磨粒光整加工的应用

磨粒光整加工的应用

目前，研磨粒加工广泛应用于精确的光洁加工中。研磨加工可分为固结磨粒和游离磨粒。游离磨粒加工技术是历史最久而又不断发展的加工方法,它是不切除或切除极薄的材料层,用以提高工件表面精度或强化加工表面的一种加工方法,多用于最终工序。近年来,在传统工艺的基础上,出现了许多新的游离磨粒加工方法,如磁性研磨、弹性发射加工、流体动力抛光、液中研抛、磁流体抛光、挤压研抛、磨粒喷射加工等。1超精研磨和研磨1.1超精密研磨和单晶硅片加工的表面形态结构超精密研磨和抛光(以下简称研抛)加工方法是一种具有均匀复杂轨迹的光整加工方法,其原理是:磨具在含有自由磨粒的研抛液中,紧压在工件表面上作高速旋转;工件固定安装在工作台上,工作台作旋摆运动。磨具的高速旋转运动与工作台的旋摆运动的合成形成了极其复杂均匀而又细密的运动轨迹。东北大学在20世纪90年代中期进行了硬磁盘基片和单晶硅片的超精密研磨和抛光的基础理论和试验研究,获得了表面粗糙度R在抛光过程中,被加工表面的材料去除形态取决于被加工表面、抛光垫和抛光液之间的相互作用,这种作用主要是机械作用、化学作用和物理作用,以及三者的相互组合。其去除过程的外界表现与材料的晶格取向,组成材料的粒子间的结合键形式密切相关。材料的去除主要是磨粒对工件滑擦、耕犁和切削的机械作用结果,在沟痕的两侧还存在塑性隆起的深处节状断裂,说明材料的疲劳断裂对材料去除有着十分重要的作用。同时工件表面与抛光液形成Ni盐,随后被磨粒去除,并不断的往复下去。通过抛光压力和抛光速度可以获得高的材料去除率。单晶硅片的材料以脆性断裂去除,并与晶格取向密切相关,材料的去除以三体为主,辅以两体的脆性破碎过程,提高压强增大裂纹的深度和长度,而提高速度主要是增大破碎的概率。速度的增加对表面粗糙度影响并不显著,而压力和磨粒尺寸的增加,将使加工表面的粗糙度增大。1.2机床特点、特点(1)容易直接加工出高质量的镜面平面。(2)磨具、磨料材料来源广泛,加工成本低。(3)机床结构简单、制造容易。(4)生产效率高。1.3研抛头的研磨和研磨自由研抛阶段。研抛头的微观结构为蜂窝状,能浸含和携带大量游离磨粒一起运动。加工时研抛头自由推挤加工液及游离磨粒,一些游离磨粒钻到研抛头端面空隙中,起摩擦切削作用;一些游离磨粒在研抛头与工件之间滑动和滚动,对工件材料去除量不大。镶嵌研抛阶段。随着加工的进行,镶嵌到研抛头端面孔隙中的磨粒增多,游离磨粒同时也在破碎,但主要趋势是磨粒被镶嵌而处于半固定状态。高速回转的研抛头在旋摆运动中带着磨粒撞击和摩擦工件被加工表面,进行有效的切削,材料去除率增大。饱和钝化研抛阶段。磨粒镶入增多,逐渐趋向饱和,由于不断受到挤压和冲击而被压实,填平研抛头端面,呈半固结和固结状态,使研抛头硬度进一步提高。在研抛运动中,加工头带着无数镶嵌磨粒和自由磨粒在工件被加工表面上强烈的滑动和滚动,使之光滑,同时,加工头端面在研抛中也被修整,变得平整光滑,使切削能力下降。“壳膜化”研抛阶段。加工头端面进一步被更细小磨粒“填平”,逐渐形成一层被称为“壳膜层”的极其致密、已饱和钝化但仍具有不少极小孔隙的硬壳层。其表面光滑明亮,呈深褐色或黑色暗光镜面,它具有极高的使工件被加工表面快速形成高质量镜面能力。1.4超精密研抛运动轨迹的优化研究(1)超精密研抛材料去除机制及工艺参数优化的研究。(2)超精密研抛运动轨迹数学建模及运动参数对研抛运动轨迹的影响的研究。(3)超精密研抛新型加工装置的开发。