CN1724220A - 液体磁性磨具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种液体磁性磨具及其制备方法属于机械产品光整加工领域，涉及液体磁性磨具、加工方法及设备，是一种适用于金属和非金属零件表面光整加工的新型磨具，本发明所述液体磁性磨具在没有磁场作用的情况下，可以自由流动，但在磁场作用下该液体的流变学性能会迅速发生变化，并转变为具有一定刚度的粘塑性物质，并沿着与工件相接触的表面形成一个具有一定刚度的“柔性研磨层”，通过使工件与该研磨层发生相对运动，可以实现对工件表面的光整加工。液体磁性磨具的剪切屈服应力可以通过磁场强度进行调整。一旦磁场消失，这种磨具又会迅速恢复原始的流体状态，利用这些优良特征就可以方便地实现复杂表面，特别是回转曲面类零件的精密光整加工、抛光和去毛刺加工。

Description

液体磁性磨具及其制备方法

一、技术领域

本发明液体磁性磨具及其制备方法属于机械产品光整加工领域，涉及液体磁性磨具、加工方法及设备，是一种适用于金属和非金属零件表面光整加工的新型磨具，可以方便地实现复杂回转曲面类零件表面、型腔表面的精密光整、抛光和去毛刺加工。

二、技术背景

机械零件的表面质量对整机的装配精度、性能和使用寿命有着重要的影响。随着现代高速、高精度设备的发展，对零件的表面质量也提出了越来越高的要求，因此对机械零件表面进行光整加工已经成为现代产品制造中一道必要的工序。到目前为止，已经研制和使用的光整加工方法已有20多种，除了传统的机加工磨削法，机械零件表面光整领域先后研究开发出滚磨、磁性研磨、挤压珩磨、电解化学抛光、超声波抛光等新工艺、新方法，每种方法对解决一定的问题都有很好的效果。但是，不论是传统方法还是最近开发出的新工艺都存在不足，主要体现在以下几点：

1.传统机械研磨方法加工非规则表面、型腔面时比较困难，而且设备通用性差。

2.电解、化学及热能光整去毛刺较好，但可控性差，而且不具备精密光整能力；

3.超声、磨料流光整效率低、可控性差。

为了解决这些问题，特别是为了实现对机械产品中有着广泛应用的回转曲面类零件的精密光整加工，发明了液体磁性磨具，建立了液体磁性磨具光整加工工艺基础理论，并完成了实验分析和设备开发。

三、发明内容

本发明液体磁性磨具及其制备方法的目的在于是有效解决复杂表面、特别回转曲面类零件抛光和去毛刺，进行精密光整加工的难题，从而公开一种稳定粘稠状悬浮液体磁性磨具及其制备方法的技术。

本发明所述的液体磁性磨具，其特征在于是一种稳定粘稠状悬浮液体磁性磨具，在没有磁场作用时呈自由流动状液体，在外部磁场作用下发生相变，迅速转化为具有一定剪切屈服应力的Bingham介质，自动沿着与工件相接触的表面形成一个具有一定刚度的柔性研磨层；该液体磁性磨具由基液、顺磁性微粒、表面活性剂及非磁性磨料等组成；其组份为：基液的质量百分比为20％～60％，顺磁性微粒的的质量百分比为10％～60％，表面活性剂在液体磁性磨具中所占的质量百分比为1％～6％，非磁性磨料的质量百分比为10％～60％。

上述的液体磁性磨具，其特征在于所述的基液为：水、煤油或酒精，所述的顺磁性微粒为：平均直径为1μ～10μ的Fe₃O₄或羰基铁，所述的表面活性剂为：油酸、十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，所述的非磁性磨料为：平均粒径为40目～120目的碳化硅、Al₂O₃或刚玉。

