毕业设计（论文）-卧式磁性研磨机床设计.doc

全套图纸加扣3012250582太原理工大学阳泉学院毕业设计说明书毕业生姓名： 专业：机械设计制造及其自动化学号：指导教师：所属系（部）：机械电子工程系二一四年六月太原理工大学阳泉学院毕业设计评阅书题目： 卧式磁性研磨机床设计 机电 系 机械设计制造及其自动化 专业 姓名 设计时间：2014年03月31日2014 年06月01日 评阅意见：成绩： 指导教师：（签字） 职务：2014年月日太原理工大学阳泉学院毕业设计答辩记录卡机电 系 机械设计制造及其自动化专业 姓名 答 辩 内 容问 题 摘 要评 议 情 况 记录员： （签名）成 绩 评 定指导教师评定成绩答辩组评定成绩综合成绩注：评定成绩为100分制，指导教师为30%，答辩组为70%。 专业答辩组组长：（签名） 2014年月日III摘 要本课题对磁性研磨的加工机理和影响磁性研磨的加工因素进行了较为全面和深入的研究。对磁性磨粒各成分在磁性研磨中所起的作用进行了分析；对磁性磨粒各成分在磨粒中所占比例不同时对表面加工质量所造成的影响进行了比较。 此外，通过分析研究有关资料，对影响磁性研磨加工的工艺参数。如：加工时间、加工区域磁感应强度、工件的回转速度、工件的轴向振动、加工间隙和工件的材质等进行了较为详细的研究，为这项新型的光整技术的地推广及应用奠定了基础。最后，在此基础上又进行了卧式磁性研磨机床主轴箱的设计。关键词：光整研磨 卧式磁性研磨 进给传动Abstract This paper presents comprehensive and deep research on the Mechanism of Magnetic Abrasive Finishing process and factors. And analysis the role of which the magnetic abrasive grinding components had played on the magnetic; Debris on the magnetic component of the abrasive share of time on the surface machining quality caused by the impact of comparisons. In addition,by analysising the data, the effects of magnetic machining parameters. Such as : processing time and regional magnetic induction, the rotating speed of the workpiece, the workpiece axial vibration, clearance and processing of the workpiece materials are carried out a more detailed study,have laid a foundation for this new type of optical technology to the whole promotion and application . Finally, on this basis，I have design the horizontal magnetic grinder spindle box.Key words: Light the whole grinding, horizontal magnetic abrasive, feeding transmission 目 录摘 要iAbstractii第一章 零件的表面质量1第一节 零件质量含义1第二节 表面质量含义1一、加工表面的几何特征1二、加工表层材料的性能1第三节 表面质量对零件使用性能的影响2一、对零件耐磨性的影响2二、对配合质量的影响4三、对抗疲劳强度的影响4四、对抗腐蚀性能的影响5五、对其它方面的影响5第二章 光整加工技术6第一节 概述6第二节 光整加工技术基本概念6一、光整加工技术含义6二、光整加工技术特点7三、光整加工技术分类7第三节 磁性研磨9第三章 磁性研磨光整加工技术12第一节 磁性研磨光整加工原理12一、研磨压力的形成12二、磨粒的加工原理13三、磁性研磨加工后的工件表面状态14第二节 影响磁性研磨光整加工效果的因素15一、磁感应强度15二、工作间隙17第三节 磁磨粉23一、磁磨粉的构成23二、磁磨粉的分类23三、磁磨粉的制作24四、磁磨粉对加工质量的影响24第四章 磁性研磨总体设计26一、磁性研磨机的构成26二、各部分组成部分的功能26三、加工原理27第五章 振动设计28第一节 振动机构总体设计28第二节 凸轮的设计28一、运动规律的确定28二、凸轮轮廓的确定30三、对心滚子直动从动凸轮盘形凸轮机构的校验32四、凸轮和从动件材料选择32第六章 磁极机构设计35第一节 磁极结构设计35第二节 磁极头选定35一、永磁材料35二、磁极头开槽36三、磁极头不同的开槽方式所受力的比较37设计总结39参考文献40外文资料41中文译文49致谢5658全套图纸加扣3012250582第一章 零件的表面质量第一节 零件质量含义零件的质量是指由毛坯制造、热处理和机械加工等方法获得的零件，在材质、尺寸、形状以及表面状况等方面，与零件设计技术要求相符合的程度。