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浙江工业大学硕士学位论文 磁控式气囊抛光加工特性及实验研究 摘要 抛光作为模具制造的重要工序，能保证模具的质量，提高其使用寿命。气囊抛光作 为一种新型的超精密加工技术，尤其适用于曲面加工。随着曲面结构的日益复杂化，模 具的表面大多存在细小凹槽、内倒角、内圆角、加工流道或者曲率突变等结构，此时， 气囊在下压时往往不能与工件直接接触，这些结构便成了气囊抛光的加工盲区。 本文提出的磁控式气囊抛光方法，既能在气囊与工件接触区域实现抛光，又可以对 气囊无法接触的区域借助外加磁场对磁性磨粒的超距作用，形成可控的磨粒刷，对加工 工件进行抛光。主要内容包括： 1 1 介绍了磁控式气囊抛光原理，对气囊接触邻域单颗磨粒的受力、磁力刷的形成和 磁力刷的材料去除特性进行了理论分析，得到了磁力刷的材料去除模型：研究了气囊接 触区单颗磨粒的受力，探讨了该区域磨粒的正压力以及速度，讨论了磁性磨粒的失效形 式及原冈。 2 ) 对抛光工具中永磁体所产生的磁场进行仿真，得出其磁场分布的原始状态和特 性；在此基础上，对比仿真了气囊下压以及抛光工具倾斜状态下磁场的变化，得到实际 抛光中磁场分布情况；根据仿真的结果对磁场分布进行相应的控制和优化，以应用到抛 光实验中。 3 ) 从材料去除率以及表面粗糙度两个指标对气囊接触区进行实验研究，借助正交实 验方法，研究每个指标下主要参数的灵敏度及优选方案；选取速度变量，设计验证性实 验，证明了正交实验过程和结果的准确性：对抛光过程中的磨粒进行跟踪拍摄，获取磁 性磨粒的失效时间及失效过程。 4 1 通过定点和直线轨迹运动两种抛光方式，对气囊接触邻域的抛光效果进行实验研 究，结果表明，磁力刷加工中均取得了较均匀的加工表面，在相同实验条件下，运动抛 光能得到更好的粗糙度。 摘要 5 ) 针对气囊接触区和气囊接触邻域进行磁性磨粒的配比实验，在各自实验环境的磁 性磨粒中加入不同比例的加工介质，评价有无加工介质与不同比例加工介质的优劣性。 实验结果对磁控式气囊抛光技术的加工优化具有实际的意义。 本文扩展了气囊抛光的应用范围，同时对磨粒实现一定的控制，对推进模具自由曲 面的自动化抛光技术的发展具有一定意义。 关键字：气囊抛光，磁场辅助抛光，自由曲面，磁场，磨粒配比 i i m a c h i n i n gf e a t u r e sa n de x p e r i m e n t a l s t u d yo f m a g n e t i cg a s b a gp o l i s h i n g a b s t r a c t p o l i s h i n gi sas i g n i f i c a n tp r o c e s sf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g ，t h u sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i ne n s u r i n gt h em o u l dq u a l i t ya n di n c r e a s i n gi t sw o r k i n gl i f e g a s b a gp o l i s h i n gi sc o n s i d e r e d a san e wt e c h n i q u eo fu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g ，w h i c hi sp a r t i c u l a r l yu s e f u lf o rt h ec u r v e d s u r f a c em a c h i n i n g w i t ht h ec o m p l e x i t yo ft h es 仃u c t u r eo fc u r v e d ，s o m et i n yg r o o v e s ，i n n e r b e v e l ，o u t e rb e v e l ，p r o c e s s i n gf l o wa n dt h ep l a c ew i t has u d d e nc h a n g eo fc u r v i t yc a nb e f o u n do nt h em o s to ft h em o u l ds u r f a c e ，a n dt h e s es t r u c t u r e sb e c o m eb l i n da r e a s ，w h i c h c a n n o td i r e c t l yc o n t a c tw i t hg a s b a gw h e np o l i s h i n g t h em e t h o do fm a g n e t i cg a s b a gp o l i s h i n gp r e s e n t e di n t h i st h e s i s ，c a nb eu s e di n p o l i s h i n gt h ec o n t a c tz o n eb e t w e e ng a s b a ga n dw o r k p i e c e ，a t t h em e a n t i m e ，b ym e a n so ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nm a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i ca b r a s i v e ，t h ea b r a s i v ep a r t i c l e sf i l e dc a nb e c o n t r o l l e d 。