CN108788937A - 一种旋转磁极磁流变抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转磁极磁流变抛光装置，用于抛光管状工件的内壁，其包括磁流变液供给系统、工件支撑和驱动机构以及磁极旋转机构。磁流变液在液体压力泵的作用下，从管件夹持装置上的入液管泵入至管件的内腔，依靠压力泵产生的高压，磁流变液在管件内腔快速流动，流经抛光区域时，磁流变液由于受磁场强度影响发生流变效应，剪切屈服应力和表观粘度都迅速增加，在工件的往复运动和旋转磁架的旋转运动下，实现了工件与磁流变液之间的复合运动，完成对工件内表面材料的去除。还提供了采用上述装置进行抛光的方法。本发明可以针对细短非导磁管的内壁进行自动抛光，具有结构简单，抛光均匀、效率高、抛光过程可控性强、没有表面损伤等优点。

Description

一种旋转磁极磁流变抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及管状工件的内壁抛光技术，具体涉及一种采用磁流变技术对细短非导磁管的内壁进行抛光的技术。

背景技术

细短非导磁管被广泛应用于航空航天、医疗、军工等领域。受使用环境的限制，对管件内部的粗糙度要求较高，所以对细短非导磁管内壁的抛光就显得尤为重要。现有技术常采用电化学光整加工法和磁力研磨法对管材内壁进行抛光。

电化学光整加工法是利用金属阳极电化学溶解的原理，使得表面形成的钝化膜在外部流场的作用下被整平，且加工时不受工件材质和表面硬度的制约，但影响电化学光整加工整平效果的因素很多，且随着光整加工的进行，整平效果会降低。

磁力研磨法是利用烧结的磁性磨料在磁场的作用下形成磁性刷头，利用柔性的磁力刷对工件表面进行处理，磁力研磨的适应性好，广泛应用于平面、圆面和复杂曲面的表面光整加工，但存在抛光效率低、磨粒制作的周期长、经济性差的缺点。

磁流变抛光技术是介于接触式抛光与非接触式抛光的一种抛光方法，借助于磁流变液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”与工件之间快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。磁流变液主要由高磁导率、低磁滞性的微小软磁颗粒和非导磁性的液体混合而成的悬浮体，具有磁特性、流变性和稳定性等特点。磁流变抛光技术与传统抛光方法相比，具有抛光精度高，无刀具磨损、堵塞现象，去除率高且不引入亚表面损伤等优点，可实现近零亚表面损伤和纳米级精度抛光。但是现有磁流变抛光技术在用于两端开放的管状工件时存在控制性差、抛光不均匀的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的抛光过程可控制性差，抛光不均匀等技术问题，提出本发明。

(二)技术方案

本发明采用一种旋转磁极磁流变抛光装置及方法对细短非导磁管进行抛光。本发明用经过旋转磁架励磁后发生流变效应的高压磁流变液作为抛光头，不设置实体的抛光头，使本发明可对极细非导磁管进行抛光。

为实现以上目的本发明提供一种旋转磁极磁流变抛光装置，用于抛光管状工件的内壁，其包括磁流变液供给系统、工件支撑和驱动机构以及磁极旋转机构。

所述工件支撑和驱动机构用于自所述工件的第一端保持所述工件并驱动所述工件沿自身轴线往复运动；所述磁极旋转机构包括旋转磁架、驱动所述旋转磁架围绕工件旋转的驱动装置、以及向所述旋转磁架供电的励磁供电装置；所述磁流变液供给系统用于自所述工件的第一端向所述工件内连续供应磁流变液并自所述工件的第二端连续导出使用过的磁流变液；所述磁流变液能够在所述旋转磁架的励磁作用下发生流变，并在所述工件的往复运动和旋转磁架的旋转运动作用下对所述工件的内壁进行抛光。

