机床磁性动力研磨头设计

1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：机床磁性动力研磨头设计摘 要研磨是超精密和精密加工中一种重要加工方法。磁性研磨加工(MAF)是研磨的一种，磁性研磨主要有磁性磨料研磨和磁流体研磨两种，本文主要研究的是磁性磨料研磨。磁性研磨加工方法是磁性磨料在磁场作用下，被吸附在磁极上，形成了具有一定刚度的“柔性磨料刷”实现对工件表面研磨加工和棱边去毛刺的一种新型表面光整加工方法。目前在我国尚不普及，没有专用的设备，为了推广该项技术，研制开发了磁性研磨机，而研磨头是磁性研磨机的核心部分，本文主要探讨用CA6140普通车床改装的磁性研磨头的结构设计，研磨头的设计是改装后机床设计的重要一部分。文章论述了改装后的

2、普通车床的磁性研磨加工机理，介绍了让工件旋转，磁极不动、并做往复运动的加工方法。本设计主要包括研磨头的整体设计和零部件的设计以及磁力系统的设计计算。关键词： 磁性研磨头；磁性研磨；铁磁性材料；电磁感应器；精密加工ABSTRACTGrinding is an important process method of Ultra-precision and precision machining. Magnetic Abrasive Finishing (MAF) is a kind of grinding and have two main kinds,they are magnetic abra

3、sive grinding and magnetic abrasive magnetic fluid grinding.This study introduces the magnetic abrasive grinding. Magnetic properties of magnetic abrasive polishing process is that magnetic abrasive in the magnetic field was attracted by the magnetic poles,and forms a certain rigidity of "soft

4、abrasive brush" to achieve on the surface grinding and deburring the edge of a new surface finishing methods. At present in China it is not yet universal,and have no special equipment.In order to promote the technology, there are developed a magnetic grinding machine.however, the grinding head

5、is the core of the magnetic grinding machine, the paper focuses on CA6140 lathe with a grinding head of the modified structure of the magnetic design and grinding head design is modified to an important part of machine tool design. This article discusses the converted lathe machining mechanism of ma

6、gnetic abrasive and introduces the workpiece rotation, the magnetic poles which do not move, and makes reciprocating motion of the processing methods. The design includes the overall design of grinding head and parts of the design and calculation of magnetic system design.Key words: Magnetic Grindin

7、g head ；Magnetic Abrasive Finishing；Ferromagnetic materials；Electromagnetic sensors；precision machining目 录第一章 绪论11.1 概述1 1.2 研磨头发展历程11.3 研究磁性研磨头的目的和意义21.4 研磨头的发展方向探讨2第二章 磁性研磨加工技术32.1 磁性研磨加工技术的特点32.2 影响磁性研磨的加工质量和效率的因素32.3 磁性磨料3本章小结4第三章 磁性研磨加工机理63.1 精密和超精密磨削的概述63.2 磁性磨料的受力分析73.3 磁粒的运动过程分析143.4 磁性研磨的加工

8、机理153.5 磁性研磨常见问题的分析15本章小结18第四章 磁性研磨头的设计194.1 磁性研磨概述194.2 磁性研磨头设计要求整体设计 194.3 磁性研磨头详细设计21本章小结33第五章 磁力系统的设计计算355.1 电磁感应器的组成355.2 磁力系统的设计计算36本章小结40总结及展望41附录43参考文献44致谢46第一章 绪论1.1 概述利用在磁场中的磁性磨料所产生的磁力进行磁性研磨是机械零件表面光整加工的又一新技术、 新工艺。目前国内外专家学者已对外圆表面、 内圆表面、 平面及成形表面等的研磨进行了广泛的研究和开发应用。从原理上讲, 它可以对任何几何形状的表面进行精密光整加工,

9、 因此, 有着十分广阔的应用前景和很好的经济效益。在磁力研磨加工中，磁力研磨装置的性能对加工质量的影响很大。根据磁性研磨光整加工的工作原理，提出一种由普通车床改装的用于圆柱面加工的磁力研磨装置的设计方法。目前我国对磁力研磨技术的研究才刚刚起步，在磁力研磨方面的资料和经验还不多,因此,对磁力研磨加工进行研究以前,首先需要解决磁力研磨加工设备问题。鉴于磁性研磨工艺在理论上对设备的要求还不是十分严格,根据磁力研磨特点和待加工工件现状设计磁研磨回路,在现有设备基础上进行改造,针对轴类零件的自身特点,对CA6140车床进行设备改造即可成为专用的磁力研磨装置，设计一种研磨头进行研磨的加工。1.2 研磨头的

10、发展历程随着工程技术的发展，用于加工零件表面的研磨技术也不断的升级换代，更加完善成熟起来。1.2.1 磁性研磨技术发展历史磁性研磨技术MAF（Magnetic Abrasive Finishing）是在强磁场的作用下，用被磁化的磨粒对工件表面进行精密超精密研磨的一种工艺方法。1938年，前苏联工程师Kargolow首次正式提出MAF这一概念。从50年代开始，前苏联、保加利亚、日本等国发表了大量有关这方面的论文，研制了许多磁性研磨装置，使这项技术在实际中得到推广应用。研究工作主要涉及加工原理、加工特点、以及相关设备。有关MAF方面的会议已定期在保加利亚召开。1.2.2 磁性研磨技术研究现状作为一

