復(fù)雜曲面磁力研磨加工方法研究*

張 琳,趙吉賓,李 論

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所 沈陽 110016； 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

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復(fù)雜曲面磁力研磨加工方法研究*

張 琳1,2,趙吉賓1,李 論1

(1. 中國科學(xué)院 沈陽自動(dòng)化研究所 沈陽 110016； 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

復(fù)雜曲面的光整加工長期以來都是國內(nèi)外制造領(lǐng)域中的難題，磁力研磨法由于其柔性、自適應(yīng)性等特點(diǎn)，極其適用于復(fù)雜曲面的光整加工。分析了磁力研磨加工的原理和特點(diǎn)。開發(fā)了針對復(fù)雜曲面的磁力研磨加工工具，具有加工效率高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低和安裝方便等優(yōu)點(diǎn),并具有磨料的自動(dòng)更新等功能。以P20模具鋼為研究對象，采用磁力研磨加工方法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討了加工間隙、磁極轉(zhuǎn)速、加工時(shí)間等各個(gè)參數(shù)對加工效果的影響及其作用原理。

磁力研磨；復(fù)雜曲面；表面粗糙度

0 引言

隨著 CAD/CAM 技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)雜形狀零件的加工方法逐漸倍受國內(nèi)外的關(guān)注，尤其在航空航天、船舶、汽車和國防等領(lǐng)域中，許多核心零件都具有復(fù)雜的曲面。由于復(fù)雜曲面不能由初等解析曲面組成，因此復(fù)雜形狀零件的復(fù)雜曲面的高效和高質(zhì)量加工一直是國內(nèi)外制造領(lǐng)域中的難題[1]。手工研磨拋光是最常用的光整加工方法，但該方法的勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品的質(zhì)量沒有保障。另外，由于模具型腔形狀復(fù)雜，很多研磨拋光方法都有一定局限性，難以廣泛地推廣使用?，F(xiàn)有的復(fù)雜曲面光整加工方法存在著諸多弊端，因此，需要一種更加適用于復(fù)雜曲面的光整加工方法。磁力研磨加工是把磁場應(yīng)用于傳統(tǒng)的研磨技術(shù)中開發(fā)出的一種新的有效的光整加工方法之一。這種加工方法由于其柔性和自適應(yīng)性，適合于平面、球面、圓柱面和其它復(fù)雜形狀零件的加工，利于實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化。因此，磁性研磨加工技術(shù)越來越得到重視[2]。

磁力研磨加工技術(shù)，最早是由前蘇聯(lián)工程師Kargolow于1938年提出，泛指利用輔助磁場的作用，進(jìn)行精密研磨的一種工藝方法。之后，前蘇聯(lián)、保加利亞、日本等國家對其進(jìn)行了深入的研究。迄今為止，國外磁力研磨技術(shù)已成功地應(yīng)用在多個(gè)方面．如不銹鋼管和凈氣瓶的內(nèi)壁研磨，研磨修整超硬磨料砂輪，研磨塑料透鏡，細(xì)長軸類陶瓷加工，縫紉機(jī)零件等的去毛刺與拋光加工，提高刃口的使用性能等[3]。

國內(nèi)對于磁力研磨的研究工作是近二十年來才開始進(jìn)行的，經(jīng)過這些年的研究，取得了一些有價(jià)值的研究成果，例如上海交通大學(xué)進(jìn)行了物流管道內(nèi)表面磁力研磨的回轉(zhuǎn)磁場的設(shè)計(jì)[4]；太原理工大學(xué)研制了粘結(jié)法和熱壓燒結(jié)法制備磁性磨料的工藝，并深入研究了磁力研磨的磨削機(jī)理[5]；西安工業(yè)學(xué)院進(jìn)行了磁力研磨加工的數(shù)值仿真，以及磁屏蔽對內(nèi)圓磁力研磨加工影響的研究[6-7]；山東理工大學(xué)自行研制了三坐標(biāo)數(shù)字化加工控制磁力研磨機(jī)床[8]。由于國內(nèi)起步比較晚，在理論和實(shí)驗(yàn)等方面還和國外有不小的差距，目前還主要處在實(shí)驗(yàn)研究的階段，實(shí)際應(yīng)用的不多，而且深度與國外相比還不夠[8]。因此，本文提出一種復(fù)雜曲面磁力研磨加工方法，其加工工具具有磁性磨料的自動(dòng)更新等功能。

1 磁力拋光加工機(jī)理分析

磁性研磨加工與傳統(tǒng)的機(jī)械研磨方法不同之處在于，它是一種柔性加工方式，和加工表面是非接觸式加工。利用磁性磨料良好的柔性，使其隨著工件形狀的變化而變化，來適應(yīng)各種不同的表面。不僅可以加工外圓、球面、平面等各種表面，而且還可以對傳統(tǒng)研磨工具無法伸入的內(nèi)圓、內(nèi)壁等曲面進(jìn)行加工。磁力研磨良好的柔性和自適應(yīng)性，為其與機(jī)器人結(jié)合起來進(jìn)行復(fù)雜曲面(如空間自由曲面)的光整加工創(chuàng)造了條件[9]。

