磁力研磨加工技术综述

磁力研磨加工技术综述徐立军　王文　杨诚浙江大学现代制造工程研究所,浙江杭州　310027摘要:在阐述磁力研磨加工技术发展历史和研究现状的基础上,介绍了磁力研究技术的基本原理、加工特点,并针对不同的加工对象,给出了几类典型的加工设备。最后指出结合曲面数字化技术的复杂曲面磁力研磨加工方法将具有广泛的应用前景。关键词:磁力研磨;精密加工;数控机床中图分类号:TG580.68　文献标识码:A　文章编号:1001-2265(2003)01-0041-03ReviewofthemagneticabrasivefinishingXULijun　WANGWen　YANGChengAbstract:ThedevelopmenthistoryandcurrentresearchsituationoftheMagneticAbrasiveFinishing(MAF)isnarrated.ThefundamentalprincipleandprocessingcharacteristicofMAFareintroduced.Accordingtothedifferenceofprocessingobjects,sometypicaldevicesareprovided.Finally,itispointedoutthattheMAFofcomplicatedsurfaceconnectingwithsurfacedigitaltechnologywillbeappliedextensively.Keywords:magneticabrasivefinishing;precisionworking;NCmachine图1　磁力研磨示意图1磁性磨粒2.3磁极4工件1　引言在机械制造业中,光整加工是大多数机械零件的最后一道工序。光整加工技术的应用不仅可以大大提高零件的表面质量、综合机械性能和寿命,而且可以改善零件的外表美观性。尤其在模具制造中,型腔光整加工对模具质量和寿命的提高极为重要。高精度模具的型腔表面粗糙度改善一级,其模具的使用寿命可提高50%左右。作为一种新型的光整加工技术———磁力研磨加工技术正在被深入地研究。它是将磁场效应与传统研磨技术相结合而研发的。2　发展历史与研究现状2.1　发展历史磁力研磨技术MAF(MagneticAbrasiveFinishing)是在强磁场的作用下,用被磁化的磨粒对工件表面进行精密研磨的一种工艺方法。1938年,前苏联工程师Kargolow首次正式提出MAF这一概念。从50年代开始,前苏联、保加利亚、日本等国发表了大量有关这方面的论文,研制了许多磁力研磨装置,使这项技术在实际中得到推广应用。研究工作主要涉及加工原理、加工特点、以及相关设备。有关MAF方面的会议已定期在保加利亚召开[6]。2.2　研究现状磁力研磨加工具有较好的柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小、无变质层、加工质量高、效率高和工具无须进行磨损补偿、无须修形等特点,在国际上引起了广泛的关注,其研究成果已在平面、外圆面、内圆面和成形面光整加工的许多场合得到了应用[7]。目前,磁力研磨加工已能达到亚微米级加工精度。我国对磁力研磨加工的研究开始于80年代末,目前仍处于试验研究阶段,应用较少。一些研究单位自行研制出不同的磁力研磨实验装置,并对轴承滚道、钢管、螺纹环规、丝锥、电机轴、齿轮、阶梯轴、钢球等工件进行了研磨实验,取得了较理想的加工效果。其中大连理工大学、哈尔滨科技大学还进行了电化学磁力研磨复合技术的研究开发[1];华侨大学的方建成等人在传统磁力研磨加工理论的基础上,进行旋转磁场磁力研磨加工的研究,提出了脉冲电路控制产生旋转磁场实现无运动部件光整加工的新思路[4]。3　加工原理及特点3.1　加工原理磁力研磨加工是在强磁场作用下,填充在磁场中的磁性磨料被沿着磁力线的方向排列起来,吸附在磁极上形成”磨料刷”,并对工件表面产生一定的压力,磁极在带动“磨料刷”旋转的同时,保持一定的间隙沿工件表面移动,从而实现对工件表面的光整加工。