CN110000622B - 一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置及方法，所述装置包括车床、磁研磨机构及化学腐蚀机构；磁研磨机构包括内部磁极组件、外部磁极组件及升降机构；管状工件装夹在车床卡盘上由主轴带动旋转，内部磁极组件中的内部磁极位于管状工件的内部，外部磁极组件中的外部磁极位于管状工件的外部；化学腐蚀机构包括喷液软管、蠕动泵、吸液软管及化学药剂槽。本发明采用一体化的装置，经过多次化学腐蚀与磁力磁磨的复合作用，完成对管状工件内表面的光整加工；研磨后的内表面精度高、研磨效率高、抛光效果好，且操作方便，经济性好，适用于不同材料、规格的管状工件内表面加工。
Description
技术领域
本发明涉及管状工件复合加工技术领域，尤其涉及一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置及方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，各种材料及规格的管状工件不断应用于各个领域，例如航空航天、食品行业、机械领域、化工设备、原子能领域，同时对管状工件表面质量的要求也越来越高。传统电化学光整加工方法是先利用电化学方法使管状工件内表面发生化学反应形成钝化膜，再用机械方法去除表面材料。这种加工方法效率低、加工流程复杂、无法加工不导电材料且加工后表面质量不理想，特别是内表面的抛光研磨更是受到管径、工件转速、机械加工方法等客观因素的巨大限制。
磁流变抛光技术是利用磁流变液在梯度磁场中发生流变，磁流变液与工件间相对运动去除工件表面材料的原理来加工管状工件。但是这种方法存在磁流变液流动速度有限、抛光效率较低、成本较高等问题。
装置采用工件旋转，内外部磁极同步进给的方式，使HCL溶液有效且均匀的腐蚀待加工面。本装置中内部磁极与外部磁极分别呈直角分布、且成对出现的排布方式；腐蚀溶液选择低浓度的HCL溶液。内部开槽磁极由主电机带动旋转，其形成的旋转磁场使得研磨粒子翻滚更加剧烈，磨粒不断有新的切削刃划刻工件表面，使研磨效率得到很大提高。化学磁力研磨方法与其他方法相比，
发明内容
本发明提供了一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置及方法，采用一体化的装置，先通过化学腐蚀法使稀盐酸与内表面上的凸点反应生成一层稳定化合物，紧接着用磁力刷的尖端去除凸点处形成的化合物层，通过一次磁力研磨过程将管状工件内表面凹点与凸点之间的高度差减小，并进一步增加稀盐酸溶液与凸点的接触面积，加速内表面缺陷的去除；经过多次化学腐蚀与磁力磁磨的复合作用，完成对管状工件内表面的光整加工；研磨后的内表面精度高、研磨效率高、抛光效果好，且操作方便，经济性好，适用于不同材料、规格的管状工件内表面加工。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置，包括车床及磁研磨机构；还包括化学腐蚀机构；所述磁研磨机构及化学腐蚀机构均安装在车床的溜板箱上并能够随溜板箱沿车床轴向移动，同时磁研磨机构还能够沿车床横向移动；磁研磨机构包括内部磁极组件、外部磁极组件及升降机构；管状工件装夹在车床卡盘上由主轴带动旋转，内部磁极组件中的内部磁极位于管状工件的内部，外部磁极组件中的外部磁极位于管状工件的外部，升降机构用于调节外部磁极组件的高度；化学腐蚀机构包括喷液软管、蠕动泵、吸液软管及化学药剂槽，喷液软管的一端设于内部磁极的下方，另一端通过蠕动泵连接吸液软管的一端，吸液软管的另一端连接化学药剂槽，化学药剂槽设于磁研磨机构下方的溜板箱上。
