。美国QED公司采用高精度蠕动泵搅拌储液罐内的磁流变抛光液，但该方法对蠕动泵的精度和动力性能要求很高。清华大学(专利授权号ZL201110456996.3) 提出了用于公自转磁流变抛光的液体循环装置，该装置利用叶片搅拌器对储液罐中的磁流变抛光液进行均匀搅拌，然而该装置液体循环回路设计较为复杂、适用范围有限。哈尔滨工业大学(专利授权号ZL200410044076.0)在超声波磁流变复合抛光工艺中提出了一种搅拌、恒温及恒粘度控制装置，该方法虽然能够利用各种传感器实现对磁流变抛光液的实时监控，但是仍然使用叶片搅拌器对磁流变抛光液的颗粒进行搅拌。中国工程物理研究所(专利公开号CN201610204933.1)公开了一种正、反双桨叶片的搅拌装置对磁流变抛光液进行增强搅拌，以期解决磁流变抛光液长久使用的沉降问题，由于该方法属于纯机械搅拌，磁流变抛光液的稳定性提升程度有限。纯机械搅拌磁流变抛光液方法总体耗时长、精度低，对固体颗粒搅拌不充分，所以一般很难对磁流变抛光液的稳定性进行准确、有效的控制，不便于工程推广。重庆仪表材料研究所(专利授权号ZL201596488U)提出了一种电磁搅拌装置，通过在储液罐的周围制造一圈辅助搅拌电磁场，从而防止颗粒沉降或再次恢复沉降颗粒性能，但是该装置对磁性颗粒比较依赖，对非磁性磨料搅拌作用有限。浙江师范大学(专利公开号CN201610858560.X)公开了一种滚筒式旋转超声磁流变抛光机，利用超声系统的变幅杆与抛光桶的主轴通过联轴器连接进而进行磁流变抛光，虽然这种方式连接可靠，但是变幅杆直接与主轴连接时超声波能量损失较大，故变幅杆向磁流变抛光液辐射声场的效率偏低，特别是对整体液体区域的分散效果有限。

发明内容

为了改善现有磁流变抛光液亟需解决的颗粒凝聚和沉降稳定性问题，本发明提供了一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，能够在磁流变抛光过程中产生大范围的超声空化现象，空化现象产生的空化气泡以及溃灭时释放的冲击能量实现磁性颗粒、非磁性磨料颗粒的在线均匀分散，并预防颗粒发生沉降。

本发明提供了一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，包括储液罐、超声空化系统以及用于对磁流变抛光液进行机械搅拌的搅拌器：超声空化系统包括超声波发生器、压电换能器、变幅杆以及设置在储液罐内的阶梯圆盘和振动圆筒；阶梯圆盘的上表面设置有高度等于磁流变抛光液半波长的阶梯；振动圆筒的下端与阶梯圆盘上最外侧阶梯的上端连接围合成磁流变抛光液容纳腔，长度为磁流变抛光液半波长的整数倍，外壁涂有吸声材料；压电换能器的输入端通过导线与超声波发生器连接，输出端与变幅杆连接；变幅杆穿过储液罐底部的中心孔与阶梯圆盘连接，且变幅杆的中轴线和阶梯圆盘的中轴线均与储液罐的中轴线重合。

进一步地，超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，还包括设置在储液罐底部的套筒；变幅杆在振动节点位置设置有与所述套筒连接的法兰盘，法兰盘满足超声波在节点位置振动位移为零。

进一步地，变幅杆与储液罐底部的中心孔保持间隙配合，且变幅杆与储液罐底部的中心孔之间设置有弹性密封圈。

进一步地，超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，还包括设置在储液罐底部的托盘以及设置在托盘底部的若干组支架；托盘的中心开设有用于探入超声空化系统的安装孔；支架之间横向间隔宽度应超过套筒的直径。

进一步地，超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，还包括注液管和抽液管；振动圆筒靠近下端的筒壁上开设有振动圆筒抽液槽；储液罐包括罐体和罐盖；罐体靠近上端的侧壁上开设有注液槽，靠近下端的侧壁开有罐体抽液槽；托盘开设有托盘抽液槽；注液管穿过注液槽将磁流变抛光液导入磁流变抛光液容纳腔内；抽液管穿过振动圆筒抽液槽、罐体抽液槽和托盘抽液槽将磁流变抛光液从磁流变抛光液容纳腔内导出。

