（机械制造及其自动化专业论文）基于等量磨削的自由曲面磁性研磨的机理和实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于等量磨削的自由曲面磁性研磨的机理和实验研究 摘要 磁性研磨光整加工是一种利用磁性磨具在磁场的作用下，实现对工件 表面光整加工的新型表面光整加工方法。它由磁极和磁性磨料组成。在给 定的一对磁极所形成的磁场中填充一种既有磁性又有切削能力的磨料，磨 料在磁场力的作用下以压力的形式作用在工件表面上，实现对工件表面的 研磨加工，达到去除毛刺和表面光整加工的目的。磁性研磨光整加工技术 以其良好的柔性、自适应性、自锐性等突出的加工优点，在曲面光整加工 方面表现出了巨大的优势。针对曲面加工中由于曲面法向矢量的变化导致 的加工不均匀性，本文提出了有效磨削的概念，即通过改变参数( 如改变 机床设置，使磁极与曲面法向矢量一致；改变进给速度，使在磨削能力较 弱的地方，增加磨削时间等) ，保证在曲面的加工过程中，各点的加工效果 的一致性。 本研究以磁性研磨加工原理为切入点，充分考虑自由曲面磁性研磨技术 的特点，在对与自由曲面磁性研磨技术相关的设备、工艺、柔性砂轮( 即 磁极) 、磨粒等方面进行详细的研究与讨论的基础上，用系统的观点，从 整体上追求全局的最优，使整个技术体系得到完善和发展，以适应市场对 磁性研磨技术的需要，使该技术尽快进入实用阶段。形成自由曲面磁性研 磨加工工艺技术体系、相应的设备的设计与制造、磨粒的制备与性能指标 太原理工大学硕士研究生学位论文 的量化体系以及磁极的设计与加工性能的研究。 本文通过理论分析和试验研究，对自由曲面磁性研磨的加工机理进行 了研究，主要研究内容如下： l 、研究自由曲面磁性研磨光整加工的加工机理及其在生产中的实际应 用。提出了有效磨削的概念，保证对曲面加工的一致性。 2 、根据电磁理论系统分析了磁性研磨加工过程中磁性磨料受力情况， 并分析研究了磁性研磨加工中磁性磨料磨粒的磨削机理，提出了磁性研磨 加工中对磁性磨料加工性能的要求以及磨粒的制备方法。 3 、对自由曲面磁性研磨光整加工的电磁感应器、工具磁极形状等进行 了设计计算。 关键词：磁性研磨，自由曲面，磁性磨料，有效磨削 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e c h a n i s ma n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ff r e e f o r ms u r f a c em a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n gba s e do ne q u i v a l e n tg r i n d i n g a bs t r a c t m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ( m a f ) i san e wt y p eo fs u r f a c e f i n i s h i n g m e t h o dw h i c hc a na c h i e v et h es u r f a c ef i n i s h i n go fw o r kp i e c e s ，b yu s i n g a b r a s i v e si nt h er o l eo ft h em a g n e t i cf i e l d i ti sc o m p o s e do fm a g n e t i ca n d m a g n e t i ca b r a s i v e b yf i l l i n g a na b r a s i v eb o t hh a v em a g n e t i ca n dc u t t i n g a b i l i t i e si nt h em a g n e t i cf i e l df o r m e db yap a i ro fg i v e np o l e ，t h ea b r a s i v ea c to n t h es u r f a c eo fw o r kp i e c ei nt h ef o r mo fp r e s s u r eu n d e rt h er o l eo fm a g n e t i cf i e l d ， a n dt h u sa c h i e v i n gt h ew o r kp i e c es u r f a c eg r i n d i n gp r o c e s st oa c h i e v eb u r r r e m o v a la n ds u r f a c ef i n i s h i n gp u r p o s e s m a fh a sag o o dm a n yp r o c e s s i n g a d v a n t a g e ss u c ha sg o o df l e x i b i l i t y ，a d a p t a b i l i t y ，s e l fs h a r p n e s se t c ，a n ds h o w s ah u g ea