機床磁性動力研磨頭的設(shè)計
機床磁性動力研磨頭的設(shè)計,機床,磁性,動力,研磨,設(shè)計
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）任 務(wù) 書
題 目：機床磁性動力研磨頭的設(shè)計
原始依據(jù)：
磁性研磨技術(shù)MAF（Magnetic Abrasive Finishing）是在強磁場的作用下，用被磁化的磨粒對工件表面進行精密超精密研磨的一種工藝方法。在磁力研磨加工中，磁力研磨裝置的性能對加工質(zhì)量的影響很大。根據(jù)磁性研磨光整加工的工作原理，提出一種由普通車床改裝的用于圓柱面加工的磁力研磨裝置的設(shè)計方法。目前我國對磁力研磨技術(shù)的研究才剛剛起步，在磁力研磨方面的資料和經(jīng)驗還不多,因此,對磁力研磨加工進行研究以前,首先需要解決磁力研磨加工設(shè)備問題。鑒于磁性研磨工藝在理論上對設(shè)備的要求還不是十分嚴格,根據(jù)磁力研磨特點和待加工工件現(xiàn)狀設(shè)計磁研磨回路,在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進行改造,針對軸類零件的自身特點,對CA6140車床進行設(shè)備改造即可成為專用的磁力研磨裝置，設(shè)計一種研磨頭進行研磨的加工。
主要內(nèi)容：
1. 研究磁性研磨加工機理。
3. 進行磁性研磨頭的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計與計算，并確定最終方案。
4. 繪制磁性研磨頭的裝配圖和零件圖。
5. 磁力系統(tǒng)的設(shè)計計算
主要（技術(shù)）要求：
1） 設(shè)計一套完整的設(shè)備，能用于實際的生產(chǎn)中；
2） 圖紙量：2.5張0號圖；
3） 設(shè)計說明書（字數(shù)不少于2萬字）；
4） 翻譯與課題有關(guān)的外文資料，譯文字數(shù)不少于5000字。
日程安排：
1、2012年3月7日～2012年3月20日（3～4周）
畢業(yè)實習(xí)、查閱文獻（期刊、圖書、互聯(lián)網(wǎng)等）、閱讀和消化資料。
2、2012年3月21日～2012年4月3日（5～6周）
確定系統(tǒng)設(shè)計思路和總體設(shè)計方案、撰寫開題報告和綜述。
3、2012年4月4日～2012年4月24日（7～9周）
進行磁性研磨頭的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計與計算。
4、2012年4月25日～2012年5月15日（10～12周）
零件圖設(shè)計并繪制磁性研磨頭的裝配圖和零件圖。
5、2012年5月16日～2012年5月22日（13～13周）
編寫畢業(yè)設(shè)計說明書。
6、2012年5月23日～2012年5月25日（14周）
指導(dǎo)老師批改，修改設(shè)計。
7、2012年5月28日～2012年5月31日（15周）
畢業(yè)答辯（以學(xué)院通知為準）。
主要參考文獻和書目：
[1]《機床設(shè)計手冊》編寫組.機床設(shè)計手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1978
[2]上海紡織工學(xué)院等.機床設(shè)計圖冊.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.12
[3]機械設(shè)計實用手冊編委會.機械設(shè)計實用手冊.北京: 機械工業(yè)出版社，2009.4
[4]濮良貴等.機械設(shè)計(第八版).北京: 高等教育出版社,2006
[5]鄭文緯 ,吳克堅. 機械原理(第七版). 北京:高等教育出版社,2005
[6]葉旭明，王改善等.銑床改裝成研磨機和磁力系統(tǒng)計算[J], 制造技術(shù)與機床.2003,
（11）:78～80
[7]賈向義等.外圓磁性研磨機的改裝及其磁力系統(tǒng)計算[J].機床與液壓.2003,(5):282～
284
[8]王寶齡.電磁電器設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社.1989.
