（机械制造及其自动化专业论文）磁力研磨加工实验研究.pdf

大连理工大学学位论文 摘要 在医疗、生物化学、航空航天、食品加工等行业经常会使用细长的管道来输送高纯 度的气体或液体，这些行业要求管道表面非常光滑。但是，由于这类管道比较细长，常 规的加工方法不易对其进行有效的加工。另外，一些首饰、轴承滚珠和微小的电子零件 对表面质量也有比较高的要求，但是因为体积和表面积较小，难以夹持，也不便使用常 规的方法对其表面进行加工。所以需要研发新的加工方法来解决这些问题。 磁力研磨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，从而移除工件表面材料而达到所要求表面质量的抛光方法。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严重的损伤；而且磁力研磨加工对 设备精度要求不高，几乎不受设备振动的影响。由于磁力研磨加工具有这些特点，使其 可以对细长管道和微小零件进行研磨加工。国内外学者对磁力研磨加工进行了大量的研 究，但是在磁力研磨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和微小零件表面的磁力研磨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 ) 设计了一套内表面磁力研磨装置，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 咖m 降到o 1 8 # m ，可以替代部分结合式磨料进行加工，以降低研磨成本。接着，对 实验设备进行了改进研究，分析了轴向往复运动的作用和限制条件，以及电磁励磁的原 理和实现方法。 ( 3 ) 对内表面磁力研磨加工进行了数学建模和 l a t l a b 仿真，分析了励磁电流、加工 间隙、磁极末端面积、磁力刷和工件间的摩擦系数以及磁力刷相对于磁极的滞后位移等 参数对加工效果的影响，为实际加工时优选参数提供了参考。 ( 4 ) 研制了微小零件的磁力研磨设备，对其抛光效果进行了实验研究。实验证明这 种方法可以方便的对微小零件进行抛光，而且抛光效果比较好，可获得r a 小于o 1 5 # m 的表面粗糙度。 关键词：磁力研磨；不锈钢管道；微小零件；表面粗糙度；仿真 大连理工大学学位论文 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nm a 印e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g a b s t r a c t t h e r ea r em a n yl o n ga n dt h i nt u b e su s i n gi 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 t a 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 e t r a d i t i o n a lp r o c e s s e sc a nn o td ot h ee f f e c t i v em a c h i n i n gf o rt h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s et u b e s i na d d i t i o n , f i n es u r f a c ef i n i s h i n go fs o m es m a l lw o r k p i e c e si si nh i g hd e m a n di n m a n ya r e a s b e c a u s ei ti sv e r yh a r dt of i xt h e m , t h et r a d i t i o n a lp r o c e s s e sa l s oc a nn o tp o l i s h t h i ss u r f a c e s oi tn e e d san e w p r o c e s st os o l v et h e s ep r o b l e m s 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 l 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 o o l ，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 cf i l e dt op r o d u c ear e l a t i v e m o t i o nb e c w 啪t h ea b r a s i v e sa n dt h 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 a nn o t d os e r i o u sd a m a g et ot h es n 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 e 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 e 翻】r f 妇q 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 e6 i l 