（机械电子工程专业论文）磁力研磨技术的研究与应用.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文对磁力研磨光整加工技术进行了理论和实验研究，尤其对铁磁性材料的内 表面磁力研磨抛光技术进行了重点研究和实验，并设计了适合内表面磁力研磨的磁极 和机床配套零件。 全文所做的工作可以分成三大部分： 1 、对磁力研磨光整加工技术的理论研究 ( 1 ) 对磁力研磨加工机理的研究。本文对单个磁性磨粒的受力、磁性磨粒的运 动过程以及整个研磨刷的受力都进行了详细的分析。给出磁力研磨的加工机理是磁性 磨粒的微量切削和挤压作用j 塑性变形作用、化学腐蚀作用和电化学磨损作用的综合 作用。同时对磁力研磨加工过程中一些关键技术，如：切削热、磨粒的自锐、磨粒飞 溅的临界速度以及磁力研磨的干研和湿研等问题进行了研究。特别的对于内表面磁力 研磨的机理和特点进行了研究。 ( 2 ) 本文对衡量磁力研磨加工性能的两个重要的参数：表面粗糙度r a 和金属 的去除量m ，进行了定量的分析，给出了数学表达式，并用m a t l a b 进行了数值模拟 和分析。 2 、对磁力研磨光整加工技术的实验研究 ( 1 ) 本文通过实验手段对影响磁力研磨的各种因素进行了全面的研究。得到了 各种因素( 如加工的间隙、加工的时间、磁极的转速、磁粒的成分以及大小等) 对磁 力研磨加工性能影响的变化规律以及所存在的最佳值，这对于磁力研磨光整加工技术 的推广应用，具有实际参考价值。 ( 2 ) 本论文对“松散型”磁性磨料进行了实验研究。本文利用铁粉和钢粉作磁粒 相和s i c 混合在一起，不进行粘结，只加入粘度较大的机油做结合剂，获得了较好的 加工效果。 3 、磁极的设计及实验研究 本文设计了适合大壁厚铁磁性材料内表面槽类零件的磁力研磨光整加工的磁极 和工艺，并对铁磁性材料的磁屏蔽现象进行了研究。 关键词：磁力研磨；内表面；铁磁性材料；粗糙度；材料去除率 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i i lt l l i sd i s s e n 砒i o 玛1 et l l e o r ya n d e x p e r i r n e n to nm a 驴e t i ca _ b r 嬲i v ef i i l i s h i n g ( m a f ) i s s n l d i e d e s p e c i a l l y ，s n l d i e da n d 锄a l y z e do fm a fo n 吐屺i 皿e rc y l i n d e rs 删沁e p r o c e s s i n g ，a z l dd e s i 盟e dt _ h em a g n e t i c 、o r k 陀眦l e ra n dp a r ts u i tf o rt h ei 硼屺rs u r f 沁e p r o c e s s i i l g m m 面o rw o r k sc a nb ed i v i d e di n t ot p a r t s ： 1 a 她o r e t i c a l 蛐o n m a f ( 1 ) t h c 蛐0 nm ep r o c e s s i n gm e c h 蕊s mo fm a g 枷ca b r 勰i v ef i n i s h i n g b a s e do n t h e 印p l i e df o r c ea i i a l y s i sa n d 虹n e m a t i c 粕m y s i so fas i i l g l em a g n e t i ca b r a s i v eg r a i l l 孤l d l e 印p l i e df o r c ea i l a l y s i so fa c l l i e v e db yt h ec o m b i n e da c t i o no fm i c r o - c u 牡i n g ，e x m i d i n g ， p l a s t i cd e f 0 衄i i l g ，c h e m i c a lc o 玎o d i n ga n de l e c 仃o c h e m i c a lw e a r i n g o t l l e ri n l p o r t a i l t f - a c t o r s ，w m c ha f f e c t t l l e f i l l i s m i 坞p e r f o n 】：l a n c e ，s u c h 嬲h e a tg e n e r a t e db yc u t t i n g ， s e l l j s h a 印e m n g ，t e r m i n a lv e l o c i 锣o ft h es p l a s l l i n gg r a i n s ，弱w e l la sd 巧锄dw e ta _ b r a s i v e w 躺a l s oi n v e s t i g a t e d s p e c i a l l y ，a i l a l y z i i l