在加工中磁性磨粒(A)的受力状态如图1所示,磨粒受到工件表面法向力Fn和切向力Fm的作用,作用力Fm使磨粒有向切线方向飞散的趋势,但由于磁场效应,磨粒同时还受到沿磁力线方向的一个压向工件的力Fx和沿磁等位线方向的作用力Fy,Fy可以防止磨粒向加工区域以外流动,从而保证研磨工作的正常进行[6]。3.2　加工特点[1,8]1)磨粒自锐性能好,磨削能力强,加工效率高,可以自动调整研磨切削力,实现对机械零件表面的精密研磨加工。2)温升小,工件变形小,切削深度小,加工412003年第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　平面磁力研磨装置示意图1.回转磁极2.磁性磨料3.工件4.强磁性铁图5　狭小开口容器内表面磁力研磨装置示意图1.强磁性体2.永磁铁3.非磁性容器4.容器支撑5.磁性磨料图6　数控磁力研磨加工机床表面平整光洁,加工精度可达0.01mm。3)工件表面的交变励磁,强化了表面电化学过程,改变了表面的应力分布状态,提高了工件表面的物理机械性能。4)加工对象适应性强,可以研磨平面、曲面以及复杂形状零件的内外表面,例如弯管、U型管、异型内表面、小瓶颈零件内表面。5)具有交变磁场的磁力研磨装置由于没有运动部件,因而运行可靠,设备的寿命大大提高。但是,由于目前磁性磨料制作成本较高,工件的装夹与去磁问题尚未得到解决,形成批量生产尚有困难。4　典型加工装置1)外圆磁力研磨装置如图2所示,工件5安装在立式铣床上,在工件与磁极之间的间隙内填入磁性磨料,主轴使工件产生回转和上下进给运动。向线圈通入直流电,即可产生有一定磁感应强度的磁场[2]。实验表明,此方法研磨外圆可使工件表面粗糙度值由Ra1.6μm则降至Ra0.2μm。磨料种类和磁感应强度对研磨效果有较大影响,增加磁感应强度或采用烧结磨料可以提高研磨效率[3]。图2　外圆磁力研磨装置示意图1.线圈2.磁极3.磁轭4.底座5.工件6.磁性磨料7.主轴　　图3　内圆表面磁力研磨装置示意图1.永磁铁2.磁性磨料3.5.振动方向4.6.磁极7.非磁性管2)内圆表面磁力研磨装置如图3所示,该装置适用于非磁性物质(如黄铜)圆管等的内表面光整加工。圆管内部装有永磁铁和磁性磨料,磁性磨料吸附在永磁铁的周围,当圆管外部加上永磁铁时,磁性磨料在磁场的作用下对圆管内表面产生一定的压力。该装置的本体可以安装到车床的拖板上,工件由主轴带动作回转运动,永磁铁沿工件轴线方向振动,拖板带动工件作进给运动。黄铜圆管内表面加工后,表面粗糙度值可从Ra7μm降至Ra1.3μm[3]。3)平面磁力研磨装置如图4所示,回转磁极与工件下的强磁性体之间形成磁路,回转磁极的一端充满了铁粉混合磁性磨料,铁粉沿磁力线方向形成磁力刷,磁极在旋转的同时工件做进给运动,从而使磨料对工件进行研磨加工。研磨后工件的表面粗糙度值可由Ra0.7μm降至Ra0.05μm[3]。4)狭小开口容器内表面的磁力研磨如图5所示,由于容器的开口狭小,一般的研具无法进入,容器的内表面要求表面粗糙度值在Ra0.2μm以下,为此将铁粉混合磁性磨料投入到容器中,外侧放置Fe-Nd-B永磁铁,永磁铁附近产生不均匀磁场,混合磁性磨料在磁场的作用下对容器内表面产生一定的压力。容器与磁极旋转方向相反,容器内表面与磁性磨料间的相对运动实现了对内表面的精密研磨[3]。5　复杂曲面数字化磁力光整加工对平面或规则曲面(内、外圆面等)的加工通常可采用前述的自动化光整加工装置来完成。而复杂模具的外表面往往以非规则曲面占多数,且模具产品表面光洁度要求非常高,实现自动化光整加工较困难。目前普遍采用手工打磨,造成质量不稳定、效率非常低、人为因素影响较大等缺点。如果能结合曲面数字化方法[9,10](接触式、非接触式),先提取复杂曲面的三维几何数据,通过相应的CAD/CAM(UG、Pro/E)软件生成曲面的几何模型和数控加工代码,再利用数控磁力研磨光整加工设备完成复杂曲面的自动化光整加工,就可以克服手工光整加工的弱点,大大提高生产效率。