一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置及方法与流程

本发明涉及空间弯管内表面研磨抛光领域，尤其涉及一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置及方法。

背景技术：

在航空航天、汽车等技术领域，发动机结构紧凑且复杂，为使机械内部狭小空间满足使用需求，常采用空间占用率小的空间弯管。弯管多为冷弯成型加工，在其弯曲处内表面会产生褶皱、凹坑以及扩展微裂纹，由于内腔表面粗糙不平，导致当液体或气体流过时，产生湍流、振动等现象，且易对管件内壁造成腐蚀，使弯管机械性能下降，导致机械工作不稳定，功率下降，因此需要对其内表面进行研磨抛光处理。但由于弯管形状非常复杂，传统工艺难以保证零件表面质量达到精加工要求。

在传统空间弯管内壁磨削加工中，通常有两种方法：

一种是运用机械手臂拖动旋转永磁极，沿空间弯管中轴线空间曲线轨迹进行磨削加工，其问题在于：永磁极旋转装置尺寸较大，易产生干涉问题；且加工弯管的直径受磁轭尺寸限制，当被加工弯管直径大于或接近其磁轭尺寸时，此装置及方法将不再适用；由于其外部永磁极磁场极性固定不变，当内部辅助磁极被外部磁场吸引后，内部辅助磁极自身不能进行自转，只能跟随外部磁场而绕弯管内壁公转，始终保持辅助磁极上同一位置与弯管内表面接触，不能促进磨料的交替更新，最终辅助磁极与弯管内壁相接触部分的磨料失效，产生划擦现象，严重影响研磨效果；当需要磁极高速旋转时，其永磁极易脱落。

另一种方法是由多个轴向圆柱电磁铁以螺旋缠绕方式裹住自由空间弯管外壁，由单片机控制电磁铁磁场强度及方向，对空间弯管内壁进行抛光。其问题在于：由于电磁铁螺旋缠绕在弯管外壁，没有沿轴线的运动，其内部辅助磁极只能沿螺旋线轨迹进行研磨，使得螺距之间的区域无法研磨，导致研磨不均匀，表面光整度极差；电磁铁数量随弯管研磨区域的延长而大量增多，导致磁场的控制方式复杂；条状皮带属于柔性结构，当研磨区域较长时，过多的磁极缠绕困难，磁极间距不好掌握，极易导致缠绕处各区域场强不一致，研磨均匀性差。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置及方法，采用尺寸可调整的旋转电磁场结合永磁极，对弯管内表面抛光，大幅降低空间弯管内壁抛光加工的成本，提高抛光效率

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置，包括圆柱电磁铁、柔性调整链，柔性调整链围绕在被加工弯管四周，并首尾相连接，柔性调整链上均布有圆柱电磁铁，使圆柱电磁铁在弯管径向均布；圆柱电磁铁端面平行于弯管外表面切线方向，且圆柱电磁铁端面距弯管外表面2mm～3mm；所述的柔性调整链通过法兰与六自由度机械手连接，弯管内设置永磁极，永磁极外部包覆有磁性磨粒；通过控制各个圆柱电磁铁的通电方向，产生沿弯管中心轴旋转的旋转磁场，永磁极在旋转磁场的作用下压附在弯管内表面做旋转磨削运动，同时六自由度机械手沿弯管中心轴线做往复进给运动。

所述的柔性调整链由三个以上链节单元首尾相接组成，链节单元包括链节本体、连接轴，链节本体为弧形板状结构，链节本体一端为凸起结构，另一端为可与凸起结构匹配的豁口，链节本体上开有用于固定安装圆柱电磁铁的长圆孔；凸起结构开有带键槽的通孔，豁口处开有与连接轴相配合的圆孔，凸起结构可与相邻的链节本体的豁口通过连接轴连接，所述的连接轴中间带有与键槽相配合的键结构。

所述的链节单元还包括锁紧手柄、垫片、锁紧螺销、锁紧螺母，从圆孔处向链节本体中间开通槽，且延伸到链节本体下表面，在链节本体端部形成弹片，锁紧螺销穿过链节本体带有弹片处与锁紧螺母螺纹连接，锁紧螺销顶端通过垫片与锁紧手柄连接，锁紧手柄下压带动锁紧螺销上提，在压力作用下弹片上压，凹槽结构可产生弹性变形，使圆孔缩小。

