CN108857599A - 一种立式磁流变抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立式磁流变抛光装置，其包括：抛光机构和夹持机构；抛光机构包括磁架、线圈和竖直设置的储液管；储液管内孔与工件匹配，盛装磁流变液；夹持机构夹持工件使之与储液管的位置匹配；线圈在储液管内孔形成磁场，磁流变液形成一层柔性的抛光膜；工件和抛光膜沿竖直方向相对运动且在水平方向上沿工件轴线相对转动。本发明提供的立式磁流变抛光装置及方法，磁流变液发生流变效应剪切屈服应力和表观粘度都比较高的具有粘塑性的抛光膜，利用磁流变液与被加工表面的相对运动，对表面进行材料去除，其抛光过程不受工件表面形状的限制，抛光效率高且无损伤。装置结构简单易控制，可抛光不同特性和要求的工件。

Description

一种立式磁流变抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及抛光领域，尤其是一种立式磁流变抛光装置。

本发明还涉及一种立式磁流变抛光方法。

背景技术

钛合金管具有耐高压、抗腐蚀等特性，被广泛应用与航空航天、医疗、军工等领域。在国外，由于钛合金管材的研制和配套应用技术发展成熟，因此钛合金管材的研制和配套应用技术发展成熟，因此，钛合金管材在发达国家的航空、航天领域已有一定的应用，如国外先进飞机的引气管路、液压管路、燃油管路等都广泛采用了钛合金管。受使用环境的限制，对管件表面的粗糙度要求较高，主要为了保证管件在连接处的密封性能，防止出现液体或气体渗漏的现象，引起使用环境的恶化，造成不必要的污染和腐蚀性的破坏及管件使用寿命的下降。针对钛合金管，尤其是管径较小的管件和具有表面螺纹的管件，传统的抛光方式会造成管件产生塑形变形或者无法深入到螺纹的内部。钛合金管主要由压力机热挤压和斜轧穿孔两种工艺加工而成，加工后的钛合金管通过酸洗去除一些表面缺陷，但由于加工后的管件较长，管径小的时候，对管外表面进行全面处理的难度加大，受工艺影响造成的划痕、凹坑、微裂纹、毛刺，实际中严重影响使用性能。

钛合金属于典型难加工材料，具有较高的韧性和比强度，弹性变形大，化学活性高，利用传统的磨削方法会因为磨削力和磨削温度的升高而造成表面形貌、表面组织、表面硬度等发生巨大变化，甚至会造成表面烧伤等热损伤。现有的表面处理方法中，电化学光整加工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，整平效果降低；磁力研磨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广整加工，但存在研磨效率低、磨粒制作的周期长、经济性差的缺点。

磁流变液属于可控流体，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。这种悬浮体在零磁场下呈现低粘度的牛顿流体特性；在强磁场作用下，呈现出高粘度低流动性的宾汉流体。这种转化可逆、可控性好，可实现实时主动控制，而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种立式磁流变抛光装置及方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种立式磁流变抛光装置及方法，其适用于对待抛光的工件进行抛光，包括：抛光机构和夹持机构；所述抛光机构包括磁架、线圈和储液管；所述储液管竖直设置，其内孔与待抛光的工件外径相匹配，内孔用于盛装磁流变液；所述夹持机构竖直夹持待抛光的工件，使工件与储液管的位置匹配；所述线圈设置于储液管外周，并向储液管内孔空间提供磁场，磁场区域内的磁流变液形成一层柔性的抛光膜；所述工件和抛光膜受控制的沿竖直方向相对运动且在水平方向上沿工件轴线相对转动。

优选的，所述夹持机构包括丝杠基体、步进电机和丝杠滑块；丝杠基体包括丝杠和限位壁，所述丝杠受步进电机的驱动沿其自身轴线转动；所述丝杠滑块与所述丝杠螺纹配合，且受限位壁的限制沿竖直方向滑动，所述丝杠滑块用于竖直夹持待抛光的工件。