山东工程学院的赵玉刚等人已进行了类似的研究,开发了复杂曲面数控磁力研磨加工机床(如图6所示)。该机床采用的控制系统是为适应磁力研磨加工工艺特点而自行研制的三坐标数字化仿形加工控制系统。该加工设备除了具有普通三坐标数控铣床控制系统的功能外,还具有曲面示教方式三坐标数字化测量功能、曲面加工轨迹的自动编程和磁性磨料的自动更换功能等[5]。6　结束语随着科学技术的的飞速发展,对产品的精度和表面质量要求会越来越高。磁力研磨加工作为一项新型的研磨加工技术,42　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　组合机床与自动化加工技术一种极具潜力的自动化曲面光整加工工艺,可以广泛地应用于机械、模具、汽车、轴承等制造行业。特别是基于曲面数字化的复杂曲面磁力研磨光整加工技术,将具有广阔的应用前景。[参考文献][1]张雷,周锦进.磁力研磨加工技术.电加工1998(1)[2]安家宪.磁性研磨加工工艺及其开发应用.太原理工大学学报.2000(7)[3]韩秀琴,高云峰.型面研磨新方法—磁力研磨法.机械工艺师2000(7)[4]方建成,金洙吉,徐文骥等.旋转磁场磁粒光整加工研究.中国机械工程2001(11)[5]赵玉刚,江世成,周锦进.新型的复杂曲面磁粒光整加工机床.机械工程学报2000(3)[6]李学全,李峻,胡德全等.磁力研磨技术.机械设计与制造工程.2000(1)[7]赵玉刚,周锦进,金洙吉等.自由曲面磁粒光整加工的研究.电加工1999(2)[8]郭燕莹,张银喜.磁性研磨的加工特性.太原工业大学学报.1997(9)[9]王恒奎.激光测量曲面数字化基础技术研究,浙江大学博士学位论文,2000[10]李剑.基于激光测量的自由曲面数字制造基础技术研究,浙江大学博士学位论文,2002收稿日期:2002-08-02作者简介:徐立军(1974-),男,浙江遂昌人,浙江大学机械制造及自动化专业硕士研究生。(编辑　丛福昌)图3　速度同步误差曲线图4　自校正调节器控制速度同步误差曲线图5　位置同步误差曲线(上接第40页)(1)求离散化形式的P0(Z-1)和P＊0(Z-1)。(2)确定参数D1、D3、σ、β以及采样周期T。(3)对被控对象的标称参数进行在线辨识,按式(13)-(18)进行。(4)对满足式(28)的H∞控制器进行在线求解。(5)返回第(3)步。6　仿真实验结果采用参数相同的两台直线电机,对系统进行仿真研究。电机参数:M=10kg,D=1.2,KT=25,采样周期T=1ms,离散标称参数为a1=a＊1=-0.9703,b1=b＊1=0.6196,PI调节器的参数为KI=809.2,KP=25.61。设M、D最大变化10%,则-1≤a1=a＊1≤-0.8,0.5≤b1=b＊1≤0.8,阶跃负载扰动FL=F＊L=100N,则有界扰动的上确界为D1=D＊1=1.3,未建模动态上确界为D3=D＊3=0.1,取σ=1.1、β=1.06,则α=0.11。图3为单位阶跃给定没有同步控制器时的速度同步误差曲线。图4为自校正调节器控制系统速度同步误差曲线。图5为自校正调节器控制系统位置同步误差曲线。显然,自校正同步调节器的设置能使系统在受到扰动、参数变化和未建模动态的影响时恢复同步,减小系统的速度同步误差,提高了系统的位置同步性能,动态过程的快速性和动态误差都有明显的改善。实现了位置移动的高度一致性。7　结论双直线电机驱动的龙门移动式镗铣加工中心在存在未知有界扰动、参数变化和未建模动态等不确定性因素影响时,采用自校正调节器控制,对同步控制器的参数进行在线自动整定,从而使系统能快速恢复到同步状态。仿真实验结果表明,两个回路速度误差小,位置移动达到高度一致。本文提出的方案控制效果好,鲁棒性强,实现了对高精度数控龙门移动式镗铣加工中心的同步控制。[参考文献][1]申铁龙.H∞控制理论及应用.北京:清华大学出版社,1996[2]Lamaire