[9]張若貴,陳國志,孫學(xué)禮.平面研磨機床的改裝和研磨頭的設(shè)計[J].煤礦機械. 2004,(4):19～21
[10]董瑞寶,宋慶懷,付云強.磁力研磨機的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].煤礦機械.2009,30(5):107～
106
[11]陳顯文，白萬民，朱鐳等.磁力研磨機理及研磨裝置的設(shè)計的研究[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報 .2004,24(4):340～343
[12]安家憲.磁性研磨加工工藝及其開發(fā)應(yīng)用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報.2007，31(4):464～467
[13]郭燕瑩，張銀喜.磁性研磨的加工特性[J].太原理工大學(xué)學(xué)報.1997,28(3):92～94
[14]辜華拉，李德才.磁性研磨技術(shù).機械工程師.2005,(7):96～97
[15]王善政,周兆元,陳敏.磁性研磨機磁路及電磁線圈計算.礦山機械.2003,7:52～53
[16]賈向義,陳敏,陸程.在立式銑床上改裝磁性研磨裝置.機床與液壓.2003,4:316～317
[17]申奎東.磁性研磨感應(yīng)器電磁線圈的兩種計算. 沈陽大學(xué)學(xué)報.2006,18(2):95～96
[18]蔡長春,徐志鋒,劉新才,潘晶. 通用永磁研磨極頭的研制.機械.2003,30(5):83～85
指導(dǎo)教師（簽字）：
教研室主任簽字： 年 月 日
年 月 日
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）開 題 報 告
題 目：機床磁性動力研磨頭的設(shè)計
原始依據(jù)：
磁性研磨技術(shù)MAF（Magnetic Abrasive Finishing）是在強磁場的作用下，用被磁化的磨粒對工件表面進行精密超精密研磨的一種工藝方法。在磁力研磨加工中，磁力研磨裝置的性能對加工質(zhì)量的影響很大。根據(jù)磁性研磨光整加工的工作原理，提出一種由普通車床改裝的用于圓柱面加工的磁力研磨裝置的設(shè)計方法。目前我國對磁力研磨技術(shù)的研究才剛剛起步，在磁力研磨方面的資料和經(jīng)驗還不多,因此,對磁力研磨加工進行研究以前,首先需要解決磁力研磨加工設(shè)備問題。鑒于磁性研磨工藝在理論上對設(shè)備的要求還不是十分嚴格,根據(jù)磁力研磨特點和待加工工件現(xiàn)狀設(shè)計磁研磨回路,在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進行改造,針對軸類零件的自身特點,對CA6140車床進行設(shè)備改造即可成為專用的磁力研磨裝置，設(shè)計一種研磨頭進行研磨的加工。
課題研究目標、方法和手段：
（1）研究目標:
將CA6140普通車床改造成磁力研磨裝置，使其能用于實際生產(chǎn)當中。
（2）研究內(nèi)容:
①磁性研磨的加工原理,包括: 加工區(qū)域的磁場分布的計算設(shè)計；磨粒對工件表面的作用極其受力分析、校核；電磁感應(yīng)器的設(shè)計與計算;
②磁性研磨裝置的改裝設(shè)計,包括: 永磁極頭設(shè)計；磁力研磨極頭安裝架的設(shè)計；各參數(shù)的可變性和可控性, 電磁感應(yīng)器的設(shè)計，電機的選擇等。
（3）研究方法和手段:
設(shè)計合理的研磨裝置，不僅可以對內(nèi)孔面進行磁力研磨加工，而且外圓面、平面、成形面及形狀復(fù)雜的中小型零件表面都可以采用磁力研磨進行光整加工.在設(shè)計研磨裝置的過程中，要根據(jù)不同的需要，設(shè)計合理的磁極 ,選取合適尺寸的磁粒。設(shè)計合理的電磁感應(yīng)器及相應(yīng)的激勵電路。
因此：整個過程中要采用查閱書籍資料，瀏覽互聯(lián)網(wǎng)進行完整的設(shè)計研究。并實際考察普通車床，對車床機構(gòu)有一定的了解。
主要內(nèi)容：
1. 研究磁性研磨加工機理。
3. 進行磁性研磨頭的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計與計算，并確定最終方案。
4. 繪制磁性研磨頭的裝配圖和零件圖。
5. 磁力系統(tǒng)的設(shè)計計算
主要（技術(shù)）要求：
1） 設(shè)計一套完整的設(shè)備，能用于實際的生產(chǎn)中；
2） 圖紙量：2.5張0號圖；
3） 設(shè)計說明書（字數(shù)不少于2萬字）；
4） 翻譯與課題有關(guān)的外文資料，譯文字數(shù)不少于5000字。
