专利名称：毛细管内壁的磁流变抛光装置与方法
技术领域：
本发明涉及毛细管内壁的磁流变抛光装置与方法，属于精密器件抛光、磨削加工技术领域。
背景技术：
随着现代科学高精端技术的发展，毛细管的应用日趋广泛，如在生物工程检验分析中广泛应用的高效毛细管电泳分析技术、化学化工等领域常用的色谱分析等。不同应用领域对毛细管的性能要求不同，但多数领域都希望毛细管内壁具有高光滑度，这样可以有效降低毛细管的更换率，减少经济成本，同时，使分析测试结果更加稳定、精确。例如，在毛细管电泳分析中使用同种材料制成的石英毛细管进行同种实验，内壁具有高光滑度的毛细管能够进行电泳分析的次数是其他内壁具有普通光滑度的毛细管的几十倍。目前，改善毛细管内壁粗糙度的主要方法有内涂层法、化学抛光法、光学抛光法。 其中，内涂层法所涉及的镀膜工艺复杂，条件要求苛刻，不易操作，应用范围非常有限；化学抛光法相对比较容易，但经抛光后的表面常形成不稳定的易变质层，从而影响应用效果；光学抛光法中，传统的光学抛光主要以定型的抛光模抛光内径大且较短的毛细管，对于大量使用的较长且内径越来越小的毛细管，则无法发挥作用。因此，对细长毛细管内壁进行高效处理，延长毛细管的使用寿命，提高分析测试等应用成效，降低经济成本，已成为毛细管研究领域的重要课题。近几年内，在光学抛光方面，开始采用磁流变技术，该技术应用过程中，可通过调整磁流变液配方，得到具有高度柔软性的磁流变液；所得磁流变液在磁力作用下，能够形成与抛光面相吻合的抛光模，进而能够有效避免抛光面受损；同时，可通过改变磁场的方向和强度，调控磁流变液的状态及其进行抛光的速度和强度；此外，磁流变液本身稳定性高，能够重复利用，利于节约成本，且抛光后的抛光面易于清洗，无磁流变液成分残留。现有技术中，发明专利ZL 200810030898. 1公开了一种用于大口径非球面光学零件的磁流变抛光装置，它包括机床、抛光装置、磁流变抛光液循环系统以及与以上各组件相连的控制系统，机床具有四个或四个以上的自由度，抛光装置固定于机床上并位于机床上待加工工件的正上方。该发明结构紧凑、易于操控、加工能力强，但仅限于大口径非球面光学零件的磁流变抛光。发明专利ZL 200480016662. 2公开了一种用于对微特征工件进行机械和/或化学-机械抛光的抛光机以及方法，所述抛光机包括具有支撑表面的台、支撑表面所承载的具有空腔的下垫、承载微特征工件的相关承载器组件、以及使空腔中磁流变液产生磁场的磁场源。该发明利用所设置的空腔中的磁流变液对工件进行抛光，所涉及的工件可以为具有微特征的电子器件、机械器件、存储元件等多种器件，抛光效果好，但其基本限于对器件外表面的抛光处理。综上，目前应用磁流变抛光技术可以将器件的表面粗糙度加工到0. 5nm以下的超精度，但多数为大部件及微器件的外表面抛光，而类似内径只有几十微米的毛细管等微小
4器件的内部抛光还有待研究。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种毛细管内壁的磁流变抛光装置与方法，充分提高毛细管内壁的光滑度，从而延长毛细管的使用寿命，提高分析测试等应用成效，降低损耗，减少成本，并有助于实现对非磁性材料制成的类似毛细管的其他微小器件内部的高效处理。本发明提供的毛细管内壁的磁流变抛光装置，包括支撑体、磁场控制器、驱动系统，其中，在支撑体上设置磁流变液注入器和振动装置。本发明解决问题的技术方案是所述磁流变液注入器竖直设置在支撑体上，所述磁场控制器与所述振动装置设置在磁流变液注入器两端之间的支撑体上；所述磁场控制器、磁流变液注入器及振动装置均由所述驱动系统控制。所述磁流变液注入器包括基座、活塞、液缸、连接件，其中，活塞、液缸及连接件依次对称设置在基座的两端，活塞与连接件分别位于液缸的两端，活塞与液缸内壁接触，且活塞能够在液缸内灵活移动，以便于保持磁流变液的灵活流动；连接件固定在液缸的一端， 能够便于放置及固定待抛光的毛细管；活塞、液缸及连接件的对称设置，能够保障待抛光毛细管固定充分，并保证磁流变液注入器能够在驱动系统的控制下进行磁流变液的注入和抽取。