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磁力研磨特点及其关键技术

引言
随着CAD／CAM技术的快速发展, 复杂形状零件的加工方法逐渐倍受国内外的关注, 特别在航空航天、 船舶、 汽车和国防等领域中, 许多核心零件都具有复杂的曲面。由于复杂曲面不能由初等解析曲面组成, 因此复杂形状零件的复杂曲面的高效和高质量加工一直是国内外制造领域中的难题。手工研磨抛光是最常见的光整加工方法, 但该方法的劳动强度大, 生产效率低, 产品的质量没有保障。另外, 由于模具型腔形状复杂, 很多研磨抛光方法都有一定局限性, 难以广泛地推广使用。现有的复杂曲面光整加工方法存在着诸多弊端, 因此, 需要一种更加适用于复杂曲面的光整加工方法。磁力研磨加工是把磁场应用于传统的研磨技术中开发出的一种新的有效的光整加工方法之一。这种加工方法由于其柔性和自适应性, 适合于平面、 球面、 圆
柱面和其它复杂形状零件的加工, 利于实现光整加工的自动化。因此, 磁性研磨加工技术越来越得到重视。

1 磁研磨技术的研究现状

磁力研磨加工技术, 最早是由前苏联工程师Kargolow于1938年提出, 泛指利用辅助磁场的作用, 进行精密研磨的一种工艺方法。之后, 前苏联、 保加利亚、 日本等国家对其进行了深人的研究。迄今为止, 国外磁力研磨技术已成功地应用在多个方面．如不锈钢管和净气瓶的内壁研磨, 研磨修整超硬磨料砂轮, 研磨塑料透镜, 细长轴类陶瓷加工, 缝纫机零件等的去毛刺与抛光加工, 提高刃口的使用性能等。国内对于磁力研磨的研究工作是近二十年来才开始进行的, 经过这些年的研究, 取得了一些有价值的研究成果, 例如上海交通大学进行了物流管道内表面磁力研磨的回转磁场的设计H1; 太原理工大学研制了粘结法和热压烧结法制备磁性磨料的工艺, 并深入研究了磁力研磨的磨削机理; 西安工业学院进行了磁力研磨加工的数值仿真, 以及磁屏蔽对内圆磁力研磨加工影响的研究。山东理工大学自行研制了三坐标数字化加工控制磁力研磨机床。由于国内起步比较晚, 在理论和实验等方面还和国外有不小的差距, 当前还主要处在实验研究的阶段, 实际应用的不多, 而且深度与国外相比还不够博。因此, 本文提出一种复杂曲面磁力研磨加工方法, 其加工工具具有磁性磨料的自动更新等功能。

2 加工原理及特点

2.1 加工原理
磁力研磨加工是在强磁场作用下, 填充在磁场中的磁性磨料被沿着磁力线的方向排列起来, 吸附在磁极上形成”磨料刷”, 并对工件表面产生一定的压力, 磁极在带动”磨料刷”旋转的同时, 保持一定的间隙沿工件表面移动, 从而实现对工件表面的光整加工。在加工中磁性磨粒的受力状态如图" 所示, 磨粒受到工件表面法向力和切向力的作用, 作用力使磨粒有向切线方向飞散的趋势, 但由于磁场效应, 磨粒同时还受到沿磁力线方向的一个压向工件的力和沿磁等位线方向的作用力能够防止磨粒向加工区域以外流动, 从而保证研磨工作的正常进行。

图1 磁力研磨示意图
1磁性磨粒2 3 磁极4工件

2.2加工特点
(1)磨粒自锐性能好, 磨削能力强, 加工效率高, 能够自动调整研磨切削力, 实现对机械零件表面的精密研磨加工。
(2)温升小, 工件变形小, 切削深度小, 加工表面平整光洁, 加工精度可达0.01mm。
(3)工件表面的交变励磁, 强化了表面电化学过程, 改变了表面的应力分布状态, 提高了工件表面的物理机械性能。
(4)加工对象适应性强, 能够研磨平面、 曲面以及复杂形状零件的内外表面, 例如弯管、 " 型管、 异型内表面、 小瓶颈零件内表面。
(5)具有交变磁场的磁力研磨装置由于没有运动部件, 因而运行可靠, 设备的寿命大大提高。可是, 由于当前磁性磨料制作成本较高, 工件的装夹与去磁问题尚未得到解决, 形成批量生产尚有困难。

3典型的加工装置

3.1外圆磁力研磨装置
如图2所示, 工件5安装在立式铣床上, 在工件与磁极之间的间隙内填入磁性磨料, 主轴使工件产生回转和上下进给运动。向线圈通入直流电, 即可产生有一定磁感应强度的磁场。实验表明, 此方法研磨外圆可使工件表面粗糙度值由1.6um降至0.2um。磨料种类和磁感应强度对研磨效果有较大影响, 增加磁感应强度或采用烧结磨料能够提高研磨效率。

图2外圆磁力研磨装置示意图
1线圈2磁极3磁轭4底座5工件6磁性磨料7主轴

3.2内圆表面磁力研磨装置
如图3所示, 该装置适用于非磁性物质( 如黄铜) 圆管等的内表面光整加工。圆管内部装有永磁铁和磁性磨料, 磁性磨料吸附在永磁铁的周围, 当圆管外部加上永磁铁时, 磁性磨料在磁场的作用下对圆管内表面产生一定的压力。该装置的本体能够安装到车床的拖板上, 工件由主轴带动作回转运动, 永磁铁沿工件轴线方向振动, 拖板带动工件作进给运动。黄铜圆管内表面加工后, 表面粗糙度值可从7um降至1.3um。

图3内圆表面磁力研磨装置示意图
1永磁铁2磁性磨料3 振动方向4磁极5非磁性管

4 复杂曲面数字化磁力光整加工
对平面或规则曲面( 内、 外圆面等) 的加工一般可采用前述的自动化光整加工装置来完成。而复杂模具的外表面往往以非规则曲面占多数, 且模具产品表面光洁度要求非常高, 实现自动化光整加工较困难。当前普遍采用手工打磨, 造成质量不稳定、 效率非常低、 人为因素影响较大等缺点。如果能结合曲面数字化方法( 接触式、 非接触式) , 先提取复杂曲面的三维几何数据, 经过相应的软件生成曲面的几何模型和数控加工代码, 再利用数控磁力研磨光整加工设备完成复杂曲面的自动化光整加工, 就能够克服手工光整加工的弱点, 大大提高生产效率。山东工程学院的赵玉刚等人已进行了类似的研究, 开发了复杂曲面数控磁力研磨加工机床。该机床采用的控制系统是为适应磁力研磨加工工艺特点而自行研制的三坐标数字化仿形加工控制系统。该加工设备除了具有普通三坐标数控铣床控制系统的功能外, 还具有曲面示教方式三坐标数字化测量功能、 曲面加工轨迹的自动编程和磁性磨料的自动更换功能等。