日程安排：
1、2012年3月5日～2012年3月16日（4～5周）
查閱文獻（期刊、圖書、互聯(lián)網(wǎng)等）、閱讀和消化資料。
2、2012年3月16日～2012年3月22日（5～6周）
確定系統(tǒng)設(shè)計思路和總體設(shè)計方案、撰寫開題報告和綜述。
3、2012年3月23日～2012年4月1日（6～7周）
進行磁性研磨頭的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計與計算。
4、2012年4月1日～2012年5月5日（8～13周）
零件圖設(shè)計并繪制磁性研磨頭的裝配圖和零件圖。
5、2012年5月5日～2012年5月15日（13～14周）
編寫畢業(yè)設(shè)計說明書。
6、2012年5月16日～2012年5月20日（15周）
指導(dǎo)老師批改，修改設(shè)計。
7、2012年5月28日～2012年5月31日（16周）
畢業(yè)答辯（以學(xué)院通知為準）。
主要參考文獻和書目：
[1]《機床設(shè)計手冊》編寫組.機床設(shè)計手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1978
[2]上海紡織工學(xué)院等.機床設(shè)計圖冊.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.12
[3]機械設(shè)計實用手冊編委會.機械設(shè)計實用手冊.北京: 機械工業(yè)出版社，2009.4
[4]濮良貴等.機械設(shè)計(第八版).北京: 高等教育出版社,2006
[5]鄭文緯 ,吳克堅. 機械原理(第七版). 北京:高等教育出版社,2005
[6]葉旭明，王改善等.銑床改裝成研磨機和磁力系統(tǒng)計算[J], 制造技術(shù)與機床.2003,
（11）:78～80
[7]賈向義等.外圓磁性研磨機的改裝及其磁力系統(tǒng)計算[J].機床與液壓.2003,(5):282～
284
[8]王寶齡.電磁電器設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社.1989.
[9]張若貴,陳國志,孫學(xué)禮.平面研磨機床的改裝和研磨頭的設(shè)計[J].煤礦機械. 2004,(4):19～21
[10]董瑞寶,宋慶懷,付云強.磁力研磨機的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].煤礦機械.2009,30(5):107～
106
[11]陳顯文，白萬民，朱鐳等.磁力研磨機理及研磨裝置的設(shè)計的研究[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報 .2004,24(4):340～343
[12]安家憲.磁性研磨加工工藝及其開發(fā)應(yīng)用[J].太原理工大學(xué)學(xué)報.2007，31(4):464～467
[13]郭燕瑩，張銀喜.磁性研磨的加工特性[J].太原理工大學(xué)學(xué)報.1997,28(3):92～94
[14]辜華拉，李德才.磁性研磨技術(shù).機械工程師.2005,(7):96～97
[15]王善政,周兆元,陳敏.磁性研磨機磁路及電磁線圈計算.礦山機械.2003,7:52～53
[16]賈向義,陳敏,陸程.在立式銑床上改裝磁性研磨裝置.機床與液壓.2003,4:316～317
[17]申奎東.磁性研磨感應(yīng)器電磁線圈的兩種計算. 沈陽大學(xué)學(xué)報.2006,18(2):95～96
[18]蔡長春,徐志鋒,劉新才,潘晶. 通用永磁研磨極頭的研制.機械.2003,30(5):83～85
[19] 王伯平主編.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ).機械工業(yè)出版社，2004
[20] 陳立德主編.機械設(shè)計基礎(chǔ).高等教育出版社，2004
[21] 李華主編.機械制造技術(shù).高等教育出版社，2000
[22] 王茁主編.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計.化學(xué)工業(yè)出版社，2003
[23] 張恩生.車工實用技術(shù)手冊 [ K]. 南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,
2004
[24] 進村武男等（日）.磁力研磨的研究 .精密工學(xué)會志 .1986
[25] 龔邵文 .磁路及帶鐵心電路 .北京：高等教育出版社，1985