d v a n t a g ei ns u r f a c ef i n i s h i n ga sw e l l a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n g h e t e r o g e n e i t yc a u s e db yt h ec h a n g eo f n o r m a lv e c t o ro fs u r f a c ed u r i n gs u r f a c e m a c h i n i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt h ec o n c e p to fe f f e c t i v eg r i n d i n g ，t h a ti s ，b y c h a n g i n gt h ep a r a m e t e r s ( s u c ha sb yc h a n g i n gm a c h i n es e t t i n g s ，t o m a k et h e c o n f o r m i t yo fm a g n e t i cp o l et ot h en o r m a lv e c t o ro fs u r f a c e ；b yc h a n g i n gf e e d r a t e ，t oi n c r e a s eg r i n d i n gt i m ei nt h ea r e a sw h e r et h ec a p a c i t y o fg r i n d i n gi s w e a k ，e t c ) t oe n s u r et h a tt h ec o n s i s t e n c yo fp r o c e s s i n ge f f e c t so f e a c hp o i n ti n t h es u r f a c ed u r i n gt h es u r f a c ep r o c e s s i n g s t a r t i n gw i t ht h ep r i n c i p l eo fm a f , t h i ss t u d yg a v e f u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ff r e e f o r ms u r f a c em a g n e t i ca b r a s i v es u r f a c ef i n i s h i n g b a s e do n i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e t a i l e ds t u d ya n dd i s c u s s i o no ft e c h n o l o g y r e l a t e de q u i p m e n t ，t e c h n o l o g y ， f l e x i b l eg r i n d i n gw h e e l ( p o l e ) a n df r o mt h eo v e r a l lp u r s u i to ft h eg l o b a lo p t i m a l ， t h ew h o l et e c h n o l o g ys y s t e mh a sb e e ni m p r o v e da n dd e v e l o p e di no r d e rt om e e t t h em a r k e tn e e d so fm a g n e t i cg r i n d i n gt e c h n o l o g ya n de n t e rt h es t a g eo ft h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h ef r e e f o r m s u r f a c em a g n e t i ca b r a s i v es u r f a c e f i n i s h i n gs y s t e m ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n t ，t h e q u a n t i f ys y s t e mo fp r e p a r a t i o na n d a b r a s i v ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，a sw e l la s t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o p e r t i e so fm a g n e t i ch a v eb e e ns t u d i e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e d m e n t a lr e s e a r c h ，t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t so ff r e e f o r ms u r f a c em a g n e t i ca b r a s i v es u r f a c ef i n i s h i n gc o u l db el i s t e d a sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e c h a n i s mo ff r e e f o r ms u r f a c em a g n e t i ca b r a s i v e f i n i s h i n ga n di t sa p p l i c a t i o ni np r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，p r o p o s e dt h ec o n c e p to f e f f e c t i v eg r i n d i n gt oe n s u r et h a tt h ec o n s i s t e n c yo fs u r f a c ep r o c e s s i n g 2 b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h ef o r c ec o n d i t i o na n dg r i n d i n gm e c h a n i s mo fm a g n e t i ca b r a s i v ed u r i n gm a f ， t h e nt h em a n u f a c t u r i n gp e r f o r m a n c eo fm a g n e t i ca b r a s i v ea n dp r e p a r a t i o n m e t h o d so fa b r a s i v ew e r ep r o p o s e d 3 t h ee l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r sa n dt h es h a p eo fm a g n e t i ct o o l so fm a f h a v eb e e nd e s i g n e da n dc a l c u l a t e d k e y w o r d s ：m a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n g ， f r e e f o r ms u r f a c e ， m a g n e t i ca b r a s i v e ，e f f e c t i v eg r i n d i n g i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 f r d 工 h a ha ha h 一、一、一 缸 砂 a z e f ， 只 。 口 l t o p g r a d b f 昂 m t a k 符号说明 研磨切削深度 表面粗糙度 磁磨粉磨粒的体积 磁磨粉的磁化率 该点上的磁场强度 在x 、y 、z 方向上的磁场强度变化率 磨粒受到沿磁力线方向作用力 沿等磁位线方向的作用力 沿等磁位线方向的作用力 加工区域中的磁感应强度 真空磁导率( o - 锄x l o 。7 h m ) 磁性磨料的相对磁导率( 一肛弘。) 磁性磨料的磁导率 磁感应强度的梯度 磨粒和工件表面之间的摩擦力 沿磁力线方向的张力昂一丢 磁力矩 椭球的长短半轴之比 磨粒粒度、形状修正系数 v i i i o n 脚啊 m 3 n m p a n i m n n n t 1 妇 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 | f 口 ，” v 尺 ，z 4 、2 。 匕 v | g 弘。 | m 品 1 ，o 以 y 口 d 摩擦系数 研磨压力 离心力 单个磨粒的质量 磨粒的转动速度 工件轴截面半径 工件转速 不同材料的相对磁导率 研磨刷的相对磁导率 磨粒中含a k 0 3 的体积 磨粒中含f e 的体积 空气的磁导率 a k 0 3 的磁导率 f e 的磁导率 随工件转动的粒子数 磨粒与工件的接触面积 磨粒飞溅的临界速度 磨粒切削刃轨迹与工件回转方向的夹角 工件的回转速度 工件的轴向振动频率 工件的轴向振动振幅 磨料的直径 i x 地 n 蚝 恤 一 恤 n 目 n 目 砰 触 。 恤 巩 一 一 砰巩8i 太原理工大学硕士研究生学位论文 磨料中磨粒的直径 磁通势 磁阻 磁通量 磁导 与磁力线垂直的截面积 导磁材料长度 导磁材料截面积 励磁电流 线圈匝数 曲面的曲率半径 磁极的半径 工件表面与磁极之间的间隙 等效磁极半径 有效加工宽度 加工间隙 x 衄 a 胁 帅 h 砰 m o a ， 一 眦 一 一 d e 心 g a l s i n r r l 万 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：宣卜 日期：互型l 互上一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：0 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ； 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名二丑卜嗍业l 导师虢地一 日期：逊! 