磁性磨具的制备工艺及基于磁性磨具的细长管内抛光装置

本发明涉及用于磨削或抛光的机床、装置或工艺，尤其涉及磁性磨具的制备工艺及基于磁性磨具的细长管内抛光装置。

背景技术：

1、细长管件广泛应用于航空，医疗器械，超高压输送等领域；在运输介质的过程中，细长管内壁的表面质量对管件的使用性能起着重要的作用。由于管道的内表面直接接触流体，如果表面质量不好，存在的原始缺陷不仅会引起流体的涡旋现象，而且会增大流体的沿程阻力和流体的冲蚀现象，从而会加速细长管的损坏和腐蚀；同时，由于冲蚀作用造成细长管内壁毛刺与碎屑的脱落，也会影响流体的纯度。

2、由于细长管的孔径太小且孔深又太长，抛光介质必须特别细小，这就使得切削力和研磨能力受限，很难在一个比较狭窄且细长的空间内，将粗糙的纹路和凸起颗粒有效去除。同时细长管的刚度较低很容易发生弯曲，直接导致了许多典型抛光技术达不到该种工件的加工要求。给细长管的内表面抛光，全世界只有个别国家可以做到，目前国内企业所用的细长管大多都是来自进口，或者直接用内表面未处理的管。针对目前细长管的抛光技术，手工、机械抛光只适用于内径较大的管，对于细长管的加工能力略显不足；电解抛光能力范围有限，只适合去除表面微小颗粒和纹路，增加镜面亮度，但对于内壁较粗糙的管件去除量并不大，其加工后的服役性能更是达不到使用要求；磨料流抛光技术是目前较为适合细长管的抛光技术，但是其加工时间过长，效率低下，同时对于长度达到6m甚至更长的管件，磨料流抛光技术则无法加工；这是由于液压缸必须提供足够的压力才能推动磨料，容易造成磨料在管内堵塞且不容易被发现，从而增加机床内部压力，严重时甚至超过了机床的额定压力而对机床造成不可恢复的损伤。所以亟需开发一种符合要求的磨具以及基于该磨具的抛光装置来达到提高细长管内表面抛磨质量的同时，又具有较高的效率经济性。

技术实现思路

1、为克服现有抛磨技术中，细长管的内表面抛磨困难，抛磨后的内表面质量不高以及加工效率低下等技术缺陷，本发明提供了磁性磨具的制备工艺及基于磁性磨具的细长管内抛光装置。

2、本发明提供了一种磁性磨具的制备工艺，包括如下步骤：

3、步骤一、混料：将钕铁硼合金粉末混合均匀；

4、步骤二、熔炼铸锭：将步骤一中的混合后的原料熔炼，得到速凝薄片合金；

5、步骤三、破碎制粉；将所述速凝薄片合金装进旋转式氢破碎炉中，抽真空至10-2pa以下后进行氢碎，脱氢温度设定为550℃～600℃；

6、步骤四、磁场取向成型：采用氢破制粉工艺将步骤三得到的磁粉颗粒的尺寸保持在3～4μm以内；

7、步骤五、冷等静压：称取适量的步骤四处理后的混合粉末装入磨具并进行取向压型，磁场方向与压制的方向垂直，磁场大小为1.5t，在15mpa的压力下压制15s，然后将压力提升至90mpa并压制15s，以进一步去除毛胚内部的气孔缺陷；

8、步骤六、烧结热处理与回火热处理：压坯在1020℃~1080℃下真空烧结，再进行900℃一级时效，500℃二级时效，空冷，得到烧结的磁性磨具半成品；

9、步骤七、电火花线切割与表面处理：对磁性磨具半成品进行电火花线切割加工，走丝路径的方向垂直于冷等压制方向，得到圆柱形基体，且圆柱形基体的外圆面上沿周向均布多个轴向布置的凸条，所有凸条沿圆柱形基体径向的凸起厚度相等，圆柱形基体的直径加上两倍的凸条厚度为d1，d1比待加工细长管件的内径小1mm，且凸条的宽度与d1的比为1:8；

10、步骤八、磁性磨具半成品基体预处理以及cbn磨粒准备：用砂纸打磨去除步骤七处理后的磁性磨具半成品的表面熔融层和微凸起部分，超声波清洗后用弱酸活化处理，最后水洗后放入电镀槽内；cbn磨粒的准备步骤中，首先选择粒径尺寸在80-120目之间的cbn磨粒，然后将cbn磨粒放入丙酮溶液中并采用超声波清洗，再放入50%hno3+50%h2so4中煮沸，最后水洗；

