（机械设计及理论专业论文）可控磁场磁力光整加工技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在医疗、生物化学、航空航天、食品加工等行业经常需要使用内表面要求非常光滑 的管道来输送高纯度的气体或液体，但是，由于这类管道长径比过大，受刀具尺寸、工 件形状和材料等诸多因素制约，传统加工方式不易对其进行有效加工，需要研究新的加 工方法来解决这些问题。 磁力光整是以磁性磨料为切削工具，利用磁场控制磁性磨料的受力，使磁性磨料与 工件表面产生相对运动，从而去除工件表面材料而达到所要求表面质量的光整方法。磁 性磨料在磁场的作用下，形成一束具有挠性的磁力刷，当切削阻力大于磁场作用力时， 磨料就会产生滚动或滑动，所以不会对工件表面产生损伤。此外磁力光整加工对设备精 度要求不高，几乎不受设备振动的影响。由于磁力光整加工具有上述特点，使其适合对 细长管道进行光整加工。国内外学者对磁力光整加工进行了大量的研究，但是在磁力光 整的加工机理和实用性等方面还有许多问题需要解决。为此，本文对以下几个方面进行 了研究： ( 1 ) 对不锈钢管道内表面的磁力光整加工机理进行了探索。分析了加工过程中磁性 磨料的受力情况和运动状态，以及磁性磨粒的切削机理。 ( 2 ) 利用有限元法对磁力光整加工过程中的磁场进行分析，得出磁场的分布状况， 对设计磁力光整装置起到指导作用。通过分析可以看出表面开槽磁极会对磁场分布起到 优化作用，提高工件内的磁场强度，从而提高加工效率。 ( 3 ) 设计了一套内表面可控磁场磁力光整装置，使用非结合式磁性磨料进行实验， 探讨了这种磨料的抛光特性，实验结果表明这种加工方法可以使工件的表面粗糙度r a 值从0 4 0 m m 降到0 1 趴m ，可以替代部分结合式磨料进行加工，以降低光整成本。 上述研究工作可以克服传统加工方法的不足，对大长径比管件内表面光整加工具有 加工效率高、光整效果好等优点，对推动磁力光整的实际应用具有积极作用。 关键词：磁力光整；不锈钢管：可控磁场；表面粗糙度；仿真 可控磁场磁力光整加工技术研究 s t u d y o nc o n t r o l l e dm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gm a c h i n i n g a b s t r a c t t h e r ea t em a n yl o n ga n dt h i ns m o o t ht u b e su s e di nm e d i c a lt r e a t m e n t 、b i o c h e m i s t r y 、 s p a c e f l i g h ta n df o o dm a k i n g i ti sr e q u i r e dt h a tt h e s et u b e sh a v eav e r yf i n es u r f a c er o u g h n e s s b u tt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s e sa r er e s t r i c t e db yt o o l sd i m e n s i o n ，w o r k p i e c es h a p ea n dm a t e r i a l i tc a nn o td 0t h ee f f e c t i v em a c h i n i n gf o rt h e s et u b e sa n di tn e c d san e wp r o c e s st os o l v et h e s e p r o b l e m sb e c a u s eo f a b o v ef a c t o m m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gi sap r e c i s ep o f i s h i n gm e t h o dt h a tt h em a g n e t i ca b r a s i v ei s t h ec u t t i n gt 0 0 1 t h ea b r a s i o np r e s s u r ei sc o n t r o l l e db yam a g n e t i cm e dt op r o d u c ear e l a t i v e m o t i o nb e t w e e nt h ea b r a s i v e sa n d 也ew o r ks u r f a c e al i m i t e da m o u n to fm a t e r i a lw i l lb e r e m o v e dt oo b t a i nt h er e q u i r e ds u r f a c e o w i n gt ot h em a g n e t i cf i e l d ，t h em a g n e t i ca b r a s i v e s w i