CN106926140A - 一种磁流变抛光液电化学保质装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁流变抛光液电化学保质装置及保质方法，包括绝缘容器、搅拌器、渗透膜、辅助阳极、直流电源、阴极、氮气、回流泵、动力泵。绝缘容器被渗透膜分隔成左右两腔，磁流变抛光液和单相基液分别盛于绝缘容器左右两腔；渗透膜阻止磁流变抛光液中的铁粉向单相基液一侧扩散，允许基液及离子透过渗透膜形成电流；直流电源正、负极分别与辅助阳极和阴极连接；辅助阳极置于单相基液中不与磁性铁粉接触，阴极则置于磁流变抛光液中；电流从电源正极经辅助阳极、单相基液、磁流变抛光液和阴极流回电源负极；由于阴极置于磁流变抛光液中，磁流变抛光液电位较低，使其处于免蚀区，极大抑制了其中的磁性羰基铁粉氧化。

Description

一种磁流变抛光液电化学保质装置及方法

技术领域

本发明涉及磁流变加工技术领域，特别是一种磁流变抛光液电化学保质装置及保质方法。

背景技术

磁流变抛光技术是一种最具前途的光学精密加工方法，该方法利用磁流变抛光液在外加磁场作用下发生流变效应，粘性瞬间增大，形成具有一定塑性的类固态Bingham体对工件实施抛光加工。由于流变后的磁流变抛光液具有一定柔性，磁流变加工可获得无损伤的超光滑光学表面，且具备去除函数稳定、柔度可控、适于加工的材料范围广等优点，因此，磁流变抛光技术已为业界高度关注，成为未来极具前途和应用价值的超精密光学加工方法之一。

作为加工工作介质，磁流变抛光液是磁流变抛光技术的核心，其性能的优劣直接决定着抛光质量的好坏。目前，用于加工的磁流变抛光液主要由磁性铁粉颗粒、非磁性磨料、载基液及稳定剂等成分构成。由于加工通常在开放环境中进行，磁流变抛光液中的磁性铁粉颗粒极易被空气及基液中溶解的氧元素氧化，导致变质失效现象发生。变质会降低磁流变抛光液的均匀性和再分散性，使流动性变差，流变效应下降，严重影响抛光效果，极大缩短磁流变抛光液使用寿命，实践表明：未作保质处理的磁流变抛光液自然失效时间一般为6~8天左右。由于磁流变抛光液价格昂贵，单价通常可达每升1500元左右甚至更高，加工时流体用量较大，变质问题使得磁流变抛光液的使用成本及磁流变加工成本非常高。目前，该技术主要用于产品附加值较高的高端精密光学加工领域，而在一般领域，受成本问题所限，应用效果并不理想。磁流变抛光液氧化变质问题因而成为阻碍磁流变加工成本大幅降低、制约其推广应用的颈瓶，延长磁流变抛光液使用寿命成为亟待解决的关键技术问题。

发明专利CN 1202848A 公开了一种“确定性磁流变流体精整加工”方法，通过调节磁流变抛光液PH值到9-11左右，使之呈强碱性，通过钝化作用抑制铁粉颗粒氧化，使磁流变抛光液保质时间延长至4周左右。碱化处理虽然对延长磁流变抛光液使用寿命具有一定效果，但由于抛光时工件与铁粉颗粒的相互作用破坏了氧化膜，氧化得以继续进行，因而该方法无法从根本上抑制氧化，不足以改善磁流变加工成本高昂的局面。

综上所述，可知已有研究对于提高磁流变抛光液抗氧化能力效果并不理想。因此有必要对探索新的保质方法和途径，抑制氧化，大幅延长流体使用寿命，降低加工成本，拓宽磁流变抛光技术应用前景。

发明内容

本发明旨在提供一种磁流变抛光液电化学保质装置及保质方法，从根本上抑制磁流变抛光液中的铁粉氧化，显著延长流体使用寿命，大幅降低磁流变抛光成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种磁流变抛光液电化学保质装置，包括：

绝缘容器；

盛放于所述绝缘容器中，并被渗透膜分隔的磁流变抛光液和单相基液；

置于单相基液内的辅助阳极；

置于磁流变抛光液中的阴极；以及

与所述辅助阳极、阴极电连接的直流电源。

上述装置中，渗透膜阻止磁流变抛光液中的铁粉向单相基液一侧扩散，但允许基液及离子透过渗透膜在磁流变抛光液和单相基液之间进行交换，形成电流，通过控制直流电源的电压可以控制流经磁流变抛光液的电流大小，从而调节电化学保质效果；由于磁流变抛光液与阴极直接接触，其电位较低，磁流变抛光液处于免蚀区，极大抑制了其中的磁性羰基铁粉氧化。