所以零件的质量应由毛坯制造、热处理和机械加工共同来保证。对于零件的机械加工质量，是由加工精度和表面质量两个方面来评价。其中加工精度的评价指标为各加工表面的尺寸精度；各加工表面的几何形状精度及各加工表面间相互位置的精度，表达了对零件宏观方面参数的要求；表面质量表达了对零件表面的微观几何特征和物理力学性能的要求。第二节 表面质量含义 任何机械加工所获得的零件表层状况，不可能是完全理想的表面，总是存在一定的微观几何形状偏差，其表面层材料在切削力和切削热的影响下,也会使原有的物理力学性能发生变化。为此，在机械加工中用“表面质量”来评价由一种或几种加工、处理方法获得的零件表面层几何的、物理的、化学的或其它工程性能的状况与零件技术要求的符合程度。所表达的内容分为以下两个方面：一、加工表面的几何特征 如粗糙度、加工表面缺陷。缺陷的种类很多,在切削加工中产生最多的缺陷是毛刺。毛刺是指在切削加工时，由于塑性变性和表面撕裂等原因，在加工表面的棱边处派生出多余的微小尖棱凸起物。二、加工表层材料的性能 如反映表面层的塑性变性与加工硬化、表面层的残余应力及表面层的金相组织变化等方面的物理力学性；反映表面锈蚀、光学性能等方面要求的其他特殊性能。第三节 表面质量对零件使用性能的影响 表面质量虽然只反映表面的几何特性和表面层特性，但它对机械零件的耐磨性、配合质量、抗疲劳强度抗、腐蚀性及接触刚度等方面的使用性能都有一定程度的影响。一、对零件耐磨性的影响机械零件使用的寿命在很大程度上取决于零件的耐磨性。零件的耐磨性主要与摩擦副的材料、热处理情况和润滑条件有关。在这些条件确定的情况下，零件的表面质量就起着决定性的作用。零件的磨损过程通常分为以下三个阶段:1、初期磨损阶段。也称为磨合阶段。当两个零件的表面刚开始接触时，只是表面粗糙的凸峰相互接触，实际接触面积很小，单位面积压力很大，不能形成润滑油膜，接触处形成局部干摩擦，其应力可能超过金属的屈服极限和强度极限。随着摩擦副的相对运动，接触部分金属被撕裂、破碎或切断，凸峰很快被碾平，磨损速度较快。2、正常磨损阶段。随着磨合过程的进行，表面粗糙度值逐渐减少，实际接触面积增大，单位面积压力减小，摩擦表面有良好的润滑条件，磨损将以缓慢速度进行。3、急剧磨损阶段。经过相当长一段时间后，随着磨损的进行，粗糙度值继续减小，润滑油被挤出接触面，致使接触面间形成了半干摩擦，甚至干摩擦，摩擦阻力增大，加剧表面磨损。同时，由于实际接触面积进一步增大促使接触表面间分子吸附力增大，从而容易出现表面分子粘合的表面咬焊现象，随着运动的进行，由于摩擦产生大量热改变表面金相组织，降低表面硬度，甚至还能使局部接触表面熔焊在一起，导致磨损剧烈增加。表面质量中的几何特性和物理力学性能对零件的耐磨性都有一定的影响。零件初期磨损量与表面粗糙度有着密切的关系。一般工作情况，表面粗糙度Ra0.40.8m时初期磨损量最小。表面粗糙度的轮廓形状和加工纹路方向，对零件的耐磨性有显著的影响。在表面粗糙度值相同时，表面轮廓形状的差异，使零件间的实际接触面积和润滑油的留存情况发生很大变化，零件的耐磨性也就相差甚远。零件表面的加工纹路方向与相对运动方向的相互关系，对磨损量也有很大影响。如图1-1所示。图1-1 磨损量与加工纹路方向的关系a、轻载 b、重载在轻载时，纹路方向与相对运动方向相同时磨损量最小，相垂直时磨损量最大。在重载时，当两表面纹路相垂直，且运动方向平行于下表面的纹路方向时，磨损量最小；当两表面纹路方向与运动方向相同时，容易发生咬合，磨损量最大。表面显微硬度与耐磨性的关系：图1-2 表面显微硬度与耐磨性的关系如图1-2所示，机械加工后的零件经冷态塑性变形，表面的显微硬度都有所增加，从而减小了表面进一步塑性变形和表面层金属咬焊的可能，提高了耐磨性。但加工硬化到一定程度后，如再进一步冷作硬化，将会引起金属组织的过度“疏松”，使磨损加剧，甚至出现裂纹与剥落，反而使耐磨性能下降。二、对配合质量的影响 表面粗糙度对配合表面的配合精度有较大的影响。实验表明，对于过盈配合，在装配时表面粗糙度的凸峰会被碾平，所以，即使具有相同有效过盈量的配合零件，也会由于表面粗糙度值的不同，得到不同的联结强度，表面粗糙度值大者，连接强度较低。对于间隙配合，表面粗糙度值大，初期磨损严重，很快增大配合间隙，降低了配合精度。