CN112658817A - 一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法 - Google Patents
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Abstract
针对复杂曲面高效高质光整和柔性控制面临的技术难题，发明了一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法。所述装置包括工件夹持装置、磁场发生装置、振动连杆、振动马达、支撑连杆、齿轮传动机构、内环形磁极槽驱动电机、外环形磁极槽驱动电机和底座，所述磁场发生装置包括内环形磁极、内环形磁极槽、环形挡板、外环形磁极和外环形磁极槽。其中所述工件夹持装置可实现对待加工零件不同表面的装夹；调整内、外环形磁极的旋转方向与速度，产生交变磁场，带动磁性光整介质进行光整加工；3个振动马达的振动复合作用，进一步提高了光整加工效率。本发明能突破传统方法对复杂曲面光整加工的局限性，从而实现高效的柔性自动化光整加工。
Description
技术领域
本发明涉及复杂曲面磁场辅助光整加工技术，特别提供了一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及光整方法。
背景技术
光整加工技术作为典型的表面精加工技术，可以减少和细化表面粗糙度，去除划痕、微观裂纹等表面缺陷，从而改善表面加工质量，提高表面光洁度，实现对零部件精度的稳定控制。手工研磨、挤压珩磨、机械抛光等传统光整加工技术在加工效率、精度、质量、自动化程度等方面具有一定的局限性，只适用于小批量零件的光整加工。针对于传统机械抛光存在的问题，涌现出了磁场辅助光整、超声抛光、电化学抛光、超声电解复合抛光、化学机械抛光等一系列的光整加工技术。其中，磁场辅助光整技术具有非常广阔的应用前景。磁场辅助光整技术主要利用游离磨料的柔性和可控性等优点解决传统抛光中的很多问题，其光整技术主要有磁力研磨技术、磁流变抛光技术、磁射流抛光技术与磁性浮体抛光技术等。磁力研磨光整技术在加工时，磁性磨粒的流动性差、自适应性不足、微切屑与切削热集中在已光整的工件表面造成工件表面的损伤（表面/亚表面损伤、烧伤、残余应力、微裂纹）。磁流变技术虽然在一定程度上解决了该种不足，但是在高剪切的光整条件下，磁流变的粘度会降低，从而减弱对磁性磨粒的把持，降低光整效果，且受装置尺寸限制尚难以用于复杂曲面的光整加工。为此，在分析非牛顿流体剪切增稠的流变特性基础上，结合磁流变光整和磁场辅助光整加工，以解决复杂曲面的光整加工，具有重要的研究价值和发展前景。因此，开发面向复杂曲面高效、高质量的柔性自动光整加工装置和方法，存在重要的理论意义和实际应用价值。本发明提出一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法，通过集成所发明的新型磁场发生装置，利用内、外环形磁极的旋转，实现对复杂曲面的自动化光整加工，并通过振动模块的复合作用，进一步提高光整加工效率。
发明内容
本发明提供了一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法。磁极放置在内、外环形磁极槽中构成磁场发生装置，内、外环形磁极槽分别与不同的驱动电机主轴进行连接，实现不同方向、不同速度的旋转；环形挡板通过振动连杆固定于振动装置上，通过频率控制器调整振动马达的工作模式，控制磨粒运动轨迹，从而提高光整加工效率。
本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法所提供的技术方案：包括工件夹持装置、磁场发生装置、振动连杆、振动马达、支撑连杆、齿轮传动机构、内环形磁极槽驱动电机、外环形磁极槽驱动电机和底座，所述磁场发生装置包括内环形磁极、内环形磁极槽、环形挡板、外环形磁极和外环形磁极槽，所述装有内环形磁极的内环形磁极槽固定连接在内环形磁极槽驱动电机主轴上，装有外环形磁极的外环形磁极槽通过齿轮传动机构固定连接在外环形磁极槽驱动电机主轴上，所述环形挡板放置于内环形磁极槽与外环形磁极槽之间，并通过振动连杆固定于振动马达上，所述振动马达通过支撑连杆固定于底座上，所述待加工零件通过工件夹持装置固定连接在环形挡板中。
本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法所提供的加工方法：
（1）将待加工零件通过工件夹持装置固定在环形挡板中，完成定位装夹；
（2）将磁性光整介质放置在磁场发生装置的环形挡板上，在磁力线的作用下形成“柔性固着磨具”的凸起；
