超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置的制作方法

本发明属于磁流变抛光领域，具体涉及一种超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置，特别适用于磁流变抛光液的持续循环更新。

背景技术：

磁流变抛光液是磁流变抛光技术的关键环节，它是由磁性颗粒、非磁性磨料、基载液和少量添加剂组成的一种悬浮液，可以在强磁场下形成粘塑性的“小磨头”进行光整加工，广泛应用于光学元器件、智能手机外壳和复杂模芯等精密及超精密加工过程中。然而，磁流变抛光液循环过程中容易出现颗粒凝聚和沉降的现象，从而降低了磁流变抛光的加工效率和材料去除率，进而影响了被加工零件的表面质量，所以磁流变抛光液的持续更新对磁流变抛光技术非常重要。

目前，磁流变抛光液的液体循环装置主要是在化学分散法的基础上(如添加表面活性剂)，利用辅助搅拌的物理方式来匀化和分散磁流变抛光液的，以此来防止颗粒凝聚或延缓颗粒沉积。清华大学(专利授权号zl201110456996.3)提出了用于公自转磁流变抛光中的液体循环装置，主要利用叶片搅拌器在磁流变抛光液循环过程中进行均匀搅拌。然而该方法属于纯机械搅拌，对磁流变抛光液所存在的颗粒凝聚和沉降问题的解决能力和适用范围都有限，并且机械搅拌功耗高、精度低，所以也很难对磁流变抛光液的液体循环系统进行准确、有效的控制。重庆仪表材料研究所(专利授权号zl201596488u)提出了一种电磁搅拌装置，通过在储液罐的周围制造一圈辅助搅拌电磁场，从而防止颗粒沉降或使沉降颗粒再次恢复性能，但是该装置对磁性颗粒比较依赖，对非磁性磨料搅拌作用有限，因此也很难应用于磁流变抛光液的循环更新系统中。近年来，液体的空化效应在物理辅助搅拌技术中逐渐得到重视，产生如超声空化技术、水力空化技术等等。这主要是因为空化产生的微小气泡及其溃灭时释放的高温、高压和冲击波、微射流等现象能够将颗粒群轻易分散，从而达到分散和匀化颗粒的目的。通常，水力空化较易发生于管径急剧变化的管道和水力机械中，设备简单、效率高、成本低，但是水力空化的流体压力大、流速高，容易损伤和腐蚀毫米级及以下的颗粒，特别是极易破坏磁流变抛光液中的磁性颗粒，不好精确控制；而超声空化具有精度高、便于调节的优势，但是超声装置功率小、效率低、作用机理复杂，对毫米级的颗粒分散效果有限。

技术实现要素：

为了解决现有磁流变抛光液所面临的颗粒凝聚和沉降稳定性调控难题，以期达到持续更新磁流变抛光液的目的，本发明提供了一种超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置，能够在磁流变抛光过程中实现非磁性磨料和磁性颗粒的匀化和分散。

为实现上述目的，本发明提供一种超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置，包括水力空化罐、超声振动系统、磁流变抛光系统和泵传输系统；水力空化罐包括三段式罐体以及设置在三段式罐体罐口的罐盖；三段式罐体包括具有罐口的左侧段、中间段和具有罐底的右侧段，左侧段和右侧段均为等直径筒状通道，中间段为曲线状通道，由收缩段、喉部和扩散段组成；所述曲线状通道沿轴线为流线型，曲线段函数选择余弦函数；

根据二维流体波动方程，以喉部中心点为原点建立坐标，求得中间段的曲线段函数为

，

其中，d为水力空化罐等直径筒状通道内壁直径，d为喉部最小内径，d/d选择5~9，以确保喉部发生水力空化；λ为超声波在磁流变抛光液中传播的波长；x为通道轴线的轴向坐标，0≤x≤nλ，n为大于或等于1的正整数，y为与x对应的通道半径；

超声振动系统包括振动杆、变幅杆、压电换能器和超声波发生器；振动杆设置在三段式罐体的中轴线上；变幅杆密封穿过三段式罐体的罐底，前端和振动杆的尾端连接，尾端和压电换能器的前端连接；压电换能器的电极片和超声波发生器通过导线相连；磁流变抛光系统包括用于放置磁流变抛光液和待抛光零件的抛光槽以及控制磁流变抛光液流变特性的磁场发生装置；泵传输系统包括注液泵、抽液泵、两根注液管和两根抽液管；注液泵通过注液管一与三段式罐体的左侧段连接，通过抽液管一和抛光槽连接；抽液泵通过抽液管二与三段式罐体的右侧段连接，通过注液管二和抛光槽连接。

