磁流变抛光液强混合流场分散装置和方法与流程

本发明涉及精密和超精密加工技术领域，尤其涉及一种旋转超声振动分散系统及一种利用旋转超声振动分散系统进行磁流变抛光液强混合流场分散的装置和方法。

背景技术：

磁流变抛光液是由磁性颗粒、非磁性磨料、基载液以及多种添加剂混合形成的悬浮液。磁流变抛光液在不添加磁场时近似牛顿流体，而在施加磁场时呈现高粘度、低流动性的宾汉流体特征，尤其适用于工业用关键零部件精密、微量、可控和确定性去除。目前，磁流变抛光获得的型面精度可达数十纳米以下，其表面质量近似无亚表面缺陷，被广泛应用于机械工程、航空航天、宇宙探测、军事侦察、光纤通信、核能聚变等领域精密及超精密元器件的光整加工，尤其在镜面光学元件、精密微细沟槽零件中具有特殊的应用。然而，磁流变抛光液的制备和使用过程中一直存在颗粒凝聚、结块和沉降现象，尤其对于高粘度的磁流变抛光液，颗粒的团聚和沉降会严重影响零件的抛光质量、抛光效率以及加工工艺的稳定性。因此，磁流变抛光液制备时就特别需要对众多颗粒进行混合均匀分散。

物料颗粒的混合分散主要借助混合搅拌机械，如槽形混合机、v型混合机、锥形混合机以及双锥形混合机等等。双锥形混合机作为高效、相对成熟的混合机械，可用于干性或湿性粉状物料的混合，并且可以保证颗粒物料不压溃、不磨碎、不过热，无分屑离析等缺陷，但是该混合方式主要适合物料比重悬殊、较大粒径的固体颗粒，而对于含颗粒液体如磁流变抛光液的混合分散效果有限。含颗粒液体的混合分散一般多采用机械叶片搅拌方式，如在搅拌容器底部安装螺旋浆叶片，从而对物料颗粒进行高速旋转混合，但是这种方法对于粘性大的液体介质容易产生剪切稀化现象。近年来，超声搅拌技术被广泛应用于各种液体介质的混合搅拌，如河南省电力公司电力科学研究院(申请号201610730557.x)公开的超声波混合真空搅拌罐，采用罐体中间设置机械搅拌桨叶，壁面设置超声振动棒的方式进行天然脂绝缘油的混合分散。但是，超声振动棒普遍存在作用辐射面积小、能量辐射不均匀、颗粒搅拌量少的难题。因此对于工业用磁流变抛光液的大规模生产，单纯依靠混合搅拌机械和超声搅拌技术尚不足以完成磁流变抛光液中磁性颗粒、非磁性磨料等多种颗粒的混合均匀分散。

技术实现要素：

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种旋转超声振动分散系统及一种利用旋转超声振动分散系统进行磁流变抛光液强混合流场分散的装置和方法。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种旋转超声振动分散系统，包括：第一电动机、第一减速器、第一减速器输出轴、连接主轴、碳刷、铜环、超声波发生器、压电换能器、变幅杆、螺旋叶片工具头、变幅杆法兰盘、筒形内壳、前端盖、轴承、筒形外壳、后端盖及连接套筒；

其中，所述第一电动机的输出轴与第一减速器的输入轴通过一联轴器连接，所述第一减速器的输出轴与连接主轴的一端通过一联轴器连接，所述前端盖与筒形内壳的一端通过螺栓连接，以封闭筒型内壳的开口，连接主轴的另一端设置螺纹，前端盖中心设置内螺纹孔，连接主轴的另一端与前端盖通过螺纹配合进行连接；所述筒形内壳的另一端与变幅杆法兰盘通过螺栓连接，变幅杆法兰盘固定在变幅杆上，变幅杆穿过后端盖，且两者保持毡圈密封；

所述变幅杆置于筒型内壳内部，且一端与置于筒型内壳内部的压电换能器通过双头螺柱连接，所述变幅杆的另一端与螺旋叶片工具头通过双头螺柱连接；

筒形内壳外径设置有外套筒，且外套筒与轴承的内圈直径相等，，将外套筒固定于轴承的内圈中，筒型外壳固定于轴承外圈外侧，以使筒形内壳通过轴承随连接主轴在筒形外壳中回转；所述筒形外壳的一端与后端盖通过螺栓连接，另一端与设置于连接主轴外侧的连接套筒的一端通过螺栓连接，连接套筒的另一端与第一减速器的外壳通过螺栓连接，从而将连接套筒、筒形外壳、第一减速器的外壳连接为一个整体；

