一种细长管内壁空化抛光装置与方法

1.本发明属于流体精密加工领域，特别涉及一种细长管内壁空化抛光装置与方法。


背景技术：

2.随着现代高端精密设备的微细化、集成化趋势，细长管类零件因其结构特点，而广泛应用于航空航天、生物医疗和化学化工等领域的精密流体输送及长距离输送中，常用作样品提取、流体输送和导热散热等功能。为了确保流体输送的稳定性，降低内部流阻，提升内部流体的均匀性，同时防止物质残留物，细长管的内壁往往需要具备较高的光洁度。目前，制造细长管类零件在拉制成型和挤压成型过程中不可避免地会产生褶皱，导致内表面粗糙度无法满足工业需求，因此需要进行进一步的抛光处理。
3.目前，对细长管内壁的抛光主要采用以下方法：机械抛光、磨粒流抛光、磁力研磨和电解抛光。机械抛光目前常用的工具头对于口径在1毫米及以下的细长管来说可达性较差，且在管道内部难以灵活运动，难以保证抛光的均匀性；磨粒流抛光作为一种利用高压高粘度的非牛顿流体进行抛光的常见抛光工艺也存在一定的局限性，其对初始内表面质量要求较高，且随着管件长度的增加，细长管内的压力会严重衰减，导致抛光效果不均匀，同时过高的压力会使一些薄壁零部件产生变形，影响其尺寸公差；磁力研磨则是利用磁铁带动管内的磁性颗粒进行抛光，但由于磁性颗粒流动困难，无法有效地均匀覆盖内壁；电解抛光是通过氧化还原反应，将工件作为阳极在电解液中溶解，但阴极很难深入细长管的内部，很难避免出现短路的情况，且其环保性差也是一直被诟病的关键缺点。
4.空化抛光是指利用空化效应产生高温高压冲击对工件材料进行微量去除的技术。液体空化效应的产生常见于节流阀、孔板、文丘里管等流体压力能够变化的几何结构处，由于结构限制，流体流速急剧上升，压力骤降，当压力降低到液体饱和蒸气压以下时就会产生空化气泡，而随着流体继续流动，压力升高，前期产生的空泡塌缩、溃灭，在其周围形成局部高温高压环境，并伴有高速射流和冲击等一系列空化效应，能对工件表面材料进行机械去除。例如中国专利cn115741442a提出了一种非等截面微小孔内表面抛光及强化装置和方法，应用在抛光及强化加工领域，涉及的是一种在密闭体腔内容积交变产生空化效应，释放大量能量和热量对微孔内表面进行抛光和强化的装置。该装置包括一个十字形活塞缸和正对面的通孔活塞缸，通过活塞的往复运动不断改变密闭空间容积大小，利用磁流体的可流动性及含磁力特性，微孔抛光及强化效果均匀。该装置能够解决非等截面微小孔内表面两侧强化效果不均匀问题，但去除效率低，加工成本高，并且对密闭空间的强度、密封效果要求较高。
5.其他针对细长孔内表面的抛光技术如下：
6.中国专利cn206632769u提出了一种大长径比细长管内表面的抛光装置，应用在磁力研磨领域。该装置将超声波振动附加到传统磁力研磨加工过程中，使磁性研磨粒子对细长管内表面产生高频冲击作用，并且在细长管内腔添加辅助磁极，辅助磁极可以与外部磁极形成磁回路，增大了单位空间的磁感应强度，单位空间内的磁感应强度增加，研磨压力也
随之增大，材料去除量大约是传统磁力研磨的1.5倍。该装置研磨效率高，材料去除量大，但该装置结构复杂，超声与磁力配合难度高，成本高，不适用于现实生产加工。
7.中国专利cn2756647y提出了一种用于电学领域的细长管内表面电化学装置。该装置的电解液槽内设有工件支架并连接有工件托和管旋转器。电解液槽上连接有左电缆驱动器和右电缆驱动器并分别连接有左电缆驱动器导轮和右电缆驱动器导轮，阴极电缆通过左电缆驱动器和左电缆驱动器导轮、阴极、右电缆驱动器导轮与右电缆驱动器相连接，阴极上设有阴极定位环和阴极电缆连接环及抛光头。电解液槽上侧连接有直流电源并与阴极和阳极相连接。电解液槽的上侧还连接有管旋转驱动器并通过传动链与管旋转器传动性连接。电解液槽下部设有电解液过滤器并与电解液过滤泵及电解液回流管相连通。该装置抛光质量较好，但存在抛光面不均匀、产生重叠现象以及生产效率等问题，并且不适用于陶瓷、石英等材质的细长管，应用范围小。