兰： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百下匕 随着科学技术的发展和社会的进步，产品制造过程向越来越清洁、高效、高质量、 高精度方向发展，为了追求对产品功能和外形等方面的日益严格的要求，自由曲面零件 在模具、航天航空、汽车及造船等工业领域得到了越来越广泛的应用。然而，针对自由 曲面零件的各种机械加工的方法，无论是冷加工，还是热加工，几乎都不可避免在零件 表面留下一些缺陷，如表面不平、凸棱明显、刀痕波纹、飞边、毛刺及微观裂纹等。要 消除零件表面在经过机械加工或电火花加工后产生的表面缺陷，必须对零件进行光整加 工。为了使机械零件表面具有完美的几何形貌和良好的物理力学性能，人们在如何提高 零件表面质量方面进行大量开创性的工作。自从上世纪8 0 年代以来，光整技术领域先 后研究和开发了滚磨、磁性研磨、挤压珩磨、电化学抛光、高温去毛刺、超声波加工等 一系列旨在提高零件表面质量的新技术、新工艺、新设备，解决了传统光整加工方法难 以解决的生产难题，并以加工质量好、效率高、成本低和降低工人劳动强度、改善工人 劳动条件等优点，在生产中得到迅速推广和应用。 磁性研磨光整加工技术( m a f - - 】a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 是利用辅助磁场来进 行精密表面研磨的一种n t 方法。磁性光整n t ，因具有很好的柔性、自适应性、自锐 性、可控性、研磨温升小、工件无变形、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研究，并已在平面、外圆面、内 圆面和成形面光整加工的许多场合得到了初步应用，是一种极具潜力的自动化表面光整 加工工艺。 但是，从整体来看，磁性研磨作为一种制造技术，其应用一直未能获得突破，未能 形成相应产业。综观国内外的相关研究，大多局限于原理性的研究，未能把相应的技术 与应用结合起来，或者没有充分考虑到磁性研磨技术的特点，发展专门的磁性研磨光整 加工机械与设备。现有的设备都存在或多或少的问题，都没日- - 匕e , ，t k b 好地把握该技术的特点。 例如现在较为普遍的三坐标磁性研磨加工机床，就存在一个很大的问题：对于具有不同 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 曲率和不同倾斜角的模具曲面，由于存在有磁力线不均匀，施加到加工表面的法向力相 差太大，随倾斜面的倾斜角越大，曲率半径越小，抛光量就越小，实际加工中各表面抛 光量差异很大。 基于此，本文提出有效磨削的概念，亦即在被加工表面法向角度变化时，通过其它 参数的调节( 如，改变磁极头的倾角，改变进给速度等) ，达到加工效果一致的目的。 一方面可以通过增加机床轴数，在加工过程中时刻保持磁极头与被加工表面垂直：另一 方面，当角度变化时，可以通过增加加工时间( 降低进给速度) ，达到加工效果的一致。 1 2 机械加工精度及零件的表面质量 i 2 1 机械加工精度 机械加工精度包括尺寸精度、形状精度和位置精度。为适应机器性能和使用寿命方 面不断提高的要求，在机械制造中，对机械加工精度的要求也越来越高。在十九世纪， 机械加工精度平均每5 0 年提高一个数量级，而二十世纪初至六十年代平均每三十年提高 一个数量级。目前，加工精度已从六十年代的微米( o n ) 级提高n t 0 i - 0 0 1 微米级，现 在又正向更高的精度纳米( n m ) 级进军乜3 。 任何机械加工方法所获得的加工表面，实际上都不可能是绝对理想的表面。机械加 工质量包括加工表面的几何形状特征和加工表面层的物理机械性能的变化。前者主要指 表面波度和表面粗糙度；后者包含以下三个方面内容： 1 ) 加工表面层因塑性变形产生的冷作硬化； 2 ) 加工表面层因切削或磨削热引起的金相组织变化； 3 ) 加工表面层因力或热的作用产生的残余应力口 机械加工表面质量会影响到零件的使用性能，即零件的工作精度及其保持性、零件 的抗腐蚀性、零件的疲劳强度和零件之间的配合性质等等。从而进一步影响机械产生的 使用性能。在机械加工表面质量中，表面粗糙度是一个重要指标，是影响工件使用性能 的主要因素，尤其是在存在摩擦、磨损的场合中起主要作用h 1 。据报道，世界上能量的 1 4 - 1 3 以各种形式最终消耗于摩擦，而磨损是零件失效的三种形式( 磨损、腐蚀和疲劳) 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 专一 4 9 “一 o 1 2 2 表面质量的含义 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。它所表 达的主要内容分为以下两个方面： 1 ) 加工表面的几何特征，如表面粗糙度，加工表面缺陷等。缺陷的种类很多，在切 削加工中产生最多的缺陷是毛刺。 