2022年精密超精密游离磨料加工 .pdf
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1、个人资料整理仅限学习使用1 / 12 精密超精密游离磨料加工技术青岛理工大学 李长河李晶尧 韩振鲁摘要: 将游离状态下的细磨料或磨料微粉放在工件和工具之间进行研磨和抛光等,称之为精密和超精密游离磨料加工。游离磨料加工技术是历史最久而又不断发展的加工方法,它是不切除或切除极薄的材料层,用以降低工件表面粗糙度值或强化加工表面的加工方法,多用于最终工序加工。近年来,在这些传统工艺的基础上,出现了许多新的游离磨料加工方法,如磁力研磨、弹性发射加工、磁流体抛光、磨料流加工、化学机械抛光等。b5E2RGbCAP 关键词: 研磨;抛光;磁力研磨;磁性流体研磨;磨料流加工;弹性发射加工;化学机械抛光1 研磨和
2、抛光1)研磨和抛光的加工机理研磨是一种常用的精密加工方法,研磨加工的机理是利用附着或压嵌在研具表面上的游离磨料,以及研具与工件之间的微小磨料借助于研具与工件的相对运动,切除下微细的切屑,以得到精确的尺寸和表面粗糙度值很小的加工表面。研磨加工的切削作用一般有两种情况,一种是滑动切削,即两体加工图1a ),镶嵌粘附在研具上的磨料,与工件相对运动而产生推挤作用,使工件留下带有擦痕的光滑表面;另一种是由研具与工件之间的磨料旋转作用而产生的滚动切削,即三体加工图 1b )研磨开始仅有少数大颗磨料切削,效率并不高,且比压大,随后很快被压碎变为许多小磨料一起参加工作。磨料一方面切削工件,另一方面继续被压碎,
3、研磨效率基本上不变。持续一段时间后,由于磨料愈益细化,研具与工件之间的间隙变窄,切屑堵塞于磨料之间的缝隙,研磨效率急剧下降,工件表面变得非常光滑。p1EanqFDPw 抛光也和研磨一样,是将研磨剂擦抹在抛光器上对工件进行抛光加工。但是,抛光使用的磨料是1m 以下的微细磨料,而抛光器则需使用沥青、石蜡、合成树脂和人造革等软质材料制成,即使抛光硬脆材料也能加工出一点裂纹也没有的镜面。DXDiTa9E3d 抛光时磨料的变化如图2 所示,微小的磨料被抛光器弹性的夹持研磨工件,因而,磨料对工件的作用力很小,即使抛光脆性材料也不会发生裂纹。RTCrpUDGiT 2)超精密研抛的四个阶段1)自由研抛阶段研抛
4、头的微观结构为蜂窝状,能浸含和携带大量游离磨粒一起运动。加工时研抛头自由推挤加工液及游离磨粒,一些游离磨粒钻到研抛头端面空隙中,起摩擦切削作用;一些游离磨粒在研抛头与工件之间滑动和滚动,对工件材料去除量不大。5PCzVD7HxA 2)镶嵌研抛阶段随着加工的进行,镶嵌到研抛头端面孔隙中的磨粒增多,游离磨粒同时也在破碎,但主要趋势是磨粒被镶嵌而处于半固定状态。高速回转的研抛头在旋摆运动中带着磨粒撞击和摩擦工件被加工表面,进行有效的切削,材料去除率增大。jLBHrnAILg 3)饱和钝化研抛阶段磨粒镶入增多,逐渐趋向饱和,由于不断受到挤压和冲击而被压实,填平研1 2 图 1 研磨机理图1-工件 2-
5、研具1 2 3 4 运动方向图 2 抛光加工模型1-软质材料的抛光器 2-微小磨粒 3-微小切屑 4-工件精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 12 页个人资料整理仅限学习使用2 / 12 抛头端面,呈半固结和固结状态,使研抛头硬度进一步提高。在研抛运动中,加工头带着无数镶嵌磨粒和自由磨粒在工件被加工表面上强烈的滑动和滚动,使之光滑,同时,加工头端面在研抛中也被修整,变得平整光滑,使切削能力下降。xHAQX74J0X 4)“壳膜化”研抛阶段加工头端面进一步被更细小磨粒“填平”,逐渐形成一层被称为“壳膜层”的极其致密、已饱和钝化