所述磁场控制器包括电磁铁及缠绕在电磁铁上的线圈，其数量依据待抛光毛细管的长度设置，能够为多个并在支撑体上分段设置，同时，所述磁场控制器也能够在驱动系统的控制下改变磁场强度、方向及位置。所述振动装置，包括振动杆及与所述振动杆相连的扣环，其数量依据待抛光毛细管的长度及其内径的大小进行设置，能够为多个并在支撑体上分段设置；所述振动装置能够在驱动系统的控制下改变振动幅度和强度。进一步地，所述磁流变液注入器的液缸外壁上沿径向设置凹槽，所述支撑体的框架置于所述凹槽中，从而能够使二者相连接固定，并能够便于支撑体在驱动系统的控制下进行旋转，进而能够使所述磁场控制器及所述振动装置在所述支撑体的带动下做旋转运动；所述磁流变液注入器的液缸上设置透明窗口，能够便于进行液缸内液体变化的观察； 所述磁流变液注入器下端活塞的底部设重力垂体，能够更有效地控制活塞位置，从而有利于调控液缸内磁流变液的含量；所述磁流变液注入器的连接件为衬套，所述衬套能够由软质材料构成，进而便于保护和固定毛细管，并利于密封液缸，避免液缸内磁流变液渗漏。进一步地，所述磁场控制器与所述支撑体之间能够通过滑块导轨相连接，便于磁场控制器在驱动系统的控制下沿毛细管轴向移动。进一步地，所述振动装置与所述支撑体之间能够通过弹性部件相连接；所述振动装置的扣环带有开口，能够便于将毛细管置于其中，且所述扣环的体积小于磁场控制器的开口的空隙，以便于磁场控制器的旋转及移动。进一步地，在支撑体上设置毛细管的固定结构，以便于更有效地控制毛细管的自由度。应用本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置进行抛光的方法是
一、选择一定粒径的磁性粒子配制磁流变液，所用磁性粒子能够为铁、钴、镍等磁性物质，其较好的粒径范围为待抛光毛细管内径的1.5%至4% ；二、进行人工安装毛细管，首先将毛细管的一端置于磁流变液注入器一端的连接件内，并穿过振动装置的扣环，然后将毛细管的另一端与磁流变液注入器另一端的连接件连接，此时，将毛细管的两端固定，也将毛细管两端之外的部分置于振动装置的扣环中加以进一步固定和保护；三、启动驱动系统中控制磁流变液注入器的部件，使磁流变液注入器下端的活塞位于最接近连接件端口处，使下端液缸内空气含量达到最少的状态，然后，在磁流变液注入器的上端液缸内装入步骤一配制好的磁流变液，接着使上端活塞向下运动，将上端液缸内的磁流变液挤压注入毛细管内；四、在向毛细管内注入磁流变液的同时，启动驱动系统中控制振动装置的部件，使环绕毛细管的扣环发生振动，使磁流变液避免因其与毛细管内壁间发生分子吸合等作用力导致流动受阻，从而保证磁流变液流动顺畅，尤其是当毛细管长于0. Im时，要利用驱动系统充分调整振动装置的振幅和强度，保障毛细管内磁流变液的流动顺畅；五、在毛细管内完全充满磁流变液后，启动驱动系统中调节磁场控制器的部件，使电磁铁产生磁场，进而使毛细管内的磁流变液在磁场中受力变粘而形成柱状抛光模，所形成的柱状抛光模会受到磁流变液中未受磁力作用的其他物质的流动所产生的冲力以及振动装置在毛细管外壁振动的作用，从而不断进行转动，继而对所接触的毛细管内壁进行抛光处理，通过驱动系统调整磁场强度，能够改变磁流变液的粘度以调整所形成的柱状抛光模的长度，同时，通过驱动系统调整不同磁场控制器的磁场强度和位置，使其围绕毛细管进行旋转、沿毛细管轴向进行移动，能够有效控制毛细管内壁的抛光程度；六、在毛细管达到抛光处理的要求后，移动磁流变液注入器的下端活塞，使磁流变液进入下端液缸内，回收抛光用的磁流变液；七、更换上端液缸内的液体，重复上述操作步骤，采用去离子水、无水乙醇等清洗抛光后的毛细管。与现有技术相比，本发明的有益效果是1、本发明中，应用磁流变液注入器，解决了向毛细管内注入液体的技术难题；应用振动装置以及对其工作状态的有效调控，使液体在毛细管内的顺畅流动得到保证，并使所形成的抛光模与毛细管内壁的充分接触得到保障；应用多个磁场控制器并对其位置、角度和所产生的磁场强度进行调控，能够有效控制毛细管内壁的抛光度，且使抛光效果更易达到高标准的要求；2、本发明结构设计新颖，操作方法简单，能够使磁流变液在磁场作用下于毛细管内形成柔性抛光模，并对毛细管内壁进行全方位的高效抛光处理，从而使其达到超精细的光滑度，进而使分析测试等应用的稳定性以及相应测试结果的精确度得到提高，并使毛细管的使用寿命得到延长，利于减少损耗，降低成本；3、本发明适于对非磁性材料制成的类似毛细管的其他微小器件的高效抛光处理， 尤其适用于对类毛细管微小器件的内部进行抛光等精密处理。
