（机械制造及其自动化专业论文）电化学磁力研磨复合加工工艺及机理研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y r e s e a r c ho nt h eh y b r i dp r o c e s so f e l e c t r o c h e m i c a l m a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n g p h d c a n d i d a t e ：l i ug u o y u e s u p e r v i s o r ：p r o f g u oz h o n g n i n g d e c e m b e r2 0 12 s c h o o lo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p - r c h i n a ，5 1 0 0 9 0 摘要 摘要 磁力研磨是一种先进的研磨加工技术，具有切深小、柔性适应强等优点，但同 时也有加工效率低、磨料寿命短且制造工艺复杂等缺点。电化学加工是一种基于阳 极电化学溶解的加工方式，从理论上讲，是一种属于离子级去除的加工方式，适合 于任何金属及合金材料的加工。但是，由于加工过程中，涉及的因素过多，如电解 液的流场、极间电场、温度场等对加工都有影响，要达到良好的加工效率和表面质 量对工艺过程控制以及装备要求高。 本文以钝化膜为结合点将电化学与磁力研磨复合，主要从复合工具及装置研 制、工艺实验、复合机理三个方面进行研究。复合工具的结构形式直接决定复合工 艺以何种形式实现，本文针对电化学与磁力研磨的不同工艺特点，提出了中空电磁 极相间复合工具。对于中空电磁极相间的结构而言，最为关键的是电解液是否能够 有效到达电化学工作区域。对此，本文使用有限元方法建立了中空工具工作间隙的 磁场模型，并在计算所得磁场分布的基础上推测了磨料刷与通液空腔的形貌。为了 使磁路结构能够更加方便的适用于平面类零件的加工工艺，本文在分析了闭合与开 放两种磁路结构的基础上提出了主线圈加辅助线圈的磁路结构，有限元与实测结果 都证明辅助线圈能够有效增强加工间隙内的磁场强度。 与传统磁力研磨不同，本文所采用的工具结构和铁磁性磨料都具有特殊性，所 以对复合工具下的磁力研磨状态进行了研究。首先，分析了铁磁性磨料在磁场下的 力学行为。结合单颗磨料在磁场中受力的数学模型与有限元分析的结果，对研磨压 力进行了数值模拟，得到了单颗磨料在工具径向上的研磨压力分布。设计实验装置 测得了粉末松散状态下的f e 3 0 4 相对磁导率，并依据这个数值对磨料刷的相对磁导 率进行了计算。根据相对磁导率以及磨料与研磨压力的分布，对整体研磨压力进行 了估算，计算值与文献测量值相近。其次，进行了不同加工时间、转速、振动频率、 磁极电流、加工间隙的纯磁力研磨参数工艺实验。此外，使用高速摄像仪观测了不 同转速下的磨料刷形貌，分析了不同转速下磨料刷形貌与磨料残余的原因，并且建 立了理论最高转速模型，结合磁场有限分析的结果对最高转速进行了估算。 磁力研磨与电化学的复合并不是简单工艺叠加，而存在一些交互影响。磁场对 电化学过程可能会产生影响，而电解液液流对磨料残余、磨料刷形貌也可能产生影 响。本文在流场分析的基础上，讨论了流场与磨料残余、磨料刷形貌之间关系。通 广东工业大学博士学位论文 过理论分析与实验现象发现：在存在电解液液流的情况下，即使达到紊流的流量， 磨料残余依然存在但数量减少，而磨料刷也不会被冲溃。与此同时，本文也评估了 这些绝缘残余磨料对电化学溶解精度的影响并且发现这种影响非常小。对磁场条件 下的电化学行为，。本文建立了叠加磁场情况下的离子轨迹模型，分析了在电场平行 向叠加磁场对离子轨迹的影响，并测量了不同材料不同电解液在叠加磁场情况下的 阳极极化曲线。 在本文第六章中，课题对基于中空电磁极相间复合工具的电化学磁力研磨复合 加工进行了系统的工艺实验研究。通过更改电化学与磁力研磨的相关工艺参数，得 到不同复合状态的工艺效果。通过实验发现，磁力研磨与电化学的匹配关系对复合 加工的表面质量和加工效率影响很大。要达到良好的复合效果，必须使得电化学加 工不进入到超钝化溶解阶段。在这个前提下，除膜速度越快表面质量越好。在适当 工艺条件下，使用复合工艺加工a 3 钢和a i6 0 6 1 表面粗糙度r a 可达到0 2 p , m 以下， 而同样条件下的磁力研磨仅为0 4 0 6 , u r n 。 为了揭示电化学磁力研磨的复合机理，本文首先分别建立了磁力研磨、电化学 加工的加工模型。其中，根据实验现象，在磁力研磨模型中引入了磨料损耗函数， 比较好的吻合了实验结果。然后，本文根据工艺实验的相关结论与实验现象，提出 了电化学磁力研磨复合加工的建模思想，对复合加工过程进行了仿真，从一定程度 上解释了电化学与磁力研磨的复合机理。 关键词：电化学磁力研磨，中空复合工具，有限元，极化曲线，工艺研究 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sa na d v a n c e d p o l i s h i n gt e c h n o l o g y ，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 s f l e x i b l e ，a d a p t a b l ea n dw i t hl o wm e c h a n i c a ld a m a g e ，b u ti ta l s oh a sd i s a d v a n t a g e so f l o wp r o c e s se f f i c i e n c y , s h o r ts e r v i c el i f ea n dc o m p l e xm a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r eo f a b r a s i v e s e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) b a s e so na n o d i cd i s s o l u t i o n ，w h i c hi s s u i t a b l ef o ra l lm e t a la n da l l o yp r e c i s i o np r o c e s si nt