a n dm a g n e t i ca b r a s i v eb r u s hi sf o r m e d ，w h i c hc a nb eu s e di nn o n c o n t a c ta r e a p o l i s h i n g t h em a i nw o r ko f t h i st h e s i si ss h o w na sf o l l o w s ： 1 t h ep r i n c i p l eo fm a g n e t i cg a s b a gp o l i s h i n gi si n t r o d u c e d ，t h es t r e s s o fas i n g l e m a g n e t i ca b r a s i v ei nt h en e i g h b o r h o o do fg a s b a gc o n t a c ta r e ao fp o l i s h i n g ，t h ef o r m a t i o no f m a g n e t i ca b r a s i v eb r u s h ，a n di t sf e a t u r eo f m a t e r i a lr e m o v a la r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , t h e n t h em o d e lo fm a g n e t i cg a s b a gp o l i s h i n gm a t e r i a lr e m o v a li so b t a i n e d ；m o r e o v e r , b a s e do nt h e s t u d yo nt h es t r e s so f as i n g l ea b r a s i v ei nc o n t a c ta r e ao fp o l i s h i n g ，t h en o r m a lp r e s s u r ea n d v e l o c i t yo fa b r a s i v ei sd i s c u s s e d ；f i n a l l y , t h ei n v a l i d a t i o nf o r m so fm a g n e t i ca b r a s i v ea n d t h e r e a s o n sa r es t u d i e d 2 t h es i m u l a t i o ni sp e r f o r m e df o rt h em a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db yp e r m a n e n tm a g n e t i np o l i s h i n gt o o l ，t h eo r i g i n a ls t a t ea n df e a t u r eo fm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d ；o n t h i sb a s i s ，t h ec h a n g e so fm a g n e t i cf i e l d i nd i f f e r e n td o w n w a r dd e p t ho fg a s b a g a n d i n a b s t ra c t i n c l i n a t i o na n g l eo fp o l i s h i n gt o o la r es i m u l a t e da n dc o m p a r e d , t h e nt h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o ni na c t u a lp o l i s h i n gi so b t a i n e d ；i nt h el i g h to fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o nc a nb ec o n t r o l l e da n do p t i m i z e d , i no r d e rt oa p p l yi np o l i s h i n ge x p e r i m e n t 3 i no r d e rt os t u d yt