进一步地，搅拌器包括设置在磁流变抛光液内的搅拌叶片、设置在罐盖顶部的搅拌电机以及穿过罐盖连接搅拌叶片和搅拌电机的连接杆。

进一步地，阶梯圆盘和振动圆筒与罐体之间为冷却水容纳腔。

进一步地，储液罐的罐体和罐盖通过螺栓连接；罐盖顶部中心开设有供连接杆穿过的通孔；连接杆的上端与搅拌电机通过螺栓连接，下端与搅拌叶片通过螺栓连接；变幅杆的上端与阶梯圆盘通过螺栓连接，下端与压电换能器的输出端通过双头螺柱连接；套筒的上端与罐体底部通过螺栓连接；阶梯圆盘最外侧阶梯的上端与振动圆筒的下端通过螺栓连接。

本发明提供的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置工作过程及原理：工作时，磁流变抛光液经注液管流入振动圆筒中，搅拌器的搅拌叶片对磁流变抛光液进行初次搅拌；与此同时，超声波发生器产生的超声波通过导线传入压电换能器中，压电换能器将超声波转化为高频机械振动，变幅杆将高频机械振动放大后传递给阶梯圆盘，阶梯圆盘将放大后的高频机械振动对振动圆筒内磁流变抛光液进行声辐射，同时阶梯圆盘还会将高频机械振动通过振动圆筒进行传播，从而在振动圆筒的内腔形成强烈的声辐射叠加；磁流变抛光液在一定强度的声辐射的激励下会形成空化场，并在空化场内部产生大量剧烈振荡的空化泡。空化泡的剧烈振荡和溃灭时释放的能量对磁性颗粒和非磁性磨料颗粒产生很强的冲击作用，从而对由搅拌叶片未能分散的颗粒或即将沉降的颗粒进行二次分散；另外，由于振动圆筒发生高频机械振动还可以预防颗粒粘结在筒壁上，最后经充分搅拌的磁流变抛光液由抽液管流出罐体进行抛光加工。考虑不同磁流变抛光液中颗粒的种类和粒径，通过调节搅拌器速度、功率、超声波发生器的频率、电压，可以实现磁流变抛光液颗粒的分散和均匀化，达到调控颗粒凝聚和沉降稳定性的目的。

基于上述过程，与传统机械搅拌的液体循环装置相比，本发明的有益效果是：

第一：本发明所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置是一种复合型搅拌装置，可以在搅拌叶片周围形成强烈的空化场，同时应用机械搅拌和超声空化效应进行搅拌，提高了搅拌效率，增加了搅拌精度，强化了搅拌能力；

第二：本发明所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，可以在振动圆筒的内腔中形成强烈的空化场，空化场内部空化泡的振荡和溃灭时所释放的能量可以及时将凝聚的固体颗粒群均匀分散，同时振动圆筒的高频机械振动还可以预防颗粒粘结在筒壁上，从而达到有效防止固体颗粒沉降的目的；

第三：本发明所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，通过变幅杆法兰盘与罐体连接并且还设置了弹性密封圈，避免了超声波在超声空化系统传递过程中对储液罐引发震动，减小了超声空化的搅拌误差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置的结构示意图；

图2为图1所示液体循环装置工作过程的示意图。

图中：1-超声波发生器；2-压电换能器；3-变幅杆；4-阶梯圆盘；5-振动圆筒；6-套筒；7-弹性密封圈；8-托盘；9-支架；10-注液管；11-抽液管；12-罐体；13-罐盖；14-搅拌叶片；15-搅拌电机；16-连接杆；17-连接变幅杆的上端与阶梯圆盘的螺栓；100-磁流变抛光液；101-空化场；102-空化泡；103-凝聚的颗粒群；104-均匀分散的颗粒；200-冷却水。

