CN111823064B - 一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置与方法 - Google Patents

一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置与方法，属于精密制造领域。减速电机与铝合金型材框架固定连接，减速电机输出轴通过联轴器与传动轴固定连接，传动轴由上深沟球轴承和下深沟球轴承固定，Z向外转子模块与传动轴上端固连，容器模块与铝合金型材框架上部固定连接，容器模块的抛光液容器位于Z向外转子模块中，抛光工具放置在抛光液容器中。优点是实现了对复杂曲面内腔的抛光，外转子模块结构的设计，将减速电机所产生的磁场对抛光工具的影响降低，进一步提高抛光精度；精密升降台控制抛光工具与工件的距离，使抛光液的流速以及抛光工具对工件的压力精确可调，因此其应用范围十分广泛。

Description

一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置与方法
技术领域
本发明属于精密制造领域，尤其涉及一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置与方法，用于对内腔表面为复杂曲面且深宽比较大的工件进行抛光，为非规则形状的弯管内腔、微细管内腔、铝合金内腔的抛光提出了新的抛光手段。
背景技术
随着先进制造技术的发展，超精密抛光技术已经成为国家发展高端精密仪器设备制造的关键技术。超精密抛光技术涉及到航天、医疗器械、汽车配件、精密模具等现代重要制造领域，其本身作为超精密加工的关键步骤，是零件表面质量得到保证的基础。
目前，对于工件表面的超精密抛光机技术已经有了很多种加工方法，包括磁流变液体、微型磨粒、和离子束等加工方法。但是在工件内腔抛光中，由于受到形状和空间的限制，抛光技术依旧有很大的挑战。如文献《Study on Magnetic Abrasive Finishing》提出了一种磁力研磨方法对氮化硅管内壁抛光装置和方法，文章实现了对于直管内壁的抛光，但是对于复杂的管状结构内壁抛光并不均匀，磁性磨粒对于弯折处内壁压力不同，无法达到抛光效果。文献《Magnetorheological(MR)Jet Finishing Technology》提出了一种通过磁射流抛光方法，通过喷嘴射出的高速抛光液对工件内腔进行精密加工，可以对镜片及单晶体进行抛光，但对于深宽比较大的光学元件进行抛光时，由于喷头无法深入到具体抛光位置，对于转角较大的内腔部分难以达到抛光效果。
现代应用磁场作为发生装置的磁场源主要有三大类型：电磁线圈、电磁铁及永磁体。利用电磁线圈产生的动态磁场主要是由亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场和由麦克斯韦线圈产生的均匀磁场，如文献《Robust electromagnetic control of microrobots underforce and localization uncertainties》提出了一种通过电磁场对微型机器人进行调姿的方法，实现了对微型机器人的形态和运动的控制，但由于电磁场的限制，其产生的磁场空间较小，微型机器人移动空间较小。利用单一永磁铁实现控制时，其产生磁场磁场强度大能对被操作对象有稳定的控制，如文献《Control of Untethered Magnetically ActuatedTools using a Rotating Permanent Magnet in any Position》提出了一种通过旋转的永磁体形成的旋转磁场带动工具转动的方法，从其实验流程中可发现，所操纵的永磁体可以紧贴工件表面稳定高速转动，但由于只有单自由度的控制，无其他自由度的约束，工具只能保证贴合工件表面旋转，无法实现完全的悬浮旋转。
发明内容
本发明提供一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置与方法，以实现对于深宽比较大的弯管、微细管、内腔为复杂曲面的铝合金材料的精密抛光。通过悬浮在工件内部的抛光工具的高速旋转，使得抛光液产生涡旋流，其中的磁性磨粒通过可控可调的压力对于工件内腔进行定点抛光，为工件内腔的精密加工提供了一种新技术手段。