11、种新型的光整加工技术，磁性研磨加工具有较好的柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小、无变质层、加工质量高、效率高和工具无须进行磨损补偿、无须修形等特点，在国际上引起了广泛的关注，其研究成果已在平面、外圆面、内圆面和成形面光整加工的许多场合得到了应用。目前，磁性研磨加工已能达到亚微米级加工精度30。我国开展对磁力研磨加工的研究起步较晚，开始于80年代初，目前仍处于试验研究阶段，实际推广应用极少，开展磁力研磨的加工技术的研究单位均自行研制开发出不同的磁力研磨装置并对不同的工件(如轴承内环的外轨道，螺纹环规、丝锥、仪表、电机轴、仪表齿轮、阶梯轴、钢球等)进行了实验研究，取得了较好的加工效果。八十年代

12、后期，哈尔滨科技大学首先开始磁力研磨方面的研究，并于90年代初，完成了“仪器仪表零件磁力研磨加工技术的开发”项目，成功试制了MAC系列磨料，并对仪器仪表的零件开发了磁力研磨装置，进行了实验研究。此外，哈尔滨工业大学对液压伺服阀阀芯轴棱边毛刺的磁力研磨去除法进行了可行性研究，开发了磁力研磨去毛刺的装置，毛刺去除后，阀芯棱边圆角半径均不超过5cm，阀芯表面粗糙度没有变大，工件圆柱度在2以下；大连理工大学开展了电化学磁力加工技术方面的实验研究，并且证明电化学磁力加工生产效率更高，表面质量也有改善。磁力研磨加工技术未能在国内推广应用的症结在于磁性磨料制作成本较高，工件的装夹和去磁问题尚未得到解决，尤其

13、是理论基础匾乏，可使用的参数很少，因此最终不能批量生产。另外研究单位不多，这也许是该技术未能在我国得到实际应用的原因之一。1.3研究磁性研磨头的目的和意义众所周知，随着工业化的大力推进，机械制造技术的水平与制造业的发达程度突出反映了一个国家的经济实力和科学技术水平。在机械制造加工中，零部件的尺寸精度和表面粗糙度等因素对产品的使用性能和生命周期有很大的影响，对于现今我国机械加工过程中的不足，也是为了迎合当今机床自动化、精密化、加工产品多样化的发展趋势，此类磁力动力研磨机的设计就被提上了日程。动力研磨头的设计过程也体现了一般机床的的设计思想，尤其是设计过程的自动化和CAD化，因此选择了此研磨机动力

14、头的专机设计的课题。在研磨机动力头的设计过程中不仅分析比较了国内外同类型机床的相关信息，还结合了我国实际情况、世界先进水平及发展趋势。因此，力求做到了既保持机床先进性优抚和显示情况，起到了优化作用。不仅如此，基于我国现在大量存在的普通机床在结构、精度、调速范围上都稍有不足，我在设计过程中，通过合理方法，在保证达到预计设计要求的前提下，尽量使其结构简单，以降低生产成本。1.4研究磁性研磨头发展方向探讨研磨机动力头的设计属于专用机床的设计。磨削机床的发展基本上还处于传统的模式，其主要磨削方式有砂轮磨削、砂带磨削、抛光处理、喷砂处理等。研磨过程主要用于表面的精加工或超精加工。如今国内外的研磨机许多仍

15、然采用的是较为传统的加工工具，较为典型的研磨机床设备有J28180/ZF型四轴式，J58410/ZF型游星式，前者主要用于光学玻璃的研磨，后者主要用于石英片、硅片、陶瓷等的平面研磨。另外另一公司的ZHM-Z涡流系列研磨机床（包括ZHM-Z60型和ZHM-Z120型）也是采用电力原理工作的研磨机，本课题所设计的研磨机也采用电磁的原理工作的设备。51第二章 磁性研磨加工技术 磁性研磨加工按磨粒状态分为干性研磨和湿性研磨两种。干性研磨使用的磨料是干性磨料；湿性研磨是将磨料与不同的液体混合，湿性研磨又称为磁流研磨。这里主要是介绍干性磁力研磨。2.1 磁性研磨加工的特点13磁性研磨加工是在强磁场作用下，

16、填充在磁场中的磁性磨料被沿着磁力线的方向排列起来，吸附在磁极上形成“磨料刷”，并对工件表面产生一定的压力，磁极在带动“磨料刷”旋转的同时，保持一定的间隙沿工件表面移动，从而实现对工件表面的光整加工。在加工中磁性磨粒（A）的受力状态如图2-1所示30，磨粒受到工件表面法向力和切向力的作用，作用力使磨粒有向切线方向飞散的趋势，但由于磁场效应，磨粒同时还受到沿磁力线方向的一个压向工件的力Fx 和沿磁等位线方向的作用力Fy，Fy 可以防止磨粒向加工区域以外流动，从而保证研磨工作的正常进行。磁性研磨技术加工特点13：图2-1磁性研磨示意图1.磁性磨粒；2、3.磁极；4.工件 图2-2 加工中的磁刷1）自