设计时，应根据零件的配合精度要求来选取相应的表面粗糙度。当配合精度要求高时，相应配合表面的表面粗糙度值应小，以保证零件的配合质量和工作可靠性。车、镗、钻、铣、刨、磨、拉、螺纹加工和齿轮加工等机械加工方法，都会使零件产生程度不同的加工毛刺，形成加工表面的缺陷。尤其是棱边毛刺最为明显，这些毛刺往往使零件不能很好地装配，增大机器运转时的噪声，发生不正常的磨损，甚至发生精密配合表面卡死的现象。三、对抗疲劳强度的影响在交变载荷作用下，零件由于表面粗糙和表面划痕、裂纹等缺陷，将引起应力集中，导致表面轮廓谷底处应力易于超过疲劳极限，从而产生和发展疲劳裂纹，造成疲劳破坏。抗疲劳强度计算中的应力集中系数，随表面粗糙度值增大而增大。不同的材料对应力集中的敏感程度也不同，材料晶粒越细小，质地越致密，对应力集中越敏感，表面粗糙度对抗疲劳强度的影响也越严重。材料强度极限越度，表面粗糙度值越大，抗疲劳强度降低的越厉害。实验表明，对于承受交变负荷的零件，减小表面粗糙度值，可使抗疲劳强度提高30%40%。加工硬化对抗疲劳强度也有影响。由拉伸和压缩造成的适当硬化，都能使表面金属强化，从而阻止疲劳裂纹的发生和缓和已有裂纹的扩展，有利于提高抗疲劳强度。但硬化过度，会出现较大的脆皮裂纹，而降低疲劳强度。表面残余应力对抗疲劳强度影响极大。当表面为拉应力时，能助长疲劳裂纹的形成和扩展，从而降低抗疲劳强度。当表面为压应力时，将抵消部分交变载荷引起的拉应力，从而提高零件的抗疲劳强度。零件表面层金属的金相组织变化也要影响抗疲劳强度，若在磨削过程中出现磨削裂纹，其影响更为严重。四、对抗腐蚀性能的影响零件在潮湿的空气中或在腐蚀性介质中工作时，有腐蚀作用的介质会积存在表面凹谷和裂纹中，形成化学腐蚀或电化学腐蚀。凹谷越深、越尖锐，尤其是有裂纹时，这种腐蚀作用越强。因此，降低表面粗糙度值，减少表面裂纹等缺陷，形成残余压应力和适当的加工硬化，都能提高零件的抗腐蚀性能。五、对其它方面的影响上面所描述的是零件表面质量对产品一般性能的影响，有特殊要求的产品还要考虑到对粘结强度、涂漆性能、镀层质量、流动阻力，电路短路、清洁状况、光泽性能，食品卫生及外观质量等方面的影响。第二章 光整加工技术第一节 概述零件的表面质量对零件的使用性能，寿命和可靠性都有很大影响，在机械加工过程中影响表面质量的因素又非常复杂。因此，如何保证零件的表面质量是人们十分关注的问题。通常，为了获得规定的表面质量要求，就必须选择合理的加工方法和工艺参数；对某些零件的重要表面进行光整加工和去毛刺。 零件表面的加工方法很多，每种加工方法在获得工件一定形状和尺寸精度的同时，也将得到一定的表面质量。目前，在保证零件表面质量的诸多加工方法中，有些是着重于改善零件表面的几何特性，如减小表面粗糙度值和去毛刺、划痕；有些是着重于改善零件表面的物理力学性能，如提高表面硬度和改善应力状态；还有些加工方法，在改善表面几何特性和改善物理力学性能两个方面，都能同时获得很好的效果。当着重于减小表面粗糙度时,常采用光整磨削 、研磨、珩磨 、超精研、抛光等传统的光整加工方法。当着重于改善零件表面的物理力学性能时，常采用无屑加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光等作为表面的终加工工序。这些工艺加工时，金属表层产生塑性变形。表面硬度增加,且具有残余应力，使零件的耐磨性能和疲劳强度提高。 近年来，由于对零件表面质量的要求提高，表面光整加工工艺和去毛刺技术得到迅速发展，涌现出许多新的工艺技术.这些工艺方法不仅能有效地降低零件表面粗糙度值，改善表面应力状况，而且还可以清除毛刺、棱边倒圆,使零件表面质量大大提高。第二节 光整加工技术基本概念一、光整加工技术含义在机械加工中旨在提高零件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术，称为表面光整加工技术，简称光整技术。通常对零件毛坯表面和零件机械加工表面应根据需要进行相应的表面光整加工。对于毛坯零件表面的光整加工，是指零件在经过铸造、冲压、焊接之后，虽然获得了规定的毛坯尺寸、几何形状，但就其毛坯表面质量而言，还存在许多缺陷，如表面氧化层、皱曲、粘砂、残留焊渣等。这样的零件在进入下道工序之前，必须进行清砂处理或者镀前处理等。这类表面光整加工，是以保证毛坯零件表面质量为目的的，称为毛坯表面光整加工技术。零件经切削加工后，进行棱边倒圆、去除毛刺、消除微观裂纹、细化表面粗糙度、改善物理力学性能，称为零件最终表面光整加工技术，也称为精密表面光整加工技术。随着科学技术的进步，对零件表面质量的要求越来越高，因此，零件表面加工技术发展很快，学术体系逐渐形成，其中常被作为终加工工序的表面光整加工和去毛刺技术得到迅速发展。它集机械加工、材料学、物理学、化学、电磁学等多学科为一体的新型边缘学科，日益受到人们的重视。