XM100光學(xué)銑磨機(jī)主軸軸承座立式磁性研磨機(jī)設(shè)計(jì)-主軸箱含5張CAD圖

XM100光學(xué)銑磨機(jī)主軸軸承座立式磁性研磨機(jī)設(shè)計(jì)-主軸箱含5張CAD圖,xm100,光學(xué),機(jī)主,軸承,立式,磁性,研磨機(jī),設(shè)計(jì),主軸,cad XM100光學(xué)銑磨機(jī)主軸軸承座立式磁性研磨機(jī)設(shè)計(jì) （主軸箱設(shè)計(jì)） 摘 要 磁性研磨加工方法是一種利用磁場(chǎng)作用進(jìn)行研磨加工的新型表面光整加工方法，是通過(guò)研磨混合物作為研磨工具作用在工件表面，進(jìn)行精密加工的。 本設(shè)計(jì)主要完成的是軸類零件的磁性研磨加工機(jī)床的設(shè)計(jì)。 在查閱國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，闡述了磁性研磨加工技術(shù)發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及加工原理和加工特點(diǎn)，并針對(duì)不同的加工對(duì)象，提出了專門化加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)方案。 本文針對(duì)軸類零件的內(nèi)圓表面進(jìn)行加工。在進(jìn)行機(jī)床總體設(shè)計(jì)的同時(shí)，著重完成磁極裝置和主軸箱部分的設(shè)計(jì)。 主軸箱通過(guò)撥桿結(jié)構(gòu)使主軸可以有12級(jí)變速。主軸箱通過(guò)齒輪帶動(dòng)將電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速傳動(dòng)傳遞到主軸，使機(jī)床可以正常工作。 磁性研磨加工裝置的設(shè)計(jì)采用電磁勵(lì)磁方式，不僅電流調(diào)整方便，適應(yīng)不同材料的工件的加工，更重要的是退磁方便可靠， 便于磁性磨料的裝卸，可保證光整加工效果。 關(guān)鍵詞: 磁性研磨；主軸箱部件；電磁磁極； 主軸 XM100 optical milling mill spindle bearing vertical magnetic grinder design (Headstock design) ABSTRACT The magnetic grinding method is a new type of surface finishing method that utilizes the action of a magnetic field to perform the grinding process. The grinding mixture is used as a grinding tool to act on the surface of the workpiece and perform precision machining. This design mainly completes the design of magnetic grinding machine tools for shaft parts. On the basis of consulting a large number of domestic and foreign documents, the development history, research status, development trends, processing principles and processing characteristics of magnetic grinding processing technology are described. According to different processing objects, the composition of specialized processing equipment is proposed. This article deals with the machining of the inner surface of a shaft part. While carrying out the overall design of the machine tool, the design of the magnetic pole device and the headstock part is emphatically completed. The spindle box allows the gear to have 12 speed changes through the lever structure. The spindle box drives the power and speed of the motor to the main shaft through the gears so that the machine can work normally. The design of magnetic grinding processing equipment adopts electromagnetic excitation mode, which not only facilitates current adjustment, but also adapts to the processing of workpieces with different materials. More importantly, it is convenient and reliable for demagnetization, which facilitates the loading and unloading of magnetic abrasives and ensures the smoothing effect. Keywords : magnetic grinding; spindle box component; electromagnetic pole; spindle III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 選題背景及意義 2 1.2.1 課題產(chǎn)生的背景 2 1.2.2 選題的意義 2 1.3 磁力研磨加工技術(shù)概述 3 1.3.1 磁力研磨加工技術(shù)的發(fā)展歷史 3 1.3.2 磁性研磨加工的發(fā)展趨勢(shì) 5 1.4 磁性研磨加工的特點(diǎn) 7 2 磁性研磨加工 9 2.1 研磨加工機(jī)理 9 2.1.1 微量切削作用 10 2.1.2 磨損作用 10 2.1.3 電化學(xué)作用 11 2.1.4 磨粒的切削軌跡 11 2.2 影響磁性研磨光整加工效果的因素 12 2.2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度 12 2.2.2 工作間隙 14 2.2.3 工件的回轉(zhuǎn)速度 15 2.2.4 工件的軸向振動(dòng) 15 2.2.5 工件的材質(zhì) 16 2.2.6 磁極頭的幾何形狀 18 2.2.7 加工液 20 2.2.8 磁磨粉 21 2.3 磁性研磨加工的裝置 23 3 磁性研磨機(jī)床總體設(shè)計(jì) 27 3.1 單件加工時(shí)的總體方案設(shè)計(jì) 27 3.1.1 運(yùn)動(dòng)分配方案 27 3.1.2 方案比較 27 3.2 總體方案的確定 28 4 磁極裝置設(shè)計(jì) 29 4.1 方案比較 29 4.1.1 電磁和永磁磁極的比較 29 4.1.2 磁極排列方式比較 30 4.1.3 磁極調(diào)整方式比較 30 4.2 磁場(chǎng)發(fā)生裝置設(shè)計(jì) 31 4.2.1 磁路設(shè)計(jì)理論概述 31 4.2.2 磁路結(jié)構(gòu) 32 4.2.3 線圈的設(shè)計(jì) 32 4.2.4 磁極的設(shè)計(jì) 37 5 主軸箱部件設(shè)計(jì) 39 5.1 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 39 5.1.1 已知條件 39 5.1.2 結(jié)構(gòu)分析式 39 5.1.3 繪制轉(zhuǎn)速圖 40 5.1.4 繪制傳動(dòng)系統(tǒng)圖 44 5.2 動(dòng)力設(shè)計(jì) 44 5.2.1 確定各軸轉(zhuǎn)速 44 5.2.2 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 45 5.2.3 各傳動(dòng)組齒輪模數(shù)的確定和校核 47 5.3 齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 50 5.3.1 校核a傳動(dòng)組齒輪 50 5.3.2 校核b傳動(dòng)組齒輪 52 5.3.3 校核c傳動(dòng)組齒輪 53 5.3.4 齒輪各項(xiàng)參數(shù)的確定 55 5.4 各軸的設(shè)計(jì)及主軸的校核 56 5.4.1 確定各軸最小直徑 56 5.4.2 各軸軸承選擇 57 5.4.3 主軸尺寸的確定 57 5.5 傳動(dòng)部件的強(qiáng)度驗(yàn)算 58 5.5.1 傳動(dòng)1軸上的強(qiáng)度驗(yàn)算 58 5.5.