17、锐性能好, 磨削能力强, 加工效率高。 2）研磨温升小, 工件变形小。 3) 切削深度小, 加工表面平整光洁 4）工件表面交变励磁, 提高了工件表面的物理机械性能。5）具有交变磁场的磁性研磨装置由于没有运动部件，因而运行可靠，设备的寿命大大提高。2.2影响磁性研磨的加工质量和效率的因素1214 磁力研磨加工质量和效率主要与下面的因素有关：磁感应强度，加工间隙，磁极转速，磁极形状，磁性磨料的的结构、成分、磁导率，工件材质（包括导磁性能），研磨液等。2.3 磁性磨料29最简单的磁性磨料是人们所熟知的硬质合金粉末(Fe-C、Fe-Al-C、Fe-Ti 等) , 这些合金粉末通常只用于研磨软质合金或有

18、色金属,也可用于去除软的氧化薄膜或氧化皮。对于耐磨材料的磁力研磨,须采用氧化铝、碳化硅、金刚石等硬质磨料与铁磁性粉末复合,一般采用烧结的方法制作。但由于氧化铝、碳化硅等硬质磨料在铁中的可溶性差,使铁质胎体与磨料包裹体扩散区很小,研磨使磨料很容易从铁质基体上脱落,使用寿命较短,为此国内外许多专家学者纷纷致力于新的磁性磨料的开发, 力求降低制造成本,提高磨削能力和使用寿命。下面介绍几种特殊磁性磨料的制作方法: (1) 等离子粉末熔融法(PPM):将硬质磨料(直径为110) 与铁粉(颗粒直径为100300) 按一定体积预先混合,采用等离子喷焊设备使铁粉与磨料熔结在一起,经机械破碎、分级使用。这种方法

19、使硬质磨料包裹体在铁质中分布较均匀, 研抛性能显著提高,使用寿命也明显增加。(2) SiC纤维与铁粉混合磁性磨料: 这种磁性磨料的制作很简单,只需将大颗粒的铁粉与SiC 纤维按一定比例在滚筒里充分混合即可使用。这种磁性磨料的加工原理是:由于铁粉颗粒较大,加工时紧贴着工件,在铁粉空隙里的SiC 纤维无法飞散而充当磨料的作用。(3) 液体磁性磨料:这种磨料根本无需制作,实际上是磨料与铁粉的混合物,只不过磨料浸在液体中,研磨加工也在液体里进行。在磁极上开有导流孔,加工铁粉吸附在磁极上,液体磨料通过泵体以一定的压力和流速从导流孔进入加工区参与磨削。下表是几种磁性磨料的性能比较。表2-1 磁性磨料性能磁

20、性磨料名称制作难易程度适合加工的材料材料去除难易程度成本加工后表面粗糙度金刚石与铁粉烧结较难碳素钢铁镍合金高易0.2（碳素钢）等离子粉末熔融法(PPM)难碳素钢灰口铸铁球墨铸铁较高易0.4（碳素钢）SiC 纤维与铁粉混合磁性磨料易碳素钢灰口铸铁较高易0.2（碳素钢）液体磁性磨料易碳素钢结构钢铁镍合金低难0.1（碳素钢）本章小结本章主要阐述了磁性研磨加工的特点以及影响研磨加工质量和因素，最后介绍了研磨磨料和磁性研磨几种典型加工实例及装置。作为一种新型的光整加工技术，磁性研磨加工具有自锐性能好, 磨削能力强, 加工效率高；温升小、工件变形小；切削深度小、加工表面平整光洁和工具无须进行磨损补偿、无须

21、修形等特点，但是由于目前磁性磨料制作成本较高，工件的装夹与去磁问题尚未得到解决，形成批量生产尚有困难。磁力研磨加工质量和效率主要与下面的因素有关：磁感应强度，加工间隙，磁极转速，磁极形状，磁性磨料的的结构、成分、磁导率，工件材质（包括导磁性能），研磨液等。控制着这些因素变化对提高研磨加工的质量和效率起着重要作用。随着科学技术的的飞速发展,对产品的精度和表面质量要求会越来越高。磁力研磨加工作为一项新型的研磨加工技术, 一种极具潜力的自动化曲面光整加工工艺,可以用于机械零件的表面精整和去毛刺，广泛地应用于机械、模具、汽车、轴承等制造行业。特别是基于曲面数字化的复杂曲面磁力研磨光整加工技术,将具有广