二、光整加工技术特点进行光整加工的目的，主要是提高零件的表面质量。无论是传统的光整加工方法，还是近年来出现的新工艺技术，都具有以下主要特点：1、光整加工的加工余量小，原则上只是前道工序公差带宽度的几分之一。一般情况下，只能改善表面质量(减小粗糙度值、消除划痕、裂纹和毛刺等)，不影响加工精度。如果余量太大，不仅生产效率低，有时还可能导致工件的原有精度下降。2、光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但磨具与工具之间的相对运动应尽量复杂。因为光整加工是细粒度的磨料对工件表面进行微量切削和挤压、划擦的过程，只要保证磨具与工件加工表面能具有较大的随机性接触，就能使表面误差逐步均化到最终消除，从而获得很高的表面质量。3、光整加工时，磨具相对于工件的定位基准没有确定的位置，一般不能修正加工表面的形状和位置误差，其精度要靠先行工序来保证。三、光整加工技术分类 为了保证和提高零件的表面质量,采用光整加工方法作为零件的终加工工序是十分有效的措施。目前光整加工技术的工艺方法很多，有不同的分类方法。若按光整加工的主要功能来分，可分为以下三大类：1、以降低零件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和抛光等。2、以改善零件表面物理力学性能为主要目的光整加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等。3、以去除毛刺飞、边棱边倒圆等为主要目的的光整加工，如喷砂、高温爆炸、滚磨、动力刷加工等。若按加工时能量提供方法来分，有机械法、化学和电化学法、热能作用等几大类，约20多种，如图2-1、图2-1 表面光整加工方法第三节 磁性研磨1、磁性研磨基本概念 自由磨料磁性研磨加工，是80年代以来迅速发展起来的精度表面加工技术，尤其针对微小型精密零件的表面光整加工，具有十分广阔的应用前景,已逐渐引起人们的重视。 所谓磁性研磨,是置于在磁场中的磁磨粉在磁场磁感应强度的作用下，将磁能转化成为机械能，实现对工件表面精密研磨加工的工艺方法。2、磁性研磨加工原理如图2-2给出一对磁极N-S，并且在磁场中置入磁磨粉(一种既有导磁性又有切削能力的自由磨料)，在磁场磁感应强度的作用下，磁磨粉按磁力线分布状态分布，在磁极之间构成磁链。将被加工工件放置在N-S之间，使工件同时进行回转运动和轴向振动运动。磁场力将使磁磨粉对工件表面形成磁磨压力，并对工件表面进行挤压、刻痕和微量切削而实现加工。磁性研磨不仅适合于加工磁性材料的工件，而且也适合于加工非磁性材料的工件。 磁性研磨可以应用于加工平面、外圆表面、内圆表面和成形表面3、磁性研磨磨具磁磨粉(1) 磁磨粉的含义 磁磨粉是实现磨粉磁性研磨加工的工作介质。通常以纯铁粉和刚玉类磨料或碳化硅磨料混合后，经烧结或粘接后，粉碎、筛选而成。显然它是一种既有铁磁性又有磨削能力的自由磨料，借助于磁场实现对工件表面的加工。(2) 磁磨粉的构成与制作粒状的磁磨粉主要参数以D和d来表示，D代表磁磨粉直径；d代表磁磨粉磨料磨粒直径。D与d的大小都将影响到加工的效果，通常D大则磁性强，金属去除能力强，反之磁性弱，金属去除能力弱。d大则加工粗糙，表面质量差，反之加工细微，表面质量好。 磁磨粉可用烧结法和粘结法制成。烧结法是将纯铁粉与氧化铝磨料（或炭化硅磨料）以一定比例均匀混合，在密闭的电炉中高温烧结。然后粉碎、筛选而成。烧制的磁磨粉按粒度大小可分为60#、80#、240#不等。粘结法是将纯铁粉与氧化铝磨料(或碳化硅磨料)以一定比例均匀混合，然后加入一定比例的环氧树脂均匀混合、固化、晾干、粉碎筛选而成。粘结的磁磨粉也可按不同粒度分为60#、80#不等。图2-2 磁性研磨加工原理图1、2磁极 3磁磨粉 4工件 (3) 磁性研磨加工的分类 目前不断研究开发的磁性研磨加工的种类很多,简单归纳如下:1)按加工工件表面不同分类可分为 平面磁性研磨； 外圆表面磁性研磨 内圆表面磁性研磨 成形表面磁性研磨 其它表面磁性研磨(沟槽、螺旋槽)2)按磁极配置而形成磁场的不同分类可分为 固定式磁场磁性研磨 移动式磁场磁性研磨 回转式磁场磁性研磨此外，根据加工工件是磁性材料和非磁性材料，还可以分为磁性工件磁性研磨和非磁性工件磁性研磨。(4) 磁性研磨加工工艺特点1) 磁性研磨加工的工艺特点 磁性研磨属于精密表面加工，加工后的表面质量好，可达镜面。表面粗糙度可达Ra0.1m，棱边倒圆最小可达Ra0.01m。 磁性研磨加工中的磁磨压力是可以控制的，通过调节通入绕组的励磁电流大小，可以直接调整加工状况中的有关参数。 磁磨装置简单、操作方便、加工时间短、生产效率低。 磁性研磨加工范围广，工艺适应性强，可以加工外圆、内圆、球面，形成表面以及复杂形状的表面。 