h e o r y b u ta c t u a l i t y ，t h e r ea r et o o m a n yp a r a m e t e r sw h i c hw i l le f f e c tt h ee c mp r o c e s ss u c ha sf l u e n t ，h e a t ，e l e c t r i ce t c i t r e q u i r e sg o o dq u a l i t ye q u i p m e n ta n ds t r i c tc o n t r o lo ft e c h n i c a lp r o c e s sf o rb e t t e rp r o c e s s e f f i c i n c ya n ds u r f a c eq u l i t y t h i sp a p e rp r e s e n t sah y b r i dp r o c e s so fe c ma n dm a fb a s e do nt h ep a s s i v a t i o n f i l m i tm a i n l ym a i n l ys t u d i e st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t so fm a c h i n et o o ld e s i g n i n g ， m a c h i n i n ge x p e r i m e n t sa n dh y b r i dp r i n c i p l e s t h es t r u c t u r ef o r mo ft h ec o m p o s i t e dt o o l d e c i d e dt h ef o r mo ft h eh y b r i dp r o c e s s i tp r o p o s e dah o l l o ws t r u c t u r ew i t he l e c t r o d e s s e p a r a t e db ym a g n e t i cp o l eb a s e do nt h ep r o p e r t i e so fe c ma n dm a f r e s p e c t i v e l y f o r t h i ss t r u c t u r e ，t h em o s ti m p o r t a n tp a r ti st om a k es u r et h ee l e c t r o l y t ec a nr e a c ht h ee c m w o r k i n ga r e a t h e r e f o r e ，af e mm o d e lo ft h em a fw o r k i n gg a ph a sb e e na n a l y s e dt o c o n j e c t u r et h es h a p eo ft h ea b r a s i v eb r u s hi nt h ep a p e r f r o mt h eo b s e r v a t i o n sa n d m e a s u r e m e n t s ，t h ef e mr e s u l t sh a v ef o u n dt ob ec r e d i b l e t om a k et h em a g n e t i cc i r c u i t a d a p t a b l et ot h ep l a n ep a r t s ，i tp r e s e n t sam a g n e t i cc i r c u i tc o m p o u n d e db yap r i m a r ya n d a u x i l i a r yc o i lb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo p e na n dc l o s e dm a g n e t i cc i r c u i t s t h e a u x i l i a r yc o i lh a sb e e np r o v e dt oe n h a n c et h em a g n e t i cf i e l di nt h ew o r k i n gg a pb yt h e m e a s u r e da n df e mr e s u l t s d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lm a fp r o c e s s ，t h i sp a p e ra p p l i e dd i f f e r e n tt o o ls t r u c t u r e a n da b r a s i v e s f i r s t l y ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h es t a t u so fm a fu n d e rt h ec o m p o s i t e d t o o l ，t h ef o r c ea n a l y s i so ft h em a g n e t i ca b r a s i v eh a sb e e nc a r r i e do u t i n t e g r a t e dt h e f e mr e s u l t sa n dm a t h e m a t i c sm o d e l ，m a c h i n i n gf o r c ed i s t r i b u t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e d ad e v i c et ot e s tm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo ff e r r a m i ch a sb e e nd e s i g n e d w i t ht h em a g n e t i c i i i 广东工业大学博士学位论文 p e r m e a b i l i t yf r o mm e a s u r e m e n t ，t h em