22、阔的应用前景。详细DWG图 纸 请 加：三 二 1爸 爸 五 四 0 六第三章 磁性研磨加工机理磁性研磨是磨料群在磁场力的作用下，对工件表面实施复合作用的过程。与磨削、研磨和抛光有相同的地方，也有不同之处。由于磨粒大小、形状和受力情况各异，所以研磨过程比较复杂。在本章，根据金属切削原理、摩擦理论以及电磁理论对磁性研磨中磨粒的受力和运动，研磨的过程以及研磨的机理进行了探讨，并对在磁性研磨过程中经常出现的几个关键技术问题进行了分析。3.1 精密和超精密磨削的概述精密和超精密磨粒加工是利用细粒度和微粉对黑色金属、硬脆材料等进行加工。得到高加工精度和低表面粗糙度值。对于铜、铝等合金金属，用金刚石刀具进

23、行超精密切削是有效的，而对于黑色金属、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工在当前是最主要的精密加工手段。3.1.1 精密和超精密磨料加工的分类精密和超精密磨料加工可以分为固结磨料和游离磨料两大类加工方式，它们所属的各种加工方法如图 3-1所示(1)固结磨料加工将磨料或微粉与结合剂粘合在一起，形成一定形状并具有一定强度，再采用烧结、粘结、涂敷等方法形成砂轮、砂条、油石、砂带等磨具。其中用烧结方法形成砂轮、砂条、油石等称为固结磨具；用涂敷方法形成砂带，称为涂敷磨具或涂覆磨具。1)精密和超精密砂轮磨削2)精密和超精密砂带磨削利用粒度为W63W28的砂带可进行精密砂带磨削，其加工精度可达0.1，表面粗糙

24、度可达加工精度可达Ra0.025。利用粒度为 W28W3的砂带可进行超精密砂带磨削，其表面粗糙度可达RaO.O250.008的加工表面。3)其他加工如油石研磨、精密研磨、精密超精加工、精密砂带研抛、精密珩磨等。(2)游离磨料加工如磁性研磨、弹性发射加工、液体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、喷射加工等。精密磨削和超精密磨削一般多指砂轮磨削和砂带磨削，它们都是60年代发展起来的。精密和朝精密加工磨料加工固结磨料加工游离磨料加工固结磨具涂覆磨具精密砂轮磨削油石研磨精密超紧密加工砂带磨削砂带研磨精密绗磨精密研抛紧密抛光图3-1精密和超精密磨料加工方法分类3.2磁性磨料的受力分析磁性研磨的示意

25、图如图21所示。把磁性磨料放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线的方向有序的排列成磁力刷。把工件放入NS磁极中间，并使工件相对于N极和S极保持一定的距离，当工件相对磁极作相对运动时，磁性磨料将对工件表面进行研磨。磁性磨料在工件表面的运动状态通常有滑动、滚动和切削三种形式。当磁性磨粒在加工中受到的磁场力大于切削力时，磁性磨料处于正常的切削状态。当磁性磨粒受到的磁场力小于切削阻力时，磁性磨粒就会产生滑动或滚动。另外，由于以下两种原因，磨粒将以一定的速度随工件转动，从而受到离心力Fn的作用。(1)磨粒所受的摩擦力在大于它所受的磁场保持力的时候。(2)由于工件的磁化，磨粒受到工件的吸引，磨粒也会因此

26、而吸附在工件的表面随工件转动。当磨粒处于磨料群边缘并且离心力大于研磨压力时，磨粒将会飞溅出去。下面将对单个磨粒从宏观到微观、从静态到动态、从加工区外到加工区内进行详细的分析。3.2.1 单个磨粒的受力(1)加工区域外一点磨粒的受力11如图2-1所示的A点，磨粒将受到沿磁力线方向的作用力 Fx 和等磁位线方向的、(轴向方向的力未画出)，大小分别为： (3-1)式中：磨粒中含铁的体积；磨粒磁化率H某点的磁场强度真空中磁导率沿磁力线和等位线方向上的磁场强度梯度。其合力为： (3-2)并且合力方向始终是指向加工区域的，另外，根据式 (3-1)可知，使磁场保持力存在的充要条件是：和。这说明，磨粒中必须含

27、一定体积的铁磁性材料，并且，磁场强度在某一个方向上存在梯度，磁场才会对磨料产生力的作用，阻止磨料飞溅。这三个分力的作用是能防止磨粒在摩擦力和离心力的作用下飞离加工区域，其力指向加工区域使磨粒能有效的参加研磨。(2)加工区域内单个磨粒的受力如图 2-1 所示，磨粒“A”是在加工区靠近工件表面的一颗磁性颗粒。从宏观上，可以把所加工的工件表面看成是平面，与工件相接触的磁粒“A”的受力如图 3-3所示。图中， 为工件 N极对磁粒的磁作用力；为临近磁粒对其的作用力；为工件对其的支承力。在静态下有：在加工过程中，当工件与磨粒有相对运动时，其受力如图 3-4所示，除了上述力外，还会受到切削力、摩擦力 以及磁

