自由曲面模具磁力研磨的试验研究

1、第22卷第2期吉林化工学院学报Vol.22No.22005年4月JOURNAL OF J IL IN INSTITU TE OF CHEMICAL TECHNOLOGYApr.2005 收稿日期:2005-04-27基金项目:国家“八六三”高技术计划资助项目(863-9803-05,福建省青年科技人才创新基金资助项目(2004J003.作者简介:冯宝富(1968-,山东莱阳人,福州大学讲师,博士,主要从事切削、磨削加工和机器人技术方面的研究.文章编号:100722853(2005022*自由曲面模具磁力研磨的试验研究冯宝富1,蔡光起2,孙奕澎2(1.福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350

2、002;2.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004摘要:基于三杆五自由度并联机床进行了对自由曲面模具磁力研磨的试验研究.实验分析了利用球型磨头对工件磁力研磨时,磁场强度、研磨间隙、磨粒粒度等因素对自由曲面模具表面研磨质量的影响.利用五自由度并联机床不仅可以去除自由曲面模具表面的切削残留痕迹,降低模具的表面粗糙度,还解决了传统手工研磨方式所引起的工件研磨质量不一致的缺陷.拓宽了三杆五自由度并联机床的应用范围.关键词:磁力研磨;自由曲面模具;表面粗糙度;并联机床中图分类号:TG 580.68文献标识码:A磁力研磨是利用作用于磨具和工件之间的外加磁力吸引磁性研磨材料,完成对工件表面去毛刺

3、,改善工件表面粗糙度等过程的一种新的光整加工方法.由于磁力磨料具有很好的柔性、自适应性、自锐性,因此,磁力研磨具有研磨温升小、加工质量高,磁性磨粒无须进行磨损补偿、修形等优点1,近十年来,已经在精密仪器制造、模具表面的研磨抛光等领域中得到人们的广泛关注和应用24.利用三杆五自由度并联机床,可以实现对自由曲面工件的磁力研磨,而且与使用数控加工中心相比,降低了成本。该并联机床对体积大、形状复杂工件表面的研磨的优势尤为明显.1五自由度并联机床的机构组成图1是32TPT 并联机床的结构简图.三根驱动杆通过虎克铰分别与固定平台和运动平台联接起来。伺服电机驱动三根驱动杆的伸缩,杆长变化引起运动平台空间位姿

4、的变化,使固定于运动平台上的刀具位姿也产生变化,实现加工.平行机构能防止运动平台在加工时发生翻转,使加工刀具空间位姿控制简单化.而双摆动刀具结构使并联机床增加两个自由度,实现了五自由度加工目的.1.固定平台;2.驱动杆;3.运动平台;4.双摆动刀具;5.待加工件;6.加工平台;7.机床底座;8.伺服电机;9.平行机构图132TPT 并联机床结构简图2相关参数对磁力研磨的影响实验利用五自由度并联机床对具有自由曲面的磨具(45#钢、HRC50进行了磁力研磨.为了增大磨粒的导磁性,磨粒使用纯Fe 粉(75%,重量比与A12O 3粉混合,利用粘结法制成.图2a 是并联机床磁力研磨示意图;图2b 是磁力

5、研磨过程局部放大图;图2c 是工件研磨前照片,图2d 是磁力研磨后照片. 图2五自由度并联机床磁力研磨图2.1磁感应强度对磁力研磨的影响磁力研磨原理在本质上和机械研磨相同,所不同的是磁力研磨的磨粒中混有铁粉,可导磁.磨粒作用于工件表面的研磨力由电磁感应器产生的磁场形成.给电磁感应器通电后,加入磁性磨料,磨粒将被吸附于磨头和工件表面之间,并沿着磁力线方向排列起来,形成有柔性磁刷.磁刷在工件表面通过刮擦、挤压、串滚等物理作用,将工件表面极薄的一层金属或毛刺去除,实现对工件表面的精密光整加工.同时该方法还改善了工件表面的应力分布状态,延长了工件的使用寿命.磁场中,磁性磨粒受到的磁场力F :F x =

6、V x H 5H /5xF x =V x H 5H /5y(1其中,V 磁性磨粒体积;x 磁性磨粒的磁化率;H 磁场强度;5H /5x 磁场强度在x 方向的梯度;5H /5x 磁场强度在y 方向的梯度.公式(1中,当磨粒的体积一定时,增大磁场强度,磁场力F 增大,则去处量增大,工件表面粗糙度降低.磁场强度达到某一临界值后,由于尖端效应,磁性磨粒受到工件表面和磨头表面的吸附力更强,而磁刷中间段磨粒受到的磁场力在某一等位线上达到动态平衡,可能出现磨头虽然不停地旋转,靠近工件和磨头端的磨粒旋转速度却并不快,从而破坏了磨粒的切削能力,影响了材料去处量5.图3所示,使用Fe (100#与Al 2O 3(

