一种钛合金管内壁磁流变抛光方法及装置与流程

本发明涉及抛光设备和工艺，特别是一种利用磁流变液对钛合金管内壁进行抛光的方法及装置。

背景技术：

钛合金管具有耐高压、抗腐蚀等特性，被广泛应用于航空航天、医疗、军工等领域。受使用环境的限制对管件内部的表面粗糙度要求很高，一方面是保证管内气体或液体输送顺畅，避免因管内表面凹凸不平产生喘振现象，另一方面是避免因管壁表面缺陷所产生的污染和腐蚀，提高管件使用寿命。钛合金管主要由压力机热挤压和斜轧穿孔两种工艺加工而成，受加工工艺影响内壁表面多伴有凹坑、微裂纹、毛刺等表面缺陷，严重影响管件的使用性能。

钛合金属于典型的难加工材料，具有弹性模量低、弹性变形大、化学活性高等特点，工件表层易发生因磨削力和磨削温度综合作用而引起的表面形貌、表层组织、成分分布、硬度分布等变化，严重时会出现烧伤、裂纹等热损伤。现有技术中，电化学抛光是利用电化学反应去除切削加工所残留的微观不平度，不受工件材质和表面硬度的影响，但是影响抛光效果的因素很多，加工表现出一定的不稳定性。磁研磨加工利用磁性磨料在磁场作用下形成的磁性研磨刷来对工件表面进行抛光处理，被广泛应用于平面、内外圆表面、复杂模具型腔的光整加工，但是存在研磨效率低、磨粒制作成本高、寿命低的缺陷。

磁流变抛光是一种精密加工技术，是基于磁流变液的流变效应来对工件表面进行抛光处理。在梯度磁场作用下，磁流变液的表观粘度迅速增大，形成具有一定剪切屈服应力的黏塑性bingham介质，通过其与被加工表面的快速相对运动来对工件表面进行抛光处理。磁流变抛光不受工件表面形状限制，对工件表面压力小，不会造成亚表面损伤，材料去除稳定，可控性高。

技术实现要素：

针对钛合金管内壁抛光处理存在的技术问题，本发明提供一种操作简单、抛光效率高、能实现磁流变液循环使用、管件内壁抛光均匀性好的磁流变抛光方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钛合金管内壁磁流变抛光方法，磁流变液在蠕动泵作用下沿传动杆内表面泵入抛光头内腔，经抛光头中部周遭的矩形孔处溢出，分别从左右两侧流向抛光区域，在磁场作用下磁流变液的表观粘度和剪切屈服应力迅速增大，形成具有一定黏塑性的bingham介质，随着抛光头和管壁的相对运动，bingham介质对管壁材料进行剪切去除；bingham介质的屈服应力大小根据磁场大小实时调节；参与抛光过后的磁流变液经管件两侧的磁流变液收集机构收集起来，再经过过滤、搅拌后继续参与抛光过程，实现了磁流变液的循环利用；在磁流变液循环的过程中带走了抛光区域产生的热量。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、将工件安装在左右夹具上，调节xz工作台使抛光头处于钛合金管内壁中心位置处，调整电磁铁安装位置使得电磁铁和抛光头右端面对齐，在步进电机脱机状态下转动滚珠丝杠调至抛光头与钛合金管右端面对齐，此时钛合金管、抛光头、电磁铁的右侧端面应处于齐平状态；

步骤2、调整电磁铁线圈电流，使抛光区域内的磁感应强度为80-200mt；

步骤3、利用蠕动泵将磁流变液通过传动杆泵入抛光头内腔，磁流变液经抛光头中部周遭的矩形孔处溢出，分别从左右两侧流向抛光区域，磁流变液在磁场作用下表观粘度和屈服应力迅速增大，随着磁流变液的持续泵入，当磁流变液流出抛光区域随磁场的衰减表观粘度和屈服应力迅速减小至原始状态，从左侧抛光区域流出的磁流变液从左夹具开孔处流出，在离心力的作用下磁流变液飞溅在漏环内表面,在重力作用下流入漏环下面的漏槽中，同理从右侧抛光区域流出的磁流变液沿右夹具内表面流出收集在漏槽中，将收集的磁流变液经过滤搅拌后继续通过蠕动泵泵入抛光区域参与抛光，实现磁流变液的循环利用；