优选地，所述磁流变液为高压磁流变液，磁流变液所受压强为2MPa—4MPa。

优选地，所述工件支撑和驱动机构包括设置在底座上的步进电机、由步进电机驱动旋转的滚珠丝杠和工作台，工作台的底部设置有与所述滚珠丝杠接合的丝杠滑块，工作台包括沿滚珠丝杠轴线方向延伸的通孔，以及对应于所述通孔设置用于夹持所述工件的第一端的夹持装置，所述磁流变液供给系统包括入液管，所述入液管穿过所述工作台上的通孔与所述夹持装置内部和/或所述工件的内部密封连通。

优选地，所述工作台上开有垂直于滚珠丝杠轴线方向的卡槽，所述夹持装置适于沿所述卡槽滑动并借助于紧固件限位在理想位置。

优选地，所述磁流变液供给系统还包括出液管，所述出液管用于将工件中的磁流变液自工件的第二端导出并排放或回收。

优选地，所述工件支撑和驱动机构还包括用于支撑所述工件的第二端的连接结构，所述连接机构包括管状本体，所述管状本体的第一端的内壁与工件第二端的外壁形成密封连接，所述管状本体的第二端内壁与出液管的外壁密封连接。所述出液管上固定地套设一旋转衬套，所述旋转衬套适于与所述旋转磁架旋转接合。

优选地，所述旋转衬套的外表面分布有凹槽，凹槽内设置有与所述旋转磁架的中心轴孔内壁滚动接合的钢珠。

优选地，所述旋转磁架包括带有中心孔的十字结构，所述十字结构对应于所述工件的第二端设置且所述中心孔的轴线与所述工件的轴线平行或共线，十字结构的每个末端设置有铁芯支架，所述铁芯支架沿平行于所述中心孔的轴线的方向在工件的外部延伸，每个所述铁芯支架朝向所述中心孔轴线的一侧设置有磁铁和线圈，相邻铁芯支架的所述线圈由所述励磁供电装置供应反向电流。

优选地，所述磁铁为矩形钕铁硼磁铁。

优选地，每个所述铁芯支架与所述中心孔的轴线的间距可调。

本发明还提供一种旋转磁极磁流变抛光方法，使用前述的任一种旋转磁极磁流变抛光装置对管状工件进行抛光，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹持装置上，通过调节夹持装置使工件的轴线与旋转磁架的旋转轴线重合，调节旋转磁架与工件外壁的间隙；

S2、调节抛光区域内的磁场强度为100mT—200mT；

S3、将磁流变液导入工件的内腔；

S4、调节旋转磁架的转速以及工件轴向往复运动的速度和往复行程；

S5、通过工件的轴向往复运动和旋转磁架的旋转运动实现工件与磁流变液之间的复合运动，使磁流变液抛光去除工件内表面的材料。

优选地，所述磁流变液经由出液管被收集过滤，搅拌均匀后，重新被导入工件的内腔实现磁流变液的循环利用。

本发明还提供一种针对管状的工件进行旋转磁极磁流变抛光方法，将所述工件沿旋转磁极的中心轴线设置，并将工件内部持续导入磁流变液，使旋转磁极在所述工件的外部产生磁场并使所述管状工件沿轴线往复运动，实现磁流变液对工件内壁的抛光。

(三)有益效果

本发明提供的抛光设备将磁流变抛光技术应用到非导磁管内壁的抛光过程中，可以针对细短非导磁管的内壁进行自动抛光，具有结构简单，抛光均匀、效率高、抛光过程可控性强、没有表面损伤等优点。

具体地，磁流变液在液体压力泵的作用下，从管件夹持装置上的入液管泵入至管件的内腔，依靠压力泵产生的高压，磁流变液在管件内腔快速流动，流经抛光区域时，磁流变液由于受磁场强度影响发生流变效应，剪切屈服应力和表观粘度都迅速增加，在工件的往复运动和旋转磁架的旋转运动下，实现了工件与磁流变液之间的复合运动，完成对工件内表面材料的去除。

