CN109333164B - 可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械零件表面光整加工技术领域，具体是一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法。包括磁场发生装置以及可以改变直径的自适应孔径机构，自适应孔径机构设置在磁场发生装置周侧，自适应孔径机构以及磁场发生装置设置在待加工工件内侧。本发明既可对导磁材料也可对非导磁材料进行内孔表面的光整加工。整个加工装置结构简单，工艺简洁，经济效益好，易于广泛应用。

Description

可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法

技术领域

本发明属于机械零件表面光整加工技术领域，具体是一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法。

背景技术

机械零件的表面质量是评价机械零件质量的一个重要指标，直接影响整个机械产品的使用性能和寿命。在机械零件的实际生产过程中，孔表面光整加工存在加工难度大，加工质量差，加工效率低等一系列问题，特别是对阶梯孔、细长孔、盲孔、曲面等表面的光整加工。因此，解决孔表面的光整加工问题，对提高机械零件表面完整性及整台机器的使用性能和寿命显得尤为重要。

磁性磨具光整加工是将具有磁性和加工能力的介质放置在被加工工件表面，在磁场的作用下，加工介质沿着磁力线排列形成柔性的磁性磨具，实现对被加工工件的表面光整；具有加工效果好、自适应性强等优点，可应用于自由曲面、回转体表面、弯管内表面、模具型腔表面等精密零件表面光整加工。现有技术一种磁性磨粒光整加工中的电控永磁磁场发生装置及应用方法（ZL201310548376.1），解决了磁场发生装置利用电磁源加工耗能高、利用永磁源加工退磁难的问题；一种电化学磁力研磨光整加工合金管的方法及装置（ZL201610021962.4），解决了对硬质合金管的光整加工，有效提高了加工效率和加工质量。以上技术主要是围绕电磁发生装置等方面的问题展开的，然而在磁性磨具光整加工中电磁发生装置结构庞大、发热高。现有技术一种粘弹性磁性磨具表面光整加工装置及其方法（ZL201010534181.8），采用一对永磁磁极产生磁场，磁场发生装置结构简单、工艺简洁，但是磁场强度及被加工孔的内径不可调。

为了有效解决上述相关问题，亟需一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨

具光整加工装置及方法，用以解决阶梯孔、细长孔、盲孔、曲面等表面光整加工的难题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法。

本发明采取以下技术方案：一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置，包括磁场发生装置以及可以改变直径的自适应孔径机构，自适应孔径机构设置在磁场发生装置周侧，自适应孔径机构以及磁场发生装置设置在待加工工件内侧。

进一步的，磁场发生装置包括软铁片、磁性磨具一、磁性磨具二、铜套、永磁体一、软铁一、永磁体二、软铁二和永磁体三，永磁体一、永磁体二以及永磁体三均为轴向充磁且角度为120°的扇形结构，并且与铜套为间隙配合，永磁体一与永磁体二之间的间隙用软铁一填充；永磁体二与永磁体三之间的间隙用软铁二填充，永磁体一、永磁体二以及永磁体三按照磁极互斥的排列方式依次放入到铜套中，即软铁一两侧为S-S，软铁二两侧为N-N，铜套的外侧从左到右依次开有四个槽孔，两侧的槽孔中插入有软铁片，中间的槽孔中吸附磁性磨具一和磁性磨具二。

进一步的，自适应孔径机构包括右连杆、主轴、左连杆、长连杆和滑块，所述的铜套在周向上均布有三个，铜套的截面为120°角的扇形结构，每个铜套两端分别通过右连杆和左连杆用转动副连接主轴构成平行四边形机构，在周向上均布三个相同的平行四边形机构；滑块通过移动副连接在主轴上，滑块通过转动副连接长连杆的一端，长连杆另一端与左连杆以及主轴通过转动副连接。

进一步的，磁场发生装置和自适应孔径机构组成光整加工执行部件，光整加工执行部件固定在电磁振动部件上，待加工工件固定在工件夹紧部件上，还包括用于运输待加工工件的进给部件。