gm i ec l l a 】t e r i s t i c so ft h en e m a lc y l i n d e r s u r f a c eb ym a f 锄dr e s e a r c l l i n gt h e 硼i e m a lc y l i n d e rs u r f a c em 觚u f 犯t u r i n g 廿l e o 巧o f f e r r o m a g n e t i cm 砷e r i a le s p e c i a l l y ，a tt l l es 锄et i r i l e ，t l l ec r i t i c a ls p e e df o 肌u l ai sd e d u c e d ( 2 ) t h ea i l a j y s i so ft h em 勾o rp e r f o 肌a n c ep a m l i l e t e r s f o rm 雒乒e t i ca b r a s i v e f i i l i s m n gq u a i l t i 僦v e l y t h es 山f a c er o u g l l i l e s sr a 觚dm em 0 嘣o f m e t a lr e m o v e dm ， w k c ha r et l l em o s ti m p o r t 锄tp e 响m l a n c ep 绷e t e r s ，w e r es t u d i e dq u a i l t i t a t i v e l y 锄d m e nt h e i rm a t h e m a t i cm o d e l sw e r ed e v e l o p e da n dv a l id a ：t e db yt h ee x p e r i m e n t a lf e s u l t s u s i i 增t 1 1 em o d e l st op r e d i c t 廿l ep r o d l l c t s q u a l i 够c o u l de l i m i n a t em 锄ym i d w a yt e s t s 锄d c o m p l i c a t e dm o 血o r sa n da v o i do v e rm a c l l i i l i n g ，t h l l sm em a c l l i n i n ge 衔c i e n c yc o u l db e i n c r e a s e d a n du s i n gm em a t l a b 觚a l y z e dm e s ed a t a 2 a ne x p e r i m e n t a l 咖d yo nm f ( 1 ) 1 1 1 ee x p e 曲e n t a ls t u d yo nt h ee c t so fv a r i o l l s 缸t o r so nt h ep e 血n n a 芏l c eo f m a 舀l e t i ca b r a s i v ef i n j s l l i r 唱d u r i n gm ep r o c e s s t h ef a c t o r s s t l l d i e da r em a c h i n i n g c l e a r 觚c e ，m a c h i l l i n gt i m e ，r o t a t i i l gs p e e do fm em a 驴e t i cp o l e ，t h ec o m p o s i t i o na n d s i z eo f t l l em a g n e t i ca b r a s i v eg a i n s ，锄dt y p eo fa b r a s i v eg r e a s e as e r i e so fe x p e r i m e m sw e r e c o n d u c t e da i l dt l l ec h a n g i n gc u i v e sa n db e s tv a l u e so fe a c hf a c t o ro nm ep e r f o n n a n c ew e r e 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c l l d e t e n l l i n e d t h ee x p e r i i n e n t a lr e s u l t sc o u l db eu s e da sag u i d ef o r l ep 瑚u c t i c a la p p l i c a t i o n o ft l l em a 蹲l e t i ca b r a 匹i v ef i n j s l l i i l g ( 2 ) n l ee x p e r i m e n t a ls n l d yo nm ee 彘c t so f u n b o n d e da b r a s i v e n eu n b o n d e dm a 驴e t i c 