本发明采取的技术方案是：减速电机与铝合金型材框架固定连接，减速电机输出轴通过联轴器与传动轴固定连接，传动轴由上深沟球轴承和下深沟球轴承固定，Z向外转子模块与传动轴上端固连，容器模块与铝合金型材框架上部固定连接，容器模块的抛光液容器位于Z向外转子模块中，抛光工具放置在抛光液容器中。
所述容器模块包括精密升降台、抛光液容器，其中抛光液容器与精密升降台固定连接。
所述抛光工具结构是：外部为梭状外壳，内部固定一个径向充磁的圆柱形永磁体。
所述的Z向外转子模块包括正八面体隔离罩、八块牵引永磁钢板和一块升力永磁钢板，其中八块牵引永磁钢板以Z向为轴成正八面体布置、且与正八面体隔离罩内侧固定连接，充磁方向分别与相接触的隔离罩内侧面垂直，一块升力永磁钢板布置在隔离罩底部中心、且与其固定连接，充磁方向与抛光工具充磁方向同向，八块牵引永磁钢板和一块升力永磁钢板大小相同，构成内部磁场。
所述上深沟球轴承通过上轴承座限位板与铝型材框架连接。
所述下深沟球轴承通过下轴承座限位板与铝型材框架连接。
一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光方法，包括下列步骤：
(1)、将抛光液放入抛光液容器中，抛光液中含有磁性磨粒，将抛光工具至于稳态状态下的抛光液容器中，使其悬浮在抛光液中，将工件套在抛光工具外面，使待抛光点处在抛光工具的Z向正下方，并用夹具固定在抛光液容器中；
(2)减速电机通电，设定好转速比后，启动减速电机，减速电机梯度加速，通过联轴器使得传动轴沿Z向转动，带动外转子模块高速旋转，磁场的不断旋转使得抛光工具高速旋转，带动抛光液产生涡旋；
(3)抛光液中的磁性磨粒沿涡旋流不断冲刷工件表面，分时段调整精密升降台的高度，使得抛光液涡旋对于工件表面的压力改变，对工件进行分时段梯度材料去除；
(4)对第一个抛光点加工完成后，调整夹具位置，使下一个抛光点置于抛光工具的Z向正下方，重复上述步骤，直至完成所有抛光点的加工去除，抛光结束后关闭减速电机，取出工件。
本发明的有益效果在于：实现了对复杂曲面内腔、传统抛光头难以到达固定抛光点的工件内腔表面的抛光，外转子模块结构的设计，将减速电机所产生的磁场对抛光工具的影响降低，进一步提高抛光精度；精密升降台控制抛光工具与工件的距离，使抛光液的流速以及抛光工具对工件的压力精确可调；永磁体磁场布置新颖，使抛光工具在工件内腔中悬浮并转动稳定。该装置与方法不仅实现了对复杂曲面内腔的精密抛光，同时提出了对于深宽比较大的工件内腔的抛光方法，达到了对于工件的无接触精密抛光，突破了在精密加工领域的一些盲区，因此其应用范围十分广泛。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明去掉铝型材框架的立体图；
图4是本发明Z向外转子模块的结构示意图；
图5是本发明正八面体隔离罩的结构示意图；
图6是本发明Z向外转子模块中永磁钢板布置的俯视图；
图7是本发明抛光工具的剖视图；
图8是为本发明的容器模块的结构示意图；
图中：容器模块1、抛光液2、抛光工具3、4Z向外转子模块、传动轴5、上深沟球轴承6、上轴承座限位板7、下深沟球轴承8、下轴承座限位板9、联轴器10、减速电机11、铝型材框架12、精密升降台101、抛光液容器102、梭形外壳301、圆柱形永磁体302、正八面体隔离罩401、牵引永磁钢板402、升力永磁钢板403。
具体实施方式
参见图1至图6，减速电机11与铝合金型材框架12固定连接，减速电机11输出轴通过联轴器10与传动轴5固定连接，传动轴5由上深沟球轴承6和下深沟球轴承8固定，Z向外转子模块4与传动轴5上端固连，减速电机11通过传动轴5带动Z向外转子模块4高速旋转，操控工件内腔的抛光工具3在抛光液2中悬浮并沿z向高速旋转，使抛光液2产生涡旋，容器模块1与铝合金型材框架12上部固定连接，容器模块1的抛光液容器102位于Z向外转子模块4中，抛光工具3放置在抛光液容器102中。
所述容器模块1包括精密升降台101、抛光液容器102，其中抛光液容器102与精密升降台101固定连接，精密升降台101可带动抛光液容器102Z向升降，控制抛光工具3与工件间的Z向距离，从而调整抛光液2产生的涡旋流对待抛光工件内表面的压力。
所述抛光工具3结构是：外部为梭状外壳301，内部固定一个径向充磁的圆柱形永磁体302，梭型的外壳为抛光工具高速旋转的加工过程保证了一定的同轴度，降低了外部抛光液2作用在抛光工具3上的阻力导致的不规则振动。
