复杂曲面磁力研磨加工方法研究*

张 琳,赵吉宾,李 论

(1. 中国科学院 沈阳自动化研究所 沈阳 110016； 2. 中国科学院大学 北京 100049)



复杂曲面磁力研磨加工方法研究*

张 琳1,2,赵吉宾1,李 论1

(1. 中国科学院 沈阳自动化研究所 沈阳 110016； 2. 中国科学院大学 北京 100049)

复杂曲面的光整加工长期以来都是国内外制造领域中的难题，磁力研磨法由于其柔性、自适应性等特点，极其适用于复杂曲面的光整加工。分析了磁力研磨加工的原理和特点。开发了针对复杂曲面的磁力研磨加工工具，具有加工效率高、结构简单、制造成本低和安装方便等优点,并具有磨料的自动更新等功能。以P20模具钢为研究对象，采用磁力研磨加工方法，进行了实验研究，探讨了加工间隙、磁极转速、加工时间等各个参数对加工效果的影响及其作用原理。

磁力研磨；复杂曲面；表面粗糙度

0 引言

随着 CAD/CAM 技术的快速发展，复杂形状零件的加工方法逐渐倍受国内外的关注，尤其在航空航天、船舶、汽车和国防等领域中，许多核心零件都具有复杂的曲面。由于复杂曲面不能由初等解析曲面组成，因此复杂形状零件的复杂曲面的高效和高质量加工一直是国内外制造领域中的难题[1]。手工研磨抛光是最常用的光整加工方法，但该方法的劳动强度大，生产效率低，产品的质量没有保障。另外，由于模具型腔形状复杂，很多研磨抛光方法都有一定局限性，难以广泛地推广使用。现有的复杂曲面光整加工方法存在着诸多弊端，因此，需要一种更加适用于复杂曲面的光整加工方法。磁力研磨加工是把磁场应用于传统的研磨技术中开发出的一种新的有效的光整加工方法之一。这种加工方法由于其柔性和自适应性，适合于平面、球面、圆柱面和其它复杂形状零件的加工，利于实现光整加工的自动化。因此，磁性研磨加工技术越来越得到重视[2]。

磁力研磨加工技术，最早是由前苏联工程师Kargolow于1938年提出，泛指利用辅助磁场的作用，进行精密研磨的一种工艺方法。之后，前苏联、保加利亚、日本等国家对其进行了深入的研究。迄今为止，国外磁力研磨技术已成功地应用在多个方面．如不锈钢管和净气瓶的内壁研磨，研磨修整超硬磨料砂轮，研磨塑料透镜，细长轴类陶瓷加工，缝纫机零件等的去毛刺与抛光加工，提高刃口的使用性能等[3]。

国内对于磁力研磨的研究工作是近二十年来才开始进行的，经过这些年的研究，取得了一些有价值的研究成果，例如上海交通大学进行了物流管道内表面磁力研磨的回转磁场的设计[4]；太原理工大学研制了粘结法和热压烧结法制备磁性磨料的工艺，并深入研究了磁力研磨的磨削机理[5]；西安工业学院进行了磁力研磨加工的数值仿真，以及磁屏蔽对内圆磁力研磨加工影响的研究[6-7]；山东理工大学自行研制了三坐标数字化加工控制磁力研磨机床[8]。由于国内起步比较晚，在理论和实验等方面还和国外有不小的差距，目前还主要处在实验研究的阶段，实际应用的不多，而且深度与国外相比还不够[8]。因此，本文提出一种复杂曲面磁力研磨加工方法，其加工工具具有磁性磨料的自动更新等功能。

1 磁力抛光加工机理分析

磁性研磨加工与传统的机械研磨方法不同之处在于，它是一种柔性加工方式，和加工表面是非接触式加工。利用磁性磨料良好的柔性，使其随着工件形状的变化而变化，来适应各种不同的表面。不仅可以加工外圆、球面、平面等各种表面，而且还可以对传统研磨工具无法伸入的内圆、内壁等曲面进行加工。磁力研磨良好的柔性和自适应性，为其与机器人结合起来进行复杂曲面(如空间自由曲面)的光整加工创造了条件[9]。

磁性研磨(Magnetic Abrasive Finishing MAF)，也称为磁力研磨，是在强磁场作用下，填充在工具磁极与加工表面之间磁场中的磁性磨料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，保持一定间隙沿工件表面移动，从而实现对工件表面的光整加工，如图1所示。