所述车床包括车床底座、主轴箱及溜板箱，车床底座两侧设轴向丝杠，轴向丝杠的两端通过丝杠螺母与车床底座连接，轴向丝杠的一端设丝杠电机，溜板箱的两侧设丝杠螺纹孔与轴向丝杠配合传动，在丝杠电机的带动下，溜板箱沿轴向丝杠往复移动；蠕动泵及化学药剂槽分别设置在溜板箱上；溜板箱上设横向拖板，由横向手轮带动沿车床横向往复移动，磁研磨机构设置在横向拖板上；主轴箱设主轴及主轴电机，主轴外伸端设车床卡盘，主轴及车床卡盘能够随主轴电机旋转；车床底座上还设有开关按钮，开关按钮至少包括主轴启动/停止按钮、丝杠电机启动/停止按钮及蠕动泵启动/停止按钮。
所述内部磁极组件由固定支座、水平支撑杆及内部磁极组成，固定支座安装在横向拖板上，水平支撑杆设置在固定支座朝向车床主轴一端，且水平支撑杆的轴线与主轴的轴线同线；水平支撑杆的外伸端设2个内部磁极，每个内部磁极均由依次相连的磁极头、磁极座、联轴器及磁极旋转电机组成，2个磁极头位于同一圆周且相互垂直设置；磁极头通过法兰盘与水平支撑杆固定连接，磁极头的外伸端开设槽口，2个磁极头呈N-N排布。
所述外部磁极组件由滑动支架及2个外部磁极组成，滑动支架设置在升降机构上并朝向主轴一端，2个外部磁极分别设置在滑动支架上，每个外部磁极均由圆柱形轴向磁极与聚磁头组成，2个聚磁头与2个磁极头一一对应设置，每个聚磁头分别与对应的磁极头同轴设置且位于对应磁极头的外侧；2个聚磁头呈S-S排布。
所述磁极头的材质为永磁铁，聚磁头的材质为铁。
所述升降机构由升降滑轨、升降丝杆及升降手轮组成，升降滑轨及升降丝杆均竖直设置在横向拖板上，升降丝杆的顶部设升降手轮；外部磁极组件中的滑动支架与升降丝杆、升降滑轨配合连接实现升降。
所述喷液软管固定在内部磁极组件的水平支撑杆底部，其端部延伸至磁极头安装面的外侧，靠近主轴一端，并设有喷头。
一种基于所述装置的化学磁粒复合研磨管内表面的方法，包括如下步骤：
1)将管状工件装夹在车床卡盘上，将水基研磨液与磁性磨粒混合均匀后吸附在磁极头上，磁极头与聚磁头形成V形结构的N-S型闭合磁回路；
2)通过丝杠电机调节溜板箱实现磁极头与聚磁头沿车床轴向位置的调整，通过横向手轮调节横向拖板实现磁极头与聚磁头沿车床横向位置的调整，使磁极头与管状工件的内表面间距为2～3mm；
3)通过升降手轮调节外部磁极的竖直位置，使聚磁头与管状工件外表面的间距为2～3mm；
4)按下主轴启动/停止按钮，主轴电机启动，通过主轴带动管状工件旋转，转速为600～1500r/min；
5)按下蠕动泵启动/停止按钮，蠕动泵启动，将化学药剂槽中的稀盐酸溶液抽出后均匀喷在管状工件的内表面，稀盐酸与内表面上的凸点反应生成一层稳定化合物；多余的稀盐酸溶液自流入下方的化学药剂槽中，通过过滤净化后重复使用；
6)启动磁极旋转电机，带动磁极头绕各自轴线旋转，磁性磨粒在磁场的作用下形成柔性磁力刷，在开槽磁极磁场分布下带动磨粒翻滚，研磨管状工件的内表面；按下丝杠电机启动/停止按钮，磁极头与聚磁头在溜板箱的带动下沿车床轴向同步进给，磁力刷的尖端去除凸点处形成的化合物层，通过一次磁力研磨过程将管状工件内表面凹点与凸点之间的高度差减小，并进一步增加稀盐酸溶液与凸点的接触面积，加速内表面缺陷的去除；经过多次化学腐蚀与磁力磁磨的复合作用，完成对管状工件内表面的光整加工；
7)完成管状工件内表面加工后，依次关闭蠕动泵、磁极旋转电机、丝杠电机与主轴电机；