进一步的，所述丝杠滑块通过上夹具夹持工件；上夹具包括开口向下的套筒，工件放置于套筒的内孔，还包括用于夹紧工件的紧定螺钉；丝杠滑块包括卡槽，上夹具沿丝杠滑块的卡槽调节水平位置。

优选的，还包括转动机构，所述磁架受转动机构的控制沿所述储液管的轴线转动；所述抛光机构还包括导电滑环，导电滑环包括定子、转子和电刷，定子相对抛光机构整体固定设置，定子适于与外部电源电连接，转子与磁架固定，线圈与转子电连接，定子与转子通过电刷电连接。

进一步的，所述转动机构包括调速电机、减速器、轴承和转轴，转轴竖直穿过导电滑环，转轴与磁架固定连接，受轴承支撑；减速器的输出轴为竖直向上，其与转轴通过联轴器联轴器连接，减速器的输入轴与调速电机的输出轴也通过一个联轴器连接。

优选的，所述线圈套设在铁芯支架外周，且铁芯支架与储液管之间包括隔热间距；磁架包括卡槽，铁芯支架沿磁架的卡槽调节水平位置。

进一步的，工件与储液管之间区域的磁场强度为100mT-200mT。

本发明提供一种立式磁流变抛光的方法，其包括如下步骤：S1，使用前述的立式磁流变抛光装置，将工件安装于所述夹持机构；S2，启动线圈，使储液管内部包含磁场；S3，向储液管内加入磁流变液，磁场区域内的磁流变液形成一层柔性的抛光膜；S4，启动装置，实现工件和抛光膜沿竖直方向的相对运动且在水平方向上沿工件轴线的相对转动；S5，工件外表面材料去除后，关闭装置，关闭线圈，取出工件。

优选的，工件和抛光膜的相对转速为200-300r/min，竖直方向相对运动速度为2-4mm/s，往复行程为80mm，磁流变液的体积为储液管容积的1/2～3/4。

进一步的，还包括S6，取出磁流变液，将其进行过滤、搅拌，循环使用。

(三)有益效果

本发明提供一种立式磁流变抛光装置及方法，磁流变液发生流变效应形成宾汉(Bingham)介质，即剪切屈服应力和表观粘度都比较高的具有粘塑性的抛光膜，利用磁流变液与被加工表面的相对运动，对表面进行材料去除，其抛光过程不受工件表面形状的限制，其形态贴合工件外表面，强力、均匀的剪切切除工件外表面材质，抛光效率高且无损伤。装置结构简单，便于控制，还能够抛光不同特性和要求的工件。材料去除效率高，去除稳定，可控性高。

夹持机构能够稳定的控制工件的位置和运动状态，同时提供了竖直方向的动力，丝杠和丝杠滑块的配合简单、持久，易于控制和调整。

上夹具可以夹持多种外径的工件，同时工件位置可变化，上夹具本体位置也可调整，使得工件相对储液管的位置可变动，适用不同的要求。

转动机构控制磁架和储液管转动，进而带动抛光膜转动，同时利用导电滑环，保证了对旋转着的线圈供电。储液管旋转的方式使得抛光膜的旋转稳定有力。与夹持机构配合形成工件和抛光膜间的复合运动。

转动机构的输出轴转轴从下方直接连接磁架，动力输出强劲稳定，直连式结构简单耐用。铁芯支架使磁场更聚拢，磁场强度更强。同时保留隔热间距，可以避免线圈产生的热量传递给储液管和抛光膜。卡槽用于调节线圈与储液管的距离，进一步调节磁场分布及强度。

100mT-200mT的磁场强度形成的宾汉介质性能优异。磁流变液的体积保证了提供足够厚的抛光膜，同时不会溢出，散热良好，切屑分散好。

本发明提供的立式磁流变抛光的方法，操作简单，连续工作效率高。能够抛光不同特性和要求的工件外壁。

200-300r/min的相对转速，2-4mm/s的相对运动速度，80mm的往复运动行程，可以在加工时较好的保持抛光膜的形态，同时又能提供较大的切削力，保证加工效率。