7、5w 混合的磁性磨粒(研磨间隙=2mm ,在不同磁感应强度下,使用同一种磨粒对不同类型工件粗糙度的影响.图 3a 表示平面型工件;图3b 表示凹面型工件;图3c 表示凸面型工件.从图中可以看出,无论对哪一种类型的工件进行磁力研磨,相同磁感应强度下,工件的表面粗糙度随着加工时间的增加而降低,对于不同的磁感应强度,工件的表面粗糙度随时间的变化曲线同上述的分析是一致的.图3不同磁感应强度的工件表面粗糙度与加工时间关系2.2研磨间隙对磁力研磨的影响研磨间隙也是影响磁力研磨的一个重要因素.当研磨间隙过大,磨料(磁刷排列变得疏松,磁漏增大,磁感应强度减弱,研磨压力降低,工件表面的去除量减少,研磨效率降低.

8、最佳的研磨间隙一般为13mm ,研磨间隙太小,容易划伤工件表面.本实验对研磨间隙=2mm 和=3mm 进行了比较,如图4所示.随着研磨间隙增大,粗糙度Ra 值也增大.75第2期冯宝富,等:自由曲面模具磁力研磨的试验研究 图4不同研磨间隙、同种粉末对磁力研磨的影响2.3不同粒度磨粒对磁力研磨加工的影响实验使用四种粒度不同的粉末:75%Fe (100#+Al 2O 3(5W 、75%Fe (100#+Al 2O 3(20W 、75%Fe (200#+Al 2O 3(5W 、75%Fe (200#+Al 2O 3(20W 进行了对工件表面磁力研磨.结果如图5所示.由图形分析,无论工件是平面型(图5a

9、 、凹面型(图5b 或是凸面型(图5c ,随着加工时间工件表面的粗糙度呈下降趋势,而且,当工件表面的初始粗糙度值很小时,磨粒粒度的大小对磁力研磨有明显的影响 .图5不同粒度磨粒对磁力研磨加工的影响3结论(1五自由度并联机床适合对自由曲面磨具的表面磁力研磨;(2利用五自由度并联机床磁力研磨时,输入电磁感应器的励磁电压(励磁电流将直接影响磁场强度的大小,最终影响到工件的表面粗糙度值;(3在磁感应强度一定的情况下,研磨间隙=2mm 左右时,研磨效果较好;(4磨粒粒度对磁力研磨的影响较大.参考文献:1Zhao G G ,jiang S C ,Zhou J J.Digital magnetic abra

10、 2sive polishing on free form by machine toolJ .Manu 2facturing Technology &Machine Tool ,1999,10(1:1-3.2Shinmura T ,Takazawa K ,Hatano E.Study of magnet 2ic abrasive finishingJ .Annals of the CIRP ,1990,31(1:217-220.3AnzaiM ,Masaki K ,Nakagawa T.Fabrication of mag 2netic abrasive using plasma p

11、owder melting method J .Powder Metallurgy ,1991,38(4:472-476.4K im J D ,Xu Y M ,K ang Y H.Study on the character 2istics of magnetic 2electrolytic 2abrasives polishing by us 2ing the newly developed non woven 2abrasive padsJ .Tools Manu Fact ,1998,38(7:1031-1043.5张雷,周锦进.磁力研磨加工技术J .电加工,1998(1:38-43.8

12、5吉林化工学院学报2005年Experimental study on magnetic abrasive f inishingfor free form surface of mouldFEN G Bao 2fu 1,CA I Guang 2qi 2,SUN Y i 2peng 2(1.College of Mechanical Engineering and Automation ,Fuzhou University ,Fuzhou 350002,China ;2.School of Me 2chanical Engineering and Automation ,Northeastern

13、 University ,Shenyang 110004,China Abstract :Based on a 32legged 52DOF (Degree of Freedom in 2parallel virtual axis machine tool ,magnetic abrasive finishing experiments for free form surface of mould were carried out.The influential factors ,such as magnetic flux density ,clearance ,and granularity

14、 on magnetic abrasive finishing for free form surface mould are studied.Magnetic abrasive finishing not only removed the cutting track from the mould and re 2duced the surface roughness based on the 52DOF virtual axis machine tool ,but also reduced the disaccord of the finished surface comparing wit

15、h traditional handwork method.It widens application areas of 52DOF parallel virtual axis machine tool.K ey w ords :magnetic abrasive finishing ;free 2form surface mould ;surface roughness ;parallel virtual axis machine tool(上接第38页Design of non 2potentiometer for automatic tracking manualmanipulator

16、using soft w are adjustingSHI Yun 2gui 1,DIN G Y i 2xuan 2(1.Department of Automation ,Jilin Institute of Chemical Technology ,Jilin City 132022,China ;2.Material &Equip 2ment Center ,PetroChina Jilin Petrochemical Company ,Jilin City 132022,China Abstract :A manual manipulator of auto 2tracking moder is introduced as a typical instance ,which includes the function to calibrate the zero and measure range of 420mA DC analog as input and output quantities.A technique of series 2wound E 2PROM and correspond software are adopted to carry out th