磁性研磨加工的实现，必须借助于一种既有导磁性又有切削能力的磁磨粉做工作介质。2）磁性研磨加工的工艺参数影响磁性研磨加工的工艺参数因素如下： 磁场中磁感应强度的大小。 磁极的尺寸大小和几何形状。 磁极工作表面与工件表面间隙大小。 工件的回转速度。 工件轴向振动运动的振幅与频率。 磁性材料工件与非磁性材料工件。 磁磨粉的材质，粒度和规格。 磁磨粉与磨剂的填充量。 第三章 磁性研磨光整加工技术第一节 磁性研磨光整加工原理磁性研磨光整加工是利用磨具在磁场的作用下，实现对工件表面光整加工的方法。作为磨具的磁磨粉，必须具有对磁场感应的性质，同时又具有对工件的切削能力。磁磨粉是一种平均直径大约为150m的粒状体，由磁化率大的铁粉和磨削能力强的氧化铝粉或碳化硅粉等按一定比例混合而成的组合体。在磁性研磨加工中，只有在磁场保持力的作用下，才能使磁磨粉实现对工件的研磨加工，因此磁性研磨的磨削力是由磁场产生的，以研磨压力的作用形式来实现。改变电磁铁线圈电流、工作间隙，以及工作间隙的结构等，都将影响研磨压力的大小。一、研磨压力的形成 在磁场中，将磁磨粉填充在N-S磁极之间。由于磁场力的作用，每个磨粒中的铁成分通过磁场被磁化，使磁磨粉沿着磁力线方向排列成刷状，将工件置入磁场的磁刷中，工件与磁刷的边端磨粒即相互吸引，边端磨粒受磁力的作用紧压于工件表面。这样工件运动时，即可使磁刷和工件见产生相对运动，实现对工件表面的研磨加工。如图3-1所示。在磁场中，等磁位线与磁力线方向互相垂直。通过合力F的作用，使磁磨粉中的每一个磨粒沿着固定的方向作用在工件的表面上，进而构成集中的磨粒群。在磁场中，磨粒群始终受到磁场磁力的作用，磨粒群不会向加工区域外部流动和飞散而保持在加工区域内。当加工区域的磁感应强度逐渐减弱时，所受磁力随之减小，磨粒群将产生一定的变形。最后因磁磨粉的自重而落下，脱离加工区域。因此合力F是一种磁场保持力，即磁磨粉之间的相互吸引力，记作Fm.由上可知，磁场保持力Fm。使位于磁场中磁磨粒的每一个磨粒所产生的磁力，并不是直接作用与工件表面上的，而是沿着磁力线方向相互衔接形成“磁串”进而形成“磁刷”，通过磁刷才能产生一个指向工件表面的合力P，这个合力才是产生并作用于工件表面的“研磨压力”。在磁场作用下，所发生的研磨压力大小与磁感应强度B和磨粒中所含铁的体积分数W及磨粒的相对磁导率r有关。此外，磨粒在磁场中还受到由工件回转而产生的切向力。不但在磁场保持力、研磨压力、切向力三力共同作用下，使磁磨粉稳定地保持在加工间隙中，完成对工件表面的加工。同时处在加工区域外部的磁磨粉,将自动地向加工区域汇集，并填充于磁极和工件之间参与加工，形成一个完整的加工循环过程。图3-1 磁场中的研磨压力二、磨粒的加工原理在磁性研磨中，磁磨粉是由微粉磨粒组成的磨粒群。磨粒群受到磁场中磁力的作用而压向工件表面，同时磁磨粉和工件二者产生相对运动，在接触面上的磨粒将产生接触滑移、摩擦、刻划，使工件表面得到研磨加工。1、微量切削作用由于磁磨粉是由微粉粒状体的磨粒组成，切入工件表面的切痕深度一般不超过0.20.3m，切深小于前道工序加工后留下的缺陷。产生的切屑很小，工件的加工变质层极薄，残余应力也很微小，因此这种加工方法属于微量切削，理论残留面积高度小，使加工后得到的表面粗糙度值很小。2、磨粒磨损作用磁性研磨加工中，在磨粒与工件表面对磨的磨损过程中，使工件表面得到研磨加工。由于磁磨粉一般集中在磁力线密集的表面不平轮廓峰附近，微观表面不平轮廓的峰部分磨损相对较大，使工件表面光洁、平整。3、电化学磨损作用磁性研磨加工中存在着化学磨损，工件表面被磨粒摩擦、刻划，纯净的金属将暴露在空气中，被加工表面上新形成的区域内金属会与外部介质产生相互化学反应，表面被迅速氧化并形成一层极薄的氧化膜。由于氧化膜与工件材料的膨胀系数不同，以及加工过程中温度变化等原因，在摩擦过程中氧化膜容易从工件表面脱落。在连续研磨过程中，工件表面层金属不断地氧化-脱落-再氧化-再脱落，从而提高了研磨效率。另外，回转的工件在磁场两极间受到每次交变的励磁作用，导电的磁磨粉产生的电动势反复使工件表面充电，强化了表面的电化学过程。 4、磨粒的切削轨迹磁刷端部的磨粒，在研磨过程中切削刃的切削轨迹，将由工件的回转运动和轴向振动共同构成一个交叉角仇，正是出于交叉角的存在，才使得加工过程中工件表面被充分地得到加工，加工质量得到提高。交叉角即磨粒切削刃轨迹与工件回转方向上的夹角。其计算公式为：m=arctan(0.12af/v) 在实际加工中，磁刷为柔软的弹性磁链，受到研磨阻力后极容易产生变形，使得加工表面上磨粒的实际轨迹与理论上不同，其交叉角为m且m。三、磁性研磨加工后的工件表面状态1、表面应力的形成通常，工件表面加工之后，在表层将生成加工变质层。这一变质层具有的性质，与工件内部的不同。磁性研磨加工时，由于磁磨粉对工件形成的强大的压力，迫使表面产生塑性变形，从而使加工后表面会产生压缩残留应力，并形成若干个微米深度的加工变质层。