（机械工程专业论文）磁力研磨实验研究.pdf

摘要 磁力研磨 s v z - 方法是一种利用磁场作用进行研磨加工的新型表面 光整加工方法。 本文在查阅国内外大量文献的基础上，根据电磁理论系统分析了磁 力研磨加工过程中磁性磨料受力情况。 在研制外圆磁力研磨工艺试验台的基础上，做了大量的实验，研究 了研磨铁磁性材料( 4 5 钢) 和非铁磁性材料( 不锈钢1 c r l 8 n i 9 y i ) 工 件外圆表面时，研磨速度、进给速度、磁场强度、工作间隙、磨粒粒度、 等工艺因素对研磨性能的影响。同时，针对研磨不锈钢时压力不足现象， 提出了解决方案。最后，选择优化的工艺参数和改进的工艺方法分别对 4 5 钢和不锈钢y - 件进行了研磨实验，原鲐表面粗裢度为r a 0 8 2 5 9 m 的 4 5 钢工件经1 0 分钟研磨后，表面粗糙度降到r a 0 0 4 5 i t m ，原始表面粗 糙度为r a 0 4 3 4 m 的不锈钢工件经2 0 分钟研磨后，表面粗糙度降到 r a 0 0 9 6 p m 。 关键词：磁力研磨 研磨性能 磁性磨料铁磁性材料 非铁磁性材料 a b s t r a c t t h em a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n gi san e wt y p eo fp r o c e s s i n gm e t h o d a s s i s t e db y m a g n e t i cf i e l du s e df o rp o l i s h i n gw o r k p i e c e s u r f a c e t h i s p a p e ra n a l y z e s t h ef o r c e sa c t e do n m a g n e t i c a b r a s i v eb y e l e c t r o n i c - m a g n e t i ct h e o r y al o co fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u to nt h eb a s i so fd e v e l o p i n g m a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n ga p p a r a t u s f o r p r o c e s s i n g t h ee x t c m a la n d i n t e r n a ls u r f a c eo f v c o r k p i e c e t h ei n f l u e n c eo ft e c h n o l o g yf a c t o r s ，s u c ha s a b r a s i v ea m o u n t ，m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ，w o r kc l e a r a n c e ，m e a nd i a m e t e ro f m a g n e t i ca b r a s i v e s ，a n dm a c h i n i n gf l u i d o nm a g n e t i c a b r a s i v e f i n i s h i n g c h a r a c t e r i s t i c si s i n v e s t i g a t e d ，an e wt e c h n o l o g y m e t h o di s a p p l i e d t o i m p r o v e t h e f i n i s h i n gp r e s s u r e w h e nt h e n o n f e r r o m a g n e t i c s u b s t a n c e s w o r k p i e c e s a n d m a c h i n e d n o n f e r r o m a g n e t i c s u b s t a n c e s c o m p a r e d t o f e r r o m a g n e t i c s u b s t a n c e s ，i th a s b e e nd e t e r m i n e dt h a tt h e f i n i s h i n g c h a r a c t e r i s t i c sa l ee q u a lq u a l i t a t i v e l y , b u ta r ed i f f e r e n tq u a n t i t a t i v e l y a sa r e s u l t ，t h es u r f a c