制备上述液体磁性磨具的方法，其特征在于，首先按照基液20％～60％，顺磁性微粒10％～60％，表面活性剂1％～6％，非磁性磨料10％～60％(质量百分比)，将权利要求2所述的表面活性剂分散于基液中，然后依次加入顺磁性粒子和非磁性磨料，并通过机械、超声分散技术使原料充分混合，形成具有沉降稳定性的粘稠状液体磁性磨具，其具体步骤为：

a)在非磁性容器中加入基液，基液根据加工需要选择水或煤油，其重量百分比占液体磁性磨具总重量10％～60％；

b)选择平均粒径约为1μm～10μm顺磁性微粒Fe₃O₄或羰基铁，其重量百分比占液体磁性磨具的10％～60％；

c)表面活性剂为：油酸、十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，其重量百分比占液体磁性磨具的1％～5％；

d)非磁性磨料为：碳化硅或Al₂O₃，其重量百分比占液体磁性磨具的20％～60％；

e)将上述表面活性剂加入基液中，并采用机械搅拌方法，搅拌10-30分钟，使之均匀地分散到基液中；

f)将上述b)选择的顺磁性微粒加入基液与表面活性剂的混合溶液中，并采用搅拌器或胶体磨进行充分混合，混合时间为：4——6小时；

g)将d)所述的非磁性磨料加入基液、表面活性剂和顺磁性微粒的混合液中，并采用搅拌器或胶体磨进行充分混合，混合时间为：10——30分钟；

h)采用超声分散搅拌器对以上制备的混合液体进行进一步混合，混合时间为：40——60分钟，增加其稳定性，形成具有沉降稳定性的液体磁性磨具。

本发明液体磁性磨具及其制备方法与传统加工方法相比较，优势体现在以下几点：

1.液体磁性磨具具有良好的形状适应性，可以实现零件非规则外表面及型腔的光整加工，具有很强的表面适应性和通用性。这是因为液体磁性磨具具有流变性，在施加磁场之前它是具有良好流动性的液体，能与工件的表面及型腔充分接触，施加磁场后，就能对复杂表面作光整加工。

2.液体磁性磨具具有良好的材料适应性，它可以实现对各种金属材料零件、陶瓷材料零件等的光整加工。

3.应用液体磁性磨具进行光整加工，可以使被加工零件表面获得较低的表面粗糙度值，许多材料零件的最终表面粗糙度值可以达到Ra≤0.05。

4.液体磁性磨具具有较高的加工效率，材料去除率与其它自由光整加工方法相比较高。

5.液体磁性磨具光整加工是一种柔性加工，加工时工件不会承载过大的外力，加工热也会被液体磁性磨具带走，因此不会产生表面和次表面损伤，有害残余应力较小。

6.液体磁性磨具光整加工具有良好的可控性，可以方便的通过调节磁场强度来控制整个加工表面或局部表面研磨压力的大小，具有一定的修形能力。

7.液体磁性磨具光整加工所需要的设备简单，对设备的精度要求不高，可以方便地应用于生产实践。

四、附图说明

图1为液体磁性磨具光整加工原理图(图中1.定位心轴2.工件3.容器4.夹持板5.液体磁性磨具6.线圈7.磁极8.锁紧螺母)

图2为未加磁场时的液体磁性磨具实物照片

图3为施加磁场后的液体磁性磨具实物照片

图4为利用液体磁性磨具在数控铣床上对工件进行光整加工的实物照片现结合图说明如下：

液体磁性磨具光整加工原理如图1所示。利用液体磁性磨具光整加工时，需要先将液体磁性磨具放入非磁性容器中，然后将待加工工件固定在夹具上，再用卡盘将夹具固定到铣床的主轴上，并通过调整升降台将工件浸入智能液体磨具中，这样就完成了加工的准备工作。开始进行光整加工时，要在没有外部磁场的情况下，开启机床，通过机床的主轴带动工件做高速回转运动，为了提高光整加工的均匀性和加工效率，除了主回转运动外，一般还应该使工件有一个其它形式的辅助运动，如工件的往复运动。工件运动正常后，施加外部磁场，这样液体磁性磨具就会发生相变，并沿着与工件相接触的表面形成一个具有一定刚度的“柔性研磨层”，由于工件的运动，使工件的被加工面与研磨层中的磨粒产生相对运动，磨粒就会对工件表面产生刮削、滚压、冲击等作用，从而实现回转曲面的光整加工。在加工过程中通过控制电磁铁线圈的电流，可以方便地调整外部磁场的强度，从而控制“柔性研磨层”的刚度；通过控制机床主轴的转速可以方便地控制柔性研磨层与工件表面的相对速度，这样就可以较好地实现对整个加工过程的控制。