搬i v ei sc o m p o s e do ft l l ei r o no rs t e e lp o w d e r 诹t l ls i cp o w d e ro fd i 仃e r e n ts i z e ，a i l di t s n oa d l l i b i t e d ，o n l yu s e sal i m em a c i l i n eo i l ，a n dg e t t i n gag o o d 、o r 虹i 坶r e s u l t 3 d e s i 印e do fm a g n e t i c w o r kr e 锄e ra n d 咖d i e do ne x p 嘶m e n t i i lt l l i sp 印e r ，w ed e s i 印e dt l l em a 印e t i cw o r kr e 卸1 e r 锄dp r o c e s s ，w h i c hb ea d o p tt o w o r ko nb i gs i z eo f l i c k n e s s 证n e rs u r f 犯eo ff e 盯i o m a g n e t i cm a t e r i a i ，觚ds t l l d i e d 证e p h e n o m e n o no f t l l em a g n e t i s m s h i e l d k e yw o r d s ：m a 印e t i c d b r 嬲i v e f i m s 抽1 9 ( m a f ) ；i i l ：n e r - su r ：f ；l c e ；f e n o m a g i l e t i c m a t e l j a l ；s u r 纽c er o u g l u l e s s ；m a t e l j 酊r e f n 0 v a l i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：孑1t 蓟山 时间：了年占月f 罗同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间：洲矽年 时间：渺罗年 v 日 日 力x， ，-f-j， 月 月 ，-o，口 山东理工大学硕士学位论文 绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着工业的发展，对零件的表面光整加工技术和棱边精加工提出越来越高的要 求。光整加工技术正是以提高零件表面质量作为出发点，经过光整加工的零件表面具 有低的表面粗糙度和良好的表面微观几何形貌，不仅具有良好的外观质量，而且还有 耐磨、防腐蚀和抗疲劳等作用。在国外精加工领域中，人们正通过各种渠道，借助多 种能量形式，探索新的工艺途径。国际上目前采用的光整加工的方法主要有：手工抛 光、机械研磨抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光、电化学机械光整加工、磁力研 磨等【”】。其中，手工抛光是最常用的光整加工方法，这种方法不仅劳动强度大，加 工效率低，而且对工人的技术熟练程度要求高。超声波抛光也是一种手工操作的辅助 抛光方式，主要用于槽、缝、边角等人的手指难触及部位的抛光，这种抛光方式的加 工效率非常低。相比之下，化学、电化学抛光和电化学机械光整加工的加工效率则要 高得多，由于这三种加工方式属于腐蚀和溶解加工，对材料的硬度、韧性和强度等几 乎不受任何限制，目前己经在内、外圆柱表面的镜面加工中获得了应用。虽然化学、 电化学和电化学机械光整加工方法有着很高的加工效率，但由于影响它们的加工因素 很多，难于控制，对环境和工人的健康也有一定程度的危害，其应用范围受到很大的 制约，目前还仅能用于一些简单型面或小的复杂工件表面的光整加工。尽管目前的精 加工方法很多，但仍然难以满足所有产品的精度需要。 磁力研磨是一种把磁场能应用于传统的研磨技术中，开发出的一种新兴的磨削加 工技术，通过磁极产生的磁场力作用到磁性磨料( 填充在磁极与工件之间) 上形成一个 与加工面形状相当的磁力研磨刷，对工件表面进行磨削加工的方法。它不仅应用于模 具的精加工中，而且在制药业、航空航天业、大规模集成电路、精密仪器和精密量具 等行业也将有很好的应用前景，是一种有效的光整加工方法之一。这种加工方法具有 高效率、高精度和高表面质量的特点，适合于平面、球面、圆柱面和其它复杂形状零 件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。值得一提的是磁性研磨加工技术可以很好 地与数控机床、加工中心和机器人技术结合，实现光整加工的自动化【4 j 。因此，磁力 研磨加工技术越来越得到重视。 山东理工大学硕士学位论文绪论 1 2 磁力研磨的现状及发展趋势 磁力研磨是利用磁场力的作用，在磁极间使磁性磨料形成如刷子一样的研磨刷， 以一定的压力压向工作表面，在机床主轴的高速旋转下，使磨料与工件之间产生相对 运动，实现对工件表面的研磨抛光如图1 1 所示。 磁性磨料在工件表面的运动状态 通常有滑动、滚动和切削等3 种状态1 4 j ， 当磁性磨料在加工中受到的磁场力大 于切削力时，磁性磨粒处于正常的切削 状态；当磁性磨料受到的磁场力小于切 削力时，磁性磨料就会产生滑动或滚 动。