利用液体压力泵使工件内腔充满磁流变液，可以使流变后的磁流变液更加紧密地贴在管件的全周向内壁，而高压磁流变液能够进一步增加磁流变液与管壁之间的压力，增强抛光效果。

工件进给通过步进电机实现，通过调节步进电机的速度，能够调节工件进给的速度。旋转磁架的旋转速度可以通过调速电机进行控制，操作简单，往复与旋转的复合运动使管件的整个内壁都可以进行表面处理，使抛光能够完全覆盖抛光区域，没有死角，抛光均匀性更好。

旋转磁架布置在工件外部，且工件与步进电机和调速电机不直接接触，避免了由于长时间工作使电磁铁上线圈的热量和电机的热量传递到管件内部，造成磁流变液性质改变的情况发生。

旋转磁架上设有四个铁芯支架，四个铁芯支架上分别缠绕线圈，相邻线圈中通入反向电流，铁芯支架上放置矩形钕铁硼磁铁，通过控制电流的大小可以控制磁场的大小，相邻铁芯支架之间的形成N—S回路，所以在管壁的周向会形成四个抛光区域，在工作过程中大大提高了抛光效率和抛光的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例中旋转磁极磁流变抛光装置的三维立体图；

图2为图1所示的旋转磁极磁流变抛光装置中旋转磁架的三视图；

图3为图1中套设在工件外部的旋转衬套的立体图；

图4为工件、连接机构和出液管的装配关系剖视图。

【附图标记说明】

1、步进电机；2、滚珠丝杠；3、丝杠滑块；4、工作台；5、入液管；6、夹持装置；7、矩形钕铁硼磁铁；8、工件；9、连接机构；10、拧紧螺栓；11、弹簧；12、铁芯支架；13、旋转磁架的十字结构；14、线圈；15、转轴；16、导电滑环；17、滑环支架；18、轴承；19、轴承盖；20、轴承座；21、大带轮；22、出液管；23、传送V带；24、调速电机；25、小带轮；26、电机底座；27、旋转衬套；28、密封圈。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，下面结合图例将本发明的具体实施方式作详细的阐述。

如图1—图4所示，本发明提供的一种旋转磁极磁流变抛光装置，用于抛光管状的工件8的内壁，其包括磁流变液供给系统、工件支撑和驱动机构以及磁极旋转机构。

所述工件支撑和驱动机构包括设置在底座上的步进电机1、由步进电机1驱动旋转的滚珠丝杠2和工作台4，工作台4的底部固定地设置有与所述滚珠丝杠2接合的丝杠滑块3。滚珠丝杠2贯穿丝杠滑块3且一端与步进电机1连接，滚珠丝杠2与丝杠滑块3滑动配合，在步进电机1的驱动下可驱使工作台4沿着滚珠丝杠2做轴向往复运动。

工作台4包括沿滚珠丝杠2轴线方向延伸的通孔，以及对应于所述通孔设置用于夹持所述工件8的第一端的夹持装置6。

所述磁流变液供给系统包括入液管5，所述入液管5穿过所述工作台4上的通孔与所述夹持装置6内部和/或所述工件8的内部密封连通。

工作台4上垂直面上开有垂直于滚珠丝杠2的轴线的卡槽，卡槽接合夹持装置6的一端，并使夹持装置6在工作台4上的卡槽内沿垂直于滚珠丝杠2轴向的至少一个方向上往复滑动，并可借助于一通过安装在夹持装置6上拧紧螺栓将对夹持装置6固定在理想位置。可选地，工作台上朝向夹持装置6的垂直面上可以设置相互垂直的两条卡槽，这样，夹持装置6可以在垂直平面内任意调节其位置。

夹持装置6用于沿滚珠丝杠2的轴线方向夹持和固定工件8。夹持装置6内部设有管路。夹持装置6的用于夹持和固定工件8的一端管口内壁开有环形凹槽，凹槽内设置有密封圈。

工件8为两端开口的管状，工件8的第一端通过夹持装置6内壁环形凹槽内设置的密封圈固定在夹持装置6内部，密封圈使工件8与夹持装置6之间间隙密封，防止磁流变液在抛光过程中从工件8与夹持装置6之间间隙中流出，破坏工件内腔的高压状态。

