CN203650138U - 一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，其特征在于，包括芯棒、下盖板、陶瓷管件、中模套管、上盖板、螺纹端板、内螺纹、外螺纹、上磁料口、抛光面、下磁料口、磁流变液、内线圈绕组和外线圈绕组；其装配顺序为芯棒，下盖板，多个陶瓷管件，中模套管，上盖板，螺纹端板；所述的内线圈绕组置于所述芯棒的夹套中，所述的外线圈绕组置于中模套管的外侧；所述的芯棒一端带有圆形档板，另一端带有外螺纹；所述的外螺纹与螺纹端板上的内螺纹相匹配；所述的螺纹端板为一环状内螺纹件，用于固定整体磁抛装置；本实用新型使用流体磁流变液抛光方法，可批量抛光，操作简单、劳动强度低、生产效率高、产品精度与品质高。

Description

一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置

技术领域

本实用新型涉及超硬耐磨陶瓷材料抛光技术领域，具体涉及一种陶瓷管或轮的外径抛光工装，特别涉及一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置。

背景技术

现代技术的发展日新月移，对硬质陶瓷零部件的表面质量要求越来越高，制造企业在陶瓷制品的表面研磨抛光工艺与装备在不断改进，原因在于硬质耐磨成型产品的表面质量不仅使工件更美观，而且能够增强耐腐蚀性和耐磨性，减少运转阻力，降低了由于局部过载而产生裂纹和脱落的危险等。为了获得镜面级陶瓷零部件表面，后续的抛光整形加工方法与技术成为必不可少的重要工艺。

磁流变抛光技术是一种新型的零件研磨抛光加工方法，其将电磁学、流体动力学、分析化学理论相结合，利用磁流变抛光液在磁场中的固液相相互转化的特性，通过控制外磁场对磁流变抛光液的剪切屈服应力和局部形状来进行实时控制，创造一个能够与被加工零部件表面相吻合的柔性抛光模，实现对陶瓷零部件等结构材料的研磨、抛光修整加工。这种技术具有去除函数稳定，亚表面损伤小，抛光精度高等显著优点。

目前国内有不少研究所对其进行了研究，如清华大学（中国专利03153996.3，发明名称：电磁方式磁流变抛光头）、西安工业大学（中国专利200610043079.1，发明名称：磁流变柔性精磨抛光设备和方法）、国防科技大学（中国专利200810030898.1，发明名称：用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置）、厦门大学（中国专利200610037426.X，发明名称：参数可调式磁流变抛光轮）。现有的磁流变抛光技术存在共同的缺点：1）抛光接触区域中的抛光痕迹为有序的条纹状，增大了工件表面粗糙度；2）对于零部件中管件内表面的抛光缺少有效的技术手段。

硬质陶瓷管件类的内孔抛光能够增强耐腐蚀性和耐磨性，减少运转阻力，降低了由于局部过载而产生裂纹和脱落的危险等。为了获得镜面级陶瓷零部件表面，后续的抛光整形加工方法与技术成为必不可少的重要工艺；目前陶瓷管内孔的抛光主要由手工操作和机械抛光完成，不仅效率低（用时约占整个零部件制造时间的40%-50%），劳动强度大，而且难于保证形面精度和稳定的抛光品质。鉴于现有抛光方式效率低、质量低和成本高等方面的缺点，研究针对陶瓷管内孔抛光的高效、高表面质量批量抛光方法及装置，对于提高超硬耐磨陶瓷管件的制造效率和质量具有重要的意义。

现有技术中，常用机械抛光方法及装置有抛光轮、抛光轴和抛光砂轮、超声抛光、超声波-电化学抛光等，劳动强度大，抛光效率低；零部件表面的形面精度和稳定的抛光品质等缺陷。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，针对磁流变技术在陶瓷管件外表面磁抛装置的不足，采用磁流变液和内、外线圈绕组磁场变换技术，使磁流变液在内电场与外电场的不同变换频率、不同导通方向、不同强度的可控调节过程中，在陶瓷管件的外表面形成各种流向变化的磁性粘滞区域或磁性粘滞环带，通过设计研磨与磁抛装置，使用特定磁流变液作为抛光媒介，多角度、多流向实现超硬耐磨零部件外表面的批量研磨与抛光，从而解决了现有方法和技术复杂与高成本问题；降低了劳动强度，提高了抛光精度和成品质量。

