太原理工大学工作间隙和回转速度在磁研磨加工中的作用翻译.doc

工作间隙和回转速度在磁性研磨加工中的作用摘要 磁性研磨加工是一种先进的光整加工过程,它是通过控制工作间隙和磁场强度来改变切削力,以此来加工处于两磁极之间的工件。磁性研磨装置是设计用来加工圆柱形工件的,该装置被安装在车床上。实验时用的磨料是通过铁磁颗粒(铁颗粒300目,51.4m),研磨颗粒(三氧化二铝颗粒600目,25.7m)和servospin-12粘合剂三者均匀混合而成的。通过内部改装的设备做的一系列实验来研究工作间隙和回转速度对磁性研磨加工工件材料去处、表面光洁度和表面光洁度提高的百分比的影响。从实验结果可知,一般情况下材料的去除随着工作间隙的增加而减小,随着工件回转速度的减小而减小;工件的表面光洁度的改变随着工件回转速度的增加而增加。1. 简介磁性研磨加工作为一种较新的光整加工方法主要是通过磁场控制的切削力来进行光整加工的。通过这种方法加工平面和管状工件的内外表面可以得到纳米级别的较好的光洁表面。在磁性研磨加工过程中,切削力是通过输入电磁铁的电流来控制的。磁性研磨加工过程中,工件保持在两个磁极之间。工件和磁极之间的空气间隙中充满了磁性磨料。磁性磨粒是由铁磁颗粒和研磨颗粒组成的。磁性磨料可以分为三种状态:不受限制的、疏松的、受限制的。受限制的磨料是由铁磁颗粒和研磨颗粒在高温高压下烧结而成的。疏松的磨料是由铁磁粉末和研磨粉末在少量粘合剂作用下通过机械混合而得到的。不受限制的磨料是由铁磁粉末和研磨粉末在没有任何粘合剂的作用下机械混合而得到的。磁性磨料通过磁场力相互结合在一起,在工件和磁极之间形成一个灵活的磁刷。这里灵活的意思是磁刷可以适应被加工工件表面进行光整加工。磁刷像一个多点多位置加工的刀具对工件进行光整加工。在这个工程中,磁极的振动可以增加光整加工的效果。Shinmura学组已经研究了磁性研磨加工过程的机理,并得出结论:材料的去除和表面光洁度是随着磨粒直径D的增加而增加;材料的最终表面光洁度是随着研磨颗粒直径d的增加而增加。为了得到光滑的表面并去除表面磨损,铁磁颗粒直径的选择必须使工件有一个合适的材料去除率和表面光洁度。小的研磨颗粒直径可以得到较好的工件表面光洁度。通过这种方法可以很容易的进行研磨去毛刺。接地棒的表面光洁度已经可以低于0.01m。增加磁流通密度可以增加光整加工的速率并得到较好的表面。在磁场辅助的光整加工过程中,磁极的轴向振动是一个重要的参数。 图1 图2 Kremen学组已经制作了一个磁性研磨加工过程中材料去除的模型。Kim学组也已经模拟和仿真了磁性研磨加工过程并认为间隙的磁流通密度主要受间隙长度的影响:间隙减小,磁流通密度增加。他们还发现:当使用低的磁流通密度时,相比使用高的磁流通密度,模拟得到的表面光洁度更加符合实验数据。这篇文章研究和设计了磁性研磨加工装置。使用这个装置,可以通过实验来研究磁性研磨加工过程。现在我们的主要任务是在使用疏松的磁性磨料时,研究工作间隙和回转速度对工件表面光洁度的改变、表面光洁度提高百分比、材料去除的影响。磁性研磨装置已经被设计和安装在I.I.T.Kanpur的Manufacturing Science Lab。2. 实验装置的设计在磁性研磨加工过程中,使用的磁场强度为0-0。35T。磁场是通过工件一边一个的电磁铁产生的。工作区间的磁场强度可以通过改变输入电流来改变。 工件和电磁铁之间的间隙(也被称为气隙/工作间隙/加工缺口)充满了铁磁颗粒和研磨颗粒混合的磨料。磁场强度取决于磁性磨料中铁磁颗粒所占的重量百分比。在设计磁极的弯曲部分时,工作间隙和工件的尺寸都应该考虑。在设计磁性研磨装置时,一些重要的参数,例如:加工区间的磁场强度、磁极轴向振动的振幅和频率、工作间隙等,都应该考虑。实验装置的一些细节如表1,磁极的参数见表2。设计的目的是给圆柱形工件提供回转运动,给磁极提供沿着工件轴向的振动。车床用来提供工件的回转运动。装置的原理图和照片如图3a和b。磁极用螺纹固定在一个支架上并通过一个凸轮来获得轴向运动。电动马达通过皮带把运动传递给凸轮。