磁研磨法在自由曲面模具型腔拋光中的應(yīng)用

1、磁研磨法在自由曲面模具型腔拋光中的應(yīng)用來(lái) 原：模具制造鞍山科技大學(xué)機(jī)械制造與自動(dòng)化學(xué)院(遼寧鞍山， 114044) 陳燕摘要 用電火花加工或用三維自動(dòng)機(jī)床加工出來(lái)的復(fù)雜自由曲面，在去毛刺、拋光等處理過(guò)程中，目前很多企業(yè)還停留在費(fèi)工、費(fèi)時(shí)的手工操作階段，不僅加工效率不高，自動(dòng)化程度低，有些甚至無(wú)法加工。磁研磨加工法無(wú)疑可以彌補(bǔ)其不足起到改善工作條件，推動(dòng)自動(dòng)化進(jìn)程的作用，加工過(guò)去傳統(tǒng)工藝所無(wú)法加上的復(fù)雜形狀內(nèi)表面(如復(fù)雜型腔、微型內(nèi)螺紋表面、彎管內(nèi)表面等)工件。本文就利用磁研磨法對(duì)復(fù)雜自由曲面型腔拋光的工作原理以及加工條件等做一介紹。關(guān)鍵詞 磁研磨 型腔 拋先 磁力線(xiàn) 磁場(chǎng)強(qiáng)度1 磁研磨法的加工

2、原理 作為模具型腔加工最后一道工序的光整加工，其所得到的表面粗糙度值，將直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。由于很多模具型腔表面形狀復(fù)雜，一般工具難于介入，用傳統(tǒng)工藝很難得到理想的表面粗糙度值。目前還沒(méi)有一套比較成熟的自動(dòng)化加工方法和工藝來(lái)解決這一難題。磁研唐加工法其具有很好的柔性、自適應(yīng)性、可控性等優(yōu)點(diǎn)，可以在復(fù)雜形狀工件表面得到較低的粗糙度值，因而近幾年得到國(guó)際上廣泛的關(guān)注。 所謂磁研磨法，就是通過(guò)磁場(chǎng)中磁力的作用，將磁性研磨粒子(能被磁鐵吸引，并能研磨工件的粉末)吸壓在工件表面，工件表面與磁極之間可以有數(shù)毫米間隙，磁性研磨粒子在加工間隙中沿磁力線(xiàn)整齊排列，形成磁性刷，并由于磁力的作用壓附在工件表面。

3、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或旋轉(zhuǎn)工件使磁性刷與工件表面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)工件表面的研磨加工。 磁研磨加工法的特點(diǎn)是：加工間隙中的研磨粒子組成磁性刷，隨著工件形狀的變化而變化，在下件表面仿形壓附、翻滾、分離，不受表面形狀的限制，有很好的加工柔性，可以對(duì)任意形狀的表面進(jìn)行拋光處理。另一個(gè)特點(diǎn)就是：由于磁力線(xiàn)象x射線(xiàn)一樣能夠穿過(guò)物體，所以，磁性研磨粒子可以進(jìn)入普通刀具無(wú)法介入的任意形狀的內(nèi)部表面，如模具型腔、彎管內(nèi)部、小瓶頸容器等。通過(guò)變化外部的磁鐵改變磁力線(xiàn)的方向即可控制磁性研磨粒子按照規(guī)定的軌跡研磨內(nèi)表面，完成過(guò)去所無(wú)法加工的領(lǐng)域。2 加工裝置的組成 磁研磨加工裝置基本上是由能使磁鐵和磁性研磨粒子轉(zhuǎn)動(dòng)并給予

4、一定圓周速度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。它可以在普通機(jī)床上稍加改裝即可容易實(shí)現(xiàn)。圖1是在三坐標(biāo)數(shù)控銑床上，利用磁研磨原理對(duì)復(fù)雜形狀型腔表面拋光加工的示意圖。先用該銑床粗加工出三維曲面，然后再用該銑床直接進(jìn)行磁力研磨精密拋光處理，這樣就可以利用加工時(shí)的NC數(shù)據(jù)進(jìn)行磁研磨加工，從而在精密拋光的同時(shí)，保證了工件的形狀精度。 裝臂中，線(xiàn)圈中的磁極與機(jī)床的旋轉(zhuǎn)中心同心磁極底部與工件之間留有數(shù)毫米(1-3mm)的間隙，在間隙中填充磁性磨料。由于磁力的作用，磨料被磁化，磨料沿著磁力線(xiàn)的方向象珠子一樣排列，形成具有一定剛度的磁力刷，并對(duì)工件表面產(chǎn)生一定的壓力，仿照工件表面形狀貼附在工件的表面，并伴隨磁極在工件表面移動(dòng)，對(duì)