图1为本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置的结构示意图；图2为本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置的磁流变液注入器结构示意图；图3为本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置的振动装置结构示意图；图4为本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置的磁场控制器的俯视图；图5为本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置的磁场控制器的立体结构示意图。图中所示1-支撑体，2-驱动系统，3-磁流变液注入器，31-基座，32-活塞， 321-上端活塞，322-下端活塞，33-液缸，331-上端液缸，332-下端液缸，34-软衬套， 341-上端软衬套，342-下端软衬套，35-重力垂体，4-振动装置，41-振动杆，42-扣环，5-磁场控制器，51-电磁铁，52-线圈，6-毛细管。
具体实施例方式如图1至图5所示，本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置，包括支撑体1、驱动系统 2、在支撑体1上竖直设置的磁流变液注入器3、在磁流变液注入器3两端之间的支撑体1上分段设置的3个振动装置4和6个磁场控制器5 ；其中，磁流变液注入器3与支撑体1的连接是通过将支撑体1的框架置于沿上端液缸331和下端液缸332外壁径向设置的凹槽中进行，振动装置4通过弹簧与支撑体1相连接，磁场控制器5通过滑块导轨(图中未示)与支撑体1相连接。如图1及图2所示，所述磁流变液注入器3包括基座31、活塞32、液缸33、软衬套 34、重力垂体35，其中，活塞32、液缸33及软衬套34对称设置在基座31的两端，活塞32与软衬套34分别位于液缸33的两端，活塞32与液缸33内壁紧密接触，且活塞32能够在液缸33内灵活移动；重力垂体35悬挂在下端活塞322的底部；所述软衬套34为连接件，由橡胶构成；所述液缸33设有观察液缸33内液体变化的透明窗口(图中未示)。如图3所示，所述振动装置4，包括振动杆41及与振动杆41相连的带有开口的扣环42，其中，所述扣环42的体积小于磁场控制器5的开口的空隙，不影响所述磁场控制器5 的旋转及移动。如图4及图5所示，所述磁场控制器5包括马蹄形电磁铁51及缠绕在电磁铁51上的线圈52。上述实施例中所述磁流变液注入器3与所述支撑体1的连接是通过将支撑体1的框架置于沿上端液缸331和下端液缸332外壁径向设置的凹槽中，能够便于所述支撑体1在所述驱动系统2的控制下进行旋转，进而能够使所述磁场控制器5及所述振动装置4在所述支撑体1 的带动下做旋转运动；所述磁场控制器5与所述支撑体1之间通过滑块导轨相连接，便于所述磁场控制器5在所述驱动系统2的控制下沿毛细管轴向移动；所述磁流变液注入器3的活塞32、液缸33及软衬套34的对称设置，能够保障待抛光毛细管固定充分，并保证磁流变液的注入和抽取方便灵活；所述重力垂体35能够便于对所述下端活塞322的位置进行更有效的控制，从而有利于调控所述下端液缸332内磁流变液的含量；所述磁流变液注入器3的连接件设计为橡胶软衬套34，能够便于保护和固定毛细管，并利于密封液缸33，避免液缸33内磁流变液渗漏；所述磁流变液注入器3能够在所述驱动系统2的控制下进行磁流变液的注入和抽取；所述振动装置4能够在所述驱动系统2的控制下改变振动幅度和强度；所述磁场控制器5能够在所述驱动系统2的控制下改变磁场强度、方向及位置。