磁性研磨(Magnetic Abrasive Finishing MAF)，也稱為磁力研磨，是在強(qiáng)磁場作用下，填充在工具磁極與加工表面之間磁場中的磁性磨料沿著磁力線的方向排列起來，吸附在磁極上形成“磨料刷”，并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力，磁極在帶動(dòng)“磨料刷”旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，保持一定間隙沿工件表面移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對工件表面的光整加工，如圖1所示。

圖1 磁力研磨加工原理

在研磨過程中，磨粒A是在加工區(qū)中靠近工件表面的一顆磁性磨粒。在磁場作用下，磁性磨粒受到沿磁力線方向的作用力為Fx，沿等磁位線方向的作用力為Fy，其合力為F，使得加工區(qū)域附近的磁性粒子向加工區(qū)內(nèi)集中。磁場作用力可表示為

(1)

(2)

式中μ0——真空磁導(dǎo)率；

χ——磁性磨粒的磁化率；

V——磁性磨粒的體積；

H——A點(diǎn)的磁場強(qiáng)度；

由式(1)和(2)可以看出，磁性磨粒受到的磁力大小正比于真空磁導(dǎo)率、磁性磨粒的體積、磁化率、磁場的強(qiáng)度和磁場梯度。當(dāng)磨粒脫離加工區(qū)域時(shí)，F(xiàn)x與Fy的合力F則把磨料拉向加工區(qū)域，使磨粒不會(huì)脫離加工區(qū)域。

2 復(fù)雜曲面磁力研磨加工工具

到目前為止，磁力研磨雖然在國外許多領(lǐng)域都已有成熟的應(yīng)用，但在我國，真正在生產(chǎn)中的應(yīng)用還很少，多數(shù)是處于實(shí)驗(yàn)研制階段，在車床或銑床上通過增加一些輔助的工裝來完成的，使其在加工上受一定的影響。

為了便于推廣應(yīng)用，開發(fā)了一種復(fù)雜曲面磁力研磨工具，如圖2所示，具有主架，固定于主架上的電機(jī)通過錐齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)中空的主軸旋轉(zhuǎn)。主軸安裝在定位套內(nèi)。磁極套與主軸下端固定，其內(nèi)裝有帶有中孔、底端開槽的磁極。外置泵將磨料和研磨液混合物經(jīng)過輸送管道、旋轉(zhuǎn)接頭、主軸、隔磁套，最終送至磁極的十字形槽處，使磁極上的磨料強(qiáng)制更新。法蘭盤與主架連接，并可以通過法蘭盤安裝在多自由度機(jī)器人的末端。

圖2 磁力拋光工具

(1.法蘭；2.旋轉(zhuǎn)接頭；3.輸送管道；4.電機(jī)；5.主動(dòng)錐齒輪；6.從動(dòng)錐齒輪；7.主架；8.連接螺栓；9.磁極套；10.磁極；11.隔磁套；12.連接螺栓；13.定位套；14.連接螺栓；15.支撐側(cè)板；16.主軸；17.法蘭定位螺栓；)

該拋光工具中，磁極直接由強(qiáng)磁性材料加工而成，且底端開有十字形槽，可以將磁場梯度化，同時(shí)也優(yōu)化了磁場分布，有利于提高復(fù)雜曲面磁研磨效率；電機(jī)直接(或通過傳動(dòng)軟軸)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)錐齒輪、從動(dòng)錐齒輪和主軸，帶動(dòng)磁極旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)磁力研磨加工；輸送管道、旋轉(zhuǎn)接頭、主軸中孔和隔磁套共同組成了完整的磨料更新通道，可以利用外置泵將磨料與研磨液的混合物送至磁極的十字形槽處，使磁極上的磨料實(shí)時(shí)強(qiáng)制更新；法蘭盤安裝在多自由度機(jī)器人的末端。法蘭盤也可以改為通用刀柄型，便于將整個(gè)裝置安裝在機(jī)床上。

本工具的特點(diǎn)為：具有加工效率高、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)；具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與多種加工設(shè)備或裝置連接方便，通用性好且無需其他外置動(dòng)力；該裝置與數(shù)控機(jī)床或多自由度機(jī)器人配合使用具有較高的加工精度，可以廣泛應(yīng)用于大面積、復(fù)雜自由曲面表面的研磨加工。

3 影響磁力研磨加工效果各因素的實(shí)驗(yàn)研究

利用上述磁力研磨裝置，加裝在機(jī)器人末端，進(jìn)行磁力研磨實(shí)驗(yàn)，采用便攜式粗糙度儀MarSurf PS1測量加工表面粗糙度，圖3為磁力研磨實(shí)驗(yàn)裝置，圖4為磁力拋光加工實(shí)驗(yàn)部分圖片，各實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示：

圖3 磁力研磨實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 磁力拋光加工實(shí)驗(yàn)部分

工件P20模具鋼工具磁極直徑?24mm磁極材料釹鐵硼磁極轉(zhuǎn)速400～1200r/min磁性磨料Fe+Al2O3燒結(jié)法制備，60目加工間隙1～3mm