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 sa n ds m a l l w o r k p i e c e s i no r d e rt or e a l i z et h em e c h a n i s a n 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 e f i n i s h i n g ，t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) a t a ef i n i s h i n gm e c h a n i s m so fl o n gt u b e sa n ds m a l lw o r k p i e c e sb ym a g n e t i ca b r a s i v e f i n i s h i n ga l ei 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 se x e r t e do n m a g n e t i ca 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 e c u t t i n g ( 2 ) 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 fm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gf o ri n n e r s u r f a c e t h ea b r a s i v 鹤撇n o n - c o m b i n e d 髓er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eb e s ts u r f a c e r o u g h n e s sc a nb ea t t a i n e di so 1 8 p r o t h e nt h ee x p e r i m e n t sa r er e s e a r c h e dt oa n a l y z et h e i n f l u e n c e so f r e c i p r o c a t i n gm o v e m e n ta n dt h eg e n e r a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ( 3 ) b yt h es i m u l a t i o no fi n n e rs u r f a c ef i n i s h i n gu s i n gm a t l a b ，t h ee f f e c t so ft h em a i n p a r a m e t e r so nt h eq u a l i t yo ft h ep r o c e s sa r ea n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n sc a nb ec o n s u l t e db y t h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t s ( 4 ) t h ef i n i s h i n ge x p e r i m e n td e v i c ef o rs m a l lw o r k p i e c ei sd e v e l o p e d s o m ee x p e r i m e n t s a r ed o n et or e s e a r c hi t sp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd a m o n s t r a t et h a tt h ep e r f o r m a n c e o f t h i s m e t h o d i s g o o d , w e c a na t t a i n t h er o u g h n e s s o f0 1 5 m i i i - 磁力研磨的实验研究 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 ；s m a l lw o r k p i e c e ； 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 v 硕士学位论文 磁力研磨加工实验研究 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n so nm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ( 大连市科技计划资助项目：2 0 0 3 a 1 g x 0 6 1 ) 作者姓名： 学科、专业 学号 指导教师： 完成日期： 重庆洼 机越剑造区基自麴毡 2 q 璺q 垒q 2 z 筮塞璺教援 2 q 竖生1 2 且 大连理工大学 d a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 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。 