五、具体实施方式

实施方式1：

采用本发明所述的液体磁性磨具，对直径为30mm的导磁材料45钢试件和非导磁材料硬铝(YL12)试件分别进行了实验，45#钢及硬质铝合金YL12两种材料各九件分为两组按照正交方式实验。实验采用的液体磁性磨具由水195克(重量比31.4％)、羰基铁270克(重量比43.4％)、十二烷基磺酸钠6.2克(重量比1％)和54目的碳化硅磨料150克(重量比24.2％)配制；将十二烷基磺酸钠加入水中，并采用机械搅拌方法，搅拌10分钟，使之均匀地分散到基液中；将羰基铁微粒加入基液与表面活性剂的混合溶液中，并采用搅拌器进行充分混合，混合时间为4小时；将碳化硅磨料加入基液、表面活性剂和顺磁性微粒的混合液中，并采用搅拌器进行充分混合，混合时间为10分钟，最后采用超声分散搅拌器对以上制备的混合液体进行进一步混合，混合时间为40分钟，增加其稳定性，形成具有沉降稳定性的液体磁性磨具。

光整实验在数控铣床上进行，对转速、励磁电流及加工时间3个影响加工效果的重要因素进行实验，正交法实验方案如表1。实验所得数据如表2。

表1  转速、电流及加工时间3因素正交实验表

工件号	45钢工件			YL12工件
							初始表面粗糙度Ra(μm)	加工后表面粗糙度Ra(μm)	表面粗糙度下降值(μm)	初始表面粗糙度Ra(μm)	加工后表面粗糙度Ra(μm)	表面粗糙度下降值(μm)
	1	2.549	1.410	1.139	1.316	1.016							0.300
2							2.468	0.568	1.900	1.043	0.162	0.881
	3	2.078	0.348	1.730	0.803	0.157							0.646
4							2.286	0.458	1.828	2.089	0.149	1.940
	5	2.614	0.303	2.311	1.755	0.214							1.541
6							2.091	0.520	1.571	1.336	0.558	0.778
	7	2.439	0.332	2.107	0.776	0.221							0.554
8							2.204	0.765	1.439	1.141	0.211	0.930
	9	2.484	0.363	2.121	1.096	0.220							0.876

表2  实验数据

为了验证液体磁性磨具进行精加工的能力，将上述实验中液体磁性磨具的磨料更换为80目，保持工件转速900rpm、励磁电流3A，并选择硬质铝合金工件进一步实验，实验结果如表3。从实验结果可以看出，本发明的液体磁性磨具能够有效的降低试件表面粗糙度值，可以获得较低的表面粗糙度值，是一种优良的新型光整加工产品。

加工时间(min)	0	5	10	20	25	30
							表面粗糙度Ra(μm)	1.042	0.31	0.127	0.063	0.060	0.061

表3  硬质铝合金工件表面粗糙度变化情况

实施方式2：

采用本发明所述的液体磁性磨具，对直径为30mm的导磁材料45钢试件和非导磁材料硬铝(YL12)试件分别进行了实验，45#钢及硬质铝合金YL12两种材料各九件分为两组按照正交方式实验。实验采用的液体磁性磨具由水200克(重量比29.96％)、羰基铁280克(重量比41.95％)、十二烷基磺酸钠7.5克(重量比1.12％)和80目的碳化硅磨料180克(重量比26.97％)配制。将十二烷基磺酸钠加入水中，并采用机械搅拌方法，搅拌30分钟，使之均匀地分散到基液中；将羰基铁微粒加入基液与表面活性剂的混合溶液中，并采用搅拌器进行充分混合，混合时间为6小时；将碳化硅磨料加入基液、表面活性剂和顺磁性微粒的混合液中，并采用搅拌器进行充分混合，混合时间为30分钟；最后采用超声分散搅拌器对以上制备的混合液体进行进一步混合，混合时间为60分钟，增加其稳定性，形成具有沉降稳定性的液体磁性磨具。