28、场保持力。 图 3-3 在静态下磁粒的受力示意图 图 3-4 在动态下磁粒的受力示意图1)切削力 Fc它是切削层对磨粒的反作用力，其大小可以根据下列公式来估算。对于单颗磨粒的切削抗力分析，借用磨削研究已有的模型。由于磨削状态的复杂性. 至今尚不能充分认识，因此磨削力的理论公式不得不建立在很多近似和假定的基础上，很难完全用来预先估算磨削力的值，而从实验数据整理出来的经验公式，由于磨削情况比较复杂，所以这类公式的通用性受到限析，是为了定性分析磨粒的状态和磨粒几何形貌的关系。日本佐藤健儿等人建立的单颗磨粒磨削力模型. 有三个假定条件：磨粒外形具有2顶角的圆锥；磨粒的对称中心线沿砂轮径向分布；忽略磨粒

29、表面的摩擦力磨粒的切削抗力为： （3-3） 图3-5 单颗磨粒受力模型示意图 式中：和分别为切削方向、工件表面法向切削抗力； 在垂直于切削方向的单位面积上的磨削力，并设为常数； 磨粒切削深度； 圆锥的半顶角磨粒的受力分析如图3-5， 和分别为磁场对磨粒的切向和法向作用力。这一模型忽略了磨粒突出部分的刃口半径，而磨粒的尖锐性是由切刃顶尖圆锥角2和尖端圆角半径r所决定。进行磨粒划痕实验的结果表明，磨粒切深大的时候，其切削作用接近于圆锥形，切深小的时候，接近球形。能否形成切削，取决于是否大于最小切削厚度，而最小切削厚度取决于刃口半径r和顶角圆锥半角。对于某一颗粒能否产生切削作用，则取决于磁场对磁粒的

30、作用力。磁性磨料中的磨粒一般粒径为几微米，由于磨粒是以自然破碎面作为切削刃，所以切削刃的形状是极其不一致的，但从统计的观点，可以把微小颗粒的凸出部看成是尖端带圆角的圆锥形。一般粒度越细，顶端越小，顶端圆锥角接近，顶尖圆角半径为粒径的 1/101/20。磁性磨粒在加工区空间位置的不同，受到的磁场力也不一样，并且切向磁作用力与法向的作用力的夹角也不一样。如果切向切削抗力与法向的切削抗力的夹角为，则有： (3-4) (3-5)当时，决定了磨粒压入工件的深度，也决定了，此时，切向作用力, 使整个磨粒前倾，实际锥度半角变大，根据公式 (3-3)和 (3-5)，变小，减小，更加偏离平衡位置，而磁性磨粒为亚

31、毫米级颗粒，最终磨粒在工件表面起滚压作用。当时，决定了磨粒压入工件的深度，也决定了，此时 > ，切削抗力阻碍磨粒继续沿切向前进，磨粒产生偏转，实际锥度半角变大，根据公式 (3-3)和(3-5)，减小，并逐渐接近。当时，磨粒处于一种动平衡状态。是否形成切削作用与磨粒切削深度刃口半径r, 和顶角圆锥半角有关。当大于最小切削深度，磨粒产生切削作用，有切削形成。当小于最小切削深度，磨粒产生滑擦作用。如果工件表面产生塑性变形，在磨粒前方的材料被挤压而隆起，产生犁耕作用。 以上讨论了切削阻力，下面讨论磁场力的计算。2)磁场作用力 (3-6)式中：真空磁导率，； 单个磨粒中铁粉的体积； 、单个磨粒所在

32、位置的磁感应强度及磁感应强度梯度。3)磨粒之间的作用力如假设磨粒为球形，可由下式计算： (3-7)式中：磁性磨粒的半径，一般在左右；磨粒的磁化率；其它参数的意义与以上相同。这个力是沿磁力线的方向，它使磁性磨粒沿着磁力线的方向形成“磁性研磨刷”，同时，由于磨粒的相互吸引，也能防止加工时磨料的飞溅。4)摩擦力，它是磨粒与工件表面的摩擦而产生的。 (3-8)式中：单个磨粒与工件的摩擦系数；k磨粒粒度、形状修整系数。5)作用在磨粒上的离心力磨粒受到摩擦力或工件表面的吸附力，将随工件一起转动，由于磨粒本身具有一定的质量，所以要受到离心力的作用，离心力的大小可由下式计算： (3-9)式中：单个磨粒的质量

33、(kg)；磨粒转动的速度 (m/s)；磨粒转动的半径 (m)。6)磁场保持力是磁场中对单个磨粒所受磁力的合力，是由于磁场存在磁场强度梯度而产生的，其大小与有关。具体的计算公式参考式 (3-1)和式 (3-2)。 图 3-6 工件表面的形貌磁性研磨过程中，单个磨粒在磁场作用力、磁场保持力、摩擦力 等共同作用下，使磨粒稳定地保持在加工间隙中，实现对工件表面的加工。同时，处在加工区外部的磨粒将自动向加工区域汇集，填充于磁极与工件之间参与加工，形成一个完整的连续的加工过程。从图中也可以看出，这是由于、的存在，才使得磨粒在加工过程中不会脱离与工件的接触，才有可能切削工件，否则磨粒将只是工件表面滚压而已。

