机床磁性动力研磨头设计

本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：机床磁性动力研磨头设计摘 要研磨是超精密和精密加工中一种重要加工方法。磁性研磨加工(MAF)是研磨的一种，磁性研磨主要有磁性磨料研磨和磁流体研磨两种，本文主要研究的是磁性磨料研磨。磁性研磨加工方法是磁性磨料在磁场作用下，被吸附在磁极上，形成了具有一定刚度的“柔性磨料刷”实现对工件表面研磨加工和棱边去毛刺的一种新型表面光整加工方法。目前在我国尚不普及，没有专用的设备，为了推广该项技术，研制开发了磁性研磨机，而研磨头是磁性研磨机的核心部分，本文主要探讨用 CA6140 普通车床改装的磁性研磨头的结构设计，研磨头的设计是改装后机床设计的重要一部分。文章论述了改装后的普通车床的磁性研磨加工机理，介绍了让工件旋转，磁极不动、并做往复运动的加工方法。本设计主要包括研磨头的整体设计和零部件的设计以及磁力系统的设计计算。关键词：磁性研磨头；磁性研磨；铁磁性材料；电磁感应器；精密加工ABSTRACTGrinding is an important process method of Ultra-precision and precision machining. Magnetic Abrasive Finishing (MAF) is a kind of grinding and have two main kinds,they are magnetic abrasive grinding and magnetic abrasive magnetic fluid grinding.This study introduces the magnetic abrasive grinding. Magnetic properties of magnetic abrasive polishing process is that magnetic abrasive in the magnetic field was attracted by the magnetic poles,and forms a certain rigidity of “soft abrasive brush“ to achieve on the surface grinding and deburring the edge of a new surface finishing methods. At present in China it is not yet universal,and have no special equipment.In order to promote the technology, there are developed a magnetic grinding machine.however, the grinding head is the core of the magnetic grinding machine, the paper focuses on CA6140 lathe with a grinding head of the modified structure of the magnetic design and grinding head design is modified to an important part of machine tool design. This article discusses the converted lathe machining mechanism of magnetic abrasive and introduces the workpiece rotation, the magnetic poles which do not move, and makes reciprocating motion of the processing methods. The design includes the overall design of grinding head and parts of the design and calculation of magnetic system design.Key words: Magnetic Grinding head ；Magnetic Abrasive Finishing；Ferromagnetic materials；Electromagnetic sensors；precision machining目 录第一章 