光整实验在数控铣床上进行，在保持工件转速900rpm、励磁电流3A，并选择硬质铝合金工件实验，实验结果如表4。

加工时间(min)	0	5	10	20	25	30
							表面粗糙度Ra(μm)	1.042	0.28	0.103	0.065	0.063	0.062

表4  硬质铝合金工件表面粗糙度变化情况

实施方式3：

采用本发明所述的液体磁性磨具，对直径为30mm的导磁材料45钢试件和非导磁材料硬铝(YL12)试件分别进行了实验，45#钢及硬质铝合金YL12两种材料各九件分为两组按照正交方式实验。实验采用的液体磁性磨具由水200克(重量比29.96％)、羰基铁280克(重量比41.95％)、十二烷基磺酸钠7.5克(重量比1.12％)和80目的Al203磨料180克(重量比26.97％)配制。将十二烷基磺酸钠加入水中，并采用机械搅拌方法，搅拌20分钟，使之均匀地分散到基液中；将羰基铁微粒加入基液与表面活性剂的混合溶液中，并采用胶体磨进行充分混合，混合时间为5小时；将非磁性磨料Al203加入基液、表面活性剂和顺磁性微粒的混合液中，并采用胶体磨进行充分混合，混合时间为20分钟，最后采用超声分散搅拌器对以上制备的混合液体进行进一步混合，混合时间为50分钟，增加其稳定性，形成具有沉降稳定性的液体磁性磨具。

光整实验在数控铣床上进行，在保持工件转速900rpm、励磁电流3A，并选择硬质铝合金工件实验，实验结果如表5。

加工时间(min)	0	5	10	20	25	30
							表面粗糙度Ra(μm)	1.042	0.32	0.21	0.105	0.098	0.092

表5 硬质铝合金工件表面粗糙度变化情况

Claims (3)

1.一种液体磁性磨具，其特征在于是一种稳定粘稠状悬浮液体磁性磨具，在没有磁场作用时呈自由流动状液体，在外部磁场作用下发生相变，迅速转化为具有一定剪切屈服应力的Bingham介质，自动沿着与工件相接触的表面形成一个具有一定刚度的柔性研磨层；该液体磁性磨具由基液、顺磁性微粒、表面活性剂及非磁性磨料等组成；其组份为：基液的质量百分比为20％～60％，顺磁性微粒的的质量百分比为10％～60％，表面活性剂在液体磁性磨具中所占的质量百分比为1％～6％，非磁性磨料的质量百分比为10％～60％。

2.根据权利要求1所述的液体磁性磨具，其特征在于所述的基液为：水、煤油或酒精，所述的顺磁性微粒为：平均直径为1μ～10μ的Fe₃O₄或羰基铁，所述的表面活性剂为：油酸、十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，所述的非磁性磨料为：平均粒径为40目～120目的碳化硅、Al₂O₃或刚玉。

3.制备权利要求1所述的液体磁性磨具的方法，其特征在于，首先按照基液20％～60％，顺磁性微粒10％～60％，表面活性剂1％～6％，非磁性磨料10％～60％(质量百分比)，将权利要求2所述的表面活性剂分散于基液中，然后依次加入顺磁性粒子和非磁性磨料，并通过机械、超声分散技术使原料充分混合，形成具有沉降稳定性的粘稠状液体磁性磨具，其具体步骤为：

a)在非磁性容器中加入基液，基液根据加工需要选择水或煤油，其重量百分比占液体磁性磨具总重量10％～60％；

b)选择平均粒径约为1μm～10μm顺磁性微粒Fe₃O₄或羰基铁，其重量百分比占液体磁性磨具的10％～60％；

c)表面活性剂为：油酸、十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠，其重量百分比占液体磁性磨具的1％～5％；

d)非磁性磨料为：碳化硅或Al₂O₃，其重量百分比占液体磁性磨具的20％～60％；

e)将上述表面活性剂加入基液中，并采用机械搅拌方法，搅拌10——30分钟，使之均匀地分散到基液中；

f)将上述b)选择的顺磁性微粒加入基液与表面活性剂的混合溶液中，并采用搅拌器或胶体磨进行充分混合，混合时间为：4——6小时；

g)将d)所述的非磁性磨料加入基液、表面活性剂和顺磁性微粒的混合液中，并采用搅拌器或胶体磨进行充分混合，混合时间为：10——30分钟；

h)采用超声分散搅拌器对以上制备的混合液体进行进一步混合，混合时间为：40——60分钟，增加其稳定性，形成具有沉降稳定性的液体磁性磨具。

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