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸及軸上零件設(shè)計(jì)校核 63 5.5.3 主軸組件的剛度驗(yàn)算 68 5.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說(shuō)明 70 5.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案 70 5.6.2 展開(kāi)圖及其布置 70 5.6.3 齒輪塊設(shè)計(jì) 71 5.6.4 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 72 5.6.5 潤(rùn)滑與密封 73 5.6.6 其他問(wèn)題 74 6 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 75 6.1 方案的比較 75 6.2 螺旋傳動(dòng)的幾種優(yōu)點(diǎn) 75 6.3 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn) 75 6.4 螺紋形式的選用 75 6.5 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)副的設(shè)計(jì)計(jì)算 75 6.5.1 耐磨性計(jì)算 76 6.5.2 驗(yàn)算自鎖 77 6.5.3 螺桿強(qiáng)度 78 6.5.4 螺桿的穩(wěn)定性 79 6.5.5 螺桿的剛度 80 6.6 振動(dòng)機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 82 6.6.1 振動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇 82 6.6.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 84 7 立式研磨機(jī)床的支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 88 7.1 材料及熱處理 88 7.2 壁厚的選擇 88 7.3 立柱的設(shè)計(jì) 89 結(jié) 論 90 參考文獻(xiàn) 91 致 謝 92 1 緒論 1.1 引言 現(xiàn)代科技的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，使得作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部分提供技術(shù)裝備的機(jī)械工業(yè)，無(wú)論在加工技術(shù)還是加工設(shè)備的各個(gè)方面都要求取得飛速發(fā)展。人們對(duì)許多產(chǎn)品的性能、質(zhì)量都提出了越來(lái)越高的要求，期望以低廉的價(jià)格，獲取功能齊全、性能良好、使用可靠的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。光整加工技術(shù)的宗旨正是以提高零件表面質(zhì)量為目的，該技術(shù)在保持或提高零件型面加工精度的前提下，可以降低零件表面的粗糙度值。經(jīng)過(guò)光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微觀幾何形貌，不僅具有良好的外觀質(zhì)量，而且還有耐磨、防腐蝕和抗疲勞等作用。就外觀質(zhì)量來(lái)說(shuō)，對(duì)于一些產(chǎn)品尤其是承受沖擊和交變載荷的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，一般其表面粗糙度值降低，其使用壽命可以顯著提高。如對(duì)滾動(dòng)軸承來(lái)說(shuō)，如果使其滾道的表面粗糙度值由RaO.4um提高到RaO.04um，其使用壽命可以提高4倍以上，并能消除波紋度、減小軸承的振動(dòng)和噪聲?？梢?jiàn)光整加工對(duì)于提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能具有至關(guān)重要的作用。 國(guó)際上目前采用的光整加工的方法主要有:手工拋光、機(jī)械研磨拋光、 超聲波拋光、化學(xué)與電化學(xué)拋光、電化學(xué)機(jī)械光整加工、磁性研磨等 。手工拋光是最常用的光整加工方法。這種方法不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工效率低，而且對(duì)工人的技術(shù)熟練程度要求高。超聲波拋光也是一種手工操作的輔助拋光方式，主要用于槽、縫、邊角等人的手指難觸及的部位的拋光，這種拋光方式的加工效率非常低。相比之下，化學(xué)、電化學(xué)拋光和電化學(xué)機(jī)械光整加工的加工效率則要高的多，由于這三種加工方式屬于腐蝕和溶解加工，對(duì)材料的硬度、韌性和強(qiáng)度等幾乎不受任何限制，目前己經(jīng)在內(nèi)外圓柱表面的鏡面加工中獲得應(yīng)用。雖然化學(xué)、電化學(xué)和電化學(xué)機(jī)械光整加工方法有著很高的加工效率，但由于影響它們的加工因素很多，難于控制，對(duì)環(huán)境和工人的健康也有一定程度的危害，其應(yīng)用范圍受到很大的制約，目前還僅能用于一些簡(jiǎn)單型面或小的復(fù)雜工件的光整加工上。 磁性研磨加工技術(shù)是一種有效的光整加工方法之一，這種加工方法具有高效率、高精度和高表面質(zhì)量的特點(diǎn)，適合于平面、球面、圓柱面和其他復(fù)雜形狀零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。值得一提的是磁性研磨加工技術(shù)可以很好的與數(shù)控機(jī)床，加工中心和機(jī)器人結(jié)合，以使實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化。因此磁性研磨加工技術(shù)越來(lái)越得到重視。 1.2 選題背景及意義 1.2.1 課題產(chǎn)生的背景 裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,精密研磨技術(shù)是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的基礎(chǔ)。然而世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將精密加工列為國(guó)家保密技術(shù),不僅采取很多措施來(lái)發(fā)展自己的精密加工技術(shù)及其產(chǎn)業(yè),而且在“高精尖”精密加工關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。發(fā)展以精密加工技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。在精密加工領(lǐng)域由于常規(guī)的加工方法有著各方面的限制，也不易對(duì)其進(jìn)行有效的加工。另外，一些微小零件如各種首飾、電氣電路中使用的觸點(diǎn)、軸承的滾珠等，由于體積比較小，不方便裝夾，也難以應(yīng)用常規(guī)的方法對(duì)其進(jìn)行表面拋光加工。為了解決這些問(wèn)題，發(fā)展磁力研磨加工技術(shù)對(duì)我國(guó)裝備制造業(yè)未來(lái)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。 1.2.2 選題的意義 由于上述的各種理由，為了滿足生產(chǎn)和生活的需求，我們有必要開(kāi)發(fā)一種能夠滿足加工要求且成本低廉、操作簡(jiǎn)便、高效率的拋光方法，以突破傳統(tǒng)加工方法所遭遇的瓶頸。近幾十年來(lái)興起的磁力研磨是一種比較有前景的光整加工技術(shù)。它具有高精度、高表面質(zhì)量、低成本，以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn).利用磁力研磨加工物流管道內(nèi)表面可以克服傳統(tǒng)加工方法的一些限制與不足，幾乎可以對(duì)任何非導(dǎo)磁性材料進(jìn)行加工，并獲得優(yōu)異的加工效果。