2 ) 加工表面材料的性能，如反映表面层的塑性变形与加工硬化，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能；反映表面锈蚀，光学性能等方面要求 的其它特殊性能。 1 2 3 表面质量对零件使用性能的影响 零件的表面质量是评价零件质量的一个重要指标。表面质量虽然只反映表面的几何 特征和表面层特征，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。 1 ) 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。 2 ) 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，得到不同的联接强度。表面粗糙度值大者，联接强度较低。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。所 以设计时，应根据零件的配合精度要求来选取相应的表面粗糙度。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 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。 实验表明，提高表面质量，降低表面粗糙度值，可以有效改善零件表面的应力状况，部 分抵消由交变载荷引起的拉应力，从而提高零件的抗疲劳强度。 4 ) 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。 5 ) 对其它方面的影响 上面所叙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 到对粘接强度、涂漆性能、镀层质量、流动阻力、电器短路、清洁状况、光泽性能、食 品卫生及外观质量等方面的影响。 1 2 4 零件表面质量的评价 随着机械产品对零件表面质量要求的日益提高，人们对如何评价和控制零件的表面 质量进行了深入的研究。美国金属切削研究协会的m f i l e d 和j k a l e s 于1 9 6 4 年在一次技 术座谈会上提出了“表面完整性 的概念，并将其定义为：由于受控制的加工方法的影 响，导致成品的表面状态或性能没有任何损伤，甚至有所加强的结果。表面完整性是从 加工表面的几何纹理状态和表面受扰材料区的物理、化学、力学性能变化两个方面来评 价和控制表面质量。目前“表面完整性 己被工业发达国家应用于生产中，用于评价控 制关键零件在制造过程中表面状态和性能的变化，全面分析表面质量对产品性能的影 响。其评价指标可归纳为以下五类： 1 ) 表面的纹理形貌 包括表面粗糙度、表面波纹度和表面纹理方向。 2 ) 表面缺陷 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 包括加工毛刺、飞边、宏观裂纹、表面撕裂等缺陷。 3 ) 微观组织和表面冶金学、化学特性 包括金相组织、微观裂纹等。 4 ) 表面力学性能 包括加工硬化的程度和深度、残余应力的大小、方向及分布等。 5 ) 面的其它工程技术特性 包括电子性能变化、光学性能变化等。 1 3 表面光整加工技术 产品质量中问题最多，解决难度最大的是表面质量问题，因为表面质量直接影响着 零件的耐磨性、耐腐蚀性、抗粘附、抗疲劳等性能以及设备的振动、噪声、泄漏等问题。 对于绝大多数零件来说，其表面质量是通过最后一道工序及光整加工来获得。光整加工 工艺不同，零件的表面质量也不同，致使零件的使用性能和寿命也不同。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 进行光整加工和去除毛刺。 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，使零件质量大大提高。下面仅介 绍光整加工技术。 1 3 1 光整加工技术的含义 在机械加工中，人们把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。也就是在保持或提高零件表面精度的前提下， 降低零件表面粗糙度的各种加工技术，加工方法。表面光整加工技术是实现精密和超精 密加工技术，微细和超微细加工技术的主要途径，是解决矮合材料超精密加工的主要手 段。它是集机械加工、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， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 日益受到人们的重视。 零件通过表面的光整加工，可以大大提高其各种性能，它的发展水平直接关系到产 品的质量和性能以及产品的成本和价格。在工业发达国家的制造业中，对该项技术都极 为重视。美国曾对4 0 0 个工厂进行调查，其中有7 0 以上的工厂去毛刺费用惊人，最高 竞占生产成本的4 0 ，还有8 0 个工厂去毛刺费用占生产成本的1 0 一2 0 1 0 1 。近十年来， 美国每年去毛刺费用在3 0 亿美元以上，有的年份竟高达8 0 亿美元；在日本，t o y o t a 汽车公司有2 5 的工作人员直接或间接从事光整去毛刺的工作。据统计，一辆高级小轿 车有9 5 以上的零件需进行去毛刺及光整加工。