所述的圆柱电磁铁外径为空间弯管外径的0.3～1.1倍。

所述的永磁极为球形永磁极，其直径为空间弯管直径的0.25～0.3倍。

一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光方法，将安装在柔性调整链上的圆柱电磁铁依次沿顺时针方向或逆时针方向分别标号为1#、2#、3#……n#；圆柱电磁铁若通正向电流，则为n极，若通负向电流则为s极；控制圆柱电磁铁的通电电流：通过调整流过电磁铁的恒定电流的大小来调节圆柱电磁铁的磁感应强度，通过控制相邻磁极的通电间隔，调整磁场的旋转速度，进而控制弯管内部永磁极旋转时离心力的大小，从而得到理想的研磨压力。

当圆柱电磁铁为4个时，旋转电磁场的工作原理及弯管内表面的研磨抛光过程：

1)起始给1#圆柱电磁铁通正向电流，使其形成n极磁场，弯管内部被磁性磨粒包裹的球形永磁极在外磁场的作用下发生自旋转，旋转后使得s极被外部磁场吸引，紧紧压覆在弯管内表面正对1#圆柱电磁铁的位置；

2)经过时间间隔t后，1#圆柱电磁铁、2#圆柱电磁铁分别同时通负向电流、正向电流，使其分别同时形成s极磁场、n极磁场，构成闭合磁感线回路，永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，永磁极的n极、s极分别被1#圆柱电磁铁、2#圆柱电磁铁产生的s极、n极吸附，使其处于1#圆柱电磁铁与2#圆柱电磁铁连线所构成圆弧的中间位置；

3)经过时间间隔t后，2#圆柱电磁铁通负向电流，使其形成s极磁场，吸附空间弯管内部球形永磁极的n极，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，被吸附到正对2#圆柱电磁铁的位置；

4)经过时间间隔t后，2#圆柱电磁铁、3#圆柱电磁铁分别同时通正向电流、负向电流，使其分别同时形成n极磁场、s极磁场，构成闭合磁感线回路，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，球形永磁极的s极、n极分别被2#圆柱电磁铁、3#圆柱电磁铁产生的n极、s极吸附，使其处于2#圆柱电磁铁与3#圆柱电磁铁连线所构成圆弧的中间位置；

5)经过时间间隔t后，3#圆柱电磁铁通正向电流，使其形成n极磁场，吸附空间弯管内部球形永磁极的s极，弯管内部被球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，被吸附到正对3#圆柱电磁铁的位置；

6)经过时间间隔t后，3#圆柱电磁铁、4#圆柱电磁铁分别同时通负向电流、正向电流，使其分别同时形成s极磁场、n极磁场，构成闭合磁感线回路，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，球形永磁极的n极、s极分别被3#圆柱电磁铁、4#圆柱电磁铁产生的s极、n极吸附，使其处于3#圆柱电磁铁与4#圆柱电磁铁连线所构成圆弧的中间位置；

7)经过时间间隔t后，4#电磁铁通负向电流，使其形成s极磁场，吸附空间弯管内部球形永磁极的n极，使被球形永磁极紧紧压附在弯管内表面正对4#圆柱电磁铁的位置；

8)经过时间间隔t后，4#圆柱电磁铁、1#圆柱电磁铁分别同时通正向电流、负向电流，使其分别同时形成n极磁场、s极磁场，构成闭合磁感线回路，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，球形永磁极的s极、n极分别被4#圆柱电磁铁、1#圆柱电磁铁产生的n极、s极吸附，使其处于4#圆柱电磁铁与1#圆柱电磁铁连线所构成的圆弧中间位置，完成一个循环周期；

9)同一圆柱电磁铁在相邻时间间隔通相反方向的电流，使其在相邻时间间隔形成极性相反的磁场；当n为偶数时，一个循环周期的通电顺序按照以上步骤依次类推；当n为奇数时，一个循环周期的通电顺序与将电磁铁数量看成2n时的偶数通电顺序相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可根据被加工弯管的直径任意调整圆柱电磁铁数量，具有广泛的通用性；特殊的通电顺序有助于促进弯管内球形永磁极的自旋转，提高辅助磁极的公转灵敏度，进而利于磨料翻滚更新，提高磨料的利用率，有效地提高研磨的均匀性，极大地改善弯管内表面形貌。