使用磁力研磨也可以方便的對(duì)微小零件表面進(jìn)行加工，可以多個(gè)零件同時(shí)加工，能夠在去除量比較小的情況下獲得滿意的表面質(zhì)量。本文的選題，旨在為加工主軸軸承座設(shè)計(jì)專用磁研磨機(jī)床。機(jī)床可以快速精確的加工出合格的零件來(lái)滿足生產(chǎn)要求。并通過(guò)本次設(shè)計(jì)來(lái)探究磁研磨技術(shù)的應(yīng)用，為以后磁研磨技術(shù)在我國(guó)發(fā)展助力，提高我國(guó)制造能力和水平,提高對(duì)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。 1.3 磁力研磨加工技術(shù)概述 1.3.1 磁力研磨加工技術(shù)的發(fā)展歷史 磁性研磨加工技術(shù)MAF (Magnetic Abrasive Finishing)最早出現(xiàn)在前蘇聯(lián)，它的概念首次由蘇聯(lián)工程師Kargolow，于1938年提出。隨后50年代及60年代末，前蘇聯(lián)的Konovalov Hulev， Baron和Sakulevich等人一直致力于磁性研磨的研究和推廣應(yīng)用工作。而后，保加利亞從70年代中期起一直在發(fā)展MAF技術(shù)，(例如Makedonsky等)，并在其國(guó)內(nèi)舉辦了多次國(guó)際性的專題學(xué)術(shù)會(huì)議。 日本是從80年代初開(kāi)始對(duì)磁性研磨加工進(jìn)行研究的，并開(kāi)發(fā)出了多種磁性研磨加工設(shè)備。其中有代表性的研究學(xué)者有日本宇都宮大學(xué)的Takeo Shinmura，Toshio Aizawa，日本東京大學(xué)的Masahiro Anzai，Koichi Masaki等，其中Takeo Shinmura研制開(kāi)發(fā)了多種加工鐵磁性工件和非鐵磁性工件的磁性研磨加工裝置，如平面、圓柱內(nèi)外表面、球面等磁性研磨加工裝置，并分別對(duì)它們的光整加工特性進(jìn)行了研究。這些加工裝置有的采用永久磁體來(lái)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，有的則采用電磁體來(lái)形成強(qiáng)度可以控制的磁場(chǎng)；有的采用工件移動(dòng)外加一定振幅和頻率的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁性研磨加工；有的采用磁性裝置的移動(dòng)外加一定振幅和頻率的振動(dòng)來(lái)進(jìn)行加工；有的則采用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的辦法實(shí)現(xiàn)磁性研磨工。Takeo Shinmura在研制各種形式磁性研磨加工設(shè)備的同時(shí)，對(duì)各種場(chǎng)合的加工工藝進(jìn)行了較深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，如磁場(chǎng)強(qiáng)度、加工間隙、磨料與工件的相對(duì)移動(dòng)速度、磁性磨料的成分和粒度等因素對(duì)加工質(zhì)量和效率的影響以及它們之間的相互關(guān)系。 韓國(guó)近幾年來(lái)也在致力于磁性研磨光整加工的研究，例如韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所Jeong-Du Kim， Youn-Hee Kang等發(fā)明的磁性磨料噴射光整加工裝置，該裝置為非圓截面管子內(nèi)壁的光整加工提供了有效的加工方法。 另外，美國(guó)Oklahoma州立大學(xué)的Komandmi等人也開(kāi)始有關(guān)方面的研究工作；德國(guó)已經(jīng)出版了有關(guān)方面的論文；英國(guó)的幾家公司也生產(chǎn)了用于修飾性加工和去毛刺的磁性研磨設(shè)備。迄今為止，國(guó)外的磁性研磨技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在多個(gè)方面。如不銹鋼凈氣瓶的內(nèi)壁研磨，研磨修正超硬磨料砂輪，研磨塑料透鏡，細(xì)長(zhǎng)軸類陶瓷加工，軸承環(huán)及內(nèi)外圈滾道，液壓機(jī)械用的滑閥、泵齒輪、球閥，家用不銹鋼器皿，螺紋軋棍，滾珠絲杠，滾珠軸承保持架，盤形制動(dòng)器，縫紉機(jī)零件，活塞，凸輪軸，葉片等異型零件的去毛刺與拋光加工等。 我國(guó)對(duì)磁性研磨光整加工技術(shù)的研究是從80年代中期開(kāi)始的，起步比較晚，由于投入的人力有限，不論是研究的深度還是廣度與國(guó)外均有比較大的差距，所以現(xiàn)在仍處于試驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用的不多。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)的研究多限于比較簡(jiǎn)單的平面、圓柱面的磁性研磨光整加工工藝，不過(guò)近幾年許多科研單位或高校(如哈爾濱理工大學(xué)、太原理工大學(xué)、沈陽(yáng)大學(xué)、大連理工大學(xué)等)也已開(kāi)始對(duì)磁性研磨加工技術(shù)向深度和廣度進(jìn)行研究，這些研究單位自行研制出不同的磁力研磨實(shí)驗(yàn)裝置（大部分是由普通鉆床、車床和銑床改制而成），并對(duì)軸承滾道、鋼管、螺紋環(huán)規(guī)、絲錐、電機(jī)軸、齒輪、階梯軸、鋼球等工件進(jìn)行了研磨實(shí)驗(yàn)，取得了較理想的加工效果。其中大連理工大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)還進(jìn)行了電化學(xué)磁力研磨復(fù)合技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，華僑大學(xué)的方建成等人在傳統(tǒng)磁力研磨加工理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力研磨加工的研究，提出了脈沖電路控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)運(yùn)動(dòng)部件光整加工的新思路。磁力研磨加工技術(shù)在我國(guó)得不到廣泛推廣的一方面原因是磁性磨料制作成本高、工件的裝夾與去磁問(wèn)題不易解決，形成不了批量生產(chǎn)。更主要的原因是不能對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行多自由度自動(dòng)化研磨光整加工，使這一技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用特別是模具工業(yè)應(yīng)用受到了限制。目前也有研究單位利用五自由度并聯(lián)機(jī)床對(duì)復(fù)雜模具型腔進(jìn)行磁力研磨研究將是一個(gè)有益的嘗試。他們也開(kāi)始對(duì)曲面磁性研磨加工工藝和設(shè)備進(jìn)行研究，并且已取得了一定的成就，不過(guò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入，至于磁性研磨加工技術(shù)的推廣應(yīng)用更是微乎其微。 1.3.2 磁性研磨加工的發(fā)展趨勢(shì) 目前，對(duì)磁力研磨的研究主要體現(xiàn)在磁力研磨加工的工藝和理論、加工裝置以及磁性磨料等領(lǐng)域上，而今后仍然需要研究解決的課題有: 1.3.2.1 磁力研磨加工機(jī)理的研究 磁路系統(tǒng)中，不同的加工材質(zhì)對(duì)加工區(qū)域的磁場(chǎng)有很大的影響。下面我們分別以鐵磁性45 # 鋼和非鐵磁性1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料為代表進(jìn)行討論。 (a) 鐵磁性材料 　(b) 非鐵磁性材料 圖1-1 　磁場(chǎng)分布示意圖 (1) 對(duì)鐵磁性材質(zhì)工件的加工，加工區(qū)域的磁場(chǎng)分布如圖1-1 (a) 所示，在加工間隙里接近工件表面的部位，磁場(chǎng)梯度為正，磁性磨粒受到磁場(chǎng)作用而壓向工件表面，這是加工壓力的來(lái)源，在加工區(qū)域外，磁場(chǎng)強(qiáng)度比加工區(qū)域小很多，加工區(qū)域從內(nèi)到外的磁場(chǎng)梯度是負(fù)值，磁場(chǎng)作用力使磁性磨料束縛在加工區(qū)域內(nèi)，當(dāng)工件和磁極產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就能對(duì)其外表面進(jìn)行研磨加工。 (2) 對(duì)非鐵磁性材質(zhì)工件的加工，加工區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)分布如圖1-1 (b) 所示。在加工間隙內(nèi)外磁場(chǎng)變化不明顯，幾乎不存在磁場(chǎng)梯度，且磁場(chǎng)強(qiáng)度大小也達(dá)不到要求，因而不能產(chǎn)生足夠的加工壓力，也不能使磁性磨料保持在加工區(qū)域。需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇怕犯倪M(jìn)，及其它有效的措施來(lái)增加研磨加工區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以滿足研磨加工的要求。 根據(jù)電磁學(xué)理論可知，加工零件在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，零件內(nèi)部的磁分子排列整齊而變成磁性材料，形成磁場(chǎng)和磁力線。由磁力線特性可知，每根磁力線又產(chǎn)生相互排斥的作用力，這種作用力必然對(duì)工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，可以斷定磁力研磨加工機(jī)理決非簡(jiǎn)單的一定壓力下的切削作用。因此，欲在理論上有重大的突破，指導(dǎo)工藝改進(jìn)，必須深入研究磁力研磨加工機(jī)理。 1.3.2.2 新型磁性磨料的研制開(kāi)發(fā) 目前國(guó)內(nèi)外制作的磁性磨料存在制作成本較高、使用壽命短、研磨效率低、不能進(jìn)行超精研磨拋光等問(wèn)題，其根本原因是磁性材料的磁化率偏低，而通過(guò)一定手段提高可溶性和磁化率，卻又顯著提高了制作成本。因此，需要研制新型磁性磨料，力求降低制作成本，提高使用壽命，增強(qiáng)切削能力。 1.3.2.3 工藝參數(shù)的研究 磁力研磨不僅受到工件材質(zhì)、工件尺寸的影響，也受到形狀的制約。對(duì)不同位置角度、不同曲率的表面，其去除規(guī)律是不同的，必須對(duì)此進(jìn)行深入研究，以取得整個(gè)表面相同的表面粗糙度，不破壞工件原有的精度。 1.3.2.4 磁力研磨自動(dòng)化研究及面向模具型腔表面拋光的磁力研磨裝置的開(kāi)發(fā) 近年來(lái)，由于數(shù)控機(jī)床的CAD/CAM系統(tǒng)引進(jìn)，使得多數(shù)模具制造實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化，但模具型腔表面的精加工還必須由技術(shù)熟練的工人進(jìn)行手工完成，仍未實(shí)現(xiàn)3D表面彎曲的模具表面的自動(dòng)精加工，而磁力研磨精加工方法被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)3D表面精加工自動(dòng)化的可行方法。因此，致力于磁力研磨自動(dòng)化研究及開(kāi)發(fā)面向模具型腔表面拋光的磁力研磨裝置具有十分重要的意義。必須注意的是，進(jìn)行這方面的研究需要同工藝相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出能適應(yīng)不同模具型腔表面的磁力研磨數(shù)控裝置。 1.3.2.5 交變或運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的磁力研磨裝置的開(kāi)發(fā) 帶有交變磁場(chǎng)的磁力研磨裝置由于無(wú)運(yùn)動(dòng)部件而非?？煽浚枰褂镁哂休^強(qiáng)磁性的磁性磨料。因此，首先應(yīng)開(kāi)展強(qiáng)磁性磨料的研究工作。 1.3.2.6 進(jìn)一步研究電化學(xué)磁力研磨復(fù)合加工工藝 由于電化學(xué)加工和磁力研磨加工對(duì)材料有去除作用，且單純磁力研磨的機(jī)械作用并不破壞工件的原有精度。因此可以考慮加大這種復(fù)合加工中的機(jī)械作用能力，使磁力研磨不僅限于刮除氧化膜，而同時(shí)直接參與磨削，從而提高加工質(zhì)量和效率。 1.4 磁性研磨加工的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的研磨、拋光加工工藝相比，磁性研磨光整加工工藝具有許多優(yōu)點(diǎn): (1) 在磁場(chǎng)中磁化的磨粒，靠磁場(chǎng)的作用力可彼此非剛性地固結(jié)在一起形成磨料刷，由于磁性研磨的“磁刷”是柔性的，它的形狀在加工的過(guò)程中能夠隨工件形狀的變化而變化，因而具有很好的自適應(yīng)性。 (2) 加工中磁極和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磨料沿加工表面滑動(dòng)的同時(shí)出現(xiàn)滾動(dòng)，磁性磨料之間不斷的更換位置，使磁性研磨加工具有極好的自銳性，和普通砂輪加工相比，不存在堵塞現(xiàn)象，在很大程度上提高了磁性研磨加工的效率。 (3) 通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)控制研磨壓力大小的目的，同時(shí)可以調(diào)節(jié)磁性磨料的磁場(chǎng)保持力和加工狀態(tài)中的其他有關(guān)參數(shù)。 (4) 磁性研磨的切削深度小，能量的損耗小，研磨溫升和工件變形相對(duì)較小，加工表面光潔平整，適合于加工薄壁零件。 (5) 適用范圍廣，磁性研磨加工不僅可以加工磁性材料，如鋼件、鑄件，還可以加工非磁性材料，如陶瓷、玻璃、塑料、鋁合金等；磁性研磨加工不僅可以加工平面、內(nèi)外圓柱面、薄板件、球面，還可以用來(lái)加工復(fù)雜曲面，甚至能加工普通加工手段無(wú)法進(jìn)入和加工的表面，如各種模具以及管道的內(nèi)表面等。 (6) 磨削能力強(qiáng)，加工時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。 (7) 在對(duì)工件進(jìn)行光整加工的同時(shí)，不僅可以去除機(jī)加工和磨削加工產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，而且能夠形成160-210Mpa的預(yù)留壓應(yīng)力，這可以大大提高工件的抗疲勞強(qiáng)度，改變了機(jī)械物理性能。 (8) 加工裝置簡(jiǎn)單，像機(jī)床的配件一樣,可借助通用機(jī)床或舊機(jī)床改造而成。 (9) 磁性磨料可快速更換。 磁性研磨加工的眾多優(yōu)點(diǎn)使得它在精加工領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的魅力。特別是磁性研磨良好的柔性和自適應(yīng)性，為其與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行復(fù)雜曲面的光整加工創(chuàng)造了條件，使得磁性研磨加工的自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)。 2 磁性研磨加工 2.1 研磨加工機(jī)理 所謂磁性研磨就是磁性磨料在磁場(chǎng)作用下，對(duì)工件表面進(jìn)行修飾和修磨的一種方法。以研磨鐵磁性材料工件外圓為例。如圖2-1所示，工件放入兩磁極形成的磁場(chǎng)中，在工件和磁極的間隙內(nèi)放入磁性磨料(由鐵磁性材料的微粉與具有磨削能力的磨粒按一定比例混合后，在高溫高壓下燒結(jié)，經(jīng)粉碎而成)。在磁場(chǎng)力作用下, 磨料沿磁力線方向整齊排列，形成一只柔軟并且具有一定剛度的磁力研磨刷。 圖2-1 磁性研磨加工原理圖 當(dāng)工件在磁極中旋轉(zhuǎn)并作軸向振動(dòng)時(shí)，工件與磨粒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，研磨刷就對(duì)工件表面進(jìn)行研磨加工。磁力研磨的磁性磨料是由微小磨粒組成的磨粒群。在磁場(chǎng)的作用下，沿著磁力線方向有序的排列成磁力刷，磁力刷與工件表面接觸尺寸是厘米級(jí)的，但由于磁力刷的可塑性，真正在研磨中起決定作用的是磁性磨粒的粒徑，它是亞毫米級(jí)的。去除材料時(shí)，磁性磨粒采取的是“彈性切入”方式，而不是“強(qiáng)制切入”方式.這種方式大體上是仿效前道工序的表面進(jìn)行的。所以，磁力研磨不具備對(duì)前道工序加工表面的主動(dòng)修整能力，主要是為了表面的微觀質(zhì)量的改善，而不是宏觀的形狀尺寸的改變。磁力研磨的實(shí)驗(yàn)研究磨粒群受到磁場(chǎng)中磁力的作用而壓向工件表面，同時(shí)磁性磨粒和工件二者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)受力的不同，在接觸面上的磨粒將產(chǎn)生切削、滑動(dòng)和滾動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式，從而使工件表面得到研磨加工。 