er o u g h n e s sb e f o r ef i n i s h i n gr a 0 8 2 5 9 mw a si m p r o v e dt o 0 0 4 5 9 m i nt h ec a s eo fg r i n d i n g f e r r o m a g n e t i cw o r k p i e c e ( 1 0 w c a r b o n s t e e l ：4 5 ) a n dr a 0 4 3 4 肚mt oo 0 9 6 9 m i nt h ec a s eo fn o n f e r r o m a g n e t i c w o r k p i e c e ( s 诅i n i e s ss t e e l ：1 c r l 8 n i 9 t i ) 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 gm a g n e t i c a b r a s i v e s f e r r o m a g n e t i c s u b s t a n c e n o n f e r r o m a g n e t i es u b s t a n c e f i n i s h i n g c h a r a c t e r i s t i c s 第一章绪论 1 1 机械n t 精度及零件表面质量 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h = _ t - 精度平均每5 0 年提高一个数 量级，而u - 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( g m ) 级提高到了0 1 0 0 1 微米级，现 在又正向更高的精度一一纳米( m ) 级进军。 任何机械n , r - 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i 后者包含以下 三个方面内容：1 ) 加工表面层因塑 生变形产生的冷作z , j 旺4 t s ；2 ) 加工表 面层因切削或磨削热引起的金相组织变化：3 ) h r s r _ 表面层因力或热的作 用产生的残余应力【2 机械加工表面质量影响零件的使用性能，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。据报道，世界上能量的1 4 l 3 以各种形式 最终消耗于摩擦【3 而磨损是零件失效的三种形式( 磨损、腐蚀和疲劳) 之一】。 1 2 精密及超精密加工技术 精密及超精密加工技术是适应现代高技术发展需要而发展起来的 一种机械加工新工艺。精密h = x - 是指加工精度以g m 计的加工方法。光 整h = y - ( 指能获得r a 2 0 1 , m 的加工方法，如研磨、珩磨、超级光磨等) 是生产中常用的精密h = r - 方法，一般其加工精度在i t 5 左右。而超精密 加工是指加工精度高于0 i g m ，表面粗糙度优于百分& g g m 的加工方 法。更严格说，尺寸精度为i t l 或更高的为超精密h a y - - 。而就其加工而 言，超精密h r a s _ 有两种含义，一是指向传统加工方法不易突破的精度界 7 9 - , 9 l 战的加工，即高精度加工；二是指向实现微细尺寸界限挑战的加工， 即以微电子电路生产为代表的微细加工。 超精密加工技术在军事工业、民用工业都有重要应用，是衡量一个 国家科学技术水平的重要标志。超精密加工包括超精密切削( 车削、铣 削等) 、超精密研磨( 机械研磨、机械化学研磨、抛光、液中研磨、非 接触式浮动研磨和弹性发射加工等) 和超精细加工。 超精密切削是在超精密机床上，使用锋利的金刚石刀具对工件进行 车削和铣削的，主要用于加工表面质量和形状精度要求高的有色金属或 非金属零件。如加工平面或非球面反射镜、磁盘、v t r 轧棍、有色金 属阀芯和多面棱镜等、超精密丰削可达到r a 0 0 0 5 r t m 的表面粗糙度和 0 1 9 m 的非球面形状精度。 超精密磨削主要用于加- v - k 寸及形状精度要求很高的伺服阀、空气 轴承主轴和陀螺仪超精密轴承等。超精密磨削可达到r a 0 0 0 5 1 t m 的表 面粗糙度和0 0 1 9 m 的圆度。 超精密研磨主要用于加工高表面质量与高平面度的集成电路芯片 和光学平面及兰宝石窗1 2 等，超精密研磨可达到5a 的表面粗糙度和 入2 0 0 的平面度( 0 1 0 0 m m ) 。 从国际上看，美国、英国、荷兰在超精密加工方面起步较早，处于 国际领先水平。美国劳伦斯利弗莫尔实验室( l l l ) 于1 9 8 4 年成功研制 出8 4 ”超精密金刚石机床d t m 3 ，该机床可加工直径中2 1 0 0 m m ，重 4 5 0 0 k g 的工件，采用恒温油喷淋冷却，油温变化可控制在2 0 o 0 0 2 5 之内，以1 5 m 3 m i n 的流量喷淋机床与工件。