6、但仍具有不少极小孔隙的硬壳层。其表面光滑明亮,呈深褐色或黑色暗光镜面,它具有极高的使工件被加工表面快速形成高质量镜面能力。LDAYtRyKfE 3)超精密研抛关键技术1)超精密研抛材料去除机理及工艺参数优化研究;2)超精密研抛运动轨迹数学建模及运动参数对研抛运动轨迹的影响的研究;3)超精密研抛新型加工装置的开发。2 磁力研磨1)磁力研磨的工作原理磁力研磨也称磁粒光整加工Magnetic Abrasive Finishing ,简称 MAF ),就是利用磁场通过强磁性介质产生的磁作用力作用到磁粒上,使磁粒对工件进行微切削加工的方法。图3 为圆柱表面磁力光整加工原理图,将工件放置在由电磁铁N 极和
7、S 极构成的磁场中,在电磁铁与工件之间填充磁性磨料,当对电磁铁通以直流电时,在N、 S两极之间便产生磁场,磁性磨料被磁极吸引,在磁力的作用下,磁粒沿磁力线整齐地排列成刷子状,并对加工工件表面形成一定的压力,当磁极与工件之间产生相对运动时,磁刷扫过工件表面,从而对工件待加工表面进行研磨、去毛刺、提高工件表面硬度等过程的光整加工。该加工方法改善了工件表面的应力分布状态,延长了工件的使用寿命。磁性磨料由纯铁粉Fe)作载体,加入一些 Al2O3或 SiC 等磨料混合制成。目前磁力光整加工按磁场的形式可以划分为两大类,第一类磁场为恒磁场,依靠磁场与加工工件表面之间相对移动来实现加工;第二类则是采用交变或
8、旋转磁场来产生磁性磨粒与加工面之间的相对运动实现材料的微去除加工。Zzz6ZB2Ltk 2)磁力研磨加工的特点1)自锐性好,加工能力强,效率高;2)加工温升小,工件变形小;3)切削深度小,加工表面光洁平整;4)工件表面交变励磁,提高了工件的物理机械性能;5)磨料刷的形状随加工工件的形状变化而变化,表现出极好的柔性和自适应性,因此不仅可用于圆柱和平面加工,还可进行异形表面和自由曲面的光整加工;dvzfvkwMI1 6)加工力可以通过控制磁场强度进行控制,加工过程容易实现自动化;7)磁性磨粒更换迅速,不污染环境;8)既可加工铁磁性材料,也可对非铁磁性材料进行光整加工。3)磁力研磨加工的应用磁力研磨
9、加工适用于各个领域精密零件的研磨、抛光和去毛刺,如塑料透镜的研磨、轴承内外滚道、液压机上用的滑阀、齿轮泵、球阀、家用不锈钢器皿、螺纹轧辊、滚珠轴承保持器、制动器、缝纫机零件等去毛刺、抛光加工;大型喷气式飞机用的分配管的内表面研磨、煤气罐内表面、制药机械、食品机械等的物流管道内表面清洗;计算机硬盘定位臂表面的研磨、波纹管内表面磁力研磨;对叶片的精密光整加工加工、心脏起搏器壳的内表面加工,医用器械微细结构处的去毛刺加工、液压元件和精密偶件的去毛刺,棱边倒角等。磁性磨粒加工不仅可用于以铁和碳素钢、合金钢等磁性材料制作的零件,也适用于加工非磁性材料如黄铜、不锈钢和钛合金、陶瓷以及硅片等,材料去除率明显
10、高于一般研磨工艺,表面粗糙度可达10nm 级。rqyn14ZNXI 4)磁力研磨加工关键技术1)磁力研磨加工自动化研究及面向模具型腔表面抛光的光整加工装置的开发。近年来,由于数控1 3 2 图 3 圆柱表面磁力光整加工装置1磁极 2磁性磨粒 3工件SN精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页个人资料整理仅限学习使用3 / 12 机床的CAD/CAM系统的引进,使得多数模具制造实现程序自动化,但模具型腔表面的精加工还必须由技术熟练的工人进行手工完成,仍未实现3D 表面的精加工。因此,致力于模具型腔表面自动化光整加工具有重要