陶瓷管件的外表面研磨与抛光，相对于陶瓷管件内表面的磁流变研磨与抛光来说，要复杂得多；原因是磁流变液的研磨抛光机理决定的，在对陶瓷管内表面研磨抛光时，单磁场就可以实现直线形磁力线变化磁场，磁流变液中的磁性粒子集中在陶瓷管件的中心形成流动磁柱状态变形体，造成研磨料粒子黏度增加，并形成附着于陶瓷管内表面的研磨与抛光层，从而实现了对陶瓷管内表面的研磨与抛光作用；而对于研磨抛光陶瓷管外表面而言，难度就在于如何造成磁流变液中的磁性粒子变形层在陶瓷外表面的径向外侧形成，以便能够使非磁性研磨与抛光粒子提高黏度后集中聚集在陶瓷管件的径向内侧表，即待研磨与抛光面上，为此需要设置双重内外结构的线圈绕组，实施双重线圈绕组的不同频率、不同变化方式的磁场，用来改变磁流变液中磁性粒子的聚集与分散方式，从而实现对陶瓷管件外表面的研磨与抛光功能。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，包括芯棒、下盖板、陶瓷管件、中模套管、上盖板、螺纹端板、内螺纹、外螺纹、上磁料口、抛光面、下磁料口、磁流变液、内线圈绕组和外线圈绕组，其特征在于：

所述的陶瓷管外表面磁流变抛光装置，简称磁抛装置，其装配顺序为芯棒，下盖板，多个陶瓷管件，中模套管，上盖板，螺纹端板；所述的陶瓷管件是待抛光的陶瓷零部件，其数量可装入多个并充满中模套管为止，所述中模套管的长度决定了待抛光陶瓷零部件的批量；所述的芯棒一端带有圆形档板，另一端带有外螺纹；所述的外螺纹与螺纹端板上的内螺纹相匹配；所述的螺纹端板为一环状内螺纹件，用于固定整体磁抛装置。

所述的芯棒设置有夹套结构，所述的夹套内设置有内线圈绕组，所述的内线圈绕组通过内绕组引线将导线引出并与控制系统相连；所述的内线圈绕组以变换的电场方式进行工作，造成高涉度的电场变化、强度变化，由此使得陶瓷管件外表面形成变换的电场，间歇方式改变磁流变液的局部特性，使陶瓷管件的外表面形成众多环状的磁性粒子波和非磁性粒子波交替形式的磁流变液，在外线圈绕组的低频率电场方向和强度变化配合之下，形成总体单向，局部环状，沿某一方向运动的交替形波纹，当外部线圈绕组改变方向时，环状交替波纹也随之改变运动方向中，由此，使磁流变液中的磁性粒子与非磁性研磨抛光粒子以交替的环状波形，沿着陶瓷管件的外表面进行运动，从而实现对陶瓷管件外表面的研磨与抛光作用。

所述的上盖板与所述的下盖板结构完全相同，分别装配在所述的中模套管的上、下两端，所述的上盖板和所述的下盖板外侧设置有圆形凸台，用于与磁流变液压送设备密封对接；所述的上盖板和所述的下盖板内侧设置有圆形凹台，所述的凹台直径与中模套管外径匹配，所述的上盖板和所述的下盖板设置有沿圆周分布的上磁料口和下磁料口，所述的上磁料口与下磁料口为圆形通孔，均匀分布在中模套管内侧面与陶瓷管件外表面所限定的区域内，所述磁料口的孔径略大于磁流变液通道宽度；所述的磁料口的位置为所述的陶瓷管件外径与中模套管内径之间所形成的圆环上，此圆环空间是磁流变液流动通道，通过磁流变液的流动磨擦作用，实施对陶瓷管件外表面的抛光。

所述中模套管为一管状结构模件，其外径与上盖板和下盖板尺寸匹配，其内径与上磁料口和下磁料口外边缘线匹配，长度模量与陶瓷管件的尺寸匹配；所述的中模套管外侧为一夹层结构，其夹层中设置有外线圈绕组，所述的外线圈绕组通过外绕组引线与控制系统连接；外线圈绕组主要控制磁流变液的整体磁性粒子状态，控制磁流变液的径向分布层，低频率改变磁场方向，也就是控制环形交替变化的磁性粒子与非磁性粒子的总运动方向。至此形成了磁流变液压力输送流动力、外线圈绕组作用形成的磁性粒子与非磁性粒子径向层、内线圈绕组高频变化形成的环状交替粒子波，这种输送方向、输送驱动力、磁粒子径向分层增黏力、局部环状磁性与非磁必粒子波的多驱力多磨力多方向运动，获得了对陶瓷管件外表面的优良研磨与抛光效果。