8.中国专利cn102211295a提出了一种毛细管内壁的磁流变抛光装置，该装置利用活塞向毛细管内注入磁流变液，同时启动振动驱动系统使毛细管发生振动，提高磁流变液的流动性。毛细管内完全充满磁流变液后，启动电磁铁产生磁场在毛细管内形成柱状抛光模，使其围绕毛细管进行旋转、沿毛细管轴向进行移动，对毛细管内壁进行抛光。该装置虽然引入了磁场与磁流变液，但是采用电磁铁驱动极小的磁性颗粒对管壁进行研磨，抛光效率极低。
9.以上专利及其他细长管内表面抛光装置其抛光工具多为抛光绳、抛光杆，无法实现小孔径细长孔的抛光要求，因此亟需提供一种针对更小孔径的细长孔抛光装置和方法，确保抛光效率及抛光精度。


技术实现要素：

10.针对目前已有的抛光方法存在的问题，本发明要提供一种能解决现有细长管工件内表面抛光受限、不均匀以及效率不高问题的细长管内壁空化抛光装置与方法。
11.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
12.一种细长管内壁空化抛光装置，包括高压流体发生单元、变径空化单元、磁控位移单元和工作平台。所述的高压流体发生单元有两个，对称安装在工作平台的左右两侧；细长管的左右两端分别与左右两侧的高压流体发生单元连接；所述的高压流体发生单元内部含有抛光液。
13.所述的高压流体发生单元包括活塞缸、活塞杆、活塞、连接件和活塞缸支架。所述的活塞缸通过活塞缸支架与工作平台固定连接；所述的活塞杆的内端与活塞固定连接、活塞杆与活塞缸外端的开口滑动连接；所述活塞与活塞缸内表面滑动连接，且活塞内侧与活塞缸内表面之间的腔体内灌注抛光液；所述的活塞缸内端的出口与连接件的一端连接，所述的连接件另一端通过内部卡扣与细长管工件的一端连接。
14.所述的磁控变径单元为磁性空心管，磁性空心管位于细长管内部，外径小于细长管内径且大于二分之一细长管内径、内径小于二分之一细长管内径，使细长管内流道形成典型的文丘里管结构，即两端口径大、中间口径小的结构。所述的磁控位移单元包括磁铁、导轨、导轨支架和磁轭。所述的导轨支架位于细长管下方，与加工平台固定连接；所述的导轨两端通过导轨支架固定悬空位于细长管下方，导轨轴向方向与细长管轴向方向相互平
行，确定磁铁移动方向以及移动范围；所述磁轭为圆环形结构，环绕在细长管的周围；所述的磁轭通过孔槽与导轨滑动连接，磁轭在导轨上沿轴向移动；所述的磁铁固定在磁轭上，所述的磁铁磁极尖靠近细长管。
15.进一步的，所述的磁铁有四块，四块磁铁结构相同、沿磁轭内壁周向均布固定，每块磁铁包括磁极和磁极尖，磁极尖与细长管之间的距离为1-3mm。
16.进一步的，所述的抛光液内的抛光介质根据细长管材料进行选择：细长管材料为石英玻璃时选择氧化铈，细长管材料为不锈钢时选择氧化铝，细长管材料为铸铁时选择金刚石粉。
17.进一步的，所述的磁性空心管材料选择纯铁、碳钢或汝铁硼。
18.一种细长管内壁空化抛光方法，利用细长管内壁空化抛光装置进行抛光，包括如下步骤：
19.步骤一、根据细长管材料选取抛光介质配制抛光液，将配置好的抛光液搅拌均匀后吸入活塞缸内腔中，在细长管内部放置磁性空心管。
20.步骤二、通过螺纹连接将活塞缸出口与连接件连通，通过连接件内部卡扣与细长管的两端连接，整体连接后检查密封性。
21.步骤三、将磁铁置于磁轭上，使磁极尖与细长管外壁的距离为1-3mm。
22.步骤四、通过外部推杆推动左右两端活塞杆同步运动，保证一侧活塞缸推出抛光液的同时另一侧活塞缸内吸入抛光液，抛光液在活塞杆的推动作用下来回经过磁性空心管所在的区域发生空化作用，从而对细长管内表面进行抛光加工。
23.步骤五、沿导轨移动磁铁，吸附在细长管内表面上的磁性空心管随着运动，改变加工区域。
24.步骤六、加工结束，取下细长管，放入超声波清洗机进行清洗。