进一步的，电磁振动部件包括振动装置左端盖、振动机构主轴、直线轴承、止动环、圆柱螺旋压缩弹簧、永磁体弹簧座、外铁扼、线圈、永磁体、双列推力球轴承、振动装置右端盖和机架，机架左右两端分别固定有振动装置左端盖和振动装置右端盖，机架内侧设置有外铁扼，线圈套在外铁扼中，外铁扼内设置有用于安装振动机构主轴的双列推力球轴承，双列推力球轴承外侧套有永磁体，双列推力球轴承两侧对称固定有永磁体弹簧座，永磁体弹簧座上安装有圆柱螺旋压缩弹簧，圆柱螺旋压缩弹簧外端分别与左右两侧的振动装置左端盖和振动装置右端盖接触，振动装置左端盖和振动装置右端盖上开有孔，孔上安装有用于固定振动机构主轴的直线轴承，直线轴承与振动装置左端盖和振动装置右端盖之间设置有止动环，振动装置左端盖和振动装置右端盖固定在机架上。

进一步的，进给部件包括伺服电机、梅花型联轴器、丝杠、轴承座、圆锥滚子轴承、轴承端盖、密封毡圈、导轨、滑块。丝杠和伺服电机通过梅花型联轴器连接在一起，丝杠的两端装有圆锥滚子轴承。两个导轨平行于丝杠，安装在丝杠的两侧。丝杠和滑块通过螺旋副连接在一起，导轨和滑块通过移动副连接在一起。滑块的上部设计有工件夹紧部件座，通过螺栓连接将其和工件夹紧部件连在一起。通过控制伺服电机的转向和转速进而控制滑块和工件夹紧部件的进给运动。

一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置的加工方法，包括以下步骤：

1、将颗粒较大的磁性磨具吸附在软铁二的外围，将颗粒较小的磁性磨具吸附在软铁一外围；

2、将被加工管状零件装夹在工件夹紧部件上，然后把光整加工执行部件伸入管状零件内部；

3、调节光整加工执行部件直径以适应管状零件，同时调节加工间隙；

4、启动电机和电磁振动装置，调整电机转速和振动装置的振幅和频率稳定；

5、待电机转速和振动装置的振幅和频率稳定后，启动进给部件，以一稳定速度进给；

6、待加工完成后，取下被加工零件。

与现有技术相比，本发明的光整加工执行部件在轴向上布置了三个尺寸相同且都为轴向充磁的永磁体，采用磁极互斥的布置形式，磁极之间的间隙用导磁能力较强的软铁填充，这样就可以在软铁的外围产生较强的磁感应强度，用Maxwell16.0仿真结果显示一般可达0.8T左右，达到了表面光整所需的磁感应强度。在磁场力的作用下，离散的磁性磨粒形成了排列整齐的柔性体“磁刷”，可实现柔性光整加工。软铁二的宽度较小，可产生较强的磁感应强度，外围使用粒度较大的磁性磨粒，对工件内表面进行初次加工；软铁一的宽度较大，相应的磁感应强度较小，软铁外围使用粒度较小的磁性磨料，对工件内表面进行二次加工。铜套两侧还设有调整软铁片，用于调整永磁体之间的间隙，以获得不同的磁场应强度，用于加工不同材料的零件。该装置还巧妙的将曲柄滑块与平行四边形机构结合起来，构成曲柄滑块平行四边形机构，可用于调整加工间隙且可适应不同孔径零件的光整加工。此外，该装置还设计有电磁振动部件，用于提供轴向的振动，增加磁性磨具与被加工表面之间相对运动的复杂性，提高光整加工的均匀性。