压电换能器、变幅杆、螺旋叶片工具头和筒形内壳沿连接主轴中心轴线对称，并且随连接主轴的旋转而旋转；

铜环固定于所述连接主轴上，二者保持绝缘接触，所述铜环外壁还设置碳刷，碳刷和铜环保持滑动接触；所述铜环与压电换能器通过导线相连；超声波信号由超声波发生器产生，经过碳刷和铜环导入给压电换能器，从而带动变幅杆和螺旋叶片工具头进行超声频机械振动。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种磁流变抛光液强混合流场分散装置，包括如前述技术方案所述的旋转超声振动分散系统，还包括上封头、下封头、用于盛放磁流变抛光液的锥形内筒、出液阀、锥形内筒外壳、皮带传动机构、第二减速器及第二电动机；

上封头与下封头通过螺栓连接，所述下封头用于支撑整个装置的重量；所述锥形内筒设置于上封头和下封头形成的空间内，所述锥形内筒外壳设置于锥形内筒外侧，与锥形内筒外壳通过螺栓连接为一个整体；设置两个旋转超声振动分散系统分别穿过上封头探入锥形内筒中，两个旋转超声振动分散系统沿着锥形内筒轴线对称分布，并且分别与锥形内筒壁面保持平行；所述旋转超声振动分散系统的筒形外壳与上封头通过螺栓连接；所述上封头还设有进料口，所述磁流变抛光液经过上封头的进料口注入锥形内筒中；所述锥形内筒的下侧壁设有出液阀，锥形内筒外壳的下方设有出料口，以便将混合后的磁流变抛光液排出；所述锥形内筒外壳的底面中心通过皮带传动机构与第二减速器连接；所述第二减速器与第二电动机通过联轴器连接，以便控制锥形内筒和锥形内筒外壳做回转运动；所述锥形内筒外壳与下封头之间还设置有轴承支撑，以减弱锥形内筒和锥形内筒外壳在旋转过程中的径向振动。

其中，两组旋转超声振动分散系统的螺旋叶片工具头的长度l1和l2近似计算公式如下：

式中，n1和n2分别为正整数，c为螺旋叶片工具头的声速，f1和f2分别为旋转超声振动分散系统的谐振频率，该频率通过不同频率的超声波发生器进行调节。

其中，旋转超声振动分散系统的谐振频率fi与颗粒粒径di0采用如下公式近似计算：

式中，i＝1、2，γ为绝热指数，p0为液体静压力，σ为饱和蒸汽压；

谐振频率为f1的旋转超声振动分散系统，用于分散磁流变抛光液中粒径为d1的颗粒，谐振频率为f2的旋转超声振动分散系统，用于分散磁流变抛光液中粒径为d2的颗粒，通过调节f1和f2，实现磁流变抛光液磁性颗粒和非磁性磨料颗粒处于最佳混合分散效果。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，提出一种磁流变抛光液强混合流场分散方法，采用如前述技术方案所述的磁流变抛光液强混合流场分散装置进行磁流变抛光液强混合，包括：

磁流变抛光液通过上封头的进料口注入到锥形内筒中；

第二电动机通过第二减速器和皮带传动机构传动，带动锥形内筒和锥形内筒外壳进行回转运动；

同时，两组旋转超声振动分散系统的第一电动机和第一减速器带动螺旋叶片工具头进行回转运动，对磁流变抛光液进行初次搅拌；

所述螺旋叶片工具头的回转运动使得磁流变抛光液沿着锥形内筒不断对流、剪切、扩散、混合，从而形成分散磁流变抛光液颗粒的混合流场；

将超声波发生器产生的超声波传入压电换能器中，压电换能器将超声波转化为高频机械振动，变幅杆将高频机械振动放大后传递给螺旋叶片工具头，从而在锥形内筒中形成强烈的超声场；

磁流变抛光液在一定强度超声场作用下形成空化场，并在空化场内部产生大量剧烈振荡的空化泡，空化泡的剧烈振荡及其溃灭时释放的冲击能量对分散磁流变抛光液颗粒中的磁性颗粒和非磁性磨料颗粒进行强力分散，从而起到强化磁流变抛光液的混合流场的作用。

