CN113843663A

CN113843663A - 一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置及方法

Info

Publication number: CN113843663A
Application number: CN202111446327.8A
Authority: CN
Inventors: 王国清; 翟根旺; 张庆; 王志斌; 杨龙; 李硕; 刘延雷
Original assignee: Hebei Communications Investment Group Co ltd; Hengshui Hengfeng Yick Road Asphalt Science & Technology Co ltd
Current assignee: Hebei Communications Investment Group Co ltd; Hengshui Hengfeng Yick Road Asphalt Science & Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2021-12-28

Abstract

本发明公开了一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置及方法，方法如下：S1：选择磁性磨粒材料，使磁性磨粒对波导管内壁进行磁力研磨加工时不受电磁波的电场影响，只受到电磁波的磁场和外部磁极的磁场共同作用；S2：将待加工的波导管装夹在零件保持架上固定；S3：在波导管内加入磁性磨粒；S4：从波导管左端通入电磁波；S5：在波导管外侧旋转设置外部磁极，外部磁极在以波导管为轴心自转的同时沿波导管的轴向移动。本发明中，磁性磨粒在电磁波的磁场和外部磁极的磁场共同作用下对波导管内壁进行光整加工，相对于传统技术中仅靠外部磁极作用，使设备简化，降低了设备空间受限程度和成本，适用于磁力研磨技术领域。

Description

一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置及方法

技术领域

本发明属于磁力研磨技术领域，具体的说，涉及一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置及方法。

背景技术

近几十年来兴起的磁力研磨技术是一种比较有前景的光整加工技术，它具有高精度、高表面质量、低成本以及易于实现自动控制等优点。利用磁力研磨加工物流管道内表面可以克服传统加工方法的一些限制与不足，几乎可以对任何非导磁性材料表面进行加工，并获得优异的加工效果。使用磁力研磨可以方便的对单个微小零件表面进行加工，也可以对多个零件同时加工，能够在去除量比较小的情况下获得满意的表面质量。

波导管是用来传送超高频电磁波的传导工具，电磁波通过波导管可以以一定的损耗被传送到目的地，通过高频电磁波的作用，达到加热的效果，电磁加热是现在一种新型的绿色冶金方法，在现代工业及生活中被广泛应用。在电磁加热设备中，传统加工方式所制造的细长的波导管内表面粗糙度并不能全部满足工程需要，电磁波在波导管内传送过程中损耗较大，为进一步提高波导管内表面的加工质量，降低电磁波在传送过程中的损耗，目前，人们常利用磁力研磨技术，对波导管内表面进行超精细加工。

在对波导管内表面进行磁力研磨超精密加工时，通常在波导管内提前放入一定量的非磁性磨料，然后在波导管外设置永磁体，对非磁性磨料中的非磁性研磨粒子提供磁力吸引。非磁性研磨粒子在磁场中受永磁体提供的磁场力作用，沿磁力线方向有规律的排列，形成具有一定柔性的“磁力刷”，并对工件表面产生一定的压力，永磁体的磁极运动驱动“磁力刷”在波导管表面产生滑擦作用，从而实现对波导管表面的光整加工。国家标准规定，波导内表面粗糙度不大于3.2μm,对于大功率微波设备，减小波导内表面的粗糙度，可以显著降低电磁波在波导管内的传输损耗，从而减小功率损耗。但传统的磁力研磨加工设备相对复杂，若在空间限制比较大的情况下就会产生一些不便，非磁性研磨粒子所需的磁场力均由波导管外侧的永磁体提供，该加工设备结构相对复杂，体积较大，若在空间限制比较大的情况下就会产生一些不便，且设备投入成本较高。

发明内容

本发明提供一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，用于解决波导管在磁力研磨加工过程中，其内部非磁性研磨粒子所需的磁场力仅通过波导管外的永磁体提供，磁力加工设备结构相对复杂，体积较大，若在空间限制比较大的情况下就会产生一些不便，且设备投入成本较高的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工方法，包括步骤如下：

S1：选择磁性磨粒材料，使磁性磨粒对波导管内壁进行磁力研磨加工时不受电磁波的电场影响，只受到电磁波的磁场和外部磁极的磁场共同作用；

S2：将待加工的波导管装夹在零件保持架上固定；

S3：在波导管内加入磁性磨粒；

S4：从波导管左端通入电磁波，使波导管从左端向右端依次进行加工研磨；

S5：在波导管外侧旋转设置外部磁极，外部磁极在以波导管为轴心自转的同时沿波导管的轴向移动，使磁性磨粒在电磁波的磁场和外部磁极的磁场共同作用下沿波导管内壁做螺旋进给运动，以构成对波导管内壁的光整加工。