应用如图1所示的本发明毛细管内壁的磁流变抛光装置进行抛光，以长37cm内径为50 μ m的石英毛细管6为例，操作方法如下一、选择粒径为0. 7-1. 5 μ m的铁粉配制磁流变液；二、进行人工安装毛细管6，将毛细管6的一端置于磁流变液注入器3的上端软衬套341内，并穿过振动装置4的扣环42，将毛细管6的另一端连接到磁流变液注入器3的下端软衬套342内，使毛细管6的两端固定，并使毛细管6两端之外的部分置于振动装置4的扣环42中；三、启动驱动系统2中控制磁流变液注入器3的部件(图中未示)，移开重力垂体 35，并使磁流变液注入器3的下端活塞322位于最接近软衬套34端口处，使下端液缸332 内空气含量为最少，然后，在磁流变液注入器3的上端液缸331内装入步骤一配制好的磁流变液，接着使上端活塞321向下运动，将上端液缸331内的磁流变液挤压注入毛细管6内；四、在向毛细管6内注入磁流变液的同时，启动驱动系统2中控制振动装置4的部件(图中未示)，采用超声振动，通过环绕毛细管6的扣环42发生振动，使磁流变液避免因其与毛细管6内壁间发生分子吸合等作用力而导致流动受阻，从而保证磁流变液流动顺畅，尤其因毛细管6长于0. lm，要利用驱动系统2充分加大振动装置4的振幅和强度，保障毛细管6内磁流变液的流动顺畅；五、在毛细管6内完全充满磁流变液后，启动驱动系统2中调节磁场控制器5的部件(图中未示)，使电磁铁51产生磁场，同时，毛细管6内的磁流变液在磁场中受力变粘而形成柱状抛光模，所形成的柱状抛光模受到磁流变液中未受磁力作用的其他物质的流动所产生的冲力以及振动装置4在毛细管6外壁振动的作用，在毛细管6内不断进行转动，从而对所接触的毛细管6的内壁进行抛光处理；通过驱动系统2调整磁场控制器5的磁场强度， 改变磁流变液的粘度，从而调整所形成的柱状抛光模的长度，同时，通过驱动系统2调整不同磁场控制器5的磁场强度和位置，使其围绕毛细管6进行90°旋转，以及沿毛细管6的轴线做平行移动，进而使毛细管6内壁抛光均勻、精细；六、在毛细管6达到抛光处理的要求后，将重力垂体35悬挂到磁流变液注入器3 下端活塞322的底部，移动下端活塞322，使磁流变液进入下端液缸332内，回收抛光用的磁流变液；七、更换磁流变液注入器3的上端液缸331内的液体，应用上述步骤一至六的操作，先采用去离子水清洗抛光后的毛细管6三次，再采用无水乙醇清洗两次。上述实施例中，在驱动系统2的控制下，各磁场控制器及振动装置进行间歇式有序工作，可依据抛光对象的不同，进行相应的强度、位置及角度的调整。本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。
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权利要求
1.毛细管内壁的磁流变抛光装置，包括支撑体、磁场控制器、驱动系统，其特征在于 在所述支撑体上设置磁流变液注入器和振动装置。
2.根据权利要求1所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述磁流变液注入器竖直设置在支撑体上，所述磁场控制器与所述振动装置设置在所述磁流变液注入器两端之间的支撑体上。
3.根据权利要求1所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述磁流变液注入器包括基座、活塞、液缸、连接件，其中，所述活塞、所述液缸及所述连接件依次对称设置在所述基座的两端，所述活塞与所述连接件分别位于所述液缸的两端，所述活塞与所述液缸内壁接触。
4.根据权利要求1所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述磁场控制器包括电磁铁及缠绕在电磁铁上的线圈。