残余压应力的存在与工件的回转速度、振动频率、振幅大小、磁场强度及磁磨粉的种类有关。 磁性研磨加工后的表面变质层深度,对于磁性材料约为2.7m。对于非磁性材料约为2m。对磁性研磨加工后的工件进行表面应力测试，结果表明：材料为45钢的轴类零件，当磁感应强度B=1.2T工作间隙g=3mm时，轴向表面应力可达-198Mpa；径向表面应力可达-230Mpa。材料为黄铜的内圆表面零件，当磁感应强度B=0.9T工作间隙g=3mm时，轴向表面应力可达-160Mpa；径向表面应力可达-154Mpa。可见，通过磁性研磨加工可以大大改善工件表面的应力分布状态，从而提高了零件的使用寿命。2、表面毛刺的去除 磁性研磨加工可以去除工件表面的毛刺。在磁场中，磁性工件棱边上磁力线分布是不均匀的，在磁力线密集的地方磁感应强度大，磁磨压力大。同时工件本身还具有轴向振动，当振动方向和磁刷方向大体呈垂直相交时，磁刷端部则有较强烈的加工机会。如果工件在磁磨加工时，振动方向与生成毛刺的方向相同，则去毛能力较弱。实验表面：经过4min加工后，毛刺的高度可由最初的0.21mm减少到0.13mm。因此可以认为，随着加工时间的增长，毛刺将被去除。 对于径向方向的毛刺，由于与加工方向垂直，因此去除毛刺要容易得多，一般认为1秒钟后即可被完全去除。 根据以上情况，磁性研磨可以去除切削加工中各个方向上生成的毛刺。对于齿轮，液压件表面等复杂曲线的工件，同样可以去除切削加工所生成的各种毛刺。第二节 影响磁性研磨光整加工效果的因素评定磁性研磨光整加工效果的指标主要有三项：表面金属去除量；表面粗糙度值；表面应力分布状况。 影响磁加工效果的因素主要有以下几方面：磁感应强度、工作间隙、工件回转速度、工件的轴向振动、工件材质、磁极头形状、磁磨粉、添加剂及前道工序的表面粗糙度等。 在加工过程中，工件表面层的金属去除量和表面粗糙度值的变化如图3-2（见下页）所示。表面粗糙度值在磁磨初期急剧下降，但从第8min后，只有极小的变化，最后稳定在一定数值上，大约为Ra0.2m。整个磁性研磨过程只进行610min，即可使表面粗糙度值由研磨的初始值减小到Ra0.2m左右；金属去除厚度和研磨时间大体上呈直线上升趋势，且去除量很小。在加工8min后，对应的直径减小量为D=64m。由此看出，磁性研磨这种加工方法，既不会破坏前一道工序的集合形状精度，又可使表面粗糙度值降低到很小，可见这种光整加工方法的加工效果是十分理想的。下面就影响加工效果的诸因素进行讨论。一、磁感应强度在磁性研磨加工中，磁场的磁感应强度是影响加工效果的主要因素之一。改变磁感应强度，会使工件获得不同的加工效果。当磁感应强度较弱时，金属去除量较小，表面粗糙度值较大。由前所述：研磨压力P正比于磁感应强度B。当磁感应强度较弱时，研磨压力相应也小，磨粒沿着磁力线方向相互衔接形成的“磁串”之间的保持力也较弱。当工件与“磁串”末端的磨粒产生相互运动时，磨粒比较容易从“磁串”上掉下图3-2 磁性加工研磨特征来，因此金属表面的去除量较小，表面粗糙度值的减小也较缓慢。随着磁感应强度的增加，使磁场磁力增大，研磨压力随之增大，磁串之间的保持力增大，磨削能力得到加强，因而金属去除量增大，表面粗糙度值减小加快。但是当继续增加磁感应强度时，将使磁串之间的保持力进一步加大，“磁刷”的刚性明显增加，研磨压力增大，使靠近工件表面的磨粒贴附在工件表面上，“磁刷”不再产生翻转滚动现象，磨粒得不到及时转移而破坏了磁刷的磨削能力，导致金属去除量减小。同时，由于磁刷的刚性增强，增大了表面的划痕程度，表面粗糙度值会随之增大。另一方面，由于磁感应强度增强，研磨压力增大，磨粒会贴附在工件表面上，随工件的回转运动飞离工作区而失去切削能力，金属去除量将随着磁感应强度增大而减小，表面粗糙度值也会增大。可见磁场的磁感应强度有一最佳使用范围，由图3-3可知，选择磁感应强度B=0.81.2T较好，一般不超过1.4T。 图3-3 磁感应强度对加工效果的影响在选择磁感应强度的大小时，要注意“磁饱和”现象的产生。铁心、磁回路一定要在没有饱和的状态下进行。二、工作间隙工作间隙是指工件表面和磁极之间的间隙。以下讨论两种情况。1、在工作间隙中填充质量一定的磁粉若工作间隙由g=1mm增大到g=3mm时，通过实验可看到：金属去除量在逐渐减小；表面粗糙度值在逐渐增大。由于工作间隙增大，才使磁刷的长度增长，有限的磨料排列的密度减小，导致切削能力下降。2、在工作间隙中填充足够多的磁磨粉 通过实验观察到的情况如下：（1）当工作间隙g=1mm3mm时，可获得较小的表面粗糙度Ra值。过大过小的工作间隙，都将使表面粗糙度值Ra增大。（2）当工作间隙g1mm时，工作间隙内“磁串”较短，磁感应强度较强，使“磁刷”柔性降低，对工件表面划伤程度加重，表面粗糙度值增大。