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使用 磁性 粉末 去除 精密 部件 毛刺 加工 方法 法子

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【中文 4170 字】使用磁性粉末去除精密部件上毛刺的加工方法S.L. Ko a, Yu M. Baron b, J.I. Park a摘要使用改进后的电磁感应器去除微小毛刺，分析加工中的更多细节特征。根据实验来检验不同条件对去毛刺的影响：粉末的体积，间隙的宽度，感应器的转动频率和进给速度。找出去毛刺最佳的工作条件来满足生产率和精确度的要求。除了对去毛刺效率的研究之外，还要研究加工对表面粗糙度的影响。为了改善表面粗糙度和去除杂质，需要研究冷却液供给方法和粉末的配料。连续流动的冷却液和未经研磨的铁粉对于去除毛刺和改善表面质量是非常有效的。关键词：磁性研磨粉末加工法（MAF） ；微小毛刺；电磁感应器；去毛刺1.导言从表面和边缘的质量能评估出精密部件的质量。边缘的几何形状由去毛刺加工和圆周加工决定,这对于零件的好坏有巨大作用。工件表面质量取决于表面粗糙度和表面受应力的情况。作为精加工方法的一种，磁性粉末法(MAF)已经用了很长时间了。MAF 的原理是：磁铁的具有的磁化的性质以及能够研磨加工的性质，它是由二氧化三铁和碳化硅组成的。随着磁性感应器所形成的磁场的运动，那些磁粉将被排列成像刷子一样，这些磁性刷子的浓度和硬度可以被电流供应所控制。最初应用 MAF 技术去除毛刺是尝试去除钻孔后在平面上形成的毛刺。为了能够进行更有效的去除毛刺的分析研究，我们制造了一个去除钻孔形成的毛刺的感应器。用一个精密的部件作为这项研究的样本，它的毛刺的平均厚度有5-10 微米。进行加工后，表面的毛刺厚度变成了 0.3-0.4 微米。在实验前期的准备工作中，我们设计并且制造了去除毛刺的电磁感应器，在不用的条件下进行感应器的性能评估。之前一些合适的粉末通过某种评测方法从各种性质的粉末中被挑选出来。从稍稍改进的实验方法中能够得出特征方程式，它能够预先推算出生产力和粉末工具的寿命。在这个研究里，得出合适的工作条件将被推荐为精密部件去除毛刺。粉末的体积，感应器的转动频率，间隙的宽度和工作台的进给速度是根据这些实验得出的需要进行详细研究的主要条件。实验结果是为提高生产效率和最优化生产环境。使用震动台工作能改善去毛刺的性能，在实验之前已经被验证了，如图一所示。去除毛刺的效果以及表面粗糙度能够通过使用震动工作台来改进。在需要去除微小的毛刺的情况下，去除毛刺过程中如何改进表面粗糙度成了首要任务之一。影响粗糙度大部分因素是粉末的组成和冷却液的提供方法。未经研磨的铁粉在防止表面粘附力被证实更有效果，这些粘附力能直接影响表面的粗糙程度。并且连续不断的冷却液供应也能改善表面的粗糙度。而这个流速的影响也需要进行研究。2.实验设备电磁感应器 EMI-2 为了去除精密部件上的毛刺被特别设计并且制造出来的，它是由铁磁体和无磁性材料做成的。感应器的外观和实验的方案都在图片一上显示。这里涉及到三种运动方式：感应器的转动，样品（工件）的进给，样品从正常方向到进给方向的顶盘的震动。样品在填满电磁粉末的加工间隙里运动，这些粉末淹过了样本，同时进行修整和两边去除毛刺的加工。图二中是加工间隙高度较小，电感强度 B 较大和切削力。这些数据从没有填粉末的加工间隙推算出。当间隙里面填满磁性粉末时，磁感强度增加了 10%。在加工过程中，通过加工间隙和工件与磁性研磨粉末之间持续不断的接触，磁感应器 EMI-2 的表面加工工序和磁粉具有相同的特性。