環(huán)形磁場輔助金屬材料雙面拋光.pdf

1、拋光是精密和超精零件生產(chǎn)過程中最后一道工序。它在生產(chǎn)過程中不可控，勞動強度高，是整個零件制造過程中成本最高的部分。它的作用是提高零件的耐磨性和降低零件表面粗糙度。但是，傳統(tǒng)拋光工藝存在加工效率低，生產(chǎn)成本高等問題。磁力拋光技術(shù)作為一種有效的拋光方法已被廣泛應(yīng)用。磁力拋光過程中，磁性磨粒在磁場的作用下形成柔性拋光層，利用該柔性拋光層可對工件表面實行高效、均勻、高質(zhì)的拋光。但是，現(xiàn)有技術(shù)僅能同時拋光工件的一個表面。本文提出了一種磁力研磨拋光

2、(MAP)方法，該方法可同時對工件的兩個側(cè)面拋光，并且拋光后的零件表面具有高精度、高表面質(zhì)量和低亞表面缺陷，大大提高加工效率。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　本文介紹了MAP與MAF方法，該方法使用磁場來拋光兩個表面，不僅能有效拋光結(jié)構(gòu)件兩側(cè)，還可以提高工作效率。兩個表面同時加工，需要設(shè)計能拋光兩個外表面裝置，進(jìn)行相應(yīng)的實驗，找出拋光過程的精確參數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)的實驗驗證。文章首先介紹了常規(guī)光整工藝中的材料去除機理。磨削、珩磨、微研磨是

3、常規(guī)研磨加工工藝。用多點切削的磨料切削顆粒，一個或多個磨粒與工件的相互作用形成切割、坍塌、滑動、摩擦，從而使材料去除。切割是加工材料主要去除過程，坍塌是一種物質(zhì)位移過程，滑動是一個材料的修改過程。工件的變形和表面粗糙度取決于磨料拋光過程中的切削力大小和有效切削刃的數(shù)量。在磨削過程中，由于磨料顆粒在砂輪表面的隨機均勻分布，因而能夠更有效地去除材料。使用松散的研磨料的研磨過程中所產(chǎn)生的光滑表面，比磨削的表面質(zhì)量要好。研磨需要非常低的研磨壓力

4、和緩慢的運動，以增加表面光潔度和尺寸精度。研磨加工表面的形狀限于圓柱和平面類的簡單零件。珩磨通常采用低切削速度，低壓力和大面積的接觸，使用堅硬的材料組成的磨料。該磨料做低速往復(fù)運動，并且在工件表面高速旋轉(zhuǎn)，因此工件表面會產(chǎn)生劃痕。
　　對于傳統(tǒng)光整工藝需要較高的設(shè)備成本，且無法獲得納米/微米級的表面粗糙度，因此需要開發(fā)先進(jìn)的研磨拋光工藝。磨料流加工是一種應(yīng)用范圍更為廣泛的工藝過程。MAF，MRF和MFP是通過磁場控制含有磨粒磨料加

5、工。MAF主要用于金屬和陶瓷的圓柱面和平面的加工。MAF常用于工件表面和邊緣的加工，被加工的工件位于兩磁極間隙間，工件和磁極間填充磨料。磁流變拋光過程中使用的智能流體稱為磁流變液。施加磁場的區(qū)域產(chǎn)生一個短暫硬化區(qū)，該硬化區(qū)與工件表面相互作用，從而去除工件表面損傷和亞表面損傷層。這些流體含有懸浮的磁性顆粒和拋光磨料，材料去除率與磁場強度成正比。MFP方法是基于磁流體懸浮球、磨料和浮墊的現(xiàn)象，具有很高的精度和可靠性且拋光時間很短。
　

6、　磁力拋光多數(shù)以單面拋光方式。本文提出了基于環(huán)形磁場勵磁的磁力拋光新工藝，該方法可以同時有效拋光兩個側(cè)面。通過設(shè)計能環(huán)形磁場的勵磁系統(tǒng)、并進(jìn)行三維有限元仿真分析、搭建了環(huán)形磁場雙面拋光裝置。研制的環(huán)形磁場兩面磁力拋光設(shè)備主要包括電磁鐵、夾具、工件軸。環(huán)形間隙中填滿拋光粉。工件裝夾在一個特定尺寸圓盤形夾具上，該夾具與立式銑床的主軸相連，夾具和工件可以隨著立式銑床的主軸旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)節(jié)。工件與電磁鐵鐵芯間的距離為工作間隙。磁力拋光

7、加工時，電磁鐵接通直流電源后，鐵粉顆粒在環(huán)形磁場中組成一條條沿徑向分布的磁鏈，從而形成強粘度的磁力刷。當(dāng)工件在環(huán)形間隙中作切割磁鏈運動時，使原來一條沿徑向分布的磁鏈斷裂成兩條，從而形成了兩個微小刷頭;這兩條暫時斷裂的磁鏈在磁場的作用下有相互愈合的趨勢，會擠壓均勻分布于于這些磁力刷頭之中的磨粒，使磨粒與工件的兩個表面相互作用實現(xiàn)材料的去除，以達(dá)到同時光整加工工件兩個表面的目的。勵磁系統(tǒng)是磁力拋光實驗裝置的關(guān)鍵，其主要包含具有環(huán)形間隙結(jié)構(gòu)的