34、为了提高加工效率，可以从两方面着手：一是提高，一是增大。提高就必须提高磁性磨粒的磁化率及磁场强度：而提高则需要提高磁场的梯度，实验证明磁场梯度主要与磁极的形状有关，通过工件图 3-7 磁粒在微观条件下的受力分析在磁极表面的开槽可以有效的提高磁场强度。从微观上分析，工件表面的真实形状如图 3-6所示，是一个凸凹不平的表面。如果把这一因素也考虑进去，磁粒的受力如图 3-7 所示。图中各个力所代表的意义如下：工件磁极对磁粒的磁作用力；摩擦力；工件对磁粒的支承力；、切削力的两个分力；切削角。由图可以得到： (3-10) (3-11) (3-12) (3-13)由式 (3-11)(3-12)(3-13)

35、可得： (3-14) (3-15)把 (3-14)(3-15)代入 (3-10)可得到切削力为： (3-16)图 3-9 磁链在工件表面的排列图3-8 角度与表面参数3.2.2 磁性研磨刷的受力由上述分析得知，处于加工区域的磨粒，相互吸引并受到指向加工表面的磁场力的作用，靠得很紧，排列时使自身长轴沿磁力线方向。显而易见，我们可以将其看做一条条自磁极到加工表面排列的磁性磨粒链。如图 3-9所示，当工件转速n=0 时，各磁链将沿磁力线方向排列，由电磁理论可知，两种不同导磁材料 (相对导磁率不同)相互接触时，感应强度方向垂直于这个接触面，并且在界面上的磁压力为： (3-17)式中：B界面上的磁感应强

36、度 (T)； 、不同材料的相对磁导率。 若假定研磨刷的相对磁导率为，则上式可表示为： (3-18)由于磁性研磨刷可认为是构成磁性磨料Fe和,以及空气组成，由电学和磁学的相似性，利用Eucken原理，可近似推得研磨刷的相对磁导率为: (3-19)式中：磨粒中含的体积；磨粒中含 Fe的体积；、分别为空气、的磁导率。由于空气和的磁化率，所以，而铁磁性材料的相对磁导率由电磁学的理论得。因此，式 (3-19)可简化为： (3-20)但是，粉状体的磁化现象是相当复杂的，一般是不能化为简单的模型，因此整体相对磁导率取决于磁性研磨粉颗粒中铁的相对磁导率与磁场强度的关系。若磁性研磨粉颗粒为球形，每颗粒子中含铁的

37、容积率为，且按正方品格均匀排列时，对于颗粒大小不同或分布不同时，一般取，则式 (3-20)可写成： (3-21)式 (3-18)可写成： (3-22)从式(3-22)可以看出，研磨压力与磁感应强度钓平方成正比，随磁感应强度的增大而迅速增大。但是磁性磨料在一定磁感应强度下会产生饱和，所以研磨压力存在最大值。另外，随着含铁容积率的减小，研磨压力也会减小.3.3磁粒的运动过程分析3.3.1 单个磁粒的运动过程 （c） (d)图3-10 磁粒在工件表面上的滚动过程如图 3-10所正如图中所表示的那样，磁性磨粒在加工过程中，在切削阻力的作用下顺着工件运动方向滚动的同时自身也在不停的滚动，也正是磁粒的滚动

38、才保证磁性磨粒切削刃的锋利性。图3-11磁力研磨加工外圆时磁粒的运动情况力的作用，所以它又不会轻易的随工件抛出，基本上是在原地滚动。另外，磁性磨粒本身的形状是不规则的，它有在某一方向相对较长的尺寸，称为长轴；相对较短的尺寸称为短轴。按照电磁理论，处3.3.2 大量磁粒的整体运动如图3-11所示，一般分成两个阶段：静态阶段和动态阶段。静态阶段也就是加工之前的状态，如图3-11a所示，在工件和磁极之间充满了磁性磨料，形成了两个切削区，而且此时磁性磨粒基本上充满了工件表面凹进的部分。动态阶段就是开始工作的阶段，在磁场力和摩磨擦力的共同作用下，磁粒主要集中在由磁极和工件形成的间隙的两端。3.4 磁性研

39、磨的加工机理通过上面对磁性磨粒的受力运动分析，可以看出，在磁性研磨的过程中，磨粒基本上以三种状态存在，即：滑动、滚动和切削。当磨粒所受磁场力大于切削力时，磁性磨料处于正常切削状态；当磨粒所受磁场力小于切削力时，磁性磨粒就会产生滑动或滚动。根据精密切削理论和摩擦学理论，可以得知磁性磨粒在加工过程中与工件表面产生接触滑擦、挤压、刻划、切削等状态现象。其磨削机理主要包括以下四个方面。3.5 磁性研磨常见问题的分析3.5.1 切削热在进行磁性研磨的过程中，磨粒在工件表面进行微刃切削、挤压、磨损的时候，工件表面的切削层先发生弹性变形，随后发生塑性变形，要发生弹塑性变形就是要做功，这个功必然要转化为切削热

