CN101152701A - 垂直方向振动磁力研磨工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
一种垂直方向振动磁力研磨工艺及装置，其工艺是，在常规磁力研磨方式下附加一种相对于工件表面的垂直方向的振动，形成脉冲压力进行磁力研磨，以提高材料的去除效率；装置包括相对于工件表面的垂直方向设置的主轴，磁极头安装在所述主轴的底端，在所述磁极头的下方设有与振动驱动机构相连接而可作相对于工件表面的垂直方向振动的振动台，混合磁性磨料置于所述振动台上的工件与所述磁极头之间的间隙中。可广泛运用于包括大体积工件在内的各种零件表面高精度的加工，并且能实现对微小复杂三维曲面的表面精度加工。装置加工效率高，制造、装配简单，在普通的机床上就能实行改装。
Description
技术领域
本发明涉及精密磁力研磨加工工艺及其装置。
背景技术
磁力研磨技术(Magnetic Abrasive Finishing)是利用磁性磨料、辅助磁场的作用进行精密研磨的一种工艺方法，其适应性强，适合于平面，二维，三维复杂曲面的研磨，可以广泛地应用到机械、汽车、模具、医疗器械，电子和光学等行业。1938年，前苏联工程师Kargolow正式提出MAF这一概念，随后60年代这一技术的发展正是得益于前苏联Baron和他的同事们及保加利亚Mekedonski和他的同事们的研究和推广应用工作。
在常规磁力研磨工艺中，把工件放入N、S极中间，并使工件相对N极和S极保持一定的间隙，然后把磁性磨粒放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线的方向有序地排列成磁力研磨刷，当工件相对磁极作相对运动时，磁力研磨刷将对工件表面进行研磨，磁性磨粒在工件表面的运动状态通常有滑动、滚动、切削几种形式。
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和毛刺去除加工等许多场合中得到应用。
国际上从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。国内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、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。
第00254669.8号中国专利文献公开了一种振动磁力研磨机，它是将工件与磁性磨粒混合一起放在振动容器内加工，容器可绕水平轴转动；由于工件放在容器内，容器大小限制了加工工件的体积，还由于工件没有固定，受到加工压力不大，因此它的材料去除率和加工效率也很有限；加之它是一种专用设备，不能利用已有机加工设备改装实现。
包括上述振动磁力研磨机在内的已有技术，在常规的磁力研磨工艺条件下，受到磁场与磁性磨粒的限制，其加工效率比较低。而且在加工复杂的细微三维曲面零件时，对于那种不可见的和常规加工不能达到的曲面更是无能为力。那么研发新的磁力研磨装置来提高对三维曲面零件的研磨效率是十分有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种垂直方向振动磁力研磨工艺及装置，该工艺及装置通过附加一种相对于工件表面的垂直方向的振动，提高材料的去除效率；并且对复杂三维微曲面能够实现有效的加工，所述装置既可以做成专用磁力研磨设备，亦可以利用已有立式铣床等普通机加工设备改装而成。
本发明的技术解决方案之一是，所述垂直方向振动磁力研磨工艺是，在常规磁力研磨方式下附加一种相对于工件表面的垂直方向的振动，形成脉冲压力进行磁力研磨，以提高材料的去除效率。
本发明的技术解决方案之二是，所述垂直方向振动磁力研磨装置包括相对于工件表面的垂直方向设置的主轴，磁极头安装在所述主轴的底端，在所述磁极头的下方设有与振动驱动机构相连接而可作相对于工件表面的垂直方向振动的振动台，混合磁性磨料置于所述振动台上的工件与所述磁极头之间的间隙中。