图1 磁力研磨加工原理

在研磨过程中，磨粒A是在加工区中靠近工件表面的一颗磁性磨粒。在磁场作用下，磁性磨粒受到沿磁力线方向的作用力为Fx，沿等磁位线方向的作用力为Fy，其合力为F，使得加工区域附近的磁性粒子向加工区内集中。磁场作用力可表示为

(1)

(2)

式中μ0——真空磁导率；

χ——磁性磨粒的磁化率；

V——磁性磨粒的体积；

H——A点的磁场强度；

由式(1)和(2)可以看出，磁性磨粒受到的磁力大小正比于真空磁导率、磁性磨粒的体积、磁化率、磁场的强度和磁场梯度。当磨粒脱离加工区域时，Fx与Fy的合力F则把磨料拉向加工区域，使磨粒不会脱离加工区域。

2 复杂曲面磁力研磨加工工具

到目前为止，磁力研磨虽然在国外许多领域都已有成熟的应用，但在我国，真正在生产中的应用还很少，多数是处于实验研制阶段，在车床或铣床上通过增加一些辅助的工装来完成的，使其在加工上受一定的影响。

为了便于推广应用，开发了一种复杂曲面磁力研磨工具，如图2所示，具有主架，固定于主架上的电机通过锥齿轮传动驱动中空的主轴旋转。主轴安装在定位套内。磁极套与主轴下端固定，其内装有带有中孔、底端开槽的磁极。外置泵将磨料和研磨液混合物经过输送管道、旋转接头、主轴、隔磁套，最终送至磁极的十字形槽处，使磁极上的磨料强制更新。法兰盘与主架连接，并可以通过法兰盘安装在多自由度机器人的末端。

图2 磁力抛光工具

(1.法兰；2.旋转接头；3.输送管道；4.电机；5.主动锥齿轮；6.从动锥齿轮；7.主架；8.连接螺栓；9.磁极套；10.磁极；11.隔磁套；12.连接螺栓；13.定位套；14.连接螺栓；15.支撑侧板；16.主轴；17.法兰定位螺栓；)

该抛光工具中，磁极直接由强磁性材料加工而成，且底端开有十字形槽，可以将磁场梯度化，同时也优化了磁场分布，有利于提高复杂曲面磁研磨效率；电机直接(或通过传动软轴)驱动主动锥齿轮、从动锥齿轮和主轴，带动磁极旋转，实现磁力研磨加工；输送管道、旋转接头、主轴中孔和隔磁套共同组成了完整的磨料更新通道，可以利用外置泵将磨料与研磨液的混合物送至磁极的十字形槽处，使磁极上的磨料实时强制更新；法兰盘安装在多自由度机器人的末端。法兰盘也可以改为通用刀柄型，便于将整个装置安装在机床上。

本工具的特点为：具有加工效率高、结构简单、制造成本低和安装方便等优点；具有独立的驱动电机，与多种加工设备或装置连接方便，通用性好且无需其他外置动力；该装置与数控机床或多自由度机器人配合使用具有较高的加工精度，可以广泛应用于大面积、复杂自由曲面表面的研磨加工。

3 影响磁力研磨加工效果各因素的实验研究

利用上述磁力研磨装置，加装在机器人末端，进行磁力研磨实验，采用便携式粗糙度仪MarSurf PS1测量加工表面粗糙度，图3为磁力研磨实验装置，图4为磁力抛光加工实验部分图片，各实验参数如表1所示：

图3 磁力研磨实验装置

图4 磁力抛光加工实验部分

工件P20模具钢工具磁极直径ϕ24mm磁极材料钕铁硼磁极转速400～1200r/min磁性磨料Fe+Al2O3烧结法制备，60目加工间隙1～3mm

通过对实验数据分析处理后，各参数对加工结果影响分析如下：

3.1 加工间隙

加工间隙是指磁极表面和工作表面之间的间隙。保持其他参数不变，得到的不同加工间隙下工件表面粗糙度值如图5所示。从图中可以看出，加工间隙为2mm时，可以获得较好的加工效果，过大或者过小的加工间隙都会使表面粗糙度值增大。加工间隙过小，形成的磁串较短，“磁力刷”的柔性降低，对表面的划伤严重，导致Ra值增大。当加工间隙过大时，磁阻变大，磁感应强度减弱，且有限的磨料排列得较为疏松，研磨压力减小，研磨效率降低。