机床采用液体静压导轨， 直线度为0 1 p m 1 0 0 0 m m ，位移误差为o 0 1 3 a m ，扭摆 1 ) ，则 m = ：( 一跏川， 式中， 为椭球的长短半轴之比，n 由下式确定 肚南l 卜志舢信历j 当0 = 4 5 。， = 1 5 2 时，m 。取得最大值。在研磨加工时，这个力 矩可以使磨粒更有效地切削。 c ) 磨粒与工件间的摩擦力 加工区域内的磨粒和工件表面之问的摩擦力可用以下公式确定： f = k f p , ( 2 - 6 ) 式中，k ：磨粒粒度、形状修正系数； 正摩擦系数； p 研疆& 交， d ) 作用在磨粒上的离心力 磨粒受到摩擦力或工件表面的吸附力，将随工件一起旋转，由于磨 粒具有质量，故必受到离心力的作用。离心力的大小可由下式计算： r 堋j 。) 式中，m 为单个磨粒的质量( k g ) ；v 为磨粒因摩擦作用而随工件转 动的瞬时速度( m s ) ，其值小于或等于工件转动的线速度；r 为工件轴 截面半径( m ) 。 ( 二) 加工区域内各磨粒间的作用力 如假设磨粒为球形，可由下式计算： f f , , 。= 1 5 m 2 t o x ：焉 ( 2 - 8 ) 式中，：磁性磨粒的半径，一般在3 0 1 5 0 m 左右；x 。：磨粒的 磁化率。 这个力是沿着磁力线方向的，它使磁性磨粒沿磁力线排列，形成“磁 性研磨刷”，同时，由于磨粒的相互吸引，也能防止加工时磨料的飞溅。 ( 三) 磁性研磨刷的受力 由上述分析得知，处于加工区域的磨粒，相互吸引并受到指向加工 表面的磁场力的作用，靠得很紧，排列时使自身长轴沿磁力线方向。显 而易见，我们可以将其看作一条条自磁极到加工表面排列的磁性磨粒链 ( 简称磁链) 。 如图2 4 所示，当工件转速n = 0 ，各磁链将沿磁力线方向排列，由 电磁理论可知，两种不同导磁材料( 相对磁导率不同) 互相接触时，磁 感应强度方向垂直于这个接触面，并且在界面上的磁压力为： 只= ( 芸 ( 去一爿 ， 式中：b ：界面上的磁感应强度( t ) ； ，f ，：不同材料的相对磁导率。 4 若假定研磨刷的相对磁导率为_ t 卅，则上式可表示为： 只= ( 默一剖 由于磁性研磨刷可以认为是由构成磁性磨料的f e 和a 1 2 0 3 以及空 气组成，由电学和磁学的相似性，利用e u c k e n 原理，可以近似推得研 磨刷的相对磁导率为： p m l 2 上 o 卜嚣+ 吩器j + 卜嚣+ 器) 。 式中，：磨粒中舍a 1 2 0 3 的体积； 昧磨粒中舍f e 的体积； t g ，t 。，：分别为空气、a 1 2 0 3 、f e 的磁导率。 由于空气和a 1 2 0 3 的磁化率。“0 ，故心“儿。风，而铁磁性材 料的相对磁导率由电磁学的理论得以= ，, u 。因此，式( 2 - 1 1 ) 可写 成： ；兰攀( 2 - 1 2 ) 2 万万酉而 但是，粉状体的磁化现象是相当复杂的，一般是不能化为简单的模 型，因此整体相对磁导率取决于磁性研磨粉颗粒中铁的相对磁导率与磁 场强度的关系若磁性研磨粉颗粒为球形，每颗粒子中含有铁的容积率 为，且按正方晶格均匀排列时，以= ，_ r c o 6 ，对于颗粒大小不同或分 布不同时，一般取h _ 0 5 2 4 0 8 1 7 ，则式( 2 - 1 2 ) 可写成： 肛。：6(2+t,)-21r(1-t,)co ( 2 - 1 3 ) ” 6 ( 2 + ，l ，) + 丌( 1 一，f ，) c o 。 式( 2 - 8 ) 可写成 p ：旦 型丝二塑 ( 2 - 1 4 ) 1 4 ，如3 ( 2 + ，) + 石( ，一1 ) 国 从上式可以看出，研磨压力与磁感应强度的平方成正比，随磁感应 强度的增大而迅速增大，但由于磁性磨粒在一定磁感应强度下会产生饱 和，故研磨压力存在最大值。另外，随着含铁的吝积率的减小，研磨压 力也会减小。 如图2 3 所示，当1 1 0 时磨料链将随工件转动而转动一定角度， 由前面的分析可知，随工件转动的每个粒子都将受到磁力矩的作用，而 粒子所受的力矩可以简化为一个集中力和一个力偶。设处于加工表面并 随工件转动的粒子数为m ，则工件表面受到由磁矩产生的集中力为： 户：y 声 ( 2 - 1 5 ) 式中，只。为单个磨粒简化的集中力矢量。 因此，在研磨加工时，研磨刷与工件表面间的研磨压力是式( 2 - 1 4 ) 计算出的压力公式与式( 2 1 5 ) 中集中力在实际接触面积上所产生的压 力的矢量和。 2 3 磨粒飞溅的临界速度 由以上分析可知，磨粒产生飞溅的条件是，作用在磨粒上的离心力 的超过了磁研磨压力。对于铁磁性材料而言，这种临界条件可表示为： r = p s o ( 2 1 6 ) 式中，岛为磨粒与工件的接触面积。 