所以磁力研磨的加工机理既有利用 磨粒对工件的凸出部位进行切削的作 用，同时也有磨粒在滑动或滚动的过程 中对工件表面的挤压压平作用。 1 2 1 磁力研磨的加工特点 图卜1 磁力研磨原理示意图 与传统的研磨、抛光等加工工艺相比，磁力研磨光整加工工艺具有许多优点： ( 1 ) 具有很好的柔性和自适应性。在磁场中，磁化的磨粒靠磁场的作用力和彼 此间的磁性吸引力非刚性的固结在一起形成磨料刷，这个磨料刷的形状在加工过程中 能够随工件形状的变化而变化，表现出极好的柔性和自适应性。 ( 2 ) 具有很好的自锐性。加工中相对运动的存在，使磨粒沿加工面滑动的同时 出现了滚动，磨粒间不断的更换位置，使其具有极好的自锐性。它不像普通砂轮那样 存在堵塞和磨粒钝化现象，这在很大程度上提高了加工的效率。 ( 3 ) 研磨的压力可控性强。磁力研磨的加工压力可以通过改变励磁电流进行调 节，所以控制起来比较容易。 ( 4 ) 适用范围广。磁力加工不仅可以用来进行光整加工，而且可以用来去毛刺、 倒角和去除3 0 岬的锈。不仅可以加工平面、内外柱面、球面。还可以加工复杂的曲 面，甚至能加工普通加工手段无法加工的工件。 ( 5 ) 加工效率高。当用于加工淬火钢工件表面时，如轴承环、轴瓦和圆棒等。 在3 0 6 0 s 的时间里，表面粗糙度r a 可以从0 5 0 6 p m 减到0 0 5 0 0 6 肛m p j 。 ( 6 ) 可以强化工件的表面。在对工件进行光整加工的同时，不仅可以去除机械 加工和磨削时产生的残留拉应力，而且能够形成1 6 0 1 2 0 m p a 的预留压应力【6 j ，而 这可以大大提高工件的抗疲劳强度。 2 山东理工大学硕士学位论文 绪论 ( 7 ) 加工装置简单、成本低。不需要砂轮、油石、传动带等预备加工设备。 另外，该方法比较清洁，振动、噪声较小。尤其是如果采用旋转磁场，加工的环 境和加工的范围将更加优越。而且，磁力研磨加工良好的柔性和自适应性，为其与数 控技术结合起来进行复杂曲面( 如空间自由面) 的光整加工创造了条件。 1 2 2 磁力研磨光整加工技术的发展概况 直到最近，人们还一直认为，磁力光整加工这一概念的首次发明是前苏联工程师 勋嚷o l o w 在1 9 3 8 年提出的。然而，最近o h a l l o m a 州立大学的k - 0 m a n d 面教授发现， 1 8 9 7 年的一个美国专利可能是最早的m a f 发明【7 1 。前苏联自2 0 世纪6 0 年代起有不 少学者一直在致力于m a f 的研究和推广运用工作。由于磁力光整加工的基础是磁性 磨料，因此前苏联对磁性磨粒的制备方法进行了大量的研究工作，并在磁性磨料的组 成、配比和结构等方面取得了多项发明专利。保加利亚从7 0 年代中期一直在发展 m a f 技术( 如m a k e d o n s k y ) ，并举办了多次国际性的专题学术会议；德国已经出版 了这方面的学术论文。 日本是从8 0 年代初开始对m a f 进行研究的，并开发了多种磁粒光整加工设备。 其中有代表性的研究人员有日本东京宇都宫大学的1 酞es h i n m u r a ，t o s l l i oa i z a w a ， 日本东京大学的m a u s a l l i r o a m z a i ，k o i c l l im a s a l ( i 等。其中1 狄e os h i 衄u m 研制开发了 多种加工铁磁性工件和非铁磁性工件的磁粒光整加工装置，如平面、内外圆柱面、球 面磁粒加工装置，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 永久磁体来生产恒定磁场，有的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粒光整加工，有的采用旋转磁场的办法实 现磁粒光整加工。1 酞es l l i 胁u m 在研制各种形式磁粒加工设备的同时，对各种场合 的加工工艺进行了较深入的理论分析和实验研究，如磁场强度、加工间隙、磨粒与工 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量和效率的影响以及它们 之间的相互关系。m a s l l i r oa n z a i 和k o i c l l im a s a k i 对磁性磨粒的制备技术进行了研究， 并研究开发成功了几种比较有应用价值的磁性磨料。 m a s a l l i r oa n z a i 和k - o i c h i 对磁性磨料的制备技术进行了研究，并研究开发了几种 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：( 1 ) 等离子粉末熔 融法( p p m ) ；( 2 ) 铁磁性金属材料与磨料纤维混合法；( 3 ) 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、有较高的使用价 值。 韩国近几年来也在磁粒光整加工的研究方面做了不少深入的研究。