作者签名：盔秀 日期：迦z 尘互 大连理工大学硕士研究生学位论文 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：罨乏矗李一 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景与研究意义 1 1 1 课题产生的背景 随着科学技术的发展，人们对一些零件精密度和微小化的要求日趋苛刻。对于精密 度的要求除了包括尺寸精度和形状精度之外，还包括对表面粗糙度的要求。在医疗、生 物化学、航空航天、食品加工等行业经常会使用到细长的管道来输送流体，而且这些行 业对管道的要求越来越高。例如在医疗上用来输送高纯度气体的管道，其内表面粗糙度 r a 要求小于0 2 a m ，而经一般车l s t j 而成的管道是不能满足这一要求的，常规的加工方法 由于各方面的限制，也不易对其进行有效的加工。另外，一些微小零件如各种首饰、电 气电路中使用的触点，轴承的滚珠等，由于体积比较小，不方便装夹，也难以应用常规 的方法对其进行表面抛光加工。为了解决这些问题，需要开发一种新的加工方法。 1 1 2 选题的意义 由于上述的各种理由，为了满足生产和生活的需求，我们有必要开发一种能够满足 加工要求且成本低廉、操作简便、高效率的抛光方法，以突破传统加工方法所遭遇的瓶 颈。近几十年来兴起的磁力研磨是一种比较有前景的光整加工技术。它具有高精度、高 表面质量、低成本，以及易于实现自动控制等优点m 。利用磁力研磨加工物流管道内表 面可以克服传统加工方法的一些限制与不足，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。使用磁力研磨也可以方便的对微小零件表面进行加工，可以多 个零件同时加工，能够在去除量比较小的情况下获得满意的表面质量。本文的选题，旨 在用实验验证其功能的可行性，探讨关键的加工参数对抛光特性的影响，并进行仿真分 析，优化加工参数，努力改进其加工特性，为将来的实际推广应用做出理论和实验方面 的有益探讨。 1 2 磁力研磨加工技术概述 1 2 1 磁力研磨加工技术的发展历史 磁力研磨加工技术( m r f m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) ，最早是由前苏联工 程师k a r g a l o w 于1 9 3 8 年提出，泛指利用辅助磁场的作用，进行精密研磨的一种工艺方 法。之后从五、六十年代开始，前苏联一些学者如b a r o n 和他的同事们，以及保加利亚 的m a k e d o n s k i 和他的同事们对磁力研磨加工技术进行了大量的研究，推动了这一技术 磁力研磨的实验研究 的发展。此外，前苏联多次举办磁力研磨的专题会议，相关的国际性学术会议也定期在 保加利亚举行。日本八十年代引进此技术后，k a t o ，n a k a g a w a ，s h i n m u r a 等学者及其同 事便开始了这方面的研究，他们开发了大量的实验设备，对磁力研磨技术的基本原理、 各参数对加工效果的影响等进行了深入的研究，发表了许多成果斐然的论文1 2 。4 】。正是 由于他们的出色工作使得磁力研磨技术得n t 进一步的研究和推广。国内对于磁力研磨 的研究工作是近二十年来才开始进行的，起步比较晚，在理论和实验等方面还和国外有 不小的差距，目前还主要处在实验研究的阶段，实际应用的不多。国内的研究主要集中 在平面和内圆柱表面的磁力研磨上，范围比较窄，而且深度与国外相比还不够。不过， 经过这些年的研究，国内的一些研究单位也取得了一些有价值的研究成果，发表了一些 不错的论文，例如太原理工大学研制了粘结法和热压烧结法制备磁性磨料的工艺，并对 磁力研磨加工的机理进行了深入的研究；上海交通大学在物流管道内表面研磨技术上取 得了一些研究成果；大连理工大学开发了利用脉冲电路技术实现旋转磁场的内圆加工系 统，并对电解磁力复合研磨技术做了一定的探讨。 1 2 2 磁力研磨加工技术的研究现状 到目前为止，关于微小零件表面磁力研磨技术的研究还不太多。在国内，仅看到太 原理工大学有过这方面的论文发表，研究内容主要是螺线管产生的旋转磁场的模拟分 析，通过对研磨机理的分析得出加工区域的磁场分布状态。因此，下面将以管道内表面 磁力研磨为对象来叙述磁力研磨加工技术的发展现状。具体分为以下四个方面介绍： ( 1 ) 磁性磨料 工件表面的研磨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研磨的重要影响，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实验，实验结果表明材料的去处能力低下，是因为这些磨 粒虽然具有磁性但作为磨粒来说硬度和强度等不足p l 。太原理工大学对磁性磨料的研磨 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【6 】。大连理工大学对等 离子熔融制备等方法进行了研究。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a i ，o ，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。 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 i n 和s i ，n 有很好的研磨 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m 。