同时由于工作间隙小而不易填充足够的磁磨粉，磁磨粉会在加工中会飞散而失去研磨能力。（3）当工作间隙g3mm时，过大的工作间隙将增大磁阻，漏磁增大磁感应强度减弱，磨粒间的压力减小，磁磨粉同样不能很好地保持在工作间隙内，最终导致磨削能力下降。3、工件的回转速度 工件的回转速度的选择取决于磁感应强度、磁极头形状、工作间隙等多种因素。正常工作条件下取V=20100 m/min.当工件的回转速度逐渐增大时，由于单位时间内磨削长度增加，金属去除量随之增大，表面粗糙度值则在逐渐减小。当工件转速增大到一定值后，磁磨粉飞散而不利于磁磨粉在加工区域内的保持。 当工件的回转速度达到150 m/min时，随着加工时间的增加，由于切削热、涡流热的增加，导致加工表面温度升高影响了加工的表面质量，使工件的表面机能受到破坏。例如：使淬火钢的表面产生退火现象，表面硬度下降。 以上说明工件回转速度的选择是很重要的。为了达到理想的加工效果，实验表明，工件材料为45钢时，选择V=2050m/min比较合适。4、工件的轴向振动 在加工中， 若工件在产生圆周运动的同时，又产生轴向振动的运动，不但可以改进加工效果，而且还可以提高加工效率。工件具有附加轴向振动，比无附加轴向振动的金属去除量大的多，这将使加工时间缩短而提高了加工效率。同时，具有附加轴向振动，比无附加轴向振动有利于工件表面粗糙度值的减小。加工前工件的表面粗糙度值Ra1.6m，加工8 min后Ra0.2m。首先，由于工件表面的研磨方向发生变化，切削方向上出现多向性效果，结果在工件表面上呈现出切削刃的切削轨迹为交叉而不重复的网纹状，产生了叠加效果，十分有利于表面粗糙度值的减小。其次，由于振动，叠加效果会促使磨料在工作间隙内的搅拌作用加强，使磨粒的加工位置频繁变动，有效地防止磁磨粉的堵塞和钝化，促使磨料不断地出现新的切削刃，更好地对表面进行研磨加工，获得很好的加工效果。在振动中，当振动振幅较小时，虽然有振动运动，并不显示出研磨量增大的效果。振幅较小时，磁刷的首端与工件表面很难产生交叉而不重复的网纹状轨迹。磨料的切削刃在工件表面上不能显出多方向切削效果的搅拌作用。为了提高研磨能力，需要一定大小的振动振幅，振幅一般不小于35mm。5、工件的材质工件材料的导磁性对磁磨特性的影响是十分重要的。一般情况下，磁性材料主要是指铁系材料，而非磁性材料主要是指非铁系材料。（1）工件是磁性材料如果工件是磁性材料，工件尺寸大小不会对加工效果带来较大的影响，加工区域的磁感应强度一般在1T左右，因此可在较短的时间内获得满意的加工效果。对于非磁性材料，被加工工件尺寸的大小将对磁感应强度的产生直接的影响。例如直径为30 mm的非磁性材料工件，最多也只能获得0.5T的磁感应强度。因此加工效果达不到满意的要求。通过实验测定，在相同的条件下，磁性工件比非磁性材料工件的磁感应强度高出2-3倍。因此导磁性不同的两种材料，在加工特性指标及加工效率上都有较大的差别。如图3-4所示 图3-4 磁性材料工件研磨压力分布状况（2）工件为非磁性材料如果工件的材料为非磁性材料，情况就有很大的差别。在这种情况下，磁场的磁感应强度仅与两个磁极N-S有关，磁刷的形成也只能由N-S两极决定。又由于工作间隙为两磁极间的距离（2g+D），工作间隙的增大，使磁阻随之增大，导致磁场分散磁力线散失增多。随着工件直径增加，磁感应强度也逐渐减弱。如图3-5在加工过程中有两种压力产生：一种是沿着两磁极间磁力线整齐地排列成的磁刷，以研磨压力Ps的形式作用于工件表面；另一种是在工件侧面形成的磁刷，以侧压力的形式作用于工件表面，两者都参与表面的研磨加工，但侧压力与正压力相比则远远小的多。侧压力Ps是非磁性工件在工作中所特有的压力。对于非磁性材料的工件，由于磁力线垂直作用于工件表面，侧压力Ps是不可能产生的。图3-5 非磁极性材料工件研磨压力分布状况在对非磁性材料工件进行加工中，影响正压力、侧压力的效果，除磁场分布和磁感应强度外，还与磁极头形状及大小有关。在图3-6中，同一工件采用不同的磁极头形状。磁极头1的工作面积相对工件的直径较小，在磁场中工作时，只有图中所示的正压力P的作用。磁极头2的工作面积相对磁极头1较大，具有正压力P和侧压力Ps同时作用的情况。磁极头3具有更大的工作面积，以正压力P作用于工件。由于磁极包容工件表面而产生“磁短路”现象，磁磨粉将沿着磁力线方向向加工无关的地方进行堆积，因此研磨效果并不理想。6、磁极头的几何形状磁极头几何形状一般情况下是被加工工件形状的偶件，要求磁极头形状不仅能包容磁磨粉，还要使磁通向工件集中，并保证磁磨粉不向工作区域外转移飞散。磁极头几何形状，根据工件材料是磁性和非磁性两种情况来介绍。（1）工件为磁性材料当工件材料为磁性材料时，磁性研磨装置磁回路的空隙部分，大体上等于工作间隙。在磁场中，磁通量的大部分，从一个磁极经过工作间隙流入工件，再流入另一个磁极，如图3-7所示。