[26] 王詠梅等.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0. 清華大學(xué)出版社2012
[27] 楊家軍．機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社．2002
[28] 劉鴻文．材料力學(xué)[M]．(第四版)．北京：高等教育出版社．2004
[29] 劉惟信. 機械可靠性設(shè)計 .清華大學(xué)出版社.2002
[30] Osgood CC.Fatigue Design.New York;Wiley-Interscience,1970
指導(dǎo)教師（簽字）：
教研室主任簽字： 年 月 日
年 月 日
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）
題 目：機床磁性動力研磨頭設(shè)計
學(xué) 院：機電工程學(xué)院
專 業(yè)：機械工程及自動化
摘 要
研磨是超精密和精密加工中一種重要加工方法。磁性研磨加工(MAF)是研磨的一種，磁性研磨主要有磁性磨料研磨和磁流體研磨兩種，本文主要研究的是磁性磨料研磨。磁性研磨加工方法是磁性磨料在磁場作用下，被吸附在磁極上，形成了具有一定剛度的“柔性磨料刷”實現(xiàn)對工件表面研磨加工和棱邊去毛刺的一種新型表面光整加工方法。目前在我國尚不普及，沒有專用的設(shè)備，為了推廣該項技術(shù)，研制開發(fā)了磁性研磨機，而研磨頭是磁性研磨機的核心部分，本文主要探討用CA6140普通車床改裝的磁性研磨頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計，研磨頭的設(shè)計是改裝后機床設(shè)計的重要一部分。文章論述了改裝后的普通車床的磁性研磨加工機理，介紹了讓工件旋轉(zhuǎn)，磁極不動、并做往復(fù)運動的加工方法。本設(shè)計主要包括研磨頭的整體設(shè)計和零部件的設(shè)計以及磁力系統(tǒng)的設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：
磁性研磨頭；磁性研磨；鐵磁性材料；電磁感應(yīng)器；精密加工
ABSTRACT
Grinding is an important process method of Ultra-precision and precision machining. Magnetic Abrasive Finishing (MAF) is a kind of grinding and have two main kinds,they are magnetic abrasive grinding and magnetic abrasive magnetic fluid grinding.This study introduces the magnetic abrasive grinding. Magnetic properties of magnetic abrasive polishing process is that magnetic abrasive in the magnetic field was attracted by the magnetic poles,and forms a certain rigidity of "soft abrasive brush" to achieve on the surface grinding and deburring the edge of a new surface finishing methods. At present in China it is not yet universal,and have no special equipment.In order to promote the technology, there are developed a magnetic grinding machine.however, the grinding head is the core of the magnetic grinding machine, the paper focuses on CA6140 lathe with a grinding head of the modified structure of the magnetic design and grinding head design is modified to an important part of machine tool design. This article discusses the converted lathe machining mechanism of magnetic abrasive and introduces the workpiece rotation, the magnetic poles which do not move, and makes reciprocating motion of the processing methods. The design includes the overall design of grinding head and parts of the design and calculation of magnetic system design.