o l i k e r 等人对铸造法制造的具有类似结构，但是有不同化学物理性质的磁性磨粒进行了研磨性 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 能实验，发现磨粒的研磨性能取决于铁磁基体和弥散分布于其中的磨粒相嘲。s h i n m u r a 采用复合电镀技术制备成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 9 1 。 ( 2 ) 加工机理 国内，太原理工大学对磁力研磨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削轨迹公式。 国外，b a r o n 对铁磁性材料外圆研磨加工间隙间磁性磨料的运动和研磨压力的分布 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 i n m u m 对各种研磨液对表面粗糙度和研磨效率的影响进行了实验研究， 对比了干研、油性和水性研磨液的效果【l ”。 此外，很多中外学者都对磁力研磨加工中的一些关键参数，如磁场强度、加工间隙、 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，进行了实验 研究。由于各自的实验设备不同，实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这些缺点，上海交通大学研究了使用电磁励磁的方 式产生复杂的研磨轨迹，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 e h i 和s h i n m u r a 等人， 对内圆表面研磨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实 验研究，提出了几种较优的方案【1 2 l 。 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实验。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实验装置，取得了不错的效果。上海 交通大学也对轴向往复运动的作用作了研究【l ”。 ( 4 ) 应用 磁力研磨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 把数控技术和磁力研磨结合在一起，可以代替工人手工操作，对模具三维曲面进行自动 抛光。磁力研磨应用于输送高纯气体或液体的细长管道的研究也已有很大突破，正在努 力的推进实用程度。 磁力研磨的实验研究 1 2 3 磁力研磨加工技术的发展趋势 磁力研磨的研究主要包括磁力研磨加工机理、加工装置以及磁性磨料等方面。今后 磁力研磨的主要发展趋势为： ( 1 ) 磁力研磨加工机理的研究。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，磁力研磨还受到形状的制约，不同的衄面去除规律不同；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。这些都需要对磁力研 磨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，而磁力研磨、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 ) 磁力研磨技术的优点之一就是具有良好的柔性和自适应性，易于实现自动化控 制。可以把磁力研磨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，如何把磁力研磨技术和数控 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 ) 磨料在磁力研磨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。为了把磁力研磨投入实际的生产加工中去，迫切的需要开 发新的制备技术和新型磨料。这也将成为磁力研磨技术研究的重要方向之一。 1 3 研究思路和主要工作 许多研究证明磁力研磨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，但是对于磁力研磨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，目前的研究多集中在管道的研 磨上，而对微小零件表面磁力研磨的研究则不多。 为了更深入的研究不锈钢材料内圆表面磁力研磨和微小零件表面磁力研磨的机理， 推进它们的实用性，本论文的重点放在了实验装置的设计和改进，加工过程的仿真以及 关键参数对表面粗糙度影响的研究上，力求寻找达到所需表面粗糙度的最佳方法。本文 的研究思路和主要工作如图1 1 所示。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 研究思路和主要工作 f 嘻1 1s 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 nl i f t sp a p e r 一5 一 磁力研磨的实验研究 2 不锈钢管道内表面磁力研磨的机理 2 1 引言 磁力研磨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，同时产生研磨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间产生相对运动，从而达到精密抛光 的效果。