所述磁流变液通过入液管导入工件8内。本实施例中，所述入液管从工作台的通孔插入所述夹持装置6，并与所述夹持装置6形成流体连通，并与外界隔离，隔离的方式例如也可采用在入液管外壁和夹持装置6内壁之间设置密封圈来实现。在其他可选的实施例中，入液管也可以直接从工作台的通孔和夹持装置6中穿过并与工件8的第一端接合，入液管的内壁上设置密封圈与工件8的外壁接合。只要入液管能够将加压的磁流变液稳定、持续地导入工件即可。

工件8的第二端外部套设一通过连接机构9，所述第二端和连接机构之间设置有密封圈28。所述连接机构包括中空管状本体，所述管状本体的第一端的内壁与工件8第二端的外壁形成密封连接，所述管状本体的第二端内壁与出液管22和旋转衬套27的外壁密封连接，其中所述旋转衬套27套在出液管22上。连接机构9的第一端和第二端的内壁均设置密封圈28，用于与入液管5、出液管22以及旋转衬套27的外壁密封接合，防止磁流变液在抛光过程中从间隙流出，使磁流变液能够且仅能够经由出液管排放或回收。

旋转衬套27外表面分布有多个凹槽，每个凹槽内设置有钢珠。所述旋转衬套27外表面同时受到磁极旋转机构支撑。通过表面凹槽内设置的钢珠实现与磁极旋转机构的滚动配合，这样，当磁极旋转机构旋转时，对钢珠的滚动能够降低旋转衬套27外表面所受的摩擦力，使旋转衬套27起到隔离保护和支撑所述出液管22的作用，防止磁极旋转机构在相对于出液管22旋转时损伤出液管22。

所述工件8、连接机构9、出液管22和旋转衬套27在工作时随工件支撑和驱动机构，沿滚珠丝杠2的轴线方向做轴向往复运动。

所述入液管5、夹持装置6、工件8、和出液管22顺次连接构成一条供磁流变液流通的通路。在优选的实施例中，入液管5中的磁流变液由磁流变液体压力泵泵送供给，同时，出液管22连接有过滤、净化和回收装置，以将使用过后的磁流变液回收到磁流变液源中，再次由磁流变液体压力泵泵送至入液管5。所述磁流变液供给系统包括所述入液管5、出液管22、过滤、净化和回收装置、以及磁流变液源和磁流变液体压力泵。

所述磁极旋转机构包括旋转磁架、固定安装所述旋转磁架的转轴15、驱动所述转轴旋转的转轴驱动装置、以及向所述旋转磁架供电的励磁供电装置。

所述转轴15为中空管状结构，其轴线沿着工件8的轴线布置。所述转轴驱动装置通过转轴15与旋转磁架连接，并带动旋转磁架转动。所述旋转衬套27的外表面优选与所述转轴的内壁滚动接合。

所述旋转磁架用于为流经工件8内部的高压磁流变液励磁，使磁流变液发生流变效应，所述旋转磁架包括十字结构13，十字结构13包括中心孔。所述十字结构对应于所述工件的第二端设置且所述中心孔的轴线与所述工件的轴线平行或共线，十字结构的每个末端设置有铁芯支架12，每个所述铁芯支架借助于设置在每个十字结构末端的拧紧螺栓10和弹簧11进行位置调节。具体地，铁芯支架12一端安装在十字结构末端的卡槽内，通过旋转拧紧螺栓10控制弹簧伸缩，可调节铁芯支架12与十字结构13中心轴线的距离。所述铁芯支架12沿平行于所述中心孔的轴线的方向在工件的外部延伸，铁芯支架12远离十字结构13一端朝十字结构13中轴线呈90°弯曲，铁芯支架12缠绕有线圈14，所述弯曲部分的末端吸附有矩形钕铁硼磁铁7。