区别于现有技术，本发明的有益效果是：锥形内筒的回转运动和旋转超声振动分散系统的回转运动会形成分散磁流变抛光液颗粒的混合流场，保证了磁流变抛光液在装置内的流场循环；与此同时，旋转超声振动分散系统产生的超声空化效应会对磁流变抛光液的混合流场进行有效强化；超声空化产生的空化泡以及空化泡溃灭产生的一系列高温、高压、冲击波和微射流等效应能够将团聚的磁性颗粒、非磁性磨料颗粒以及其它小粒径悬浮液颗粒混合均匀分散，或者使得已沉降的颗粒再次被分散，从而提高了磁流变抛光液制备和使用过程中的可靠性。通过本发明，能够在现有混合流场分散装置的基础上对磁流变抛光液产生强烈的超声空化效应，从而提升非磁性磨料和磁性颗粒的混合均匀分散能力。

附图说明

图1是本发明提供的一种旋转超声振动分散系统的结构示意图；

图2是本发明提供的一种磁流变抛光液强混合流场分散装置的结构示意图；

图3是本发明提供的一种磁流变抛光液强混合流场分散方法的流程示意图。

图中：1-第一电动机；2-第一减速器；3-第一减速器输出轴；4-连接主轴；5-碳刷；6-铜环；7-超声波发生器；8-压电换能器；9-变幅杆；91-变幅杆法兰盘；10-螺旋叶片工具头；11-筒形内壳；12-外套筒；13-前端盖；14-轴承；15-筒形外壳；16-后端盖；17-连接套筒；18-上封头；19-下封头；20-锥形内筒；21-磁流变抛光液；22-出液阀；23-锥形内筒外壳；24-皮带传动机构；25-第二减速器；26-第二电动机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种旋转超声振动分散系统的结构示意图。该装置包括：

第一电动机1、第一减速器2、第一减速器输出轴3、连接主轴4、碳刷5、铜环6、超声波发生器7、压电换能器8、变幅杆9、螺旋叶片工具头10、变幅杆法兰盘91、筒形内壳11、外套筒12、前端盖13、轴承14、筒形外壳15、后端盖16及连接套筒17；

其中，所述第一电动机1的输出轴与第一减速器2的输入轴通过一联轴器连接，所述第一减速器的输出轴3与连接主轴4的一端通过一联轴器连接，所述前端盖13与筒形内壳11的一端通过螺栓连接，以封闭筒型内壳11的开口，连接主轴4的另一端设置螺纹，前端盖13中心设置内螺纹孔，连接主轴4的另一端与前端盖13通过螺纹配合进行连接；所述筒形内壳11的另一端与变幅杆法兰盘91通过螺栓连接，变幅杆法兰盘91固定在变幅杆9上，变幅杆9穿过后端盖16，且两者保持毡圈密封；

变幅杆9置于筒型内壳11内部，且一端与置于筒型内壳11内部的压电换能器8通过双头螺柱连接，所述变幅杆9的另一端与螺旋叶片工具头10通过双头螺柱连接；

筒形内壳11外径设置有外套筒12，且外套筒12与轴承14的内圈直径相等，，将外套筒12固定于轴承14的内圈中，筒型外壳15固定于轴承14外圈外侧，以使筒形内壳11通过轴承14随连接主轴4在筒形外壳15中回转；所述筒形外壳15的一端与后端盖16通过螺栓连接，另一端与设置于连接主轴4外侧的连接套筒14的一端通过螺栓连接，连接套筒14的另一端与第一减速器2的外壳通过螺栓连接，从而将连接套筒17、筒形外壳15、第一减速器2的外壳连接为一个整体；

压电换能器8、变幅杆9、螺旋叶片工具头10和筒形内壳11沿连接主轴4中心轴线对称，并且随连接主轴4的旋转而旋转；

铜环6固定于所述连接主轴4上，二者保持绝缘接触，所述铜环6外壁还设置碳刷5，碳刷5和铜环6保持滑动接触；所述铜环6与压电换能器8通过导线相连；超声波发生器7连接碳刷5，超声波信号由超声波发生器7产生，经过碳刷5和铜环6导入给压电换能器8，从而带动变幅杆9和螺旋叶片工具头10进行超声频机械振动。

如图2所示，图2是本发明提供的一种磁流变抛光液强混合流场分散装置的结构示意图。该装置包括：

如前述技术方案所述的旋转超声振动分散系统，如图2中的001和002，还包括上封头18、下封头19、用于盛放磁流变抛光液21的锥形内筒20、出液阀22、锥形内筒外壳23、皮带传动机构24、第二减速器25及第二电动机26；