EMI-2 对不同加工间隙的磁化曲线在图二中显示。震动台被用来辅助砂轮切割和改善工件表面质量。它要求 MAF 额外的震动运动来保证粉末的自我锐化，来取得更高的生产力和更好的工件表面质量。这个震动工作台产生了顶盘在进给运动的方向上的纵向的和横向的震动。这个顶盘是可以替换的，它由铁磁体和无磁性的材料做成。3感应器 EMI-2 的描述电磁感应器 EMI-2 和 EMI-1 之间最大的区别就是：在加工过程中，样本与磁性粉末持续不断地相接触。样本的两面同时进行加工。但是感应器仅仅检测到能够放到内部间隙的较小的一部分。一部分的铁镍合金的电枪作为样本通过感应器 EMI-2 来确定 MAF 去除微小毛刺的工作环境(图 3a)。上面有三个直径 0.1mm 的通孔。为了提高孔的边缘的质量和表面的质量有必要进行微小的毛刺的去除。最初的毛刺的几何形状和边缘横截面如图 3b 和 c。实验按照图 1b 的计划执行完成。工件被固定在铝制的顶盘上。特定的加工余量被定义为每个单位区域内的体积。这些区域是被用来做去毛刺环境的比较。MAF 加工环境：加工间隙宽度 4mm；磁感强度 0.48T；线圈电流 I=1-1.5A；感应器转动频率 n=95-280min-1；进给速度 f=127mm/min；振动台的震动频率 nosc = 500 min1；震动的幅度 Aosc = 2.5 mm；MAF 的周期与工作台进给的节奏相一致 N= 1, 2, 4, 8（它相对应的时间是 0.3，0.9，1.9，3.8 分钟）；磁性研磨粉末铁粉；粉末的体积 Vp = 1127 cm3；需要研究的参数：V p, n, f, nosc。磁力使铁粉充满了加工间隙，对于生产力和MAF运转的消耗，知道粉末的总数是非常重要的。感应器EMI-2上加工间隙（间隙厚度 = 4 mm）的体积等于19cm3，这个体积能计算出100%的粉末在一次加工动作中的体积。其他条件：n = 95 rpm；f = 127 mm/min； I = 1.0A (B = 0.45 T)； N= 2；冷却液（切削液）流动率0.96l/mm。实验结果在图4a中显示。粉末的数量的增加能伴随着更大的磁力，而能使生产力得到提高。但不是很明显，因为这里有一些空余的间隙，多余的粉末有可能进入主轴附近的这些间隙里。感应器EMI-2的设计能允许根据工件大小的改变间隙厚度2-10mm。检测影响工作间隙的范围当Vp = 130% Vg = 410mm。其他的条件和前一次实验相同。增加加工间隙使间隙里的电感强度减小，生产力降低。实验中线圈电流是一个常数。从图4b能够看出电感强度随着加工间隙的增大而减小。在这个实验中，当粉末的体积等于100% V，加工间隙=4mm时，影响感应器转动频率的因素如图4c。粉末与工件表面的接触时间根据转动频率n能适当增加，生产力也能提高。但是当频率大于180rpm时，生产力增长比例开始下降，如图4c。这应该是由于离心力和角速度的增加，大部分的粉末脱离了加工间隙。进给速度的最优化的实验在以下条件进行：n = 95 rpm； f = 127507 mm/min；nosc = 500 min1；Aosc = 2.5 mm； = 4 mm； B = 0.48 T； MAF周期冷却液冲击工件的发出前后的两个声音（根据进给情况，在4-15s 之间）。结果在图4d里面显示。进给速度的范围在127-342mm/min 时候的影响不是很大。但是要得到最佳的表面粗糙度时，我们取f=342mm/min。化学活化剂和表面冷却液的作用对于MAF的加工很重要。工件材料内部产生感应电流，尤其是在MAF 的外层表面内部。工件表面的电荷会促进产生一些化学变化。在MAF去毛刺的研究中，这个情况也被证实。