CN117655821A - 一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法，属于超精密磨削加工技术领域；包括磨床主体，磨床主体一侧可拆卸设置砂轮防护罩，砂轮防护罩上固定导线，导线与磁场能量控制器电性连接；磨床主体的主轴上设置砂轮磁场辅助装置，砂轮磁场辅助装置可跟随主轴做旋转运动，且在旋转过程中砂轮磁场辅助装置始终与导线电性连接；磨床主体的工作台上可拆卸设置工件磁场辅助装置，工件磁场辅助装置与磁场能量控制器电性连接；工件磁场辅助装置上夹持设置待加工工件，当对待加工工件进行磨削作业时，砂轮磁场辅助装置和工件磁场辅助装置间将持续产生垂直于待加工工件的磁力线。本发明可显著提供磨削工艺的效率和质量。

Description

一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法

技术领域

本发明属于超精密磨削加工技术领域，尤其涉及一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法。

背景技术

对于磨削难加工导磁材料，磨削时对砂轮磨损会非常大，且会产生较高磨削温度，致使磨削表面容易出现烧蚀、裂纹、亚表层损伤等缺陷，无法实现零件高质量加工。因此，突破常规理念设计、开辟新的加工方法、寻找到一个稳定可靠地技术迫在眉睫。而借助外界能量磁场辅助磨削是一个全新的辅助加工思路。

能量场辅助加工方法是加工技术研究中的一个前沿和热点问题，具体工艺包括磁场辅助加工、超声振动辅助加工、离子束辅助加工、等离子注入辅助加工、激光辅助加工等多种具体的工艺方法。这些工艺方法的突出特点在于通过将高密度的外界能量(磁、振动、热、光)输入到加工区域，辅助或直接形成材料去除，从而达到许多传统加工难以达到的加工效果，如难加工材料的高效去除、脆性材料的塑性去除、黑色金属的金刚石刀具精密切削等。在这些加工方式中，磁场辅助加工是开展最早的一种能量场辅助加工方法，相对于其他能量场辅助加工，磁场辅助加工有成本低、操作简单、外加磁场容易移除、适用范围广等一系列优点。磁场对磨削过程可能的有利影响主要体现在以下几个方面：

1、磁致冷却技术；可能通过连续的外界充磁(主动充磁)和磨削热消磁(被动消磁)，快速、有效地带走磨削区域的磨削热，降低磨削区产生的局部高温，可以使磨削区域的温度均匀化，降低磨削烧伤、磨削残余应力和磨具的损耗。

2、磁致相变作用；导磁材料的微观组织在磁场所造成的体积力作用下可能发生相变或阻止相变的发生。

3、磁场伸缩效应：导磁材料在外界磁场的作用下，尺寸发生变化，造成材料的强化。利用磁致伸缩效应，可以改善金属去除过程的回弹现象，控制工件材料的非期望流动，有可能达到提高金属去除率的效果。

4、定向性的磁场：使磨削液的毛细作用加强，提高磨削液向磨削区域的渗透能力。

但如何利用磁能量场抵消或削弱高温和已加工表面变质等负面效应，进而实现磁场在磨削区域的高效、定向、连续施加成为需要解决的一个问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法，以解决难加工导磁材料磨削时出现的难加工、易磨损以及工件超精密加工精度的技术问题，以提高零件加工质量及生产效率。

为实现上述目的，本发明的一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法的具体技术方案如下：

一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，包括磨床主体，磨床主体一侧可拆卸设置砂轮防护罩，砂轮防护罩上固定导线，导线与磁场能量控制器电性连接；

磨床主体的主轴上设置砂轮磁场辅助装置，砂轮磁场辅助装置可跟随主轴做旋转运动，且在旋转过程中砂轮磁场辅助装置始终与导线电性连接；

磨床主体的工作台上可拆卸设置工件磁场辅助装置，工件磁场辅助装置与磁场能量控制器电性连接；

工件磁场辅助装置上夹持设置待加工工件，当对待加工工件进行磨削作业时，砂轮磁场辅助装置和工件磁场辅助装置间将持续产生垂直于待加工工件的磁力线。

进一步，砂轮磁场辅助装置包括与磨床主体的主轴连接的砂轮基体，砂轮基体上对称开设多个安装孔，安装孔中安装第一磁极线圈装置；

砂轮基体端面镶嵌环形导电圈，环形导电圈与第一磁极线圈装置的正负极连接，且环形导电圈与导线实时接触；

当旋转砂轮基体对待加工工件进行磨削作业时，多个第一磁极线圈装置和工件磁场辅助装置间将持续产生垂直于待加工工件的磁力线。

进一步，砂轮基体上等间距排布六个第一磁极线圈装置。

进一步，砂轮基体周侧设有环形凹槽。

进一步，环形导电圈包括镶嵌于砂轮基体内侧的内导电圈，和镶嵌于砂轮基体外侧的外导电圈。

进一步，工件磁场辅助装置包括与磨床主体连接的第二磁极线圈装置，第二磁极线圈装置上可拆卸设置工件虎钳；

第二磁极线圈装置与磁场能量控制器电性连接。

本发明还提供了一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的加工方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤S1：将砂轮磁场辅助装置安装到磨床主体的主轴上；