本发明所体现的积极效果有以下几个方面：

1、既可对导磁材料也可对非导磁材料进行内孔表面的光整加工。

2、整个加工装置结构简单，工艺简洁，经济效益好，易于广泛应用。

3、整个加工过程为柔性加工，加工质量好，精度高。

4、主轴旋转运动和电磁振动复合起来构成了磨具与工件表面复杂的相对运动，大大提高了加工均匀性。

5、在轴向上使用了三个永磁体，同时使用了两种磁性磨料，可同时进行两次光整加工，极大的提高了加工效率。

附图说明

图1 为整个磁性磨具光整加工装置结构示意图；

图2 为光整加工执行部件装配图；

图3 为电磁振动部件装配图；

图4为铜套结构图；

图中a-电磁振动部件，b-光整加工执行部件，c-工件加紧部件，d-进给部件，1-销轴，2-右连杆，3-主轴，4-软铁片，5-磁性磨具一，6-磁性磨具二，7-左连杆，8-长连杆，9-锁紧螺钉，10-滑块，11-铜套，12-永磁体一，13-软铁一，14-永磁体二，15-软铁二，16-永磁体三，17-振动装置左端盖，18-振动机构主轴，19-直线轴承，20-止动环，21-圆柱螺旋压缩弹簧，22-永磁体弹簧座，23-螺栓，24-外铁扼，25-线圈，26-永磁体，27-轴承外筒，28-筒套，29-双列推力球轴承，30-振动装置右端盖，31-机架。

具体实施方式

如图2所示，一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置，包括磁场发生装置以及可以改变直径的自适应孔径机构，自适应孔径机构设置在磁场发生装置周侧，自适应孔径机构以及磁场发生装置设置在待加工工件内侧。

如图2所示，磁场发生装置包括软铁片4、磁性磨具一5、磁性磨具二6、铜套11、永磁体一12、软铁一13、永磁体二14、软铁二15和永磁体三16，永磁体一12、永磁体二14以及永磁体三16均为轴向充磁且角度为120°的扇形结构，并且与铜套11为间隙配合，永磁体一12与永磁体二14之间的间隙用软铁一13填充；永磁体二14与永磁体三16之间的间隙用软铁二15填充，永磁体一12、永磁体二14以及永磁体三16按照磁极互斥的排列方式依次放入到铜套11中，即软铁一13两侧为S-S，软铁二15两侧为N-N，铜套11的外侧从左到右依次开有四个槽孔，两侧的槽孔中插入有软铁片4，中间的槽孔中吸附磁性磨具一5和磁性磨具二6。

铜套11的外侧从左到右依次开有的槽孔宽为2mm～3mm、 4mm～5mm、2mm～3mm、2mm～3mm，两侧2mm～3mm的槽孔中插入厚为0.5mm～1mm软铁片4，调整永磁体之间的间隙时，可将软铁片4从两侧2mm～3mm槽孔中拔出，插入到永磁体之间的软铁中。中间2mm～3mm的槽孔中吸附粒度较大的磁性磨具一5，进行初次加工；4mm～5mm的槽孔中吸附粒度较大的磁性磨具二6，进行二次加工。

自适应孔径机构包括右连杆2、主轴3、左连杆7、长连杆8和滑块10，所述的铜套11在周向上均布有三个，铜套11的截面为120°角的扇形结构，每个铜套11两端分别通过右连杆2和左连杆7用转动副连接主轴3构成平行四边形机构，在周向上均布三个相同的平行四边形机构；滑块10通过移动副连接在主轴3上，滑块10通过转动副连接长连杆8的一端，长连杆8另一端与左连杆7以及主轴3通过转动副连接。当滑块10向左移动时，长连杆8带动平行四边形机构以及整个磁场发生装置向外扩张。

磁场发生装置和自适应孔径机构组成光整加工执行部件b，光整加工执行部件b固定在电磁振动部件a上，待加工工件固定在工件夹紧部件c上，还包括用于运输待加工工件的进给部件d。