Key words:
Magnetic Grinding head ；Magnetic Abrasive Finishing；Ferromagnetic materials；Electromagnetic sensors；precision machining
目 錄
第一章 緒論…………………………………………………………………………1
1.1 概述…………………………………………………………………………………1
1.2 研磨頭發(fā)展歷程………………………………………………………1
1.3 研究磁性研磨頭的目的和意義…………………………………………2
1.4 研磨頭的發(fā)展方向探討……………………………………………………2
第二章 磁性研磨加工技術(shù)……………………………………………………3
2.1 磁性研磨加工技術(shù)的特點…………………………………………………3
2.2 影響磁性研磨的加工質(zhì)量和效率的因素……………………………3
2.3 磁性磨料…………………………………………………………………………3
本章小結(jié)………………………………………………………………………………4
第三章 磁性研磨加工機理…………………………………………………6
3.1 精密和超精密磨削的概述………………………………………………6
3.2 磁性磨料的受力分析………………………………………………………7
3.3 磁粒的運動過程分析………………………………………………………14
3.4 磁性研磨的加工機理………………………………………………………15
3.5 磁性研磨常見問題的分析………………………………………………15
本章小結(jié)………………………………………………………………………………18
第四章 磁性研磨頭的設(shè)計…………………………………………………19
4.1 磁性研磨概述…………………………………………………………………19
4.2 磁性研磨頭設(shè)計要求整體設(shè)計……………………………………… 19
4.3 磁性研磨頭詳細設(shè)計………………………………………………………21
本章小結(jié)………………………………………………………………………………33
第五章 磁力系統(tǒng)的設(shè)計計算………………………………………………35
5.1 電磁感應(yīng)器的組成…………………………………………………………35
5.2 磁力系統(tǒng)的設(shè)計計算………………………………………………………36
本章小結(jié)………………………………………………………………………………40
總結(jié)及展望……………………………………………………………………………41
附錄………………………………………………………………………………………43
參考文獻…………………………………………………………………………………44
致謝………………………………………………………………………………………46
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 緒論
1.1 概述
利用在磁場中的磁性磨料所產(chǎn)生的磁力進行磁性研磨是機械零件表面光整加工的又一新技術(shù)、 新工藝。目前國內(nèi)外專家學(xué)者已對外圓表面、 內(nèi)圓表面、 平面及成形表面等的研磨進行了廣泛的研究和開發(fā)應(yīng)用。從原理上講, 它可以對任何幾何形狀的表面進行精密光整加工, 因此, 有著十分廣闊的應(yīng)用前景和很好的經(jīng)濟效益。
在磁力研磨加工中，磁力研磨裝置的性能對加工質(zhì)量的影響很大。根據(jù)磁性研磨光整加工的工作原理，提出一種由普通車床改裝的用于圓柱面加工的磁力研磨裝置的設(shè)計方法。目前我國對磁力研磨技術(shù)的研究才剛剛起步，在磁力研磨方面的資料和經(jīng)驗還不多,因此,對磁力研磨加工進行研究以前,首先需要解決磁力研磨加工設(shè)備問題。鑒于磁性研磨工藝在理論上對設(shè)備的要求還不是十分嚴格,根據(jù)磁力研磨特點和待加工工件現(xiàn)狀設(shè)計磁研磨回路,在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上進行改造,針對軸類零件的自身特點,對CA6140車床進行設(shè)備改造即可成為專用的磁力研磨裝置，設(shè)計一種研磨頭進行研磨的加工。