l lb e c o m eaf l e x i b l em a g n e t i cb r u s h w h e nt h ec u t t i n gr e s i s t a n c ei sl a r g e rt h a nm a g n e t i c f o r c e t h em a g n e t i ca b r a s i v e sw i l lr o l la n ds l i d eo nt h ew o r ks u r f a c e s ot h i sp r o c e s sc 粗n o t d os e r i o u sd a m a g et ot h es u r f a c e f u r t h e r m o r e , t h ep r o c e s sd o c s n tn e e dt h es t r i c tp r e c i s i o no f t h ee q u i p m e n ta n dt h ev i b r a t i o nn e a r l yw i l ln o ta f f e c tt h es u r f a c eq u a l i t y b e c a u s eo ft h e s e c h a r a c t e r i s t i c ，m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gc a nd op o l i s h i n gf o rl o n gt u b e s i no r d e r t or e a l i z e t h em e c h a n i s m sa n dp r a c t i c a b i l i t yo fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g , t h em a i nw o r ka n d a c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) t h ef i n i s h i n g m e c h a n i s m so f l o n gt u b e sb ym a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g a r e i n v e s t i g a t e d s o m ei n v e s t i g a t i o n sa r ed o n et oa n a l y z et h ef o r c e s e x e r t e do nm a g n e t i c a b r a s i v e sa n dt h em o v e m e n to fm a g n e t i ca b r a s i v eb r u s ha n dt h em e c h a n i s mo ft h ec u t t i n g ( 2 ) a n a l y z e dt h em a g n e t i cf i e l du s e di nt h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dc o n c l u d e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf i e l d , w h i c hp l a y e dag u i d er o l ei n d e s i g n i n gt h em a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gd e v i c e b yt h ea n a l y s i sw e 啪k n o wt h a tt h e s l o t t i n gm a g n e t i cp o l e sp l a yo p t i m i z ee f f e c ti nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n , i m p r o v et h e m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t yi nt h ei n n e ro f t h et u b ea n df i n a l l yp r o m o t em a c l d n i n ge f f i c i e n c y ( 3 ) i nt h i sp a p e r , w ed e s i g nt h ee x p e r i m e n t so fc o n t r o l l a b l em a g n e t i cf i e l dm a g n e t i c a b r a s i v ef i n i s h i n gf o ri n n e rs u r f a c e t h ea b r