h e s e n s i t i v i t ya n do p t i m i z a t i o nm e t h o d so fp a r a m e t e r s ，t h e p o l i s h i n ge x p e r i m e n ti sr e s e a r c h e db yt a k i n gt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n ds u r f a c er o u g h n e s s a ss t a n d a r dw i t ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d a n du s e v e l o c i t ya sv a r i a b l e ，av e r i f y i n g e x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt op r o v et h ea c c u r a c yo ft h ep r o c e s s e sa n dr e s u l t si ne x p e r i m e n t ；t h e p o i n t so fa b r a s i v ea r er e c o r d e dw h i l ep o l i s h i n gt oo b t a i nt h ei n v a l i d a t i o np r o c e s sa n dt i m e 4 t h ep o l i s h i n ge f f e c to ft h en e i g h b o r h o o do fg a s b a gc o n t a c ta r e ai ss t u d i e db y f i x - p o i n ta n dm o v e m e n tp o l i s h i n ge x p e r i m e n t ，a n das m o o t hh i g hq u a l i t ys u r f a c ec a nb e o b t a i n e d ，u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，m o v e m e n tp o l i s h i n gs h o w sb e t t e rr e s u l t s 5 a i m i n ga tg a s b a gc o n t a c ta r e aa n di t sn e i g h b o r h o o di np o l i s h i n g ，e x p e r i m e n t sa r e s t u d i e d b yu s i n g d i f f e r e n tr a t i oo fm a g n e t i ca b r a s i v ea n d l i q u i dp a r a f f i n ，t h e s u p e r i o r i t y - i n f e r i o r i t yo fu s i n gm e d i aa n dt h er a t i oo fm e d i aa r ee v a l u a t e d t h er e s u l t sh a v e p r a c t i c a lm e a n i n gf o rt h eo p t i m i z a t i o no fm a g n e t i cg a s b a gp o l i s h i n g i nt h i st h e s i s ，t h ea p p l i e dl i m i t so f g a s b a gp o l i s h i n gi se x p a n d e d ，a n dt h ec o n t r o l l a b i l i t y o fa b r a s i v ep a r t i c l e sf i l e di si m p r o v e d t h i sd i s s e r t a t i o nh a ss o m es i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a l g u i d a n c ea n dt e c h n i c a lr e f e r e n c ev a l u ef o rp r o p e l l i n gt h ed e v e l o p m e n to fp o l i s h i n g t e c h n o l o g yw i t hh i 曲l e v e lo fa u t o m a t i o nf o rf r e e f o r ms u r f a c em o u l d k e yw o r d s ：g a s b a gp o l i s h i n g ，m a g n e t i cf i e l da s s i s t e dp o l 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 cf i e l d , r a t i oo f a b r a s i v e 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题依托于国家自然科学基金：非一致曲率接触变形下的磨粒场形态与模具曲面 的气囊抛光机理研究( 编号：5 0 5 7 5 2 0 8 ) ；浙江省自然科学基金：模具自由曲面的气囊 抛光机理及过程数字控制方法研究( 编号：m 5 0 3 0 9 9 ) ；浙江省科技厅重点项目：模具 自由曲面新型气囊抛光技术及装备的研究与开发( 编号：2 0 0 6 c 2 1 0 4 1 ) 。 