磨料的提供是通过一个漏斗实现的。电磁铁是由直流电源驱动的。工件半成品是通过固定在车床横刀架上的一个机架夹持着。图3磁性研磨加工装置分为以下五个部分:支架和导轨、磁极、机架、驱动装置和进给机构。支架包括磁极用四个轮子支撑在导轨上,这样当支架获得沿工件轴向的振动时,工件和磁极之间将会产生一个相关联的运动。安装轨上的机架是用来控制支架的运动,凸轮,电动马达的。进给机构不停地把磁性磨料输送到加工区间中。磁性磨料是通过磁性压力来对工件进行光整加工的。磁性颗粒和研磨颗粒是在粘合剂作用下混合形成一种疏松的混合粉末。对于目前的工作,磁性磨料是由磁性颗粒(铁颗粒300目,51.4m)和研磨颗粒(三氧化二铝600目,25.7m)均匀混合而成的,过程中的黏合剂是servospin-12。磁性颗粒,研磨颗粒和粘结剂的重量比是66.5:28:5。53. 实验实验开始前,先测量工件的表面光洁度和质量。夹具中的工件被固定在车床的两个中心点。磁极和工件的布置如图3a。实验过程中,工作间隙保持不变。每次实验前配置了粘合剂的磨料通过一个漏斗输送到加工区间中。然后接通电磁铁的电源。工件的回转运动是由机床的头架提供的,磁极的振动是由一个专门设计的凸轮机构提供的。光整加工过程持续300秒并通过一个秒表(精确到0.01秒)来监控时间。实验过程中磁极接通电源回转运动9秒,停止运动1秒,以便用新的磁性磨料来替换工作区间使用过的磁性磨料。当光整加工完成后,把工件从夹持机构中取出,洗净工件后,再次测量工件的质量和表面光洁度。表面光洁度使用一种数字的表面光洁度测量工具,精确到0. 1m;工件的质量通过电平衡来测量,精确到0.001g。磁性磨料通过磁场力结合在两个磁极之间,工件也受到磁场力的作用。磁性颗粒和研磨颗粒在磁场力的作用下形成一个灵活的磁刷。磁刷的研磨颗粒可以去除工件表面不规则的凸起来对工件进行光整加工。我们应该清楚,怎样疏松的磁性磨料可以得到较好的光整加工表面。相对于不受限制的磁性磨料,为了使混合后的磁性颗粒和研磨颗粒结合在一起更长的时间,一种粘合剂被添加到磁性研磨颗粒中。当添加了这种粘合剂后,磁性磨料形成一种团聚物。这种团聚物可以帮助磁性磨粒在工作间隙中受到较弱限制时,保持初始的状态,并可以明显的增加磁性磨料的工作时间。只有研磨颗粒直接接触旋转的工件表面进行去除材料加工,这种方法跟磁磨料流加工的方法是一样的。我们可以设想,当一些研磨颗粒变钝后,如果我们还继续用它们加工工件表面,这样工件表面的加工速度将会降低。当研磨颗粒接触到工件表面磨损时,所需的切削力将会增加,并且可能超过团聚物的结合力。这样的结果就是研磨颗粒打滑移动到磁场强度较弱的回转工件的底部。我们也可以设想,由于产生的热量,粘结剂将会挥发并将更加减弱磁性颗粒和研磨颗粒的限制。当这些不受限制的研磨颗粒移动到工件的底部时,将会因为重力等于离心力而掉入托盘中。另外,为了使研磨颗粒在1秒内的替换更加有效,在每隔9秒之后关闭磁极的电源,以使使用过的磨料掉入到托盘中。新的磨料不停地添加到工作区间来增加光整加工的速率。4。结果和讨论我们将研究不同过程参数(工件的回转速度、工作间隙)对工件材料的去除,表面光洁度绝对值的改变和表面光洁度百分比的提高的影响。Ra 是用来表示磁性研磨加工前和加工后工件表面光洁度的改变。这个值是一个十分有用的数值,通过不同的方法来提高表面的光洁度。表面光洁度的提高百分比是Ra100/原始的表面光洁度。为了使磁性研磨加工后和加工前测量工件表面光洁度在相同的位置,在回转工件的表面工件上标记一个6mm宽,50mm长小区域。这个实验的不同参数以及m, Ra以及表面光洁度提高的百分比见表3。4.1 材料去除从图4a可以明显的看出,在大多的磁性研磨加工中,材料的去除在工作间隙为0.5mm时达到最大值;研磨颗粒更加贴近工件表面而不是磁极。随着铁磁颗粒和研磨颗粒不均匀性的增加,研磨颗粒的磁场力将减小。一些研磨颗粒由于旁边只有很少的磁性颗粒而掉入托盘中。相比于较小的工作间隙,新增加的磨料在较大的工作间隙中时能有更显著的效果,但是较大工作间隙时,切削力是减小的。