40、。此外，磨粒在磨钝后，与工件之间的摩擦作用也会产生大量的热。研磨中切削热的产生，可以用下面公式计算： (3-24)式中：研磨中切削合力，其值的计算可参照式 (3-1)； 磨粒研磨的合速度。 由于切削热的存在，使磨粒的寿命降低，磨粒的研磨能力下降，同时使工件表面的材料性能发生变化，影响了工件表面的质量。切削热散发的途径包括通过磨料的传导和向空气中的辐射，如在研磨中施加研磨液，研磨液的流动则能将切削热传出，这馊是散发切削热比较好的方法之一。3.5.2 磁性磨料的自锐切削加工中，如果刀具磨钝了，切削就无法进行了，刀具就必须重新修整。但对于磁性研磨，它的优点之一就是自锐性强，可以长时间保证研磨的稳定进

41、行。那么磁性研磨的自锐方式主要有以下几种：(1)运动自锐在磁性研磨的过程中，磁性磨粒在磁场力的作用下，沿着工件表面不停的运动，在与工件表面接触的磨粒参与磨削。但由于磁性研磨和一般的磨削最大的不同就是磁性磨粒是松散的围绕在磁极的表面，并不像砂轮那样是固结在磨具上的，所以在运动的过程中，磨粒的位置是不固定的，每个磨粒在摩擦力、磁场力、切削力以及磨粒之间的挤压力的共同作用下，随时都有可能参与工件的磨削。另外通过上面对磨粒的运动分析也可以看出，在研磨中，磨粒自身也进行滚动。这样就可以保证不断有新的磨粒参与磨削，不断有新的切削刃参与磨削，从而保证加工的效率和加工的质量。具体的自锐方式有以下几种：1)流动

42、自锐2)挤入自锐磨粒由于受损，本身体积变小 (包括 Fe和 AlO)，使后排磨粒与工件表面的距离变小，并且由于磨损磨粒的翻转，为后排磨粒趋前并挤入缝隙参与加工提供了机会。这种情况如图 3-16 (c)。3)翻转自锐磨粒磨钝后，由于磨损，磨粒的长短轴发生了变化。根据电磁场理论，磨粒受到磁矩的作用，在磁矩的作用下，磨粒长轴一般沿着磁力线的方向. 这样磨粒就有原来的长轴变成了短轴，它也要随着翻转，使新的长轴仍然沿着磁力线的方向，这样磨粒就有机会用新的切削刃继续参与切削，如图 3-15(b) （a）流动自锐 （b）翻转自锐 （c）挤入自锐 （d）破碎自锐图3-16 磨料自锐方式(2)相互研磨自锐磁粒刷

43、在研磨工件表面的同时，磁性磨粒之间也在相互研磨。磨粒的磨损不但取决于研磨的压力、相对的运动速度，而且还取决于两者之间的维氏硬度HV 之比。磁性磨粒与周围磨粒相互的研磨，存在三种方式： 1)坚硬的磨粒之间的相互研磨；2)磨粒与铁磁性基体之间的研磨；3)铁磁性基体之间的研磨。这三种情况中，第二种方式铁磁性基体与磨粒之间的研磨，基体材料的去除量最大，这种作用使得磨粒与基体之间的结合力变弱。另一方面，磁性磨料都是高温高压下烧结而成的，研磨过程中，在加工区的温度很高，同时由于工件高速运转，表面波度、粗糙度的存在，使磨粒与加工表面经常产生碰撞，如图3-16 (d)所示。这两方面的作用，使得磨粒一方面有可能

44、破碎；另一方面也是最可能发生的就是磨粒从铁基体上脱落下来，就会有新的磨粒裸露出来，形成新的切削刃。当然这种脱落的过程是很慢的，否则会影响磨粒的寿命。3.5.3 磨粒飞溅的临界速度由上面分析可以知道，磨粒产生飞溅的条件是，作用在磨粒上的力超过了研磨的压力。对于铁磁性材料而言，这种临界条件可以表示为： (3-25)式中：S磨粒与工件的接触面积将式（3-22）和（3-9）代入上式可得到磨粒飞出的临界速度为： （3-26)可见，在工件回转半径一定的情况下，磨粒的飞溅的临界速度与加工区域的磁感应强度、磨粒与工件的接触面积、磨粒中铁磁性材料的相对磁导率、磨粒中含铁的容积率和磨粒的粒度有关。可以通过以下措施

45、降低磨粒飞溅的程度：(1)增大工作间隙中的磁感应强度；(2)提高磨粒中的含铁容积率；(3)提高磨粒中铁磁材料的相对磁导率；(4)采用磨粒接触面积与平均质量之比较大的磨粒加工。3.5.4 干研与湿研的加工效率所谓干研就是不加任何研磨液的情况下进行研磨。湿研就是在研磨个过程中加入研磨液。研磨液主要是用来降低磨削温度，改善加工表面的质量，提高研磨的效率，延长磨粒的寿命。从提高磨削的效果来看，研磨液的主要作用如下：(1)冷却作用由于磁性研磨也是一种磨削，所以在加工过程中同样要产生切削热，切削热也同样给加工带来很多负面影响，这一点前面已经提到。研磨液的加入可以向外传递热量，起到降低温度的作用，从而保证加