（3）通过改变内环形磁极与外环形磁极的配置方式，可产生不同的磁力线分布，从而产生不同类型的“柔性固着磨具”；
（4）内环形磁极槽驱动电机与外环形磁极槽驱动电机施加驱动信号后，实现内环形磁极与外环形磁极的不同方向、不同速度的旋转，从而实时改变磁力线的分布，产生交变磁场，进而带动磁性光整介质进行光整加工；
（5）振动马达施加驱动信号后，在环形挡板的轴向方向产生振动，进一步提高了光整效率；
（6）通过内环形磁极与外环形磁极的旋转，配合环形挡板的轴向振动，可实现“柔性固着磨具”与待加工零件表面的相对移动，进行高效高质光整加工；
（7）通过调节内环形磁极槽驱动电机、外环形磁极槽驱动电机和振动马达的驱动信号，进而控制磨粒的运动轨迹，实现不同特征类型零件的光整加工。
本发明的有益效果是：1、本发明所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法，待加工零件固定连接在工件夹持装置上，可实现对不同形状、不同尺寸与不同表面的复杂曲面的装夹，具有灵活的操作柔性。2、本发明所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法，环形挡板采用3个振动电机进行振动，保证环形挡板可以受到足够的激振力且所受的激振力大小均匀相等，而且保证了在某一振动马达故障的状态下，仍可以正常工作，增加了装置的可靠性。3、本发明所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法，通过频率控制器调整振动马达的工作模式，控制磨粒运动轨迹，从而提高光整加工效率。4、本发明所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法，调整内环形磁极槽驱动电机与外环形磁极槽驱动电机的驱动信号，实现内环形磁极与外环形磁极的不同方向、不同速度的旋转，从而实时改变磁力线的分布，产生交变磁场，进而带动磁性光整介质进行光整加工。5、本发明所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法，通过改变内环形磁极与外环形磁极的配置方式，可产生不同的磁力线分布，从而产生不同类型的“柔性固着磨具”，进而满足不同表面特征类型零件的光整加工。
附图说明
图1是本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法的整体结构示意图。
图2是本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法的磁场发生装置的结构示意图。
图3是本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法的工件夹持装置的结构示意图。
图4是本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法的磁场发生装置的磁极配置示意图。
图5是本发明的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置及方法的磁场发生装置产生的交变磁场示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式所述装置包括工件夹持装置（1-2）、磁场发生装置（1-3）、振动连杆（1-4）、振动马达（1-5）、支撑连杆（1-6）、齿轮传动机构（1-7）、内环形磁极槽驱动电机（1-8）、外环形磁极槽驱动电机（1-9）和底座（1-10），所述磁场发生装置（1-3）包括内环形磁极（2-1）、内环形磁极槽（2-2）、环形挡板（2-3）、外环形磁极（2-4）和外环形磁极槽（2-5），所述装有内环形磁极（2-1）的内环形磁极槽（2-2）固定连接在内环形磁极槽驱动电机（1-8）主轴上，装有外环形磁极（2-4）的外环形磁极槽（2-5）通过齿轮传动机构（1-7）固定连接在外环形磁极槽驱动电机（1-9）主轴上，所述环形挡板（2-3）放置于内环形磁极槽（2-2）与外环形磁极槽（2-5）之间，并通过振动连杆（1-4）固定于振动马达（1-5）上，所述振动马达（1-5）通过支撑连杆（1-6）固定于底座（1-10）上，所述待加工零件（1-1）通过工件夹持装置（1-2）固定连接在环形挡板（2-3）中。