2表面改性加工方法磁力光整加工(MagneticAbrasiveFinishing,简称MAF)是利用磁场作用进行材料微去除的表面加工方法,它能高效、快速地对各种材料、尺寸和结构的零件进行光整加工,是一种投资少、效率高、用途广、质量好的表面加工方法。2.1工件表面磁刷扫加工的应用所谓磁力光整加工,就是利用磁场通过强磁性介质产生的磁作用力对工件进行微切削加工的方法。图1为圆柱表面磁力光整加工原理图,将工件放置在由电磁铁N极和S极构成的磁场中,在电磁铁与工件之间填充磁性磨粒,当对电磁铁通以直流电时,在N、S两极之间便产生磁场,磁性磨粒被磁极吸引,在磁力的作用下,磁力沿磁力线整齐地排列成刷子状,并对加工工件表面形成一定的压力,当磁极与工件之间产生相对运动时,磁刷扫过工件表面,从而对工件表面进行研磨、去毛刺、提高工件表面硬度等过程的光整加工。该加工方法改善了工件表面的应力分布状态,延长了工件的使用寿命。磁性磨粒由纯铁粉(Fe)作载体,加入一些Al目前磁力光整加工按磁场的形式可以划分为两大类,第一类为恒磁场,依靠磁场与加工工件表面之间相对移动来实现加工;第二类则是采用交变或旋转磁场来产生磁性磨粒与加工面之间的相对运动实现材料的微去处加工。2.2磨料刷的应用(1)自锐性好,加工能力强,效率高。(2)磁磨温升小,工件变形小。(3)切削深度小,加工表面光洁平整。(4)工件表面交变励磁,提高了工件的物理机械性能。(5)磨料刷的形状随加工工件的形状变化而变化,表现出极好的柔性和自适应性,因此不仅可用于圆柱和平面加工,还可进行异性表面和自由曲面的光整加工。(6)加工力可以通过控制磁场强度进行控制,加工过程容易实现自动化。(7)磁性磨粒更换迅速,不污染环境。(8)既可加工铁磁性材料,也可对非铁磁性材料进行光整加工。2.3表面改性磁力光整加工适用于各个领域精密零件的研磨、抛光和去毛刺,如塑料透镜的研磨、轴承内外滚道、液压机上用的滑阀、齿轮泵、球阀、家用不锈钢器皿、螺纹轧辊、滚珠轴承保持器、制动器、缝纫机零件等去毛刺、抛光加工;大型机械和喷气式飞机用的分配管的内表面研磨、煤气罐内表面、制药机械、食品机械等的物流管道内表面清洗;计算机硬盘定位臂表面的研磨、波纹管内表面磁力研磨;对叶片的精密光整加工、心脏起搏器壳的内表面加工,医用器械微细结构处的去毛刺加工、液压元件和精密偶件的去毛刺棱边倒角等。磁性磨粒加工不仅可用于以铁和碳素钢、合金钢等磁性材料制作的零件,也适用于加工非磁性材料如黄铜、不锈钢和钛合金、陶瓷以及硅片等,材料去除率明显高于一般研磨工艺,表面粗糙度R2.4杆五自由度组合机床在复杂模具型腔表面应用前景展望磁力光整加工自动化研究以及面向模具型腔表面抛光的光整加工装置的开发。近年来,由于数控机床的CAD/CAM系统的引进,使得多数模具制造实现程序自动化,但模具型腔表面的精加工还必须由技术熟练的工人进行手工完成,仍未实现3D表面的精加工。因此,致力于模具型腔表面自动化光整加工具有重要的意义。东北大学利用三杆五自由度并联机床对复杂模具型腔表面进行自动化磁力光整加工进行了有益的尝试,并取得了一定的效果。磁性磨粒的制备及新型磁性磨粒的开发。目前,我国制作的磁性磨粒成本较高、使用寿命短、加工效率低,磁性材料与磨料之间的可溶性差,磁力的磁化率偏低。因此需要研制新型磁性磨粒,力求降低成本,提高使用寿命,增强切削能力。最近,铁磁相与磨粒相机械混合制备磁性磨粒的方法,不仅降低了成本,而且达到了R磁力光整加工工艺的研究。磁力光整加工不仅受工件材质、工件尺寸的影响,也受到工件形状和表面去除量的限制,对不同位置角度,不同曲率的表面,其去除规律是不同的,必须对此进行深入的研究,在不破坏工件原有精度的前提下,以取得整个表面相同的表面粗糙度。