前述的磁磨料 喷射光整加工装置就是由韩国先进科学技术所的j e o n g d uk i m ，y o u n - h ak 锄g 等人发 明的，该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瞵j 。 3 山东理工大学硕士学位论文 绪论 我国开展对磁力研磨加工的研究起步较晚，开始于8 0 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9 0 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m a c 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5 斗m ，阀芯表面粗糙度没有变 大，工件圆柱度在2 陋以下；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；另外，华侨大学、 长春光机学院等几家高校也对磁粒研磨进行了一系列研究，目前国内对磁力研磨的研 究还局限于工艺实验方面，对其加工机理还缺乏深入系统的研究。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，尤其是理论基础匮乏，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。 此外，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。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之外，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等功能。 1 3 磁力研磨的应用 1 3 1 磁力研磨的分类 根据加工原理的不同，磁力研磨可分为三类【4 j ： ( 1 ) 磁流体研磨 磁流体研磨是7 0 年代由日本研究发展的一种新的光整加工技术，它是利用磁流 体本身所具有的液体流动性和磁性材料的磁性，以及外磁场的作用来保持磨粒与工件 之间的接触，借助于相对运动达到研磨光整工件表面的精加工方法。 金属磁性流体是一种带磁感应的流体材料，它由磁性颗粒( f e 3 0 4 ) 、表面活化剂 和液体载体组成，平均粒径1 0 0 埃左右磁性颗粒胶体，悬浮于油基或水基的液体载体 中。对磁性流体施加强磁场时，由于表面活化剂的作用，磁性颗粒不会聚集，始终保 持悬浮状态。磁性流体是完全软磁性的，磁性流体的饱和磁化强度由载体中磁性颗粒 的数量及其材料性质决定，载体中的磁性颗粒越多，磁性流体的饱和磁化强度就越高。 在均匀磁场中，磁性流体中的磁性颗粒沿磁场取向；在梯度磁场中，磁性流体被吸向 4 山东理工大学硕士学位论文绪论 高磁场区。由此可知，借助外加磁场，可以对磁性流体进行控制定位，将磁性流体进 行控制定位。将磁性流体固定在一位置的力，其大小与外加磁场梯度和磁性流体的磁 化强度有关。 在磁性流体中加入具有切削能力的非磁性磨粒材料，使之成为混合液。当混合液 处于梯度磁场中时，磨粒和磁性颗粒分别向相反方向移动。若磁场梯度方向位于重力 方向时，磨粒就会上浮于磁性流体表面，这种使磨粒上浮的力称为磁浮力。此外，磨 粒还受到磁场产生的定位力的作用。悬浮力和定位力直接影响研磨的效果，其大小可 由如下公式计算 f = y g ( 织一p ) + 埘i 4 万 f = v m h | 4 瓦 式中：f 磁浮力； f 。定位力： y 非磁性材料磨粒体积； 破非磁性材料磨粒密度； p 磁性流体密度； 日磁场梯度； g 重力加速度。 磁流体研磨加工装置如图1 2 所示。试件置于混合液中，表面就 会受到磁浮力作用下的磨粒的推 压；使工件与磨粒之间产生相对运 动，从而可对工件表面进行研磨加 工。 参与此项研究工作的主要有： 图卜2 磁流体研磨原理图 日本的u m e h a r a 和k a t o ，英国的c l l i l d s 等人，美国的k o m a n 枷等人。国内也开展 了这方面的研究工作，主要有南京航空航天大学和哈尔滨工业大学等少数几所高校 【_ 7 】 o ( 2 )电化学磁力研磨 电化学磁力研磨，也称复合磁力研磨，这是一种电化学和磁力研磨复合新工艺， 图l - 3 为电解磁力研磨工作原理示意图。电解磁力研磨的光整效果是在三重作用下产 生的。 1 ) 电化学作用 电解液在阴阳极之间电离，带电离子与工件表面发生电化学反应，于是在工件表 面生成一层紧密的钝化膜，使工件表面失去原来的活泼性质，减慢了溶解过程。由于 工件表面微观高低不平，凸起部位所生成的钝化比在凹处所生成的厚度小，使得凸起 山东理工大学硕士学位论文 绪论 处的电化学作用比凹处强，促进了对工件表面的整平。 2 ) 机械研磨作用 研磨垫上的磨粒起到机械研磨作用，磨粒与工件之间的复杂相对运动，刮去了工 件表面低硬度的钝化膜，使之露出新鲜表面，从而加速了电化学整平作用。 爪：捅 俸? 、( 懦一建一i k i 。1 。j (7 ) 磁彩 i 件 黛 电解液 1 _ 一一回流捆 一一一 十 一电解液橹 畦! 剀一一一过滤网 一l j l j 厂 一 图卜3 电解磁力研磨加工示意图 极 3 ) 磁场的作用 在电场的作用下，离子仅作线性加速运动。