步骤4、启动调速电机，调节工件转速为800-1300r/min；启动步进电机，调节抛光头往复移动速度为0.5-2mm/s，往复行程为100mm；

步骤5、在工件转动和抛光头的往复运动的复合运动下，完成工件表面材料的去除；

步骤6、抛光结束，关停调速电机和步进电机，抛光头和工件停止运动，断掉电磁铁电流，通过固定在机架上的导轨，滑动轴承垫块使右夹具与工件分离，将工件从左夹具上取下来。

本发明进一步公开了一种实现所述方法的装置，包括机架、工件的装夹旋转机构、抛光机构、磁流变液收集机构；

所述工件的装夹旋转机构包括调速电机、左轴承座、右轴承座、左夹具、右夹具、轴承垫块，工件由左夹具和右夹具夹持住，左夹具通过联轴器与调速电机连接，由调速电机驱动工件作高速旋转运动，左夹具和右夹具分别固定在左轴承座和右轴承座上，右轴承座固定于轴承垫块上；

所述抛光机构包括抛光头、传动杆、电磁铁、xz工作台，抛光头固定在传动杆上，传动杆经支撑架夹持住，支撑架通过安装块固定安装在xz工作台上，通过调节xz工作台调整抛光头相对管壁中心的位置，抛光头和钛合金管内壁间隙充满磁流变液，电磁铁安装在钛合金管外两侧，xz工作台和电磁铁固定在安装板上，安装板下面安装有丝杠滑块，与丝杠滑块相配合的滚珠丝杠固定在机架上且与步进电机相连接，在步进电机的驱动下，滚珠丝杠可带动抛光头和电磁铁作同步往复直线运动。

所述磁流变液收集机构包括漏环、漏槽，漏环分别安装于左夹具外壁开孔处以及右夹具最右端，漏槽固定连接在漏环开口处。

轴承垫块下面安装有限位滑块，与限位滑块配合的导轨固定安装在机架上，通过移动轴承垫块即可带动右夹具远离或靠近工件。

通过对钛合金管外两侧的电磁铁施加反向电流，使得两侧电磁铁形成n-s对接的方式，减少在空气中的漏磁，保证抛光区域的磁场强度，通过改变励磁电流的大小，实现对抛光区域的磁场控制。

本发明的工作原理是：在步进电机驱动下抛光头和电磁铁作同步的往复直线运动，工件在调速电机的驱动下作高速旋转运动，形成抛光头和工件的相对运动。磁流变液在蠕动泵作用下沿传动杆内表面泵入抛光头内腔，经抛光头中部周遭的矩形孔处溢出，分别从左右两侧流向抛光区域，在磁场作用下磁流变液的表观粘度和剪切屈服应力迅速增大，形成具有一定黏塑性的bingham介质，随着抛光头和管壁的相对运动，bingham介质对管壁材料进行剪切去除。bingham介质的屈服应力大小可以根据磁场大小来实时调节，所以磁流变抛光可控性好，不会对工件造成亚表面损伤，抛光头相对管壁的复合运动使得抛光表面更加均匀。随着磁流变液向抛光区域的持续泵入，参与抛光过后的磁流变液经管件两侧的磁流变液收集机构收集起来，在经过过滤、搅拌后继续参与抛光过程，实现了磁流变液的循环利用。在磁流变液循环的过程中带走了抛光区域产生的热量，在经过过滤、搅拌后保证了磁流变液内部颗粒分布稳定性，避免了因长时间抛光磁流变液产生沉淀的问题。

本发明钛合金管内壁磁流变抛光装置与方法与现有技术相比，具有以下优点：

本发明设计的抛光设备将磁流变抛光技术引入到钛合金管内壁的抛光过程中，具有可控性好、材料去除率高、没有亚表面损伤的优点；

工件的旋转速度可由调速电机进行控制，抛光头的进给速度可由步进电机进行控制，操作简单，工件与抛光头的复合运动使抛光表面均匀性更好；

磁流变液的循环利用不仅可以带走抛光区域产生的热量，还能够保证磁流变液内部颗粒分布的稳定性，使材料去除函数更加稳定。

轴承垫块下面安装有限位滑块，与固定在机架上的导轨相配合，通过滑动轴承垫块即可移动右夹具，使工件便于装卸。

通过对钛合金管外两侧的电磁铁施加反向电流，使得两侧电磁铁形成n-s对接的方式，减少在空气中的漏磁，保证抛光区域的磁场强度，通过改变励磁电流的大小，实现对抛光区域的磁场控制。