自由曲面的磁力光整加工,不仅在运动控制上,而且在加工工艺上都不同于平面、外圆和内圆面,因此,要针对不同工件形状,研究其磁力光整加工的加工特点和优化工艺,以指导生产实践。3磁浮粉3.1低磁场光整加工磁力悬浮研磨是基于磁性流体中非磁性磨粒受磁场作用时会产生向低磁场方向悬浮的现象而研究出的光整加工方法。图2为东北大学在20世纪80年代末期进行的磁力悬浮研磨陶瓷球加工原理图,氮化硅毛坯球置于磁流体(通常是胶态的Fe3.2磁力研磨法(1)磁力悬浮使作用在研磨面的磨粒数增多(2)由于磨粒由流体支撑,使支撑富有弹性,而且加工压力由悬浮力决定,因此每一颗磨粒的加工压力很小(3)磁性流体的传热系数大,可抑制加工点的温度上升(4)越接近磁铁,作用于磨粒的悬浮力越大,因此,对工件形状还有修正效果(5)由于加工区域是立体的,因此它不仅能加工平面,而且也能研磨球面和其它复杂型面,加工范围广。3.3陶瓷保水性加工方法的发展陶瓷球的表面质量对陶瓷球轴承的性能和可靠性起着至关重要的作用,由于陶瓷具有高的硬度和脆性,因此对磨削或抛光过程中产生的表面缺陷极为敏感,表面缺陷导致陶瓷球的疲劳失效,从而降低陶瓷球轴承的性能和使用寿命。因此,陶瓷球的高表面完整性精密加工尤为重要。陶瓷球的传统加工采用金刚石抛光的方法,与加工金属球一样采用高的加工负荷和低的抛光速度。加工一组陶瓷球需要几周的时间,不仅加工时间长磨料成本高,而且由于高的加工负荷,在陶瓷球的加工表面留有较深的划痕、凹坑和微裂纹,导致陶瓷球轴承使用性能和可靠性降低。为了减小对加工表面的伤害,寻求较软的磨粒采用低应力抛光陶瓷球加工方法——磁浮抛光陶瓷球加工方法应运而生。试验表明,用磁浮抛光氮化硅陶瓷球,采用500号B磁浮抛光陶瓷球基本可分为三个基本阶段:首先是粗研——快速加工阶段,在这个过程中,要尽量减少表面及亚表面损伤,磨料可采用500号B3.4物理机械特性(1)优化磁浮研磨的加工条件。在磁浮研磨加工中抛光负荷、抛光速度以及磨粒浓度、被加工材料的物理机械特性影响加工质量和效率,因此需优化加工参数,保证加工质量的前提下提高加工效率。(2)研究各种磨粒在磁浮研磨各阶段的有效性,以及在化学机械抛光过程中各种磨粒与工件材料、抛光液可能的化学反应。(3)用磁浮研磨方法加工磁性材料,如金属球,提高其效率和加工质量。4磁液研磨4.1磁力光整加工法磁性流体研磨(MagneticFluidFinishing)是一种新型的借助于磁场进行的光整加工技术。该方法是利用磁性流体的流动性、磁性材料的磁性和外磁场的作用实现对工件表面研磨的一种精加工方法。磁性流体由磁性颗粒(Fe在磁性流体中添加有磨削能力的磨粒(如Al4.2硬塑料等材料加工不会产生二次毛刺;加工材料范围广,硬质合金、陶瓷、不锈钢、高速钢、硬塑料等材料的工件都可以加工;特别适合于各种复杂壳体内孔、螺纹等的去除毛刺加工;可保持零件原有加工精度,更适合孔径变化≤5μm,圆度≤1.5μm的工件;加工效率高,加工时间只为手工操作时间的10%。4.3磁体研磨与应用利用磁性流体研磨对聚丙烯片、陶瓷滚动轴承滚动体、光学零件表面研磨抛光都得到光滑超精密无变质层的加工表面。4.4内圆研磨加工磁性流体平面研磨加工装置如图3所示。磁性流体研磨装置由加工部分、驱动部分和电磁线圈组成。为防止电磁铁发热,在其周围加循环水冷却,用定位螺钉来调整工件与研具之间的位置。图4为磁性流体磨粒内圆研磨装置。电磁铁配置在工件的左右,在磁极周围用水管冷却,磁极使用P型和M型两种。