进一步的，所述步骤一中磁性磨粒的材料选择为非导电材质的三氧化二铝。

本发明还公开了一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，包括外箱体和用于装夹波导管的零件保持架，零件保持架固设于外箱体内部，外箱体内侧设有外传动框，外传动框通过第一驱动机构与外箱体转动连接，外传动框内侧通过磁极固定机构设有若干组外部磁极，磁极固定机构通过第二驱动机构与外传动框滑动连接。

进一步的，所述第一驱动机构包括第一电机，第一电机通过第一传动组件与外传动框相连，用于驱动外传动框内部的若干组外部磁极围绕波导管旋转。

进一步的，所述第一传动组件包括相互啮合的外啮合大齿轮和外啮合小齿轮，外啮合小齿轮与第一电机的输出轴同轴固连，外啮合大齿轮与外传动框同轴固连，外传动框通过轴承与外箱体转动连接。

进一步的，所述第二驱动机构包括第二电机，第二电机通过第二传动组件与外传动框相连，同时第二传动组件连接有磁极固定机构，外部磁极固设于磁极固定环机构上，并成对周向均匀布置于波导管外侧且不与其接触。

进一步的，所述第二传动组件包括滚珠丝杠副，滚珠丝杠副转动连接于外传动框内侧，并与第二电机的输出轴同轴固连，滚珠丝杠副通过滑块连接有磁极固定机构，滑块沿波导管轴线方向滑动连接与外传动框内侧。

进一步的，所述外部磁极数量为两组，两组外部磁极呈十字形状布置于波导管外侧且不与其接触。

进一步的，所述外传动框为圆桶状结构，磁极固定机构滑动连接于外传动框内侧。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

通过零件保持架将待加工的波导管固定，在波导管内加入磁性磨粒，并通入电磁波，波导管外侧设置旋转的外部磁极，磁性磨粒在电磁波的磁场和外部磁极的磁场共同作用下对波导管内壁进行光整加工，相对于传统技术中仅靠外部磁极作用使磁性磨粒对波导管内壁进行光整加工，需要体积较大的外部磁极提供较强的磁场，本发明提供的方法和装置，一部分磁场可通过电磁波提供，从一定程度上，在满足同样磁场强度的要求下，降低了外部磁极体积要求，从而降低了设备空间受限程度和成本，将磁力研磨加工设备简化，利用波导管传递的电磁波的磁场作为一部分磁力来加工工件，可以在不改变零件内表面加工质量的情况下节省较多空间，适用于磁力研磨技术领域。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明中磁极固定机构的结构示意图；

图3为本发明中波导管内表面加工质量随时间变换图；

图4为传统技术中只通过外部磁极进行磁性研磨后的波导管内表面质量图；

图5为本发明加工后的波导管内表面质量图。

标注部件：1-外啮合大齿轮，2-外啮合小齿轮，3-外传动框，4-外箱体，5-零件保持架，6-滚珠丝杠副，7-滑块，71-外部磁极，72-磁极固定环，73-锁紧螺母，8-固定螺母，9-波导管，91-磁性磨粒，10-第二电机，11-第一电机，12-轴承。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工方法，包括步骤如下：

S2：将待加工的波导管装夹在零件保持架上固定；

S3：在波导管内加入磁性磨粒；

对波导管内壁进行加工的时候，外部磁极越大磁场越大，能够提供的磁力也就越大。在保证不会破坏波导管加工表面的同时，磁力越大加工质量就越好，其原因是磁力大可以带动更多的磁性磨粒进行研磨加工。电磁波同时具有磁场和电场的性质，磁性磨粒如果同时收到磁场力和电场力的共同作用，就会对磁性磨粒的研磨加工产生影响。为了考虑不受电场干预，确保磁性磨粒只受到磁场力作用，特定选择非导电材质的磁性研磨颗粒三氧化二铝作为磁性磨粒材料，进行研磨加工。即，在本发明中，所述步骤一中磁性磨粒的材料选择为非导电材质的三氧化二铝。

在解决电磁波的电场影响问题，并讨论外部磁极的最佳转速的存在后，在工件内部加入需要加入非导电的磁性磨粒，避免电场的干扰，如

，保证加工的顺利进行。此外，我们也尽量保持工件内外的磁通量尽量相同，并初定内外磁通量的值为200T。电磁波具有方向不确定性，和不可控等问题。无法对内表面精细全面加工，此时还不能充分利用磁场，所以没有办法对一些矩形类的管件进行内表面加工，针对上面的问题，对工件外加装磁极固定机构，在波导管外壁设置和内部磁场对应的外部磁极安装在磁极固定机构的磁极固定环上，作为引导磁场到指定位置进行加工的介质，通过外部磁极的旋转以及由波导管传递的电磁波共同作用，使电磁波的磁场方向发生改变。