所述的磁抛装置，装配完成后，安装到磁流变液压送设备上，上盖板和下盖板分别与压送设备接口密封对接，通过磁流变液压送设备将磁流变液在一定压力下，以确定的速度压送进入磁料口，在内线圈绕组和外线圈绕组的配合交变电场和磁场作用下，在磁抛装置中来回压送磁流变液，直到对批量陶瓷管件外表面抛光附合要求为止，所述的磁流变液压送的压力与压送的速度可控，压送磁流变液的方向可控，内线圈绕组与外线圈绕组的变化频率、变化方向可控。所述的磁流变液压送流动路径是：

方向1：磁料仓A、磁料管道A、下磁料口、中模套管与陶瓷管件外表面形成的环腔、受到内线圈绕组和外线圈绕组的交变电场磁场作用，上磁料口、磁料管道B、磁料仓B；

方向2：磁料仓B、磁料管道B、上磁料口、中模套管与陶瓷管件外表面形成的环腔、受到内线圈绕组和外线圈绕组的交变电场磁场作用，下磁料口、磁料管道A、磁料仓A；

所述的磁流变液的组成、配比与特征：所述的磁流变液由磁性粒子、载液和添加剂组成。

所述磁性粒子：Fe₃0₄,Fe₃N,Co,Ni，铁钴合金，纯铁粉和碳基铁粉等微粒；其中的一种或几种的混合物；磁性颗粒的直径为0.2--90μm，典型值为3--5μm。所述的磁性粒子中磁饱和度最大的微粒是铁钴合金，它的磁饱和度能达到2.4T；最多的微粒是纯铁粉和碳基铁粉，它们的磁饱和度约为2.1T；其他金属、合金以及氧化物的磁饱和度都要比铁粉的磁饱和度低。

所述载液：非磁性液体基载液主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇中的一种或几种的混合物；所述的载液要求确保颗粒的悬浮稳定性，并增加整个磁流变液的流变学性质，一般需要使用添加剂，如加入各种表面活性剂(如油酸)或保护性胶体物质(如硅胶、硅氧化物等)，防止磁性颗粒沉淀及不可逆转的海绵状絮凝困。

所述添加剂：添加剂包括分散剂和防沉降剂等，其作用主要是改善磁流变液的沉降稳定性、再分散性、零场黏度和剪切屈服强度。

所述分散剂为：油酸及油酸盐、环烷酸盐、磺酸盐(或酯)、磷酸盐(或酯)、硬脂酸及其盐、单油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。

所述防沉降剂为：高分子聚合物、亲水的硅树脂低聚物（如硅烷偶连剂）、有机金属硅共聚物、超细无定形硅胶以及有机黏土和含氢键的低聚物等。

所述磁流变液：其母液的密度一般为1g/cm³左右，而悬浮颗粒的密度为7-8g/cm³，由于磁性颗粒的密度远远大于母液的密度而造成的磁性颗粒的沉降一直是很难解决的问题之一。此外，悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米，比表面积大，也容易团聚而沉降。所以采用最为有效的方法添加不同类型的表面活性剂来解决此问题，一般是亲油基和亲水基这两种性质不同的结构组成的低聚物，它的亲水基可以吸附在磁性颗粒的表面，而亲油基像“鞭梢”一样扩散在母液当中。磁性颗粒吸附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢”相互缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会;另一方面会在母液内部形成一个相互作用的三维骨架，从而降低由于颗粒与母液的密度差而造成的颗粒沉降。

所述磁流变液的特征是：

1.黏度：当施加一定磁场时，磁流变液的表观粘度陡然增大两个数量级以上，液体渐渐缺乏流动性，当撤去外磁场时，又可变成流动的液体。

2.屈服剪应力磁流变液在磁场作用下固化后可以承受机械力。像其他固体材料一样，使磁流变液发生破坏的应力称为屈服应力，此时微粒链断裂，材料开始流动。在220kA/m时可达100kPa，通常在40---90KPa。