磁力研磨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，也没有裂纹产生1 1 4 1 。 磁力研磨是一种精密、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。在磁力研磨加工中，只有在磁 场保持力的作用下，才能使磁性磨料实现对工件的研磨加工，因此磁性研磨的磨削力是 由磁场产生的，以研磨压力的形式来实现。改变磁场强度、工作间隙，以及磁极形状等， 都将影响研磨压力的大小【”。 2 2 磨粒的受力分析 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e 和沿等磁位线方向( y 方向) 上的e ，其表达式分别为： ib ：v z h 譬 lf y = v z 日等 ( 2 ) 式中矿磁性磨粒的体积 z 磁性磨料的磁化率 日磁场的磁场强度 罢，罢分别为在岛y 方向上的磁场强度变化率 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 工 图2 1 内圆表面加工示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n n 日m 1 r f a c a ：f i n i s h i n g 图2 2 磁性磨粒受力示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ef o r c e se x e r t e do nm a g l l e t i ca b r a s i v e s 在f 的作用下，磁性磨粒沿磁力线方向有规则的排列，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的受力如图2 2 所示。磁性磨 一 一 磁力研磨的实验研究 粒的径向磨削压力e 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 i n a + f s i n o + m r 万2 + m g s i n8( 2 2 ) 式中f 周围其他磁性磨粒对该磨粒的压力 研磁性磨粒的质量 ，工件中心到磁性磨粒的距离 w m t - 件与磁极之间相对旋转时的角速度 g 重力加速度 日口的定义如图所示。 若磁性磨粒与工件之间的研磨系数为，则切向研磨阻力e 为 0 2 4 ( 2 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的切向分力等 的合力只大于切向研磨阻力乃时，即 乃 0 时，磁力刷 可以产生运动，进行加工。 4 3m a t l a b 仿真与分析 4 3 1 磁力研磨加工条件 表4 1 是仿真计算中所使用的磁力研磨机构的各参数值。 表4 1 磁力研磨加工各参数值 t a b 4 1t h ev a l u e so f t h ep a r a m e t e r si nm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g 参数数值 线圈匝数( n ) 磁极末端之间的距离( ，) 肼 真空磁导率( 胁) h m 铁磁材料的相对磁导率( “) 磁力刷的相对磁导率( 段) 磁力刷体积( 矿) m 铁心的等效截面积( s ) m 。 铁心和磁轭的等效长度( l ) m 磁极末端面积( 奠) m 2 4 3 2 仿真分析 ( 1 ) 磁场作用力( e ，f ，) 和励磁电流( i ) 的关系 由于是脉冲励磁，可以通过电流的大小来改变磁场的强度。从图4 4 可以看出，磁 场作用力e ，e 随励磁电流的增大呈抛物线状增大。这是由于电流增大时，线圈产生的 磁场增强，从而导致磁场作用力的增大。还可以看出，随着电流的增大，e ，e 之间的 差距也在增大，并不是保持不变。 舢洲一舢m删一嘶 大连理工大学硕士学位论文 图4 4 磁场作用力和电流的关系 f i g 4 4r e l a t i o nb e t w e e nm a g n e t i c f o r c e sa n dt h ec u r r e n t ( 2 ) 不同的摩擦系数( ) 下磁力刷驱动力( 只一e ) 和电流( i ) 的关系 从图4 5 可以看出，改变摩擦系数可以使曲线处于0 线以上或以下。摩擦系数越小， 驱动力( e 一只) 就越大，越有利于磨料的保持和加工的连续。而改变电流的大小，只 能改变驱动力的大小，但不能影响驱动力的正负，也就是说磁力刷和工件之间是否产生 相对运动，电流不具有决定能力。 i 誓 i j i 镕 i 冀岁i 篱 嚣 j 。：么嚣oi l 耄。 i 荤 ：_ 卜 ip 、一参i i 恤 占：ii 篱 攀 一端 1 n n 靴川z z 鞲 ts j 釜一。一。一励磁璺流i n ! 一蝴。一；l 图4 5 磁力刷运动和电流的关系 f i g 4 5r e l a t i o nb e t w e e nm o v e m o n to f t h e b r u s ha n dt h ec u r r e n t 磁力研磨的实验研究 ( 3 ) 磁场作用力( e ，只，) 和间隙( y ) 的关系 图4 6 中的两条曲线反映出，e ，e 随着间隙的增大呈现出类似的变化趋势，都是 先增大后减小。在较小值处f ，取得最大值。由于非导磁材料和空气的磁导率都很小，近 似于真空的磁导率。在设计模型时，间隙包括了磁极末端和工件间空气以及工件本身的 厚度。由于它们的磁阻比较大，间隙的微小变化就可以使总的磁阻变化很大。