a s i v e sa r en o n - c o m b i n e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h eb e s ts u r f a c er o u g h n e s sc a nb ea t t a i n e di s0 1 8 舢 t h er e s e a r c hw o r ka b o v ec a l lo v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s i th a sh i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dg o o de f f e c to nf i n i s h i n gq u a l i t ya n dh a sg u i d i n gr o l eo n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n 一i l 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ；s t a i n l e s ss t e e lt u b e s ；c o n t r o l l a b l em a g n e t i cf i e l d ； s u r f a c er o u g h n e s s ；s t i m u l a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：筮d 么包 新躲銎垒缮 大连理工大学硬士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 1 1 1 课题来源与背景 课题来源：大连市科技计划项目( 2 0 0 7 a 1 0 g x l 2 0 ) 。 医疗，生物化学、航空航天、食品加工等行业经常使用内表面非常光滑的管道来输 送高纯度的气体或液体，这就要求管道内表面具有良好的表面质量，而表面光整加工技 术可以满足这种要求。其中表面抛光技术如化学机械抛光、电解抛光等常常应用于相关 工件表面的最后修整工序中。但对于大长径比管道、弯管等工件，传统光整加工受工具 尺寸、工件形状和材料等因素的制约，不易对其进行有效加工，因而有必要研究一种能 够克服上述问题，同时保证表面质量、低成本、高效率、自动控制的光整加工技术。 1 1 2 选题的意义和应用价值 近年来，磁场在加工领域得到了广泛的应用。最典型的应用是磁力光整加工技术。 磁力光整加工通常是指利用辅助磁场对高导磁率磁性磨料的超距作用来实现工件表面 光整的方法。其实质是利用自由松散的磁性磨粒导入磁场和电场的作用对工件进行柔性 加工【l 】。 磁力光整中应用较多的方法有：磁悬浮法、堆积光整法、平面磁力光整法、外圆面 磁力光整法、内圆面磁力光整法、球面磁力光整法、自由越面磁力光整法等 2 3 1 。相对于 传统的光整方法和某些特种加工方法，磁力光整加工有其自身的特点它所使用的光整 工具是自由松散的磁性磨粒，使得磁力光整具有很大的灵活性。在磁力光整中，磁性磨 料能够随着工件形状的变化而变化，从而能适应不同的表面，磁力光整加工技术可对轴 承滚道、钢管、螺纹环规、丝锥电机轴、齿轮、阶梯轴、钢球等工件进行去毛刺、光 整处理。其中较新的加工方法有：电化学磁力光整复合技术的研究开发；旋转磁场磁力 光整加工的研究；脉冲电路控制产生旋转磁场实现无运动部件光整加工磁力光整能在 几毫米的加工间隙内进行光整加工，可以完成凹凸变化频繁的三维曲面、复杂形状零件 的光整；能够完成超长形非磁性材料圆管内面和曲管内面以及入口狭窄的非磁性材料容 器内表面的光整加工；能够进行塑料、陶瓷等非磁性材料的球面光整；能够象切削工具 那样对复杂形状零件进行精密加工h5 】。此外磁力光整还具有以下优势： ( 1 ) 磨粒自锐性能好，磨削能力强，加工效率商，可以自动调整光整切削力，实现 对机械零件表面的光整加工； ( 2 ) 温升小，工件变形小，切削深度小，加工表面平整光洁； 可控磁场磁力研磨加工技术研究 ( 3 ) 工件表面的交变励磁，强化了表面电化学过程，改变了表面的应力分布状态， 提高了工件表面的物理机械性能； ( 4 ) 加工对象适应性强，可以光整平面、曲面以及复杂形状零件的内外表面，例如 弯管、型管、异型内表面、小瓶颈零件内表面； ( 5 ) 具有可控磁场的磁力光整装置由于没有运动部件，因而运行可靠，费用低，设 备的寿命大大提高。 磁力光整技术是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，特别是基于曲面数字化的复杂曲面磁力光整光整加 工技术，将具有广阔的应用前景。