本发明的装置还包括置于磁流变抛光液中，对所述磁流变抛光液进行搅拌，防止磁流变抛光液沉降结块的搅拌器。

进一步地，本发明的装置还包括将所述磁流变抛光液泵送至加工区域的动力泵，以及将经过抛光加工处理后剩余的磁流变抛光液抽回所述绝缘容器的回流泵。

绝缘容器顶部通过盖板盖合，且所述盖板与所述磁流变抛光液、单相基液的液面之间充满氮气，防止空气进入绝缘容器氧化磁流变抛光液。

进一步地，本发明的渗透膜采用过滤膜或离子交换膜，优选过滤膜额定孔径小于0.5 μm，进一步优选过滤膜额定孔径小于0.05 μm，更好地阻止磁流变抛光液中的铁粉向单相基液一侧扩散。优选离子交换膜为碱性氢氧根阴离子交换膜，进一步优选为聚砜基氢氧根离子交换膜、噻唑和吡咯烷季铵化氢氧根离子交换膜、季铵化聚砜氢氧根离子交换膜、聚醚醚酮基氢氧根离子交换膜或咪唑鎓化聚砜共混氢氧根交换膜。

相应地，本发明还提供了一种利用上述磁流变抛光液电化学保质装置对磁流变抛光液进行电化学保质的方法，该方法包括：将阴极置于磁流变抛光液中，通过降低磁流变抛光液的体系电位，使磁流变抛光液处于免蚀区，抑制磁流变抛光液中的磁性羰基铁粉氧化。

针对上述原理，本发明方法具体实现过程包括：开启直流电源，基液及离子通过渗透膜在磁流变抛光液与单相基液之间进行交换，形成电流；渗透膜阻止磁流变抛光液中的铁粉向单相基液一侧扩散；电流从电源正极经辅助阳极、单相基液、磁流变抛光液和阴极流回电源负极；所述阴极置于磁流变抛光液中，导致磁流变抛光液电位比单相基液电位低，使磁流变抛光液处于免蚀区，抑制磁流变抛光液中的磁性羰基铁粉氧化。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明辅助阳极置于单相基液中不与磁性铁粉接触，阴极则置于磁流变抛光液中；电流从电源正极经辅助阳极、单相基液、磁流变抛光液和阴极流回电源负极，由于阴极置于磁流变抛光液中，磁流变抛光液电位较低，使其处于免蚀区，极大抑制了其中的磁性羰基铁粉氧化，大幅延长磁流变抛光液使用寿命，显著降低磁流变抛光加工成本。

附图说明

图1为本发明一实施例结构示意图；

图2为Fe-H₂O 体系电位-PH图；

图3为本发明离子交换膜工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，磁流变抛光液3和单相基液5盛于绝缘容器1中；渗透膜4将磁流变抛光液3和单相基液5分隔，阻止磁流变抛光液3中的铁粉向单相基液5一侧扩散，但允许基液及离子透过渗透膜4在磁流变抛光液3和单相基液5之间进行交换，形成电流；直流电源7的正、负极分别与辅助阳极6、阴极8连接；辅助阳极6置于单相基液5中；阴极8则置于磁流变抛光液3中；电流从电源正极经辅助阳极6、单相基液5、磁流变抛光液3和阴极8流回电源负极；通过控制直流电源7的电压可以控制流经磁流变抛光液3的电流大小，从而调节电化学保质效果；由于磁流变抛光液3与阴极8直接接触，其电位较低，磁流变抛光液3处于免蚀区，极大抑制了其中的磁性羰基铁粉氧化；绝缘容器1顶部装有盖板12，盖板12与溶液液面之间的空间充满氮气9，防止空气进入绝缘容器1氧化磁流变抛光液3；搅拌器2置于磁流变抛光液3中，对其进行机械搅拌，防止磁流变抛光液3沉降结块；抛光加工时，动力泵11和回流泵10同时开启，磁流变抛光液3经动力泵11输送至加工区域，再经回流泵10抽回绝缘容器1中，形成流体循环。若渗透膜4采用离子交换膜，由于氢氧根离子透过渗透膜4从磁流变抛光液3流向单相基液5，导致磁流变抛光液3碱性减弱，单相基液5碱性增强，动力泵13适时适量抽取单相基液5至磁流变抛光液3，使磁流变抛光液3和单相基液5酸碱性保持均衡。

本发明中，绝缘容器1采用耐碱蚀的绝缘材料制作，优选为PVC或PP塑胶；辅助阳极6可选用不溶性材料制作，要求具备：导电性好、阳极/单相基液的界面电阻低，极化小、耐腐蚀、寿命长、价格便宜等特点，优选为铂/氧化铂、石墨、镀铂钛或铂合金等。