图5 加工间隙对工件表面粗糙度的影响

3.2 磁极转速

如图6所示，在正常的加工条件下，磁极转速越高，单位时间内工件和磁极相对位移量越大，材料去除量增大，表面粗糙度值下降的越快。但当磁极转速增大到一定值后，磁性磨料会受离心力的作用挣脱磁场的束缚，沿着工件回转的切线方向飞出，使加工的稳定性受阻，严重时，工作间隙里的磨料全部飞出而失去研磨能力[10]。因此磁极转速不能过高，一般在900～1100r/min比较合适。

图6 磁极转速对工件表面粗糙度的影响

3.3 加工时间

在其他参数不变的情况下，只改变加工时间，得到工件表面粗糙度随时间的变化如图7所示。从图中可以看出，在加工初期，粗糙度值Ra下降较快，在达到一个较低的Ra值之后，表面粗糙度值反而有增加的趋势。这是因为在加工初期，磁性磨料在粗糙表面的凸起处形成尖端效应，磨削力较强，使粗糙度迅速降低，但随着加工的进行，尖端效应变弱，加工效率下降，磨料刷切削刃减少，刚性增加，不断在工件表面留下较深的刻痕，因此在6min之后Ra值反而增大。

图7 加工时间对工件表面粗糙度的影响

4 结论

(1)大多数模具曲面是复杂曲面，实现自动化抛光加工很困难。本文提出了针对模具复杂曲面的磁力研磨加工装置，能实现对复杂曲面的磁力抛光加工，便于在实际中推广应用。

(2)实验并分析了加工间隙，磁极转速，加工时间对磁力研磨加工效果的影响，并得出了一些重要的加工参数，在其它条件不变的情况下，加工间隙值为2mm，磁极转速为1000r/min，加工时间为6min时，表面粗糙度值下降最快，这些参数为其在工业上的推广应用提供了依据。

[1] 闫家贇. 复杂曲面五轴数控加工中干涉问题的研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2006.

[2]赵玉刚.磁粒光整加工技术的应用与发展[J].现代制造技术与装备，2006(2)：9-13.

[3]张雷，周锦进,金洙吉，等.磁力研磨加工技术[J].电加工与模具，1998(1)：38-43.

[4]王艳，胡德金.不锈钢物流管道内表面磁力研磨的回转磁场设计[J].机械工程学报，2005,41(2)：102-106.

[5]陈红玲，张银喜. 磁性磨料磨粒的磨削机理研究[J].太原理工大学学报，2000,31(5)：562-565.

[6]王琰，白万民.磁力研磨加工的数值仿真[J].西安工业学院学报，2005,25(5)：445-448.

[7]王琰,陈显文,白万民.磁屏蔽对内圆磁力研磨加工影响的研究[J].电加工与模具，2005 (3)：47-50.

[8]高玉龙. 磁力研磨光整加工及磁性磨料制备技术的研究与应用[D].淄博，山东理工大学，2009.

[9]邱腾雄，阎秋生，高伟强. 磁力研磨加工塑料模具钢的表面粗糙度特性研究[J].制造技术与机床，2008(4)：121-125.

[10]马东雄，丁金福，李晓东. 磁研法在模具曲面中的抛光机理与技术研究[J].机械设计与制造，2009(3)：242-244.

(编辑 李秀敏)

Magnetic Abrasive Finishing Method Research of Complex Curved Surface

ZHANG Lin1, 2，ZHAO Ji-bin1,LI Lun1

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016,China;2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049,China)

Complex curved surface finishing has been a problem in manufacturing for a long time at home and abroad. Magnetic abrasive finishing is extremely suitable for complex curved surface finishing because of its features of flexible、self - adaptability and so on. The working principle and characteristic of magnetic abrasive finishing were analysed. A magnetic abrasive finishing device was developed for complex curved surface, which has the advantages of high finishing efficiency, simple structure, low manufacturing cost and easy installation and has the function of abrasive automatic update. Experimental with P20 mould steel was carried out to research the effect of various factors such as working gap、magnetic pole speed、finishing time on working result and the working principle.

magnetic abrasive finishing;complex curved surface;surface roughness

1001-2265(2014)01-0129-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.036

2013-05-14;

2013-05-29

国家自然科学基金项目(51175495)

张琳(1987—)，女，河北邯郸人，中国科学院大学硕士研究生，研究方向为磁力研磨加工技术，(E-mail)zhanglinsia@163.com；通讯作者：赵吉宾(1970—),男，济南人，中国科学院博士，研究员，研究方向为快速成形技术和复杂曲面零件的加工及视觉检测技术，(E-mail) jbzhao@sia.cn。

TG74+9; TG580.68

A