目前，磁力光整技术应主要从事磁力光整加工机理研 究、新型磁性磨料的研制开发、工艺研究、磁力光整自动化研究及面向模具型腔表面抛 光的磁力光整装置的开发、解决批量生产问题、进一步研究电化学磁力光整复合加工工 艺和交变或运动磁场的磁力光整装置的开发 综合上述特点，本课题有如下研究意义： ( 1 ) 克服传统加工方法受刀具尺寸、工件形状和材料等因素的限制与不足，几乎可 以对任何非导磁性材料进行加工，并获得优异的加工效果； ( 2 ) 可控磁场可以克服永久磁铁旋转磁场磁感应强度难以调节以及加工过程中动 平衡较难控制的不足，实现管件内壁光整的自动化，增强此项技术的实用性； ( 3 ) 电磁励磁产生的可控磁场可提供非机械方式产生相对运动的途径。 1 2 磁力光整加工技术概述 1 2 1 磁力光整加工技术的历史 磁力光整加工这一概念最早是由前苏联的工程师k a r g o l o w 于1 9 3 8 年提出的。从五 十年代和六十年代开始，前苏联有不少学者如b a r o n 等和他们的同事对磁力光整加工进 行了大量的研究，在磁性磨料的制备方法和制备工艺上作了很多工作，并就磁性磨料的 组成、配比和结构等申请了多项专利。此外，前苏联还多次举办过相关的专题会议。七 十年代以后，保加利亚的一些学者如m e k c d o n s k i 等也开始发展磁力光整加工技术。并 取得了一定的成果，相关的国际性专题学术会议也定期在保加利亚举行德国也已经出 版了相关方面的学术论文。 八十年代以后，日本的很多学者如t o k y o 大学的n a k a g a w a 教授及其同事、t o h o l m 大学的k a t o 教授及其同事、u t s u n o m i a 大学的s h i n m u r a 博士及同事等也开始进行磁力 光整的研究与开发。他们研制开发了多种不同的试验装置，并对磁力光整加工的基本原 理、不同条件下的加工特性和影响因素等进行了大量的研究工作。其中s h i n m u r a 和 大连理工大学硕士学位论文 y a m a g u c h i 等对内圆、外圆和平面的磁力光整作了深入的研究，他们还将旋转磁场用于 磁力光整加工的研究中，用旋转磁极的方法开发了磁力光整内圆加工系统，并进行了理 论和试验研究，发表了多篇论文。正是由于他们的研究工作使得磁力光整技术得到了进 一步的研究和推广。 近年来，韩国的一些学者如j c o n g - d uk i m 等也进行了一些研究工作。他们研究开 发了一种基于计算机控制的旋转磁场磁力光整加工系统，实现了磁力光整加工过程的自 动控制和一些参数的自动调节，同时还将有限元法引入到磁力光整加工的理论计算中， 并对不同形式的旋转磁场进行了比较，得到了一些重要结论。他们的工作推动了磁力光 整加工的理论研究和加工系统的自动化研究。 文献检索表明大部分文献都是有关磁力光整机理研究方面的，研究人员从多个角度 对磁力光整的特点进行了分析阐述，研究结果对该工艺的实际应用起到了关键的作用。 k r y m s k y 6 1 和k r c m c n 7 在他们的文章中都提n t 前苏联的早期研究者b a r o n 。b a r o n 对铁 磁性材料外圆光整加工间隙间的磁性磨粒的运动及工作压力分别做了开拓性的研究。研 究结果表明加工间隙中的磁性磨粒，与工件接触区域的磨粒做与工件相同方向的移动， 与磁极接触区域的磨粒做与工件相反方向的移动，整个磨粒群在间隙中做慢速回转运 动，这种回转运动使磁性磨粒具有良好的自励性。b a r o n 还指出，在等间隙工况下，磁 场对磨料的作用力与磨料在间隙的空间位置有关，在间隙中间仅受到沿工件表面方向的 作用力，该作用力均指向问隙内，当切向作用力大于磨粒与工件之间的摩擦力时，磨粒 在间隙中形成类似动压油膜的楔形效应，工件表面的正压力大幅度提高。 s h i n m u r a l 8 在早期研究中设计了专用装置，测试磁性磨粒对工件表面的静压力，试 验结果表明压力为数十k p a ，达到了传统研抛所需的压力。测试了f e - a 1 2 0 3 磁性磨粒的 相对磁导率与磁感应强度的关系，在磁感应强度口小于0 4 t 时，相对磁导率是一常数 且不大于1 0 ；当磁感应强度曰大于0 4 t ，相对磁导率下降，并逐渐接近l 。并实测了工 作压力，磁性磨粒的铁磁相与磨粒相配比及磁感应强度三者之间的关系。实测结果与理 论公式相吻合。磁性磨粒在磁场中产生的磁静压力为 p = 丢。一寿 旧舢 日磁感应强度 一真空磁导率 f 廊磁性磨粒相对磁导率 磁性磨粒沿磁力线相互吸引而形成磨粒刷，光整效率受磁性磨粒刷的影响。磁性磨 粒刷的刚性愈大，光整效率越高 9 1 。s h i n m u r a 通过实验推导出下式 可控磁场磁力研磨加工技术研究 c o c 0 俨萨 t 1 - 2 ) 式予：丘为磁力刷刚度，d 为磨粒直径，万为加工间隙。 很明显磁力刷丹h 度正比于磨粒直径的三次方，这意味着提高磨粒耐的刚性，即减少 磨粒闯相对滑动，采用大颗粒的磨粒是首选的方法。对于混合型磁性磨粒，加大形成磁 力刷主体铁颗粒的直径，铁颗粒间相对滑动就可减少，在光整过程中保持较高的工作压 力，并且与工件接触的磨粒处于切削状态或滑擦态的几率将上升，从而提高光整效率。 k r e m e n 在文献【7 】基于材料去除受力分析提出一个理论模型，该模型独立于待加工零 件材料尺寸及磁力光整装置的设计。在外圆光整加工，工件表面的微观不平表现为起伏 的波峰波谷。