如图3所示，电磁振动部件包括振动装置左端盖17、振动机构主轴18、直线轴承19、止动环20、圆柱螺旋压缩弹簧21、永磁体弹簧座22、外铁扼24、线圈25、永磁体26、双列推力球轴承29、振动装置右端盖30和机架31，机架31左右两端分别固定有振动装置左端盖17和振动装置右端盖30，机架31内侧设置有外铁扼24，线圈25套在外铁扼24中，外铁扼24内设置有用于安装振动机构主轴18的双列推力球轴承29，双列推力球轴承29外侧套有永磁体26，双列推力球轴承29两侧对称固定有永磁体弹簧座22，永磁体弹簧座22上安装有圆柱螺旋压缩弹簧21，圆柱螺旋压缩弹簧21外端分别与左右两侧的振动装置左端盖17和振动装置右端盖30接触，振动装置左端盖17和振动装置右端盖30上开有孔，孔上安装有用于固定振动机构主轴18的直线轴承19，直线轴承19与振动装置左端盖17和振动装置右端盖30之间设置有止动环20，振动装置左端盖17和振动装置右端盖30固定在机架31上。

进给部件包括伺服电机、梅花型联轴器、丝杠、轴承座、圆锥滚子轴承、轴承端盖、密封毡圈、导轨、滑块。丝杠和伺服电机通过梅花型联轴器连接在一起，丝杠的两端装有圆锥滚子轴承。两个导轨平行于丝杠，安装在丝杠的两侧。丝杠和滑块通过螺旋副连接在一起，导轨和滑块通过移动副连接在一起。滑块的上部设计有工件夹紧部件座，通过螺栓连接将其和工件夹紧部件连在在一起。通过控制伺服电机的转向和转速进而控制滑块和工件夹紧部件的进给运动。

双列推力球轴承29用于承受振动时轴向的载荷，轴承外筒27、套筒28和轴承端盖33用于固定双列推力球轴承29。永磁体26为脆性材料，圆柱螺旋压缩弹簧21用于缓冲轴向力，避免永磁体26与其他零件刚性接触。当线圈25通电时，线圈25产生电磁场，可根据安培定则（也叫右手螺旋定则）可判断线圈的左右两端的磁极。永磁体26的左右两端分别为N极和S极。线圈25产生的电磁场和永磁体26产生的磁场相互作用，会产生轴向的推力。为了使永磁体26产生轴向的振动，需要给线圈25加载交变电流。电磁振动装置的左侧安装有弹性套柱销联轴器用于补偿振动时轴线上的位移偏差。

为了使本发明的磁性磨具表面光整加工装置实现整个内孔表面的光整加工，此装置还设计有工件夹紧部件和进给部件。工件夹紧部件使用了车床上常用的三爪卡盘，具有结构简单，夹持范围大，装夹工件速度快等特点。进给部件采用螺旋传动机构实现，具有进给平稳，速度稳定的优点。