当间隙比 较大时，磁场强度比较小，导致e ，e 也比较小，研磨的能力和效率都会下降。实际加 工中，间隙的取值一般比较小。 图4 6 磁场作用力和间隙的关系 f i g 4 6r e l a t i o nb e t w e e nm a g n e t i cf o r c e sa n dt h eg a p ( 4 ) 磁场作用力( e ，f ，) 和相对位移( x ) 的关系 根据磁阻驱动原理，当磁极和磁力刷没有相对位移时，不会产生磁驱动力。随着相 对位移的增大，磁场作用力增大，到一定程度就可能使磁力刷产生跟随运动。如果还不 能驱动磁力刷运动，相对位移会进一步增大，这时磁力刷处的磁场就会减小，使作用力 只，只减小，造成加工效率下降，稳定性变差。当相对位移比较大时，e ，f ，趋于相等。 图4 7 就反映了这一变化。 大连理工大学硕士学位论文 图4 7 磁场作用力和相对位移的关系 f i g 4 7r e l a t i o nb e n v 蝴m a g n e t i cf o r c e sa n dd e l a y i n gd i s t a n c e ( 5 ) 驱动力( 只一e ) 和相对位移( x ) 的关系 不同的间隙，磁力加工的起点就不同。间隙越小，磁力刷和工件之间开始产生相对 运动的相对位移x 越小；在同样的磁场下，研磨的压力就越大。从图4 8 还可以看出， 加工时存在最小相对位移量，所以对于有往复振动装置的加工，往复振动的幅度不能太 小，否则不能产生加工作用。 轴 l阪 i !仉 一 一工i i 。i 二“ i 毛 叠 亍 匹 棚 t = = 图4 8 不同间隙时驱动力和相对位移的关系 f i g 4 8i n f l u e n c eo f d i f f e r e n tg a p so i lt h er e l a t i o n 咖e d r i v i n gf o r e a n dd e l a y i n gd i s t a n c e 磁力研磨的实验研究 ( 6 ) 驱动力( 只一e ) 和磁极末端面积( 疋) 的关系 图4 9 反映出在某一间隙儿之前，同样的间隙时，磁极末端面积越大，磁驱动力越 大；在儿之后，磁极末端面积越小，磁驱动力越大。由于这里所说的间隙是包括管道壁 在内的，所以对于厚壁的管道，一般取较小的磁极面积。当间隙过大时，驱动力小于零， 不会产生加工作用。 图4 9 磁极末端面积对驱动力和间隙关系的影响 f i g 4 9i n f l u e n c eo f t h ep o l er r c ao nt h er e l a t i o nb e t w e e nd r i v i n gf o r c ea n dt h eg a p 可以从图4 1 0 中看出。较小的磁极面积，开始加工的相对位移较小，磁力刷受到 比较大的研磨压力，这样可以减少磨料飞散的可能性，维持加工的连续、有效。 大连理工大学硕士学位论文 ，* i * * 1 歹蹩嗡之i i a 文；篱 i 善一 麒锄”i 鬟甏芷。 7 ，“ 羹翥 i毒蝴 ii i 删 i黧 i 瘌 = 群 糊 i 鼍_ ”一嚣赫袋器。滞”甜嚣瑞嚣m “翥 图4 1 0 磁极末端面积对驱动力和相对位移关系的影响 f i g 4 1 0i n f l u e n c eo f t h ep o l ea r o ao nt h er e l a t i o nb e “v d r i v i n gf o r c ea n dd e l a y i n gd i s t a n c e 4 4 本章小结 对脉冲控制磁力研磨加工进行了数学建模，针对磁力研磨加工中电流、加工间隙、 磁极末端面积、磁力刷和工件间的摩擦系数以及磁力刷相对于磁极的滞后位移等参数对 加工效果的影响进行了仿真分析，主要结论如下： ( 1 ) 磁场作用力随励磁电流的增大呈抛物线状增大，可以通过调节电流大小改变磁 场。 ( 2 ) 摩擦系数越小，磁力刷越容易与工件产生相对运动。电流的大小不能决定相对 运动是否发生。 ( 3 ) 间隙较小时磁场作用力会比较大，磁力刷和工件之间开始产生相对运动的相对 位移会比较小。实际加工中的间隙一般取较小值。 ( 4 ) 磁极末端面积较小时磁力刷受到的驱动力和研磨压力都比较大，有利于加工。 磁力研磨的实验研究 5 微小零件的磁力研磨加工研究 5 1 引言 一些首饰、轴承滚珠和微小的电气元件对表面质量要求比较高，但是这些零件由于 体积太小，不便于装夹，所以常规的抛光方法不容易对其进行加工。鉴于磁力研磨加工 工艺的一些特点，例如加工不受工件形状的制约、对设备精度要求不高、去除量小、抛 光效果优异等，考虑使用磁力研磨对微小零件进行表面加工。本章将对磁力研磨抛光微 小零件的加工机理进行探讨，设计相应的加工设备，并通过一些实验分析其加工效果。 5 2 实验装置和机理分析 5 2 1 实验装置 为了便于实验，所使用设备的磁场旋转速度、磁场强度都应该是可调的。图5 1 是 本实验应用于微小零件的磁力研磨设备，使用旋转永磁铁法产生回转磁场，永磁铁粘接 于转盘上，由直流电机带动其旋转，从而产生变化的磁场。 图5 1 微小零件磁力研磨设备照片 f i g 5 1p h o t o g r a p ho f m 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 ef o rs m a l lw o r k p i e c e 大连理工大学硕士学位论文 图5 2 是研磨设备示意图，可以看出磨料和工件放于一个容器中，容器放在架设于 磁极之上的工作台上，可以通过调节工作台的高度改变容器中的磁场强度。