附图说明

图1是可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置的结构示意图一。

图2是链节单元的结构示意图。

图3是可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置的工作状态图。

图4是控制机构的结构示意图。

图5是可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置的结构示意图二。

图6a-6h是四个圆柱电磁铁一个周期研磨通电顺序示意图。

图中：1-法兰2-圆柱电磁铁3-紧固件4-柔性调整链5-锁紧手柄6-垫片7-锁紧螺销8-锁紧螺母9-连接轴10-链节本体11-启动按钮12-停止按钮13-运行指示灯14-故障指示灯15-时间调节输入模块16-急停按钮17-led显示模块18-外围电路19-控制单元mcu20-磁场驱动模块21-电源22-接线端子排23-箱体。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1-图3、图5，一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光装置，包括圆柱电磁铁2、柔性调整链4，柔性调整链4围绕在被加工弯管四周，并首尾相连接，柔性调整链4上均布有圆柱电磁铁2，使圆柱电磁铁2在弯管径向均布，圆柱电磁铁2通过紧固件3固定在柔性调整链4；圆柱电磁铁2端面平行于弯管外表面切线方向，且圆柱电磁铁2端面距弯管外表面2mm～3mm；所述的柔性调整链4通过法兰1与六自由度机械手连接，弯管内设置永磁极，永磁极外部包覆有磁性磨粒；通过控制各个圆柱电磁铁2的通电方向，产生沿弯管中心轴旋转的旋转磁场，永磁极在旋转磁场的作用下压附在弯管内表面做旋转磨削运动，同时六自由度机械手沿弯管中心轴线做往复进给运动。

见图2，柔性调整链4由三个以上链节单元首尾相接组成，可通过增加或减少链节单元的数量改变柔性调整链4所围绕的直径大小。链节单元包括链节本体10、连接轴9，链节本体10为弧形板状结构，链节本体10一端为凸起结构，另一端为可与凸起结构匹配的豁口，链节本体10上开有用于固定安装圆柱电磁铁2的长圆孔；凸起结构开有带键槽的通孔，豁口处开有与连接轴9相配合的圆孔，凸起结构可与相邻的链节本体10的豁口通过连接轴9连接，所述的连接轴9中间带有与键槽相配合的键结构。

链节单元还包括锁紧手柄5、垫片6、锁紧螺销7、锁紧螺母8，从圆孔处向链节本体10中间开通槽，且延伸到链节本体10下表面，在链节本体10端部形成弹片，锁紧螺销7穿过链节本体10带有弹片处与锁紧螺母8螺纹连接，锁紧螺销7顶端通过垫片6与锁紧手柄5连接，锁紧手柄5下压带动锁紧螺销7上提，在压力作用下弹片上压，凹槽结构可产生弹性变形，使圆孔缩小。

由于连接轴9带有键结构，使得链节本体10与连接轴9只能同时转动，当连接轴9通过锁紧手柄5被锁定时，链节本体10亦被锁定不能转动。垫片6一面带有凹槽，另一面为平滑结构，垫片6穿过锁紧螺销7，其凹槽与锁紧手柄5相接触，锁紧螺销7穿过链节本体10，并通过锁紧螺母8固定，当锁紧手柄5被压下时，弹片轻微弹性变形，将链节本体10与连接轴9锁紧，使其不能随意转动。

其中，见图1-图3，圆柱电磁铁2外径为空间弯管外径的0.3～1.1倍。永磁极为球形永磁极，其直径为空间弯管直径的0.25～0.3倍。

见图4，电磁研磨抛光装置还设有控制机构，控制机构包括箱体23、单片机、电源模块21、磁场驱动模块20、led显示模块17、时间调节输入模块15、接线端子排22，以及启动按钮11、停止按钮12、运行指示灯13、故障指示灯14和急停按钮16，单片机包括控制单元mcu19及其外围电路18。磁场驱动模块20、led显示模块17、时间调节输入模块15均通过pcb板与控制单元mcu19连接。接线端子排22一端与磁场驱动模块20通过导线连接，另一端与圆柱电磁铁22通过导线连接。

电源模块21为控制机构供电，磁场驱动模块20用于控制电磁铁按照设定的顺序通电进而产生旋转磁场；led显示模块17用于显示电磁铁的通电状态及通电顺序；单片机用于执行控制程序，控制磁场驱动模块工作；时间调节输入模块15用于设定研磨时间；控制机构与六自由度机械手的控制部分相通讯。

见图1-图6，一种可调节式弯管内表面电磁研磨抛光方法，将安装在柔性调整链4上的圆柱电磁铁2依次沿顺时针方向或逆时针方向分别标号为1#、2#、3#……n#；由控制机构各个圆柱电磁铁2的通电方向，圆柱电磁铁2若通正向电流，则为n极，若通负向电流则为s极；控制圆柱电磁铁2的通电电流：通过调整流过电磁铁的恒定电流的大小来调节圆柱电磁铁2的磁感应强度，通过控制相邻磁极的通电间隔，调整磁场的旋转速度，进而控制弯管内部永磁极旋转时离心力的大小，从而得到理想的研磨压力。