11、步骤九、上砂和电镀：在步骤八处理后的磁性磨具半成品外表面预镀一层镍，镍层的厚度为0.015-0.020mm，主要起到防腐的作用；再通过埋砂法将cbn磨粒植入在镍层上，然后持续将镍层加厚至0.04-0.05mm，从而在磁性磨具半成品外表面上由内而外形成由镍层和cbn磨粒组成的磨料层；

12、步骤十、充磁：对步骤九处理后的磁性磨具半成品进行充磁，最后得到磁性磨具成品。

13、本发明所述的制备工艺中，步骤一的钕铁硼合金粉末可与常规钕铁硼的原料保持一致。步骤三中，采用氢破制粉工艺是为了获取良好取向的磁铁。步骤七中，根据不同直径管件的内表面，可适当调整线切割加工的尺寸，待线切割加工完成后，水洗烘干备用；步骤九中，预镀一层镍是主要起到防腐作用，cbn颗粒埋入镍层的厚度约为自身粒径尺寸的30%左右；所述上砂电镀的参数为：电镀液选用常规复合电镀溶液，ph值为4.5-5，温度为45-60℃，电流密度为2-3a/dm2；待电镀完成后将磁性磨具半成品水洗去除表面电镀液体残留，最后转入电热鼓风干燥箱在150℃下保温30min。本发明所述的制备工艺最终得到的磁性磨具成品的结构包括圆柱形基体，且圆柱形基体的外圆面上沿周向均布多个轴向布置的凸条，凸条与圆柱形基体一体成型形成磨具基体，磨具基体为钕铁硼磁体，磨具基体的外壁上由内到外附着有镍层和磨料层。本发明所述的磁性磨具制备工艺流程简单。

14、优选的，步骤一中的钕铁硼合金粉末包括质量百分比为32%的nd粉、64%的fe粉、1%的b粉、0.1-0.6%的tb粉、0.6-1.2%的dy粉、1.2-2.0%的co粉、0.3-0.5%的al粉和0.05-0.15%cu粉，将各粉末状成分加入混料机中混料2h，且混料过程中充入氩气进行保护；步骤二中，熔炼温度设定为1045℃±5℃，熔炼时间为30min。

15、优选的，取向压型是将混合粉末放入脉冲磁场成型机进行的。

16、优选的，步骤十的充磁步骤为，将步骤九处理后的磁性磨具半成品放置在充磁设备中，先对磁性磨具半成品进行预充磁处理，在0.5t的磁场强度下充磁5s，使其磁矩开始朝着同一方向排列，充磁的方向为径向，充磁方式为脉冲充磁；然后将磁场的强度增加至1.5t，充磁时间为5s，使磁性磨具半成品内部的磁矩逐渐朝着同一方向排列，直至达到所需的磁性能；最后对磁性磨具半成品进行稳定处理，在0.5t的磁场下保持5s，以确保其磁性能的稳定。

17、本发明还提供了一种基于磁性磨具的细长管内抛光装置，包括本发明所述的磁性磨具的制备工艺得到的磁性磨具，磁性磨具位于细长管内部用以抛光细长管的内表面；还包括进给组件和抛光组件；

18、进给组件包括底座、滚珠丝杠副、第一步进电机、抛光移动支座、第一固定支座和第二固定支座，第一固定支座和第二固定支座分别固定连接至底座的前后两端部，第一固定支座和第二固定支座之间的底座上设置有两根沿底座前后方向布置的滑轨，第一固定支座和第二固定支座上分别固定连接有与滑轨垂直的第一支撑板和第三支撑板，滚珠丝杠副的丝杠与滑轨平行且两端分别与第一支撑板和第三支撑板转动连接，抛光移动支座位于两个固定支座之间且与滑轨滑动配合，抛光移动支座与滚珠丝杠副的滑动螺母固定连接，第一步进电机与滚珠丝杠副的丝杠相连用以驱动丝杠转动；