在波峰处，因间隙小，磁场作用力大：在波谷处因间隙大，磁场作用力小， 再则，切削力随切削角的增大而减小，从波谷到波峰切削角从9 0 4 逐渐减小为a m m 再 逐渐增大为9 0 。造成波峰波谷处材料去除不一致，且材料去除取决于波峰处的材料去 除。这一模型用光整外圆的圆度改善得到了证实。获取所需圆度的加工时间及该工艺所 能达到的有限精度都可从这一模型获得。 o l i k e r 在文献【i o l 中对磁性磨料中磨粒相颗粒的几何形貌对材料去除的影响做了研 究。当磨粒相颗粒的凸出部分楔角较小时，微切削占主导地位，它保证较大的材料去除 量，但获得的表面粗糙度r a 值较高。当磨粒相颗粒的凸出楔角较大时，滑擦为磨粒的 主要形式，工件表面的塑性变形占主导地位，材料去除量较小，获得的表面粗糙度妇 值较小。而磨粒相颗粒的楔角大小与颗粒的结晶形态有关，等轴晶体的楔角较大，而片 状、针状晶体的楔角较小。 s b i n m u 均【s 1 对磁力光整中各种研磨液对材料去除率及表面粗糙度的影响进行了试验 研究。采用油性、水性的磨削液、乳化磨削液和轻油作为研磨液。这三种研磨液对材料 去除率都有非常显著的影响，三者之间的差别不大；对表面粗糙度的改善却略逊于无研 磨液的干研。干湿光整对比试验发现了一些有趣的现象，湿研状态下加工表面的电镜图 片显示的加工切痕明显多于干研状态；湿研状态下的正压力与干研状态有差异，但无趋 势性，而切向抗力( 即摩擦力) 相对干研状态都有增加。 s h i n m u r a “j 对经过磁力光整的外圆表面的残余应力及加工变质层深度做了测试。结 果表明不同的材料，残余应力不同，但周向和轴向残余应力均为压应力，周向残余应力 大于轴向残余应力，这是因为光整的主切削运动在周向。加工变质层深度是通过显微韦 氏硬度的变化来间接表示的。测试结果表明加工变质层深度为几个微米。 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 ) 这一概念进入中国后，在翻译上有称为磁力研磨， 也有称为磁力抛光。抛光加工的目的是制造平坦而且加工变形层很小、没有擦痕的表面， 这相当于金属的镜面加工工艺。机械抛光的机理是由使表面层产生塑性流动埋平洼坑来 大连理工大学硕士学位论文 造成平滑表面的观点，以及用不产生裂纹的机械微刃切削作用的观点结合而成的。抛光 包括通过微切削作用对材料去除以及材料的微塑性流动这两种作用方式。相对抛光加 工，研磨加工加给磨料的作用力较大，工件产生微裂纹。随着时间的推移。这种概念上 的差别也渐渐模糊。c h i l dt h ，c 在文献田中指出，术语抛光、研磨、珩磨，都用于精密 光整加工，仅仅是各自要求的重点有所不同。例如，传统上抛光指获得好的表面粗糙度， 而不考虑形状精度：研磨的重点在获得好的形状精度；珩磨类似于研磨，重点获得好的 形状精度及产生能存储润滑剂的形貌。光整加工是一个总称，可以用来描述任一或所有 这些术语。今天，我们有许多工艺方法可获得好的表面粗糙度和形状精度，因此，这些 术语定义不嚣要那么严格了。 我国从八十年代中期开始对磁力光整加工进行研究。上海交大，哈尔滨工业大学， 太原理工大学等经过许多年的研究，都取得了各自的研究成果，形成了自己的特色。大 连理工大学在这方面的研究也已开展很多年，在磨料的制备，脉冲控制旋转磁场和电化 学磁力加工技术方面都取得了一定的成果，具有了一定的理论和实践基础。 1 2 2 磁力光整加工技术的特点 磁力光整发展迅速，主要原因是它有着传统研磨抛光工艺不可替代的特点：光整压 力可以通过改变磁场强度来实现；通过改变磁场强度可以调节磁性磨料的保持力，可以 控制磁性磨料的自动供给、排出及回收；在滚压过程中，被光整工件表面产生的塑性变 形很小；加工发热低、残余应力小，零件加工后变形量小；柔性的磁力刷，可以光整外 形复杂的零传，对内腔表面的光整尤为明显；磁性磨粒的自锐性好，增强了磨削能力， 去除率高：具有改善形状精度( 圆度、同轴度) 的能力：光整时温升小，工件不易变形； 可以高效切除工件表面材料，使加工表面光洁平整；工件表面由于交变励磁，提高了机 械物理性能；光整时，磁性磨料、粉尘等由于受磁场的作用，无飞散，能保持工作环境 清洁，有益身体健康；磨具无需进行磨损补偿、无需修整；可实现复杂凹型表面加t t l 2 1 。 1 2 3 磁力光整加工技术的研究现状 以管道内表面磁力光整为对象来叙述磁力光整加工技术的发展现状，具体分为以下 四个方面： ( 1 ) 磁性磨料 工件表面的光整效果与磁性磨料的选择息息相关。国内一些研究人员在较早的时候 就已经认识到磁性磨料对磁力光整的重要影响，并作了一些相关的研究。上海交通大学 曾就多种不同的磁性磨料做过试验，试验结果表明材料的去除能力低下，其原因是这些 磨粒虽然具有磁性但作为磨粒来说硬度和强度不足l l 习。太原理工大学对磁性磨料的光整 可控磁场磁力研磨加工技术研究 机理、制备方法等做了深入的研究，阐述了几种磨料的制备方法。大连理工大学对等离 子熔融制各磁性磨粒等方法进行了研究。南京航空航天大学采用化学键与电镀相结合的 方法，在铁磁性材料的外表面沉积彳，2 仍，s i c 及金刚石颗粒，对复合镀的方法制备磁 性磨料进行了初步的探讨【1 4 】。 