研磨时间对永磁交变磁场磁粒研磨效果影响研究

引言

磁粒研磨加工技术^[1](MagneticAbrasiveFinishing)是一种先进的光整形加工技术,其由于加工效率和精度高、加工质量好,适用于平面、球面、圆柱面和复杂形状零件的加工,并能控制研磨效率和精度,且磁性磨粒具有良好的自锐性、自适应性,因此该加工方法越来越受到关注。磁力研磨不仅可以应用于模具的精加工,而且在航空航天、精密仪器和精密量具、军工等重要行业也将有很好的应用前景。值得一提的是,磁粒研磨加工技术可以很好地与数控机床、加工中心和机器人技术结合,实现光整加工的自动化。

目前磁粒研磨光整加工技术大多采用永磁或电磁场,在磁场力的作用下工件和磁极间填充磁性磨粒,调整研磨间隙可以控制研磨压力,通过产生相对运动,磁粒刷对工件进行研磨加工。但在实际加工中,采用电磁线圈会导致其与磁极、工件构成的磁空间过大,且电磁线圈内部在研磨加工过程中产生的涡流热将导致电磁线圈发热严重,无法长时间持续使用,从而降低研磨加工效率。而采用传统的永磁极^[2]无法实现磁场的梯度变化来促进磁性磨粒频繁翻滚更新磨削刃,研磨轨迹也相对简单,也会影响研磨效果。

本文对SUS304不锈钢板研磨加工进行研究,使永磁交变磁场控制磁性磨料在主轴磨头径向做往复运动,加速了磨料的翻滚更新,减少了磨料的区域性聚集,提高了研磨质量和效率。

1 试验装置建立

1.1 试验装置结构

交变磁场平面磁粒研磨装置^[3]是一种结构复杂的精密设备,如图1所示,主要组件包括主轴进给装置、X—Y轴螺杆移动滑台和交变永磁极等,这些部件相互协作,确保研磨过程的稳定性和高效性。主轴进给装置是该装置的核心部分,它包括手摇轮、Z轴移动滑台、电机和电机支架、永磁体等部件。通过转动手摇轮,可以调节电机的上下进给,从而精确控制研磨间隙和研磨压力。这种精确的控制方式对于保证研磨质量和效率至关重要。

在主轴进给装置的帮助下,永磁极部分形成了稳定的磁场。该部分包括上部固定导磁支架、下部旋转交变研磨头和环形径向磁铁等部件,这些部件协同工作,使磁场保持稳定,确保平面磁粒研磨的效率和质量。在研磨过程中,在工件下方放置导磁块,可以起到牵引磁场向下穿过工件的作用,进而增强研磨过程中作用到工件表面的研磨压力,提高研磨效率和效果。与工件表面直接接触的磨料粒子在磁极头所产生的永磁交变磁场作用下,随着磁极头进行沿Z轴的回转运动,进而对工件表面进行研磨。通过手摇轮控制Z轴磨头的上下运动,可调整研磨间隙,X—Y轴移动滑台控制工件沿X轴和Y轴做往复进给 运动,使工件表面得到均匀研磨。

总的来说,交变磁场平面磁粒研磨装置凭借其独特的结构和精密的控制方式,实现了高效、高质量和更加自动化的平面磁粒研磨。它的出现,不仅提高了研磨效率,还为相关行业的发展提供了有力支持。

1.2 试验装置工作原理

研磨装置中的主轴旋转,带动旋转交变研磨头运动,研磨头与导磁支架产生相对旋转运动,进而形成磁力回路^[4]。对此过程进行有序控制,实现了磁力回路的产生与消失以及极性的转变。

如图2所示,磁性磨料^[5]在加工区域内沿磁感线分布,并呈现周期性地旋转翻滚变化,相比恒定永磁场,永磁交变磁场使磁性磨料状态更加容易控制,加速了磨料的翻滚更新,这种变化主动加速了研磨时磁性磨粒的循环,使其得到充分、高效的利用,可以显著提高研磨的效率与效果。

2试验条件与试验结果

2.1 试验参数

工件为SUS304不锈钢平板,长宽尺寸150 mm×150 mm。磁性磨料目数选择80目,使用水基研磨液与磁性磨料混合,以减少加工过程中产生的热量,且混合磨料^[6]具有润滑作用,有利于对工件的微量去除并减少损伤。永磁交变磁极在研磨过程中交变时会有一瞬间对外不显磁性,因此磁性磨料会因受到离心力的作用被甩离研磨区域,经多次试验证实,在转速为250 r/min以下时磁性磨料可以始终保持团聚状态^[7],所以将转速选为250 r/min,以保证试验成功。永磁交变磁极完成一次显磁性到不显磁性的变化过程为一个周期,所以一个周期磁极转动一周,可计算出对应的交变频率4.16 Hz^[8]。设置研磨时间,顺次取20、30、40 min,研磨试验后使用基恩士3D超景深电子显微镜对工件表面形貌进行观察与评价^[9]。

2.2 试验结果

从研磨前后表面形貌图(图3~6)可以看出,在磨料目数为80目,主轴转速250 r/min时,随着研磨时间的增加,加工形貌质量得到了明显提高,表面形貌更加光滑,加工划痕越来越少,但研磨时间超过30 min 后,随着研磨时间增加,加工形貌质量下降,表面形貌图中加工划痕增多,研磨效果下降。试验证明,研磨时间在30 min时工件表面研磨效果达到最佳。

3 结论

本文所述装置在传统恒定永磁场磁粒研磨基础上设计永磁铁结构,使永磁场实现交替变化,丰富磁性磨料运动方式,使研磨轨迹复杂化。基于对试验结果的分析和总结得出以下结论:

1)该装置通过X-Y轴移动滑台控制工件沿X轴和Y轴做往复运动,可以确保工件表面被均匀研磨。

2)永磁交变磁场能够带动磁性磨粒进行周期性反转更新,使研磨轨迹更为复杂,有助于提高研磨加工的表面质量及磨料的利用率,减少研磨过程中的浪费。

3)在主轴转速为250 r/min,磨料目数为80目,研磨时间为30 min时,SuS304不锈钢板的表面形貌达到最佳,为实际应用中设定合理的研磨条件提供了依据。

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2024年第10期第14篇