步骤S2：确保砂轮磁场辅助装置与磁场能量控制器安全连接，并接通电源；

步骤S3：将待加工工件进行安装，并确保工件磁场辅助装置与磁场能量控制器安全连接，并接通电源；

步骤S4：通过修整器修整砂轮磁场辅助装置；

步骤S5：将砂轮磁场辅助装置与待加工工件进行试切，标定工件加工坐标系；

步骤S6：通过磁场能量控制器调节磁场能量，砂轮磁场辅助装置旋转后，砂轮磁场辅助装置上的N极磁极磁力线会随着旋转，与工件磁场辅助上的S级磁极发生相对运动，形成磁力线切割，此时，磁场辅助磨削作用开始；

步骤S7：完成磨削作业后结束加工程序，砂轮磁场辅助装置停止旋转。

本发明的一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法具有以下优点：

一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及加工方法，将砂轮磨削面设计为凹槽型，将线圈置于砂轮内部且外侧生成N极磁场，工件下方同样设有线圈，上方生成S极磁场，利用砂轮旋转实现工件对磁场磁力线的切割。

带来的效益：

(1)磁场通过增加材料位错的迁移率，可延迟裂纹的萌生，并且使裂纹萌生向表面移动，对残余应力的消除会起到很大作用，从而提高材料的疲劳寿命；

(2)磁场可以使磁化材料内部无序的磁畴趋于统一，达到磁饱和状态，提高材料塑性，降低残余应力，减小弹性变形的现象；

(3)在磁场辅助加工足够大的磁场强度条件下，材料晶界处会堆积大量的位错，降低材料的塑性，这有利于减小工件加工过程的材料变形，从而降低切削力和切削热。同时材料内部位错和空位的出现将增加切削液的毛细作用，可能提高精密超精密加工过程中切削液向加工区域的渗透能力。

(4)通过磁场把磁性磨屑吸引到一起，形成磁力研磨刷，磁力研磨刷和工件间发生相对运动，磁性磨屑在工件表面产生相对滑动、滚动等运动,从而实现磁性磨屑对工件表面的研磨加工。

附图说明

图1为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的结构示意图。

图2为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的磨床主体结构示意图。

图3为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的砂轮防护罩和导线相配合的结构示意图。

图4为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的导线的结构示意图。

图5为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的砂轮磁场辅助装置的结构示意图。

图6为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的砂轮基体和环形导电圈相配合的结构示意图。

图7为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的第一磁极线圈装置的结构示意图。

图8为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的内导电圈和外导电圈的结构示意图。

图9为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的工件磁场辅助的结构示意图。

图10为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的工件虎钳的结构示意图。

图11为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的第二磁极线圈装置的示意图。

图12为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置进行磨削磨时的使用状态图。

图13为本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的磨削加工原理示意图。

图中标记说明：1、磨床主体；2、砂轮防护罩；3、砂轮磁场辅助装置；301、砂轮基体；302、第一磁极线圈装置；303、环形导电圈；3031、内导电圈；3032、外导电圈；304、安装孔；305、环形凹槽；306、孔路；4、工件磁场辅助；401、工件虎钳；402、第二磁极线圈装置；5、磁力线；6、待磨削区；7、完成磨削区；8、精磨削区；9、弹性变形区；10、待加工工件；11、导线；12、磁场能量控制器。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置及其加工方法做进一步详细的描述。

本发明是将磁场融入到磨削加工技术中，在砂轮内部和工件下方的夹具中镶嵌磁极线圈装置，通过通入电流产生强大磁场，将磁场磁力线5完全集中在砂轮磨削区域，使磨削区域产生高密度的磁场能量进而辅助磨削加工。

磁场辅助加工的作用机理可分为以下四个部分：

(1)磁场通过增加材料位错的迁移率，可延迟裂纹的萌生，并且使裂纹萌生向表面移动，对残余应力的消除会起到很大作用，从而提高材料的疲劳寿命；

(2)磁场可以使磁化材料内部无序的磁畴趋于统一，达到磁饱和状态，提高材料塑性，降低残余应力，减小弹性变形的现象；

(3)在磁场辅助加工足够大的磁场强度条件下，材料晶界处会堆积大量的位错，降低材料的塑性，这有利于减小工件加工过程的材料变形，从而降低切削力和切削热。同时材料内部位错和空位的出现将增加切削液的毛细作用，提高精密超精密加工过程中切削液向加工区域的渗透能力。