更有甚者，对航空、航天装置中精密度 要求很高的零件，其去毛刺的成本和其他工序成本的总和相差无几n 1 | 。在激烈的国际竞 争中，中国机械工业产品有相当一部分有由于零件表面质量问题而失利的。因此，光整 加工技术已成为现代机械工业发展必不可少的内容，在最大限度地推广现有技术的基础 上，研究开发新的光整加工技术十分必要。 l 去除棱边毛刺，棱边均匀倒角， 提高零件的装配工艺性能，实现零件 l 改善零件表面，棱边质量 装配过程的自动化 改善零件表面色泽，光亮度， 提高零件本身的清洁程度 降低表面粗糙度，提高和改善 零件表面质量 提高零件表面物理力学性能， 改善零件表面应力分布状态 是具有装配关系的各零件具有更好的 配合性、重复性及传递性、有效缩短 延长零件本身和产品整机的使用寿命 提高镀层与基体的结合力。满足外观 的特殊要求 图1 - 1 光整加工的主要目的 f i g 1 1m a i np u r p o s e so ff i n i s h i n g 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 2 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) ，但不会影响加工精 度。 2 ) 光整加工所用机床设备不需要很精确的成形运动，但磨具与工件之间的相对运动 应尽量复杂。 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。 1 3 3 光整加工技术分类 光整加工技术作为绝大多数零件的最终加工工序，目的是提高和改善零件的表面质 量。光整加工工艺不同，所获得的零件的表面质量不同。其直接影响着零件的使用性能 和寿命。目前，光整加工技术的工艺方法很多，其分类方法也不尽相同。若按光整加工 的主要功能来分，可分为下面三大类： 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、热能作用的等几大类 约2 0 多种，如图卜2 所示。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 表面光整加工 j 1j a e t l 图i - 2 表面光整加工方法 f i g 1 - 2m e t h o d so fs u r f a c ef i n i s h i n g 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 磁性研磨光整加工的国内外发展动态 研磨是精密加工中最常用的光整加工方法之一。随着科学技术的发展，对机械零件 表面质量要求越来越高，同时零件表面的形状日趋复杂化，普通研磨加工方法虽然在一 定程度上可以满足零件表面粗糙度和形状精度的要求，但较深的表面加工变质层将会降 低零件的物理力学性能，而且许多复杂零件及微小零件的精加工难以完成。因此国内外 专家学者，纷纷探索新的表面加工方法。六十年代，国外专家开始把电磁理论应用到机 械加工领域，磁性研磨加工工艺也随之被提出。 磁性研磨光整加工技术0 讧a f - m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 是利用辅助磁场来进行 精密表面研磨的一种加工方法。加工是在强磁场作用下，填充在磁场中的磁性磨料沿着 磁力线的方向排列起来，吸附在磁极上形成“磨料刷 ，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，从而保证研磨工作的正常进行。这一概念首先是 由前苏联工程师k a r g o l o w 在1 9 3 8 年正式提出的。然而，最近美国o k l a h o m a 州立大学 的1 lk o m a n d u r i 教授发现，1 8 9 7 年的一个美国专利可能是最早的m a f 发明。前苏联自 2 0 世纪6 0 年代起有不少学者( 如k o n o v a l o v 和h u l e v , b a r o n 和s a k u l e v i c h 等) ，一直在致 力于m a f 的研究和推广应用工作，他们主要对磁性磨料的制备方法进行了大量的研究 工作，已经出版了有关磁性研磨加工技术的大量论文和几本专著，申请了多项发明专利， 并多次举办磁性研磨加工方面的专题会议。保加利亚从7 0 年代中期起一直在发展m a f 技术( m a k e d o n s k y 等) ，有关磁性研磨加工方面的国际会议定期在保加利亚召开。德国亦 发表了许多有关这一方面的学术论文n 2 1 。 日本是从8 0 年代初开始对m a f 进行研究的，已经发表了大量的论文，开发出了多 种磁性研磨加工的设备，并不断在实际中推广应用。其中具有代表性的有：日本东京宇 都宫大学的t a k e ns h i n m u r a 、t o s h i oa i z a w a ，日本东京大学的m a s a h i r oa n z a i k o i c h i m a s a k i 等，其中t a k e os h i n m u r a 研制开发了多种加工铁磁性工件和非铁磁性工件的磁力 加工装置，如平面、圆柱内外表面、球面等磁力加工装置，并分别对它们的光整加工特 性进行了研究。