以下结合图1所示实施例装置对本发明的工艺和装置做出进一步说明。
参见图1，本发明所述垂直方向振动磁力研磨装置的结构是，它包括相对于工件表面的垂直方向设置的主轴2，磁极头12安装在所述主轴2的底端，在所述磁极头12的下方设有与振动驱动机构相连接而可作相对于工件表面的垂直方向(设为Z向)振动的振动台14，混合磁性磨料13置于所述振动台14上的工件11与所述磁极头12之间的间隙中。
如图1所示，还可在磁极头12底端开设凹槽1，这样可以增加磁场强度。
为了便于工件在研磨加工中的进给，可将所述振动台14安装在一个X-Y向进给台8上。所述X-Y向是指三维直角坐标系中，水平面内成正交的X轴方向和Y轴方向，X-Y向进给台8可在该X向和Y向运行，实现工件进给；所述Z向是指该座标系中的Z轴方向。
本发明中，磁极头12的励磁方式可以采用电磁感应线圈，也可以采用永久性磁石，或者电磁感应线圈与永久性磁石相结合；磁极的分布也可以进行选择，当采用电磁线圈时，磁极是上下分布，形成图1所示磁场；当采用永久性磁石时，可以采用上述的上下分布方式，也可以在同一平面内，把磁极均匀分布在其上，其磁极数可以根据具体需要更改。振动台14的激振方式也可以采用多种，如机械式或电磁式、永磁式等。机械式有凸轮式、连杆式等，而电磁式也可选用电磁式驱动与电动式驱动。
本发明研磨工艺及装置的工作过程是(参见图1，采用电磁感应线圈4励磁)，工件11直接安装在振动台14上，与磁极头12之间保留一定间隙，电磁感应线圈4通电时产生磁场，将混合磁性磨料13(可采用已有技术的混合磁性磨料)放入磁极头12与工件11之间的间隙，混合磁性磨粒13将受到磁极头12的磁力作用被吸附于磁极头12上，并随之高速旋转，形成磁力研磨刷对工件进行加工；同时工件11能做低速X-Y向进给；与此同时振动台14带动工件11进行相对于工件表面的垂直方向(Z方向)振动，可通过作为振动驱动装置的凸轮偏心装置15调整振动的振幅和频率。这样，工件在振动的同时，受到磁力研磨刷作用直到加工完成。由于磁力研磨刷具备柔性和弹性，可以不必进行严格的CNC数控，而加工微细复杂曲面。
本发明在研制过程中，对镁合金就有振动和无振动这两种情况下，做了一系列实验。就材料去除量来看，相同条件下，有振动条件下的材料去除量是无振动条件下的两倍，具体加工效果见图2。除此之外，还进行对孔边去毛刺的加工实验，从得到的数据结果看，在相同的条件下，有辅助振动时加工时间要比无辅助振动的缩短了40％。很明显，这种新型的垂直方向(Z方向)振动磁力研磨装置能大大提高加工效率。还由于工件直接安装在振动台14上(加以固定)而非装在容器中，因此本装置可加工较大体积(面积)的工件。
本发明的技术原理是，加工过程中作用在磨粒上的脉冲研磨力由磁场力Fm，Fh和振动力Fv共同决定。则作用在磨粒上的合力为∑F＝Fm+Fh+Fv。那么这个合力矢量又可分为水平矢量力∑Fx和垂直矢量力∑Fz。水平矢量力∑Fx产生磨削压力使磨粒磨削刃对材料进行切削，而垂直矢量力∑Fz则帮助磨粒围绕磁极回转，此外还能对切向的材料进行切削。而辅助振动加工过程中产生的脉冲压力，它呈周期性变化，它的峰值和平均值在与无振动情况下相比有显著的增加。这样，由于增加了工作压力对提高材料的去除量有着很大的帮助。从而达到提高加工效率的目的。
由以上可知，本发明为一种垂直方向振动磁力研磨工艺及装置，它通过附加一种相对于工件表面的垂直方向的振动，有效提高了材料的去除效率，可广泛运用于包括大体积工件在内的各种零件表面高精度的加工，并且能实现对微小复杂三维曲面的表面精度加工；与常规的磁力研磨机相比，能有效的提高加工效率，而且制造，装配简单；所述装置既可以做成专用磁力研磨设备，亦可以利用已有立式铣床等普通机加工设备改装而成。
附图说明
图1是本发明的一种实施例整体结构示意图。
图2是镁合金AZ31B、不锈钢SNS304、黄铜C2680三种材料的加工表面电镜图，其中a是加工前表面电镜图，b是无振动加工表面电镜图，c是有振动加工表面电镜图。