(4)通过磁场把磁性磨屑吸引到一起，形成磁力研磨刷，磁力研磨刷和工件间发生相对运动，磁性磨屑在工件表面产生相对滑动、滚动等运动,从而实现磁性磨屑对工件表面的研磨加工。

一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，包括磨床主体1，磨床主体1用于控制X、Y、Z轴联动，控制磨床主体1的主轴旋转；磨床主体1一侧可拆卸设置砂轮防护罩2，砂轮防护罩2用于进行安全防护；砂轮防护罩2上固定导线11，具体的，导线11粘结在砂轮防护罩2上，以便与下文中提及的砂轮基体301上的第一磁极线圈装置302中的正负极线圈进行连接；导线11与磁场能量控制器12电性连接；磁场能量控制器12用于控制调节磁场能量强弱；

磨床主体1的主轴上设置砂轮磁场辅助装置3，砂轮磁场辅助装置3可跟随主轴做旋转运动，且在旋转过程中砂轮磁场辅助装置3始终与导线11电性连接；

磨床主体1的工作台上可拆卸设置工件磁场辅助4装置，工件磁场辅助4装置与磁场能量控制器12电性连接；

工件磁场辅助4装置上夹持设置待加工工件10，当对待加工工件10进行磨削作业时，砂轮磁场辅助装置3和工件磁场辅助4装置间将持续产生垂直于待加工工件10的磁力线5。

在本实施方式中，砂轮磁场辅助装置3包括与磨床主体1的主轴连接的砂轮基体301，砂轮基体301上对称开设多个安装孔304，安装孔304中安装第一磁极线圈装置302，具体的，可以通过粘接的方式将第一磁极线圈装置302固定在安装孔304中；

砂轮基体301端面镶嵌环形导电圈303，环形导电圈303与第一磁极线圈装置302的正负极连接，且环形导电圈303与导线11实时接触；

当旋转砂轮基体301对待加工工件10进行磨削作业时，多个第一磁极线圈装置302和工件磁场辅助4装置间将持续产生垂直于待加工工件10的磁力线5。

在本实施方式中，第一磁极线圈装置302中间为通孔，通过通孔的设置可将磁力线充分作用于磨削加工区域(磨削加工区域指砂轮基体301与待加工工件10接触的所有区域)，进行磁场辅助磨削加工，线圈外侧为N极磁极。

在本实施方式中，砂轮基体301上等间距排布六个第一磁极线圈装置302。

在本实施方式中，由于磨削加工时会出现加工弹性变形，所以砂轮基体301周侧设有环形凹槽305，砂轮基体301端面的右侧可以对其进行二次精磨削加工，且砂轮设有孔路306，以便加强磁力线5环绕，孔路306可将磁力线充分作用于磨削加工区域(磨削加工区域指砂轮基体301与待加工工件10接触的所有区域)，可有效的进行磁场辅助磨削。

注：砂轮基体301中间设置环形凹槽305，这样环形凹槽305两侧无论是哪一侧先进行磨削，另外一侧均可对弹性变形区域进行第二次精磨削，如果没有环形凹槽305那么相当于一个整体，磨削后工件的弹性变形就没有二次精密磨削(二次精密磨削是对产生的弹性变形区域进行磨削)。

在本实施方式中，环形导电圈303包括镶嵌于砂轮基体301内侧的内导电圈3031，和镶嵌于砂轮基体301外侧的外导电圈3032。

在本实施方式中，工件磁场辅助4装置包括与磨床主体1连接的第二磁极线圈装置402，第二磁极线圈装置402上可拆卸设置工件虎钳401；

第二磁极线圈装置402与磁场能量控制器12电性连接。

在本实施方式中，工件磁场辅助4中间部分设为通孔，可将磁力线充分作用于磨削加工区域(磨削加工区域指砂轮基体301与待加工工件10接触的所有区域)，进行磁场辅助磨削加工。

一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的加工方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤S1：将砂轮磁场辅助装置3安装到磨床主体1的主轴上；

步骤S2：确保砂轮磁场辅助装置3与磁场能量控制器12安全连接，并接通电源；

步骤S3：将待加工工件10进行安装，并确保工件磁场辅助4装置与磁场能量控制器12安全连接，并接通电源；

步骤S4：通过修整器修整砂轮磁场辅助装置3；

步骤S5：将砂轮磁场辅助装置3与待加工工件10进行试切，标定工件加工坐标系；

步骤S6：通过磁场能量控制器12调节磁场能量，砂轮磁场辅助装置3旋转后，砂轮磁场辅助装置3上的N极磁极磁力线5会随着旋转，与工件磁场辅助4上的S级磁极发生相对运动，形成磁力线5切割，此时，磁场辅助磨削作用开始；