在国外，k r y m s _ k y 应用内渗氮法制备磁性磨料，制造磁性磨料的原始材料是硅铝铁 粉末，当铁合金与相应的产生氮化物的元素氮化时，获得的a 1 n 和s i 州v 4 有很好的光整 特性。这种磨料切削性能一般，但是不污染加工表面，适用于贵金属的表面抛光【i 那。 o l i k c r 等人对铸造法制造的具有类似结构，但具有不同化学物理性质的磁性磨粒进行了 光整性能实验发现磨粒的光整性能取决于铁磁基体和弥散分布于其中的磨粒相【1 6 j 。 s h i n m u r a 采用复合电镀技术制备磨粒相是金刚石的磁性磨粒，在直径约为数百微米的铸 铁球上用电镀镍使金刚石栽植在铸铁球表面【1 7 1 。 ( 2 ) 加工机理 国内，太原理工大学对磁力光整加工时磨粒的受力和切削机理作了系统的研究，得 出了磨粒的受力公式和切酎轨迹公式【潮。 国外，b a r o n 对铁磁性材料外圆光整加工间隙磁性磨料的运动和光整压力的分布作 了深入的研究。发现磨粒群在间隙中作慢速回转运动，而且磨粒的受力与其在间隙中的 位置有关。s h n m u r a 对各种研磨液对表面粗糙度和光整效率的影响进行了试验研究，对 比了干研、油性和水性研磨液的效剁嘲。 此外，很多中於学者都对磁力光整加工中的一些关键参数，如磁场强度、加工间朦、 磁场和工件的相对转速、以及进给量等对表面粗糙度和材料去除率的影响，进行了试验 研究。由于各自的试验设备不同，试验结果的可比性不强，但是总体趋势差不多。 ( 3 ) 实验装置 实验装置的研究主要涉及两个方面：旋转磁场的产生和轴向往复运动的加入。 常用的励磁方式是永磁铁机械旋转励磁和电磁励磁。采用永磁铁励磁，优点是结构 简单，设计方便，体积小；缺点是磁场强度和磁场旋转速度的调节不方便，加工区域一 直处于强磁场状态，磨料放入和取出不便，而且机械式旋转会带来噪声和振动。采用电 磁励磁基本上可以克服永磁铁励磁的上述缺点，上海交通大学研究使用电磁励磁的方式 产生复杂光整轨迹的机理，可以不加入机械装置而产生轴向往复运动；电磁励磁的缺点 是线圈体积大，线圈长时间通电存在发热的问题。日本的y a m a g u c h i 和s h i n m m a 等人， 对内圆表面光整的磁极的各种分布形式、磁极末端的各种形状对加工效果的影响作了试 验研究，提出了几种较优的方案 2 0 1 。 6 大连理工大学硕士学位论文 对于轴向往复运动对加工效果的影响，很多学者做了相关的研究和试验。台湾的颜 炳华、张耿维等人设计了一台包含轴向往复运动的试验装置，取得了不错的效果。王艳 等人也对轴向往复运动的作用作了研究【2 1 1 。 ( 4 ) 应用 磁力光整的应用目前主要在模具行业，对模具表面抛光、去毛刺等。山东理工大学 把数控技术和磁力光整结合在一起，可以代替工人手工操作，对模具三维曲面进行自动 抛光。磁力光整应用于输送高纯气体或液体的细长管道的研究也正在努力的推进到实用 程度。 1 2 4 磁力光整加工技术的发展趋势 磁力光整的研究工作主要侧重于磁力光整加工机理、加工装置以及磁性磨料等方 面。今后磁力光整的主要发展趋势为： ( 1 ) 磁力光整加工机理的研究。根据电磁学原理，工件在磁场的作用下，内部的磁 分子会重新排列而具有磁性，形成内部磁场和磁力线，对工件的内部结构会产生一定的 影响。此外，磁力光整还受到形状的制约，不同的曲面去除规律不同；其它参数，如磁 极形状、磁场强度、磁场旋转速度等，对加工效果有着不同的影响。这些都需要对磁力 光整的机理进行更加深入的研究。 ( 2 ) 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，而磁力光整、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。它们各自有 不同的特点，因而可以把它们结合在一起形成复合加工技术，扬长避短，以便较大幅度 的提高表面加工质量和生产效率。 ( 3 ) 磁力光整技术的优点之一在于其具有良好的柔性和自适应性，易于实现自动化 控制。可以把磁力光整与数控技术结合起来，以随磁极高速旋转的磁性磨料代替刀具， 用数控加工的方式对复杂曲面进行光整加工。另外，旋转磁场可以使用电磁线圈来实现， 这样可以使加工系统由于没有运动部件而非常可靠。但是，如何把磁力光整技术和数控 技术合理的结合起来，如何利用电磁线圈产生旋转磁场，还存在着很多问题，这都需要 进一步的研究来解决。 ( 4 ) 磨料制备在磁力光整加工中占有很重要的地位。目前使用的磨料普遍存在着成 本高、使用寿命短、效率低等问题。为了把磁力光整投入实际的生产加工中去，迫切需 要开发新的制备技术和新型磨料。这也将成为磁力光整技术研究的重要方向之一。 可控磁场磁力研磨加工技术研究 1 3 研究思路和主要工作 图l 1研究思路和主要工作 f i g i 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e s e a r c ht e c h n i q u ei nt h i sp a p e r 许多研究证明磁力光整可以对细长管道内表面进行有效的加工，达到所需的表面质 量，但是对于磁力光整加工的机理研究还不透彻，需要进一步的探讨，以便获得更好的 加工效果，更高的加工效率和更强的实用性。