a c h i n i n gp r e s s u r em a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h e w h o l ew o r k i n ga r e ah a sb e e nb u i l t s e c o n d l y ，t os t u d yt h es t a t u eo fm a fu n d e rt h e c o m p o s i t e dt o o l s ，t h ee x p e r i m e n t sa b o u tt h ep a r a m e t e r s o fm a fp r o c e s s ，s u c ha s m a c h i n i n gt i m e , r o t a t i n gs p e e d ，v i b r a t i o nf r e q u e n c y ，e x c i t i n gc u r r e n t ，a n dw o r k i n gg a p s i z eh a v e b e e nc a r r i e do u t t h i r d l y ，h i g hr a t ep h o t o g r a p h i ci n s t r u m e n ti sa p p l i e dt o o b s e r v et h ea b r a s i v eb r u s hs h a p eu n d e rd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d t h eh i g h e s tr o t a t i n g m o d e la l s oh a sb e e nb u i l ta n dc a l c u l a t e d t h eh y b r i dp r o c e s so fe m a fi sn o ts i m p l yo v e r l y i n go fm a fa n de c mp r o c e s sb u t h a si n t e r a c i v ei n f u l u n c eo ne a c ho t h e r t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nf l u e n ta n dr e s i d u a l a b r a s i v e sh a sb e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e r a sar e s u l t ，i tf i n dt h e r ei sr e s i d u a la b r a s i v e e v e nu n d e rt u r b u l e n c ec o n d i t i o nb u tn o tt h a tm a n ya si nt h em a fp r o c e s s m e a n w h i l e ， t h ee f f e c t so ft h e s er e s i d u a la b r a s i v e st oe c mp r o c e s sh a sa l s ob e e ne s t i m a t e dw h i c hi s f o u n dt ob el i t t l e am o d e lo ft h em a g n e t i cf i e l di n f l u e n c eo nt h ei o nt r a c k sh a sb e e n b u i l t w et e s t sp o l a r i z a t i o nc u r v e so fw o r k p i e c em a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n te l e c t r o l y t e s o l u t i o n sa n dm a g n e t i cf i e l dc o n d i t i o n s t h es i x t hc h a p t e ro ft h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h ep a r a m e t e r se x p e r i m e n t so ft h e e m a fp r o c e s s b ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r so fm a fa n de c mr e s p e c t i v e l y ，i tc a na l t e r t h er e l a t i v es t r e n g t hb e t w e e ne c ma n dm a fi nt h ec o m p o u n dp r o c e s so fe m a f t h e m a t c h i n gr e l a t i o n sb e w t e e nt h ee c ma n dm a fp r o c e s si sn e c e s s a r yt o a c h i e v eg o o d s u r f a c eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yf o rt h e h y b r i dp r o c e s so fe m a f t or e a c hg o o d c o m b i n a t i o ne f f e c t ，t h es t a t eo ft h ee c mp r o c e s sm u s tb eu n d e rp a s s i v a t i o n t h em a f p r o c e s si s ak e yf a c t o rt ok e e pe c mu n d e rt h a ts t a t e u n d e rp r o p e r l yc o n d i t i o n s ，t h e s u r f a c er o u g h n e s sr ac a nr e a c