收集、过滤、搅拌后循环使用磁流变液，可以降低生产成本。

附图说明

图1为钛合金管外壁抛光装置的结构示意图；

图2为旋转磁架的结构示意图；

图3为支撑件的结构示意图。

【附图标记说明】

1：调速电机；2：电机底座；3：联轴器；4：减速器；5：轴承；6：导电滑环；7：转轴；8：磁架；9：线圈；10：铁芯支架；11：矩形钕铁硼磁铁；12：储液管；13：下夹具；14：弹簧；15：工件；16：上夹具；17：丝杠滑块；18：步进电机；19：丝杠基体；20：丝杠底座；21：支撑件。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1、图2所示，磁架8与驱动机构的转轴7固定连接并随其转动，磁架8上设置有4个铁芯支架10，铁芯支架10的外圈套设线圈9。转轴7穿过导电滑环6，受轴承5的支撑。导电滑环6的转子与转轴7固定，其与线圈9电连接；导电滑环6的定子相对固定，与外部电源电连接。具体的参考图3，支撑件21相对地面固定设置，其上部与轴承5的外圈固定，还与定子固定。转子与定子之间通过电刷电连接，保证旋转的时候线圈9也能持续通电，产生磁场。

图中的驱动机构包括输出轴竖直向上的减速器4，其输出轴通过一个联轴器3与转轴7连接，其输入轴通过另一个联轴器与调速电机1的输出轴连接，调速电机1的壳体通过电机底座2固定，驱动机构的整体位于支撑件21下面的门型空腔内。

储液管12与磁架8的转动轴线同轴设置，可以是使用下夹具13拆卸的连接，也可以是固定连接。固定连接时储液管12设置进水管和排水管，用于输送磁流变液。

磁架8包括4个环绕储液管12的卡槽，铁芯支架10设置在卡槽之中，磁架8径向上包括连通卡槽的螺纹孔，配合的设置一个螺钉。卡槽的径向上，铁芯支架10朝向储液管12的一面设置弹簧14，铁芯支架10的另一面受对应的位置螺钉的控制，通过调节螺钉，可以调节线圈9及铁芯支架10相对储液管12的位置，调整储液管12内部的磁场。且能保证铁芯支架10位置的稳定，避免在旋转的过程中因晃动与其他部件碰撞。

图中线圈9的缠绕轴线是竖直方向，相邻线圈9的N-S极反向设置，使每两个相邻的线圈9行程的电磁铁能够形成N-S对接。铁芯支架10的上端向储液管12延伸，因此铁芯支架10上端面的N极或S极更贴近储液管12，使得储液管12内的磁场强度在较小电流下即比较强，节省能源。图中设置了4个线圈9，也可以是其他数量的，优选的为偶数个均匀布置。

铁芯支架10可以是顺磁性材料，也可以是是永磁铁，或者铁芯支架10为空心，其内可拆卸的放置永磁铁，如铷铁硼磁铁。或者在铁芯支架10的末端即电磁铁的N极或S极处设置矩形铷铁硼磁铁11。通过永磁铁和电磁铁的配合，使得电磁场的控制更灵活多变。

由于线圈9工作时会发热，因此线圈9和铁芯支架10或者矩形铷铁硼磁铁11与储液管12之间都有隔热间距，隔热间距不小于1mm。为了保证N极或S极的距离以保证磁场强度，可以设置N极、S极处的隔热间距为2mm以内。同时磁架8和储液管12间可以设置隔热垫。

工件15受夹持机构的夹持而呈竖直状态。本实施例的夹持机构包括丝杠底座20，其上固定的设置丝杠基体19。丝杠基体19上设置竖直的丝杠，还包括竖直的限位壁。步进电机18的壳体相对丝杠基体19固定设置，其驱动轴驱动丝杠沿自身轴线水平转动。

丝杠滑块17与丝杠螺纹配合，同时其侧边受限位壁的限制而不能转动。限位壁与丝杠滑块17的接触面包覆了丝杠在限位壁面上的投影。当丝杠转动时，丝杠滑块17受丝杠和限位壁的共同作用，向上或向下滑动。图中实际包括两个限位壁。形成了一个槽型包裹住了丝杠。实际可以只有一个。或者包括左右两根限位柱，每根限位柱只能限制丝杠滑块17不能朝向其所在的方向旋转，两根限位柱配合使得丝杠滑块17不能水平旋转，只能竖直滑动。