进一步地，三段式罐体左侧段的上端开有注液槽；注液槽上设置有与注液管一连接的注液管接头。

进一步地，三段式罐体右侧段的下端开有出液槽；出液槽上设置有抽液管接头；抽液管接头上安装有外接喷嘴；外接喷嘴与抽液管二连接。

进一步地，外接喷嘴选择容易发生水力空化的文丘里管喷嘴。

进一步地，振动杆上套有若干卡箍连杆；卡箍连杆包括用于套设在振动杆上的卡箍部以及设置在卡箍部周向面上的杆部；与变幅杆相邻的卡箍连杆的中心与变幅杆前端之间的距离为半个超声纵波波长；相邻两个卡箍连杆的中心距均为半个超声纵波波长的整数倍。

进一步地，卡箍连杆由两个半卡箍连杆通过螺栓连接而成。

进一步地，三段式罐体的罐底位于变幅杆的振动节点位置。

进一步地，三段式罐体的罐底为通过螺栓连接在右侧段端口上的法兰盘。

进一步地，三段式罐体的外壁设置有支架座；和/或

磁流变抛光系统还包括支撑抛光槽和磁场发生装置的支架底座。

本发明提供的超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置工作过程及原理如下所述：注液泵将磁流变抛光液由磁流变抛光系统抽出并注入水力空化罐中，抽液泵将磁流变抛光液由水力空化罐抽出并注入磁流变抛光系统中，从而构成一套磁流变抛光液的液体循环系统；

注入水力空化罐的磁流变抛光液在收缩段的速度增大使得液体压力下降，而流经喉部液体的局部压力低于液体的饱和蒸气压，从而发生产生微气核的空化效应，水力空化气泡随液体流动方向向右运动，到扩散段压力升高导致空化气泡溃灭；

与此同时，超声波发生器产生的超声波通过压电换能器将超声波转化为高频的机械振动，接着变幅杆将压电换能器的高频机械振动放大后传递给振动杆和卡箍连杆，每个卡箍连杆的中心位置处于波的振幅最大处，随后此高频机械振动沿着卡箍连杆的杆部向罐体内的磁流变抛光液发散和辐射，在高频超声波的激励下，根据卡箍连杆的数目及位置不同，磁流变抛光液中会形成不同的空化场及大量剧烈振荡的空化气泡，以针对不同种类或粒径的磁流变抛光液颗粒进行分散；同时空化气泡溃灭时释放的能量会对周围液体和固体介质产生强大的冲击作用，从而对水力空化未能分散的颗粒或即将沉降的颗粒进行二次匀化，经过充分匀化的磁流变抛光液经过外接喷嘴再次进行水力空化匀化，以免长久使用堵塞抽液管接头，最后经抽液管二流出水力空化罐流入进行抛光槽；

根据不同种类或粒径颗粒的磁流变抛光液，综合调节注液泵和抽液泵两个泵的流速及压力、超声波发生器的频率和电压，将会分散和匀化非磁性磨料和磁性颗粒等颗粒，达到调控磁流变抛光液颗粒凝聚和沉降稳定性的目的。

基于上述过程，与传统机械搅拌的液体循环装置相比，本发明的有益效果是：

第一：本发明所述的磁流变抛光液的液体循环装置是一种复合型在线循环装置，在零件进行磁流变抛光的同时，磁流变抛光液经过水力空化初步分散、超声空化二次分散和水力空化再次分散的组合方式，能够将凝聚的颗粒群高效均匀分散，从而起到有效防止固体颗粒沉降的目的。

第二：本发明所述的超声振动系统的振动杆和卡箍连杆会在磁流变抛光液中产生不同振动方向的超声波，不同方向的超声波通过相互叠加可以产生更强烈的空化场及剧烈振荡的空化气泡，从而能够更有效针对不同粒径和数目的磁流变抛光液颗粒进行分散和匀化。