将式( 2 7 ) 和式( 2 1 4 ) 代入上式，可得出磨粒飞溅的临界速度 ”o = b ( 2 1 7 ) 可见，在磨料的密度和工件的回转半径一定的情况下，磨粒飞溅的 临界速度与工作间隙中的磁感应强度、磨粒与工件的接触面积、磨粒中 铁磁性材料的相对磁导率、磨粒中含铁的容积率和磨粒的粒度有关。 也就是说可采取以下措施降低磨料飞溅的程度： ( 1 ) 增大工作间隙中的磁感应强度，这可通过增大激磁线圈中的 电流强度或减小工作间隙的宽度来实现。 ( 2 ) 采用磨粒接触面积与平均质量之比较大的磨料加工。 ( 3 ) 提高磨粒中的含铁的容积率。 ( 4 ) 提高磨料中铁磁性材料的相对磁导率。 第三章磁力研磨装置设计 本章作者将在阐述磁路设计的基本理论基础上，根据实验要求和设 备的具体条件设计出一套适合工件外圆表面加工的磁力研磨装置。 3 1 磁路设计理论概述 一组闭合的磁力线所经过的全部路径，叫做磁路。磁路设计和计算 虽然从理论上讲，可以根据麦克斯韦方程组来进行。但是由于磁路本身 的复杂性，如磁路的非线性及磁路参数的关系的不确定性，使得直接用 麦克斯韦方程组计算非常困难。所以，磁路设计和计算至今不成熟。 下面简单阐述一下磁路的基本原理和基本定律： ( 一) 麦克斯韦方程 1 、经典麦克斯韦方程 ( 1 ) 关于变化电场与磁场的关系 扣d i = ，+ d ( 3 1 ) ( 2 ) 关于变化磁场和电场的关系 伊d t = 一d ( 3 _ 2 ) ( 3 ) 关于电场性质 扣峦= q ( 3 - 3 ) ( 4 ) 关于磁场性质 伊d g = o ( 3 - 4 ) 2 、在交直流激磁带铁心电磁路中，上述的麦克斯韦方程可用下面 的实用的关系式来表示。 ( 1 ) 电磁感应定律 由式( 3 - 2 ) 得： p ：一j v 坐( 3 - 5 ) 8 式中，p ：感应电动势( v ) ； ：激磁线圈匝数( 匝) ： d e , ：磁通变化量。 e l l ( 2 ) 电压平衡定律 由图3 1 所示简化电路可得： u = i r z - e = i r l “甍= i r t - 4 4 4 趟串( 3 - 6 ) 式中，u ：电网电压( v ) ； r ：线圈电阻( q ) ； ，电网电压频率( h z ) 。 r l 一一 f 图3 1简化的等效磁路 ( 3 ) 全电流定律 弦a i = n i t3 - 7 ) l ( 4 ) 磁势方程 全电流定律从理论上分析可以认为，积分回路是任意取向的，且可 得到理想的结果，而在计算过程中往往需要选取积分线路与磁力线方向 一致，从而使矢量计算化为标量计算，对于直流带铁心电磁路在使用式 ( 3 7 ) 时，可作如下解说： 1 ) 在磁性材料构成的磁导体中，磁感应强度方向都与磁导体中心 平均磁感应强度平行，即计算时可以取平均磁感应强度。 2 ) 假定在与平均磁感应强度线垂直的任何面内，磁通分布是均匀 的。 1 9 图3 2 有气隙的磁路 图3 2 所示的有气隙6 磁路，可以看作由气隙和此导体串联构成的 闭合回路，取磁导体中心线为积分回路，根据式( 3 7 ) 可得： 叠d i = l a 蕊+ l a 。d i t 3 一g ) 若磁导体是由n 段不同截面，不同材料组成，则 严d i = 疗d i = e 形。2 帆 ( 3 9 ) 式中，：第，段磁导体中通过的磁通： b “第，段磁导体的磁阻。 对于空气隙可得： i h d d l = 以r j ( 3 1 0 ) 吾 式中，。：空气隙中通过的磁通量； 曰。：空气气隙磁阻。 将式( 3 8 ) 、( 3 - 9 ) ( 3 - 10 ) 代入式( 3 7 ) 中得： ( 破r 。，+ 热r 。) = j v i ( 3 1 1 ) 上式即为磁路的磁场方程，它表示磁路中各段磁压降之和等于总激 磁磁势。 ( 二) 磁路欧姆定律 在一个闭合磁路中若不计漏磁，并类比于电路可得出下面的公式： ( 3 1 2 ) 通过磁路截面的磁通密度( w b ) ； 磁动势( - 靠x - r i ) ，f 。= n ； r m ：磁路磁阻，r 。= 心，而f 、s 分别为磁路的长度、 导磁率和截面积。 与电路的欧姆定律相比较，称式( 3 - 1 2 ) 为磁路的欧姆定律。 ( 三) 磁路基尔霍夫定律 ( 1 ) 磁通连续性原理( 基尔霍夫第一定律) = 0 ( 3 - 1 3 ) 即流入某点的磁通之和等于流出该点的磁通之和。 ( 2 ) 全电流定律( 基尔霍夫第二定律) 谚r 。，= ，= f f ( 3 - 1 4 ) 它表示磁路的任一闭合回路中，各部分磁位差的代数和等于环绕该 回路所有磁势的代数和。 ( 四) 磁路的串、并联 ( 1 ) 磁路串联 总磁通等于各支路磁通，即 = 珐= ：一 总磁动势等于各支路的磁压降之和，即 n = h l ，i + 日2 ，2 + 总磁阻等于各支路磁阻之和，即： t 。