具体实施方式

本实施例提供了一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，如图1所示，包括储液罐、超声空化系统以及用于对磁流变抛光液100进行机械搅拌的搅拌器：超声空化系统包括超声波发生器1、压电换能器2、变幅杆3以及设置在储液罐内的阶梯圆盘4和振动圆筒5；阶梯圆盘4的上表面设置有高度等于磁流变抛光液100半波长的阶梯，以避免超声波在阶梯圆盘4中的相位相反干涉；振动圆筒5的下端与阶梯圆盘4上最外侧阶梯的上端连接围合成磁流变抛光液容纳腔，长度为磁流变抛光液半波长的整数倍，以便超声波对磁流变抛光液进行同相位声场叠加，提高声辐射效率；振动圆筒5外壁涂有橡胶或聚氨酯等黏弹性高分子吸声材料，以便超声波只能向其内腔传播并且进行声波叠加；阶梯圆盘4和振动圆筒5构成多次声辐射叠加，从而在磁流变抛光液100中形成强烈的空化场，空化场内部的空化气泡起到分散和匀化固体颗粒以及预防颗粒沉降的目的；压电换能器2的输入端通过导线与超声波发生器1连接，以便超声波发生器1激励压电换能器2工作，压电换能器2的输出端与变幅杆3连接；变幅杆3穿过储液罐底部的中心孔与阶梯圆盘4连接，且变幅杆3的中轴线和阶梯圆盘4的中轴线均与储液罐的中轴线重合。

进一步地，如图1所示，超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，还包括设置在储液罐底部的套筒6；变幅杆3在振动节点位置设置有与套筒6连接的法兰盘，法兰盘满足超声波在节点位置振动位移为零，以避免储液罐负载对超声波振动传递造成影响。

进一步地，如图1所示，变幅杆3与储液罐底部的中心孔保持间隙配合，且变幅杆3与储液罐底部的中心孔之间设置有弹性密封圈7，以减小超声波振动对储液罐造成影响。

进一步地，如图1所示，超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，还包括设置在储液罐底部的托盘8以及设置在托盘8底部的若干组支架9；托盘8的中心开设有用于探入超声空化系统的安装孔；支架9之间横向间隔宽度应超过套筒6的直径，以保证变幅杆3的法兰盘与套筒6顺利安装，并能够支撑整部装置重量。

进一步地，如图1所示，超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，还包括注液管10和抽液管11；振动圆筒5靠近下端的筒壁上开设有振动圆筒抽液槽；储液罐包括罐体12和罐盖13；罐体12靠近上端的侧壁上开设有注液槽，靠近下端的侧壁开有罐体抽液槽；托盘8开设有托盘抽液槽；注液管10穿过注液槽将磁流变抛光液导入磁流变抛光液容纳腔内；抽液管11穿过振动圆筒抽液槽、罐体抽液槽和托盘抽液槽将磁流变抛光液从磁流变抛光液容纳腔内导出。

进一步地，如图1所示，搅拌器包括设置在磁流变抛光液内的搅拌叶片14、设置在罐盖13顶部的搅拌电机15以及穿过罐盖13连接搅拌叶片14和搅拌电机15的连接杆16。

进一步地，如图1所示，阶梯圆盘4和振动圆筒5与罐体12之间为用于盛放冷却水200的冷却水容纳腔，用于冷却超声空化系统所产生的热量。

在本实施例中，具体的连接方式为，储液罐的罐体12和罐盖13通过螺栓连接；罐盖13顶部中心开设有供连接杆16穿过的通孔；连接杆16的上端与搅拌电机15通过螺栓连接，下端与搅拌叶片14通过螺栓连接；变幅杆3的上端与阶梯圆盘4通过螺栓连接，下端与压电换能器2的输出端通过双头螺柱连接；套筒6的上端与罐体12底部通过螺栓连接；阶梯圆盘4最外侧阶梯的上端与振动圆筒5的下端通过螺栓连接。