一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置的加工方法，包括以下步骤：

1、将颗粒较大的磁性磨具吸附在软铁二15的外围，将颗粒较小的磁性磨具吸附在软铁一13外围；

2、将被加工管状零件装夹在工件加紧部件上，然后把光整加工执行部件伸入管状零件内部；

3、调节光整加工执行部件直径以适应管状零件，同时调节加工间隙；

4、启动电机和电磁振动装置，调整电机转速和振动装置的振幅和频率稳定；

5、待电机转速和振动装置的振幅和频率稳定后，启动进给部件，以一稳定速度进给；

6、待加工完成后，取下被加工零件。

实施实例1

一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法，其加工参数如表1所述：

表1实例1加工参数

参数

磁极转速/（r/min）

SiC粒度/#

Fe：SiC

工件材质

工件内径/mm

工件内表面原始粗糙度 Ra/μm

加工时间/min

数值

300

240

13:7

6061铝合金

33

0.772

15

其具体步骤：

1、将磁性磨具吸附在软铁的外围。

2、将被加工管状零件装夹在三爪卡盘上，然后把光整加工执行部件伸入管状零件内部。

3、启动电机将其转速调整在300r/min。

4、待电机转速和振动装置的振幅和频率稳定后，启动进给部件，以一稳定速度进给。

5、待加工完成后，取下被加工零件。

经测试加工后的表面粗糙度值可达Ra0.083μm。

实施实例2

一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置及方法，其加工参数如表2所述：

表2实例1加工参数

参数

磁极转速/（r/min）

磨料粒度/#

Fe：SiC

工件材质

工件内径/mm

工件内表面原始粗糙度Ra /μm

加工时间/min

数值

250

240

7:3

6061铝合金

33

0.769

10

其具体步骤：

1、将磁性磨具吸附在软铁的外围。

2、将被加工管状零件装夹在三爪卡盘上，然后把光整加工执行部件伸入管状零件内部。

3、启动电机将其转速调整在250r/min。

4、待电机转速和振动装置的振幅和频率稳定后，启动进给部件，以一稳定速度进给。

5、待加工完成后，取下被加工零件。

经测试加工后的表面粗糙度值可达Ra0.095μm。

Claims (4)

1.一种可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置，其特征在于：包括磁场发生装置以及可以改变直径的自适应孔径机构，自适应孔径机构设置在磁场发生装置周侧，自适应孔径机构以及磁场发生装置设置在待加工工件内侧；所述的磁场发生装置包括软铁片（4）、磁性磨具一（5）、磁性磨具二（6）、铜套（11）、永磁体一（12）、软铁一（13）、永磁体二（14）、软铁二（15）和永磁体三（16），永磁体一（12）、永磁体二（14）以及永磁体三（16）均为轴向充磁且角度为120°的扇形结构，并且与铜套（11）为间隙配合，永磁体一（12）与永磁体二（14）之间的间隙用软铁一（13）填充；永磁体二（14）与永磁体三（16）之间的间隙用软铁二（15）填充，永磁体一（12）、永磁体二（14）以及永磁体三（16）按照磁极互斥的排列方式依次放入到铜套（11）中，即软铁一（13）两侧为S-S，软铁二（15）两侧为N-N，铜套（11）的外侧从左到右依次开有四个槽孔，两侧的槽孔中插入有软铁片（4），中间的槽孔中吸附磁性磨具一（5）和磁性磨具二（6）。

2.根据权利要求1所述的可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置，其特征在于：所述的自适应孔径机构包括右连杆（2）、主轴（3）、左连杆（7）、长连杆（8）和滑块（10），所述的铜套（11）在周向上均布有三个，铜套（11）的截面为120°角的扇形结构，每个铜套（11）两端分别通过右连杆（2）和左连杆（7）用转动副连接主轴（3）构成平行四边形机构，在周向上均布三个相同的平行四边形机构；滑块（10）通过移动副连接在主轴（3）上，滑块（10）通过转动副连接长连杆（8）的一端，长连杆（8）另一端与左连杆（7）以及主轴（3）通过转动副连接。

3.根据权利要求2所述的可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置，其特征在于：所述的磁场发生装置和自适应孔径机构组成光整加工执行部件（b），光整加工执行部件（b）固定在电磁振动部件（a）上，待加工工件固定在工件夹紧部件（c）上，还包括用于运输待加工工件的进给部件（d）。

4.一种如权利要求3所述的可调磁场及自适应孔径的磁性磨具光整加工装置的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

1、将颗粒较大的磁性磨具吸附在软铁二（15）的外围，将颗粒较小的磁性磨具吸附在软铁一（13）外围；

2、将被加工管状零件装夹在工件加紧部件上，然后把光整加工执行部件伸入管状零件内部；

3、调节光整加工执行部件直径以适应管状零件，同时调节加工间隙；

4、启动电机和电磁振动装置，调整电机转速和振动装置的振幅和频率稳定；

5、待电机转速和振动装置的振幅和频率稳定后，启动进给部件，以一稳定速度进给；

6、待加工完成后，取下被加工零件。

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