引言

磁粒研磨加工技術(shù)^[1](MagneticAbrasiveFinishing)是一種先進(jìn)的光整形加工技術(shù),其由于加工效率和精度高、加工質(zhì)量好,適用于平面、球面、圓柱面和復(fù)雜形狀零件的加工,并能控制研磨效率和精度,且磁性磨粒具有良好的自銳性、自適應(yīng)性,因此該加工方法越來(lái)越受到關(guān)注。磁力研磨不僅可以應(yīng)用于模具的精加工,而且在航空航天、精密儀器和精密量具、軍工等重要行業(yè)也將有很好的應(yīng)用前景。值得一提的是,磁粒研磨加工技術(shù)可以很好地與數(shù)控機(jī)床、加工中心和機(jī)器人技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化。

目前磁粒研磨光整加工技術(shù)大多采用永磁或電磁場(chǎng),在磁場(chǎng)力的作用下工件和磁極間填充磁性磨粒,調(diào)整研磨間隙可以控制研磨壓力,通過(guò)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),磁粒刷對(duì)工件進(jìn)行研磨加工。但在實(shí)際加工中,采用電磁線(xiàn)圈會(huì)導(dǎo)致其與磁極、工件構(gòu)成的磁空間過(guò)大,且電磁線(xiàn)圈內(nèi)部在研磨加工過(guò)程中產(chǎn)生的渦流熱將導(dǎo)致電磁線(xiàn)圈發(fā)熱嚴(yán)重,無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)使用,從而降低研磨加工效率。而采用傳統(tǒng)的永磁極^[2]無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的梯度變化來(lái)促進(jìn)磁性磨粒頻繁翻滾更新磨削刃,研磨軌跡也相對(duì)簡(jiǎn)單,也會(huì)影響研磨效果。

本文對(duì)SUS304不銹鋼板研磨加工進(jìn)行研究,使永磁交變磁場(chǎng)控制磁性磨料在主軸磨頭徑向做往復(fù)運(yùn)動(dòng),加速了磨料的翻滾更新,減少了磨料的區(qū)域性聚集,提高了研磨質(zhì)量和效率。

1 試驗(yàn)裝置建立

1.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

交變磁場(chǎng)平面磁粒研磨裝置^[3]是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密設(shè)備,如圖1所示,主要組件包括主軸進(jìn)給裝置、X—Y軸螺桿移動(dòng)滑臺(tái)和交變永磁極等,這些部件相互協(xié)作,確保研磨過(guò)程的穩(wěn)定性和高效性。主軸進(jìn)給裝置是該裝置的核心部分,它包括手搖輪、Z軸移動(dòng)滑臺(tái)、電機(jī)和電機(jī)支架、永磁體等部件。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手搖輪,可以調(diào)節(jié)電機(jī)的上下進(jìn)給,從而精確控制研磨間隙和研磨壓力。這種精確的控制方式對(duì)于保證研磨質(zhì)量和效率至關(guān)重要。

在主軸進(jìn)給裝置的幫助下,永磁極部分形成了穩(wěn)定的磁場(chǎng)。該部分包括上部固定導(dǎo)磁支架、下部旋轉(zhuǎn)交變研磨頭和環(huán)形徑向磁鐵等部件,這些部件協(xié)同工作,使磁場(chǎng)保持穩(wěn)定,確保平面磁粒研磨的效率和質(zhì)量。在研磨過(guò)程中,在工件下方放置導(dǎo)磁塊,可以起到牽引磁場(chǎng)向下穿過(guò)工件的作用,進(jìn)而增強(qiáng)研磨過(guò)程中作用到工件表面的研磨壓力,提高研磨效率和效果。與工件表面直接接觸的磨料粒子在磁極頭所產(chǎn)生的永磁交變磁場(chǎng)作用下,隨著磁極頭進(jìn)行沿Z軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而對(duì)工件表面進(jìn)行研磨。通過(guò)手搖輪控制Z軸磨頭的上下運(yùn)動(dòng),可調(diào)整研磨間隙,X—Y軸移動(dòng)滑臺(tái)控制工件沿X軸和Y軸做往復(fù)進(jìn)給 運(yùn)動(dòng),使工件表面得到均勻研磨。