结合图2说明本实施例提供的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置工作过程及原理：工作时，磁流变抛光液100经注液管10流入磁流变抛光液容纳腔中，搅拌器的搅拌叶片14对磁流变抛光液进行初次搅拌；与此同时，超声波发生器1产生的超声波通过导线传入压电换能器2中，压电换能器2将超声波转化为高频机械振动，变幅杆3将高频机械振动放大后传递给阶梯圆盘4，阶梯圆盘4将放大后的高频机械振动对振动圆筒5内磁流变抛光液100进行声辐射，同时阶梯圆盘4还会将高频机械振动通过振动圆筒5进行传播，从而在振动圆筒5的内腔形成强烈的声辐射叠加；磁流变抛光液100在一定强度的声辐射的激励下会形成空化场101，并在空化场100内部产生大量剧烈振荡的空化泡102。空化泡102的剧烈振荡和溃灭时释放的能量对磁性颗粒和非磁性磨料颗粒产生很强的冲击作用，从而对由搅拌叶片14未能分散的颗粒或即将沉降的颗粒（图中凝聚的颗粒群103）进行二次分散形成均匀分散的颗粒104；另外，由于振动圆筒5发生高频机械振动还可以预防颗粒粘结在筒壁上，最后经充分搅拌的磁流变抛光液100由抽液管11流出罐体12进行抛光加工，图中箭头为磁流变抛光液100的流动方向。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，包括储液罐、超声空化系统以及用于对磁流变抛光液(100)进行机械搅拌的搅拌器：

所述超声空化系统包括超声波发生器(1)、压电换能器(2)、变幅杆(3)以及设置在所述储液罐内的阶梯圆盘(4)和振动圆筒(5)；

所述阶梯圆盘(4)的上表面设置有高度等于磁流变抛光液(100)半波长的阶梯；

所述振动圆筒(5)的下端与阶梯圆盘(4)上最外侧阶梯的上端连接围合成磁流变抛光液容纳腔，长度为磁流变抛光液(100)半波长的整数倍，外壁涂有吸声材料；

所述压电换能器(2)的输入端通过导线与所述超声波发生器(1)连接，输出端与所述变幅杆(3)连接；

所述变幅杆(3)穿过储液罐底部的中心孔与所述阶梯圆盘(4)连接，且所述变幅杆(3)的中轴线和阶梯圆盘(4)的中轴线均与储液罐的中轴线重合。

2.根据权利要求1所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，还包括设置在储液罐底部的套筒(6)；

所述变幅杆(3)在振动节点位置设置有与所述套筒(6)连接的法兰盘，所述法兰盘满足超声波在节点位置振动位移为零。

3.根据权利要求2所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，所述变幅杆(3)与储液罐底部的中心孔保持间隙配合，且变幅杆(3) 与储液罐底部的中心孔之间设置有弹性密封圈(7)。

4.根据权利要求3所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，还包括设置在储液罐底部的托盘(8)以及设置在所述托盘(8)底部的若干组支架(9)；

所述托盘(8)的中心开设有用于探入超声空化系统的安装孔；

所述支架(9)之间横向间隔宽度应超过套筒(6)的直径。

5.根据权利要求4所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，还包括注液管(10)和抽液管(11)；

所述振动圆筒(5)靠近下端的筒壁上开设有振动圆筒抽液槽；

所述储液罐包括罐体(12)和罐盖(13)；

所述罐体(12)靠近上端的侧壁上开设有注液槽，靠近下端的侧壁开有罐体抽液槽；

所述托盘(8)开设有托盘抽液槽；

所述注液管(10)穿过注液槽将磁流变抛光液导入磁流变抛光液容纳腔内；

所述抽液管(11)穿过振动圆筒抽液槽、罐体抽液槽和托盘抽液槽将磁流变抛光液从磁流变抛光液容纳腔内导出。

6.根据权利要求5所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，所述搅拌器包括设置在磁流变抛光液内的搅拌叶片(14)、设置在罐盖(13)顶部的搅拌电机(15)以及穿过罐盖(13)连接搅拌叶片(14)和搅拌电机(15)的连接杆(16)。

7.根据权利要求6所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，所述阶梯圆盘(4)和振动圆筒(5)与罐体(12)之间为冷却水容纳腔。

8.根据权利要求7所述的超声空化辅助搅拌磁流变抛光液的液体循环装置，其特征在于，所述储液罐的罐体(12)和罐盖(13)通过螺栓连接；

所述罐盖(13)顶部中心开设有供连接杆(16)穿过的通孔；

所述连接杆(16)的上端与搅拌电机(15)通过螺栓连接，下端与搅拌叶片(14)通过螺栓连接；

所述变幅杆(3)的上端与阶梯圆盘(4)通过螺栓连接，下端与压电换能器(2)的输出端通过双头螺柱连接；

所述套筒(6)的上端与罐体(12)底部通过螺栓连接；

所述阶梯圆盘(4)最外侧阶梯的上端与振动圆筒(5)的下端通过螺栓连接。