5.根据权利要求1所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述振动装置包括振动杆及与所述振动杆相连的扣环。
6.根据权利要求1、2或3所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述磁流变液注入器的液缸外壁上沿径向设置凹槽，所述支撑体的框架置于所述凹槽中；所述磁流变液注入器的液缸上设置透明窗口；所述磁流变液注入器下端活塞的底部设重力垂体； 所述磁流变液注入器的连接件为衬套。
7.根据权利要求1、2或4所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述磁场控制器与所述支撑体之间能够通过滑块导轨相连接。
8.根据权利要求1、2或5所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置，其特征在于所述振动装置与所述支撑体之间能够通过弹性部件相连接；所述振动装置的扣环带有开口，且所述扣环的体积小于磁场控制器的开口的空隙。
9.一种使用权利要求1所述的毛细管内壁的磁流变抛光装置进行抛光的方法，其特征在于，抛光是按下述步骤完成的一、选择一定粒径的磁性粒子配制磁流变液；二、进行人工安装毛细管，首先将毛细管的一端置于磁流变液注入器一端的连接件内， 并穿过振动装置的扣环，然后将毛细管的另一端与磁流变液注入器另一端的连接件连接， 将毛细管的两端固定，将毛细管两端之外的部分置于振动装置的扣环中；三、启动驱动系统中控制磁流变液注入器的部件，使磁流变液注入器下端的活塞位于最接近连接件端口处，然后，在磁流变液注入器的上端液缸内装入步骤一配制好的磁流变液，接着使上端活塞向下运动，将上端液缸内的磁流变液挤压注入毛细管内；四、在向毛细管内注入磁流变液的同时，启动驱动系统中控制振动装置的部件，使环绕毛细管的扣环发生振动，利用驱动系统调整振动装置的振幅和强度，使毛细管内磁流变液的流动顺畅；五、在毛细管内完全充满磁流变液后，启动驱动系统中调节磁场控制器的部件，使电磁铁产生磁场，进而使毛细管内的磁流变液形成柱状抛光模，利用驱动系统调整磁场强度，进而调整所形成的柱状抛光模的长度，同时，通过驱动系统调整不同磁场控制器的磁场强度和位置，使其围绕毛细管进行旋转、沿毛细管轴向进行移动，对毛细管内壁进行全方位抛光处理；六、在毛细管达到抛光处理的要求后，移动磁流变液注入器的下端活塞，使磁流变液进入下端液缸内，回收抛光用的磁流变液；七、更换上端液缸内的液体，重复上述操作步骤，采用去离子水、无水乙醇清洗抛光后的毛细管。
10.根据权利要求9所述的使用毛细管内壁的磁流变抛光装置进行抛光的方法，其特征在于步骤一所述的配制磁流变液所用磁性粒子的粒径范围为待抛光毛细管内径的 1. 5%至 4%。
全文摘要
本发明涉及毛细管内壁的磁流变抛光装置与方法，属于精密器件抛光、磨削加工技术领域，包括支撑体、磁场控制器、驱动系统，其中，在支撑体上设置磁流变液注入器和振动装置。本发明解决了向毛细管内注入液体的技术难题，并通过振动装置使液体在毛细管内顺畅流动，同时，调控磁场控制器使磁流变液在磁场作用下于毛细管内形成柔性抛光模，对毛细管内壁进行高效抛光处理，使其达到超精细的光滑度，从而使分析测试等应用的稳定性以及相应测试结果的精确度得到提高，并使毛细管的使用寿命得到延长，利于减少损耗，降低成本；适于非磁性材料制成的类似毛细管的微小器件的高效抛光处理，尤其适用于类似毛细管微小器件内部抛光等精密处理。
文档编号B24B1/00GK102211295SQ20111014376
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月20日
发明者梁来顺, 浦国斌, 荣海博, 赵颖, 阮德林, 陈力 申请人:公安部第一研究所, 北京中盾安民分析技术有限公司