本发明中，辅助阳极采用比金属铁更活泼的金属。

参见图2，磁流变抛光液电化学保质机理的Fe-H₂O 体系电位-PH图中，吸氧腐蚀区14为Fe²⁺和H₂O的稳定区，当Fe-H₂O 体系电位-PH值处于吸氧腐蚀区14时，Fe易发生吸氧腐蚀；析氢腐蚀区15为Fe²⁺和H₂的稳定区，当Fe-H₂O 体系电位-PH值处于析氢腐蚀区15时，Fe易发生析氢腐蚀；免蚀区16为单质Fe的稳定区，当Fe-H₂O 体系电位-PH值处于免蚀区16时，Fe不易发生腐蚀；钝态区17为氧化膜保护区，当Fe-H₂O 体系电位-PH值处于钝态区17时，Fe因受氧化膜保护而不易发生腐蚀。图2中，φ_e为体系电位，PH值表征溶液的酸碱度。

由图2可知，体系处于吸氧腐蚀区是Fe氧化的主要原因，若要避免氧化，可采用如下措施：

（a）增加溶液的PH值，使之呈强碱性，使体系进入钝态区；

（b）将体系电位降至免蚀区，对铁粉施行阴极保护。

如前所述，依据措施（a）对磁流变抛光液3进行碱化处理无法从根本上抑制氧化，不足以改善磁流变加工成本高昂的局面。本发明依据措施（b）提出一种磁流变抛光液电化学保质方法，如图1所示，将阴极8置于磁流变抛光液3中，通过降低磁流变抛光液3的体系电位，使其进入免蚀区16，从根本上抑制氧化，显著延长流体使用寿命，大幅降低磁流变抛光成本。

图3用于说明渗透膜4采用离子交换膜时的离子交换工作原理，电流经单相基液5、渗透膜4流向磁流变抛光液3，磁流变抛光液3中的氢氧根离子则在电场作用下，透过渗透膜4单向流至单相基液5，导致磁流变抛光液3中氢氧根离子浓度降低，碱性减弱，单相基液5中氢氧根离子浓度升高，碱性增强。

Claims (10)

1.一种磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，包括：

绝缘容器（1）；

盛放于所述绝缘容器（1）中，并被渗透膜（4）分隔的磁流变抛光液（3）和单相基液（5）；

置于单相基液（5）内的辅助阳极（6）；

置于磁流变抛光液（3）中的阴极（8）；以及

与所述辅助阳极（6）、阴极（8）电连接的直流电源（7）。

2.根据权利要求1所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，还包括置于磁流变抛光液（3）中，对所述磁流变抛光液（3）进行搅拌，防止磁流变抛光液（3）沉降结块的搅拌器（2）。

3.根据权利要求1所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，还包括将所述磁流变抛光液（3）泵送至加工区域的动力泵（11），以及将经过抛光加工处理后剩余的磁流变抛光液（3）抽回所述绝缘容器（1）的回流泵（10）。

4.根据权利要求1所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，所述绝缘容器（1）顶部通过盖板（12）盖合，且所述盖板（12）与所述磁流变抛光液（3）、单相基液（5）的液面之间充满氮气（9）。

5.根据权利要求1所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，所述渗透膜（4）采用过滤膜或离子交换膜。

6.根据权利要求5所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，所述过滤膜额定孔径小于0.5 μm。

7.根据权利要求5所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，所述过滤膜额定孔径小于0.05 μm。

8.根据权利要求5所述的磁流变抛光液电化学保质装置，其特征在于，所述离子交换膜为碱性氢氧根阴离子交换膜。

9.一种利用权利要求1～8之一所述的磁流变抛光液电化学保质装置对磁流变抛光液进行电化学保质的方法，其特征在于，该方法包括：将阴极（8）置于磁流变抛光液（3）中，通过降低磁流变抛光液（3）的体系电位，使磁流变抛光液（3）处于免蚀区，抑制磁流变抛光液（3）中的磁性羰基铁粉氧化。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法具体实现过程包括：开启直流电源（7），基液及离子通过渗透膜（4）在磁流变抛光液（3）与单相基液（5）之间进行交换，形成电流；渗透膜（4）阻止磁流变抛光液（3）中的铁粉向单相基液（5）一侧扩散；电流从电源正极经辅助阳极（6）、单相基液（5）、磁流变抛光液（3）和阴极（8）流回电源负极；所述阴极（8）置于磁流变抛光液（3）中，导致磁流变抛光液（3）电位比单相基液（5）电位低，使磁流变抛光液（3）处于免蚀区，抑制磁流变抛光液（3）中的磁性羰基铁粉氧化。