= 心i + 2 + ( 2 ) 磁路并联 总磁通等于各支路磁通之和，即： ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 毋r 一如 ， 一 中 式 矽= 破+ 2 + - ( 3 一1 8 ) 总磁动势等于各支路的磁压降，即： n i = h l ，l = h 2 ，2 一 ( 3 - 1 9 ) 总磁阻倒数等于各支路磁阻的倒数和，即： 上：上+ 上+ ( 3 2 0 ) 月。月柑尺。2 3 2 磁路设计分析 本节准备就直流励磁回路的设计计算进行分析，从而提供一个磁力 研磨实验的实用磁路设计方法。 ( 一) 磁路结构 根据磁力研磨的使用安装要求和磁路设计中尽量采用简单结构形 式的设计原则，设计磁路结构如图3 3 所示的i i 型结构，主要组件有1 磁极体；2 极靴；3 被研磨工件；4 铁心；5 激磁线圈；6 磁轭。 阢彰钐彩笏彤 6 4 i ： l ；j l l 整： 珏 - i噩； 旺 - 三 ： ： ： ii 藕； ： 随i 蕊添溯翎测删 图3 3 磁研磨装置结构 对于直流激磁电磁路，铁心上没有涡流和磁滞损耗，因此，铁心材 料可以选用具有较高磁导率和饱和磁感应值，而且价格便宜的工业电磁 铁。另外，为了在铁心上得到较为均匀的不随时间变化的恒定磁通以及 在电磁力作用下均匀，激磁线圈5 采用螺线管式，磁极由磁极体1 和极 靴2 组成，这是为了便于更换极靴形状，以便加工不同形状工件，从而 扩大加工范围。磁轭6 设计时，为了防止磁饱和而使磁路非线性增大， 一般应使其截面积比铁心截面积大5 1 0 。 ( 二) 磁导和漏磁导的计算 在磁路设计当中，工作间隙磁导和非工作气隙磁导以及漏磁导的计 算是至关重要的，工作气隙磁导计算的准确性直接影响实际7 - 作时气隙 磁通量的大小，漏磁导的精确计算，是磁路磁通利用率和激磁磁势确定 的主要依据。另外，工件与极靴圆弧的相结位置，对气隙磁导计算有较 大影响。本节将以图3 3 所示的磁路结构为基础来分析计算磁路的磁导 和已知7 - 作气隙磁感应强度情况下，磁路所需激磁磁势的计算。 图3 3 所示磁极和铁心可简化为如图3 4 ( a ) 所示工件与极靴圆弧 同轴放置的简图。工件半径为r 1 ，极靴圆弧半径为r 2 ，气隙长度为 b = r 2 - r i ，极靴圆弧圆心角为c 【，极靴高度为a ，宽度为。 ( 1 ) 工作气隙磁导 吁羽p o b a 图3 4 磁路简图 ( 3 - 2 0 ) 式中，g g ：工作气隙磁导( h ) ； p o ：空气磁导率( 4 丌1 0 7 h m ) 。 在考虑磁通边缘影响时，b7 为极靴当量宽度，且有 6 ，：6 + 丛墨 型( 3 - 2 1 ) 7 a 为极靴弧当量圆心角，且有 a 2 d + k ( r 2 一r 】) 础2 磁通边缘影响系数一般取k = o 3 0 7 1 “。 ( 2 ) 靴斜面非工作气隙磁导 ( 3 2 2 ) g ，：l l o b i n r 3( 3 - 2 3 ) 。c 2 式中，r 3 ：a 、e 两点所在圆的圆弧半径( m ) ； ：两极靴斜面间的夹角( t a d ) 。 ( 3 ) 心柱上任一截面磁导及柱问漏磁导 图3 4 ( b ) 所示的两直径为d 的铁心柱，由于其在磁场中流过截 面磁通是非亘定的，因此，只能先计算其比漏磁导的大小，即有： g 。靠 式中，n = l d 。 l h 。+ d u ( 3 - 2 4 ) ( a )( b ) 图3 5 具有集中磁势和磁导的简化磁路 图3 3 所示的磁路结构可以简化成具有集中激磁磁势和集中磁导的 磁路计算。因此，首先简化为图3 5 ( a ) ，并作如下分析，设在铁心柱高度方 向x 处取增量d x ，x 处磁位为u m x , 则d x 段磁位增量为d u 通过d x 段磁 h u 通增量为d e ，漏磁通增量为d 。，由基而霍夫第一定律可得： d e ，= 一d 虹( 3 - 2 5 ) 由于铁心柱间存在漏磁，而且其单位高度上的漏磁导( 即比漏磁导) 可由式( 3 - 2 4 ) 求得。因此，d x 段铁心柱的漏磁通为： 却。= u( 3 - 2 6 ) 因此，式( 3 - 2 5 ) 可写成： d 母l = 一u 。x g d x t3 - 2 7 ) 设铁心单位长度上具有激磁磁势为产2 向( n i 为磁路总激磁磁 势) ，x 处的磁化场强为凡。类比于电路，磁路可用图3 6 ( b ) 表示， 取图示逆时针方向积分，由基尔霍夫第二定律得： d u 。= 2 ( f h ，) ( &( 3 - 2 8 ) 为推导方便，先忽略铁心磁阻的影响，即皿= o ，则有： d u 。，= 2 弦 ( 3 2 9 ) 图3 5 ( a ) 简化边界条件可表示成： f ，h = 0 = o 。 = 。 g ；( 3 - 3 0 ) 对式( 3 - 2 9 ) 积分并代入边界条件，可求得： = 2 乒( 3 - 3 1 ) 再对式( 3 2 7 ) 积分可得铁心上任一截面的磁通： 庐，= 励2 + 2 乃g 。