这些加工装置有的采用永久磁体来产生恒定磁场，有的则采用电磁体来 形成强度可以控制的磁场，有的采用工件移动外加一定幅度和频率的振动来实现磁力研 磨加工，有的则用产生旋转磁场的办法来实现磁力加工。t a k e ns h i n m u r a 在研制各种形 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 式磁性研磨加工装置的同时，对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和试验研 究，如磁场强度、加工间隙、磨料与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分和粒度等因 素对加工质晷和效率的影响以及它们之间的相互关系，m a s a h i r o ，a n z a i 和k o i c h im a s a k i 对磁性磨料的制备技术进行了大量的研究，并研究开发成功了几种比较有应用价值的磁 性磨料。他们采用的磁性磨料制备方法包括： 等离子粉末熔融法( p p m ) ； 铁磁性金属材料与磨料纤维混合法； 液体磁性磨料。 与高温烧结法相比，这些磁粒制备方法的特点是制备方法简单、成本低，有较高的 实用价值。韩国近年来也在磁力研磨加工的研究方面作了不少深入的研究。例如，韩国 先进科学技术研究所的j e o n g d uk i m , y o u n h e e k a n g 等人发明磁性磨料喷射光整加工 装置，为非圆截面管子内壁的光整加工提供了有效的加工方法n 3 、8 | 。 a 刀具棱边和沟槽表面的磁性研磨加工 a _ m a ff o rt o o le d g ea n dg r o o v e ds u r f a c e 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 砀瓣册卿卿卿霸獬嬲髫瓣卿矧阚 23 矗 56，包 b 缝纫机零件的磁性研磨加工 b - m a ff o rs e w i n gm a c h i n e p a r t s c 异性不锈钢管的磁性研磨加工 c m a ff o rh e t e r o s e x u a ls t a i n l e s ss t e e lt u b e 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 d 医用不锈钢管内表面的磁性研磨加工e 液压元件的磁性研磨加工 d m aff o rt h ei n n e rs u r f a c eo f 屺d i c a ls t a i n l e s ss t e e lp i p ee m a ff o rh y d r a u l i cc o m p o n e n t s 图卜3 日本磁性研磨加工技术在工业中的应用实例 f i g 1 3a p p l i c a t i o n so fm a f i ni n d u s t r yi nj a p a n 磁性研磨的加工工具是磁性磨料。前苏联对磁性磨料的制备方法进行了大量的研究 工作，并就磁性磨料的组成、配比和结构等获得了多项发明专利。研究初期，磁性磨料 的制备主要是采用高温烧结和浇铸、然后粉碎的方法。由于制备成本较高，其规模生产 和应用都受到了很大限制，因此主要是在一些比较特殊的场合中应用，加固管内壁表面、 不锈钢净气瓶内壁表面、硬质合金耐磨涂层刀具表面等的光整加工；随着研究的深入， 一些粉末冶金技术如烧结、渗氮、雾化快凝等技术被用于磁性磨料的制备，现在又出现 了一种称作自蔓延的高温合成技术，并用于磁性磨料的批量生产n 3 】。 另外，英国、美国的几家公司也分别生产了用于修饰性加工和去毛刺的磁性研磨设 备。迄今为止，国外的磁性研磨技术已成功地应用在多个方面。如不锈钢净气瓶的内壁 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，轴承环及内外圈滚 道，液压机械用的滑阀、泵齿轮、球阀，家用不锈钢器皿，螺纹轧棍，滚珠丝杠，滚珠 轴承保持架，盘形制动器，缝纫机零件，活塞，凸轮轴，叶片等异型零件的去毛刺与抛 1 2 垂鬈鬃鬣黪匿娶鬟氍 太原理工大学硕士研究生学位论文 光加工，刀具研磨等，提高刃口的使用性能等。 我国开展对磁性研磨的研究工作起步较晚，开始于2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初， 且投入的人力财力有限。目前仍处于试验研究阶段，实际推广应用很少。开展该项技术 研究最早的是哈尔滨科技大学和大连理工大学，随后哈尔滨工业大学、山东理工大学和 太原理工大学也进行了该项技术的研究，山东理工大学近几年在复杂曲面磁粒光整加工 艺和设备的研究方面做了不少工作，取得了较好的效果。大连理工大学在数控磁粒光整 加工曲面研究的基础上，通过三坐标测量和控制，进行了仿形技术研究。他们研制开发 出不同的磁力研磨实验装置，并对不同工件( 如轴承内环的外滚道、螺纹环规、丝锥、 仪表电机轴、仪表齿轮、阶梯轴、钢球等) 进行了研磨实验，取得了较好的加工效果d 哪! 。 针对曲面零件的光整加工技术，国内的科研机构和高校进行了许多方面的研究，其 中比较典型有：王振龙采用球形工具在五轴数控机床上抛磨曲面；张永俊设计了弹性浮 动工具对平缓曲面进行抛光；张业军等研究了电解抛光工艺；哈尔滨工业大学在电解加 工的基础上，增加了超声振动，取得了较好的抛光效果。