2.1.1 微量切削作用 由于磨料磨粒的硬度比工件材料的硬度要高，在研磨壓力和相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用下，磨粒刃尖將對(duì)工件表面產(chǎn)生切削作用。如圖2-2所示，這是對(duì)磨料進(jìn)行簡(jiǎn)化后的微量切削模型。此時(shí)，磨粒在工件表面上的作用力可分為法向力Fp，和切向力Ff，法向力Fp從此使磨粒壓向工件表面，在表面形成壓痕，對(duì)表面施加一定的擠壓作用，能改變工件表面的應(yīng)力狀況，磨粒向前推進(jìn)的時(shí)候產(chǎn)生切向力Ff。當(dāng)磨粒的形狀和方向適當(dāng)時(shí)，磨粒就像刀具的切削刃一樣，在工件表面進(jìn)行微量切削而產(chǎn)生切屑。由于磁性磨粒的粒徑很小，切入工件表面的深度一般不會(huì)超過(guò)0.2 - 0.3，切深小于前道工序加工后留下的缺陷.產(chǎn)生的切屑很小，工件的加工變質(zhì)層極薄，殘余應(yīng)力也很微小，因此這種加工方法屬于微量切削，加工后得到的表面粗糙度值很小. 圖 2-2 微量切削模型 2.1.2 磨損作用 磁性磨粒一般具有較高的硬度，它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下與加工面接觸做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是前述的微量切削過(guò)程并不是唯一的。有時(shí)磨粒會(huì)在工件表面上產(chǎn)生其它幾種磨削現(xiàn)象:有一帶而過(guò)的滑擦，工件表面僅留下一條滑痕；發(fā)生塑性變形，擦出一條兩邊隆起溝紋；或者犁出一條溝槽，兩邊翻出飛邊。在很多的情況下發(fā)生的是后兩種磨削現(xiàn)象。在磁性磨粒的連續(xù)加工過(guò)程中，已出現(xiàn)塑性變形或飛邊堆積的表面層金屬將發(fā)生反復(fù)的塑變，產(chǎn)生表面加工硬化作用，最后剝落成為磨屑。另外，由于磁性磨粒一般集中在磁力線密集的表面不平輪廓峰附近，微觀表面不平輪廓峰部分磨損相對(duì)較大，使其不平度下降加快。經(jīng)過(guò)多次塑變磨損作用下可以較快的獲得光滑的工件表面，而且不影響工件的尺寸和形狀精度。 2.1.3 電化學(xué)作用 磁力研磨加工過(guò)程中存在著電化學(xué)作用，工件表面被切削、磨損后，純凈的金屬將暴露在空氣中，會(huì)與外部介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，表面被迅速氧化形成一層極薄的氧化膜。在摩擦過(guò)程中氧化膜容易從工件表面脫落。在連續(xù)研磨的過(guò)程中，工件表層金屬不斷的氧化—脫落—再氧化—再脫落，從而提高了研磨效率。另外，回轉(zhuǎn)的工件在交變磁場(chǎng)作用下，表面反復(fù)充電，強(qiáng)化了表面的電化學(xué)過(guò)程，進(jìn)一步提高研磨效率。 2.1.4 磨粒的切削軌跡 磁刷端部的磨粒，在研磨過(guò)程中切削刃的切削軌跡，將在工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向振動(dòng)中共同構(gòu)成一個(gè)交叉角，正是由于交叉角的存在，才使得加工過(guò)程中工件表面被充分地得到加工，加工質(zhì)量得到提高。交叉角即磨粒切削刃軌跡與工件回轉(zhuǎn)方向上的夾角。其計(jì)算公式為： 式中 v——工件的圓周回轉(zhuǎn)速度； f——工件的軸向振動(dòng)頻率； a——工件的軸向振動(dòng)振幅大小。 在實(shí)際加工中，磁刷為柔軟的彈性磁鏈，受到研磨阻力后極容易產(chǎn)生變形，使得加工中工件表面上磨粒的實(shí)際軌跡與理論上不同，其交叉角為，且。 2.2 影響磁性研磨光整加工效果的因素 評(píng)定磁性研磨光整加工效果的指標(biāo)主要有三項(xiàng)： 表面金屬去除量； 表面粗糙度值； 表面應(yīng)力分布狀況。 影響磁性研磨加工效果的因素主要有以下幾方面：磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作間隙、工件回轉(zhuǎn)速度、工件的軸向振動(dòng)、工件材質(zhì)、磁極頭形狀、磁磨粉、添加劑及前道工序的表面粗糙度等。 在加工過(guò)程中，工件表面層的金屬去除量和表面粗糙度值的變化如圖3-2（見(jiàn)下頁(yè)）所示。表面粗糙度值在磁性研磨初期急劇下降，但從第8min后，只有極小的變化，最后穩(wěn)定在一定數(shù)值上，大約為Ra0.2μm。整個(gè)磁性研磨過(guò)程只進(jìn)行6～10min，即可使表面粗糙度值由研磨的初始值減小到Ra0.2μm左右；金屬去除厚度和研磨時(shí)間大體上呈直線上升趨勢(shì)，且去除量很小。在加工8min后，對(duì)應(yīng)的直徑減小量為ΔD=64μm。由此看出，磁性研磨這種加工方法，既不會(huì)破壞前一道工序的集合形狀精度，又可使表面粗糙度值降低到很小，可見(jiàn)這種光整加工方法的加工效果是十分理想的。下面就影響加工效果的諸因素進(jìn)行討論。 2.2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度 在磁性研磨加工中，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響加工效果的主要因素之一。改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，會(huì)使工件獲得不同的加工效果。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱時(shí)，金屬去除量較小，表面粗糙度值較大。由前所述：研磨壓力P正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱時(shí)，研磨壓力相應(yīng)也小，磨粒沿著磁力線方向相互銜接形成的“磁串”之間的保持力也較弱。當(dāng)工件與“磁串”末端的磨粒產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，磨粒比較容易從“磁串”上 圖3-2 磁性加工研磨特征 掉下來(lái)，因此金屬表面的去除量較小，表面粗糙度值的減小也較緩慢。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，使磁場(chǎng)磁力增大，研磨壓力隨之增大，磁串之間的保持力增大，磨削能力得到加強(qiáng)，因而金屬去除量增大，表面粗糙度值減小加快。但是當(dāng)繼續(xù)增加磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，將使磁串之間的保持力進(jìn)一步加大，“磁刷”的剛性明顯增加，研磨壓力增大，使靠近工件表面的磨粒貼附在工件表面上，“磁刷”不再產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)滾動(dòng)現(xiàn)象，磨粒得不到及時(shí)轉(zhuǎn)移而破壞了磁刷的磨削能力，導(dǎo)致金屬去除量減小。同時(shí)，由于磁刷的剛性，增大了表面的劃痕程度，表面粗糙度值會(huì)隨之增大。 另一方面，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，研磨壓力增大，磨粒會(huì)貼附在工件表面上，隨工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)飛離工作區(qū)而失去切削能力，金屬去除量將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而減小，表面粗糙度值也會(huì)增大?？梢?jiàn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度有一最佳使用范圍，由圖3-3可 知，選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.8～1.2T較好，一般不超過(guò)1.4T。 圖3-3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)加工效果的影響 在選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小時(shí)，要注意“磁飽和”現(xiàn)象的產(chǎn)生。鐵芯、磁回路一定要在沒(méi)有飽和的狀態(tài)下進(jìn)行。 2.2.2 工作間隙 工作間隙是指工件表面和磁極之間的間隙。以下討論兩種情況。 