旋转磁架将电磁铁和永磁体结合起来，与单纯的永磁体或电磁铁相比，通过引入复合磁场，提高了磁场的可控性和动态性，增大磁场强度的可调节范围，调节磁场强度所需要的电流更小、线圈匝数更小，减少了旋转磁架热量的产生，缩小了旋转磁架的体积，可以实现抛光区域磁场大小的准确调节。

可选地，所述转轴驱动装置包括包括轴承18、轴承盖19、20、轴承座20、大带轮21、V型带23、小带轮25、调速电机24和电机底座26。所述大带轮21套接在转轴15上所述小带轮25通过平键固定于所述调速电机24上。小带轮和大带轮之间通过所述V型带连接。所述电机底座26安装在调速电机24下方，对电机起支撑作用。所述所述轴承18套接在转轴15上，通过轴承盖19与轴承座20固定连接。

所述励磁供电装置包括导电滑环16和滑环支架17，所述导电滑环16套接在转轴15上，与滑环支架17固定连接。所述导电滑环16上设置有接口。

所述滑环支架17和轴承座20对磁极旋转机构起到支撑作用。

所述线圈14的接线与导电滑环16的接口处连接，相邻铁芯支架12的所述线圈14由所述励磁供电装置供应反向电流。

本发明的实施例还提供一种旋转磁极磁流变抛光方法，采用本发明提供的一种旋转磁极磁流变抛光装置对工件进行抛光。具体步骤如下：

S1、将工件安装在夹持装置上，通过调节夹持装置在工作台上的纵向位置和水平位置，使工件的中轴线与旋转磁架的中轴线重合，将入液管通过夹持装置与工件的第一端连接，将出液管通过连接机构与工件的另一端连接，通过旋转磁架上的拧紧螺栓与弹簧的配合调节旋转磁架与工件外壁的间隙为1mm—2mm；

S2、调节通过电磁线圈的电流大小，使抛光区域内的磁场强度为100mT—200mT；

S3、利用液体压力泵将磁流变液压入入液管，继而通过夹持装置内部管路流入工件的内腔，最后从出液管流出。

S4、启动调速电机，通过带传动调节旋转磁架的转速，使磁架转速为800r/min—1000r/min，启动步进电机，调节工作台做轴向往复运动的速度为0.5mm/s—1mm/s，往复行程为70mm；

S5、随着工件的轴向往复运动和旋转磁架的旋转运动下，实现了工件与磁流变液之间的复合运动，完成对工件内表面材料的去除；

S6、抛光结束后关闭调速电机和步进电机，关闭液体压力泵，切断线圈电流，使管内磁流变液恢复原始状态，在步进电机脱机的状态下，转动滚珠丝杠使工件脱离抛光区域，将工件取下，完成对工件内壁的抛光。

进一步地，从出液管流出的磁流变液经收集过滤，搅拌均匀后，重新加入液体压力泵，实现磁流变液的循环利用。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种旋转磁极磁流变抛光装置，用于抛光管状工件(8)的内壁，其特征在于：包括磁流变液供给系统、工件支撑和驱动机构以及磁极旋转机构，

所述工件支撑和驱动机构用于自所述工件(8)的第一端保持所述工件(8)并驱动所述工件(8)沿自身轴线往复运动；

所述磁极旋转机构包括旋转磁架、驱动所述旋转磁架围绕工件(8)旋转的驱动装置、以及向所述旋转磁架供电的励磁供电装置；

所述磁流变液供给系统用于自所述工件(8)的第一端向所述工件(8)内连续供应磁流变液并自所述工件(8)的第二端连续导出使用过的磁流变液；

所述磁流变液能够在所述旋转磁架的励磁作用下发生流变，并在所述工件(8)的往复运动和旋转磁架的旋转运动作用下对所述工件(8)的内壁进行抛光。

2.根据权利要求1所述的旋转磁极磁流变抛光装置，其特征在于：

所述磁流变液为高压磁流变液，磁流变液所受压强为2MPa—4MPa。

3.根据权利要求1所述的旋转磁极磁流变抛光装置，其特征在于：

所述工件支撑和驱动机构包括设置在底座上的步进电机(1)、由步进电机(1)驱动旋转的滚珠丝杠(2)和工作台(4)，工作台(4)的底部设置有与所述滚珠丝杠(2)接合的丝杠滑块(3)，