附图说明

图1为本发明钛合金管内壁磁流变抛光装置的三维立体图；

图2为图1所示的钛合金管内壁磁流变抛光装置的主视图；

图3为抛光机构的剖面视图；

图4为磁流变液收集机构的三维立体图。

图中：1-调速电机，2-梅花联轴器，3-左轴承座，4-左夹具，5-工件，6-右夹具，7-右轴承座，8-支撑架，9-传动杆，10-安装块，11-xz工作台，12-安装板，13-滚珠丝杠，14-步进电机，15-机架，16-漏环，17-漏槽，18-电磁铁铁芯，19-励磁线圈，20-丝杠滑块，21-轴承垫块，22-限位滑块，23-导轨，24-尼龙垫块，25-抛光头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1、图2所示，本发明提供的钛合金管内壁磁流变抛光装置包括机架、工件的装夹旋转机构、抛光机构、磁流变液收集机构。工件的装夹旋转机构包括调速电机1、左轴承座3、右轴承座7、左夹具4、右夹具6、轴承垫块21。工件5由左夹具4和右夹具6夹持住，左夹具4通过联轴器2与调速电机1连接，由调速电机1驱动工件5作高速旋转运动，左夹具4和右夹具6分别在固定在左轴承座3和右轴承座7上，右轴承座7固定于轴承垫块21上，轴承垫块21下面安装有限位滑块22，与限位滑块22配合的导轨固定安装在机架15上，通过移动轴承垫块21即可带动右夹具6远离或靠近工件5。

如图1、图2、图3所示，抛光头25固定在传动杆9上，传动杆9经支撑架8夹持住，支撑架8通过安装块10固定安装在xz工作台11上，通过调节xz工作台11即可调整抛光头25相对管壁中心的位置，xz工作台11和电磁铁铁芯18固定在安装板12上，安装板12下面安装有丝杠滑块20，与丝杠滑块20相配合的滚珠丝杠13固定在机架15上且与步进电机14相连接，在步进电机14的驱动下，滚珠丝杠13可带动抛光头25和电磁铁18作同步往复直线运动。磁流变液经蠕动泵(未图示)加压，沿传动杆9内表面泵入抛光头25内腔，磁流变液经抛光头25中部周遭的矩形孔处溢出，分别从左右两侧流向抛光区域，磁流变液在磁场作用下表观粘度和屈服应力迅速增大，随着磁流变液的持续泵入，当磁流变液流出抛光区域随磁场的衰减表观粘度和屈服应力迅速减小至原始状态，从左侧抛光区域流出的磁流变液从左夹具4开孔处流出，如图4所示，从左夹具4开孔处流出的磁流变液在离心力作用下飞溅在漏环16内表面，在重力作用下流入漏槽17内，同理从右侧抛光区域流出的磁流变液沿右夹具6内表面流出收集在漏槽17中，将收集的磁流变液经过滤搅拌后继续通过蠕动泵泵入抛光区域参与抛光，实现磁流变液的循环利用，保证磁流变液内部颗粒分布的稳定性。

利用上述钛合金管内壁磁流变抛光装置进行抛光，包括以下步骤：

(1)将工件安装在左右夹具上，调节xz工作台使抛光头处于钛合金管内壁中心位置处，调整电磁铁安装位置使得电磁铁和抛光头右端面对齐，在步进电机脱机状态下转动丝杠调至抛光头端面与钛合金管右端面对齐，此时钛合金管、抛光头、电磁铁的右侧端面应处于齐平状态；

(2)调整电磁铁线圈电流，使抛光区域内的磁感应强度为80-200mt；

(3)利用蠕动泵将磁流变液通过传动杆泵入抛光头内腔，磁流变液经抛光头中部周遭的矩形孔处溢出，分别从左右两侧流向抛光区域，随着磁流变液的持续泵入，参与过抛光的磁流变液流出抛光区域，经工件两侧的磁流变液收集机构收集起来，将收集的磁流变液经过滤搅拌后继续通过蠕动泵泵入抛光区域参与抛光，实现磁流变液的循环利用；

(4)启动调速电机，调节工件转速为800-1300r/min；启动步进电机，调节抛光头往复移动速度为0.5-2mm/s，往复行程为100mm；

(5)在工件转动和抛光头的往复运动的复合运动下，完成工件表面材料的去除；

(6)抛光结束，关停调速电机和步进电机，抛光头和工件停止运动。断掉电磁铁电流，通过固定在机架上的导轨，滑动轴承垫块使右夹具与工件分离，将工件从左夹具上取下来。