在增加磁场后，离子受到洛伦兹力的 作用，运动轨迹要复杂许多，抛光研磨工艺的重要一点是加工轨迹的不规则性。电解 抛光时，离子到达电极表面都有大小不一入射角，离子与峰接触的概率得到增加，与 谷底接触的概率降低，微观不平得到进一步的改善。因此，+ 在磁场的作用下，洛伦兹 力加速了电极附近的离子扩散、迁移运动，降低了浓差极化，有利于电化学反映。 为了实现高效、高质量表面研磨加工，许多研究人员正从事这方面的研究工作， 其特点是多种能量的综合。k u p p u s w 2 吼y 提出了磁场对电解磨削材料去除率的作用； k u m a g a i 等研究了磁场对电解磨削铁磁材料磨削力及材料去除率的作用；金东燮等人 提出了磁力电解磨料抛光；i n j e o n g d u 等人对磁力电解抛光的机理进行了研究； 李学全等人用实验对磁场作用下电解研磨的机理进行了分析研究。 ( 3 ) 磁性磨料研磨 磁性磨料研磨是磁力研磨的另一个分支，它的基本原理在前面已经介绍过了，详 细的情况将在后面的章节中叙述，它将是本文的研究重点。本文将从实验和理论两 方面对磁力研磨作深入的研究。 6 山东理工大学硕士学位论文绪论 1 3 2 磁力研磨的作用 磁力研磨的应用多种多样，主要用于零件表面的光整加工、棱边的倒角和去毛刺 等。即可用于加工外圆表面，也可用于平面和内孔表面，甚至齿轮表面、螺纹和钻头 等复杂形面的研磨抛光。利用磁力研磨方法去除精密零件的毛刺，通常用于液压元件 和精密偶合件的去毛刺，效率高、质量好，棱边的倒角可以控制在o 0 1 眦l 以下，这 是其它工艺方法难以实现的，铃木清等人将此工艺用于医用器材微细结构处的去毛 刺。 大部分的模具制造工艺因数控机床和c a d c a m 系统的引入已实现自动化，但 是模具表面的抛光仍然需由熟练工人手工操作。虽然为了免除手工操作已做了许多努 力，但是模具三维曲面的自动抛光仍未能实现。曲面抛光加工间隙的变化对抛光质量 的影响因短纤维磁性磨料的使用而大大改善，另外，因短纤维磁性磨料的相对滑动小， 材料去除率高于一般磁性磨粒。先进的陶瓷材料越来越多地被当作结构材料，典型的 代表是用于高速回转场合的陶瓷轴承。高光洁、高精度、少表面缺陷的加工要求超出 了一般工艺的加工能力。磁力研磨可用于加工非磁性材料，用磁力研磨加工陶瓷工件， 材料去除率显高于一般研磨工艺，表面粗糙度可达1 0 纳米级。 将磁力研磨应用于超细砂轮或油石的在线修正，是另一应用范例。这种在线修正 方法与其它在线修正方法相比，结构简单，适用性强。铃木清等人还将磁力研磨应用 于硬质合金局部研磨加工，如：角度加工、沟槽加工。 半导体产业中输送到纯度气体的容器及管道、制药机械、食品机械的物流管道都 需要高清洁的表面，这方面的研究工作已有很大的突破，从机械式旋转磁场到电磁式 旋转磁场的改进，解决了管道内表面研磨所需的周向相对运动。 相应的磁力研磨装置的种类也很繁多，但按磁场的形式可以分为两大类，第一类 具有形成磁性加工工具的恒磁场，该磁场依靠磁性加工工具和加工表面相对移动来加 工( 图l - 4 1 1 1 、1 1 3 、1 1 4 ) ；第二类则是采用交变的或旋转的磁场来产生磁性磨 料与加工面之间的相对运动，从而达到加工的目的。 第一类磁粒光整加工装置的特点是磁磨料移动的距离小，有时光整加工靠加工表 面与磁极的同时运动来完成( 图1 7 、图1 9 、图1 1 0 ) 。不过图1 1 4 的情况是个例外， 它的磁性磨料靠气体动力来驱动，产生与工件 表面相对运动。第一类装置采用易于磁化和退 磁的铁磁性磨料，该磁磨料具有高的饱和磁化 强度。这一类装置均含有一个作为磁场源的电 磁性 磁线圈或永久磁铁、带磁极的磁轭和在磁极与 工件之间充有铁磁性磨料的工作区。 第二类装置( 图1 1 2 、1 1 5 ) ，铁磁性磨料的图卜4 平面的磁力光整加工 7 山东理工大学硕士学位论文 绪论 移动靠一个交变或者运动的磁场来实现，有时也靠加工零件的移动来实现。这类装置 使用的铁磁性磨料一定要有强磁性，如高的矫顽力( 规定 2 0 k a m ) 。因为具有低矫 顽力的铁磁性磨料易于发生反磁化，结果磁粉被吸附在工件上，实际上不能运动。 磁粒光整加工以磁场对磁粒的作用力为基础，一般来说，磁场对磁粒的作用力f 不仅取决于磁粒能够被磁化的程度、磁粒的体积v ，而且也取决于磁场的强度h 和 梯度d h 。 f = v h - d h 式中风为磁粒的磁导率，磁力f 的方向由招的方向确定。这个磁场力不仅产生 磁粒对工件表面的压力，也产生使磁粒向加工区域聚集和带动磁粒运动的力。图1 1 所示的圆柱面磁粒加工装置，工件在做旋转运动的同时，还做沿轴线方向的往复运动， 图1 - 4 所示的平面磁力加工装置也是这样，磁极的旋转运动与工件的水平移动相结合， 这都使得磁粒在光整加工中的切削运动轨迹变得复杂，从而提高了加工的质量。有些 磁粒光整加工装置，磁性加工工具( 即“磨料刷”) 与磁场源一起旋转。