丝杠滑块17的前端设置有长形的卡槽，上夹具16通过螺栓与丝杠滑块17可拆卸的固定连接，上夹具16可沿长形的卡槽滑动。上夹具16包括开口向下的套筒，套筒的内径大于工件15，套筒径向设置有紧定螺钉，用于夹紧工件15，但设置多个紧定螺钉时，可以通过调节紧定螺钉的位置在水平方向上调节工件15的位置。调节上夹具16的位置，使得工作时，工件15能够竖直放入储液管12中。

工件15可以和储液管12同轴设置，实际也可以略微偏心设置。同轴设置时切削力更均匀，偏心设置时，贴近部分的切削力偏大，远离部分的抛光性更好。总的来说，工件15的外壁与储液管12的内壁间距为1～2mm。当工件15的尺寸不同时，可以选用不同的储液管12来加工。磁流变液的体能够填充工件15和储液管12之间形成的环形区域的至少一段长度，磁流变液在磁场作用下形成的宾汉物质具有较高的抗剪切性，可以切割掉工件15外壁表层的材料。

工作时，储液管12内盛装有磁流变液，磁流变液的体积为储液管12容积的1/2～3/4，如果工件15是管状件，则磁流变液多一点，如果工件15是实心的棒状件，则磁流变液少一些。具体的根据工件15

当工件15为管状件时，可以掉头分两次抛光，从而使整个外壁得到抛光。也可以是上夹具16设置芯棒，芯棒配合于工件15内孔，径向上包括胀紧结构，使得工件15完全放入，外壁可以一次抛光完成。

本实施例采用的是工件15做竖直的往复运动，抛光膜在储液管12和磁场的带动下做水平转动，形成工件15和抛光膜之间的复合运动。也可以抛光膜不动，由夹持机构独立带动工件15完成，复合运动，如上夹具16通过驱动电机与丝杠滑块17连接，驱动电机驱动夹具16水平转动。或者工件15为转动，而抛光膜为竖直方向往复运动。

储液管12内壁可以有竖向的条纹，或者储液管12内表面为六边形柱面等多边形柱面，其形成的抛光膜会更有棱角，切削力强。同时这样形态的储液管12旋转时能更好的带动抛光膜转动。储液管12内还可以设置一层橡胶层，用以减缓管壁自身的摩擦损耗。

或者储液管12倾斜设置，夹持机构夹持工件15与储液管同轴，磁场也只设置在倾向的方向上，这样可以利用较少的磁流变液进行粗抛后的精抛光。

使用本实施例的立式磁流变抛光方法：

S1，将匹配的储液管12安装在下夹具13上，将钛合金管即工件15安装于上夹具16；工件15的下面高于储液管12,。沿丝杠滑块17的卡槽调节工件15，使工件15和储液管12同轴，气动步进电机18，工件15下降的过程中继续调整其与储液管12的距离为1～2mm，调好后反向运转步进电机18；

S2，调节铁芯支架10与储液管12的距离为1～2mm，启动线圈9，使储液管12内部包含磁场，储液管12内壁面附近的磁场强度为100～200mT；

S3，向储液管12内加入磁流变液，磁场区域内的磁流变液形成一层柔性的抛光膜，抛光膜的高度占储液管12内孔高度的3/4；

S4，启动调速电机1和步进电机18，实现工件12和抛光膜沿竖直方向的相对运动且在水平方向上沿工件15轴线的相对转动，工件15和抛光膜的相对转速为200-300r/min，竖直方向相对运动速度为2-4mm/s，往复行程为80mm；

S5，工件15外表面材料去除后，关闭装置，关闭线圈9，取出矩形铷铁硼磁铁11，使磁流变液回复液态，步进电机18驱动丝杠，使工件15脱离储液管12的加工区，在步进电机18脱机的状态下，取下工件15。