8)通过溜板箱带动磁研磨机构及化学腐蚀机构向远离主轴箱的一端移动，待管状工件完全露出后将其从车床卡盘上卸下。
所述水基研磨液与磁性磨粒的混合比按质量比计为1：1.8～2.2。
所述稀盐酸溶液是体积分数为6％～10％的盐酸溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用化学磁粒复合研磨，用低浓度的HCL溶液腐蚀管状工件内表面，使稀盐酸与内表面上的凸点反应生成一层稳定化合物，用磁力刷的尖端去除凸点处形成的化合物层，通过一次磁力研磨过程将管状工件内表面凹点与凸点之间的高度差减小，并进一步增加稀盐酸溶液与凸点的接触面积，加速内表面缺陷的去除；经过多次化学腐蚀与磁力磁磨的复合作用，完成对管状工件内表面的光整加工；
2)采用化学磁粒复合研磨，管状工件内表面与磁粒非刚性接触，减少磨粒切削刃的磨损，使磁研磨过程中产生的拉应力转变为压应力，加速管状工件内表面的研磨速率，减少磨粒的使用量，延长管状工件的使用寿命；
3)适用于不同材质、规格管状工件的加工，既适用于小型实验室，也适用于大型工厂规模化生产；
4)解决了磁力研磨加工管状工件内表面时，因内置辅助磁极管状工件转速不能过高，导致研磨效率较低、研磨时间过长的问题；
5)所述装置结构简单、操作方便、加工成本低廉，并可有效去除管状工件内表面的缺陷，方便控制内、外部磁极与加工表面的间隙，加工效果好；
6)所述内部磁极在磁极旋转电机的带动下旋转，与外部的聚磁头形成旋转磁场，车床溜板箱带动研磨机构轴向进给，使磁性磨料在管状工件待加工面形成螺旋线轨迹，加工效果好；
7)管状工件的转速调速范围广，加工效率高，且不会对管材内壁及其属性造成破坏；
8)内部磁极为开槽磁极，与外部的聚磁头呈N-S分布，磁感线分别从N级到S级，内部磁极与聚磁头相对处的研磨区域的磁通量密度大，磁感应强度大；磁极开槽处磁粒翻滚剧烈，总有新的切削刃参与研磨，研磨效率高；
9)内部磁极中的2个磁极头、外部磁极中的2个聚磁头分别相互垂直设置，磁极间形成封闭磁回路且两磁极间距离小，磁性研磨粒子对工件表面研磨压力增大，便于加工形成均匀表面；
10)聚磁头采用永磁铁制成，研磨机构整体体积小，经济节能，可长时间加工工件，且加工面均匀度高；
11)化学腐蚀用的稀盐酸溶液循环使用，采用蠕动泵输送，具有无污染、精度高、密封性好、维护简单等优点。
附图说明
图1是本发明所述一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置的立体结构示意图(化学药剂槽未示出)。
图2是本发明所述一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置的主视图。
图3是本发明所述磁研磨机构的结构示意图。
图4是本发明所述磁极头与磁极旋转电机的连接结构示意图。
图中：1.管状工件 2.主轴 3.主轴箱 4.开关按钮 5.车床底座 6.丝杠螺母 7.轴向丝杠 8.溜板箱 9.横向手轮 10.横向拖板 11.丝杠电机 12.喷液软管 13.蠕动泵14.升降滑轨 15.滑动支架 16.升降手轮 17.圆柱形轴向磁极 18.聚磁头 19.水平支撑杆 20.吸液软管 21.固定支座 22.升降丝杆 23.联轴器 24.磁极头 25.磁极座 26.法兰盘 27.磁极旋转电机 28.化学药剂槽