一f g x 2 ( 3 - 3 2 ) 铁心柱上任一截面磁导为： g ，= g 。+ g ( h ：- x ( 3 - 3 3 ) 铁心柱间的漏磁导为： g 。= 严= ( 4 ) 磁路的总漏磁导和总磁导 ( 3 - 3 4 ) ( a )( b ) 图3 6 等效磁路 为了精确计算图3 3 所示结构磁路的磁导，可用图3 6 ( a ) 作为集 中磁势和磁导的等效磁路。图3 5 ( a ) 所示磁路可以简化为图3 6 ( b ) 所示等效磁路来计算。因此，磁路总漏磁导为： g ，= 2 可+ g * 。 ( 3 3 5 ) 磁路总磁导为： g = g 。+ g 。 ( 3 - 3 6 ) 图3 4 所示磁路的漏磁系数为： 。 ( 3 3 7 ) ( 三) 磁路激磁磁势计算 设磁路工作时，气隙工作磁感应强度为展( 对于磁力研磨加工，希 望岛越大越好，而且可调。因此，以选取时根据磁路结构尺寸和材料， 取不使磁路产生磁饱和的最大值，而根据文献和本实验申采用的磨料的 性能，当磁感应强度为1 2 t 时，磨料产生饱和，而此时磁路以不产生 饱和为宜。) 由极靴的结构尺寸可求得气隙面积品。因此可得工作气隙 所需磁通为： $ g = b g sg ( 3 3 8 ) 2 6 由磁路磁通利用系数( 5 = ，为总磁通) 与漏磁系数盯的关 系( 盯= z ) 可得磁路所需总磁通为： 驴咿九 ( 3 - 3 9 ) 若计及磁路各部件磁阻，则磁路总磁阻为： r = r 。+ ( 3 - 4 0 ) 由磁路欧姆定律可得磁路的总激磁磁势： m = 九月 ( 3 - 4 1 ) ( 四) 线圈设计 首先根据工作要求和环境温度选取线圈导线的电流密度j 和线圈允 许工作温度。然后按下列步骤进行： ( 1 ) 线圈厚度 8 = p ( m ) 2 ( 2 0 珊丑巧2 ) ( 3 - 4 2 ) 式中，p ：线圈导线电阻系数( q m m 2 m ) ； ，7 线圈散热系数( w c n 2 ) 丑：线圈填充系数； 芦：线圈长厚度比( d = 3 8 ) 。 ( 2 ) 线圈匝数 n = v l p l o l ， ( 3 - 4 3 ) 式中，”激磁线圈端电压( v ) ： lo = r t ( d 十e ) ：每匝线圈单位长度( m ) 。 ( 3 ) 激磁电流 ，= ( n ) n ( 3 - 4 4 ) ( 4 ) 线圈导线直径 d = 4 ；o l q ( m ) c r y ) ( 5 ) 磁感应强度 根据气隙磁感应强度与线圈输入电压的关系 应强度的大小为： ，- s 口= l 一矿 5 _ c z p l s 。r 式中，s ：线圈导线截面积； 肌线圈总匝数： p ：线圈导线电阻率； 上：线圈导线总长度； 受：_ t - 作气隙截面积； j r ：磁路总磁阻。 ( 3 - 4 5 ) 求实际工作气隙磁感 ( 3 - 4 6 ) 3 3 磁路参数设计 通过以上分析并参考有关文献，对于图3 3 所示的i i 型磁路结构， 给定下列结构参数： 磁极高a = 4 0 m m ，宽b = 5 0 m m ，气隙长度1 3 ；1 ，5 m m ，工件半径 r l = 2 0 m m ，极靴圆心角c 【- - - 9 0 0 ，铁心直径d = 5 0 m m ，高度h = 1 0 0 m m ， 铁心柱间距l = 1 7 0 r a m ，工作气隙磁感应强度b 。= 1 2 t ，激磁电压u = 2 1 v ( d c v ) 。 则磁路各参数值为： 工作气隙磁导g g = 3 8 7 1 0 h ，磁路总磁导g = 5 1 2 1 0 7 h ，磁路 激磁磁势n i = 6 0 4 0 安匝，线圈总匝数n = 3 0 2 1 匝，激磁电流i = 2 a ，环 境温度t = 2 0 时，线圈实际温升t = 6 0 。 3 4 实验装置 实验装置是通过对c m 6 1 2 5 型( 济南第一机床厂制造) 车床改造而 得到的。主要改造有： ( 1 ) 拆去中拖板，将磁极及线圈构成的磁研磨装置通过设计的燕 尾座安装在中拖板底座上，并通过调节并燕尾座上的螺钉可以调节工作 问隙的大小。 ( 2 ) 由于本实验不要求主传动与进给传动之间有一定的联系，而 希望进给速度在大范围内无级可调，故单独建立进给传动链，用研磨进 给速度控制器控制步进电机，经过变速箱来带动丝杠运动，再通过丝杠 带动中拖板底座，从而实现在0 5 0 0 m r r d m i n 范围内无级交速进给。另 外，由安装在床身上的行程开关来实现自动循环进给运动。 在研磨加工中，主轴的旋转带动工件转动，从而实现研磨，本文称 这个速度为研磨速度。显然，研磨速度的控制是通过机床实现的，本实 验中的机床的主轴调速范围为6 3 3 1 5 0 r p m ，下表给出了主轴转速与工 件线速度的关系。 