3.温度范围与高强度的屈服应力同等重要的是，磁流变液的工作温度范围较宽，它能在-30---180℃的范围内工作。

4.响应时间：磁流变液的响应时间为毫秒数量级。例如一个磁流变液，施加外磁场后，在5---15m s内可以达到流变平衡。磁场产生的速度是影响响应时间的关键因素。

所述的磁流变液具有如下特点:①零磁场粘度低，在磁场作用下同等剪切屈服强度增长时具有更宽的调节范围;②强磁场下剪切屈服强度高，至少可达到30kPa以上，这是衡量磁流变液性能的主要指标之一;③抗沉降稳定性好，长时间存放应基本不分层，或即使略有分层，也可以在轻微外扰动情况下迅速恢复均匀分散的状态。此外还具有无毒、不挥发、无异味、温度使用范围宽以及响应速度快等特征。

抛光陶瓷种类：氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等结构陶瓷类。

通过上述技术方案，本实用新型技术方案的有益效果是：通过本实用新型的应用，实现了大批量的超硬耐磨陶瓷零部件的外表面抛光，使用流体磁流变液抛光方法，简化了零部件外表面磁抛装置和操作技术，减少了劳动强度，提高了抛光零部件的生产效率，降低了抛光设备装置的成本，提高了陶瓷零部件的形面精度和抛光品质。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所公开的一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例所公开的一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置上盖板与下盖板结构示意图；

图3为本实用新型实施例所公开的一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置A-A面剖面图示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.芯棒       2.下盖板      3.陶瓷管件     4.中模套管

5.上盖板     6.螺纹端板    7.内螺纹       8.外螺纹

9.上磁料口   10.抛光面     11.下磁料口    12.内线圈绕组

13.磁流变液  14.内绕组引线 15.外线圈绕组  16.外绕组引线

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据图1、图2和图3，本实用新型提供了一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，包括芯棒1、下盖板2、陶瓷管件3、中模套管4、上盖板5、螺纹端板6、内螺纹7、外螺纹8、上磁料口9、抛光面10、下磁料口11、内线圈绕组12、磁流变液13、内绕组引线14、外线圈绕组15和外绕组引线16，其特征在于：

所述的陶瓷管外表面磁流变抛光装置，简称磁抛装置，其装配顺序为芯棒1，下盖板2，多个陶瓷管件3，中模套管4，上盖板5，螺纹端板6；所述的陶瓷管件3是待抛光的陶瓷零部件，其数量可装入多个并充满中模套管4为止，所述中模套管4的长度决定了待抛光陶瓷零部件的批量；所述的芯棒1一端带有圆形档板，另一端带有外螺纹；所述的外螺纹8与螺纹端板6上的内螺纹7相匹配；所述的螺纹端板6为一环状内螺纹件，用于固定整体磁抛装置；所述的上盖板5与所述的下盖板2结构完全相同，分别装配在所述的中模套管4的上、下两端，所述的上盖板5和所述的下盖板2外侧设置有圆形凸台，用于与磁流变液压送设备密封对接；所述的上盖板5和所述的下盖板2内侧设置有圆形凹台，所述的凹台直径与中模套管4外径匹配，所述的上盖板5和所述的下盖板2设置有沿圆周分布的上磁料口9和下磁料口11，所述的上磁料口9与下磁料口11为圆形通孔，均匀分布在中模套管4内侧面与陶瓷管件3外表面所限定的区域内，所述磁料口9与11的孔径略大于磁料通道宽度；所述的磁料口9和11的位置为所述的陶瓷管件3外径与中模套管4内径之间所形成的圆环上，此圆环空间是磁流变液流动通道，通过磁流变液的流动磨擦作用，实施对陶瓷管件3外表面的抛光；所述中模套管4为一管状结构模件，其外径与上盖板5和下盖板2尺寸匹配，其内径与上磁料口9和下磁料口11外边缘线匹配，长度模量与陶瓷管件3的尺寸匹配。