25.步骤七、将加工后细长管进行检测，其内表面质量达到预期目标，抛光加工结束。
26.与现有技术相比，本发明的有益成果：
27.1、本发明利用磁性空心管在细长管内形成的典型文丘里管结构，使流通该区域的高压抛光液产生空化效应，利用空化气泡湮灭产生的高温高压对细长管内壁进行抛光，可以实现对毫米及亚毫米口径、长径比大于100的细长管进行高效抛光。
28.2、本发明采用磁铁磁极吸附管内可受控移动的磁性空心管，可以有效控制管内不同区域产生空化效应，调节各区域的空化强度与抛光效果，实现管内均匀抛光。本发明装置结构新颖，尤其适用于内壁粗糙度不均匀的细长管。
附图说明
29.图1为本发明装置的三维结构示意图。
30.图2为本发明的装置前视截面图(剖面线未示)。
31.图3为图1变径空化单元处俯视图。
32.图4为图1的局部放大侧视图。
33.图中：1、活塞杆；2、活塞缸；3、活塞缸支架；4、连接件；5、细长管；6、磁轭；7、磁极；8、磁极尖；9、导轨支架；10、导轨；11、工作平台；12、活塞；13、磁性空心管。
具体实施方式
34.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，下面的描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
35.如图1-4所示，一种细长管内壁空化抛光装置，包括高压流体发生单元、变径空化单元、磁控位移单元和工作平台11。所述的高压流体发生单元有两个，对称安装在工作平台11的左右两侧；细长管5的左右两端分别与左右两侧的高压流体发生单元连接；所述的高压流体发生单元内部含有抛光液。
36.所述的高压流体发生单元包括活塞缸2、活塞杆1、活塞12、连接件4和活塞缸支架3。所述的活塞缸2通过活塞缸支架3与工作平台11固定连接；所述的活塞杆1的内端与活塞12固定连接、活塞杆1与活塞缸2外端的开口滑动连接；所述活塞12与活塞缸2内表面滑动连接，且活塞12内侧与活塞缸2内表面之间的腔体内灌注抛光液；所述的活塞缸2内端的出口与连接件4的一端连接，所述的连接件4另一端通过内部卡扣与细长管5工件的一端连接。
37.所述的磁控变径单元为磁性空心管13，磁性空心管13位于细长管5内部，外径小于细长管5内径且大于二分之一细长管5内径、内径小于二分之一细长管5内径，使细长管5内流道形成典型的文丘里管结构，即两端口径大、中间口径小的结构。
38.所述的磁控位移单元包括磁铁、导轨10、导轨支架9和磁轭6。所述的导轨支架9位于细长管5下方，与工作平台11固定连接；所述的导轨10两端通过导轨支架9固定悬空位于细长管5下方，导轨10轴向方向与细长管5轴向方向相互平行，确定磁铁移动方向以及移动范围；所述磁轭6为圆环形结构，环绕在细长管5的周围；所述的磁轭6通过孔槽与导轨10滑动连接，磁轭6在导轨10上沿轴向移动；所述的磁铁固定在磁轭6上，所述的磁铁的磁极尖8靠近细长管5。
39.进一步的，所述的磁铁有四块，四块磁铁结构相同、沿磁轭6内壁周向均布固定，每块磁铁包括磁极7和磁极尖8，磁极尖8与细长管5之间的距离为1-3mm。
40.进一步的，所述的抛光液内的抛光介质根据细长管5材料进行选择：细长管5材料为石英玻璃时选择氧化铈，细长管5材料为不锈钢时选择氧化铝，细长管5材料为铸铁时选择金刚石粉。
41.进一步的，所述的磁性空心管13材料选择纯铁、碳钢或汝铁硼。
42.本发明的工作原理如下：