1、在工作間隙中填充質(zhì)量一定的磁粉 若工作間隙由g=1mm增大到g=3mm時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可看到：金屬去除量在逐漸減??；表面粗糙度值在逐漸增大。由于工作間隙增大，使磁刷的研磨長(zhǎng)度增長(zhǎng)，有限的磨料排列的密度減小，導(dǎo)致切削能力下降。 2、在工作間隙中填充足夠多的磁磨粉 通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到的情況如下： （1）當(dāng)工作間隙g=1mm～3mm時(shí)，可獲得較小的表面粗糙度Ra值。過(guò)大過(guò)小的工作間隙，都將使表面粗糙度值Ra增大。 （2）當(dāng)工作間隙g＜1mm時(shí)，工作間隙內(nèi)“磁串”較短，磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，使“磁刷”柔性降低，對(duì)工件表面劃傷程度加重，表面粗糙度值增大。同時(shí)由于工作間隙小而不易填充足夠的磁磨粉，磁磨粉會(huì)在加工中會(huì)飛散而失去研磨能力。 （3）當(dāng)工作間隙g＞3mm時(shí)，過(guò)大的工作間隙將增大磁阻，漏磁增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，磨粒間的壓力減小，磁磨粉同樣不能很好地保持在工作間隙內(nèi)，最終導(dǎo)致磨削能力下降。 2.2.3 工件的回轉(zhuǎn)速度 工件的回轉(zhuǎn)速度的選擇取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁極頭形狀、工作間隙等多種因素。正常工作條件下取V=20～100 m/min.當(dāng)工件的回轉(zhuǎn)速度逐漸增大時(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)磨削長(zhǎng)度增加，金屬去除量隨之增大，表面粗糙度值則在逐漸減小。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增大到一定值后，磁磨粉飛散而不利于磁磨粉在加工區(qū)域內(nèi)的保持。 當(dāng)工件的回轉(zhuǎn)速度達(dá)到150 m/min時(shí)，隨著加工時(shí)間的增加，由于切削熱、渦流熱的增加，導(dǎo)致加工表面溫度升高影響了加工的表面質(zhì)量，使工件的表面機(jī)能受到破壞。例如：使淬火鋼的表面產(chǎn)生退火現(xiàn)象，表面硬度下降。 以上說(shuō)明工件回轉(zhuǎn)速度的選擇是很重要的。為了達(dá)到理想的加工效果，實(shí)驗(yàn)表明，工件材料為45鋼時(shí)，選擇V=20～50m/min比較合適。 2.2.4 工件的軸向振動(dòng) 在加工中， 工件在產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又產(chǎn)生軸向振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，不但可以改進(jìn)加工效果，而且還可以提高加工效率。工件具有附加軸向振動(dòng)，比無(wú)附加軸向振動(dòng)的金屬去除量大的多，這將使加工時(shí)間縮短而提高了加工效率。同時(shí)，具有附加軸向振動(dòng)，比無(wú)附加軸向振動(dòng)有利于工件表面粗糙度值的減小。加工前工件的表面粗糙度值Ra1.6μm，加工8 min后Ra0.2μm。首先，由于工件表面的研磨方向發(fā)生變化，切削方向上出現(xiàn)多向性效果，結(jié)果在工件表面上呈現(xiàn)出切削刃的切削軌跡為交叉而不重復(fù)的網(wǎng)紋狀，產(chǎn)生了疊加效果，十分有利于表面粗糙度值的減小。其次，由于振動(dòng)，疊加效果會(huì)促使磨料在工作間隙內(nèi)的攪拌作用加強(qiáng)，使磨粒的加工位置頻繁變動(dòng)，有效地防止磁磨粉的堵塞和鈍化，促使磨料不斷地出現(xiàn)新的切削刃，更好地對(duì)表面進(jìn)行研磨加工，獲得很好的加工效果。 在振動(dòng)中，當(dāng)振動(dòng)振幅較小時(shí)，雖然有振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并不顯示出研磨量增大的效果。振幅較小時(shí)，磁刷的首端與工件表面很難產(chǎn)生交叉而不重復(fù)的網(wǎng)紋狀軌跡。磨料的切削刃在工件表面上不能顯出多方向切削效果的攪拌作用。為了提高研磨能力，需要一定大小的振動(dòng)振幅，振幅一般不小于3～5mm。 2.2.5 工件的材質(zhì) 工件材料的導(dǎo)磁性對(duì)磁磨特性的影響是十分重要的。一般情況下，磁性材料主要是指鐵系材料，而非磁性材料主要是指非鐵系材料。 （1）工件是磁性材料 如果工件是磁性材料，工件尺寸大小不會(huì)對(duì)加工效果帶來(lái)較大的影響，加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T左右，因此可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得滿意的加工效果。對(duì)于非磁性材料，被加工工件尺寸的大小將對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的產(chǎn)生直接的影響。例如直徑為 30 mm的非磁性材料工件，最多也只能獲得0.5T的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此加工效果達(dá)不到滿意的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在相同的條件下，磁性工件比非磁性材料工件的磁感應(yīng)強(qiáng)度高出2-3倍。因此導(dǎo)磁性不同的兩種材料，在加工特性指標(biāo)及加工效率上都有較大的差別。如圖3-4所示 圖3-4 磁性材料工件研磨壓力分布狀況 （2）工件為非磁性材料 如果工件的材料為非磁性材料，情況就有很大的差別。在這種情況下，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅與兩個(gè)磁極N-S有關(guān)，磁刷的形成也只能由N-S兩極決定。又由于工作間隙為兩磁極間的距離（2g+D），工作間隙的增大，使磁阻隨之增大，導(dǎo)致磁場(chǎng)分散磁力線散失增多。隨著工件直徑增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度也逐漸減弱。如圖3-5在加工過(guò)程中有兩種壓力產(chǎn)生：一種是沿著兩磁極間磁力線整齊地排列成的磁刷，以研磨壓力Ps的形式作用于工件表面；另一種是在工件側(cè)面形成的磁刷，以側(cè)壓力的形式作用于工件表面，兩者都參與表面的研磨加工，但側(cè)壓力比正壓力遠(yuǎn)小的多。側(cè)壓力Ps是非磁性工件在工作中所特有的壓力。對(duì)于非磁性材料的工件，由于磁力線垂直作用于工件表面，側(cè)壓力Ps是不可能產(chǎn)生的。 圖3-5 非磁極性材料工件研磨壓力分布狀況 在對(duì)非磁性材料工件進(jìn)行加工中，影響正壓力、側(cè)壓力的效果，除磁場(chǎng)分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度外，還與磁極頭形狀及大小有關(guān)。在圖3-6中，同一工件采用不同的磁極頭形狀。磁極頭1的工作面積相對(duì)工件的直徑較小，在磁場(chǎng)中工作時(shí)，只有圖中所示的正壓力P的作用。磁極頭2的工作面積相對(duì)磁極頭1較大，具有正壓力P和側(cè)壓力Ps同時(shí)作用的情況。磁極頭3具有更大的工作面積，以正壓力P作用于工件。由于磁極包容工件表面而產(chǎn)生“磁短路”現(xiàn)象，磁磨粉將沿著磁力線方向加工無(wú)關(guān)的地方進(jìn)行堆積，因此研磨效果并不理想。 2.2.6 磁極頭的幾何形狀 磁極頭幾何形狀一般情況下與被加工工件形狀相關(guān)，要求磁極頭形狀不僅能包容磁磨粉，還要使磁通向工件集中，并保證磁磨粉不向工作區(qū)域外轉(zhuǎn)移飛散。磁極頭幾何形狀，根據(jù)工件材料是磁性和非磁性兩種情況來(lái)介紹。 （1）工件為磁性材料 當(dāng)工件材料為磁性材料時(shí)，磁性研磨裝置磁回路的空隙部分，大體上等于工作間隙。在磁場(chǎng)中，磁通量的大部分，從一個(gè)磁極經(jīng)過(guò)工作間隙流入工件，再流入另一個(gè)磁極，如圖3-7所示。 圖3-6磁極頭形狀P、Ps的影響 圖3-7 磁極頭形狀對(duì)金屬去除量的影響 1）對(duì)于磁極幾何形狀相同而有效工作面積不等的磁極a、b、c、d，金屬去除量隨著工作面積的減小而減少。 2）對(duì)于有效工作面積相等但幾何形狀不同的磁極b、e，有溝槽的磁極表面獲得了較大的金屬去除量。