图3-6磁极头形状P、Ps的影响图3-7 磁极头形状对金属去除量的影响1）对于磁极几何形状相同而有效工作面积不等的磁极a、b、c、d，金属去除量随着工作面积的减小而减少。2）对于有效工作面积相等但几何形状不同的磁极b、e，有沟槽的磁极表面获得了较大的金属去除量。通过在磁极上设置沟槽，形成了在加工区域的磁场变化，即不均匀的集中磁场。磁磨粉在强磁力作用下，会向工作间隙小的区域集中而防止了磁磨粉的飞散。因此磁极头不采用平滑光整的表面，而在磁极头上开出若干沟槽，这样虽然磁极的研磨表面积减少了，但却得到了较大的研磨量。这是由于磁极凹凸不平的表面，相对于工件表面的气隙不同，凸起的表面气隙小、磁阻小,磁感应强度就大，磁磨粉就会集聚在磁极工作表面凸起的部位而增大研磨能力。实测中，磁极棱边上测得磁感应强度最大可达1.5T，在棱边以外的加工区中，测得磁感应强度最大可达1.1T。3）对于有效面积和几何形状基本相等，但与工件的中心位置不同的磁极g和 f，其金属去除量也不同。形状9的金属去除量较大，是由于在安装时与工件不同心，在加工过程中产生了对工件表面的挤压效果。挤压效果可以这样理解：随着工件和磁极之间的间隔变窄，其磁感应强度增强，磁力线密集，磁磨粉将沿着密集的磁力线流动。由于工件的回转运动，在间隙狭窄的部分，磁磨粉排列密集而受到压缩,使工件表面得到研磨加工。但是过强的挤压效应会产生工件表面的划伤而增大表面粗糙度值，因此这种磁极形状常用于粗磨加工。（2）工件为非磁性材料当工件材料为非磁性材料时，其工作间隙为N-S磁极之间的距离。当磁极头形状仍通过与磁性材料工件的对比其结果如下：1）增大磁极工作面积，对金属去除量影响没有显著的变化。其原因是由于工件为非磁性材料，没有磁畴的结构，不具有磁化的特性。在磁回路中， 非磁性材料的工件产生严重的漏磁，使加工区很难获得1T以上的磁感应强度，实测中最多只有0.5T，因磁感应强度大大减弱而削弱了去除金属的能力。 2）磁极与工件有偏心，间隙小的一端磁阻小，磁感应强度较大，研磨能力则强,产生挤压效果而使金属去除量增大。3）不论工件是磁性材料还是非磁性材料，磁极形状中有凹凸不平的表面，要比连续凹面形状的表面研磨能力强。7、加工液 在磁磨粉中加入一定量的加工液，能有效地提高工件表面的光泽度、光亮度。 常用的加工液有；乳胶型的水溶液磨削剂、不溶于水的研磨液、轻油、硬脂酸。以质量比10%左右加入，其中以硬脂酸为常用加工液。 另外，加入加工液后，会在研磨表面上出现较多的加工痕迹，尤其加入10%的研磨液时，使磨粒切削刃对工件表面的磨削效果变得强烈起来，表面随之变得粗糙。因此，加工液的添加提高了研磨效率,但对表面粗糙度的减小则不明显。 当添加加工液之后，虽然金属去除量进一步增大，但工件的温度升高并不明显，这表明加工液与研磨温度之间具有相反的影响效果。另外，加工液的粘度等也将左右研磨加工特性。第三节 磁磨粉 磁磨粉是磁性研磨加工的磨具。在加工过程中，它处在工件与磁极之间的工件间隙中，依靠磁场的作用，将其排列成“磁刷”实现对工件的研磨加工。要求磁磨粉具有一定的磨削能力，有具有对磁场感应的磁化物质，同时还具有耐水、耐油等性能。一、磁磨粉的构成磁磨粉是一种平均粒径为150m的粒状体。主要由基体、磨料构成。1、基体基体应能在磁场中很好地被磁化产生磁力，且具有高导电性的铁磁性材料。一般选用铁、钢、铝镍合金、钡的铁素体，镁-钡合金等。2、磨料磨料是兼有磨削、研磨、抛光作用的一种粒状物质。对磨料的基本要求如下：（1）具有较高的硬度。磨料的硬度必须高于工件材料的硬度，才能对工件进行磨削加工。（2）具有较高的强度。具有在切入工件表层的过程中，以及在外力作用下，不易破坏和难于磨损的能力。（3）具有稳定的理化性。要求磨料在涡流热、磨削热的作用下，不被软化或发生化学分解，且不与其它材料发生化学反应。二、磁磨粉的分类表3-1 磁磨粉分类（m）种类尺寸A-1A-2A-3A-4B-1B-2B-3D105100130205D510284010以铁基体和磨料组成的磁磨粉，其组成根据磨料粒径d和磁磨粉粒径D，将磁磨粉分为A、B两类，具体情况见表 3-1（见上页）三、磁磨粉的制作磁磨粉的制作是磁性研磨加工中至关重要的一环。当今由于磨料制作工艺的复杂性使磁性研磨加工受到一定的限制。目前主要的制作方法有烧结法、热压法、粘结法及值沙法等几种。四、磁磨粉对加工质量的影响1、磁磨粉的粒径研磨压力p与磁磨粉的粒径D、磨料粒径d无关。但如果磁磨粉的磨粒按有规则的正方形排列时，在压力p的作用下，具有一个粒径为D的磁磨粉的作用力为：。对于每一个磁磨粉磨粒，它的作用力的大小与粒径D的平方成正比关系。假定工件的表面粗糙度是以每一个磁磨粉磨粒的切入深度来决定，那么粒径D越大，产生的作用力就越大，对零件表面的摩擦、挤压、刻划强烈。在同样的研磨压力下，粒径大的磁磨粉磨粒比粒径小的磨粒得到的表面粗