5、表面進(jìn)行研磨拋光加工。 由于有數(shù)毫米的間隙，即使工件表面上有許多凸凹面，磁性磨粒也能隨其形狀的變化而變化，確保得到精密研磨。因此，即使工件的表面是復(fù)雜的自由表面，只要通過(guò)控制機(jī)床本身一定程度的運(yùn)動(dòng)軌跡，即可使復(fù)雜的自由表面得以精密研磨拋光，使得原來(lái)用普通的砂輪磨削所無(wú)法加工的表面，得到很好的精密加工處理，如圖2所示。3 影響研磨特性的因素分析影響到磁研磨的加工效率和質(zhì)量的因素很多，磁力的大小是影響到研磨效率的最主要的因素之一。 圖3所示，磁性磨粒中的一個(gè)粒子A，其受到兩個(gè)力的作用，一個(gè)是等磁位線(xiàn)上的力Fx；一個(gè)是磁力線(xiàn)上的力Fy；其合力是磁力Fo由于磁力F的作用，將磁性研磨粒子向磁場(chǎng)內(nèi)集中，防

6、止了由于磁極在旋轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生離心力的作用而使粒子向外擴(kuò)散，同時(shí)，對(duì)工件表面施加壓力。 公式I可知，分布在磁場(chǎng)中的研磨粒子所受到的磁力F，主要由磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化率、磁性磨粒的直徑以及磁性磨粒的磁化率大小所決定，下面逐一進(jìn)行分析。(1)工作間隙的影響。 由實(shí)驗(yàn)可知(試件是鋼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小與工作間隙有關(guān)，即與磁極NS間的距離成反比。 當(dāng)工件是磁性材料時(shí)，在磁場(chǎng)中工件被磁化，成為新的磁極，工件與磁極間的間隙就是工作間隙，此時(shí)的間隙通常很小，在1-3mm，左右，所以，可以得到較大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，研磨效率較高。由此可見(jiàn)，工作間隙越小，研磨力越大，研磨效率也越高。對(duì)于復(fù)雜形狀的模具，可

7、以考慮改變磁極的形狀，盡可能地位使與零件表面形狀相匹配，最大限度地減少工作間隙并保持一致性，從而提高研唐效率和加上質(zhì)量。 當(dāng)工件是非磁性材料時(shí)，工件不能被磁化。為得到較大的磁力，工作臺(tái)采用強(qiáng)磁性材料制成，成為另一個(gè)磁極；磁力線(xiàn)象X射線(xiàn)一樣穿過(guò)工件，此時(shí)的工作間隙是磁極與工作臺(tái)之間的距離，通常比磁性材料工件時(shí)的要大(特別是在工件較厚時(shí))。所以磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，研磨效率山不高。因此，在加工非磁性材料工件時(shí)，提高工作效率的主要方法是提高粒子的磁化率和粒的直徑。通常，在磁性研磨粒子的制備工藝中粒子的母體多采用鐵粒子，而外層常采用粘接、燒結(jié)等方法包裹著比鐵粒子直徑小的硬質(zhì)合金磨料。這樣，磁化率是一定的，所以

8、只有通過(guò)增大鐵粒子的直徑D來(lái)提高磁力F。(2)磁性磨粒直徑的影響。 由上式可知，磁力與磁性磨粒直徑的3次方成正比。這表明，增大粒徑，磁吸引力將急劇增加，粒子間的相對(duì)滑動(dòng)就會(huì)減少，由磁性磨粒所構(gòu)成的磁力刷會(huì)更好的追隨碰極轉(zhuǎn)動(dòng)，粒子間的相對(duì)滑動(dòng)也減少。但是，加工域的空間是有限的；另外，隨著粒徑的增大，參與切削的切削刃的數(shù)量也減少，使得研磨效率反而降低；也就是說(shuō)，粒徑有一個(gè)最佳值。(3)磁山線(xiàn)方向和磁極形狀的影響。 對(duì)于非磁性材料工件，也可以通過(guò)改變磁極的排列狀態(tài)來(lái)改變磁力線(xiàn)的方向，從而達(dá)到提高研磨工作效率的目的。如圖5所示足一個(gè)陶瓷彎管內(nèi)表面的加工示意圖。為了提高工作效率，對(duì)工件和磁鐵的運(yùn)動(dòng)方式以

9、及磁性磨料都作了改進(jìn)。圖5b可以看到，磁力線(xiàn)穿過(guò)工件，形成封閉的磁力回路。 另一方面，磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率也不容忽視，可以通過(guò)改變磁極的形狀來(lái)獲得。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗粌H影響到磁場(chǎng)的分布，還影響磁力線(xiàn)的方向，影響磁粒在磁場(chǎng)中的受力狀態(tài)。通常采用在磁極上開(kāi)槽的方式來(lái)獲取磁場(chǎng)強(qiáng)度變化率。因?yàn)殚_(kāi)槽后的磁極，各處的工作間隙不同，所得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不同，產(chǎn)生了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化。磁性粒子總是向磁力大的地方流動(dòng)，這樣就促進(jìn)了碰性磨粒的流動(dòng)性，從而大幅度提高加工效率。4 結(jié)束語(yǔ) (1)復(fù)雜自由曲面的去毛刺、拋光處理，目前很多企業(yè)還停留在加工效率低、費(fèi)廠(chǎng)、費(fèi)時(shí)的于工加工階段，自動(dòng)化程度還很低。礅研磨加工法無(wú)疑可以起到改善工作條件，推動(dòng)自動(dòng)化進(jìn)程的作用。 (2)對(duì)于磨具型腔、微