1.2 研磨頭的發(fā)展歷程
隨著工程技術(shù)的發(fā)展，用于加工零件表面的研磨技術(shù)也不斷的升級換代，更加完善成熟起來。
1.2.1 磁性研磨技術(shù)發(fā)展歷史
磁性研磨技術(shù)MAF（Magnetic Abrasive Finishing）是在強磁場的作用下，用被磁化的磨粒對工件表面進行精密超精密研磨的一種工藝方法。1938年，前蘇聯(lián)工程師Kargolow首次正式提出MAF這一概念。從50年代開始，前蘇聯(lián)、保加利亞、日本等國發(fā)表了大量有關(guān)這方面的論文，研制了許多磁性研磨裝置，使這項技術(shù)在實際中得到推廣應(yīng)用。研究工作主要涉及加工原理、加工特點、以及相關(guān)設(shè)備。有關(guān)MAF方面的會議已定期在保加利亞召開。
1.2.2 磁性研磨技術(shù)研究現(xiàn)狀
作為一種新型的光整加工技術(shù)，磁性研磨加工具有較好的柔性、自適應(yīng)性、自銳性、可控性、溫升小、無變質(zhì)層、加工質(zhì)量高、效率高和工具無須進行磨損補償、無須修形等特點，在國際上引起了廣泛的關(guān)注，其研究成果已在平面、外圓面、內(nèi)圓面和成形面光整加工的許多場合得到了應(yīng)用。目前，磁性研磨加工已能達到亞微米級加工精度[30]。
我國開展對磁力研磨加工的研究起步較晚，開始于80年代初，目前仍處于試驗研究階段，實際推廣應(yīng)用極少，開展磁力研磨的加工技術(shù)的研究單位均自行研制開發(fā)出不同的磁力研磨裝置并對不同的工件(如軸承內(nèi)環(huán)的外軌道，螺紋環(huán)規(guī)、絲錐、儀表、電機軸、儀表齒輪、階梯軸、鋼球等)進行了實驗研究，取得了較好的加工效果。八十年代后期，哈爾濱科技大學(xué)首先開始磁力研磨方面的研究，并于90年代初，完成了“儀器儀表零件磁力研磨加工技術(shù)的開發(fā)”項目，成功試制了MAC系列磨料，并對儀器儀表的零件開發(fā)了磁力研磨裝置，進行了實驗研究。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對液壓伺服閥閥芯軸棱邊毛刺的磁力研磨去除法進行了可行性研究，開發(fā)了磁力研磨去毛刺的裝置，毛刺去除后，閥芯棱邊圓角半徑均不超過5cm，閥芯表面粗糙度沒有變大，工件圓柱度在2以下；大連理工大學(xué)開展了電化學(xué)磁力加工技術(shù)方面的實驗研究，并且證明電化學(xué)磁力加工生產(chǎn)效率更高，表面質(zhì)量也有改善。磁力研磨加工技術(shù)未能在國內(nèi)推廣應(yīng)用的癥結(jié)在于磁性磨料制作成本較高，工件的裝夾和去磁問題尚未得到解決，尤其是理論基礎(chǔ)匾乏，可使用的參數(shù)很少，因此最終不能批量生產(chǎn)。另外研究單位不多，這也許是該技術(shù)未能在我國得到實際應(yīng)用的原因之一。
1.3研究磁性研磨頭的目的和意義
眾所周知，隨著工業(yè)化的大力推進，機械制造技術(shù)的水平與制造業(yè)的發(fā)達程度突出反映了一個國家的經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平。在機械制造加工中，零部件的尺寸精度和表面粗糙度等因素對產(chǎn)品的使用性能和生命周期有很大的影響，對于現(xiàn)今我國機械加工過程中的不足，也是為了迎合當今機床自動化、精密化、加工產(chǎn)品多樣化的發(fā)展趨勢，此類磁力動力研磨機的設(shè)計就被提上了日程。動力研磨頭的設(shè)計過程也體現(xiàn)了一般機床的的設(shè)計思想，尤其是設(shè)計過程的自動化和CAD化，因此選擇了此研磨機動力頭的專機設(shè)計的課題。
在研磨機動力頭的設(shè)計過程中不僅分析比較了國內(nèi)外同類型機床的相關(guān)信息，還結(jié)合了我國實際情況、世界先進水平及發(fā)展趨勢。因此，力求做到了既保持機床先進性優(yōu)撫和顯示情況，起到了優(yōu)化作用。不僅如此，基于我國現(xiàn)在大量存在的普通機床在結(jié)構(gòu)、精度、調(diào)速范圍上都稍有不足，我在設(shè)計過程中，通過合理方法，在保證達到預(yù)計設(shè)計要求的前提下，盡量使其結(jié)構(gòu)簡單，以降低生產(chǎn)成本。
1.4研究磁性研磨頭發(fā)展方向探討