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1、图2所示，本发明所述一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置，包括车床及磁研磨机构；还包括化学腐蚀机构；所述磁研磨机构及化学腐蚀机构均安装在车床的溜板箱8上并能够随溜板箱8沿车床轴向移动，同时磁研磨机构还能够沿车床横向移动；磁研磨机构包括内部磁极组件、外部磁极组件及升降机构；管状工件1装夹在车床卡盘上由主轴2带动旋转，内部磁极组件中的内部磁极位于管状工件1的内部，外部磁极组件中的外部磁极位于管状工件1的外部，升降机构用于调节外部磁极组件的高度；化学腐蚀机构包括喷液软管12、蠕动泵13、吸液软管20及化学药剂槽28，喷液软管12的一端设于内部磁极的下方，另一端通过蠕动泵13连接吸液软管20的一端，吸液软管20的另一端连接化学药剂槽28，化学药剂槽28设于磁研磨机构下方的溜板箱8上。
所述车床包括车床底座5、主轴箱3及溜板箱8，车床底座5两侧设轴向丝杠7，轴向丝杠7的两端通过丝杠螺母6与车床底座5连接，轴向丝杠7的一端设丝杠电机11，溜板箱8的两侧设丝杠螺纹孔与轴向丝杠7配合传动，在丝杠电机11的带动下，溜板箱8沿轴向丝杠7往复移动；蠕动泵13及化学药剂槽28分别设置在溜板箱8上；溜板箱8上设横向拖板10，由横向手轮9带动沿车床横向往复移动，磁研磨机构设置在横向拖板10上；主轴箱3设主轴2及主轴电机，主轴2外伸端设车床卡盘，主轴2及车床卡盘能够随主轴电机旋转；车床底座5上还设有开关按钮4，开关按钮4至少包括主轴启动/停止按钮、丝杠电机启动/停止按钮及蠕动泵启动/停止按钮。
如图1、图3所示，所述内部磁极组件由固定支座21、水平支撑杆19及内部磁极组成，固定支座21安装在横向拖板10上，水平支撑杆19设置在固定支座21朝向主轴2一端，且水平支撑杆19的轴线与主轴2的轴线同线；水平支撑杆19的外伸端设2个内部磁极，每个内部磁极均由依次相连的磁极头24、磁极座25、联轴器23及磁极旋转电机27组成(如图4所示)，2个磁极头24位于同一圆周且相互垂直设置；磁极头24通过法兰盘26与水平支撑杆19固定连接，磁极头24的外伸端开设槽口，2个磁极头24呈N-N排布。
如图1、图3所示，所述外部磁极组件由滑动支架15及2个外部磁极组成，滑动支架15设置在升降机构上并朝向主轴2一端，2个外部磁极分别设置在滑动支架15上，每个外部磁极均由圆柱形轴向磁极17与聚磁头18组成，2个聚磁头18与2个磁极头24一一对应设置，每个聚磁头18分别与对应的磁极头24同轴设置且位于对应磁极头24的外侧；2个聚磁头18呈S-S排布。
所述磁极头24的材质为永磁铁，聚磁头18的材质为铁。
所述升降机构由升降滑轨14、升降丝杆22及升降手轮16组成，升降滑轨14及升降丝杆22均竖直设置在横向拖板10上，升降丝杆22的顶部设升降手轮16；外部磁极组件中的滑动支架15与升降丝杆22、升降滑轨14配合连接实现升降。
所述喷液软管12固定在内部磁极组件的水平支撑杆19底部，其端部延伸至磁极头24安装面的外侧，靠近主轴2一端，并设有喷头。
一种基于所述装置的化学磁粒复合研磨管内表面的方法，包括如下步骤：
1)将管状工件1装夹在车床卡盘上，将水基研磨液与磁性磨粒混合均匀后吸附在磁极头24上，磁极头24与聚磁头18形成V形结构的N-S型闭合磁回路；
2)通过丝杠电机11调节溜板箱8实现磁极头24与聚磁头18沿车床轴向位置的调整，通过横向手轮9调节横向拖板10实现磁极头24与聚磁头18沿车床横向位置的调整，使磁极头24与管状工件1的内表面间距为2～3mm；