hb e l o wo 2 1 a mw h i l ei ti si nr a n g ef r o m0 4t o0 5 1 x mi n t h em a fp r o c e s sw i t hs a m ec o n d i t i o n s t or e v e a lt h ep r i n c i p l eo ft h eh y b r i dp r o c e s so fe m a f ，t h i sp a p e rb u i l d st h e o r y m o d e l so fe c ma n dm a fr e s p e c t i v e l y a c c o d i n gt ot h ep h e n o m e n a so fe x p e r i m e n t s ，i t i n t r u d u c e si nt h el o s sf a c t o ro ft h ea b r a s i v ew h i c hf i t t e de x p e r i m e n t sw e l l o na c c o u n to f t h ep h e n o m e n a sa n dc o n c l u s i o n so ft h ee x p e r i m e n t s ，i tp r o p o s e sat h e o r yt h a tt h e t h i n k n e s so ft h ep a s s i v a t i o nf i l md e c i d e dt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o no fe c m b a s eo nt h a t t h e o r y ，t h ee c ma n dm a fm o d e l sa r ef i n a l l yi t e r a t e da st h ee m a fm o d e l ，w h i c hm o d e l p a r t l ye x p l a i n e dt h eh y b r i dt h e o r y a b s t l a c t k e yw o r d s ：e l e c t r o c h e m i c a lm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ，c o m p o s i t e dt o o l ，f e m ， p o l a r i z a t i o nc u r v e ，p r o c e s se x p e r i m e n t s v 广东工业大学博士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录i c o n t e n t s x i 符号表x v 第一章绪论一1 1 1 本课题的研究背景及意义1 1 2 国内外相关技术研究现状及发展2 1 2 1 电化学与磨削复合加工研究现状2 1 2 2 电化学磁力研磨复合加工研究现状一6 1 3 研究课题的来源1 1 1 4 本论文主要研究内容1 1 第二章电化学磁力研磨复合原理及加工装置1 3 2 1 电化学与磁力研磨的复合基本原理1 3 2 1 1 电化学溶解基本原理1 3 2 1 2 电化学与磁力研磨复合的基本原理1 4 2 1 3 电化学加工与磁力研磨的区别与联系1 5 2 2 电化学磁力研磨复合加工装置1 6 2 2 1 磁力研磨模块1 6 2 2 2 电化学工作模块1 8 2 3 本章小结1 8 第三章复合工具及磁路设计1 9 3 1 电磁极一体式复合工具1 9 3 1 1 常用一体式复合工具结构1 9 3 1 2 常用的磁路结构2 0 3 1 3 中空电极磁极复合一体式工具设计思路2 3 v u 广东工业大学博士学位论文 3 2 磁路及中空工具参数分析2 4 3 2 1 开放与闭合磁路模型一2 4 3 2 2 中空通道半径值变化2 6 3 2 3 磁极截面形状2 9 3 2 4 辅助线圈磁路3 1 3 - 3 磁感强度实测实验3 5 3 4 磨料刷形貌观测实验3 6 3 5 本章小结3 8 第四章复合工具下的磁力研磨状态3 9 4 1 工作间隙内铁磁性磨料的力学行为3 9 4 1 1 铁磁性磨料受力模型3 9 4 1 2 松散磨料磁导率的测量4 0 4 1 3 工作间隙内磁场分布及研磨压力计算4 3 4 2 纯磁力研磨实验条件4 6 4 3 不同加工时间4 9 4 3 1 加工时间实验4 9 4 3 2 铁磁性磨料与表面质量5 0 4 4 工具转速5 3 4 4 1 工具转速与加工表面粗糙度5 3 4 4 2 复合工具回转运动与磨料刷形貌5 4 4 4 3 理论最高转速的计算5 6 4 5 工件振动频率5 8 4 6 磁场相关参数一5 9 4 6 1 励磁电流与研磨压力5 9 4 6 2 不同励磁电流实验6 0 4 6 3 工作间隙6 2 4 7 本章小结6 3 第五章电化学与磁力研磨交互影响研究6 5 5 1 复合工具流场的建模与分析6 5 5 1 1 电解液配制与流量设计6 5 l l 目录 5 1 2 复合工具的电解液流场建模与分析6 8 5 2 铁磁性磨料残余现象及影响7 l 5 2 1 铁磁性磨料残余现象7 1 5 2 2 磨料残余对电化学过程的影响分析7 2 5 2 3 流场与磨料残余、磨料刷7 3 5 3 叠加磁场下的电化学行为7 5 5 3 1 磁场下带电粒子轨迹数学模型7 5 5 3 2 平行向叠加磁场的离子轨迹分析7 7 5 3 3 叠加磁场的极化曲线一8 0 5 4 本章小结8 3 第六章电化学磁力研磨复合加工实验研究8 5 6 1 复合加工实验条件8 5 6 2 复合加工时间8 6 6 2 1 复合加工时间实验一8 6 6 2 2 复合加工与纯磁力研磨的比较8 8 6 3 磁力研磨对复合加工的影响9 2 6 3 1 复合工具转速9 2 6 3 2 工件振动频率9 6 6 3 3 磁极电流的影响9 8 6 4 电化学工艺参数对复合加工的影响一1 0 1 6 4 1 加工电流1 0 1 6 4 2 加工间隙1 0 4 6 4 ，3 电解液及其液流的影响1 0 5 6 6 本章小结1 0 7 第七章电化学磁力研磨复合j j o t 模型1 0 9 7 1 表面粗糙度的相关定义及计算一1 0 9 7 2 磁力研磨去除模型一111 7 2 1 