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理后，各參數(shù)對加工結(jié)果影響分析如下：

3.1 加工間隙

加工間隙是指磁極表面和工作表面之間的間隙。保持其他參數(shù)不變，得到的不同加工間隙下工件表面粗糙度值如圖5所示。從圖中可以看出，加工間隙為2mm時(shí)，可以獲得較好的加工效果，過大或者過小的加工間隙都會(huì)使表面粗糙度值增大。加工間隙過小，形成的磁串較短，“磁力刷”的柔性降低，對表面的劃傷嚴(yán)重，導(dǎo)致Ra值增大。當(dāng)加工間隙過大時(shí)，磁阻變大，磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，且有限的磨料排列得較為疏松，研磨壓力減小，研磨效率降低。

圖5 加工間隙對工件表面粗糙度的影響

3.2 磁極轉(zhuǎn)速

如圖6所示，在正常的加工條件下，磁極轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)工件和磁極相對位移量越大，材料去除量增大，表面粗糙度值下降的越快。但當(dāng)磁極轉(zhuǎn)速增大到一定值后，磁性磨料會(huì)受離心力的作用掙脫磁場的束縛，沿著工件回轉(zhuǎn)的切線方向飛出，使加工的穩(wěn)定性受阻，嚴(yán)重時(shí)，工作間隙里的磨料全部飛出而失去研磨能力[10]。因此磁極轉(zhuǎn)速不能過高，一般在900～1100r/min比較合適。

圖6 磁極轉(zhuǎn)速對工件表面粗糙度的影響

3.3 加工時(shí)間

在其他參數(shù)不變的情況下，只改變加工時(shí)間，得到工件表面粗糙度隨時(shí)間的變化如圖7所示。從圖中可以看出，在加工初期，粗糙度值Ra下降較快，在達(dá)到一個(gè)較低的Ra值之后，表面粗糙度值反而有增加的趨勢。這是因?yàn)樵诩庸こ跗?，磁性磨料在粗糙表面的凸起處形成尖端效?yīng)，磨削力較強(qiáng)，使粗糙度迅速降低，但隨著加工的進(jìn)行，尖端效應(yīng)變?nèi)?，加工效率下降，磨料刷切削刃減少，剛性增加，不斷在工件表面留下較深的刻痕，因此在6min之后Ra值反而增大。

圖7 加工時(shí)間對工件表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

(1)大多數(shù)模具曲面是復(fù)雜曲面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化拋光加工很困難。本文提出了針對模具復(fù)雜曲面的磁力研磨加工裝置，能實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的磁力拋光加工，便于在實(shí)際中推廣應(yīng)用。

(2)實(shí)驗(yàn)并分析了加工間隙，磁極轉(zhuǎn)速，加工時(shí)間對磁力研磨加工效果的影響，并得出了一些重要的加工參數(shù)，在其它條件不變的情況下，加工間隙值為2mm，磁極轉(zhuǎn)速為1000r/min，加工時(shí)間為6min時(shí)，表面粗糙度值下降最快，這些參數(shù)為其在工業(yè)上的推廣應(yīng)用提供了依據(jù)。

[1] 閆家贇. 復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工中干涉問題的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2006.

[2]趙玉剛.磁粒光整加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2006(2)：9-13.

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[4]王艷，胡德金.不銹鋼物流管道內(nèi)表面磁力研磨的回轉(zhuǎn)磁場設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005,41(2)：102-106.

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[10]馬東雄，丁金福，李曉東. 磁研法在模具曲面中的拋光機(jī)理與技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(3)：242-244.

(編輯 李秀敏)

Magnetic Abrasive Finishing Method Research of Complex Curved Surface

ZHANG Lin1, 2，ZHAO Ji-bin1,LI Lun1

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016,China;2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049,China)

Complex curved surface finishing has been a problem in manufacturing for a long time at home and abroad. Magnetic abrasive finishing is extremely suitable for complex curved surface finishing because of its features of flexible、self - adaptability and so on. The working principle and characteristic of magnetic abrasive finishing were analysed. A magnetic abrasive finishing device was developed for complex curved surface, which has the advantages of high finishing efficiency, simple structure, low manufacturing cost and easy installation and has the function of abrasive automatic update. Experimental with P20 mould steel was carried out to research the effect of various factors such as working gap、magnetic pole speed、finishing time on working result and the working principle.

magnetic abrasive finishing;complex curved surface;surface roughness

1001-2265(2014)01-0129-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.036

2013-05-14;

2013-05-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175495)

張琳(1987—)，女，河北邯鄲人，中國科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榇帕ρ心ゼ庸ぜ夹g(shù)，(E-mail)zhanglinsia@163.com；通訊作者：趙吉賓(1970—),男，濟(jì)南人，中國科學(xué)院博士，研究員，研究方向?yàn)榭焖俪尚渭夹g(shù)和復(fù)雜曲面零件的加工及視覺檢測技術(shù)，(E-mail) jbzhao@sia.cn。

TG74+9; TG580.68

A