第三：本发明所述的水力空化罐由左侧段、中间段和右侧段通过满焊连接，中间曲线状罐体用于产生水力空化。与传统水力空化的锥形收缩口相比，本发明中间段罐体采用的收缩段，喉部和扩散段设计，更符合流体线形走向，直接减小了喉部长度，强化了水力空化作用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置的结构示意图；

图2为图1所示循环装置中水力空化罐的结构示意图；

图3为图2所示水力空化罐中间段罐体曲线函数图；

图4为图2所示水力空化罐中卡箍连杆的结构示意图。

图中：1-三段式罐体；1.1-左侧段；1.2-中间段；1.3-右侧段；2-罐盖；3-振动杆；4-变幅杆；5-压电换能器；6-超声波发生器；7-抛光槽；7.1-出液口接头；7.2-入液口接头；8-磁场发生装置；9-注液泵；9.1-注液管一；9.2-抽液管一；10-抽液泵；10.1-抽液管二；10.2-注液管二；11-注液管接头；12-抽液管接头；13-外接喷嘴；14-卡箍连杆；15-法兰盘；16-支架座；17-支架底座；100-磁流变抛光液。

具体实施方式

如图1和2所示，本实施例提供一种超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置，包括水力空化罐、超声振动系统、磁流变抛光系统和泵传输系统；水力空化罐包括三段式罐体1以及设置在三段式罐体1罐口的罐盖2；三段式罐体包括具有罐口的左侧段1.1、中间段1.2和具有罐底的右侧段1.3，左侧段1.1和右侧段1.3均为等直径筒状通道，中间段1.2为曲线状通道，由收缩段、喉部和扩散段组成；所述曲线状通道沿轴线为流线型，曲线段函数选择余弦函数；如图3所示，根据二维流体波动方程，以喉部中心点为原点建立坐标，求得中间段1.2的曲线段函数为

，

其中，d为水力空化罐等直径筒状通道内壁直径，d为喉部最小内径，根据相关文献及专利，d/d选择5~9，以确保喉部发生水力空化；λ为超声波在磁流变抛光液100中传播的波长；x为通道轴线的轴向坐标，0≤x≤nλ，n为大于或等于1的正整数，y为与x对应的通道半径；

超声振动系统包括振动杆3、变幅杆4、压电换能器5和超声波发生器6；振动杆3设置在三段式罐体1的中轴线上；变幅杆4密封穿过三段式罐体1的罐底，前端和振动杆3的尾端连接，尾端和压电换能器5的前端连接；压电换能器5的电极片和超声波发生器6通过导线相连；磁流变抛光系统包括用于放置磁流变抛光液100和待抛光零件的抛光槽7以及控制磁流变抛光液100流变特性的磁场发生装置8，抛光槽7为零件抛光区域，可根据零件几何类型设置不同夹具，磁场发生装置8可以控制磁流变抛光液100的流变特性，在强磁场作用下，磁流变抛光液100发生急剧变化对待加工零件进行精密抛光；泵传输系统包括注液泵9、抽液泵10、两根注液管和两根抽液管；注液泵9通过注液管一9.1与三段式罐体1的左侧段1.1连接，通过抽液管一9.2和抛光槽7连接，注液泵9可以调控进入水力空化罐的磁流变抛光液的流量和压力，进而控制水力空化罐的入液压强；抽液泵10通过抽液管二10.1与三段式罐体1的右侧段1.3连接，通过注液管二10.2和抛光槽7连接，以便将水力空化罐流出的磁流变抛光液100导入抛光槽7中。其中，磁场发生装置8可选用ch型数控电磁铁磁场发生系统。进一步地，如图2所示，三段式罐体1左侧段1.1的上端开有注液槽；注液槽上设置有与注液管一9.1连接的注液管接头11。

进一步地，如图2所示，三段式罐体1右侧段1.3的下端开有出液槽；出液槽上设置有抽液管接头12；抽液管接头12上安装有外接喷嘴13；外接喷嘴13与抽液管二10.1连接；磁流变抛光液100经过中间段1.2发生第一次水力空化，实现水力空化初步分散，经过超声空化二次分散，在外接喷嘴13处发生第二次水力空化，对磁流变抛光液100再次分散。