11、的意义。EmxvxOtOco 2)磁性磨粒的制备及新型磁性磨粒的开发。目前,我国制作的磁性磨粒成本较高、使用寿命短、加工效率低,磁性材料与磨料之间的可溶性差,磁力的磁化率偏低。因此需要研制新型磁性磨粒,力求降低成本,提高使用寿命,增强切削能力。铁磁相与磨粒相机械混合制备磁性磨粒的方法,不仅降低了成本,而且得到Ra值为 0.042m 的超光滑的光整加工表面。SixE2yXPq5 3)磁力研磨加工工艺的研究。磁力研磨加工不仅受工件材质、工件尺寸的影响,也受到工件形状和表面去除量的限制,对不同位置角度,不同曲率的表面,其去除规律是不同的,必须对此进行深入的研究,在不破坏工件原有精度的前提下,以取得整
12、个表面相同的表面粗糙度。自由曲面的磁力研磨加工,不仅在运动控制上,而且在加工工艺上都不同于平面、外圆和内圆面,因此,要针对不同工件形状,研究其磁力研磨加工的加工特点和优化工艺,以指导生产实践。6ewMyirQFL 3 磁力悬浮研磨1)磁力悬浮研磨的原理磁力悬浮研磨,是基于磁性流体中非磁性磨粒受磁场作用时,会产生向低磁场方向悬浮的现象而研究出的光整加工方法。图4 为磁力悬浮研磨陶瓷球加工原理图,氮化硅毛坯球置于磁流体通常是胶态的Fe3O4)、非磁性磨料与水或油混合液中,在磁场的作用下,磁流体向强磁场方向运动,对磨料产生反向浮力,陶瓷球和浮板有向上的推力作用,使陶瓷球与各研磨点形成研磨压力。这个压
13、力较小,约为1N/球,而且是弹性的,从而减小了陶瓷球表面的滑痕及微裂纹。当传动轴带动锥形研磨盘旋转时,便对陶瓷球起研磨作用。kavU42VRUs 轴陶瓷球浮板N SNNSSN磁液与磨粒2)磁力悬浮研磨的特点磁力悬浮使作用在研磨面的磨粒数增多;由于磨粒由流体支撑,使支撑富有弹性,而且加工压力由悬浮力决定,因此每一颗磨粒的加工压力很小;磁性流体的传热系数大,可抑制加工点的温度上升;越接近磁铁,作用于磨粒的悬浮力越大,因此,对工件形状还有修正效果;由于加工区域是立体的,因此,它不仅能加工平面,而且也能研磨球面和其它复杂型面,加工范围广。y6v3ALoS89 3)磁力悬浮研磨技术精密加工陶瓷球陶瓷球的
14、表面质量对陶瓷球轴承的性能和可靠性起着至关重要的作用,由于陶瓷具有高的硬度和脆性,因此对磨削或抛光过程中产生的表面缺陷极为敏感,表面缺陷导致陶瓷球的疲劳失效,从而降低陶瓷球轴承的性能和使用寿命。因此,陶瓷球的高表面完整性精密加工尤为重要。M2ub6vSTnP 陶瓷球的传统加工采用金刚石抛光的方法,和加工金属球一样,采用高的加工负荷和低的抛光速度,加工一组陶瓷球需要几周的时间,不仅加工时间长,磨料成本高,而且由于高的加工负荷,在陶瓷球的加工表面留有较深的划痕、凹坑和微裂纹,导致陶瓷球轴承使用性能和可靠性降低,因此,为了减小对加工表面的伤害,寻求较软的磨粒采用低应力抛光陶瓷球加工方法磁浮抛光陶瓷球
15、加工方法应运而生。实验表明,用磁浮抛光氮化硅陶瓷球,采用B4C500或SiC400微细磨粒,抛光压力仅为1N/球,得到1 m/min 高的材料去除率,将加工时间由几周缩短为20 小时,并且无加工缺陷及表面变质层,得到 Ra 为 4nm 的超光滑表面。0YujCfmUCw 磁浮抛光陶瓷球可分为三个基本阶段:1)粗研快速加工阶段,在这个过程中,要尽量减少表面图 4 磁浮抛光陶瓷球简图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页个人资料整理仅限学习使用4 / 12 及亚表面损伤,磨料可采用B4C500或SIC400微细磨粒等;2)