绪论11.1 概述1 1.2 研磨头发展历程11.3 研究磁性研磨头的目的和意义21.4 研磨头的发展方向探讨2第二章 磁性研磨加工技术32.1 磁性研磨加工技术的特点32.2 影响磁性研磨的加工质量和效率的因素32.3 磁性磨料3本章小结4第三章 磁性研磨加工机理63.1 精密和超精密磨削的概述63.2 磁性磨料的受力分析73.3 磁粒的运动过程分析143.4 磁性研磨的加工机理153.5 磁性研磨常见问题的分析15本章小结18第四章 磁性研磨头的设计194.1 磁性研磨概述194.2 磁性研磨头设计要求整体设计 194.3 磁性研磨头详细设计21本章小结33第五章 磁力系统的设计计算355.1 电磁感应器的组成355.2 磁力系统的设计计算36本章小结40总结及展望41附录43参考文献44致谢461第一章 绪论1.1 概述利用在磁场中的磁性磨料所产生的磁力进行磁性研磨是机械零件表面光整加工的又一新技术、 新工艺。目前国内外专家学者已对外圆表面、 内圆表面、 平面及成形表面等的研磨进行了广泛的研究和开发应用。从原理上讲, 它可以对任何几何形状的表面进行精密光整加工, 因此, 有着十分广阔的应用前景和很好的经济效益。在磁力研磨加工中，磁力研磨装置的性能对加工质量的影响很大。根据磁性研磨光整加工的工作原理，提出一种由普通车床改装的用于圆柱面加工的磁力研磨装置的设计方法。目前我国对磁力研磨技术的研究才刚刚起步，在磁力研磨方面的资料和经验还不多,因此,对磁力研磨加工进行研究以前,首先需要解决磁力研磨加工设备问题。鉴于磁性研磨工艺在理论上对设备的要求还不是十分严格,根据磁力研磨特点和待加工工件现状设计磁研磨回路,在现有设备基础上进行改造,针对轴类零件的自身特点,对 CA6140 车床进行设备改造即可成为专用的磁力研磨装置，设计一种研磨头进行研磨的加工。1.2 研磨头的发展历程随着工程技术的发展，用于加工零件表面的研磨技术也不断的升级换代，更加完善成熟起来。1.2.1 磁性研磨技术发展历史磁性研磨技术MAF（Magnetic Abrasive Finishing）是在强磁场的作用下，用被磁化的磨粒对工件表面进行精密超精密研磨的一种工艺方法。1938年，前苏联工程师Kargolow首次正式提出MAF这一概念。从50年代开始，前苏联、保加利亚、日本等国发表了大量有关这方面的论文，研制了许多磁性研磨装置，使这项技术在实际中得到推广应用。研究工作主要涉及加工原理、加工特点、以及相关设备。有关MAF方面的会议已定期在保加利亚召开。1.2.2 磁性研磨技术研究现状作为一种新型的光整加工技术，磁性研磨加工具有较好的柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小、无变质层、加工质量高、效率高和工具无须进行磨损补偿、无须修形等特点，在国际上引起了广泛的关注，其研究成果已在平面、外圆面、内圆面和成形面光整加工的许多场合得到了应用。目前，磁性研磨加工已能达到亚微米级加工精度 30。我国开展对磁力研磨加工的研究起步较晚，开始于80年代初，目前仍处于试验研究阶段，实际推广应用极少，开展磁力研磨的加工技术的研究单位均自行研制开发出不同的磁力研磨装置并对不同的工件(如轴承内环的外轨道，螺纹环规、丝锥、仪表、电机轴、仪表齿轮、阶梯轴、钢球等)进行了实验研究，取2得了较好的加工效果。八十年代后期，哈尔滨科技大学首先开始磁力研磨方面的研究，并于90年代初，完成了“仪器仪表零件磁力研磨加工技术的开发”项目，成功试制了MAC系列磨料，并对仪器仪表的零件开发了磁力研磨装置，进行了实验研究。此外，哈尔滨工业大学对液压伺服阀阀芯轴棱边毛刺的磁力研磨去除法进行了可行性研究，开发了磁力研磨去毛刺的装置，毛刺去除后，阀芯棱边圆角半径均不超过5cm，阀芯表面粗糙度没有变大，工件圆柱度在2 以m下；大连理工大学开展了电化学磁力加工技术方面的实验研究，并且证明电化学磁力加工生产效率更高，表面质量也有改善。磁力研磨加工技术未能在国内推广应用的症结在于磁性磨料制作成本较高，工件的装夹和去磁问题尚未得到解决，尤其是理论基础匾乏，可使用的参数很少，因此最终不能批量生产。另外研究单位不多，这也许是该技术未能在我国得到实际应用的原因之一。1.3 研究磁性研磨头的目的和意义众所周知，随着工业化的大力推进，机械制造技术的水平与制造业的发达程度突出反映了一个国家的经济实力和科学技术水平。在机械制造加工中，零部件的尺寸精度和表面粗糙度等因素对产品的使用性能和生命周期有很大的影响，对于现今我国机械加工过程中的不足，也是为了迎合当今机床自动化、精密化、加工产品多样化的发展趋势，此类磁力动力研磨机的设计就被提上了日程。