CN110480425B - 一种异形金属管内壁抛光装置及方法 - Google Patents

一种异形金属管内壁抛光装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异形金属管内壁抛光装置及方法，属于精密管材内壁抛光、磨削加工技术领域。将磁流变液注入异形金属管与芯轴形成的间隙中，通过在异形金属管内部不同区域施加强度不同的磁场，使异形金属管内部的磁流变液在磁场的作用下在异形金属管内壁形成抛光膜，通过控制磁流变液在异形金属管内移动，磁流变液内的磨料对异形金属管内壁进行全方位的高效抛光处理。与常规抛光方法相比，具有加工效率高，磁流变液用量小，可实现异形金属管内壁不同部位粗糙度不同的加工目的，满足个性化需求；同时抛光精度高，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。

Description

一种异形金属管内壁抛光装置及方法
技术领域
本发明属于精密管材内壁抛光、磨削加工技术领域，具体涉及一种异形金属管内壁抛光装置及方法。
背景技术
金属管道广泛用于石油、化工、医疗、食品、轻工、机械仪表等工业输送管道以及机械结构部件等，在一些精度要求高的领域对金属管道内壁的表面粗糙度有着较高的要求，如复杂异形金属管件内壁粗糙度要求较高(Ra0.012～Ra0.025)，或者在某些特定条件下对异形管件内壁不同部位的粗糙度要求也有一定差别。
目前，能够对金属管内部进行粗糙度加工的方法主要有：内涂层法、化学抛光法、数控铣削加工法、光学抛光法等。这些加工方法中，涂层法涉及的镀膜工艺复杂加工条件苛刻，难以操作，使得其应用范围十分有限；化学抛光法加工起来相对容易，但经化学抛光后的表面会形成不稳定易变质层，变质层严重影响了抛光效果；数控铣削加工方法多采用五轴联动数控加工设备，设备体积大，造价高，加工成本贵，可加工管材直径较大形状简单，细小形状复杂的管材加工受限；光学抛光法主要以定型抛光膜抛光内径较大深度较浅的毛细管，对于使用较多的较深直径较细的复杂形状管材则无法发挥作用。对异形金属管内壁进行高效精密加工，降低精密管材内壁抛光加工成本，已成为精密加工领域的重点课题。
磁流变抛光技术正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间具有快速的相对运动，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。虽然目前已有利用磁流变液对异形金属管内表面进行抛光加工的相关研究，但是仍存在许多技术难题：首先，磁流变液对异形金属管内壁的切削力不可控，加工效率低，而且加工时需要的磁流变液量大，浪费严重；其次，异形金属管通常具有若干直管段和弯管段，形状复杂，部分异形金属管不同部位对粗糙度有着不同的要求，现有的加工技术很难实现对异形金属管内表面进行分段、均匀而又精细的抛光。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种异形金属管内壁抛光装置及方法，结构设计合理、操作简单，解决了目前难以实现的复杂形状异形金属管内壁抛光的技术难题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种异形金属管内壁抛光的方法，包括：在异形金属管内部同轴固定非磁性材质的芯轴，根据抛光精度要求配置包含磨料的磁流变液并注入异形金属管与芯轴的间隙中，在异形金属管内部不同区域施加强度不同的磁场，磁流变液在磁场的作用下在异形金属管内壁形成抛光膜，通过控制磁流变液在异形金属管内部往复挤压流动，磨料对异形金属管内壁进行抛光。
优选地，磨料为非磁性磨料。
进一步优选地，磨料为碳化硅。
优选地，磨料在磁流变液中的体积含量为30％～40％。
优选地，磁流变液在异形金属管内部匀速流动，流动的速度为0.1～50.0mm/s。
本发明还公开了一种实现上述异形金属管内壁抛光方法的装置，包括第一柱塞、第二柱塞、第一柱塞缸、第二柱塞缸、线圈和可调直流电源；