16、细研较快速研磨阶段,在这个阶段其主要目的是改善圆度及粗糙度,磨料可用SiC1000或 SiC1200; 3)精研抛光阶段,磨料可用更细的SIC 磨粒,以便达到要求的尺寸精度,最后采用化学机械抛光的方法达到低的表面粗糙度值,在化学机械抛光中,水基抛光液比油基抛光液易于与陶瓷材料发生化学反应,因此效果明显。CeO2和ZrO2磨料抛光效果最好,其次是Fe2O3和 Cr2O3,磨料的硬度接近化学生成物SiO2 硬度而低于氮化硅陶瓷的硬度,因此不易对球产生滑伤。eUts8ZQVRd 4)磁力悬浮研磨关键技术优化磁浮研磨的加工条件在磁浮研磨加工中,抛光负荷、抛光速度以及磨粒浓度、被加工材料的物理机械特性影
17、响加工质量和效率,因此,优化加工参数,在保证加工质量的前提下,提高加工效率;sQsAEJkW5T 研究各种磨粒在磁浮研磨各阶段的有效性,以及在化学机械抛光过程中各种磨粒与工件材料、抛光液可能的化学反应;GMsIasNXkA 用磁浮研磨方法加工磁性材料,如金属球,提高其效率和加工质量。4 磁性流体研磨1)磁性流体研磨的工作原理磁性流体研磨 Magnetic Fluid Finishing)是一种新型的借助于磁场进行的光整加工技术。该方法是利用磁性流体的流动性、磁性材料的磁性和外磁场的作用实现对工件表面研磨的一种精加工方法。磁性流体由磁性颗粒Fe3O4)、表面活化剂以及液体载体组成。平均粒径约10
18、0? 左右的磁性颗粒胶体,悬浮于液体载体 油或水)中。对磁性流体施加强磁场时,由于表面活化剂的作用,磁性颗粒不会聚集,始终保持悬浮状态。磁性流体是完全软磁性的,磁性流体的饱和磁化强度由载体中磁性颗粒的数量及其材料性质决定。载体中的磁性颗粒越多,磁性流体的饱和磁化强度就越高。在均匀磁场中,磁性流体中的磁性颗粒沿磁场磁力线排列,在梯度磁场中,磁性流体被吸向高磁场区。在磁性流体中添加有磨削能力的磨料 如 Al2O3、SiC 等),当混合液处于梯度磁场中时,磨料、磁性颗粒分别向相反方向移动。若磁场梯度方向位于重力方向时,磨料就会上浮于磁性流体表面,使磨料上浮实现对工件的研磨加工。TIrRGchYzg
19、2)磁性流体研磨特点不会产生二次毛刺;加工材料范围广,硬质合金、陶瓷、不锈钢、高速钢、硬塑料等材料的工件都可以加工;特别适合于各种复杂壳体内孔、螺纹等的去除毛刺加工;可保持零件原有加工精度,更适合孔径变化 5m,圆度 1.5m 的工件;加工效率高,加工时间只为手工操作时间的10%。7EqZcWLZNX 3)磁性流体研磨应用利用磁性流体研磨对聚丙烯片、陶瓷滚动轴承滚动体、光学零件表面研磨抛光都得到光滑超精密无变质层的加工表面。lzq7IGf02E 5 磁流变抛光1)磁流变抛光原理八十年代中期由Kordonski 发明的磁流变抛光Magnetorheological Finishing MRF)是
20、使用磁场改变磁流变液体的粘度,磁流变液体不断地在泵之间循环,电磁使液体中的固相之间不断交替图 5),磁流变抛光液加到旋转轮边缘并被带进抛光区,工件装夹在数控机床上并浸在液流里,和弹性发射加工和其它数控加工一样,材料去除量是由给定位置驻留时间决定的。砂轮边缘和抛光表面形成楔形间隙暴露在磁性域中,在砂轮边缘产生磁性变粘的磁流变抛光液通过楔形间隙,这种抛光液在接触区产生剪切压力并去除工件表面材料。zvpgeqJ1hk 由于去除率和流体粘度有关,因此去除率是很稳定的。通过监测和控制使流体粘度保持在1以内。通过改变砂轮速度,零件在磁流体中位置和磁场强度来调整去除率,产生光滑无损伤表面的同时得到相对高的稳