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式所述工件夹持装置（1-2）包括挡片（3-1）、滑块（3-2）、弹簧（3-3）、弹簧挡板（3-4）和基体（3-5），所述挡片（3-1）固定连接在滑块（3-2）上，所述弹簧（3-3）一端连接于滑块（3-2），另一端固定于弹簧挡板（3-4）上，所述弹簧挡板（3-4）通过过盈配合安装在基体（3-5）上，通过调节挡片（3-1）的位置可实现对待加工零件（1-1）不同表面的装夹。当拨动挡片（3-1）使其紧贴待加工零件（1-1）的内表面/外表面时，由于弹簧（3-3）处于伸长/压缩的状态，使其自身具有弹性恢复力，从而使挡片（3-1）紧紧压在待加工零件的内表面/外表面，完成对待加工零件（1-1）不同表面的装夹，其它与具体实施方案一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式通过所述频率控制器调整振动马达（1-5）的工作模式，控制磨粒运动轨迹，从而提高光整加工效率，所述环形挡板（2-3）采用3个振动马达（1-5）进行振动，保证环形挡板（2-3）可以受到足够的激振力且所受的激振力大小均匀相等，而且保证了在某一振动马达（1-5）故障的状态下，仍可以正常工作，增加了装置的可靠性，其它与具体实施方案一或二相同。
具体实施方案四：结合图2和图4说明本实施方式所述内环形磁极槽（2-2）可装6个内环形磁极（2-1）、外环形磁极槽（2-5）可装6个外环形磁极（2-4），根据不同的N级与S级排列的交变磁场，可以产生多种磁力线配置，如外磁极排布方式N-S-N-S-N-S，内磁极排布方式S-N-S-N-S- N，产生的磁力线如4-1所示；外磁极排布方式S-N-N-S-N-N，内磁极排布方式N-S-S-N-S-S，产生的磁力线如4-2所示；（磁极排布方式并不仅限于这2种排布），磁性光整介质沿表面磁力线分布形成 “柔性固着磨具”，可实现对不同特征结构工件的高效光整加工，其它与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1、图2与图5说明本实施方式所述装有内环形磁极（2-1）的内环形磁极槽（2-2）固定连接在内环形磁极槽驱动电机（1-8）主轴上，装有外环形磁极（2-4）的外环形磁极槽（2-5）通过齿轮机构固定连接在外环形磁极槽驱动电机（1-9）主轴上，通过调整内环形磁极槽驱动电机（1-8）与外环形磁极槽驱动电机（1-9）的驱动信号，实现内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的不同方向、不同速度的旋转，从而实时改变磁力线的分布，产生交变磁场，如外磁极排布方式N-S-N-S-N-S，内磁极排布方式S-N-S-N-S- N，产生的交变磁场如5-1所示；外磁极排布方式S-N-N-S-N-N，内磁极排布方式N-S-S-N-S-S，产生的交变磁场如5-2所示，进而带动磁性光整介质进行光整加工，其它与具体实施方案一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1、图2、图3、图4和图5，说明本实施方式一、二、三、四或五中任意一个具体实施方式所述装置进行光整加工步骤如下：
（1）将待加工零件（1-1）通过工件夹持装置（1-2）固定在环形挡板（2-3）中，完成定位装夹；
（2）将磁性光整介质放置在磁场发生装置（1-3）的环形挡板（2-3）上，在磁力线的作用下形成 “柔性固着磨具”的凸起；
（3）通过改变内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的配置方式，可产生不同的磁力线分布，从而产生不同类型的“柔性固着磨具”；
（4）内环形磁极槽驱动电机（1-8）与外环形磁极槽驱动电机（1-9）施加驱动信号后，实现内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的不同方向、不同速度的旋转，从而实时改变磁力线的分布，产生交变磁场，进而带动磁性光整介质进行光整加工；
（5）振动马达（1-5）施加驱动信号后，在环形挡板（2-3）的轴向方向产生振动，进一步提高了光整效率；
（6）通过内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的旋转，配合环形挡板（2-3）的轴向振动，可实现“柔性固着磨具”与待加工零件表面的相对移动，进行高效高质光整加工；
（7）通过调节内环形磁极槽驱动电机（1-8）、外环形磁极槽驱动电机（1-9）和振动马达（1-5）的驱动信号，进而控制磨粒的运动轨迹，实现不同特征类型零件的光整加工。
Claims (6)