19、抛光组件包括内齿圈、外齿圈、第二支撑板、轮辐式直齿圆柱齿轮、相啮合的太阳齿轮和多个行星齿轮以及第二步进电机，第二支撑板与丝杠垂直并与抛光移动支座固定连接，太阳齿轮和多个行星齿轮分别通过尼龙空心轴安装至第二支撑板的前侧壁上，尼龙空心轴贯穿第二支撑板，且尼龙空心轴的轴向后端面与第二支撑板的后侧壁共面并通过胶结的方式固定，尼龙空心轴贴合第二支撑板前侧壁处设置有限位轴肩；太阳齿轮和多个行星齿轮位于内齿圈内侧，且内齿圈与所有行星齿轮啮合，外齿圈的内圈与内齿圈的外圈贴合固定，轮辐式直齿圆柱齿轮安装至第二支撑板的前侧壁上，第二步进电机位于第二支撑板的后侧壁上，第二步进电机的输出轴与轮辐式直齿圆柱齿轮传动连接，轮辐式直齿圆柱齿轮与外齿圈啮合，第二支撑板上还连接有将所有齿轮罩设在内的齿轮箱盖；太阳齿轮和行星齿轮结构一致均包括导磁环以及沿尼龙空心轴径向对称布置的两个磁极相反的外磁极；每个尼龙空心轴的后端口处均安装有连接至第二支撑板的后侧壁上的电磁夹紧装置，电磁夹紧装置包括两块分别位于尼龙空心轴左右两侧且用于夹持待抛光细长管的夹紧块；

20、第一支撑板和第三支撑板分别开有与尼龙空心轴数量相等且位置水平对应的多个用于穿置待抛光细长管的通孔，第一支撑板上固定连接有首端限位传感器，第三支撑板上固定连接有尾端限位传感器；抛光组件还包括切削液容器、终止传感器和中央处理器，终止传感器固定至待抛光细长管的尾部，切削液容器通过软管连接有配流盘，配流盘连接至待抛光细长管的首端，终止传感器、首端限位传感器、尾端限位传感器、第一步进电机、第二步进电机、电磁夹紧装置均与中央处理器电连接。

21、本发明所述的基于磁性磨具的细长管内抛光装置中，磁性磨具位于细长管内部且二者同轴布置；第一步进电机通过螺钉固定在第一支撑板上且其输出轴贯穿第一支撑板，与滚珠丝杠副的丝杠端部通过梅花联轴器固定连接，滚珠丝杠副的滑动螺母通过法兰、螺钉固定连接至抛光移动支座的侧面，在第一步进电机的转动作用下，通过滚珠丝杠副的滑动螺母的特殊运行形式可实现抛光移动支座的沿丝杠前后往复运动。在抛光组件中，第二步进电机通过螺钉固定在第二支撑板上且其输出轴贯穿第二支撑板与轮辐式直齿圆柱齿轮固定连接，轮辐式直齿圆柱齿轮与外齿圈构成一对啮合副，又因为外齿圈与内齿圈固定连接，所以当第二步进电机驱动轮辐式直齿圆柱齿轮转动时，轮辐式直齿圆柱齿轮带动外齿圈转动，继而内齿圈随外齿圈同步转动，内齿圈带动太阳齿轮和多个行星齿轮转动。齿轮箱盖通过螺栓固定在第二支撑板上，设置齿轮箱盖是为了防止灰尘、污物侵入运动部位，保证所有齿轮正常运转，且保证齿轮稳定连接。太阳齿轮和多个行星齿轮中，均包括导磁环和两个磁极相反的外磁极，该种结构下可在尼龙空心轴两端形成了一个磁场，同时通过导磁环形成了一个闭合磁回路以防止磁漏现象。电磁夹紧装置通过接入不同方向的电流从而产生不同的磁场，依靠异性磁极之间的吸引力实现两块夹紧块相对靠拢，从而夹紧待抛光细长管，当电磁夹紧装置断电后，两块夹紧块的吸引力消失，无法夹紧抛光细长管。本发明所述装置结构简单，操作方便，自动化程度高，抛光过程中不需要人工参与，抛光效率高，可同时加工多根细长管，可加工细长管的具体尺寸为外径8mm≤ø≤10mm，内径2mm≤ø≤6mm，长度l≥5000mm；对细长管的刚度、长度等具有较好的适应性。

22、当珩磨所述待抛光细长管时，将待抛光细长管依次贯穿第一支撑板的通孔、第二支撑板的尼龙空心轴和第三支撑板的通孔，将磁性磨具放入待抛光细长管内部，且位于两个外磁极之间；在齿轮的带动下，外磁极跟随着做回转运动，在待抛光细长管内部形成一个旋转磁场，从而带动磁性磨具在待抛光细长管内做回转运动，同时在滚珠丝杠副的滑动螺母的进给运动下，磁性磨具最终的运动形式为螺旋前进，从而达到抛光细长管工件内表面的目的；在抛光过程中，切削液从切削液容器泵出，经软管流入配流盘入口端，配流盘的多个出口端刚好嵌入等数量的待抛光细长管的端口，同时将切削液分配到五根待抛光细长管内部，以便带走抛光过程中产生的碎屑，同时也起到降温、润滑的作用。