46、工区始终处于一个合理的温度，这对延长磨粒的寿命，改善加工零件的质量都有好处。(2)润滑的作用研磨液能渗入到磨粒和工件表面之间，并黏附在金属表面上形成润滑膜，以减少磨粒与工件表面的摩擦。研磨液的润滑性能与形成润滑膜的能力有关。润滑膜可由物理吸附和化学吸附所形成。物理吸附主要靠研磨液中油性添加剂，它对金属表面有强烈的吸附性。但物理吸附只能在较低的温度下起润滑作用。属于这一类的有动植物油及油酸、胺酸、醇类和脂类等。化学吸附主要是在磨削液中加入挤压添加剂，如含硫、氯、磷等元素的添加剂，这些添加剂与金属表面发生化学反应而形成吸附薄膜，能在高温下保持润滑的性能。在磁性研磨中，研磨液的润滑作用是第一位的，冷

47、却作用是第二位的，因为研磨所产生的热量相对一般意义的磨削所产生的热量规模要小。(3)调和作用研磨液都有一定的黏度，以保证磨料颗粒粘附在研磨工具表面，且分布均匀，而且在研磨液的作用下，磨粒之间可以相互的粘结在一起，以防磨粒在加工过程中轻易的飞溅到加工区外。这对提高加工的效率也具有一定的作用。本章小结通过上面对磁性磨粒的受力及运动分析，可以得出，在磁性研磨的过程中，磨粒基本上以三种状态存在，即：滑动、滚动和切削。当磨粒所受磁场力大于切削力时，磁性磨料处与正常切削状态；当磨粒所受磁场力小于切削力时，磁性磨料就会产生滑动或滚动。根据精密切削力理论和摩擦学理论，可以得知磁性磨粒在加工过程中与工件表面产生

48、接触滑擦、挤压、刻划、切削等现象。其磨削机理主要包括一下4个方面：(1)微量切削和挤压作用(2)多次塑变磨损(3)化学腐蚀作用(4)电化学磨损的作用在磁性研磨的过程中，磨粒的自锐形式主要有：运动自锐和相互研磨自锐，其中运动自锐又分为：流动自锐、挤入自锐和翻转自锐。通过磨粒飞溅临界速度的分析，得出降低磨粒飞溅的措施有：(1)增大工作间隙中的磁感应强度；(2)提高磨粒中含铁的容积率；(3)提高磨粒中铁磁材料的相对磁导率。(4)采用磨粒接触面积与平均质量之比较大的磨料加工。另外在磁性研磨过程中，研磨液的主要作用是润滑作用，除此之外是冷却作用和调和作用。也正是研磨液的作用，才使得湿研比干研的效率高的多

49、。第四章 磁性研磨头的设计4.1磁性研磨概述磁性研磨是指采用电磁铁线圈产生的磁场作为着力介质、以特殊材料（如氧化物等）作为研磨材料的一种加工表面加工方法。它的加工原理是：在加工的过程中，磁体产生磁场，在磁场的作用下，在工件与磁极之间的间隙（约12mm）内研磨磁粉形成毛刷状的研磨体，对工件表面进行研磨。利用这种方法可以加工圆柱面、平面、凸凹曲面、棱角，如果把研磨头的形状按加工的工件加以改变，甚至可以加工更复杂的零件。与现在是制造业中传统的研磨方法相比，磁性研磨具有加工精度高、生产效率高等特点。更重要的是作为一种新型的加工方式，它具有很大发展潜力，为人们所看好。研磨头的设计是研磨机的核心部分。磁力

50、的提供装置可以是电磁铁和永磁体，都可以提供强大的磁场，以达到加工的要求。4.2 设计要求和整体设计104.2.1 设计要求图4-1 CA6140 车床1根据实际生产和现场的需要，要求研磨头的设计具有很强的实用性。通过对现有设备的调查和考证，拟采用把研磨头设计成CA6140车床一部分的方案，即可以把研磨头作为CA6140的一种工装夹具来使用。设计时把研磨头设计成类似于刀架的部分，并方便研磨头的安装和拆卸。 如下图所示： 2经济性的要求。既然是为CA6140而设计的卧式研磨头，是车床的一部分，是车床的一种工艺装备，所以要与其他工艺装备一样要符合经济性的要求。4.2.2 研磨头的整体设计 1加工方案的选择磁性研磨加工有两种方式可以实现：（1）工件旋转，磁极不动（2）工件不动，磁极旋转。由于设计的研磨头是卧式车床CA6140用的卧式研磨头，所以采用a方案，即工件旋转，磁极不动的加工方式。如下图4-2： 图4-2 卧