磁力研磨去除模型11 2 7 2 2 磁力研磨模型仿真及验证11 6 7 2 3 引入损耗函数的仿真及验证1 1 8 i x 广东工业大学博士学位论文 7 3 电化学微观蚀除模型1 2 0 7 3 1 电化学的光整原理1 2 0 7 3 2 电化学微观蚀除模型1 21 7 3 2 微观蚀除模型仿真1 2 3 7 4 电化学磁力研磨复合加工模型1 2 4 7 4 1 复合加工模型1 2 5 7 4 2 复合加工模型的仿真及验证1 2 7 7 5 本章小结1 3 1 结论与展望1 3 3 参考文献1 3 7 攻读学位期间发表论文一1 4 8 学位论文独创性声明一1 5 0 致谢151 x c o n t e n t s co n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c ti e n g l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v i i c o n t e n t s ( e n g l i s h ) x i l i s to fs y m b o l s x v c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n dm e a n i n go f t h es u b j e c t 1 1 2a c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to f t h es u b j e c t 2 1 2 。1d e v e l o p m e n to f h y b r i dp r o c e s so f e c ma n dg r i n d i n g 2 1 2 2d e v e l o p m e n to fh y b r i dp r o c e s so fe c ma n dm a f 6 1 3t h eo r i g i no f r e s e a r c ht o p i c 11 1 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t 11 c h a p t e r 2t h e o r ya n de q u i p m e n to fh y b r i dp r e o e s so fe m a f 13 2 1b a s i ct h e o r yt oc o m p o u n de c ma n dm a f 13 2 1 1p r i n c i p l eo f a n o d i cd i s s o l u t i o na n dp o l a r i z a t i o n 1 3 2 1 2t h e o r yt oc o m p o u de c ma n dm a f 1 4 2 1 3d i f f e r e n c ea n dc o n n e c t i o nb e t w e e ne c ma n dm a f 1 5 2 2e q u i p m e n to f h y b r i dp r c o e s so f e m a f 1 6 2 2 1m a fm o d u l e 1 6 2 2 2e c mm o d u l e 18 2 3s u m m a r yo f c h a p t e r 一18 c h a p t e r3d e s i g no fm a g n e t i cc i r c u i ta n di n t e g r a t e dt o o l 1 9 3 1i n t e g r a t e dt o o lo f m a g n e t i cp o l ea n de l e c t r o d ”1 9 3 1 1a c t u a l i t yo f i n t e g r a t e dt o o lo f m a g n e t i cp o l ea n de l e c t r o d e 1 9 3 1 2c o m m o ns t r u c t u r e so f m a g n e t i cc i r c u i t 。2 0 3 1 3l a y o u tf o rd e s i g no f c o m p o s i t e dt o o l s 一2 3 3 2p a r a m e t e r sa n a l y s i sf o rc o m p o s i t e dt o o l s 2 4 3 2 1m o d eo f c l o s e da n do p e n e dm a g n e t i cc i r c u i t 2 4 广东工业大学博士学位论文 3 2 2v a r i o u st u n n e ld i a m e t e r s 2 6 3 2 3d i f f e r e n ts h a p eo f s e c t i o no f m a g n e t i cp o l e 2 9 3 2 4a n a l y s i so f m o d e lw i t ha u x i l i a r yc o i l 3 1 3 3e x p e r i m e n t st ot e s tm a g n e t i cf i e l d 3 5 3 4e x p e r i m e n st oo b s e r v ea b r a s i v eb r u s h 3 6 3 5s u m m a r yo f c h a p t e r 3 8 c h a p t e r 4s t a t u so f m a fw i t hc o m p o s i t e dt o o l s 3 9 4 1m e c h a n i c a lb e h a v i o r so f g r a i n si nw o r k i n gg a p 3 9 4 1 1m a t h e m a t i c a lf o r c ea n a l y s i sm o d e lf o rg r a i n s 3 9 4 1 2m e a s u r e dm a g n e t i cp e r m e a b i l i t yf o rl o o s eb o u n d e dg r a i n s 4 0 4 1 3c a l