1 2 选题的目的和意义 抛光是模具制造的重要工序，对确保模具的质量和提高其使用寿命有着重要的作用 和意义，随着现代化的发展，模具大量应用在汽车、家用电器、电子、仪表、通讯等领 域中，因此，模具作为制造业发展的重要基础，跟我们的生活息息相关【1 。3 1 。气囊抛光 是适用于曲面加工的一种新型超精密加工技术，由伦敦光学实验室在2 0 世纪9 0 年代提 出来，其工作原理是通过控制抛光气囊相对工件的压力、速度及驻留时间实现对工件的 加工，即接触区域内的材料去除函数在运动轨迹上对时间函数的卷积【4 】。在这过程中， 工件的材料去除是通过接触区域内磨粒的切削、刮擦等作用实现的，因此，当自由曲面 模具的表面具有细小凹槽、内倒角、内圆角、加工流道或者曲率突变等结构时，气囊在 下压时往往不能与工件直接接触，无法实现抛光，这些结构便成了气囊抛光的加工盲区。 本文基于磁场辅助抛光的理念，将磁性磨粒应用于气囊抛光，提出磁控式气囊抛光 技术。该方法在抛光区借助外加磁场对磁性磨粒的作用，使磨粒场实现一定的可控性， 所形成的磁力刷，可以对气囊接触邻域进行抛光。同时，本文对抛光不同区域的加工机 理以及工艺参数选择展开了研究。 本文主要研究的内容涉及磁场分布和磁性磨粒的特性，以及磁性磨粒在不同受力情 况下所对应的加工特性，并针对气囊接触区以材料去除率和表面粗糙度双指标进行了磁 第1 章绪论 控式气囊抛光技术的参数选择和优化，对气囊接触邻域的加工效果进行了实验对比研 究，同时开展了多种形式的实验，以提高磁控式气囊抛光的应用程度。本文的研究结果 对实现磨粒场的可控性以及提高抛光的自动化具有实际的意义。 1 3国内外相关技术的发展现状 磁控式气囊抛光技术是将磁场引入到气囊抛光中，利用磁场对磁性磨粒的超距作 用，从而提高磨粒场的可控性，扩展气囊抛光的应用范围。本文借鉴了国内外众多有关 气囊抛光技术、磁性磨粒、磁场辅助光整加工等方面的研究，并在此基础上对相关技术 加以整合，应用到磁控式气囊抛光技术中。 1 3 1 气囊抛光技术概述 2 0 0 0 年，英国伦敦光学实验室和z e e k o 公司的d 。d w a l k e r 等人【5 ，6 1 提出了一种抛光 新技术，其采用的抛光工具基于s b c t ，该抛光工具头部为柔性气囊，其特点在于气囊 内部气压可在线控制，并在气囊外包裹一层抛光布，通过电机来驱动抛光工具进行旋转， 转速亦可调节，调节s b c t 的进给深度和气囊气压，可将气囊抛光工作面柔度、与工件 曲面接触的面积及抛光压力调节到适当的数值，从而得到适合的抛光接触面积。这种抛 光方法与传统的抛光方法相比，具有以下特斟7 】：1 ) 据加工对象的曲率以及表面粗糙度， 可以在线对抛光工具头的柔性进行调节，获取最佳抛光效果；2 ) 柔性气囊头与工件接 触时，能形成较理想的仿形面积。因此，气囊抛光技术在与被抛工件的接触面积以及接 触吻合度上都有良好的表现，能更好地应用于自由曲面模具表面的抛光。 i l 冲2 0 0 i r p 2 4 0 0 图1 1i r p 系列高精度抛光设备 2 浙江工业大学硕士学位论文 基于s b c t 抛光工具，z e e k o 公司成功地开发了应用于光学器件曲面抛光的i r p 系 列高精度抛光设型5 ，& 1 5 】，该设备最大被抛光光学镜面的直径可达到2 3 m ，工具直径最 大为8 0 0 m m ，抛光区域直径可达2 4 0 m m ，约为工具直径的1 3 ，对b k 7 玻璃的去除率 达了1 2 0 m m 3 m i n ，该技术已经成功地应用到e u r 0 5 0 大型天文望远镜工程，其主镜片直 径达到5 0 m ，同时还有3 6 种不同形式曲率的6 1 8 面跨径为2 m 左右的六边形镜片。运 用该抛光方法，每种镜片的抛光时间仅为1 5 1 8 小时，且粗糙度能达到r a 5 n m 的镜面级 要求。 在国内，也有许多的高校机构从事气囊抛光方面的研究。哈尔滨工业大学的高波等 人【1 6 1 7 1 在d d w a l k e r 等人研究成果上，对s b c t 抛光工具进行了相应的改进( 橡胶气 囊加纤维布加强层，抛光工作面采用聚氨酯) ，针对b k 7 玻璃材料，在数控铣床上进行 了初步的实验，同样得到了光滑的表面，i h 达到了1 2 9 n m ；西安工业大学自行研制 了一台非球面柔性抛光机，对气囊抛光技术进行了系统的研究；浙江工业大学的计时鸣 教授1 9 1 将气囊抛光应用到模具抛光中，提出了基于气囊抛光原理的模具自由曲面抛光技 术，将气囊抛光工具安装于工业机器人的执行末端，通过对气压、转速和机器人的位姿 控制，实现了机器人辅助气囊抛光，模具表面粗糙度可达r a 5 n m 的镜面级要求，且具 备较高的加工效率。 