工件为非磁性材料黄铜,前工序用金刚石砂纸手工研磨内圆,加工后表面粗糙度R5磁速溶5.1工件材料的去除20世纪80年代中期由Kordonski发明的磁流变抛光(MagnetorheologicalFinishingMRF)是利用磁场来改变磁流变液体的粘度,磁流变液体在泵之间循环。电磁使液体中固相之间不断交替(图5),磁流变抛光液加到旋转轮边缘并被带进抛光区,工件装夹在数控机床上并浸在液流里,材料去除量是由驻留时间决定的。砂轮边缘和抛光表面形成楔形间隙暴露在磁性域中,砂轮边缘的磁流变抛光液通过楔形间隙,抛光液在接触区产生剪切力并去除工件表面材料。由于去除率和流体粘度有关,因此去除率是很稳定的。通过监测和控制可以使流体粘度保持在±1%以内。通过改变砂轮速度,零件在磁流体中位置和磁场强度来调整去除率,产生光滑无损伤表面的同时得到相对高的稳定的材料去除率。不同于传统抛光,磨粒法向载荷能划伤工件表面,磁流变抛光依靠剪切模式去除材料,磨粒在法向方向不受任何法向力。5.2提高磁场强度(1)MAF是一种柔性抛光方法,不产生表面变质层,加工效率高,表面粗糙度可达到纳米级,能够实现对复杂表面的抛光加工。(2)在其它工艺参数不变的条件下,通过控制磁场强度和磁场分布以及在加工区域的驻留时间,可实现对材料的定量抛光。(3)磁流液在制造和使用中不受化学杂质的影响,原材料无毒,对环境友好。5.3表面粗糙度r磁流变抛光磁流变抛光主要应用在光学零件的超光滑抛光,如用W1微粉磨粒抛光K9玻璃、SiC陶瓷可得到表面粗糙度R磁流变用于有色金属抛光可使加工后的表面精度提高1/3,而且表面无变质层,磁流变抛光一般不用来抛光金属材料,磁流液会对金属表面产生腐蚀作用,出现点蚀现象,使表面粗糙度值增大。5.4磁流液的流变性磁流液是一种对磁场敏感的固液混合两相液流,它由磁性颗粒、基液和表面活性剂组成,磁场颗粒一般选用高饱和磁化强度的球形羰基铁微粉,粒径在0.01~10µm之间,质量体积大约为7~8g/cm将抛光粉加入磁流液中并混合均匀,就制成了磁流变抛光液,零磁场时它是可流动的,然而在外磁场作用下磁流液的性质发生急剧变化,磁场颗粒聚结成链状结构,整个流体表现出类似固体的力学性质,抛光粉受力浮于液面上,撤除外磁场后磁流液又能恢复流动性,响应时间极短。5.5加工工艺参数的优化(1)磁流变抛光液的研制,抛光液应具有零磁场流动性好,在外磁场作用下发生流变效应,且对磁场的响应速度快。(2)加工工艺参数的优化,如工件转速、磁场强度、磁场分布形式、工件材料特性以及抛光粉种类和含量等参数对磁流变抛光的影响,建立材料去除率、表面粗糙度的数学模型,针对不同工件材料,优化加工参数,用以指导生产。(3)磁流变数控加工装置的研究与开发。6研磨流加工6.1磨料流的使用方法东北大学在20世纪80年代就开展了磨料流光整加工机理的研究。磨料流加工(AbrasiveFlowMachiningAFM)是指在一定的压力(<10MPa)作用下,使含有磨料的半固态粘弹性介质,反复流经工件的内外表面、边缘和孔道以达到去毛刺、倒棱、抛光和去除再铸层的方法(也称为挤压珩磨)。以聚合物为基体的磨料介质,按其粘度、类型和磨粒的比例来选择,以适合被加工零件的形状和所要达到的加工作用,如去毛刺、抛光、倒角等。通常用油灰状介质在工件表面来回挤压,在一次装夹中这种磨料流要往返1~100次。用氧化铝、碳化硅、碳化硼或金刚石做磨料,挤压介质的速度取决于粘度、压力、工件的尺寸和通过的长度等因素。6.2物理机械性能(1)磨料流加工属于弹性