中国科学院长春精密光学机械 与物理研究所张峰等研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区大小、形状和材料 去除率的影响情况，并根据几个参数的定性研究，建立了磁流变抛光的数学模型。哈尔 滨理工大学的吴石林等人对模具型腔数控磨削加工方面进行了研究，开发了可在普通数 控铣床上实现模具型腔磨削加工的t d 牵引驱动增速器和c b n 磨头，实现模具铣削后 直接更换磨头进行磨削加工北京工业大学的范晋伟等人对数控磨削运动精度进行了分 析，并对其控制方法进行了理论研究。哈尔滨工业大学进行了数控机械电解抛磨曲面的 研究，但重点在于抛磨工艺。华中理工大学的张雷、衰楚明等人在六轴关节机器人的基 础上建亿了模具曲面自动抛光实验平台，对机器人抛光工艺过程进行了建模、仿真以及 刀具轨迹进行了研究。清华大学精密仪器系c i m s 室对光学自由曲面数控研磨技术进行 了研究，实验结果精度达到光学表面的要求。郑州工业大学的杨开明等人研究开发了二 维自由曲面力控制磨削系统。四川联合大学的黄诗翘在对弹性研磨法进行研究的基础 上，开发了适合在加工中心和数控机床上对自由曲面进行加工的弹性砂轮，对其材料、 性能以及寿命进行了较全面的分析 2 7 - 3 7 o 华侨大学的方建成等人在传统的磁性研磨加工 的理论基础上，进行旋转磁场的磁性研磨加工的研究，提出了利用脉冲电路的控制产生 旋转磁场从而实现无运动部件光整加工的新思路 a a o 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着科学技术的飞速发展，对产品的精度和表面质量要求会越来越高。磁性研磨加 工作为一项新型的研磨加工技术，一种极具潜力的自动化曲面光整加工工艺，可以广泛 地应用于机械、模具、汽车、轴承等制造行业。特别是自由曲面磁性研磨光整加工技术， 将具有广阔的应用前景。 1 。5 选题的目的和意义 光整加工技术作为绝大多数零件的最终加工工序，是制造技术的重要组成部分，加 工工艺不同，所获得的零件的表面质量，加工精度和生产率不同，而且光整加工工艺还 直接影响着零件的使用性能和使用寿命。产品质量的好坏，国际竞争力的增衰，与光整 加工技术的发展有很大的关系。世界上发达国家对光整加工技术的研究和推广应用十分 重视，如以技术立国著称的日本，注重技术的吸收，消化，研究开发了大量的光整加工 工艺并在实际生产中推广应用，取得了巨大的经济效益；德国、美国、英国等对光整加 工技术的研究开发与推广应用也十分重视，己有先进、实用、有效的光整加工工艺在实 际生产中应用。 现代制造技术的一个重要发展方向是精密和超精密加工技术，微细和超微细加工技 术，而磁流体研磨、磁性研磨光整加工、电解磨削、电化学机械光整加工等光整加工技 术是实现这些加工的主要途径；复合材料的蓬勃出现也给光整加工技术提出了新的课题 和挑战；当前对于细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器，以及具有复杂型腔内壁 等传统工艺难以加工的零件。也迫切需要研究开发新的光整加工工艺来解决这个难题； 同时光整加工也是解决当前产品存在的质量和生产率等问题，提高产品国际竞争力的关 键技术。因此光整加工技术的发展趋势应该是大幅度改善零件的表面质量和提高生产效 率，在实现精度稳定甚至提高精度等级的同时还应实现机械化、自动化、柔性化、智能 化、敏捷化和高效率、低成本。 光整加工技术不仅仅是一个制造技术问题，而是一门集机械加工、材料学、物理学、 化学、电磁学、粉末冶金学、机电一体化、计算机等诸多学科为一体的综合技术。其研 究成果将丰富非传统加工学科的内容，促进我国制造业的发展；研究成果被应用到实际 生产中，必将大幅度提高产品的使用性能和寿命，提高产品的市场竞争力，减轻工人的 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 劳动强度，并产生巨大的经济效益和社会效益。 在自由曲面研磨加工中常用的磨具均是“刚性”的，与被加工曲面接触是点接触， 这不仅影响切除率，而且受力不均，在陡坡部甚至出现“滑行 ，使切削层不均匀，影 响加工质量。而磁性研磨是利用磁场把介于磁极和被研磨工件表面间的磁性研磨粉磁 化，使得研磨粉颗粒在磁场中按其最大轴线的磁力线方向排列成刷子状的“柔性 磨具， 这种“柔性”磨具的形状随工件的形状的改变而改变，完全与被加工表面吻合，这对精 加工无疑是一理想的工具。 随着科学技术的发展，对零件表面的光整加工提出了越来越高的要求。传统的手工 研磨和机械研磨已不能满足要求。尤其在军工生产中，有许多零件由于形状复杂，用常 规的光整加工方法很难达到要求的表面质量，还有许多零件用常规的光整加工方法不仅 效率低、成本高，而且会造成应力分布不均匀以致影响使用寿命。例如对于形状复杂工 件的表面加工、边缘加工( 去毛刺、去飞边、倒棱等) 。现在大都采用手工方式，可望 通过磁性研磨的光整加工方法的应用把这种手工作业改为机械化、自动化的加工方法。 在降低成本的同时，又能提高加工表面的质量。再例如坦克上的转动弹子盘，其滚子在 热处理后需进行精加工。过去均采用普通磨削方法，成本高，效率