动力研磨头的设计过程也体现了一般机床的的设计思想，尤其是设计过程的自动化和 CAD 化，因此选择了此研磨机动力头的专机设计的课题。在研磨机动力头的设计过程中不仅分析比较了国内外同类型机床的相关信息，还结合了我国实际情况、世界先进水平及发展趋势。因此，力求做到了既保持机床先进性优抚和显示情况，起到了优化作用。不仅如此，基于我国现在大量存在的普通机床在结构、精度、调速范围上都稍有不足，我在设计过程中，通过合理方法，在保证达到预计设计要求的前提下，尽量使其结构简单，以降低生产成本。1.4 研究磁性研磨头发展方向探讨研磨机动力头的设计属于专用机床的设计。磨削机床的发展基本上还处于传统的模式，其主要磨削方式有砂轮磨削、砂带磨削、抛光处理、喷砂处理等。研磨过程主要用于表面的精加工或超精加工。如今国内外的研磨机许多仍然采用的是较为传统的加工工具，较为典型的研磨机床设备有 J28180/ZF 型四轴式，J58410/ZF 型游星式，前者主要用于光学玻璃的研磨，后者主要用于石英片、硅片、陶瓷等的平面研磨。另外另一公司的 ZHM-Z 涡流系列研磨机床（包括ZHM-Z60 型和 ZHM-Z120 型）也是采用电力原理工作的研磨机，本课题所设计的研磨机也采用电磁的原理工作的设备。3第二章 磁性研磨加工技术磁性研磨加工按磨粒状态分为干性研磨和湿性研磨两种。干性研磨使用的磨料是干性磨料；湿性研磨是将磨料与不同的液体混合，湿性研磨又称为磁流研磨。这里主要是介绍干性磁力研磨。2.1 磁性研磨加工的特点 13磁性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（A）的受力状态如图2-1所示 30，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nFmmF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Fx 和沿磁等位线方向的作用力Fy，Fy 可以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。磁性研磨技术加工特点 13：图2-2 加工中的磁刷1）自锐性能好, 磨削能力强, 加工效率高。2）研磨温升小, 工件变形小。3) 切削深度小, 加工表面平整光洁4）工件表面交变励磁, 提高了工件表面的物理机械性能。5）具有交变磁场的磁性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。2.2 影响磁性研磨的加工质量和效率的因素 1214磁力研磨加工质量和效率主要与下面的因素有关：磁感应强度，加工间隙，图 2-1 磁性研磨示意图1.磁性磨粒；2、3.磁极；4.工件4磁极转速，磁极形状，磁性磨料的的结构、成分、磁导率，工件材质（包括导磁性能） ，研磨液等。2.3 磁性磨料 29最简单的磁性磨料是人们所熟知的硬质合金粉末(Fe-C、Fe-Al-C、Fe-Ti 等) , 这些合金粉末通常只用于研磨软质合金或有色金属,也可用于去除软的氧化薄膜或氧化皮。对于耐磨材料的磁力研磨,须采用氧化铝、碳化硅、金刚石等硬质磨料与铁磁性粉末复合,一般采用烧结的方法制作。但由于氧化铝、碳化硅等硬质磨料在铁中的可溶性差,使铁质胎体与磨料包裹体扩散区很小,研磨使磨料很容易从铁质基体上脱落,使用寿命较短,为此国内外许多专家学者纷纷致力于新的磁性磨料的开发, 力求降低制造成本,提高磨削能力和使用寿命。下面介绍几种特殊磁性磨料的制作方法: (1) 等离子粉末熔融法(PPM):将硬质磨料(直径为110 ) 与铁粉(颗粒m直径为100300 ) 按一定体积预先混合,采用等离子喷焊设备使铁粉与磨料m熔结在一起,经机械破碎、分级使用。这种方法使硬质磨料包裹体在铁质中分布较均匀, 研抛性能显著提高,使用寿命也明显增加。(2) SiC纤维与铁粉混合磁性磨料: 这种磁性磨料的制作很简单,只需将大颗粒的铁粉与SiC 纤维按一定比例在滚筒里充分混合即可使用。这种磁性磨料的加工原理是:由于铁粉颗粒较大,加工时紧贴着工件,在铁粉空隙里的SiC 纤维无法飞散而充当磨料的作用。(3) 液体磁性磨料:这种磨料根本无需制作,实际上是磨料与铁粉的混合物,只不过磨料浸在液体中,研磨加工也在液体里进行。在磁极上开有导流孔,加工铁粉吸附在磁极上,液体磨料通过泵体以一定的压力和流速从导流孔进入加工区参与磨削。下表是几种磁性磨料的性能比较。表2-1 磁性磨料性能磁性磨料名称制作难易程度适合加工的材料材料去除难易程度