异形金属管内部同轴固定有芯轴，芯轴为非磁性材质，芯轴与异形金属管之间存在周向相等的间隙；
第一柱塞缸和第二柱塞缸分别固定在异形金属管的两端管口处，第一柱塞与第一柱塞缸连接，第二柱塞与第二柱塞缸连接；若干组线圈分别套设在异形金属管直管段和弯管段的外壁，每组线圈分别与可调直流电源连接
使用时，异形金属管、第一柱塞缸和第二柱塞缸的内部填充有包含磨料的磁流变液。
优选地，芯轴通过若干支撑环固定在异形金属管内部，支撑环穿套在芯轴与异形金属管内壁之间，支撑环周向设置有若干能够使磁流变液(3)通过的孔。
优选地，芯轴与异形金属管之间的间隙为0.5～5.0mm。
优选地，芯轴的材质为高分子材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的异形金属管内壁抛光的方法，通过在异形金属管外部施加磁场，使异形金属管内部的磁流变液在磁场的作用下在异形金属管内壁形成抛光膜，通过控制磁流变液在异形金属管内移动，磁流变液内的磨料对异形金属管内壁进行全方位的高效抛光处理。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。将磁流变液注入异形金属管与芯轴形成的间隙中，使磁流变液挤压流动时能够对异形金属管内壁提供更大范围可控的切削力；同时，节省了磁流变液的用量，防止造成过多的磁流变液浪费。在异形金属管内部不同区域施加强度不同的磁场，可以根据实际粗糙度需要调节磁场的强度，进而获得不同的切削力，实现不同部位不同的粗糙度加工。
进一步地，磨料采用非磁性磨料，在抛光过程中不受磁场影响，磨料可以随机均匀分布，加工效率高。
更进一步地，磨料采用碳化硅，具有组织均匀，硬度合适，耐磨性强等优点。
进一步地，体积含量为30～40％，合适的体积含量能够提高抛光效果，若含量过高，磁流变液出现凝块，流动性差；含量过低，磨削力小，抛光效果不佳。
进一步地，磁流变液在异形金属管内移动速度为0.1～50.0mm/s，能够满足不同需要的加工，得到不同的粗糙度数值。
本发明公开的实现上述异形金属管内壁抛光方法的装置，结构设计合理、容易制造及安装，异形金属管外壁套设线圈，通过可调直流电源施加磁场以及调节磁场的强度；通过异形金属管两端管口处的柱塞和柱塞缸，能够控制异形金属管内磁流变液的移动，从而高效地对异形金属管内壁进行抛光。在异形金属管内设置芯轴，构成一定间隙的腔体，使磁流变液挤压流动时能够对异形金属管内壁提供更大范围可控的切削力；同时，节省了磁流变液的用量，防止造成过多的磁流变液浪费。异形金属管直管段和弯管段外壁的线圈分段独立设置，能够调节磁场强度，进而获得不同部位的切削力。以具有弯管段的异形金属管为例，由于异形金属管在工作时，弯管段会对内部的流体造成较大的局部阻力，因此一般比直管段表面要求更光洁，可实现异形金属管内壁不同部位粗糙度不同的加工目的，满足个性化需求。
进一步地，芯轴通过若干支撑环固定，固定牢固，轴向间隙均匀，且支撑环上的孔不影响磁流变液的移动。
更进一步地，设置合理的间隙值，避免间隙过小造成磁流变液流通不顺畅，也避免间隙过大挤压力不可控。
进一步地，芯轴采用高分子材质，兼有塑性、弹性好，耐磨损等特点，能够根据异形金属管的形状产生适应性的形变，可反复多次使用，寿命长。
附图说明
图1为本发明的异形金属管内壁抛光装置整体结构示意图；
图2为本发明的异形金属管内壁抛光装置支撑环的结构示意图；
图3为本发明的异形金属管内壁抛光装置支撑环的A-A剖视示意图；
图4为本发明的异形金属管内壁抛光装置第二柱塞下行动作示意图；
图5为本发明的异形金属管内壁抛光装置第一柱塞下行动作示意图；