工作台(4)包括沿滚珠丝杠(2)轴线方向延伸的通孔，以及对应于所述通孔设置用于夹持所述工件(8)的第一端的夹持装置(6)，

所述磁流变液供给系统包括入液管(5)，所述入液管(5)穿过所述工作台(4)上的通孔与所述夹持装置(6)内部和/或所述工件(8)的内部密封连通。

4.根据权利要求3所述旋转磁极磁流变抛光装置，其特征在于：所述工作台(4)上开有垂直于滚珠丝杠(2)轴线方向的卡槽，所述夹持装置(6)适于沿所述卡槽滑动并借助于紧固件限位在理想位置。

5.根据权利要求1所述的旋转磁极磁流变抛光装置，其特征在于：所述磁流变液供给系统还包括出液管(22)，所述出液管(22)用于将工件(8)中的磁流变液自工件(8)的第二端导出并排放或回收。

6.根据权利要求5所述的旋转磁极磁流变抛光装置，其特征在于：所述工件支撑和驱动机构还包括用于支撑所述工件(8)的第二端的连接结构(9)，所述连接机构(9)包括管状本体，所述管状本体的第一端的内壁与工件(8)第二端的外壁形成密封连接，所述管状本体的第二端内壁与出液管(22)的外壁密封连接，

所述出液管(22)上固定地套设一旋转衬套(27)，所述旋转衬套(27)适于与所述旋转磁架旋转接合；

所述旋转衬套(27)的外表面分布有凹槽，凹槽内设置有与所述旋转磁架的中心轴孔内壁滚动接合的钢珠。

7.根据权利要求1所述的旋转磁极磁流变抛光装置，其特征在于：所述旋转磁架包括带有中心孔的十字结构，所述十字结构对应于所述工件的第二端设置且所述中心孔的轴线与所述工件的轴线平行或共线，十字结构的每个末端设置有铁芯支架(12)，所述铁芯支架(12)沿平行于所述中心孔的轴线的方向在工件的外部延伸，每个所述铁芯支架(12)朝向所述中心孔轴线的一侧设置有矩形钕铁硼磁铁(7)和线圈(14)，相邻铁芯支架(12)的所述线圈(14)由所述励磁供电装置供应反向电流；

每个所述铁芯支架(12)与所述中心孔的轴线的间距可调。

8.一种旋转磁极磁流变抛光方法，使用权利要求1—7任一项所述的旋转磁极磁流变抛光装置对管状工件进行抛光，包括以下步骤：

S1、将工件安装在夹持装置上，通过调节夹持装置使工件的轴线与旋转磁架的旋转轴线重合，调节旋转磁架与工件外壁的间隙；

S2、调节抛光区域内的磁场强度为100mT—200mT；

S3、将磁流变液导入工件的内腔；

S4、调节旋转磁架的转速以及工件轴向往复运动的速度和往复行程；

S5、通过工件的轴向往复运动和旋转磁架的旋转运动实现工件与磁流变液之间的复合运动，使磁流变液抛光去除工件内表面的材料。

9.根据权利要求8所述旋转磁极磁流变抛光方法，其特征在于：所述磁流变液经由出液管被收集过滤，搅拌均匀后，重新被导入工件的内腔实现磁流变液的循环利用。

10.一种针对管状的工件进行旋转磁极磁流变抛光方法，其特征在于，将所述工件沿旋转磁极的中心轴线设置，并将工件内部持续导入磁流变液，使旋转磁极在所述工件的外部产生磁场并使所述管状工件沿轴线往复运动，实现磁流变液对工件内壁的抛光。