见图6a-图6h，当圆柱电磁铁2为4个时，旋转电磁场的工作原理及弯管内表面的研磨抛光过程：

1)起始给1#圆柱电磁铁2通正向电流，使其形成n极磁场，弯管内部被磁性磨粒包裹的球形永磁极在外磁场的作用下发生自旋转，旋转后使得s极被外部磁场吸引，紧紧压覆在弯管内表面正对1#圆柱电磁铁2的位置；

2)经过时间间隔t后，1#圆柱电磁铁2、2#圆柱电磁铁2分别同时通负向电流、正向电流，使其分别同时形成s极磁场、n极磁场，构成闭合磁感线回路，永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，永磁极的n极、s极分别被1#圆柱电磁铁2、2#圆柱电磁铁2产生的s极、n极吸附，使其处于1#圆柱电磁铁2与2#圆柱电磁铁2连线所构成圆弧的中间位置；

3)经过时间间隔t后，2#圆柱电磁铁2通负向电流，使其形成s极磁场，吸附空间弯管内部球形永磁极的n极，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，被吸附到正对2#圆柱电磁铁2的位置；

4)经过时间间隔t后，2#圆柱电磁铁2、3#圆柱电磁铁2分别同时通正向电流、负向电流，使其分别同时形成n极磁场、s极磁场，构成闭合磁感线回路，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，球形永磁极的s极、n极分别被2#圆柱电磁铁2、3#圆柱电磁铁2产生的n极、s极吸附，使其处于2#圆柱电磁铁2与3#圆柱电磁铁2连线所构成圆弧的中间位置；

5)经过时间间隔t后，3#圆柱电磁铁2通正向电流，使其形成n极磁场，吸附空间弯管内部球形永磁极的s极，弯管内部被球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，被吸附到正对3#圆柱电磁铁2的位置；

6)经过时间间隔t后，3#圆柱电磁铁2、4#圆柱电磁铁2分别同时通负向电流、正向电流，使其分别同时形成s极磁场、n极磁场，构成闭合磁感线回路，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，球形永磁极的n极、s极分别被3#圆柱电磁铁2、4#圆柱电磁铁2产生的s极、n极吸附，使其处于3#圆柱电磁铁2与4#圆柱电磁铁2连线所构成圆弧的中间位置；

7)经过时间间隔t后，4#电磁铁通负向电流，使其形成s极磁场，吸附空间弯管内部球形永磁极的n极，使被球形永磁极紧紧压附在弯管内表面正对4#圆柱电磁铁2的位置；

8)经过时间间隔t后，4#圆柱电磁铁2、1#圆柱电磁铁2分别同时通正向电流、负向电流，使其分别同时形成n极磁场、s极磁场，构成闭合磁感线回路，弯管内部球形永磁极紧贴弯管内壁旋转滑动，球形永磁极的s极、n极分别被4#圆柱电磁铁2、1#圆柱电磁铁2产生的n极、s极吸附，使其处于4#圆柱电磁铁2与1#圆柱电磁铁2连线所构成的圆弧中间位置，完成一个循环周期；

9)同一圆柱电磁铁2在相邻时间间隔通相反方向的电流，使其在相邻时间间隔形成极性相反的磁场；当n为偶数时，一个循环周期的通电顺序按照以上步骤依次类推；当n为奇数时，一个循环周期的通电顺序与将电磁铁数量看成2n时的偶数通电顺序相同。

本发明能够有效地提高空间弯管内表面的研磨抛光效率，避免传统加工方法易干涉的问题；通过柔性调整链4构成的磁极环，可根据被加工弯管的直径而任意调整圆柱电磁铁2数量，具有广泛的通用性；同一圆柱电磁铁2在相邻时间间隔通相反方向电流，使其在相邻时间间隔形成极性相反的磁场，有助于促进弯管内部球形永磁极更新，提高永磁极带动研磨粒子绕弯管内壁公转的灵敏度，提高磨料的利用率；弯管内部被铁磁性磨粒包裹的球形永磁极在绕弯管内壁公转的同时自身进行自转，同时六自由度机械手带动其沿弯管轴线往复进给，有效地提高研磨的均匀性，极大地改善弯管内表面形貌，也可方便人为控制弯管内表面形貌。