图中：1为柱塞，1-1为第一柱塞，1-2为第二柱塞；2为柱塞缸，2-1为第一柱塞缸，2-2为第二柱塞缸；3为磁流变液；4-1为第一夹具，4-2为第二夹具；5为芯轴；6为线圈，6-1为第一线圈，6-2为第二线圈，6-3为第三线圈；7为支撑环，7-1为第一支撑环，7-2为第二支撑环，7-3为第三支撑环；8为异形金属管，9为可调直流电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明的异形金属管内壁抛光装置，包括第一柱塞1-1、第二柱塞1-2、第一柱塞缸2-1、第二柱塞缸2-2、线圈6和可调直流电源9；第一柱塞缸2-1和第二柱塞缸2-2分别固定在异形金属管8的两端管口处，第一柱塞1-1与第一柱塞缸2-1连接，第二柱塞1-2与第二柱塞缸2-2连接；线圈6套设在异形金属管8外壁，线圈6与可调直流电源9连接。
异形金属管8内部同轴固定芯轴5，芯轴5为非磁性材质，兼有塑性、弹性好，耐磨损等特点，优选采用如聚氨酯等高分子材料；芯轴5与异形金属管8之间存在周向相等的间隙，间隙一般为0.5～5.0mm。如图2、图3，芯轴5可以通过若干支撑环7固定在异形金属管8内部，支撑环7穿套在芯轴5与异形金属管8内壁之间，支撑环7周向设置有若干能够使磁流变液3通过的孔。异形金属管8直管段和弯管段外壁的线圈6分段独立设置，每组线圈6分别套设在直管段和弯管段外壁，每组线圈6分别与可调直流电源9连接。
使用时，异形金属管8、第一柱塞缸2-1和第二柱塞缸2-2的内部填充有包含非磁性磨料的磁流变液3。
本发明的异形金属管内壁抛光装置在工作时：
根据抛光精度要求配置包含非磁性磨料的磁流变液3并注入异形金属管8内部，非磁性磨料可以采用碳化硅，非磁性磨料在磁流变液3中的体积含量为30～40％；在异形金属管8外壁套装线圈6，线圈6连接有可调直流电源9；在异形金属管8两端管口处分别固定一套柱塞1和柱塞缸2；
可调直流电源9向线圈6输入电流，在异形金属管8内部形成磁场，磁流变液3在磁场的作用下在异形金属管8内壁形成抛光膜；根据异形金属管8直管段和弯管段内壁对粗糙度的不同要求，可以在直管段和弯管段设置相互独立的磁场，产生不同磁场强度的磁场，用以分别调节不同部位的切削力。通过控制异形金属管8两端管口处的柱塞1，使磁流变液3在异形金属管8内部流动，控制磁流变液3在异形金属管8内部匀速流动，流动的速度一般为0.1～50.0mm/s，非磁性磨料对异形金属管8内壁进行抛光。
下面以一个具体实施例对本发明进行进一步的解释和说明：
如图4、图5，本实施例中的异形金属管8为一个U型管，具有2个直管段和1个弯管段，异形金属管8内部放置聚氨酯材质的芯轴5，芯轴5外部套有第一支撑环7-1、第二支撑环7-2和第三支撑环7-3，第一支撑环7-1、第二支撑环7-2和第三支撑环7-3的外部与异形金属管8内壁接触，第一支撑环7-1、第二支撑环7-2和第三支撑环7-3的内孔与芯轴5直径相近，外圆与异形金属管8内径相近，中间有四个弧形孔。异型金属管8的两端分别通过第一夹具4-1、第二夹具4-2与第一柱塞缸2-1、第二柱塞缸2-2夹紧固定，第一柱塞1-1和第二柱塞1-2分别套装在第一柱塞缸2-1和第二柱塞缸2-2内部，异形金属管8内壁、第一柱塞缸2-1、第二柱塞缸2-2、第一夹具4-1、第二夹具4-2和芯轴5组成的内腔中填充包含非磁性磨料的磁流变液3。第一线圈6-1和第二线圈6-2套装在异形金属管8的直管段外壁，第三线圈6-3套装在异形金属管8的弯管段外壁。第一线圈6-1、第二线圈6-2和第三线圈6-3与可调直流电源9连接。
工作时，分为以下步骤：
1)根据抛光精度要求选择一定粒径的磁性粒子配置磁流变液3，在选择好的磁流变液3中加入磁流变液3体积35％的碳化硅；
2)将第一支撑环7-1、第二支撑环7-2和第三支撑环7-3套装在聚氨酯材质的芯轴5外部，然后插入异形金属管8内部，形成具有一定的间隙的内腔。用第一夹具4-1、第二夹具4-2连接异形金属管8的端部，并固定芯轴5；在异形金属管8外部套装第一线圈6-1、第二线圈6-2和第三线圈6-3，并将第一线圈6-1、第二线圈6-2和第三线圈6-3分别连接至可调直流电源9；
3)将第一柱塞缸2-1和第二柱塞缸2-2底部分别连接第一夹具4-1和第二夹具4-2并固定，向第一夹具4-1、第二夹具4-2、第一柱塞缸2-1和异形金属管8与芯轴5形成的间隙中填入配置好的磁流变液3；