1 3 2 磁场辅助光整m - r 技术概述 磁场辅助光整加工技术与传统的机械、化学等抛光方法不同，它需要借助外加磁场。 该方法由苏联的工程师k a r g o l o w 首先提出时被称之为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 ) ，即磁性磨粒研磨，国内称为磁力研磨。随后，保加利亚、日本、美国等国家 的学者对磁场辅助光整加工技术进行了较深入的研究，提出了多种基于磁场的加工方 法。近十年，又出现了各种各样磁场辅助的复合加上方法，将多种学科融入到了研磨中。 至今为止出现的主要磁场辅助光整加工技术有以下几种： 1 ) 磁力研磨 磁力研磨m - r 是指在辅助磁场的作用下，加工区的磁性磨料将会沿着磁力线的方向 排列，并形成“柔性磁刷”，柔性磁刷末端的磁性磨粒通过工件旋转或者磁场旋转，与 第1 章绪 论 工件产生相对运动，从而实现光整加工。磁力研磨的抛光工具是“柔性磁刷，它的特 点是具备一定的柔性和粘弹性，因此，抛光接触面能随着被抛光工具表面的变化而变化， 对曲面具有较好的仿形度，能广泛应用于外圆、内圆、球面、平面以及更为复杂的自由 曲面等型面，如图1 - 2 t 2 0 。 磁力研磨的方法自提出后，苏联的学者便对磁力研磨进行了大量的研究，并于上个 世纪7 0 年代，研制出了8 m n 系列平面磁力研磨机床【2 i 】；日本学者s h i n m u r a l 2 2 之习在1 9 8 3 年的日本精密工学会春季大会上，首次发表了关于外圆磁力研磨的论文，同时研制了一 系列以外圆、内圆、平面、曲面为研磨对象的设备，还开发了应用于各种行业的专用磁 力研磨机床；1 9 9 0 年后，日本s h i n m u r a 和y a m a g u c h i t 2 0 1 对内孔表面的研磨和毛刺去 除做了深入的研究，并应用了旋转磁场，开发了磁力研磨内孔加工系统；此外，韩国的 学者j e o n g d uk i m 等人【3 1 1 开发了基于计算机控制的旋转磁场磁力研磨加工系统，通过 该系统，实现了对加工过程以及部分参数的自动化控制；j e o n g d uk i m 与y o u n - h e ek a n g 等人【3 2 】研制了磁性磨料喷射研磨加工装置，该装置应用在对非圆截面管内壁的抛光，效 果十分明显。 磁 l 图1 - 2 磁力研磨原理【2 川 磨粒 工件 由此可见，国外关于磁力研磨的研究主要集中在苏联、日本、韩国等国家，而我国， 磁力研磨尚处于起步阶段。八十年代后期哈尔滨科技大学 3 3 - 3 5 1 首先开始磁力研磨方面的 研究，成功试制了m a c 系列磨料，并针对仪器仪表中的零件开发了磁力研磨装置，同 时，对电解磁力研磨技术进行了研究，在材料为4 5 淬火钢、3 c r l 3 、4 0 c r 和1 c r l 8 n i 9 t i 4 浙江工业大学硕士学位论文 的工件上进行了研磨加工实验，实验深入研究了加工中的各种其他因素对实验结果的影 响，包括：电化学作用、电解作用、工件的导磁性、电解液成分的成分比例、磁性磨料 不同的粒度等等；另外，山东理工大学3 叼自行研制了具有普通三坐标数控铣床控制系统 功能的数字化加工控制磁力研磨机床，还具有曲面加工轨迹的自动编程、磁性磨料的自 动替换等功能；大连理工大学【3 7 蚓开发了利用脉冲电路技术实现旋转磁场的内圆加工系 统，对电解磁力复合研磨技术做了一定的探讨，并证明了电化学磁力研磨加工不但能得 到较好的表面质量，其加工效率也大大提高；华侨大学方建成等人【加】在传统磁力研磨的 研磨理论基础上，采用了旋转的磁场，其磁场的旋转通过脉冲电路控制来实现，该方法 的特点在于实现了无运动部件的光整加工；浙江大学 4 1 4 2 将曲面数字化技术与磁力研磨 技术相结合，同时运用了多种其他技术，研制开发了基于激光测点数据的磁力研磨加工 系统。 2 ) 磁流变光整加工 磁流变光整加工是基于磁流变液在非均匀磁场中的流变原理从而实现a n - r _ 的一种 方法。磁流变液由高导磁率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成 的悬浮体，当处于零磁场条件时，磁流变液呈现出低粘度的牛顿流体特性；在强磁 场作用下，则会呈现出高粘度、低流动性的b i n g h a n 体特性。 泵 磁流体发生器 图1 - 3磁流变抛光原理【4 3 ，4 4 】 泵 第1 章绪 论 2 0 世纪9 0 年代初，w k o r d o n s k i 与vp r o k h o r o v 4 5 ，4 6 1 等人提出了确定性磁流 变抛光( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ，m r f ) ，并应用于非球面光学镜片加工，使 得熔石英球面元件表面的粗糙度达到0 8 r i m ( r m s ) ，面形误差达到0 0 9 l m ，b k 7 非球面光学元件表面粗糙度达到l n m ( r m s ) ，面形误差0 8 6 m ；基于m r f 技术， 美国q e d 公司实现了磁流变光整加工技术的商品化，研制了q 2 2 系列磁流变抛光 机，并成功地应用于光学加工之中，其原理如图1 3 。 