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磁研磨法在曲面模具型腔抛光中应用
2006年2月23日 15:6  
    用电火花加工或用三维自动机床加工出来的复杂自由曲面,在去毛刺、抛光等处理过程中,目前很多企业还停留在费工、费时的手工操作阶段,不仅加工效率不高,自动化程度低,有些甚至无法加工。磁研磨加工法无疑可以弥补其不足.起到改善工作条件,推动自动化进程的作用,加工过去传统工艺所无法加上的复杂形状内表面(如复杂型腔、微型内螺纹表面、弯管内表面等)工件。本文就利用磁研磨法对复杂自由曲面型腔抛光的工作原理以及加工条件等做一介绍。

    关键词 磁研磨 型腔 抛先 磁力线 磁场强度

    1 磁研磨法的加工原理

    作为模具型腔加工最后一道工序的光整加工,其所得到的表面粗糙度值,将直接影响产品的加工质量。由于很多模具型腔表面形状复杂,一般工具难于介入,用传统工艺很难得到理想的表面粗糙度值。目前还没有一套比较成熟的自动化加工方法和工艺来解决这一难题。磁研唐加工法㈥其具有很好的柔性、自适应性、可控性等优点,可以在复杂形状工件表面得到较低的粗糙度值,因而近几年得到国际上广泛的关注。

    所谓磁研磨法,就是通过磁场中磁力的作用,将磁性研磨粒子(能被磁铁吸引,并能研磨工件的粉末)吸压在工件表面,工件表面与磁极之间可以有数毫米间隙,磁性研磨粒子在加工间隙中沿磁力线整齐排列,形成磁性刷,并由于磁力的作用压附在工件表面。旋转磁场或旋转工件使磁性刷与工件表面产生相对运动,从而完成对工件表面的研磨加工。

    磁研磨加工法的特点是:加工间隙中的研磨粒子组成磁性刷,随着工件形状的变化而变化,在下件表面仿形压附、翻滚、分离,不受表面形状的限制,有很好的加工柔性,可以对任意形状的表面进行抛光处理。另一个特点就是:由于磁力线象x射线一样能够穿过物体,所以,磁性研磨粒子可以进入普通刀具无法介入的任意形状的内部表面,如模具型腔、弯管内部、小瓶颈容器等。通过变化外部的磁铁改变磁力线的方向即可控制磁性研磨粒子按照规定的轨迹研磨内表面,完成过去所无法加工的领域。

    2 加工装置的组成

    磁研磨加工装置基本上是由能使磁铁和磁性研磨粒子转动并给予一定圆周速度的驱动系统组成。它可以在普通机床上稍加改装即可容易实现。图1是在三坐标数控铣床上,利用磁研磨原理对复杂形状型腔表面抛光加工的示意图。先用该铣床粗加工出三维曲面,然后再用该铣床直接进行磁力研磨精密抛光处理,这样就可以利用加工时的NC数据进行磁研磨加工,从而在精密抛光的同时,保证了工件的形状精度。

                

 

    装臂中,线圈中的磁极与机床的旋转中心同心.磁极底部与工件之间留有数毫米(1-3mm)的间隙,在间隙中填充磁性磨料。由于磁力的作用,磨料被磁化,磨料沿着磁力线的方向象珠子一样排列,形成具有一定刚度的磁力刷,并对工件表面产生一定的压力,仿照工件表面形状贴附在工件的表面,并伴随磁极在工件表面移动,对表面进行研磨抛光加工。

    由于有数毫米的间隙,即使工件表面上有许多凸凹面,磁性磨粒也能随其形状的变化而变化,确保得到精密研磨。因此,即使工件的表面是复杂的自由表面,只要通过控制机床本身一定程度的运动轨迹,即可使复杂的自由表面得以精密研磨抛光,使得原来用普通的砂轮磨削所无法加工的表面,得到很好的精密加工处理,如图2所示。