在确定磁场可以进行旋转运动后再来确定如何用精准的位移进行定位，进而引导外部磁极的永久磁铁到工件待加工部位进行加工。在加工过程中，磁极固定环旋转，带动外部磁极一起转动，使磁性磨粒在内外磁场作用力的相互作用下，作用于波导管的内表面，从而实现内表面的精密加工，提高内表面的表面质量。

磁力研磨波导管内表面的过程中，磁性磨粒在外部旋转磁场作用下压附在波导管内表面上，外部磁极沿波导管轴向移动时，磁性磨粒在波导管内表面上做螺旋运动，从而完成波导管内表面的光整加工。由磁性磨粒的受力分析可知，磁性磨粒在法向合力（即磁场力、离心力）作用下压附在管件内表面上，由于磁性磨粒的研磨硬度大于波导管材料的硬度，因此法向载荷会使磁性磨粒压入波导管表面，在管件内表面上形成压痕，从而改变表面的应力状态，并产生阻碍磁性磨粒运动的切向摩擦力；外部磁场旋转并沿波导管轴线移动为磁性磨粒提供了切向载荷，磁性磨粒切入波导管内表面并在切向载荷作用下如同刀具般在波导管内表面进行切削。磁性磨粒在切削过程中，切削作用的强弱与磁性磨粒的强度、硬度、形状、颗粒大小、切削位置、切削角度、磁场特性等工艺参数有关，磁力研磨之所以为微量切削正是由于磁性磨粒的形状及切削角度。磁性磨粒的形状极不规则，可把磁性磨粒比作刀具。在加工过程中，磁性磨粒沿磁力线形成磁粒刷，该磁粒刷为柔性刷，具有一定的刚性，若吃刀量较大，则切向摩擦力变大，形成磨粒刷的磁场保持力小于摩擦力时磁粒刷会发生断裂，因此加工过程中不会有较大的吃刀量。由于磁场的不均匀性，磁性磨粒不停的变换位置，其参与磨削的过程充满了随机性及不确定性，每个磁性磨粒都有参与磨削的可能，促进了磁性磨粒的更替，使得一定量的磁性磨粒可以维持很长的加工时间。

磁力研磨波导管内表面的过程中，磁性磨粒在外部旋转磁场作用下压附在波导管内表面上，外部磁极沿波导管轴向移动时，磁性磨粒在波导管内表面上做螺旋运动，从而完成波导管内表面的光整加工。由上述磁性磨粒的受力分析可知，磁性磨粒在法向合力（即磁场力、离心力）作用下压附在管件内表面上，由于磁性磨粒的研磨硬度大于波导管材料的硬度，因此法向载荷会使磁性磨粒压入波导管表面，在管件内表面上形成压痕，从而改变表面的应力状态，并产生阻碍磁性磨粒运动的切向摩擦力；外部磁场旋转并沿波导管轴线移动为磁性磨粒提供了切向载荷，磁性磨粒切入波导管内表面并在切向载荷作用下如同刀具般在波导管内表面进行切削，磁性磨粒的犁沟作用使波导管表面被剪切、犁皱及切削，产生磨痕，从而去除材料。

作为一个优选的实施例，在本发明中，电磁波发生装置采用的电压范围为0-100KW，电磁波的磁场强度取50KW。电磁波中的电场和磁场均是时间和空间的函数，其中电磁波中的电场和磁场为：