1.一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置，其特征在于：所述装置包括工件夹持装置（1-2）、磁场发生装置（1-3）、振动连杆（1-4）、振动马达（1-5）、支撑连杆（1-6）、齿轮传动机构（1-7）、内环形磁极槽驱动电机（1-8）、外环形磁极槽驱动电机（1-9）和底座（1-10），所述磁场发生装置（1-3）包括内环形磁极（2-1）、内环形磁极槽（2-2）、环形挡板（2-3）、外环形磁极（2-4）和外环形磁极槽（2-5），所述装有内环形磁极（2-1）的内环形磁极槽（2-2）固定连接在内环形磁极槽驱动电机（1-8）主轴上，装有外环形磁极（2-4）的外环形磁极槽（2-5）通过齿轮传动机构（1-7）固定连接在外环形磁极槽驱动电机（1-9）主轴上，所述环形挡板（2-3）放置于内环形磁极槽（2-2）与外环形磁极槽（2-5）之间，并通过振动连杆（1-4）固定于振动马达（1-5）上，所述振动马达（1-5）通过支撑连杆（1-6）固定于底座（1-10）上，所述待加工零件（1-1）通过工件夹持装置（1-2）固定连接在环形挡板（2-3）中。
2.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置，其特征在于：所述工件夹持装置（1-2）包括挡片（3-1）、滑块（3-2）、弹簧（3-3）、弹簧挡板（3-4）和基体（3-5），所述挡片（3-1）固定连接在滑块（3-2）上，所述弹簧（3-3）一端连接于滑块（3-2），另一端固定于弹簧挡板（3-4）上，所述弹簧挡板（3-4）通过过盈配合安装在基体（3-5）上，通过调节挡片（3-1）的位置可实现对待加工零件（1-1）不同表面的装夹。
3.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置，其特征在于：所述环形挡板（2-3）采用3个振动马达（1-5）进行振动，保证环形挡板（2-3）可以受到足够的激振力且所受的激振力大小均匀相等，而且保证了在某一振动马达（1-5）故障的状态下，仍可以正常工作，增加了装置的可靠性。
4.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置，其特征在于：调整内环形磁极槽驱动电机（1-8）与外环形磁极槽驱动电机（1-9）的驱动信号，实现内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的不同方向、不同速度的旋转，从而实时改变磁力线的分布，产生交变磁场（5-1、5-2），进而带动磁性光整介质进行光整加工。
5.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置，其特征在于：通过内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的不同配置，可产生不同的磁力线分布（4-1、4-2），从而产生不同类型的“柔性固着磨具”，进而满足不同特征类型零件的光整加工。
6.根据权利要求1所述的一种基于交变磁场的复杂曲面磁场辅助光整装置的光整加工方法，其特征在于：所述方法主要通过以下步骤实现：
（1）将待加工零件（1-1）通过工件夹持装置（1-2）固定在环形挡板（2-3）中，完成定位装夹；
（2）将磁性光整介质放置在磁场发生装置（1-3）的环形挡板（2-3）上，在磁力线的作用下形成 “柔性固着磨具”的凸起；
（3）通过改变内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的配置方式，可产生不同的磁力线分布，从而产生不同类型的“柔性固着磨具”；
（4）内环形磁极槽驱动电机（1-8）与外环形磁极槽驱动电机（1-9）施加驱动信号后，实现内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的不同方向、不同速度的旋转，从而实时改变磁力线的分布，产生交变磁场，进而带动磁性光整介质进行光整加工；
（5）振动马达（1-5）施加驱动信号后，在环形挡板（2-3）的轴向方向产生振动，进一步提高了光整效率；
（6）通过内环形磁极（2-1）与外环形磁极（2-4）的旋转，配合环形挡板（2-3）的轴向振动，可实现“柔性固着磨具”与待加工零件表面的相对移动，进行高效高质光整加工；
（7）通过调节内环形磁极槽驱动电机（1-8）、外环形磁极槽驱动电机（1-9）和振动马达（1-5）的驱动信号，进而控制磨粒的运动轨迹，实现不同特征类型零件的光整加工。
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