43.本发明的高压流体发生单元设置两个，高压流体发生单元的活塞缸2出口相对设置，细长管5位于两个高压流体发生单元中间，保证活塞缸2内腔中的抛光液工作过程中可以呈直通型式经过细长管5内表面，降低沿程压力和速度损失，最大化提高空化效率以及加工效率；所述的活塞杆1端部与活塞12通过螺纹固定连接，确保活塞杆1与活塞12在轴向上能够承受一定的压力和冲击；所述的活塞12与活塞缸2内壁密封接触，活塞12与活塞缸2内腔形成体积可变式密封容腔，用以盛放抛光液；所述的活塞杆1能够在活塞缸2内沿活塞杆1轴向移动，进而推动活塞杆1端部的活塞12同向移动，改变盛放抛光液的密封容腔体积改变，从而对抛光液施加压力进行加工运动，保证抛光液能够在活塞杆1的作用下加压进行工作，以及加速空化的产生与溃灭；所述的活塞缸2出口与连接件4通过螺纹连接相连，连接件4另一端通过螺纹旋转夹紧装置夹紧细长管5；所述的细长管5两端分别通过一个连接件4夹
紧固定，保证抛光装置的密封性以及对细长管5进行夹持确定其位置。
44.所述的高压流体发生单元内部含有抛光液，抛光液在高压流体发生单元的作用下以一定的压力进入细长管5内部，随后在变径空化单元的作用下，该区域的抛光液实际流通口径改变，形成两端口径明显大于中间口径的文丘里管结构，抛光液流通该区域时产生空化效应，包括空化的发生、溃灭，所述的空化溃灭主要发生在流体流出变径空化单元后一段，产生高温、释放高压射流，进而驱动抛光液中存在的磨粒与待加工细长管5内表面发生划擦、耕犁以及磨损作用，实现对细长管5内壁的抛光。
45.所述的磁控位移单元保证磁性空心管13能够在磁场的作用下稳定地吸附在细长管5内，不被高压高速工作的抛光液影响其位置；所述的磁轭6通过自身下方的孔槽与导轨10相接触，磁轭6可以在导轨10上轴向移动；所述的磁铁固定在磁轭6上，确保可以在细长管5下方轴向移动，进而控制磁场范围；所述的磁铁顶面需尽量靠近细长管5，确保细长管5中抛光液能够受到足够大的磁场力。通过磁极7施加的磁场控制磁性空心管13的移动，达到控制空化抛光区域的效果。
46.一种细长管内壁空化抛光方法，包括如下步骤：
47.步骤一、将纯铁材料磁性空心管13放置于不锈钢细长管5内部，随后将50微米氧化铝、30％盐酸溶液、柠檬酸以及去离子水以30：10：5：55的比例配置抛光液200克，将配置好的抛光液搅拌均匀后吸入活塞缸2内腔中。
48.步骤二、通过螺纹连接将活塞缸2出口与连接件4连通，通过连接件4内部卡扣与细长管5的两端连接，整体连接后检查密封性。
49.步骤三、将磁铁置于磁轭8上，使磁极尖10与细长管5外壁的距离为1-3mm。
50.步骤四、通过外部推杆推动左右两端活塞杆1同向同步运动，保证一侧活塞缸2推出抛光液的同时另一侧活塞缸2内吸入抛光液，抛光液在活塞杆1的推动作用下来回冲刷细长管5内表面1小时，对细长管5内表面进行抛光加工。
51.步骤五、沿导轨7移动磁铁，吸附细长管5内的磁性空心管13贴附管壁产生阻塞效果改变加工区域。
52.步骤六、加工结束，停止转动，取下细长管5，放入超声波清洗机进行清洗。
53.步骤七、将加工后细长管5进行检测，其内表面质量达到预期目标，抛光加工结束。
54.本发明中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将本技术的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本技术的保护范围。

技术特征：
1.一种细长管内壁空化抛光装置，其特征在于：包括高压流体发生单元、变径空化单元、磁控位移单元和工作平台(11)；所述的高压流体发生单元有两个，对称安装在工作平台(11)的左右两侧；细长管(5)的左右两端分别与左右两侧的高压流体发生单元连接；所述的高压流体发生单元内部含有抛光液；所述的高压流体发生单元包括活塞缸(2)、活塞杆(1)、活塞(12)、连接件(4)和活塞缸支架(3)；所述的活塞缸(2)通过活塞缸支架(3)与工作平台(11)固定连接；所述的活塞杆(1)的内端与活塞(12)固定连接、活塞杆(1)与活塞缸(2)外端的开口滑动连接；所述活塞(12)与活塞缸(2)内表面滑动连接，且活塞(12)内