另一方面，目前的实验研究多集中永磁体 旋转磁场进行的光整加工，而对电磁场产生的旋转磁场进行光整加工的研究并不多，大 多只停留在机理研究与仿真阶段。 为了更深入的研究可控磁场作用下不锈钢材料内圆表面磁力光整，推进它们的实用 性，本论文的研究重点将放在可控旋转磁场励磁设备的开发，实验装置的建立和改进， 加工过程的仿真以及关键参数对表面粗糙度影响等方面，本文的研究思路和主要工作如 图1 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 2 磁力光整的机理 2 1 引言 磨粒加工是泛指用有硬质磨粒工具进行加工的过程圈。这种加工方法历史悠久，早 在公元前两万年以前的旧石器时代就已存在，它是人类劳动智慧的结晶。自古以来，这 种加工方法不仅广泛被应用，而且一直在发展着嘲。最早，使用的是天然磨料磨具，以 后发展到利用人造磨料和磨具，广义的磨粒加工包括下列加工方式； ( 1 ) 砂轮磨削 ( 2 ) 砂带磨削 ( 3 ) 珩磨 ( 4 ) 研磨 ( 5 ) 光整加工，包括：超精光整、抛光、振动光整和滚筒光整。 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得的，按其形状和特征又可分为固结磨具、涂附磨具 和研磨剂三类，见表2 1 。 表2 1 人造磨具的种类和用途 t a b 2 1 u s a g e a n d k i n d o f s y n t h e t i c a b r a s i v e t o o l s 磁力光整是利用磁场将磁性磨料聚集在工件表面，这些聚集的磁性磨料在磁场的作 用下形成一束具有挠性的磁力刷，同时产生工作压力作用在工件表面上，再藉由工件或 磁极的旋转与轴向振动，使磁性磨粒与工件表面之问产生相对运动，从而达到抛光的效 果。磁力光整不像传统的精密加工受振动或颤动的困扰，而且几乎不受限于工件的几何 外形，同时抛光表面无变质层，也无裂纹产生1 2 4 1 。 可控磁场磁力研磨加工技术研究 磁力光整是一种精密、微细的抛光方法，其对工件表面的抛光效果与所使用的磨料 息息相关。作为磨具的磁性磨料，必须具有对磁场感应的性质，同时又具有对工件的切 削能力。磁性磨料通常是一种平均直径大约为1 5 0 p r o 的粒状体，由磁化率大的铁粉和 磨削能力强的氧化铝粉或碳化硅粉等按一定比例混合而成。在磁力光整加工中，只有在 磁场保持力的作用下，磁性磨料才能实现对工件的光整加工。因此磁力光整的磨削力是 由磁场产生的，以光整压力的形式来实现。改变磁场强度、工作间隙、以及磁极形状等， 都将影响光整压力的大小。 2 2 磁力光整机理分析 2 2 1 磨料的受力分析 将圆管形工件放入由磁极形成的非均匀磁场中并在其内腔中填充一定量的磁性磨 料。在磁场力的作用下，磁性磨料的受力如图2 1 所示。由于等磁位线和磁力线方向互 相垂直，因而每一磁性磨粒所受的磁场力f 可以分解为沿磁力线方向( x 方向) 上的最 和沿等磁位线方向( y 方向) 上的b ，其表达式分别为； l 以：v z h 要 1p , = v x h 等 ( 2 1 ) 式中y 磁性磨粒的体积 z 磁性磨料的磁化率 日磁场的磁场强度 一o h 曼旦分别为在赫y 方向上的磁场强度变化率 图2 1内圆表面加工示意圈 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n n e rs u r f a 鹏f i n i s h i n g 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 磁性磨粒受力示意图 f i g 2 2 s e h c m a t i cd i a g r a mo f t i ”f a 懈s 旧d m a g n e l i ca b r a s i v 髂 在f 的作用下，磁性磨粒沿磁力线方向规则的排列，并始终集中在强磁场区域形成 紧贴内圆表面的磁力刷。作用在内圆表面上的磁性磨粒受力如图2 2 所示。磁性磨粒的 径向磨削压力只为径向磁场力、周围其他磨粒对该磨粒的径向压力、离心力和重力的径 向分力等的合力，即 e = f s m g + f s i n 0 + 坍，口2 + m g s m p ( 2 2 ) 式中，一周围其他磁性磨粒对该磨粒的压力 m 磁性磨粒的质量 ，工件中心到磁性磨粒的距离 刃工件与磁极之间相对旋转时的角速度 g 重力加速度 日彩的定义如图所示。 若磁性磨粒与工件之间的光整系数为，则切向光整阻力f ，为 乃2 g 亿3 ) 当磁性磨粒的切向磁场力、周围其它磨粒对该磨粒的切向压力和重力切向分力等的 合力e 大于切向光整阻力日时，即 乃 e2 f c o s a + f c o s 伊+ 孵c o s 卢 ( 2 4 ) 磁性磨粒就会在磁极和工件发生相对转动时随磁极一起运动，从而使工件的内圆表 面被抛光。如果此时工件与磁极之间有轴向进给运动，则整个工件就可以得到抛光嘲。 