23、整个抛光加工过程中，加工周期分为两个行程，一是第二支撑板从第一支撑板到第三支撑板运动时的抛光行程，二是第二支撑板从第三支撑板到第一支撑板运动时的进给行程；首端限位传感器放置在第一支撑板上且处于滚珠丝杠的正下端，尾端限位传感器放置在第三支撑板上且处于滚珠丝杠的正下端，当抛光移动支座位于抛光行程的起始位置时，首端限位传感器将电信号传给中央处理器，中央处理器发出相应的信号控制电磁夹紧装置不通电，同时控制第一步进电机和第二步进电机正转，丝杠转动，带动抛光移动支座沿丝杠向第三支撑板运动，磁性磨具在外磁场的带动作用下，随着第二支撑板螺旋前进并抛光细长管工件的内表面；当抛光移动支座运动至第三支撑板处时，尾端限位传感器检测到信号并将信号传输至中央处理器，此时中央处理器发出相应的信号控制电磁夹紧装置通电，电磁夹紧装置得电后两个夹紧块相对运动将待抛光细长管夹紧，同时控制第一步进电机反转，丝杠反向转动，带动抛光移动支座沿丝杠向第一支撑板运动，此时第二支撑板和待抛光细长管相对静止同步向前运动，当抛光移动支座移动至第一支撑板处时，首端限位传感器又接收到相应的信号，从而继续抛光细长管工件，周而复始，通过本发明所述的装置能自动化抛光整个细长管的内表面，在抛光过程最后的一个加工周期中，当待抛光细长管尾端的终止传感器将信号传递给中央处理器后，第一步进电机和第二步进电机停止转动，整个设备断电，抛光过程结束，将细长管工件取出清洗，加工过程结束。具体过程中，第一步进电机在抛光行程时的转速为5r/min，在进给行程的转速为150r/min，第二步进电机的转速为150r/min。

24、优选的，太阳齿轮和行星齿轮从外到内分为三层，依次为尼龙外圈、导磁环和尼龙内圈，三层通过胶结的方式固定，尼龙外圈沿圆周均匀设置有直齿，尼龙内圈中心设有安装孔并与尼龙空心轴同轴安装，尼龙内圈上沿180°对称加工有两个用于嵌装外磁极的通槽，外磁极的外端与导磁环连接，内端贴合尼龙空心轴。三层通过胶结固定后，整体结构涂膜处理以降低磨损与腐蚀，所述导磁环的材质为45号钢，导磁环与两个外磁极形成闭合磁回路。

25、优选的，电磁夹紧装置中的夹紧块包括固定块、锁紧块、橡胶垫块、绕组元件和复位压缩弹簧，固定块与第二支撑板固定连接，固定块上开有水平滑动槽，水平滑动槽靠近尼龙空心轴的端部设有与固定块一体成型的挡板，挡板上设置有安装凸台，锁紧块的底部一体成型有与水平滑动槽配合的限位滑块，复位压缩弹簧安装至限位滑块与安装凸台之间，锁紧块中开有固定绕组元件的安装腔，橡胶垫块固定连接至锁紧块靠近尼龙空心轴的端部，且橡胶垫块上用于接触待抛光细长管的端部设置为凹面，绕组元件上绕有一定匝数的线圈；同一个电磁夹紧装置中两块夹紧块的绕组元件接入不同方向的电流，用于产生不同的磁极从而夹紧待抛光细长管。固定块横向布置在尼龙空心轴两侧，水平滑动槽与固定块的长度方向一致，复位压缩弹簧在绕组元件不通电的情况可将锁紧块推动至原始位置。

26、优选的，抛光移动支座的底部固定连接有与滑轨适配的滑动件，滑动件在限位作用下可沿滑轨长度方向运动。滑动件通过螺钉固定连接至抛光移动支座底部，在限位作用下，滑动件只能沿滑轨长度方向运动。

27、优选的，轮辐式直齿圆柱齿轮与外齿圈的齿数比为1:3，太阳齿轮与行星齿轮的齿数比为1:1。这样设置结构合理。

28、优选的，行星齿轮的数量为四个，且沿太阳齿轮的周向均匀布置。这样设置结构合理。

29、本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明中磁性磨具的制备工艺流程简单，制备得到的磁性磨具能起到良好的抛光作用；对细长管工件内表面的抛磨作用力优于其他类型的磨料，具有良好的加工效果；同时加工装置结构简单易操作，自动化程度高，抛光过程中不需要人工参与，抛光效率高，可同时加工多根细长管；对细长管的刚度、长度等具有较好的适应性。