8、電磁鐵，電磁鐵主要由直流電源、線圈、鐵芯、導(dǎo)磁板等組成。當(dāng)提供一個直流電流給線圈后，線圈環(huán)繞的鐵芯會被磁化，形成一個圓柱形磁鐵。當(dāng)鐵芯與純鐵材料制成的導(dǎo)磁板相連時，電磁鐵會經(jīng)由導(dǎo)磁板間形成一個閉合回路。如果將上導(dǎo)磁板開一個圓孔，使圓孔與圓柱鐵芯同心且保留一定的間隙，當(dāng)該間隙很小時，不會影響磁路的形成，這樣在上導(dǎo)磁板與鐵芯間會形成一個徑向的環(huán)形磁場。改變通往線圈電流的大小可以得到不同磁場強度的環(huán)形磁場。
　　使用Maxwell軟件建

9、立了勵磁電磁鐵三維有限元分析模型。該模型中鐵芯和導(dǎo)磁板的材料都選工業(yè)純鐵。采用軟件自動生成網(wǎng)格，激勵源為電流。對于3D靜磁場分析，以空氣環(huán)境包圍整個區(qū)域的求解域，與所需要的磁場邊界條件滿足無限遠(yuǎn)邊界條件。經(jīng)過仿真計算，得到電磁鐵的磁場強度分布。電磁鐵在其環(huán)形間隙處形成的磁場強度沿徑向方向分布均勻。磁感應(yīng)強度可以明顯分為三個梯度，環(huán)形間隙上部分縱向均勻性較好，環(huán)形間隙底部均勻性稍差。雙面磁力拋光時，工件主要位于環(huán)形磁場的上部分磁場中加工，

10、有利于提高拋光表面各點的材料去除率和表面質(zhì)量的均勻性。利用該平臺進(jìn)行不銹鋼兩面拋光工藝試驗研究，探討了電流強度、磁極工件間間隙、主軸轉(zhuǎn)速和拋光時間工藝等參數(shù)對表面粗糙度的影響，得出表面粗糙度隨著拋光時間、工作間隙、工件轉(zhuǎn)速之間關(guān)系。通過正交實驗，獲得了兩面磁力拋光工藝的優(yōu)化參數(shù)，利用該優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行實驗，得了具有較低表面粗糙度試件樣品。試驗證明，該方法可以同時對工件的兩個表面進(jìn)行拋光，兩個表面的表面粗糙度Ra由最初的0.2μm下降到0.0

11、94μm.
　　粒子群優(yōu)化(Partical Swarm Optimization-PSO)算法是近年來發(fā)展起來的一種新的進(jìn)化算法(Evolu2tionaryAlgorithm-EA)。利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(MOPSOA)，對在環(huán)形磁場拋光時的工件兩面上的粗糙度同時進(jìn)行優(yōu)化，材料為合金SUS304和銅，優(yōu)化過程考慮了拋光模型中最重要的參數(shù)，包括電流、工件與電極之間的間隙、主軸轉(zhuǎn)速與拋光時間。MOPSOA目標(biāo)函數(shù)依賴于拋光材料的

12、兩側(cè)的表面粗糙度(Ra1，Ra2)。
　　為研究拋光時間對工件表面粗糙度Ra的影響，選取不銹鋼與銅薄片進(jìn)行磁力拋光試驗。選取工作間隙δ w、轉(zhuǎn)速n、加工時間t作為試驗參數(shù)，采用正交表進(jìn)行正交實驗。試驗中，將工件靠近電磁鐵是南極S面的表面粗糙度記為Ra(S)，靠近電磁鐵北極N面的記為Ra(N)。表面粗糙度Ra隨著拋光時間的延長，先急劇減小，后減小緩慢，最后趨向于飽和。拋光初期，工件原始表面質(zhì)量差，工件表面絕大部分尖銳凸起部分與磨粒相

13、互作用被去除，表面粗糙度Ra值下降較快;隨著拋光的進(jìn)行，工件表面越來越光滑，磨粒與工件的相互作用越來越弱，表面粗糙度Ra值下降放緩;隨后，受到磨粒本身粒度的限制，拋光時間增長，表面粗糙度Ra值達(dá)到飽和狀態(tài)。表面粗糙度Ra也隨著拋光時間、工作間隙、工件轉(zhuǎn)速的增大而減小。拋光時間越長，磁力拋光作用越充分，故表面粗糙度Ra小;工作間隙越大，環(huán)形間隙中的磁感應(yīng)強度越小，形成的磁鏈對磨粒的壓力越小，磨粒切入工件表面的深度越淺，因而磁力拋光后殘留的