可控磁场磁力研磨加工技术研究 在加工过程中，工件与磁性磨粒的相对运动会产生阻碍磨粒运动的摩擦力，此外， 磁阻性质的电磁转矩取决于磁回路的磁导的变化率，磁性磨粒在空间位置上滞后于回转 磁场，可见此时磁目路中的磁导不再是最大值，所以褶对于静态，动态磁回路中的磁通 将下降，从而磁感应强度也将下降。磁场对磁性磨粒的作用力也下降，由磁场作用产生 的工作压力也变小。 在研究磁性磨粒受力时，可以把它简化为一个刚体，并做匀速运动，则可以计算出 其产生的离心力，一的大小为 f 。= 4 万2 m r _ 2 ( 2 5 ) 式中埘磁性磨粒的质量 r 磁性磨粒的质心到回转中心的距离 厂回转磁场的频率 由离心力产生的工作压力与回转频率的平方成正比，与磁力刷的质量及回转半径成 正比。假设m = 5 9 ，r = 0 0 1 3 m ，= 2 5 h z ，磁性磨粒与工件接触面积为3 e m 2 ，所产生的 工作压力为k p a 数量级。与磁场作用产生的工作压力相比小一个数量级，但却是对运动 时工作压力减小的补偿 2 6 1 。 此外磁性磨料由于摩擦力等原因，相对磁极会有定的滞后，如图2 3 所示叨。 图2 3 磁性磨粒相对于磁极滞后示意图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ed e l a yo f m a g n e t i ca b r a s i v e s 几乎所有的研究人员在各自的试验装置上就许多工艺参数对材料去除，表面粗糙度 的影响进行了试验，这些工艺参数有；加工间隙、励磁强度、相对运动方式( 单调轨迹、 复杂轨迹) 、主切削运动的速度、往复运动的频率及幅度、进给量、磁性磨粒用量，以 大连理工大学硕士学位论文 及在一定条件下，材料去除、表面粗糙度与加工时间的关系。这些试验参数因各自试验 条件不同，可比性不强，但趋势是一致的。 2 2 2 研磨抛光的材料去除机理 考虑研具和磨粒的不同组合，研磨抛光可分类为： r 粗的磨粒 r _ 硬的研划 il 细的磨粒 研磨 l产的磨粒 l 软的研其s 的磨粒 使用由软材料如沥青和塑料制成的抛光头和小于1 i u a 的微粉磨粒，抛光可获得镜 面，使用硬材料如铸铁研具，光整可获得无光泽表面。用硬的研具也可实现镜面抛光， 如块规的最后光整加工，使用铸铁和氧化铬微粉。再如蓝宝石镜面抛光，使用石英板作 为研具，0 0 2 u n 的0 2 微粉。这两个例子的材料去除机理是不一样的，前者是机械去 除，后者是化学机械去除。各种研磨抛光方法所能获得的粗糙度，不仅与所使用的研具 的硬度和磨粒的粗细有关，更重要的是它们的材料去除机理。 材料去除是有两种作用产生，即机械作用和化学作用，在机械作用中有机械去除和 塑变磨损，在化学作用中有化学腐蚀和薄膜生成作用。 在磁力光整中，磁性磨料是由微细磨粒组成的磨粒群，在磁场中受到磁力的作用而 压向工件表面。磨粒受力情况如前所述。根据精密切削理论和摩擦学理论，可以得知磨 粒在磁力光整加工过程中与工件表面产生接触滑擦、挤压、刻划和切削等现象。其磨削 机理主要包括以下4 个方面【2 8 】： ( 1 ) 微量切削与挤压作用 由磨料的组成成分可知，磨料磨粒的硬度比工件材料硬度高，工件表面在工作压力 作用下，以一定方式进行相对运动( 工件旋转，工件或磁极振动) ，磨粒刃将对工件表 面产生切削作用，同时磨粒中的铁基体还将对工件表面起到很好的挤压作用。 如前所述，暂且不考虑磁场保持力的作用，单个磨粒在工件表面的作用力可分为法 向力舅和切向力e ，法向力e 使磨料压向零件表面，如测试硬度一样，在表面形成压 痕，对表面形成了一定的挤压，可改变表面的应力状况。切向力只使磨粒向前推进，当 磨粒的形状和方向适应时，磨粒就如刀具的切削刃一样，在零件表面进行切削而产生切 屑。该切削作用的强弱与磁性磨料的形状、位置、磨料工作角度、磁场特性等工艺参数 可控磁场磁力研磨加工技术研究 有关，控制这些参数就可以控制磨粒的切削作用，达到微量去除金属的目的。 同时由于磨粒在磁场中构成了弹性磁刷以及磁场分布的不均匀性，磨粒随机地变化 方位参与磨削。就每个磨粒而言，其切削过程是随机和不连续的。假设磨粒切削刃为圆 锥形时的微量切削挤压模型，如图2 4 所示。在金属切削机理研究中，占有重要地位的 就是刀具的几何形状和切削角度，其中前角是影响刀具切削性能的关键因素，对于磁性 磨粒来说，它的切削刃前刀面很不规则，多具有较大的负前角，在磁场作用力e 作用下 吃刀量非常小，一般在l 岫数量级甚至更小，因此这种加工属于微量切削，切削力很 小，产生的切削热也很少。一方面使工件表面上弹塑性变形区域很小，加工变质层极薄， 残余应力也很微小且为压应力：另一方面，切削过程中影响表面粗糙度的主要因素理 论残余面积高度和切削刃复印性等的影响也是较小这种磨粒的微量切削加工可以获得 非常好的零件表面，粗糙度晨。可达0 2 哪以下。 图2 4 磨粒的微量切削挤压模型 f i g 2 4 m i c r oc u t t h _ l ge x t r u s i o nm o d eo f a b r a s i v e ( 2 ) 多次塑变磨损机理 磁性磨料磨粒群体形成的弹性磨具由于受磁场作用被吸附在加工工件表面，磨粒和 工件表面始终处于接触状态，但是产生如前所述的切削过程并不是唯一的，有时磨粒会 在工件