国内在磁流变抛光方面的研究主要有哈尔滨工业大学、中科院长春光学精密机械与 物理研究院以及国防科技大学等。哈尔滨工业大学的孙希威、仇中军等人 4 7 - 5 1 】建立了磁 流变抛光球形光学元件的去除模型，并研制了数控磁流变抛光实验机床，对光学玻璃、 微晶玻璃等材料进行了加工，粗糙度达到1 0 1 5 r i m ( r m s ) ；中科院长春光学精密机械 与物理研究院 5 2 - 5 6 1 以p r e s t o n 方程为基础，建立了磁流变抛光方法的数学模型，进而对 抛光时间、磁场强度、运动盘速度等因素对抛光效果的影响做了研究；国防科技大学的 石峰等人m ，自行研制了k d m r f 1 0 0 0 磁流变抛光机床以及k d m r w - 2 水基磁流变抛 光液，进行了去除磨削亚表面损伤层的实验研究；彭小强等人 s s , 5 9 提出了一种基于代数 算法的回转对称非球面计算机控制表面成形的驻留时间算法，使得面形精度从8 , u m 提 高到0 5 , u m ，并基于p r e s t o n 方程，建立磁流变抛光的材料去除数学模型，在自行研制 的实验装置上加工b k 7 平面镜工件，验证了数学模型的合理性；此外，尹韶辉等人【删 设计了4 种不同形状的抛光头，利用自行研制的磁流变抛光液体对k 9 平面玻璃进行了 磁流变抛光工艺实验，分析不同磁场强度、刺激转速、加工间隙等参数条件下，抛光头 形状对加工表面粗糙度的影响。 3 1 磁射流抛光概述 磁射流抛光( m a g n e t o r h e o l o g i c a l j e tp o l i s h i n g ，m j p ) 是由美国q e d 公司首先提出 并开始研究的【6 。该技术结合了射流技术和磁流变技术，利用磁流变液在非均匀磁场中 的磁流变效应，在外部磁场作用下，含有磨粒的磁流变液形成准直的硬化射流束，使得 磨粒对工件表面进行碰撞剪切作用从而实现加工的一种确定性抛光技术。磁射流抛光技 术中，射流束较磨粒水射流相比具有较强的稳定性，在磁场的辅助下，有助于实现远距 离的确定性抛光，如图1 - 5 所示【6 2 1 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 泵 图l - 4 磁射流抛光技术原理【6 3 】 磁射流抛光技术首先由美国q e d 公司的k o r d o n s k i 等人“6 5 1 提出，并申请了相关 的美国专利；k o r d o n s k i 等人【6 6 ，6 刀通过研究证明，磁射流技术可以应用在不同材料以及 不同形状的工件表面上，并得到面形误差为几十纳米( p v ) 和表面粗糙度达到数埃 ( r m s ) 的精密光学表面。国内在磁射流抛光技术方面的研究非常有限，国防科技大学 的张学成等人【6 2 ，6 8 , 6 9 1 对磁射流抛光技术的工艺进行了研究，设计了相适应的磁场形态， 重点分析了铁磁喷嘴头部形状对磁场的影响，同时探究了磁射流抛光时几种工艺参数对 材料去除的影响，为实现磁射流抛光的数控加工奠定了基础。 磨粒水射流无磁场有磁场 图1 5 磁射流对比图【6 8 】 除上述提到的j 种抛光技术外，基于磁场辅助的光整加工方法还有许多，包括 m a g i c 光整加工、磁场辅助均匀压力抛光、磁流体浮体研磨、磁性复合流体光整加工 7 第1 章绪 论 工艺、磁粒喷洒加工等等。利用磁场的特性，各种磁场辅助的复合加工工艺不断出现， 有效地提高了光整加工的质量和效果，应用范围也在不断扩大。 1 3 3 磁性磨粒 磁控式气囊抛光中需要大量的磁性磨粒来实现切削加工，磁性磨粒是提高加工效率 和加工质量最重要因素。而目前磁性磨粒还没有商业化，市场上无法直接购得，大部分 研究都需要自己研制磁性磨粒。 l 2 3 l 一铁磁相；2 一磨粒相；3 一结合剂 图1 - 6 磁性磨粒的构成 如图1 - 6 所示，磁性磨粒一般由铁磁相与磨粒相组成，传统的磁性磨粒是由纯铁粉 和磨料粉组成，其制备的方法是用一定粒度的纯铁粉和磨料粉相混合，然后再在高温高 压条件下，或者真空、惰性气体介质中烧结，再进行粉碎筛选，制成所需尺寸的磁性磨 粒。 7 0 年代，前苏联的研究人员研制了多种磁性磨料，并对复合磁性磨料进行广泛的研 究；8 0 年代，保加利亚和日本的研究人员也开始进行了复合磁性磨料的研究；尤其在日 本，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 7 0 7 1 对磁性磨粒的制备方法进行了相应的研究，通 过采用等离子粉末熔融法、铁磁性金属材料与磨料纤维混合法，以及液体磁性磨粒等方 法成功开发了几种磁性磨粒，具有制备方法简单、成本低等特点。 在国内，我国的科技人员在早期研究工作中大多数采用粘结法制备磁性磨料，但由 于粘结强度不高，粘结剂不能耐高温等问题一直未能取得进展，南京航空航天大学、大 r 浙江工业大学硕士学位论文 连理工大学、上海交通大学等少数院校在磁性磨粒的制备上发表过一些文章，除此之外， 鲜有其他机构在这一方面有更深入的研究。 1 4 本文研究的主要内容 本文的主要内容包括： 1 ) 材料去除特性的研究。