所述的芯棒1设置有夹套结构，所述的夹套内设置有内线圈绕组12，所述的内线圈绕组12通过内绕组引线14将导线引出并与控制系统相连；所述的内线圈绕组12以变换的电场方式进行工作，造成高涉度的电场变化、强度变化，由此使得陶瓷管件3外表面形成变换的电场，间歇方式改变磁流变液13的局部特性，使陶瓷管件3的外表面形成众多环状的磁性粒子波和非磁性粒子波交替形式的磁流变液13，在外线圈绕组15的低频率电场方向和强度变化配合之下，形成总体单向，局部环状，沿某一方向运动的交替形波纹，当外部线圈绕组15改变方向时，环状交替波纹也随之改变运动方向中，由此，使磁流变液13中的磁性粒子与非磁性研磨抛光粒子以交替的环状波形，沿着陶瓷管件3的外表面进行运动，从而实现对陶瓷管件3外表面的研磨与抛光作用。

所述的磁抛装置，装配完成后，安装到磁流变液13压送设备上，上盖板5和下盖板2分别与压送设备接口密封对接，通过磁流变液13压送设备将磁流变液13在一定压力下，以确定的速度压送进入磁料口11，并在磁抛装置中来回压送磁流变液13，直到对批量陶瓷管件3外表面抛光附合要求为止，所述的磁流变液13压送的压力与压送的速度可控，压送磁流变液13的方向可控，内线圈绕组12和外线圈绕组15的方向、场强和频率可控。所述的磁流变液13压送流动路径是：

方向1：磁料仓A、磁料管道A、下磁料口11、中模套管与陶瓷管件外表面形成的环腔、受到内线圈绕组12和外线圈绕组15形成的电场磁场交替作用、上磁料口9、磁料管道B、磁料仓B；

方向2：磁料仓B、磁料管道B、上磁料口9、中模套管与陶瓷管件外表面形成的环腔、受到内线圈绕组12和外线圈绕组15形成的电场磁场交替作用、下磁料口11、磁料管道A、磁料仓A；

所述的磁流变液13的组成、配比与特征：所述的磁流变液13由磁性粒子、载液和添加剂组成。

优选的，所述的磁性粒子为碳基铁粉微粒；

优选的，所述的磁性粒子粒径为3--5μm；

优选的，所述的载液为二甲基硅油；

优选的，所述的添加剂为：分散剂环烷酸钠；防沉降剂亲水的硅树脂低聚物，硅烷偶连剂；

优选的，所述的磁流变液13，其母液的密度为1g/cm³，悬浮颗粒的密度为7.5g/cm³；

优选的，所述的屈服剪应力为60KPa；

优选的，所述的工作温度范围，0--120℃；

优选的，所述的响应时间为在5m s内达到流变平衡；

抛光陶瓷种类：

优选的，所述的陶瓷材料为氧化锆增韧氧化铝结构陶瓷。

通过本实用新型的应用，实现了大批量的超硬耐磨陶瓷零部件的外表面抛光，使用流体磁流变液抛光方法，简化了零部件外表面磁抛装置和操作技术，减少了劳动强度，提高了抛光零部件的生产效率，降低了抛光设备装置的成本，提高了陶瓷零部件的形面精度和抛光品质。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，其特征在于，包括芯棒、下盖板、陶瓷管件、中模套管、上盖板、螺纹端板、内螺纹、外螺纹、上磁料口、抛光面、下磁料口、磁流变液、内线圈绕组和外线圈绕组；所述的陶瓷管外表面磁流变抛光装置，简称磁抛装置，其装配顺序为芯棒，下盖板，多个陶瓷管件，中模套管，上盖板，螺纹端板；所述的内线圈绕组置于所述芯棒的夹套中，所述的外线圈绕组置于中模套管的外侧；所述的芯棒一端带有圆形档板，另一端带有外螺纹；所述的外螺纹与螺纹端板上的内螺纹相匹配；所述的螺纹端板为一环状内螺纹件，用于固定整体磁抛装置。 

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，其特征在于，所述的中模板圆周外侧设置有夹层结构，所述的夹层内设置有线圈绕组，所述的线圈绕组通过绕组引线与外部控制器连接。 

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，其特征在于，所述的芯棒设置有夹套结构，所述的夹套内设置有内线圈绕组，所述的内线圈绕组通过内绕组引线将导线引出并与控制系统相连。 

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷管外表面磁流变抛光装置，其特征在于，所述磁流变液母液的密度为0.3-1.0g/cm3，而悬浮颗粒的密度为8-11g/cm3；屈服剪应力在40-90KPa；磁流变液的工作温度范围在-30℃至180℃的范围内；磁流变液的响应时间为毫秒数量级，磁流变液施加外磁场后，在5-15m s内达到流变平衡。 

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