表3 1 主轴转速 6 31 2 52 5 03 2 04 0 05 0 06 3 08 0 0i o o o 1 2 5 01 6 0 02 0 0 0 2 5 0 03 1 5 0 ( r p m ) 工件戏速 度00 6 60 1 3 0 0 2 6 2d3 3 50 4 1 80 5 2 40 6 6 0口9 3 81 0 4 71 3 0 91 6 7 62 0 9 4 2 6 1 832 9 9 ( m p s ) 第四章磁力研磨实验研究 利用作者研制的磁力研磨装置，对4 5 钢和不锈钢s - 件的外因进行 了研磨实验，研究了各工艺参数对研磨h o - y - - 的影响，在此基础上分别作 了4 5 铜和不锈钢工件优化实验，取得了较好效果。 4 1实验条件 ( 一) 实验仪器 实验中所使用的仪器有w y j 3 0 系列双路直流稳压电源( 长春市蓝 菱电子技术研究所) ，c s t - 1 i a 型特斯拉计( 哈尔滨电工仪表研究所) ， s d y - 1 型电感式测微仪( 分辨率o 0 1 9 i n ) ，2 2 2 1 型轮廓仪( 哈尔滨量具 厂，分辨率o 0 1 “m ) 。 ( 二) 磁性磨料 磨粒的粒度以及其它性能对磁力研磨的质量都有很大的影响。实验 中所使用的磨料是哈尔滨科技大学研制的m a c 系列磨料，它是由具有 优良导磁性能的铁粉和具有切削能力的白刚玉粉，在高温高压下烧结， 经粉碎而制成的，其结构大体如图4 1 所示，其性能如下： 铁戳性材科 磨粒 固4 1 磨料结构示意图 比重为2 3 2 6 ； 抗变形温度为1 3 0 。c ； 分解温度为4 5 0 1 c ； 抗压强度( o 。) 8 0 0 k g c m 3 ( 2o ) ； 抗拉强度( 叽) 12 0 k g c m 3 ( 2 0 。c ) ： 抗冲击强度( 盯。) 2 k g c m 3 ( 2 0 ) 。 研磨粉的磁导率在本实验中是一个重要的指标，磁导率越高，磁力 研磨中的研磨压力越大，表4 1 是实际测得的m a c 系列磨料的磁导率。 表4 1m a c 系列磨料磁导率 粒度4 0 48 0 41 0 0 “1 0 0 4 1 6 0 # 一 2 0 0 “2 5 02 5 0 4 1 6 0 42 0 0 4 3 0 0 8 磁 导率 74 27 6 176 5 7 7 27 8 27 8 77 9 5 ( p h m ) 研磨粉按粒度大小可分为三类，即磨粒( 8 4 8 0 4 ) 、磨粉( 1 0 0 “ 2 0 0 “) 、微粉( w 4 0 w 5 0 ) ，研磨加工中一般所用的磨料是磨粉和微粉， 磨料粒度及颗粒尺寸如表4 2 所示。 表4 2 磨粒粒度及颗粒尺寸 类别粒度 颗粒尺寸范i i l ( p m 1 类别粒度 颗粒尺寸范围( 肚m ) 83 1 5 0 2 5 0 0 磨 1 5 01 0 0 8 0 1 02 5 0 0 2 0 0 01 8 08 0 一6 3 1 22 0 0 0 1 6 0 0 粉 2 4 06 3 5 0 1 41 6 0 0 1 2 5 02 8 05 0 一4 0 磨 1 61 2 5 0 1 0 0 0w 4 04 0 2 8 2 01 0 0 0 8 0 0w 2 82 8 2 0 2 48 0 0 6 3 0w 2 02 0 一1 0 粒 3 06 3 0 5 0 0w 1 41 4 一1 0 3 65 0 0 4 0 0 微 w 1 01 0 7 4 64 0 0 3 1 5w 7 7 5 6 03 1 5 2 5 0 粉 w 55 3 5 7 02 5 0 2 0 0w 3 53 5 2 5 磨8 02 0 0 1 6 0w 2 52 5 1 5 1 0 01 6 0 1 2 5w 1 51 5 1 0 粉1 2 01 2 5 1 0 0w 1i 0 o 5 ( 三) 试件 根据材料加工性质、导磁性及在实际当中应用的广泛性，实验中选 用4 5 钢( 铁磁性材料) 和1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢( 非铁磁 生材料) 作为实 验材料。4 5 钢试件直径书2 0 r a m ，长3 0 0 r a m ，研磨长度1 4 0 m m ，经磨 削后表面r a 在0 3 0 9 9 i n 之间，表面经淬火处理硬度为h r c 5 0 左右： 不锈钢试件直径审2 0 m r n ，长13 0 n l m ，研磨长度10 0 m m ，经磨削t t a 在o 2 0 7 9 i n 之问。 ( 四) 各种工况下的磁场强度 根据加工要求，使用标准试件来调整间隙，供选间隙值0 5 m n l 、 1 m m 、1 5 r a m 、2 r a m ( 这里及以下的间隙大小均指单侧间隙) 。表4 3 是用c s t - 1 1 a 特斯拉计测出的各种实验条件下工作气隙的磁感应强度 范围。 