上封头18与下封头19通过螺栓连接，所述下封头19用于支撑整个装置的重量；锥形内筒20设置于上封头18和下封头19形成的空间内，所述锥形内筒外壳23设置于锥形内筒20外侧，与锥形内筒外壳23通过螺栓连接为一个整体；设置两个旋转超声振动分散系统001和002分别穿过上封头18探入锥形内筒20中，两个旋转超声振动分散系统001和002沿着锥形内筒20轴线对称分布，并且分别与锥形内筒20壁面保持平行；旋转超声振动分散系统001和002的筒形外壳15与上封头18通过螺栓连接；所述上封头18还设有进料口，所述磁流变抛光液21经过上封头18的进料口注入锥形内筒20中；所述锥形内筒20的下侧壁设有出液阀22，锥形内筒外壳23的下方设有出料口，以便将混合后的磁流变抛光液排出；锥形内筒外壳23的底面中心通过皮带传动机构24与第二减速器25连接；所述第二减速器25与第二电动机26通过联轴器连接，以便控制锥形内筒20和锥形内筒外壳23做回转运动；所述锥形内筒外壳23与下封头19之间还设置有轴承支撑，以减弱锥形内筒20和锥形内筒外壳23在旋转过程中的径向振动。

优选的，两组旋转超声振动分散系统001和002的螺旋叶片工具头的长度l1和l2近似计算公式如下：

式中，n1和n2分别为正整数，c为螺旋叶片工具头的声速，f1和f2分别为旋转超声振动分散系统的谐振频率，该频率通过不同频率的超声波发生器进行调节。

优选的，旋转超声振动分散系统001和002的谐振频率fi与颗粒粒径di0采用如下公式近似计算：

式中，i＝1、2，γ为绝热指数，p0为液体静压力，σ为饱和蒸汽压；

谐振频率为f1的旋转超声振动分散系统，用于分散磁流变抛光液中粒径为d1的颗粒，谐振频率为f2的旋转超声振动分散系统，用于分散磁流变抛光液中粒径为d2的颗粒，通过调节f1和f2，实现磁流变抛光液磁性颗粒和非磁性磨料颗粒处于最佳混合分散效果。

此外，本发明还提供了一种磁流变抛光液强混合流场分散方法，采用如前述技术方案所述的磁流变抛光液强混合流场分散装置进行磁流变抛光液强混合，包括：

磁流变抛光液21通过上封头18的进料口注入到锥形内筒20中；

第二电动机26通过第二减速器25和皮带传动机构24传动，带动锥形内筒20和锥形内筒外壳23进行回转运动；

同时，两组旋转超声振动分散系统001和002的第一电动机1和第一减速器2带动螺旋叶片工具头10进行回转运动，对磁流变抛光液进行初次搅拌；

螺旋叶片工具头10的回转运动使得磁流变抛光液沿着锥形内筒20不断对流、剪切、扩散、混合，从而形成分散磁流变抛光液颗粒的混合流场；

将超声波发生器7产生的超声波传入压电换能器8中，压电换能器8将超声波转化为高频机械振动，变幅杆9将高频机械振动放大后传递给螺旋叶片工具头10，从而在锥形内筒20中形成强烈的超声场；

磁流变抛光液21在一定强度超声场作用下形成空化场，并在空化场内部产生大量剧烈振荡的空化泡，空化泡的剧烈振荡及其溃灭时释放的冲击能量对分散磁流变抛光液颗粒中的磁性颗粒和非磁性磨料颗粒进行强力分散，从而起到强化磁流变抛光液的混合流场的作用。

区别于现有技术，本发明的有益效果是：锥形内筒的回转运动和旋转超声振动分散系统的回转运动会形成分散磁流变抛光液颗粒的混合流场，保证了磁流变抛光液在装置内的流场循环；与此同时，旋转超声振动分散系统产生的超声空化效应会对磁流变抛光液的混合流场进行有效强化；超声空化产生的空化泡以及空化泡溃灭产生的一系列高温、高压、冲击波和微射流等效应能够将团聚的磁性颗粒、非磁性磨料颗粒以及其它小粒径悬浮液颗粒混合均匀分散，或者使得已沉降的颗粒再次被分散，从而提高了磁流变抛光液制备和使用过程中的可靠性。通过本发明，能够在现有混合流场分散装置的基础上对磁流变抛光液产生强烈的超声空化效应，从而提升非磁性磨料和磁性颗粒的混合均匀分散能力。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图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他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。