所述的Z向外转子模块4包括正八面体隔离罩401、八块牵引永磁钢板402和一块升力永磁钢板403，其中八块牵引永磁钢板402以Z向为轴成正八面体布置、且与正八面体隔离罩401内侧固定连接，充磁方向分别与相接触的隔离罩401内侧面垂直，一块升力永磁钢板403布置在隔离罩401底部中心、且与其固定连接，充磁方向与抛光工具3充磁方向同向，八块牵引永磁钢板402和一块升力永磁钢板403大小相同，构成内部磁场。
所述上深沟球轴承6通过上轴承座限位板7与铝型材框架12连接。
所述下深沟球轴承8通过下轴承座限位板9与铝型材框架12连接。
上轴承座限位板7和下轴承座限位板9分别内嵌轴承座。
抛光液2中含有磁性磨粒，抛光工具3的旋转使抛光液2产生持续转动的涡旋，作用在工件内腔，以不同的压力高速冲刷工件内腔表面。
本发明针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光方法，利用磁场遥操作的方法，实现对于拥有复杂内腔结构的工件的精密精密，通过磁场带动含有磁性磨粒的抛光液对工件内表面不断冲刷，包括以下步骤：
(1)、将抛光液2放入抛光液容器102中，抛光液2中含有磁性磨粒，将抛光工具3至于稳态状态下的抛光液容器102中，使其悬浮在抛光液2中，将工件套在抛光工具外面，使待抛光点处在抛光工具3的Z向正下方，并用夹具固定在抛光液容器102中；
(2)减速电机11通电，设定好转速比后，启动减速电机11，减速电机11梯度加速，通过联轴器10使得传动轴5沿Z向转动，带动外转子模块4高速旋转，磁场的不断旋转使得抛光工具3高速旋转，带动抛光液2产生涡旋；
(3)抛光液2中的磁性磨粒沿涡旋流不断冲刷工件表面，分时段调整精密升降台101的高度，使得抛光液2涡旋对于工件表面的压力改变，对工件进行分时段梯度材料去除；
(4)对第一个抛光点加工完成后，调整夹具位置，使下一个抛光点置于抛光工具3的Z向正下方，重复上述步骤，直至完成所有抛光点的加工去除，抛光结束后关闭减速电机11，取出工件。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：减速电机与铝合金型材框架固定连接，减速电机输出轴通过联轴器与传动轴固定连接，传动轴由上深沟球轴承和下深沟球轴承固定，Z向外转子模块与传动轴上端固连，容器模块与铝合金型材框架上部固定连接，容器模块的抛光液容器位于Z向外转子模块中，抛光工具放置在抛光液容器中；
所述抛光工具结构是：外部为梭状外壳，内部固定一个径向充磁的圆柱形永磁体；
所述的Z向外转子模块包括正八面体隔离罩、八块牵引永磁钢板和一块升力永磁钢板，其中八块牵引永磁钢板以Z向为轴成正八面体布置、且与正八面体隔离罩内侧固定连接，充磁方向分别与相接触的隔离罩内侧面垂直，一块升力永磁钢板布置在隔离罩底部中心、且与其固定连接，充磁方向与抛光工具充磁方向同向，八块牵引永磁钢板和一块升力永磁钢板大小相同，构成内部磁场。
2.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述容器模块包括精密升降台、抛光液容器，其中抛光液容器与精密升降台固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述上深沟球轴承通过上轴承座限位板与铝型材框架连接。
4.根据权利要求1所述的一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光装置，其特征在于：所述下深沟球轴承通过下轴承座限位板与铝型材框架连接。
5.一种针对复杂曲面内腔的磁场遥操纵涡旋抛光方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)、将抛光液放入抛光液容器中，抛光液中含有磁性磨粒，将抛光工具至于稳态状态下的抛光液容器中，使其悬浮在抛光液中，将工件套在抛光工具外面，使待抛光点处在抛光工具的Z向正下方，并用夹具固定在抛光液容器中；
(2)减速电机通电，设定好转速比后，启动减速电机，减速电机梯度加速，通过联轴器使得传动轴沿Z向转动，带动外转子模块高速旋转，磁场的不断旋转使得抛光工具高速旋转，带动抛光液产生涡旋；
(3)抛光液中的磁性磨粒沿涡旋流不断冲刷工件表面，分时段调整精密升降台的高度，使得抛光液涡旋对于工件表面的压力改变，对工件进行分时段梯度材料去除；
(4)对第一个抛光点加工完成后，调整夹具位置，使下一个抛光点置于抛光工具的Z向正下方，重复上述步骤，直至完成所有抛光点的加工去除，抛光结束后关闭减速电机，取出工件。
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