其典型的代表 图卜5 凹槽和平面的磁力光整加工 图卜6 圆柱内表面磁力光整加工图卜7 小子l 内表面的磁力光整加工 8 山东理工大学硕上学位论文绪论 工 o ， 件区 餮锄鳜缪缁拗缴绛 过蕊沁父心蕊& x 心心n 蕊 i 1 磁 n o 图卜8 台阶面和螺纹面的磁力加工图卜9 球面的磁力研磨 磁 图卜1 0 球形阀的磁力光整加工图1 _ 1 1 有色金属管内壁的磁力加工 通， 图卜12 用旋转磁场抛光管内表面图卜13 净气瓶内壁光整加工 9 料 山东理工大学硕上学位论文 绪论 图卜1 4 磁粒喷射加工图卜1 5 用交变磁场抛光小零件 是借助磁场的作用带动磁性磨料的抛光轮( 图1 5 、图1 6 ) ，这种装置被用于黑色和 有色金属零件的光整加工。在磁力光整加工装置中，表面与加工等距的磁极是常用的， 这种磁极能用来加工圆柱面( 图1 1 、图1 7 ) 、平面( 图l - 4 ) 、台阶面、螺纹面、圆 锥面( 图l ，8 ) 和球面( 图1 9 、图1 1 0 ) 。这些装置都是通过磁极运动或工件运动、 或磁极与工件同时运动而实现加工面的加工。有色金属管件内壁和不锈钢净气瓶内 壁，是两种用常规方法难以进入并加工的部位，而磁粒光整加工则能很容易地实现对 它的加工【7 】，如图1 1 1 、图1 1 3 所示。值得一提的是，日本的s l l i 姗u m 等人新近开 发的旋转磁场磁粒加工装置( 图1 1 1 ) ，可以进行包括弯管在内的管的内壁的光整加 工，解决了真空管、卫生管内壁抛光这一传统加工方法难以解决的加工难题1 9 j 。这种 加工装置由于没有运动部件，加工更加的平稳。这种新的磁粒加工装置，不仅可以加 工截面形状是圆形的工件内壁，对其它截面形状的工件内壁也可以进行非常有效的加 工。 1 4 本文研究的背景、内容 1 4 1 本文研究的背景 论文选题主要是针对液压系统中的液压缸内圆槽的抛光展开研究，在液压系统生 产厂家中，对于液压缸的关键部位密封槽的抛光一般采用砂布轮加工的方法。这 种工艺加工速度快但是质量却差强人意，工件在使用过程中存在返修率过高，使用寿 命低等问题。鉴于此，我们使用磁力研磨工艺对密封槽的抛光进行了一系列的研究分 析及实验。 磁力研磨目前所存在的主要问题： ( 1 ) 缺乏可使用的工艺参数； ( 2 )专用的磁力研磨磁极的设计； ( 3 ) 工件的去磁问题： l o 山东理工大学硕士学位论文 绪论 ( 4 ) 磁性磨料的制备问题。 1 4 2 本文研究的内容 本文拟从一下几个方面展开工作 ( 1 )磁力研磨加工机理的研究 本文将通过电磁场理论、金属摩擦磨损理论以及金属的塑性变形理论，对磁力研 磨的加工机理进行研究。分别从宏观和微观两个方面对单个磁粒的受力情况及其在加 工过程中的运动形式进行分析；对研磨刷的受力及大量磁粒运动规律进行研究；对磁 力研磨中所存在的，如：切削热、磨粒的自锐、磨粒飞溅的临界速度以及湿研比干研 的效率高等问题进行了讨论；给出了磁力研磨的加工机理。 ( 2 )磁力研磨数学模型的建立 从金属的切削原理、金属的塑性成型原理出发，给出了磁力研磨加工过程中，金 属的去除量m 、工件表面的粗糙度r a 的具体的数学表达式，这样对于预测工件的加 工质量以及加工的效率有很重要的作用。同时这一数学模型的建立，对于解决磁力研 磨过程中经常出现的过量加工，以及对加工过程的检测都有很好的作用。 ( 3 ) 磁力研磨的实验研究 磁力光整加工的质量和效率受到众多因素的影响，如磁感应强度、工具磁极形状 和转速、工件的形状和材质、磁粒的成分和粒径、加工间隙、加工时间，以及研磨液 等。本文通过实验对影响磁粒光整加工的各因素进行了深入的探索和研究，从而揭示 了其中的规律，这对于正确合理的选择工艺参数具有很重要的意义。同时对“松散型” 磨料进行了详细的实验研究。 山东理工大学硕士学位论文磁力研磨加工机理的研究 第二章磁力研磨加工机理的研究 磁力研磨是磨料群在磁场力的作用下，对工件表面实施复合作用的过程。与磨削、 研磨和抛光有相同的地方，也有不同之处。由于磨粒大小、形状和受力情况各异，所 以研磨过程比较复杂。在本章，作者根据金属切削原理、摩擦理论以及电磁理论对磁 力研磨中磨粒的受力和运动，研磨的过程以及研磨的机理进行了探讨，并对在磁力研 磨过程中经常出现的几个关键技术问题进行了分析。 2 1 精密和超精密磨削的概述 精密和超精密磨粒加工是利用细粒度和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工。 得到高加工精度和低表面粗糙度值。对于铜、铝等合金金属，用金刚石刀具进行超精 密切削是有效的，而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工在当前是 最主要的精密加工手段。 2 1 1 精密和超精密磨料加工的分类 精密和超精密磨料加工可以分为固结磨料和游离磨料两大类加工方式，它们所属 的各种加工方法如表2 1 所示【姗。 ( 1 ) 固结磨料加工 将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定形状并具有一定强度，再采用烧结、 粘结、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。其中用烧结方法形成砂轮、 砂条、油石等称为固结磨具；用涂敷方法形成砂带，称为涂敷磨具或涂覆磨具。 1 ) 精密和超精密砂轮磨削 精密砂轮磨削是利用精细修整的粒度为6 0 群8 0 群的砂轮进行磨削，其加工精度 可达l p m ，表面粗糙度可达r a o 0 2 5 岬。