电场：

公式1

磁场：

公式2

其中E为电磁波中的电场，B为电磁波中的磁场，E₀为初始电场，B₀为初始磁场。

麦克斯韦方程组如下：

公式3

公式4

公式5

公式6

为真空磁导率值为

；

真空介电常数的数值为：

（近似值）。

由公式1-2和麦克斯韦方程组中的公式3-6得出电磁场满足的波动方程如下：

公式7

公式8

公式9

其中x,y,z为空间中两两垂直的三个方向。

和

可以理解成电场、磁场关于时间、空间的波动解，即电磁波,最简单的波动解—平面电磁波，该平面电磁波随时间变化的矢量电场

和磁场

如下：

公式10

公式11

其中δ为初始相位；ω为时间角频率；k空间角频率；t为时间；z为z轴反射波的负方向；

η为波阻抗；

为电场在y方向的基本电荷量，

为平面电磁波在x方向的平均量：

为平面电磁波在y方向的平均量。

由洛伦兹力公式可知，带电的点电荷q在电磁场中受到的电磁力为：

公式12

其中F是洛伦兹力；

，为带电粒子的电荷量；E是电场强度；v为点电荷的速度；B是磁感应强度。

电场与磁场的比值为波阻抗η

即

，

可以得出

。

由此可以得出每个三氧化二铝粒子所带的电磁力

，然后根据比例关系，可以得到磁场和产生的磁力为

。根据不同规格的波导管，投入相应量的三氧化二铝磨粒材料，来满足磁力研磨所需的磁场要求进行加工。波导管传输的电磁波的磁场与外部磁极相配合，达到提高波导管内表面的加工质量，以提高波导管的传输效率的目的。

本发明还公开了一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，如图1所示，包括外箱体4和用于装夹波导管9的零件保持架5，零件保持架5固设于外箱体4内部，外箱体4内侧设有外传动框3，外传动框3通过第一驱动机构与外箱体4转动连接，外传动框3内侧通过磁极固定机构设有若干组外部磁极71，磁极固定机构通过第二驱动机构与外传动框3滑动连接。

本发明的有益效果在于：通过零件保持架5将待加工的波导管9固定，在波导管9内加入磁性磨粒91，并通入电磁波，波导管9外侧设置旋转的外部磁极71，磁性磨粒91在电磁波的磁场和外部磁极71的磁场共同作用下对波导管9内壁进行光整加工，相对于传统技术中仅靠外部磁极71作用使磁性磨粒91对波导管9内壁进行光整加工，需要体积较大的外部磁极71提供较强的磁场，本发明提供的方法和装置，一部分磁场可通过电磁波提供，从一定程度上，在满足同样磁场强度的要求下，降低了外部磁极71体积要求，因为磁极体积和所能提供的磁场相对应，从而降低了设备空间受限程度和成本，将磁力研磨加工设备简化，利用波导管9传递的电磁波的磁场作为一部分磁力来源加工工件，可以在不改变零件内表面加工质量的情况下节省较多空间。

作为一个优选的实施例，如图1所示，所述第一驱动机构包括第一电机11，第一电机11通过第一传动组件与外传动框3相连，用于驱动外传动框3内部的若干组外部磁极71围绕波导管9旋转。所述第一传动组件包括相互啮合的外啮合大齿轮1和外啮合小齿轮2，外啮合小齿轮2与第一电机11的输出轴同轴固连，外啮合大齿轮1与外传动框3同轴固连，外传动框3通过轴承12与外箱体4转动连接。第一电机11固设于外箱体4上，第一电机11通过相互啮合的两齿轮带动外传动框3旋转，从而使外传动框3内设置的外部磁极71围绕波导管9旋转，为磁性研磨提供旋转磁场。

进一步的，所述第二驱动机构包括第二电机10，第二电机10通过第二传动组件与外传动框3相连，同时第二传动组件连接有磁极固定机构，外部磁极71固设于磁极固定机构上，并成对周向均匀布置于波导管9外侧且不与其接触。进一步的，所述第二传动组件包括滚珠丝杠副6，滚珠丝杠副6转动连接于外传动框3内侧，并与第二电机10的输出轴同轴固连，滚珠丝杠副6通过滑块7连接有磁极固定机构，滑块7沿波导管9轴线方向滑动连接于外传动框内侧。若干组外部磁极71固设于磁极固定机构上，并成对周向均匀布置在波导管9外侧，且不与其接触，通过第二电机10带动滚珠丝杠副6旋转，从而带动滑块7和磁极固定机构沿波导管9轴线方向左右移动，进而使磁极固定机构上的外部磁极71为磁性研磨提供轴向进给磁场，实现提供旋转磁场和轴向进给磁场，带动磁性磨料螺旋前进对波导管9内壁进行光整加工。

作为一个优选的实施例，如图2所示，所述外部磁极71数量为两组，两组外部磁极71呈十字形状布置于波导管9外侧且不与其接触。外传动框3为圆桶状结构，磁极固定机构滑动连接于外传动框3内侧。磁极固定机构包括环状结构的磁极固定环72，两组外部磁极71通过锁紧螺母73固设于磁极固定环72上，磁极固定环72通过滑块7滑动连接于外传动框3内侧，外传动框3内侧设有与滑块7适配的滑道或者滑轨。