因此两者之间有一个组合来使材料去除达到最佳的效果。图4b是工作间隙和工件每单元材料去除的关系曲线。图4b的曲线与图4a的曲线基本一致。图4一般情况下,工件材料的去除随着回转速度的增加而增加(图5a)。当工作间隙较小时,磁刷比较有力,可以切入较深并且切除较多的工件材料,这种情况随着工件回转速度的增加而进一步加强。分析磁性研磨加工中的切削力,我们会明白为什么大的工作间隙时,材料的去除率会降低。这方面的一些工作正在实验室中进行。工作间隙和材料每单元的去除的关系如图5b。 图54.2 表面光洁度的改变不同回转速度时,工作间隙和表面光洁度的改变的关系如图6。在不同的回转速度时,曲线的趋势也是不同的。我们可以看出,在较高的回转速度时,表面粗糙度的最佳值出现在0.5mm的工作间隙。这是因为在使用疏松的磁性磨料时,内部研磨颗粒和磁性颗粒的运动是不受限制的。铁磁颗粒由于磁场的作用将更趋向移动到磁极而不是移动向工件,这样,没有磁性的研磨颗粒将移向回转工件的表面。在一定的时间后研磨颗粒将会变钝并需要被替换。在较小的工作间隙时,采用相同的回转力频率来替换研磨颗粒,这种方法的效果不好。另一方面,随着工作间隙的增加,虽然更多的新的研磨颗粒可以接触工件表面,但是磁场力还是会减小。因此两者之间的组合可以得到一个最佳的Ra值。当使用更低的回转速度时,使用过的研磨颗粒的替换将会变得低效。这时,工作间隙的磁场力占优势。正因为这个原因,可以减小Ra值。图6从图7可以明显的看出, Ra的值随着工件回转速度的增加而增加。这是因为如此多的颗粒接触工件导致Ra值的增加。图74。3表面光洁度提高百分比从图8中我们可以看出,表面光洁度的提高百分比随着工作间隙的增加而增加,并且在开始减小之前有一个最大值。这种曲线的趋势可以做如下解释。随着磁极和工件间隙的减小,磁性磨料的磁场力增加,研磨颗粒的光整作用也相应增加,这将导致材料去除和表面光洁度提高百分比的增加。另一方面,在低的工作间隙时,只有很少一部分新的磨料取代使用过的磨料,这样,就会导致低的材料去除和表面光洁度提高百分比。这两方面作用共同解释最佳效果值。图8从图9我们可以知道,材料表面光洁度提高百分比刚开始随着工件回转速度的增加而增加,并达到一个最大值,之后尤其在大的工作间隙下,它开始减小。随着工件回转速度的增加,切削速率也随着增加。因此,大量的切口参与加工,将会导致更大的表面光洁度提高。但是当保持相同的频率给磁极着磁,使回转速度增加时,磨损将会加快,并且需要更加频繁的更换磨料。当磨料替换时间固定时,在一定范围内,加工表面光洁度将会随着回转速度的增加而减小。图95.结论在当前的工作中,磁性研磨装置已经被设计和安装。装置的性能也已经被研究。磁性研磨加工过程中使用疏松的磨料已经实现。从实验结果和讨论中我们可以知道,工作间隙和工件的回转速度是影响材料去除,表面光洁度的改变和表面光洁度提高百分比的重要的参数。感谢作者感谢B。Tech。 student of H。B。T。I。 Kanpur的Mr。 Sachin Jain在装置安装和实验过程中的帮助;作者感谢Department of MechanicalEngineering, I.I.T. Kanpur的 Mrs. Rashmi Khare 在实验过程中的帮助。参考书目 1 T. Shinmura, K. Takazawa, E. Hatano, Ann. CIRP 39 (1990) 325328.2 T. Shinmura, M. Fox, Ann. CIRP 43 (1994) 181184.3 G.Z. Kremen, E.A. Elsayed, J.L. Ribeiro, Int. J. Prod. Res. 32 (1994)18252817.4 G.Z. Kremen, E. A, V.I. Rafalorich, Int. J. Prod. Eng. 34 (1996)26292638.5 J. Kim, M. Choi, J. Mat. Process. Technol. 53 (1995) 630642.6 J. Kim, Y.