超精密砂轮磨削是利用经过仔细修整的粒度 为w 4 0 w 5 的砂轮进行磨削，可以获得加工精度为0 1 岬，表面粗糙度为r a 0 0 2 5 o 0 0 8 “m 的加工表面i l l j 。 2 ) 精密和超精密砂带磨削 利用粒度为w 6 3 w 2 8 的砂带可进行精密砂带磨削，其加工精度可达l p m ，表 面粗糙度可达r a 0 0 2 5 岬l 。利用粒度为w 2 8 w 3 的砂带可进行超精密砂带磨削，其 加工精度可达0 1 岬，表面粗糙度可达i 己a o 0 2 5 0 0 0 8 “m 的加工表面。 3 ) 其他加工 1 2 山东理工大学硕士学位论文 磁力研磨加工机理的研究 表2 1 精密和超精密磨料加工方法分类 如油石研磨、精密研磨、精密超精加工、精密砂带研抛、精密珩磨等。 ( 2 ) 游离磨料加工 在加工时，磨粒或微粉不是固结在一起，而是成游离状态，其传统加工方法是研 磨和抛光，近年来，在这些传统工艺的基础上，出现了许多新的游离磨料加工方法， 如磁力研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷 射加工等。 精密磨削和超精密磨削一般多指砂轮磨削和砂带磨削，它们都是6 0 年代发展起 来的。 2 1 2 精密和超精密磨削所用的磨料、磨具和研磨剂 磨料磨具是推动磨粒加工技术发展极为活跃又十分关键的一个方面。过去，刚玉 和碳化硅等人造磨料的出现，使磨削发展成为精密机械加工的主要方法；近代人造金 刚石和立方碳化硼问世，标志着磨削发展的新阶段；今天，随着新工程材料的发展和 磨削机理研究工作的深化，将不断涌现新的磨料加工技术和开发新的磨料和磨具品 种。 磨料是磨削、研磨和抛光加工所用工具中起切削作用的材料，是制造磨具的主要 原料；也可以游离状态使用于某些研磨和抛光工作。常用的磨料多为硬质非金属材料， 除要求具有较高的硬度外，还要求强度适当，具有良好的抗破碎性和自锐性；在高的 山东理工大学硕士学位论文 磁力研磨加工机理的研究 磨削温度下还要保持原有的硬度和强度，以及与被加工材料不易发生化学反应。 磨料颗粒的粗细以粒度表示，它表征磨粒尺寸范围及其中粗细颗粒的比例，以粒 度号表示。磨料多为粒径小于1 n u n 的颗粒；基本粒径小于6 3 m 的一般称为微粉。 磨料粒度的粗细对被磨工件的表面质量和加工效率影响很大。 凡用以进行磨削、研磨和抛光的工具统称为磨具，大部分磨具均由磨料和结合剂 制成；也有用天然矿石直接加工制成磨具的。磨具有天然磨具和人造磨具两大类。人 造磨具是用磨料为主要原料以人工方法制成的，按其形状和特征又可分为固结磨具、 涂敷磨具和研磨剂三类。 固结磨具由磨料、结合剂和气孔三部分组成；其中磨粒起切削作用，结合剂的主 要作用是将磨料粘结在一起，使磨具具有一定的几何形状、尺寸、强度和硬度；气孔 则起容纳切屑和排屑的作用，还可容纳切削液和散逸磨削区的热量。 研磨剂系由微粉级磨料、分散剂和辅助材料等组成的混合物，用于研磨和抛光。 使用时，研磨剂中的磨粒呈游离状态。研磨剂有液体的、膏状的和固体的三种。研磨 剂中常用的磨料有刚玉、碳化硅、氮化硼和人造金刚石等；在精研和抛光时则有用软 磨料的，如氧化铁、氧化铬等。研磨剂中的辅助材料主要是脂类物质，它在研磨中起 乳化、润滑和吸附作用；并有促使工作表面产生化学变化，生成易脱落的氧化层，从 而提高磨削加工的效率的作用。常用的有硬脂酸、脂肪酸、石蜡和混合脂等。 磁力研磨作为一种松散式磨粒加工，与磨削、研磨和抛光有很多相似的地方，充 分了解磨削、研磨和抛光的已有成果，对研究磁力研磨加工是十分有效的。 2 1 3 精密和超精密磨削的机理 精密磨削主要是靠砂轮的精细修整，使磨粒具有微刃性和等高性，磨削后，在加 工表面留下大量极微细的磨削痕迹，残留高度极小，加上无火花磨削阶段的作用，获 得高精度和低表面粗糙度表面。因此精密磨削理论可归纳为以下几点： ( 1 ) 微刃的微切削作用 应用较小的修整导程( 纵向进给量) 和修整深度( 横向进给量) 精细修整砂轮， 使磨粒微细破碎而产生微刃，如图2 1 所示。这样，一颗磨粒就形成了多颗微磨粒， 相当于砂轮的粒度变细【_ 7 。微刃 切削作用形成了低粗糙度表面。 ( 2 ) 微刃的等高切削作用 由于微刃是砂轮精细修整 形成的，因此分布在砂轮表层的 同一深度上的微刃数量多、等高 性好，从而使加工表面的残留高 ：蘸! 一， 施僦铡糊龇 1 4 图2 1 磨粒微刃性和等高性 山东理工大学硕士学位论文磁力研磨加工机理的研究 度极小。微刃的等高性除与砂轮修整有关外，尚与磨床的精度、振动等因素有关【l 2 。 ( 3 ) 微刃的滑挤、摩擦、抛光作用 砂轮修整得到的微刃开始比较锐利，切削作用强，随着磨削时间的增加而逐渐钝 化，同时，等高性得到改善。这时，切削作用减弱，滑挤、摩擦、抛光作用加强。磨 削区的高温使金属软化，钝化微刃的滑擦和挤压将工件表面凸峰碾平，降低了表面粗 糙度。 ( 4 ) 弹性变形作用 在磨削加工中，砂轮的切削深度虽然只有1 2 0 “m ，但由于单位磨削力比较大， 所以总磨削力是很大的，与通常的切削加工不同，由于法向分力是切向分力的两倍以 上【1 3 】。由此而产生的弹性变形所引起的砂轮的切削