S6，取出磁流变液，将其进行过滤、搅拌，循环使用。

上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种立式磁流变抛光装置，其特征在于，其适用于对待抛光的工件(15)进行抛光，包括：抛光机构和夹持机构；所述抛光机构包括磁架(8)、线圈(9)和储液管(12)；

所述储液管(12)内孔与待抛光的工件(15)外径相匹配，内孔用于盛装磁流变液；

所述夹持机构夹持待抛光的工件(15)，使工件(15)与储液管(12)的位置匹配；

所述线圈(9)设置于储液管(12)外周，并向储液管(12)内孔空间提供磁场，磁场区域内的磁流变液形成一层柔性的抛光膜；

所述工件(15)和抛光膜受控制的沿工件(15)的轴线方向相对运动且沿工件(15)轴线相对转动。

2.如权利要求1所述的立式磁流变抛光装置，其特征在于：所述夹持机构包括丝杠基体(19)、步进电机(18)和丝杠滑块(17)；

丝杠基体(19)包括丝杠和限位壁，所述丝杠受步进电机(18)的驱动沿其自身轴线转动；

所述丝杠滑块(17)与所述丝杠螺纹配合，且受限位壁的限制沿竖直方向滑动，所述丝杠滑块(17)用于竖直夹持待抛光的工件(15)。

3.如权利要求2所述的立式磁流变抛光装置，其特征在于：所述丝杠滑块(17)通过上夹具(16)夹持工件(15)；

上夹具(16)包括开口向下的套筒，工件(15)放置于套筒的内孔，还包括用于夹紧工件(15)的紧定螺钉；

丝杠滑块(17)包括卡槽，上夹具(16)沿丝杠滑块(17)的卡槽调节水平位置。

4.如权利要求2所述的立式磁流变抛光装置，其特征在于：还包括转动机构，所述磁架(8)受转动机构的控制沿所述储液管(12)的轴线转动；

所述抛光机构还包括导电滑环(6)，导电滑环(6)包括定子、转子和电刷，定子相对抛光机构整体固定设置，定子适于与外部电源电连接，转子与磁架(8)固定，线圈(9)与转子电连接，定子与转子通过电刷电连接。

5.如权利要求4所述的立式磁流变抛光装置，其特征在于：所述转动机构包括调速电机(1)、减速器(4)、轴承(5)和转轴(7)，转轴(7)竖直穿过导电滑环(6)，转轴(7)与磁架(8)固定连接，受轴承(5)支撑；

减速器(4)的输出轴为竖直向上，其与转轴(7)通过联轴器(3)联轴器(3)连接，减速器(4)的输入轴与调速电机(1)的输出轴也通过一个联轴器(3)连接。

6.如权利要求1所述的立式磁流变抛光装置，其特征在于：所述线圈(9)套设在铁芯支架(10)外周，且铁芯支架(10)与储液管(12)之间包括隔热间距；

磁架(8)包括卡槽，铁芯支架(10)沿磁架(8)的卡槽调节水平位置。

7.如权利要求1至6任一所述的立式磁流变抛光装置，其特征在于：工件(15)与储液管(12)之间区域的磁场强度为100mT-200mT。

8.一种立式磁流变抛光的方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1，使用如权利要求1所述的立式磁流变抛光装置，将工件(15)安装于所述夹持机构；

S2，启动线圈(9)，使储液管(12)内部包含磁场；

S3，向储液管(12)内加入磁流变液，磁场区域内的磁流变液形成一层柔性的抛光膜；

S4，启动装置，实现工件(15)和抛光膜沿竖直方向的相对运动且在水平方向上沿工件(15)轴线的相对转动；

S5，工件(15)外表面材料去除后，关闭装置，关闭线圈(9)，取出工件(15)。

9.如权利要求8所述的立式磁流变抛光方法，其特征在于：工件(15)和抛光膜的相对转速为200-300r/min，竖直方向相对运动速度为2-4mm/s，往复行程为80mm，磁流变液的体积为储液管(12)容积的1/2～3/4。

10.如权利要求8所述的立式磁流变抛光方法，其特征在于，还包括S6，取出磁流变液，将其进行过滤、搅拌，循环使用。