直流电机外 接有调速装置，可以方便的调节其转速，从而改变容器中磁场的变化速度。该装置结构 简单，调节方便。 图5 2 加工示意图 f i g 5 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ed e v i c e a 为了将加工区域限制在一定的范围内，需要将工件和磨料装入圆筒形容器再放在磁 场中，但是这样会引入容器这一磁介质，势必会对磁场产生影响。对容器本身、容器内 侧和外侧三个区域的磁场列出拉普拉斯方程，通过求解可以得出：如果容器用磁线性材 料做成，则容器内外两侧的磁场方向一致；更进一步，如果容器材料的相对磁导率较小 即以* l ，且容器壁很薄，则容器对磁场的影响非常小，可以忽略f 4 9 l 。为了满足以上条 件，本实验选取了一个壁厚约l m m 的塑料容器。 5 2 2 机理分析 磁场由永磁铁产生，磁场的分布比较复杂，可以通过磁性磨料在磁场区域的状态对 其有一个大体的了解。图5 3 是磁性磨料放入容器后的分布状态，从中可以看出磁场的 分布情况。 一4 l a t 磁力研磨的实验研究 图5 3 磁场分布图 f i g 5 3d i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf i e l d 在加工时，如果要实现磁性磨料对工件表面的抛光作用，磁性磨料和工件表面之间 必须存在相对运动，它们的运动速度不应相同，更进一步说就是磁性磨料和工件的受力 不应相同。磁性磨料和工件都处于磁场中，它们运动的驱动力是由磁场提供的。一般， 在加工非铁磁性材料的工件时，工件受到的力主要是通过磨料施加的，二者之间比较容 易产生相对运动；当工件为铁磁性材料时，由于工件也直接受到来自磁场的作用力，二 者之间有时不易产生相对运动，此时就要通过外力限制工件的运动，使工件和磨料之间 产生相对运动。另外，如果要产生加工效果，还要求磁性磨料对工件有足够的研磨压力， 否则，切削刃无法切入工件，也不能产生抛光作用。 由电磁学理论可知，处于磁场中的磁介质，其内部的每一个分子电流形成的磁偶极 子相当于一个个微小的磁体，它所形成的场一般用分子磁矩表示。当分子磁矩的方向和 永磁铁产生的磁场方向不一致时，该磁偶极子将受到一个转矩的作用，从而使磁介质产 生转动i “。这个转矩可以用下式表示： 于= 而x 五= m b s i n o ( 5 1 ) 式中： 肌是磁偶极子的分子磁矩 b 是永磁铁产生磁场的磁感应强度 大连理工大学硕士学位论文 0 是威和雪之间的夹角 对于铁磁性磨粒，由于磁化作用其内部的磁偶极子的磁矩会基本取向一致，当这个 磁矩和外面磁场的方向不同时，磁偶极子将同时向趋近于外磁场的方向转动，大量的内 部磁偶极子的同时转动在宏观上就表现为磁性磨粒的转动。虽然单个的磁性磨粒在磁场 的作用下会被磁化产生转矩，但是在加工时会使用大量的磁性磨粒，某个磁性磨粒和它 邻近的另一磁性磨粒可以认为受到的磁感应强度是相等的，从而它们所受的磁性转矩就 会大小近似相等且方向相同。如图5 4 所示，加工时，相邻两个磁性磨粒的表面相互阻 挡，最终都不能形成转动。对于大量的磁性磨粒来说，总能找到这样相邻的磨粒，它们 在转动时相互阻挡，整体上这些磁性磨粒就不表现出转动。所以在分析磁性磨粒的受力 时，可以忽略单个磁粒所受的转矩。 j r 、 、j 图5 4 磁粒所受转矩示意图 f i 昏5 4s c h e m ed i a g r a mo f t l l em o m t 彻m a g n 酣ea b r a s i v e 在加工时，除了转矩，磁性磨粒还受到磁场力的作用，这个作用力可以分解为水平 面上的分力和与水平面垂直的分力，前者用来改变磁性磨粒的运动状态，后者使磁性磨 粒压向工件表面。为了分析工件的受力，把工件上的某一区域取出来放大，并简化为一 个平面。如图5 5 所示，工件上下均有磨粒作用，对于工件上方的点a ，在垂直方向上 受到磁性磨粒施加的压力p ，这个压力包括磨粒自身的重力和磨粒所受到磁场作用力在 该方向上的分力所产生的压力，其大小为； p = m g + f s m o 式中： m 是磁性磨粒的质量： ( 5 2 ) 磁力研磨的实验研究 f 是磁性磨粒所受的磁场作用力； 口是f 与水平方向的夹角。 a 点在水平方向上受到来自磨粒的摩擦力厂，其大小为： = g p 式中：且是磁性磨粒和工件表面的摩擦系数。 所以a 点所受的合力可用式( 5 4 ) 表示： e = p + f 阿小h 阿取h 书j ( xx ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 5 3 ) ( 5 4 ) 图5 5 工件受力示意图 f i g 5 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ef o r c e so i lt h ew o r k p i e c e 对于工件下方的b 点来说，其垂直方向上的受力为工件作用在磁性磨粒上的压力的 反作用力p ： p = m g + f s i n o + m g 式中： m 是此段工件的质量 ( 5 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 水平方向上的摩擦力厂也因为压力的变化而改变。b 点所受合力为： 丘= p + 于 ( 5 6 ) 在霞和丘的作用下，使得磁性磨粒可以对工件实现研磨加工。 本实验采用了两种磁性磨料进行研磨加工，一种是钢质针状的磨料，如图5 3 中所 示；另一种是铁粉和s i c 通过润滑油自然结合