图3是三种金属材料加工次数与磨削量及表面粗糙度的关系，黄铜C2680经过一个回合加工，表面粗糙度由加工前的2.5μmRy提高到0.5μmRy，经过四个回合后逐渐向0.45μmRy靠近；而不锈钢SNS304则提高到0.4μmRy。镁合金AZ31B经过一个回合后提高到0.8μmRy，四个回合后则逐渐向0.7μmRy靠近。
图4是镁合金AZ31B在有无辅助振动情况下的加工试验数据，我们设定工作间隙和振动幅度为2.5、1mm。那么实际的工作间隙将在1mm和3.5mm之间变动。在无辅助振动时，经过三个回合加工镁合金的表面粗糙度由2.5μm提高到0.6μm。在有辅助振动时，则提高到0.7μm。而对材料磨削量来看，相同条件下，有振动条件下的材料磨削量则是无振动条件下的两倍，很明显，这会大大提高加工效率。
图5是对镁合金AZ31B孔边去毛刺的加工的试验数据。从得到的数据结果看，在相同的条件下，有辅助振动时加工时间要比无辅助振动的缩短了40％。
在图1中：
1-凹槽， 2-主轴， 3-上磁轭
4-电磁感应线圈， 5-磁心， 6-电动机，
7-下磁轭， 8-X-Y向进给台，9-弹簧，
10-导向拄， 11-工件， 12-磁极头
13-混合磁性磨料 14-振动台， 15-凸轮偏心装置。
具体实施方式
图1所示为实现本发明工艺的一种所述垂直方向振动磁力研磨装置，它安装在普通的立式(垂直)铣床的床身上；装置包括竖向设置的主轴2，磁极头12安装在所述主轴2的底端，在所述磁极头12的下方设有与振动驱动机构相连接而可作垂直方向(Z向)振动的振动台14，混合磁性磨料13置于所述振动台14上的工件11与所述磁极头12之间的间隙中；在磁极头12底端开设凹槽1，以增加磁场强度；将所述振动台14安装在一个X-Y向进给台8上。
磁极头12采用电磁感应器励磁，该电磁感应器包括设有磁心5的电磁感应线圈4，其上、下两端分别装有上磁轭3和下磁轭7，上磁轭3的前端套装在电主轴2上而与之形成磁通路；下磁轭7的前端位于X-Y向进给台8底部。
振动台14在X-Y向进给台8上的安装结构是，所述X-Y向进给台8两侧装有导向柱10，振动台14相应两侧分别经弹簧9悬挂在相应的导向柱10上端。
所述振动驱动机构为一安装在振动台14下部并由电动机驱动的凸轮偏心装置15，由凸轮推动振动台14作垂直(Z向)方向的振动。
Claims (7)
1.一种垂直方向振动磁力研磨工艺，其特征是，该工艺为，在常规磁力研磨方式下附加一种相对于工件表面的垂直方向的振动，形成脉冲压力进行磁力研磨，以提高材料的去除效率。
2.一种垂直方向振动磁力研磨装置，其特征是，它包括相对于工件表面的垂直方向设置的主轴(2)，磁极头(12)安装在所述主轴(2)的底端，在所述磁极头(12)的下方设有与振动驱动机构相连接而可作相对于工件表面的垂直方向振动的振动台(14)，混合磁性磨料(13)置于所述振动台(14)上的工件(11)与所述磁极头(12)之间的间隙中。
3.根据权利要求2所述垂直方向振动磁力研磨装置，其特征是，在所述磁极头(12)底端开设有凹槽(1)。
4.根据权利要求2所述垂直方向振动磁力研磨装置，其特征是，所述振动台(14)安装在一个X-Y向进给台(8)上。
5.根据权利要求4所述垂直方向振动磁力研磨装置，其特征是，所述X-Y向进给台(8)两侧装有导向柱(10)，振动台(14)相应两侧分别经弹簧(9)悬挂在相应的导向柱(10)上端。
6.根据权利要求2所述垂直方向振动磁力研磨装置，其特征是，所述振动驱动机构为一安装在振动台(14)下部并由电动机驱动的凸轮偏心装置(15)。
7.根据权利要求2所述垂直方向振动磁力研磨装置，其特征是，所述磁极头(12)采用电磁感应器励磁，该电磁感应器包括设有磁心(5)的电磁感应线圈(4)，其上、下两端分别装有上磁轭(3)和下磁轭(7)，上磁轭(3)的前端套装在电主轴(2)上，下磁轭(7)的前端位于振动台(14)下方。
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