冷却液的作用的研究在这些实验中持续着。n = 95 rpm；V p = 100% Vg； = 4 mm，进行这些实验。其他条件和前面实验相同。当冷却液周期性的注射到加工间隙中时，去除余量增加，而且在冷却液持续流动的情况下增加的更多，如图5a。冷却液的流动能够保证在加工间隙中的工件表面的各个部分都能得到冷却，而提高生产力。但是过多的冷却液也会降低生产力，因为强大的冷却液的水流会冲刷掉加工间隙里面的粉末（图5b）。对于良好的表面粗糙度冷却液的出现显得很重要。MAF工作中，表面粗糙度Ra取决于提供冷却液的方法，在图 5c中。MAF 加工时，不使用流动的冷却液，而周期性注入来进行冷却，使表面粗糙度变得更糟。在图5c，没有用冷却液的时候得到了最差的粗糙度。在工件表面粘附的粉末的组成的原因也许能解释为由MAF工作时产生的热量决定的。没有冷却液的加工比周期性注射冷却液的加工暴露了更多剧烈的表面破坏（图5c）。粘附力随着工件表面的电荷而产生。通过周期性注射冷却液能降低粘附力，但是不能完全去除他。通过连续不停的冷却液流动来进行冷却能预防粘附力还能改善粗糙度。所以合适的去处毛刺条件，从实验中能够总结出：感应器EMI-2转动频率 n = 180 rpm； f = 342 mm/min；nosc = 500 min1； Aosc = 2.5 mm;； = 4 mm； Vp = 1.3Vg；冷却方法用流速为 1l/min的连续不断的冷却液冷却。未经研磨的铁粉小微粒在这里可以作为磁粉使用。在决定了条件的MAF去毛刺实验中，高度1.5-2.5微米的毛刺能在15秒内去除。4MAF加工后的边缘和表面质量的分析被钻孔后的样本的孔边缘有几个缺点：毛刺，刮痕，粗糙的表面粗糙度（图6）。磁性研磨加工法能去除所有这些缺点。去除这些缺点花的时间比去除毛刺的更长。例如在一次进给的作用后毛刺能全部去除，而周围的边缘则需要2次或更多次才能完成。在第一次，第二次，第三次和第四次作用后的孔的周围边缘情况在图7a-c中。我们能够看到，控制边缘的范围大小是有可能的：MAF的周期越长，范围就越大。MAF加工前后的边缘的质量如图8。铁粉被用来去除毛刺和周围的棱角。在MAF去毛刺以及周围的棱角之后，最上面的表面被磨光了。MAF的对表面粗糙度的条件的影响因素已经在上面描述了。MAF加工具有自己的特点：工件表面在加工过程中会产生电荷，并且他促进了工件表面的粉末的结合。我们在上面说了，表面活性冷却液能阻碍粘附力。这个实验在这些条件下完成：n = 180 rpm；f = 127 mm/min；nosc = 500 min1；Aosc = 2.5 mm； B = 048 T；MAF周期为2个敲击声。冷却液(切削液)周期性的注入间隙中。使用了两种粉末：亚甲基铁（50% ）和三氧化二铝（50%）的混合粉末；铁粉。当使用混合粉末进行加工的时候，在样本表面的最上层有砂轮切割的痕迹（图9a）。使用铁粉的时候就没有出现这些痕迹。他们应该是由坚硬的微粒造成的混合粉末中的二氧化三铝，是它破坏了表面粗糙度。然而这两种方法去除的余量几乎差不多。我们发现在用酒精清洗后仍然有一些颗粒依附在加工件表面，而表面的化学成分已经被改变了。这些依附的微粒在图10中显示。工件表面的化学成分在MAF加工过后被改变了。碳元素和铒元素消失了，硅的含量减少或者消失了。MAF加工使混合粉末中的二氧化三铝生成了少量的铝。这就是推荐铁粉为较软的材料的精密部件去毛刺的原因。这些吸附的微粒由工件的材料冷却液的化学变化组成的。在MAF加工后有必要用超声波清洗来保持工件表面的化学合成物。据另外一个实验显示，在槽中用蒸馏水进行超声波清洗能够保证彻底清除冷却液形成的薄膜和上面的颗粒。5结