进一步地，外接喷嘴13选择容易发生水力空化的文丘里管喷嘴。

进一步地，如图2所示，振动杆3上套有若干卡箍连杆14；如图4所示，卡箍连杆14包括用于套设在振动杆3上的卡箍部以及设置在卡箍部周向面上的杆部；与变幅杆4相邻的卡箍连杆13的中心与变幅杆3前端之间的距离为半个超声纵波波长，相邻两个卡箍连杆13的中心距均为半个超声纵波波长的整数倍(nλ/2，n为正整数，λ为超声波波长)，以便超声波通过卡箍连杆14振动效果最佳。振动杆3和卡箍连杆14在磁流变抛光液100中形成强烈的空化场，空化场产生的空化气泡对磁流变抛光液100中的颗粒进行再次分散。

进一步地，如图4所示，卡箍连杆14由两个半卡箍连杆通过螺栓连接而成。

进一步地，三段式罐体1的罐底位于变幅杆4的振动节点位置，罐底满足超声波在节点位置振动位移为零，以避免水力空化罐负载对超声波振动传递造成影响。

进一步地，如图2所示，三段式罐体1的罐底为通过螺栓连接在右侧段1.3端口上的法兰盘15。

进一步地，如图2所示，三段式罐体1的外壁设置有支架座16，具体地，支架座16为y型支架座，固定连接在三段式罐体1的外壁的两个环形槽上；和/或

如图1所示，磁流变抛光系统还包括支撑抛光槽6和磁场发生装置7的支架底座17，具体地，支架底座17为角钢焊接件。

进一步地，如图1所示，抛光槽7上设置有与抽液管一9.2连接的出液口接头7.1，与注液管二10.2连接的入液口接头7.2。

在本实施例中，具体地连接方式为，左侧段1.1、中间段1.2和右侧段1.3通过满焊依次连接；罐盖2和左侧段1.1通过螺栓连接；注液管接头11焊接在三段式罐体1左侧段1.1的注液槽上；注液管一9.1和注液管接头11通过螺纹相连；抽液管一9.2和出液口接头7.1通过螺纹相连；抽液管接头12焊接在三段式罐体1右侧段1.3的出液槽上，与外接喷嘴13通过槽螺纹连接；抽液管二10.1和外接喷嘴13通过螺纹相连；注液管二10.2和入液口接头7.2通过螺纹相连。

本实施例提供的超声空化耦合水力空化高效分散磁流变抛光液循环装置工作过程及原理如下所述：注液泵9将磁流变抛光液100由磁流变抛光系统抽出并注入水力空化罐中，抽液泵10将磁流变抛光液100由水力空化罐抽出并注入磁流变抛光系统中，从而构成一套磁流变抛光液的液体循环系统；

注入水力空化罐的磁流变抛光液在收缩段的速度增大使得液体压力下降，而流经喉部液体的局部压力低于液体的饱和蒸气压，从而发生产生微气核的空化效应，水力空化气泡随液体流动方向向右运动，到扩散段压力升高导致空化气泡溃灭；

与此同时，超声波发生器6产生的超声波通过压电换能器5将超声波转化为高频的机械振动，接着变幅杆4将压电换能器5的高频机械振动放大后传递给振动杆3和卡箍连杆，每个卡箍连杆14的中心位置处于波的振幅最大处，随后此高频机械振动沿着卡箍连杆14的杆部向罐体内的磁流变抛光液100发散和辐射，在高频超声波的激励下，根据卡箍连杆14的数目及位置不同，磁流变抛光液100中会形成不同的空化场及大量剧烈振荡的空化气泡，以针对不同种类或粒径的磁流变抛光液100颗粒进行分散；同时空化气泡溃灭时释放的能量会对周围液体和固体介质产生强大的冲击作用，从而对水力空化未能分散的颗粒或即将沉降的颗粒进行二次匀化，经过充分匀化的磁流变抛光液100经过外接喷嘴13再次进行水力空化匀化，以免长久使用堵塞抽液管接头12，最后经抽液管二10.1流出水力空化罐流入进行抛光槽7；

根据不同种类或粒径颗粒的磁流变抛光液100，综合调节注液泵9和抽液泵10两个泵的流速及压力、超声波发生器6的频率和电压，将会分散和匀化非磁性磨料和磁性颗粒等颗粒，达到调控磁流变抛光液100颗粒凝聚和沉降稳定性的目的。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。