分析两种不同模式下单颗磨粒的受力状态，进一步讨论 磨粒的运动状态与关键参数之间的关系，从而为实际抛光实验中的变量选择提供可靠的 依据； 2 ) 实验平台的搭建。磁力研磨中通常有两种方法作为磁场源，一是通过电磁铁， 通过调节电流来实现磁场大小的变化，另一种是使用永磁体，该方法成本低、装置简易、 可靠性强。考虑现有气囊抛光实验平台，本文拟采用永磁体，根据实际抛光需求，选择 合理的形状与属性； 3 ) 磁场的仿真和优化。根据实验要求，对磁场进行仿真并优化，进而达到实验对 磁路的要求； 4 ) 磁控式气囊抛光实验研究。结合特性研究和仿真结果，开展针对气囊接触区和 气囊接触邻域的实验研究，探讨加工工艺参数的选择与优化： 5 ) 探索性实验研究。考虑将磁性磨粒与加工介质进行配比，研究其在不同加工区 域对抛光效果的影响。 第2 章磁控式气囊抛光加工特性的研究 第2 章磁控式气囊抛光加工特性的研究 2 1引言 在气囊抛光技术中，膏状研磨膏均匀涂抹在半球状或者球冠状气囊外，依靠自身的 粘性依附在表面，部分磨粒也可以固着在抛光布的网孔内。因此，当工件表面倾斜时， 研磨膏由于自身重力，又存在旋转和气囊的挤压，往往会逐渐脱离气囊与工件接触区， 降低研磨膏的有效参与率；其次，抛光区域仅限于气囊与工件接触的区域，当工件表面 存在凹槽等气囊的变形无法适应模具表面的曲率变化时，磨粒与工件间没有相对运动， 无法实现抛光。而磁控式气囊抛光可以有效地应对这些问题，使气囊抛光的应用范围大 大扩展。本章将对磁控式气囊抛光中不同抛光区域的磨粒受力进行分析，以研究其各自 的材料去除特性，为实际抛光的工艺选择提供理论支持。 2 2 磁控式气囊抛光特性研究 2 2 1 磨粒切削机理 研磨或者抛光都是光整加工的一种，目的都是为了通过材料去除提高工件表面的质 量和型面的尺寸精度，材料去除理论中机械作用理论最为广泛。 工件 图2 1 磨粒切削机理 l o 浙江工业大学硕士学位论文 机械作用抛光是通过不同形式的磨粒与工件的相互作用实现表面加工的。如图2 1 所示，磨粒颗粒受到外力e 作用在工件的表面上，该力可以分解成水平方向的t 以及 竖直方向的e 。在e 的作用下，磨粒的一端嵌入工件表面，同时在t 作用下，沿工件 表面进行滑动切削。由于外力c 与磨粒自身形状的不同，部分磨粒嵌入工件表面较浅， 此时则会产生滚动切屑。这两种切削统称为微切削。当磨粒为研磨膏或者研磨液等形式 存在时候，抛光介质还能产生电解、化学等作用。 2 2 2 磁控式气囊抛光原理 在磁控式气囊抛光中，磁性磨粒在外力作用下与工件表面接触，该外力由磁场以及 气囊提供。 因此，材料的去除模式可以分为两种，一种是气囊与工件存在微小间隙，另一种为 气囊与工件以一定的下压量接触，如图2 - 2 所示。分析一种模式下的受力状态，当气囊 与工件存在一定的微小间隙时，可以看成类似磁力研磨加工，仅靠磁场对磨粒的作用进 行抛光，此时与工件接触的单颗磨粒，它主要受到来自磁场、磁化工件、周围磨粒三者 对其的力。第二种模式，当气囊以一定的下压量与工件接触，这时气囊与工件接触区域 范围外的磨粒，受力状态跟前一种模式一致，而在气囊与工件接触区域范围内的磨粒， 则更多的还受到橡胶气囊对它的力。 给 她 除 翅 a 气囊与工件存在微小间隙b 气囊以一定下压量与工件接触 图2 2 抛光的两种模式 第2 章磁控式气囊抛光加工特性的研究 利用第一种模式，可以加工某些气囊难以接触的区域，如微小的凹面、冷却流道、 倒角、圆角等，依靠磁场的作用带动磨粒与工件产生相对运动，而不需要气囊的直接接 触。第二种模式下，气囊对磁性磨粒的下压力能提高磨粒对工件的切削作用，提高材料 去除率。 为研究不同抛光模式下的材料去除特性，必须基于不同的接触模式，对相应的磨粒 受力进行分析。由于磨粒群的受力较为复杂，考虑以单颗磨粒的受力分析作为基础，讨 论其在复合力场环境下的运动轨迹，同时探讨磁力刷以及各种模式的材料去除特性。 2 3 单颗磨粒受力分析 本章主要分析磨粒在不同状态下的受力及运动，考虑到磁场分布的均匀性以及磨粒 群的均匀性，文中对应的抛光工具与工件垂直，通过简化条件下对磨粒的分析，获得更 精确的结果，从而为复杂情况下的加工工艺研究提供参考。 如图2 3 ，在磁场的作用下，磁性磨粒在一定范围内填充于气囊与工件的间隙中， 并沿磁力线排列，形成磁力刷。当存在下压量时，气囊与工件因接触而产生变形，部分 磁性磨粒会存在于气囊与工件接触的区域。 图2 - 3 气囊以下压量h 与工件接触 若球状气囊半径为r ，气囊的下压量为h ，则在不考虑振动等因素的情况下，倾斜 下压和垂直下压时，气囊与工件接触区域的形状都接近为圆形，因此，此时加工接触区 浙江工业大学硕士学位论文 是半径为，i = 尺2 一( 只一 ) 2 的圆。在半径为，i 的圆形接触区内，磁性磨粒在气囊以及磁 场的共同作用下，与工件接触并形成相对运动。而在圆形接触区外，磁性磨粒在磁场的 作用下，沿磁力线排列，形成柔性磁刷。 磁力刷在旋转磁场的作用下对工件表面进行加工。假定气囊竖直下压，则磁力刷与 工件的接触区是内径为，；，外径为吒的环状。吃的大小由磁力刷自身的刚度、磁场强度、 工件导磁率以及转速等因素决定。 我们称半径为 的圆形接触区为气囊接触区，磁力刷工作区域为气囊接触邻域。