表4 3 各种x - 况 f 的磁场强度 电 压( v ) 91 21 5 1 82 l 电 流( a ) 1 11 3l61 8 2 1 工 问隙 况( r a m ) 场强范围( t ) 无 0 50 1 9 3 - 03 8 502 3 2 - 0 4 4 502 5 6 - 05 0 00 2 7 0 - 0 5 4 002 8 6 0 5 6 5 工 件 l00 1 9 2 03 6 00 2 2 4 0 4 0 00 2 5 8 0 4 5 602 7 0 - 0 5 1 002 8 3 05 5 8 和 磨 1 501 7 5 - 0 3 4 50 2 1 2 - 04 1 80 2 4 i - 0 ，4 7 20 2 6 0 05 1 202 7 3 - 0 5 3 5 粒 200 1 6 3 03 2 50i8 9 - 0 3 9 702 2 5 - 0 4 4 2 0 2 4 l - 0 4 8 20 2 5 8 05 1 2 低 0 507 6 0 - 1 1 4j08 9 5 i 2 8 00 9 3 0 13 7 00 9 8 5 1 4 4 210 0 2 14 8 5 炭 锏 1007 0 0 12 3 608 0 5 - 1 3 0 308 5 0 - l3 8 409 8 0 j 4 3 9 10 0 6 - i4 9 i 外 固 1 506 9 0 - 08 7 50 ，8 0 0 - 0 9 9 508 4 5 i1 0 009 3 0 - 1 1 6 509 9 0 12 】0 无 磨 2 o0 6 4 2 07 7 30 7 0 2 08 9 308 4 0 0 9 7 00 8 8 4 10 3 009 2 0 10 7 l 料 05017 5 02 5 002 1 5 - 0 2 8 00 2 4 0 - 03 0 002 6 0 03 2 002 7 5 - 03 3 5 不 镑1 001 7 0 0 2 4 20 2 0 8 0 2 6 802 3 2 - 0 2 8 802 4 5 - 03 1 20 ，2 6 0 03 2 4 钢 外i501 6 2 0 2 3 602 0 0 ( 1 0 2 5 20 ，2 2 0 0 2 7 002 3 0 03 0 00 2 5 2 03 0 8 圈 2 0o 1 5 0 02 2 80 1 9 2 - 02 4 00 2 0 8 - 02 5 60 2 2 0 ，02 8 80 2 4 4 02 9 6 4 2 实验结果分析 4 2 1 甭开磨用量白勺影响 1 ) 研磨速度影响 矗 i q 证 n ， ll_ii - iii i _ l 盛i 二l耐l o 脚脚4 1 0 唧棚 呻，嚏 图4 2 研磨速度的影响 实验条件：v a f = 2 0 0 m m m i n ，u = 1 2 v ，= l m m t = l s 0 s ，g = 1 0 0 4 ，工件：4 5 铜 图4 , 2 是研磨4 5 钢工件时研磨速度对研磨量和表面粗糙度的影响 实验结果。( 图4 3 中，n 为主轴转速即研磨速度，v 。f 为进给速度，u 为磁力研磨装置电源电压，为工作间隙，t 为加工时间，0 为磨料粒 度，以下不再说明) 。由图可见，固定研磨加工时间t = 1 8 0 s ，在n = 5 0 0 r p m 时，研磨去除量最大，而在n = 4 0 0 r p m 时，工件表面粗糙度降低得最大。 由第二章的分析，研磨中磨粒受到摩擦力p ，、p ：，当摩擦力超过磁场保 持力f ，、r 时，一部分磨粒粘着在工件表面以一定的速度随工件转动而 受到离心力f o ， - 3 离心力大小超过磁研磨压力p 。后，磨粒将会飞溅出 去。如果飞溅严重，使参加研磨加工的磨粒数减少，就会影响加工，甚 至使加工无法进行。在本实验中，发现n 苏 卜、l 、 d24ee 1 0坦 t r n m ) 图4 1 1 优化加工 实验条件：n = 4 0 0 r p n l ，v = 1 0 0 m m m i n ，u = i 8 v 研磨液：乳化液，工件：4 5 铜 根据以上实验结果分析，可以找出在本实验条件下的相对较好的工 艺参数，并采用分段加工的方式进行优化加工。图4 1 1 对4 5 钢的优化 加工结果。由图可以看出，在段加工中使用了粗磨料，对粗糙表面进 行大去除量研磨，使表面粗糙度得到迅速降低，工作间隙没有调到最小 是为了增加磨料的自锐性。在这个阶段，工件表面粗糙度由最初的 r a 0 8 2 5 m 经四分钟研磨后，迅速降到r a 0 3 2 0 1 a m ；在段加- r 中，使 用了中等粒度的1 0 0 4 磨料，这样能够进一步在较短时间内将表面粗糙度 降到较低水平。由图可见，经四分钟研磨，工件表面粗糙度降到了 r a 0 1 3 0 p m ；由于表面粗糙度已经相对低，故第段使用细磨料( 2 0 0 8 ) 加工，经四分钟研磨后表面粗糙度降到了r a 0 0 4 5 m 比较三个阶段发 现，粗糙表面加工，磨料粒度越大，粗糙度降低得越快，而粗糙度相对 较低的表面，则需要用细磨料加工，而且，