總的來(lái)說(shuō),交變磁場(chǎng)平面磁粒研磨裝置憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和精密的控制方式,實(shí)現(xiàn)了高效、高質(zhì)量和更加自動(dòng)化的平面磁粒研磨。它的出現(xiàn),不僅提高了研磨效率,還為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。

1.2 試驗(yàn)裝置工作原理

研磨裝置中的主軸旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)交變研磨頭運(yùn)動(dòng),研磨頭與導(dǎo)磁支架產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而形成磁力回路^[4]。對(duì)此過(guò)程進(jìn)行有序控制,實(shí)現(xiàn)了磁力回路的產(chǎn)生與消失以及極性的轉(zhuǎn)變。

如圖2所示,磁性磨料^[5]在加工區(qū)域內(nèi)沿磁感線(xiàn)分布,并呈現(xiàn)周期性地旋轉(zhuǎn)翻滾變化,相比恒定永磁場(chǎng),永磁交變磁場(chǎng)使磁性磨料狀態(tài)更加容易控制,加速了磨料的翻滾更新,這種變化主動(dòng)加速了研磨時(shí)磁性磨粒的循環(huán),使其得到充分、高效的利用,可以顯著提高研磨的效率與效果。

2試驗(yàn)條件與試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

工件為SUS304不銹鋼平板,長(zhǎng)寬尺寸150 mm×150 mm。磁性磨料目數(shù)選擇80目,使用水基研磨液與磁性磨料混合,以減少加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量,且混合磨料^[6]具有潤(rùn)滑作用,有利于對(duì)工件的微量去除并減少損傷。永磁交變磁極在研磨過(guò)程中交變時(shí)會(huì)有一瞬間對(duì)外不顯磁性,因此磁性磨料會(huì)因受到離心力的作用被甩離研磨區(qū)域,經(jīng)多次試驗(yàn)證實(shí),在轉(zhuǎn)速為250 r/min以下時(shí)磁性磨料可以始終保持團(tuán)聚狀態(tài)^[7],所以將轉(zhuǎn)速選為250 r/min,以保證試驗(yàn)成功。永磁交變磁極完成一次顯磁性到不顯磁性的變化過(guò)程為一個(gè)周期,所以一個(gè)周期磁極轉(zhuǎn)動(dòng)一周,可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的交變頻率4.16 Hz^[8]。設(shè)置研磨時(shí)間,順次取20、30、40 min,研磨試驗(yàn)后使用基恩士3D超景深電子顯微鏡對(duì)工件表面形貌進(jìn)行觀察與評(píng)價(jià)^[9]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

從研磨前后表面形貌圖(圖3~6)可以看出,在磨料目數(shù)為80目,主軸轉(zhuǎn)速250 r/min時(shí),隨著研磨時(shí)間的增加,加工形貌質(zhì)量得到了明顯提高,表面形貌更加光滑,加工劃痕越來(lái)越少,但研磨時(shí)間超過(guò)30 min 后,隨著研磨時(shí)間增加,加工形貌質(zhì)量下降,表面形貌圖中加工劃痕增多,研磨效果下降。試驗(yàn)證明,研磨時(shí)間在30 min時(shí)工件表面研磨效果達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

本文所述裝置在傳統(tǒng)恒定永磁場(chǎng)磁粒研磨基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)永磁鐵結(jié)構(gòu),使永磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)交替變化,豐富磁性磨料運(yùn)動(dòng)方式,使研磨軌跡復(fù)雜化。基于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析和總結(jié)得出以下結(jié)論:

1)該裝置通過(guò)X-Y軸移動(dòng)滑臺(tái)控制工件沿X軸和Y軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng),可以確保工件表面被均勻研磨。

2)永磁交變磁場(chǎng)能夠帶動(dòng)磁性磨粒進(jìn)行周期性反轉(zhuǎn)更新,使研磨軌跡更為復(fù)雜,有助于提高研磨加工的表面質(zhì)量及磨料的利用率,減少研磨過(guò)程中的浪費(fèi)。

3)在主軸轉(zhuǎn)速為250 r/min,磨料目數(shù)為80目,研磨時(shí)間為30 min時(shí),SuS304不銹鋼板的表面形貌達(dá)到最佳,為實(shí)際應(yīng)用中設(shè)定合理的研磨條件提供了依據(jù)。

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2024年第10期第14篇