因 此，根据气囊与工件的相对位置可呈现三种状态： 1 ) 气囊与工件正接触，即r h r ，此时气囊接触区，： 0 ； 2 ) 气囊与工件零接触，即r h = r ，此时气囊接触区，：= o ； 3 ) 气囊与工件负接触，即r h i 9 0 7 k a m ，内禀矫顽力 i 9 5 5 k a m ，最大磁积能 3 2 6 3 3 4 k j m 3 。 2 ) 实验方法 在气囊下压量、磁场条件等其他参数不变的情况下，通过调节气囊抛光工具的转速， 第2 章磁控式气囊抛光加工特性的研究 对不同转速条件下的单颗磁性磨粒进行跟踪拍摄，从而得到该磨粒在相应转速条件下的 位置，以得到磨粒不同时刻的径向位移量。 3 ) 实验结果 实验结果如下表： 表2 1不同转速下磨粒径向位移量( 单位：姗) 0123456 时侧，sj 图2 7 转速与磨粒轨迹实验图 若假定磁性磨粒沿周向方向固着于气囊，没有相对位移，则磁性磨粒的运动为一螺 旋线。如图2 7 ，在初始状态，磨粒离气囊中心位置平均取1 3 姗，代入式( 2 1 ) ，可 计算得到磨粒的初始速度v 0 。随着磨粒的螺旋运动，其速度因位置的变化在不断增大， 因此径向位移是线性增加的，磨粒呈匀加速状态，可用磨粒运动的等效速度心来表示整 2 0 7 6 5 4 3 2 1 (_eili超皿箍、1、llj旺强栏*避 浙江工业大学硕士学位论文 个运动中的速度均值。对于螺旋轨迹，等效直径可表示为： t = 2 ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 中，d 。为磁性磨粒离中心的初始位置，吐为磁性磨粒离中心的末始位置。 根据等效直径与转速的关系进而得到等效位移，则等效速度可由等效位移除以时间 计算得到，则实验条件下磁性磨粒的等效速度与初始速度如表2 2 ： 表2 2 磁性磨粒等效速度与初始速度对比 该实验是在下压量较大时对单颗磁性磨粒的运动进行分析的结果，如表2 2 所示， 单颗磨粒在抛光工具转速较低的情况下，等效速度与初始速度比值并不大，随着转速 的提高，不断增大。在实际抛光中，由于磁性磨粒数量较多，单颗磨粒在径向运动时 往往受到周边其他磨粒的限制，其径向位移速度较慢，因此实际等效速度与初始速度的 比值比理论比值要小。且当抛光工具以倾斜状态加工时，加工区会有新的磁性磨粒不断 加入，一定程度上会填补磨粒因径向位移而出现的局部缺失。 对单颗磨粒的分析有助于更深地去了解磨粒在实验环境下的运动趋势，从而有针对 性地进行参数的优选。该分析也可以说明，在实际加工中，气囊抛光的转速应存在某一一 限制，不宜过快，以防止磨粒的飞溅。同时，抛光工具以一定的倾角进行加工将大大提 高抛光效果及质量。 2 l 第2 章磁控式气囊抛光加工特性的研究 2 5 2 磨粒的正压力 k 作为p r e s t o n 系数与压力、速度之外的各种因素相关，这些因素包括抛光材料特 性、磨粒特性、抛光温度等等。本文重点从p ( 工，y ) 和y ( x ，y ) 上展开研究。上文对单颗 磨粒的受力分析可知，磁性磨粒对工件的正压力由气囊以及磁场共同施加，因此磁性磨 粒在竖直方向上的受力，结合式( 2 4 ) 和式( 2 6 ) ，可得： p ( x ，y ) = o 2 5 z r d 2 p ( x ，y ) + ( 2 - 2 5 ) 通过以上的分析，将式( 2 1 ) 和式( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 4 ) 中，可以得到抛光工具 竖直下压时气囊接触区磨粒的材料去除率： m r r = k ( o 2 5 z r d 2 p ( x ，y ) + j 7 0 ) 缈( 工2 + y 2 ) ( 2 - 2 6 ) 2 6 磁性磨粒的失效 应用磁性磨粒进行光整加工时，磁性磨粒与工件表面存在微量磨削、挤压作用、多 次塑变磨损作用、摩擦腐蚀磨损作用等，在这些力的作用下，工件表面材料得以去除， 同时磨粒本身也受到了磨损，并最终导致失效。磁性磨粒的失效是指由于磁性磨粒本身 的磨损而导致其失去应有的光整加工能力，该磨损的产生通常包括磨耗磨损、破碎磨损 以及脱落磨损。 1 ) 磨耗磨损是指在加工过程中，磁性磨粒磨粒相的切削刃不断受力变钝，自身也 不断消耗，因此磨粒相的直径也逐渐变小直至失去加工能力，这种磨损主要是由于机械 摩擦以及热效应产生的。磨粒的这个过程是不可避免的，相比较而言，处于自由状态的 磁性磨粒在光整加工中会不断变换位置，一方面增加了磨粒的自励性，另一方面也延缓 了磨粒的磨耗磨损，而且这种磨损可以通过磁性磨粒自身性能的提高以及加工工艺的改 善得到改善。 2 ) 破碎磨损和脱落磨损属于非正常失效形式，通常是由于工艺选择不当，或者受 外界因素干扰而导致的。前者冈磁性磨粒超过了自身的极限强度和疲劳强度导致磨粒的 破损而失去加工能力，后者指超出了结合剂的结合强度，使得磨粒相和铁磁相脱落。因 此，提高磨粒本身的性能，选取适当的磨粒相、铁磁相以及结合剂能有效地提高磁性磨 粒的抛光效果和效率，延长其使用寿命和一次性抛光时间。 浙江工业大学硕士学位论文 2 7 本章小结 本章主要对磁控式气囊抛光加工特性进行了研究，内容包括： 1 ) 对磁控式气囊抛光原理进行了介绍，为材料去除特性研究奠定了理论基础； 2 ) 对气囊接触邻域的单颗磨粒受力进行分析，并对磁力刷的形成和磁力刷的材料 去除特性进行了理论分析，得到