3)通过升降手轮16调节外部磁极的竖直位置，使聚磁头18与管状工件1外表面的间距为2～3mm；
4)按下主轴启动/停止按钮，主轴电机启动，通过主轴带动管状工件1旋转，转速为600～1500r/min；
5)按下蠕动泵启动/停止按钮，蠕动泵13启动，将化学药剂槽28中的稀盐酸溶液抽出后均匀喷在管状工件1的内表面，稀盐酸与内表面上的凸点反应生成一层稳定化合物；多余的稀盐酸溶液自流入下方的化学药剂槽28中，通过过滤净化后重复使用；
6)启动磁极旋转电机27，带动磁极头24绕各自轴线旋转，磁性磨粒在磁场的作用下形成柔性磁力刷，在开槽磁极磁场分布下带动磨粒翻滚，研磨管状工件1的内表面；按下丝杠电机启动/停止按钮，磁极头24与聚磁头18在溜板箱8的带动下沿车床轴向同步进给，磁力刷的尖端去除凸点处形成的化合物层，通过一次磁力研磨过程将管状工件1内表面凹点与凸点之间的高度差减小，并进一步增加稀盐酸溶液与凸点的接触面积，加速内表面缺陷的去除；经过多次化学腐蚀与磁力磁磨的复合作用，完成对管状工件1内表面的光整加工；
7)完成管状工件1内表面加工后，依次关闭蠕动泵13、磁极旋转电机27、丝杠电机11与主轴电机；
8)通过溜板箱8带动磁研磨机构及化学腐蚀机构向远离主轴箱3的一端移动，待管状工件1完全露出后将其从车床卡盘上卸下。
所述水基研磨液与磁性磨粒的混合比按质量比计为1：1.8～2.2。
所述稀盐酸溶液是体积分数为6％～10％的盐酸溶液。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，基于一种化学磁粒复合研磨管内表面的装置实现，其特征在于，所述化学磁粒复合研磨管内表面的装置包括车床及磁研磨机构，还包括化学腐蚀机构；所述磁研磨机构及化学腐蚀机构均安装在车床的溜板箱上并能够随溜板箱沿车床轴向移动，同时磁研磨机构还能够沿车床横向移动；磁研磨机构包括内部磁极组件、外部磁极组件及升降机构；管状工件装夹在车床卡盘上由主轴带动旋转，内部磁极组件中的内部磁极位于管状工件的内部，外部磁极组件中的外部磁极位于管状工件的外部，升降机构用于调节外部磁极组件的高度；化学腐蚀机构包括喷液软管、蠕动泵、吸液软管及化学药剂槽，喷液软管的一端设于内部磁极的下方，另一端通过蠕动泵连接吸液软管的一端，吸液软管的另一端连接化学药剂槽，化学药剂槽设于磁研磨机构下方的溜板箱上；
所述化学磁粒复合研磨管内表面的方法，包括如下步骤：
1)将管状工件装夹在车床卡盘上，将水基研磨液与磁性磨粒混合均匀后吸附在磁极头上，磁极头与聚磁头形成V形结构的N-S型闭合磁回路；
2)通过丝杠电机调节溜板箱实现磁极头与聚磁头沿车床轴向位置的调整，通过横向手轮调节横向拖板实现磁极头与聚磁头沿车床横向位置的调整，使磁极头与管状工件的内表面间距为2～3mm；
3)通过升降手轮调节外部磁极的竖直位置，使聚磁头与管状工件外表面的间距为2～3mm；
4)按下主轴启动/停止按钮，主轴电机启动，通过主轴带动管状工件旋转，转速为600～1500r/min；
5)按下蠕动泵启动/停止按钮，蠕动泵启动，将化学药剂槽中的稀盐酸溶液抽出后均匀喷在管状工件的内表面，稀盐酸与内表面上的凸点反应生成一层稳定化合物；多余的稀盐酸溶液自流入下方的化学药剂槽中，通过过滤净化后重复使用；
6)启动磁极旋转电机，带动磁极头绕各自轴线旋转，磁性磨粒在磁场的作用下形成柔性磁力刷，在开槽磁极磁场分布下带动磨粒翻滚，研磨管状工件的内表面；按下丝杠电机启动/停止按钮，磁极头与聚磁头在溜板箱的带动下沿车床轴向同步进给，磁力刷的尖端去除凸点处形成的化合物层，通过一次磁力研磨过程将管状工件内表面凹点与凸点之间的高度差减小，并进一步增加稀盐酸溶液与凸点的接触面积，加速内表面缺陷的去除；经过多次化学腐蚀与磁力磁磨的复合作用，完成对管状工件内表面的光整加工；