侧与活塞缸(2)内表面之间的腔体内灌注抛光液；所述的活塞缸(2)内端的出口与连接件(4)的一端连接，所述的连接件(4)另一端通过内部卡扣与细长管(5)工件的一端连接；所述的磁控变径单元为磁性空心管(13)，磁性空心管(13)位于细长管(5)内部，外径小于细长管(5)内径且大于二分之一细长管(5)内径、内径小于二分之一细长管(5)内径，使细长管(5)内流道形成典型的文丘里管结构，即两端口径大、中间口径小的结构；所述的磁控位移单元包括磁铁、导轨(10)、导轨支架(9)和磁轭(6)；所述的导轨支架(9)位于细长管(5)下方，与工作平台(11)固定连接；所述的导轨(10)两端通过导轨支架(9)固定悬空位于细长管(5)下方，导轨(10)轴向方向与细长管(5)轴向方向相互平行，确定磁铁移动方向以及移动范围；所述磁轭(6)为圆环形结构，环绕在细长管(5)的周围；所述的磁轭(6)通过孔槽与导轨(10)滑动连接，磁轭(6)在导轨(10)上沿轴向移动；所述的磁铁固定在磁轭(6)上，所述的磁铁的磁极尖(8)靠近细长管(5)。2.根据权利要求1所述的一种细长管内壁空化抛光装置，其特征在于：所述的磁铁有四块，四块磁铁结构相同、沿磁轭(6)内壁周向均布固定，每块磁铁包括磁极(7)和磁极尖(8)，磁极尖(8)与细长管(5)之间的距离为1-3mm。3.根据权利要求1所述的一种细长管内壁空化抛光装置，其特征在于：所述的抛光液内的抛光介质根据细长管(5)材料进行选择：细长管(5)材料为石英玻璃时选择氧化铈，细长管(5)材料为不锈钢时选择氧化铝，细长管(5)材料为铸铁时选择金刚石粉。4.根据权利要求1所述的一种细长管内壁空化抛光装置，其特征在于：所述的磁性空心管(13)材料选择纯铁、碳钢或汝铁硼。5.一种细长管内壁空化壁抛光方法，其特征在于：利用权利要求1所述的细长管内壁空化抛光装置进行抛光，包括如下步骤：步骤一、根据细长管(5)材料选取抛光介质配制抛光液，将配置好的抛光液搅拌均匀后吸入活塞缸(2)内腔中，在细长管(5)内部放置磁性空心管(13)；步骤二、通过螺纹连接将活塞缸(2)出口与连接件(4)连通，通过连接件(4)内部卡扣与细长管(5)的两端连接，整体连接后检查密封性；步骤三、将磁铁置于磁轭(6)上，使磁极尖(8)与细长管(5)外壁的距离为1-3mm；步骤四、通过外部推杆推动左右两端活塞杆(1)同步运动，保证一侧活塞缸(2)推出抛光液的同时另一侧活塞缸(2)内吸入抛光液，抛光液在活塞杆(1)的推动作用下来回经过磁性空心管(13)所在的区域发生空化作用，从而对细长管(5)内表面进行抛光加工；步骤五、沿导轨(10)移动磁铁，吸附在细长管(5)内表面上的磁性空心管(13)随着运动，改变加工区域；
步骤六、加工结束，取下细长管(5)，放入超声波清洗机进行清洗；步骤七、将加工后细长管(5)进行检测，其内表面质量达到预期目标，抛光加工结束。

技术总结
本发明公开了一种细长管内壁空化抛光装置与方法，所述的装置包括高压流体发生单元、变径空化单元、磁控位移单元和工作平台。所述的高压流体发生单元有两个，对称安装在工作平台的左右两侧；细长管的左右两端分别与左右两侧的高压流体发生单元连接；所述的高压流体发生单元内部含有抛光液。本发明利用磁性空心管在细长管内形成的典型文丘里管结构，使流通该区域的高压抛光液产生空化效应，利用空化气泡湮灭产生的高温高压对细长管内壁进行抛光，可以实现对毫米及亚毫米口径、长径比大于100的细长管进行高效抛光。本发明可以有效控制管内不同区域产生空化效应，实现管内均匀抛光。本发明装置结构新颖，尤其适用于内壁粗糙度不均匀的细长管。匀的细长管。匀的细长管。


技术研发人员：郭江 康仁科 李启凯 秦璞 卢明阳 孟德庆 徐俏
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/9