通過(guò)在磁極上設(shè)置溝槽，形成了在加工區(qū)域的磁場(chǎng)變化，即不均勻的集中磁場(chǎng)。磁磨粉在強(qiáng)磁力作用下，會(huì)向工作間隙小的區(qū)域集中而防止了磁磨粉的飛散。因此磁極頭不采用平滑光整的表面，而在磁極頭上開(kāi)出若干溝槽，這樣雖然磁極的研磨表面積減少了，但卻得到了較大的研磨量。這是由于磁極凹凸不平的表面，相對(duì)于工件表面的氣隙不同，凸起的表面氣隙小、磁阻小,磁感應(yīng)強(qiáng)度就大，磁磨粉就會(huì)集聚在磁極工作表面凸起的部位而增大研磨能力。實(shí)測(cè)中，磁極棱邊上測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)1.5T，在棱邊以外的加工區(qū)中，測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)1.1T。 3）對(duì)于有效面積和幾何形狀基本相等，但與工件的中心位置不同的磁極g和 f，其金屬去除量也不同。形狀9的金屬去除量較大，是由于在安裝時(shí)與工件不同心，在加工過(guò)程中產(chǎn)生了對(duì)工件表面的擠壓效果。擠壓效果可以這樣理解：隨著工件和磁極之間的間隔變窄，其磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁力線密集，磁磨粉將沿著密集的磁力線流動(dòng)。由于工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在間隙狹窄的部分，磁磨粉排列密集而受到壓縮,使工件表面得到研磨加工。但是過(guò)強(qiáng)的擠壓效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生工件表面的劃傷而增大表面粗糙度值，因此這種磁極形狀常用于粗磨加工。 （2）工件為非磁性材料 當(dāng)工件材料為非磁性材料時(shí)，其工作間隙為N-S磁極之間的距離。當(dāng)磁極頭形狀仍通過(guò)與磁性材料工件的對(duì)比其結(jié)果如下： 1）增大磁極工作面積，對(duì)金屬去除量影響沒(méi)有顯著的變化。其原因是由于工件為非磁性材料，沒(méi)有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化的特性。在磁回路中， 非磁性材料的工件產(chǎn)生嚴(yán)重的漏磁，使加工區(qū)很難獲得1T以上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實(shí)測(cè)中最多只有0.5T，因磁感應(yīng)強(qiáng)度大大減弱而削弱了去除金屬的能力。 2）磁極與工件有偏心，間隙小的一端磁阻小，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，研磨能力則強(qiáng),產(chǎn)生擠壓效果而使金屬去除量增大。 3）不論工件是磁性材料還是非磁性材料，磁極形狀中有凹凸不平的表面，要比連續(xù)凹面形狀的表面研磨能力強(qiáng)。 2.2.7 加工液 在磁磨粉中加入一定量的加工液，能有效地提高工件表面的光澤度、光亮度。 常用的加工液有；乳膠型的水溶液磨削劑、不溶于水的研磨液、輕油、硬脂酸。以質(zhì)量比10%左右加入，其中以硬脂酸為常用加工液。 另外，加入加工液后，會(huì)在研磨表面上出現(xiàn)較多的加工痕跡，尤其加入10%的研磨液時(shí)，使磨粒切削刃對(duì)工件表面的磨削效果變得強(qiáng)烈起來(lái)，表面隨之變得粗糙。因此，加工液的添加提高了研磨效率,但對(duì)表面粗糙度的減小則不明顯。 當(dāng)添加加工液之后，雖然金屬去除量進(jìn)一步增大，但工件的溫度升高并不明顯，這表明加工液與研磨溫度之間具有相反的影響效果。另外，加工液的粘度等也將左右研磨加工特性。 2.2.8 磁磨粉 磁磨粉是磁性研磨加工的磨具。在加工過(guò)程中，它處在工件與磁極之間的工件間隙中，依靠磁場(chǎng)的作用，將其排列成“磁刷”實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的研磨加工。要求磁磨粉具有一定的磨削能力，有具有對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)的磁化物質(zhì)，同時(shí)還具有耐水、耐油等性能。 2.2.8.1 磁磨粉的構(gòu)成 磁磨粉是一種平均粒徑為150μm的粒狀體。主要由基體、磨料構(gòu)成。 1、基體 基體應(yīng)能在磁場(chǎng)中很好地被磁化產(chǎn)生磁力，且具有高導(dǎo)電性的鐵磁性材料。一般選用鐵、鋼、鋁鎳合金、鋇的鐵素體，鎂-鋇合金等。 2、磨料 磨料是兼有磨削、研磨、拋光作用的一種粒狀物質(zhì)。對(duì)磨料的基本要求如下： （1）具有較高的硬度。磨料的硬度必須高于工件材料的硬度，才能對(duì)工件進(jìn)行磨削加工。 （2）具有較高的強(qiáng)度。具有在切入工件表層的過(guò)程中，以及在外力作用下，不易破壞和難于磨損的能力。 （3）具有穩(wěn)定的理化性。磨料在渦流熱、磨削熱的作用下，不被軟化或發(fā)生化學(xué)分解，且不與其它材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 2.2.8.2 磁磨粉的分類 表3-1 磁磨粉分類（μm） A-1 A-2 A-3 A-4 B-1 B-2 B-3 D 105 100 130 205 D 5 10 28 40 10 以鐵基體和磨料組成的磁磨粉，其組成根據(jù)磨料粒徑d和磁磨粉粒徑D，將磁磨粉分為A、B兩類，具體情況見(jiàn)表 3-1 2.2.8.3 磁磨粉的制作 磁磨粉的制作是磁性研磨加工中至關(guān)重要的一環(huán)。當(dāng)今由于磨料制作工藝的復(fù)雜性使磁性研磨加工受到一定的限制。目前主要的制作方法有燒結(jié)法、熱壓法、粘結(jié)法等幾種。 2.2.8.4 磁磨粉對(duì)加工質(zhì)量的影響 （1）磁磨粉的粒徑 研磨壓力p與磁磨粉的粒徑D、磨料粒徑d無(wú)關(guān)。但如果磁磨粉的磨粒按有規(guī)則的正方形排列時(shí)，在壓力p的作用下，具有一個(gè)粒徑為D的磁磨粉的作用力為： 。 對(duì)于每一個(gè)磁磨粉磨粒，它的作用力的大小與粒徑D的平方成正比關(guān)系。假定工件的表面粗糙度是以每一個(gè)磁磨粉磨粒的切入深度來(lái)決定，那么粒徑D越大，產(chǎn)生的作用力就越大，對(duì)零件表面的摩擦、擠壓、刻劃強(qiáng)烈。在同樣的研磨壓力下，粒徑大的磁磨粉磨粒比粒徑小的磨粒得到的表面粗糙度值大。磨料的粒徑d越小，n值則越大，Δf隨著d的變小而減小，工件的表面粗糙度值就會(huì)變得越小。由以上分析可見(jiàn)，雖然磨粒的大小與研磨壓力無(wú)關(guān)，但磨粒對(duì)工件的作用力與磨粒大小有密切關(guān)系，它直接影響到加工表面粗糙度值的大小。一般情況下，磁磨粉中磨料的最佳粒度為120～170號(hào)。 （2） 磁磨粉的填充量 在對(duì)中小件的外圓研磨時(shí)，所需的磁磨粉在體積上應(yīng)略小于工作間隙的體積。以填充量作為參數(shù)來(lái)觀察加工時(shí)間和表面粗糙度值的關(guān)系，從中可看到：不論加工時(shí)間的長(zhǎng)短，隨著填充量的加大，表面粗糙度值在逐漸減小。當(dāng)填充量超過(guò)一定量后，表面粗糙度反而會(huì)增加。過(guò)多的填充量，會(huì)造成磁磨粉向加工區(qū)域外飛散，這又帶來(lái)必須防止磁磨粉飛散的問(wèn)題。當(dāng)填充量適當(dāng)時(shí)，磁磨粉在磁場(chǎng)中即可形成理想的磁刷狀態(tài)，使加工獲得最佳效果。另外，在加工過(guò)程中，由于零件的回轉(zhuǎn)，會(huì)引起較大的切向力。切向力會(huì)使磁磨粉產(chǎn)生脫離工件表面的趨勢(shì)，使磁串的銜接性遭到破壞。脫離磁串的磁磨粉在磁場(chǎng)力的作用下，又會(huì)很快地沿磁力線方向重新緊密地排列，構(gòu)成新的磁串。這時(shí)的磨粒在磁刷上的位置及方向，都發(fā)生了明顯的變化，磨粒將以磨削刃參加磨削，產(chǎn)生了良好的自銳性能。只有當(dāng)供給量適當(dāng)時(shí)，加工區(qū)域中的磨粒才會(huì)產(chǎn)生這種翻滾移動(dòng)現(xiàn)象。因此，磁磨粉填充量選擇合適與否，將直接影響到表面粗糙度值的大小。 （3）磁磨粉的配比 磁磨粉中的主要成分是純鐵粉和磨料粉。磁磨粉中一定的鐵粉含量決定著磁場(chǎng)保持力。若鐵粉的比例過(guò)大，將帶來(lái)研磨壓力的增大，造成表面粗糙度值的增大而降低了表面質(zhì)量；若鐵粉含量相對(duì)增多，可得到較小的表面粗糙度值。若鐵粉含量太少時(shí)，則因磁場(chǎng)保持力的減小，使磨料飛散工作區(qū)域而失去研磨作用。 