7)完成管状工件内表面加工后，依次关闭蠕动泵、磁极旋转电机、丝杠电机与主轴电机；
8)通过溜板箱带动磁研磨机构及化学腐蚀机构向远离主轴箱的一端移动，待管状工件完全露出后将其从车床卡盘上卸下。
2.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述车床包括车床底座、主轴箱及溜板箱，车床底座两侧设轴向丝杠，轴向丝杠的两端通过丝杠螺母与车床底座连接，轴向丝杠的一端设丝杠电机，溜板箱的两侧设丝杠螺纹孔与轴向丝杠配合传动，在丝杠电机的带动下，溜板箱沿轴向丝杠往复移动；蠕动泵及化学药剂槽分别设置在溜板箱上；溜板箱上设横向拖板，由横向手轮带动沿车床横向往复移动，磁研磨机构设置在横向拖板上；主轴箱设主轴及主轴电机，主轴外伸端设车床卡盘，主轴及车床卡盘能够随主轴电机旋转；车床底座上还设有开关按钮，开关按钮至少包括主轴启动/停止按钮、丝杠电机启动/停止按钮及蠕动泵启动/停止按钮。
3.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述内部磁极组件由固定支座、水平支撑杆及内部磁极组成，固定支座安装在横向拖板上，水平支撑杆设置在固定支座朝向车床主轴一端，且水平支撑杆的轴线与主轴的轴线同线；水平支撑杆的外伸端设2个内部磁极，每个内部磁极均由依次相连的磁极头、磁极座、联轴器及磁极旋转电机组成，2个磁极头位于同一圆周且相互垂直设置；磁极头通过法兰盘与水平支撑杆固定连接，磁极头的外伸端开设槽口，2个磁极头呈N-N排布。
4.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述外部磁极组件由滑动支架及2个外部磁极组成，滑动支架设置在升降机构上并朝向主轴一端，2个外部磁极分别设置在滑动支架上，每个外部磁极均由圆柱形轴向磁极与聚磁头组成，2个聚磁头与2个磁极头一一对应设置，每个聚磁头分别与对应的磁极头同轴设置且位于对应磁极头的外侧；2个聚磁头呈S-S排布。
5.根据权利要求4所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述磁极头的材质为永磁铁，聚磁头的材质为铁。
6.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述升降机构由升降滑轨、升降丝杆及升降手轮组成，升降滑轨及升降丝杆均竖直设置在横向拖板上，升降丝杆的顶部设升降手轮；外部磁极组件中的滑动支架与升降丝杆、升降滑轨配合连接实现升降。
7.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述喷液软管固定在内部磁极组件的水平支撑杆底部，其端部延伸至磁极头安装面的外侧，靠近主轴一端，并设有喷头。
8.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述水基研磨液与磁性磨粒的混合比按质量比计为1：1.8～2.2。
9.根据权利要求1所述的一种化学磁粒复合研磨管内表面的方法，其特征在于，所述稀盐酸溶液是体积分数为6％～10％的盐酸溶液。
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