4)根据对异形金属管8内壁粗糙度的要求，调节可调直流电源9，分别对第一线圈6-1、第二线圈6-2和第三线圈6-3输入一定的电流，使得异形金属管8直管段和弯管段部分的磁场达到一定强度，弯管段由于局部阻力较大，为了使异形金属管8工作时内部流体流通顺畅，因此弯管段内壁需要更加光洁，即需要更低的粗糙度值，在本实施例中，设置异形金属管8直管段内部的磁场强度为0.1T，弯管段内部的磁场强度为0.2T；
5)如图4，对第二柱塞1-2施加速度V1，同时对第一柱塞1-1施加力F1，保证第二柱塞1-2可以匀速向下运动，第一柱塞1-1匀速向上运动，此时磁流变液3通过芯轴5与异形金属管8内壁的间隙流入到第一柱塞缸2-1中；
6)如图5，对第一柱塞1-1施加速度V2，同时对第二柱塞1-2施加力F2，保证第一柱塞1-1可以匀速向下运动，第二柱塞1-2匀速向上运动，此时磁流变液3通过芯轴5与异形金属管8内壁的间隙流入到第二柱塞缸2-2中，实现一个挤压抛光过程；
7)重复步骤5)和步骤6)，完成多次挤压抛光过程；
8)在异形金属管8内壁达到抛光处理的要求后，卸下第一夹具4-1和第二夹具4-2，拆下第一柱塞缸2-1和第二柱塞缸2-2，从异形金属管8中倒出磁流变液3，取出芯轴5及第一支撑环7-1、第二支撑环7-2和第三支撑环7-3，清理异形金属管8内壁。
本领域技术人员能够明白，以上所述不仅仅局限于U形金属管还可对复杂形状的弯管内壁进行挤压抛光，U形金属管只是举例说明。本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种异形金属管内壁抛光的方法，其特征在于，包括：在异形金属管（8）内部同轴固定非磁性材质的芯轴（5），根据抛光精度要求配置包含磨料的磁流变液（3）并注入异形金属管（8）与芯轴（5）的间隙中，异形金属管（8）外壁套设线圈（6），通过可调直流电源（9）施加磁场以及调节磁场的强度，异形金属管（8）直管段和弯管段外壁的线圈（6）分段独立设置，能够调节磁场强度，进而获得不同部位的切削力；在异形金属管（8）内部不同区域施加强度不同的磁场，磁流变液（3）在磁场的作用下在异形金属管（8）内壁形成抛光膜，通过控制磁流变液（3）在异形金属管（8）内部往复挤压流动，磨料对异形金属管（8）内壁进行抛光；磨料在磁流变液（3）中的体积含量为30%~40%，磁流变液（3）在异形金属管（8）内部匀速流动，流动的速度为0.1~50.0mm/s。
2.根据权利要求1所述的异形金属管内壁抛光的方法，其特征在于，磨料为非磁性磨料。
3.根据权利要求2所述的异形金属管内壁抛光的方法，其特征在于，磨料为碳化硅。
4.一种实现权利要求 1~3任意一项所述的 异形金属管内壁抛光的方法的装置，其特征在于，包括第一柱塞（1-1）、第二柱塞（1-2）、第一柱塞缸（2-1）、第二柱塞缸（2-2）、线圈（6）和可调直流电源（9）；
异形金属管（8）内部同轴固定有芯轴（5），芯轴（5）的材质为高分子材料，芯轴（5）与异形金属管（8）之间存在周向相等的间隙；
第一柱塞缸（2-1）和第二柱塞缸（2-2）分别固定在异形金属管（8）的两端管口处，第一柱塞（1-1）与第一柱塞缸（2-1）连接，第二柱塞（1-2）与第二柱塞缸（2-2）连接；若干组线圈（6）分别套设在异形金属管（8）直管段和弯管段的外壁，每组线圈（6）分别与可调直流电源（9）连接
使用时，异形金属管（8）、第一柱塞缸（2-1）和第二柱塞缸（2-2）的内部填充有包含磨料的磁流变液（3）。
5.根据权利要求4所述的实现异形金属管内壁抛光的方法的装置，其特征在于，芯轴（5）通过若干支撑环（7）固定在异形金属管（8）内部，支撑环（7）穿套在芯轴（5）与异形金属管（8）内壁之间，支撑环（7）周向设置有若干能够使磁流变液（3）通过的孔。
6.根据权利要求4所述的实现异形金属管内壁抛光的方法的装置，其特征在于，芯轴（5）与异形金属管（8）之间的间隙为0.5~5.0mm。
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