磁力研磨光整加工波导管内表面，在波导管外圆周方向间隔90°放置四个外部磁极形成外部磁场，外部磁场产生的磁力线可以像 X 射线一样穿透波导管管壁，磁性磨粒在磁场力作用下被磁化，并沿磁力线的方向形成“磨粒刷”仿形压附在波导管内表面上。加工时，波导管固定，外部磁极旋转并沿波导管轴线往复移动，磁性磨粒在磁场力和离心力的共同作用下压附在管件内表面，并随着外部磁极的运动在管件内表面上滑擦、切削，完成对材料的微量去除，从而解决难加工表面微裂纹、凹坑、凸起等表面质量问题。可以看出，与波导管内表面直接接触的是磁性磨粒，外部磁极并不与工件表面直接接触，而且为方便作为外部磁极的永久磁铁沿波导管轴线移动，外部磁极与波导管外表面之间留有一定的间隙以防止永久磁铁移动过程中与管件发生碰撞而损坏管件表面。正是磁力研磨加工的此种性质使它很容易实现自动化生产，具有巨大的实际应用价值。

加工过程中存在最佳外部磁极转速，当外部磁极转速小于最佳转速时，离心力较小，因此研磨压力不足，导致材料去除量降低，研磨效率不理想。若磁极转速过大，磁性磨粒及研磨液所受到的离心力会相应增大，研磨压力随之增大，当研磨压力过大时，会在表面产生较深的加工纹理。

图 3所示为不同外部磁极转速下，工件的表面粗糙度值随加工时间的变化曲线。加工的前10min时间内，不同磁极转速下工件表面粗糙度值下降都很快，而且变化值相差不大，这是工件表面的波峰处距离磁极较近、磁感应强度较大，因此磁性磨粒作用于波峰处的研磨压力较大，材料被优先去除且去除量较大，但随着加工的持续进行，波峰被逐渐的磨平，顶部成为微小的平台，需要去除的材料增多，因此粗糙度值的下降较为缓慢。而磁极旋转可以增大磁性磨粒的离心力，使研磨压力增大、摩擦力增大，并且在相同加工时间内磁性磨粒对工件内表面的切削频率增加，因此磁极旋转时工件的材料去除量增多，加工效率提高。

故本发明中，外部磁极转速范围设置在2000r/min，加工时间设置在40min-60min。

通过本发明电磁波的磁场和外部磁极的磁场相配合研磨加工后的波导管内表面加工质量如图5所示，通过同样规格大小的外部磁极按传统技术及其设备研磨加工后的波导管内表面质量如图4所示，通过对比可知，采用本发明提供的方法与设备，在降低设备体积及成本的同时，进一步提高了工件表面的加工质量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims

1.一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工方法，其特征在于：包括步骤如下：

S2：将待加工的波导管装夹在零件保持架上固定；

S3：在波导管内加入磁性磨粒；

2.根据权利要求1所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工方法，其特征在于：所述步骤一中磁性磨粒的材料选择为非导电材质的三氧化二铝。

3.一种基于权利要求1所述的新型波导管内壁磁力研磨超精密加工方法的装置，其特征在于：包括外箱体和用于装夹波导管的零件保持架，零件保持架固设于外箱体内部，外箱体内侧设有外传动框，外传动框通过第一驱动机构与外箱体转动连接，外传动框内侧通过磁极固定机构设有若干组外部磁极，磁极固定机构通过第二驱动机构与外传动框滑动连接。

4.根据权利要求3所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，其特征在于：所述第一驱动机构包括第一电机，第一电机通过第一传动组件与外传动框相连，用于驱动外传动框内部的若干组外部磁极围绕波导管旋转。

5.根据权利要求4所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，其特征在于：所述第一传动组件包括相互啮合的外啮合大齿轮和外啮合小齿轮，外啮合小齿轮与第一电机的输出轴同轴固连，外啮合大齿轮与外传动框同轴固连，外传动框通过轴承与外箱体转动连接。

6.根据权利要求3所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，其特征在于：所述第二驱动机构包括第二电机，第二电机通过第二传动组件与外传动框相连，同时第二传动组件连接有磁极固定机构，外部磁极固设于磁极固定机构上，并成对周向均匀布置于波导管外侧且不与其接触。

7.根据权利要求6所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，其特征在于：所述第二传动组件包括滚珠丝杠副，滚珠丝杠副转动连接于外传动框内侧，并与第二电机的输出轴同轴固连，滚珠丝杠副通过滑块连接有磁极固定机构，滑块沿波导管轴线方向滑动连接与外传动框内侧。

8.根据权利要求6所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，其特征在于：所述外部磁极数量为两组，两组外部磁极呈十字形状布置于波导管外侧且不与其接触。

9.根据权利要求6所述的一种新型波导管内壁磁力研磨超精密加工装置，其特征在于：所述外传动框为圆桶状结构，磁极固定机构滑动连接于外传动框内侧。