21、定的材料去除率。不同于传统抛光,磨粒法向载荷能划伤工件表面,磁流变抛光依靠剪切精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 12 页个人资料整理仅限学习使用5 / 12 模式去除材料,磨粒在法向方向不受任何法向力。NrpoJac3v1 泵泵磁流发生器电磁铁砂轮工件喷嘴2)磁流变抛光特点1)MAF 是一种柔性抛光方法,不产生表面变质层,加工效率高,表面粗糙度可达到纳M 级,能够实现对复杂表面的抛光加工;1nowfTG4KI 2)在其它工艺参数不变的条件下,通过控制磁场强度和磁场分布以及在加工区域的驻留时间,可实现对材料的定量抛光;fjn
22、FLDa5Zo 3)磁流液在制造和使用中不受化学杂质的影响,原材料无毒,对环境友好。 3)磁流变抛光应用1)磁流变抛光主要应用在光学零件的超光滑抛光,如用W1 微粉磨粒抛光K9 玻璃、 SiC 陶瓷可得到表面粗糙度Ra值为几个纳M 的无任何损伤的超光滑表面;tfnNhnE6e5 2)磁流变用以有色金属的抛光,可使加工后的表面粗糙度值降低到原来的1/3,而且表面无变质层,磁流变抛光一般不用来抛光金属材料,磁流液会对金属表面产生腐蚀作用,出现点蚀现象,使表面粗糙度值增大。HbmVN777sL 4)磁流液的组成成分磁流液是一种对磁场敏感的固液混合两相液流,它有磁性颗粒、基液和表面活性剂组成,磁场颗粒
23、一般选用高饱和磁化强度的球形羰基铁微粉,粒径在0.0110 m 之间,比重大约为78g/cm3。理想的磁流液在零磁场时必须具有良好的流动性,这要求磁性颗粒的含量不能太大;同时磁流液在磁场作用下应具备显著的流变效应,这又要求磁场颗粒的含量应尽可能大,通常其体积浓度在20%50之间。V7l4jRB8Hs 基液是磁流液的载体,要求热稳定性好、挥发低、无污染、易流动、绝缘、绝磁,基液不同则磁流液的特征也不同。此外,基液还涉及与磁性颗粒的亲和性,高亲和力有利于减少颗粒的沉淀作用,但会阻碍其运动,从而延长响应时间;低亲和力刚好与此相反。目前采用的基液有水、煤油、酯、硅油、碳化氟以及聚苯醚等。由于磁性颗粒为
24、无机类固体微粒,不溶解或不易分散在基液中,因此在磁性颗粒和基液的固液两相之间加入表面活性剂,它将磁性颗粒的表面包覆起来,使之彼此分开,均匀稳定地悬浮于基液中。表面活性剂必须具有特殊的分子结构,一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的钉扎功能团,另一端还需有一个极易分散于基液中适当长度的弹性基团。常用的表面活性剂包括油酸、亚酸酸、亚麻酸、硅烷偶联剂等。83lcPA59W9 将抛光粉加入磁流液中并混合均匀,就制成了磁流变抛光液,零磁场时它是可流动的,然而在外磁场作用下磁流液的性质发生急剧变化,磁场颗粒聚结成链状结构,整个流体表现出类似固体的力学性质,抛光粉受力浮于液面上,撤除外磁场后磁流液又能恢复
25、流动性,响应时间极短。mZkklkzaaP 5)磁流变抛光关键技术1)磁流变抛光液的研制,抛光液应具有:零磁场流动性好,在外磁场作用下发生流变效应,且对磁场的响应速度快;AVktR43bpw 2)加工工艺参数的优化,如工件转速、磁场强度、磁场分布形式、工件材料特性以及抛光粉种类和含量等参数对磁流变抛光的影响,建立材料去除率、表面粗糙度的数学模型,针对不同工件材料,优图 5 磁流变加工精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 12 页个人资料整理仅限学习使用6 / 12 化加工参数,用以指导生产;ORjBnOwcEd 3)磁流变数控
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