3 影响研磨特性的因素分析

  影响到磁研磨的加工效率和质量的因素很多,磁力的大小是影响到研磨效率的最主要的因素之一。

    图3所示,磁性磨粒中的一个粒子A,其受到两个力的作用,一个是等磁位线上的力Fx;一个是磁力线上的力Fy;其合力是磁力Fo由于磁力F的作用,将磁性研磨粒子向磁场内集中,防止了由于磁极在旋转中所产生离心力的作用而使粒子向外扩散,同时,对工件表面施加压力。

    公式I可知,分布在磁场中的研磨粒子所受到的磁力F,主要由磁场强度、磁场强度的变化率、磁性磨粒的直径以及磁性磨粒的磁化率大小所决定,下面逐一进行分析。

    (1)工作间隙的影响。

    由实验可知(试件是钢,实验结果见图4),磁场强度的大小与工作间隙有关,即与磁极N-S间的距离成反比。

   当工件是磁性材料时,在磁场中.工件被磁化,成为新的磁极,工件与磁极间的间隙就是工作间隙,此时的间隙通常很小,在1-3mm,左右,所以,可以得到较大的磁场强度,研磨效率较高。由此可见,工作间隙越小,研磨力越大,研磨效率也越高。对于复杂形状的模具,可以考虑改变磁极的形状,尽可能地位使与零件表面形状相匹配,最大限度地减少工作间隙并保持一致性,从而提高研唐效率和加上质量。

    当工件是非磁性材料时,工件不能被磁化。为得到较大的磁力,工作台采用强磁性材料制成,成为另一个磁极;磁力线象X射线一样穿过工件,此时的工作间隙是磁极与工作台之间的距离,通常比磁性材料工件时的要大(特别是在工件较厚时)。所以磁场强度较小,研磨效率山不高。因此,在加工非磁性材料工件时,提高工作效率的主要方法是提高粒子的磁化率和粒的直径。通常,在磁性研磨粒子的制备工艺中粒子的母体多采用铁粒子,而外层常采用粘接、烧结等方法裹着比铁粒子直径小的硬质合金磨料。这样,磁化率是一定的,所以只有通过增大铁粒子的直径D来提高磁力F。

    (2)磁性磨粒直径的影响。

    由上式可知,磁力与磁性磨粒直径的3次方成正比。这表明,增大粒径,磁吸引力将急剧增加,粒子间的相对滑动就会减少,由磁性磨粒所构成的磁力刷会更好的追随碰极转动,粒子间的相对滑动也减少。但是,加工域的空间是有限的;另外,随着粒径的增大,参与切削的切削刃的数量也减少,使得研磨效率反而降低;也就是说,粒径有一个最佳值。

    (3)磁山线方向和磁极形状的影响。

    对于非磁性材料工件,也可以通过改变磁极的排列状态来改变磁力线的方向,从而达到提高研磨工作效率的目的。如图5所示足一个陶瓷弯管内表面的加工示意图。为了提高工作效率,对工件和磁铁的运动方式以及磁性磨料都作了改进。图5b可以看到,磁力线穿过工件,形成封闭的磁力回路。

    另一方面,磁场强度变化率也不容忽视,可以通过改变磁极的形状来获得。这一点非常重要,因为它不仅影响到磁场的分布,还影响磁力线的方向,影响磁粒在磁场中的受力状态。通常采用在磁极上开槽的方式来获取磁场强度变化率。因为开槽后的磁极,各处的工作间隙不同,所得到的磁场强度也不同,产生了磁场的强弱变化。磁性粒子总是向磁力大的地方流动,这样就促进了碰性磨粒的流动性,从而大幅度提高加工效率。

    4 结束语

    (1)复杂自由曲面的去毛刺、抛光处理,目前很多企业还停留在加工效率低、费厂、费时的于工加工阶段,自动化程度还很低。礅研磨加工法无疑可以起到改善工作条件,推动自动化进程的作用。

    (2)对于磨具型腔、微型内螺纹人面、弯管内表面等工件,可以将微小颗粒的磁性磨料投入进去,利用外部的磁极所产生的磁力,将磁性磨粒压附在于件表面,从而完成过去传统下艺所无法加工的复杂形状内表面。

    (3)加工条件对最终得到的粗糙度以及加工效率有着举足轻重的影响,加工时要根据工件的实际情况加以改变,以得到最佳效果。

 
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