步骤S7：完成磨削作业后结束加工程序，砂轮磁场辅助装置3停止旋转。

由图12和图13所示：

待加工工件10被加工过程中，砂轮基体301持续旋转，图13中待加工工件10的最右侧首先与砂轮基体301的最右端紧密接触，随后待加工工件10相对于砂轮基体301向右侧缓慢移动；

5为磁力线，可通过磁场能力控制器改变磁场强弱，6为待磨削区；

首先通过图13中砂轮基体301的左侧砂轮并配合磁场作用对待加工工件10材料的表面进行第一次去除，但是加工时待加工工件10表面的材料会发生弹性变形，砂轮组件3凹陷处环形凹槽305对应工件弹性变形区9，通过砂轮基体301的右侧砂轮的行进并伴随着磁场辅助加工可对弹性变形区9区域进行二次材料去除，完成磨削区8的加工，7为精磨削区。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，包括磨床主体(1)，磨床主体(1)一侧可拆卸设置砂轮防护罩(2)，其特征在于，砂轮防护罩(2)上固定导线(11)，导线(11)与磁场能量控制器(12)电性连接；

磨床主体(1)的主轴上设置砂轮磁场辅助装置(3)，砂轮磁场辅助装置(3)可跟随主轴做旋转运动，且在旋转过程中砂轮磁场辅助装置(3)始终与导线(11)电性连接；

磨床主体(1)的工作台上可拆卸设置工件磁场辅助(4)装置，工件磁场辅助(4)装置与磁场能量控制器(12)电性连接；

工件磁场辅助(4)装置上夹持设置待加工工件(10)，当对待加工工件(10)进行磨削作业时，砂轮磁场辅助装置(3)和工件磁场辅助(4)装置间将持续产生垂直于待加工工件(10)的磁力线(5)。

2.根据权利要求1所述的基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，其特征在于，砂轮磁场辅助装置(3)包括与磨床主体(1)的主轴连接的砂轮基体(301)，砂轮基体(301)上对称开设多个安装孔(304)，安装孔(304)中安装第一磁极线圈装置(302)；

砂轮基体(301)端面镶嵌环形导电圈(303)，环形导电圈(303)与第一磁极线圈装置(302)的正负极连接，且环形导电圈(303)与导线(11)实时接触；

当旋转砂轮基体(301)对待加工工件(10)进行磨削作业时，多个第一磁极线圈装置(302)和工件磁场辅助(4)装置间将持续产生垂直于待加工工件(10)的磁力线(5)。

3.根据权利要求1所述的基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，其特征在于，砂轮基体(301)上等间距排布六个第一磁极线圈装置(302)。

4.根据权利要求1所述的基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，其特征在于，砂轮基体(301)周侧设有环形凹槽(305)。

5.根据权利要求1所述的基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，其特征在于，环形导电圈(303)包括镶嵌于砂轮基体(301)内侧的内导电圈(3031)，和镶嵌于砂轮基体(301)外侧的外导电圈(3032)。

6.根据权利要求1所述的基于平面磨床的磁场辅助磨削装置，其特征在于，工件磁场辅助(4)装置包括与磨床主体(1)连接的第二磁极线圈装置(402)，第二磁极线圈装置(402)上可拆卸设置工件虎钳(401)；

第二磁极线圈装置(402)与磁场能量控制器(12)电性连接。

7.一种基于平面磨床的磁场辅助磨削装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤S1：将砂轮磁场辅助装置(3)安装到磨床主体(1)的主轴上；

步骤S2：确保砂轮磁场辅助装置(3)与磁场能量控制器(12)安全连接，并接通电源；

步骤S3：将待加工工件(10)进行安装，并确保工件磁场辅助(4)装置与磁场能量控制器(12)安全连接，并接通电源；

步骤S4：通过修整器修整砂轮磁场辅助装置(3)；

步骤S5：将砂轮磁场辅助装置(3)与待加工工件(10)进行试切，标定工件加工坐标系；

步骤S6：通过磁场能量控制器(12)调节磁场能量，砂轮磁场辅助装置(3)旋转后，砂轮磁场辅助装置(3)上的N极磁极磁力线(5)会随着旋转，与工件磁场辅助(4)上的S级磁极发生相对运动，形成磁力线(5)切割，此时，磁场辅助磨削作用开始；

步骤S7：完成磨削作业后结束加工程序，砂轮磁场辅助装置(3)停止旋转。