根據(jù)使用要求，一般的質(zhì)量比可取鐵粉：磨料粉為4∶1、3∶1、2∶1。 2.3 磁性研磨加工的裝置 盡管目前國(guó)際上應(yīng)用的磁性研磨加工裝置種類繁多，但如果按其磁場(chǎng)的形式劃分有兩種，第一種可以形成恒定的磁場(chǎng)(圖2-3，圖2-4，圖2-5)，在該磁場(chǎng)作用下，當(dāng)磁性磨料和工件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)加工；第二種是產(chǎn)生交變的或旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)(圖2-6，圖2-7)，在該磁場(chǎng)作用下，磁性磨料與加工面形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到光整加工的目的。 第一種磁性研磨加工裝置的特點(diǎn)是磁性磨料移動(dòng)的距離小，通常，光整加工靠加工表面與磁極的同時(shí)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成(圖2-3，圖2-4，圖2-5)。不過(guò)圖2-4的情況是一個(gè)例外，它的磁性磨料靠氣體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生與工件表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)。第一種裝置均含有一個(gè)作為磁場(chǎng)源的電磁線圈或永久磁鐵、帶磁極的磁軛和在磁極與工件之間充有鐵磁性磨料的工作區(qū)。 圖2-3 平面的磁性研磨 圖2-4 磁粒噴射加工 圖2-5 球型閥的磁粒光整 圖2-6 用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)加工管內(nèi)表面 第二種裝置(圖2-6、圖2-7)，磁性磨料的運(yùn)動(dòng)靠一個(gè)交變或者運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，有時(shí)也靠加工零件的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖2-7 用交變磁場(chǎng)加工小零件 值得一提的是日本的Shinmura等人新近開(kāi)發(fā)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁性研磨加工裝置(圖2-6)，由于可以包括彎管在內(nèi)的管的內(nèi)壁的光整加工，解決了真空管、衛(wèi)生管內(nèi)壁拋光這一傳統(tǒng)加工方法難以解決的加工難題。這種加工裝置由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，其運(yùn)行非常可靠。圖2-7采用交變磁場(chǎng)的加工裝置也是如此，它常用于小零件整個(gè)外表面的光整加工。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁性研磨加工裝置雖然非常有效，但就它的應(yīng)用對(duì)象來(lái)說(shuō)，其截面形狀必須是圓形，對(duì)于截面是方形和其它形狀工件的加工則無(wú)能為力。1997年由韓國(guó)的Jeong-Du Kim等人提出了一種新的磁性研磨加工裝置一磁粒噴射加工裝置(圖2-4)。這種裝置的原理是將混有磁粒的氣流噴射進(jìn)入被加工的管內(nèi)，磁粒在高壓氣流作用下向前飛速移動(dòng)，磁粒在前移的過(guò)程中， 由于受到磁場(chǎng)的作用而貼向管的內(nèi)壁，沿管的內(nèi)壁前移并與之發(fā)生摩擦，從而起到對(duì)工件內(nèi)壁的光整加工作用。 （1） 外圓磁力研磨裝置 如圖2-8 所示，工件5 安裝在立式銑床上，在工件與磁極之間的間隙內(nèi)填入磁性磨料，主軸使工件產(chǎn)生回轉(zhuǎn)和上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。向線圈通入直流電， 即可產(chǎn)生有一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)表明， 此方法研磨外圓可使工件表面粗糙度值由Ra1. 6μm 則降至Ra0. 2μm。磨料種類和磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)研磨效果有較大影響，增加磁感應(yīng)強(qiáng)度或采用燒結(jié)磨料可以提高研磨效率。 （2） 內(nèi)圓表面磁力研磨裝置 如圖2-9 所示，該裝置適用于非磁性物質(zhì)(如黃銅) 圓管等的內(nèi)表面光整加工。日本的Yamaguchi和Shinmura等人，對(duì)內(nèi)圓表面研磨的磁極的各種分布形式、磁極末端的各種形狀對(duì)加工效果的影響作了實(shí)驗(yàn)研究，提出了幾種較優(yōu)的方案，對(duì)于軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)加工效果的影響，很多學(xué)者做了相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)。臺(tái)灣的顏炳華、張耿維等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)包含軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置，取得了不錯(cuò)的效果。上海交通大學(xué)也對(duì)軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的作用作了研究。 1. 線圈2. 磁極3. 磁軛 1.永磁鐵 2. 磁性磨料 4. 底座5. 工件6. 磁性磨料 3.5. 振動(dòng)方向 4.6. 磁極 7. 主軸 7. 非磁性管 圖2-8　外圓磁力研磨裝置示意圖 圖2-9　內(nèi)圓表面磁力研磨裝置示意圖 （3）永磁磁極裝置 目前用的較多永磁拋光磁力研磨裝置如圖2-10所示 圖2-10 永磁拋光裝置 此種永磁拋光機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，體積小。但有一個(gè)最大的弊病，就是退磁不方便，并且調(diào)整電流不方便。 3 磁性研磨機(jī)床總體設(shè)計(jì) 3.1 單件加工時(shí)的總體方案設(shè)計(jì) 3.1.1 運(yùn)動(dòng)分配方案 （1）磁極回轉(zhuǎn)，工件不動(dòng) （2）磁極不動(dòng)，工件回轉(zhuǎn) 比較這兩種運(yùn)動(dòng)方案，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用電磁鐵勵(lì)磁，線圈體積比較大，轉(zhuǎn)起來(lái)不方便，所以采用第二種方案：磁極不動(dòng)，工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)磁性研磨的加工機(jī)理，對(duì)磁性研磨加工中的各運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分配，得圖3-1（a）、（b）兩種設(shè)計(jì)方案。 （b） （b） 圖3-1 運(yùn)動(dòng)分配方案圖 其中（a）方案中的主運(yùn)動(dòng)為主軸帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)P，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為主軸帶動(dòng)工件的軸向直線運(yùn)動(dòng)，而軸向振動(dòng)a則由磁極實(shí)現(xiàn)；（b）方案中的主運(yùn)動(dòng)與（a）相同，但進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由磁極實(shí)現(xiàn)。 3.1.2 方案比較 （a）方案中可以考慮與主運(yùn)動(dòng)共用一個(gè)動(dòng)力源，這樣就可以減少機(jī)床的制造成本（b）方案中振動(dòng)裝置需要單獨(dú)的動(dòng)力源，工作臺(tái)上下進(jìn)給，并振動(dòng)。制造成本稍高。但由于（a）方案中工件振動(dòng)是由主軸箱帶動(dòng)的其所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)大于工作臺(tái)和磁極裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣會(huì)造成加工精度的偏差。而本次設(shè)計(jì)又是精密機(jī)床的設(shè)計(jì)，故選擇（b）方案。