研磨機動力頭的設(shè)計屬于專用機床的設(shè)計。磨削機床的發(fā)展基本上還處于傳統(tǒng)的模式，其主要磨削方式有砂輪磨削、砂帶磨削、拋光處理、噴砂處理等。研磨過程主要用于表面的精加工或超精加工。如今國內(nèi)外的研磨機許多仍然采用的是較為傳統(tǒng)的加工工具，較為典型的研磨機床設(shè)備有J28180/ZF型四軸式，J58410/ZF型游星式，前者主要用于光學(xué)玻璃的研磨，后者主要用于石英片、硅片、陶瓷等的平面研磨。另外另一公司的ZHM-Z渦流系列研磨機床（包括ZHM-Z60型和ZHM-Z120型）也是采用電力原理工作的研磨機，本課題所設(shè)計的研磨機也采用電磁的原理工作的設(shè)備。
49
第二章 磁性研磨加工技術(shù)
磁性研磨加工按磨粒狀態(tài)分為干性研磨和濕性研磨兩種。干性研磨使用的磨料是干性磨料；濕性研磨是將磨料與不同的液體混合，濕性研磨又稱為磁流研磨。這里主要是介紹干性磁力研磨。
2.1 磁性研磨加工的特點[13]
磁性研磨加工是在強磁場作用下，填充在磁場中的磁性磨料被沿著磁力線的方向排列起來，吸附在磁極上形成“磨料刷”，并對工件表面產(chǎn)生一定的壓力，磁極在帶動“磨料刷”旋轉(zhuǎn)的同時，保持一定的間隙沿工件表面移動，從而實現(xiàn)對工件表面的光整加工。在加工中磁性磨粒（A）的受力狀態(tài)如圖2-1所示[30]，磨粒受到工件表面法向力和切向力的作用，作用力使磨粒有向切線方向飛散的趨勢，但由于磁場效應(yīng)，磨粒同時還受到沿磁力線方向的一個壓向工件的力Fx 和沿磁等位線方向的作用力Fy，F(xiàn)y 可以防止磨粒向加工區(qū)域以外流動，從而保證研磨工作的正常進行。
磁性研磨技術(shù)加工特點[13]：
圖2-1磁性研磨示意圖
1.磁性磨粒；2、3.磁極；4.工件
圖2-2 加工中的磁刷
1）自銳性能好, 磨削能力強, 加工效率高。
2）研磨溫升小, 工件變形小。
3) 切削深度小, 加工表面平整光潔
4）工件表面交變勵磁, 提高了工件表面的物理機械性能。
5）具有交變磁場的磁性研磨裝置由于沒有運動部件，因而運行可靠，設(shè)備的壽命大大提高。
2.2影響磁性研磨的加工質(zhì)量和效率的因素[12][14]
磁力研磨加工質(zhì)量和效率主要與下面的因素有關(guān)：磁感應(yīng)強度，加工間隙，磁極轉(zhuǎn)速，磁極形狀，磁性磨料的的結(jié)構(gòu)、成分、磁導(dǎo)率，工件材質(zhì)（包括導(dǎo)磁性能），研磨液等。
2.3 磁性磨料[29]
最簡單的磁性磨料是人們所熟知的硬質(zhì)合金粉末(Fe-C、Fe-Al-C、Fe-Ti 等) , 這些合金粉末通常只用于研磨軟質(zhì)合金或有色金屬,也可用于去除軟的氧化薄膜或氧化皮。對于耐磨材料的磁力研磨,須采用氧化鋁、碳化硅、金剛石等硬質(zhì)磨料與鐵磁性粉末復(fù)合,一般采用燒結(jié)的方法制作。但由于氧化鋁、碳化硅等硬質(zhì)磨料在鐵中的可溶性差,使鐵質(zhì)胎體與磨料包裹體擴散區(qū)很小,研磨使磨料很容易從鐵質(zhì)基體上脫落,使用壽命較短,為此國內(nèi)外許多專家學(xué)者紛紛致力于新的磁性磨料的開發(fā), 力求降低制造成本,提高磨削能力和使用壽命。下面介紹幾種特殊磁性磨料的制作方法:
(1) 等離子粉末熔融法(PPM):將硬質(zhì)磨料(直徑為1～10) 與鐵粉(顆粒直徑為100～300) 按一定體積預(yù)先混合,采用等離子噴焊設(shè)備使鐵粉與磨料熔結(jié)在一起,經(jīng)機械破碎、分級使用。這種方法使硬質(zhì)磨料包裹體在鐵質(zhì)中分布較均勻, 研拋性能顯著提高,使用壽命也明顯增加。
(2) SiC纖維與鐵粉混合磁性磨料: 這種磁性磨料的制作很簡單,只需將大顆粒的鐵粉與SiC 纖維按一定比例在滾筒里充分混合即可使用。這種磁性磨料的加工原理是:由于鐵粉顆粒較大,加工時緊貼著工件,在鐵粉空隙里的SiC 纖維無法飛散而充當磨料的作用。
(3) 液體磁性磨料:這種磨料根本無需制作,實際上是磨料與鐵粉的混合物,只不過磨料浸在液體中,研磨加工也在液體里進行。在磁極上開有導(dǎo)流孔,加工鐵粉吸附在磁極上,液體磨料通過泵體以一定的壓力和流速從導(dǎo)流孔進入加工區(qū)參與磨削。下表是幾種磁性磨料的性能比較。
表2-1 磁性磨料性能
磁性磨料名稱
制作難易程度
適合加工
的材料
材料去除
難易程度
成本
加工后表面粗糙度
金剛石與鐵粉燒結(jié)
較難
碳素鋼
鐵鎳合金
高
易
0.2（碳素鋼）
等離子粉末熔融法(PPM)
難
碳素鋼
灰口鑄鐵
球墨鑄鐵
較高
易
0.4（碳素鋼）
SiC 纖維與鐵粉混合磁性磨料
易
碳素鋼
灰口鑄鐵
較高
易
0.2（碳素鋼）
液體磁性磨料
易
碳素鋼
結(jié)構(gòu)鋼
鐵鎳合金
低
難
0.1（碳素鋼）
本章小結(jié)
本章主要闡述了磁性研磨加工的特點以及影響研磨加工質(zhì)量和因素，最后介紹了研磨磨料和磁性研磨幾種典型加工實例及裝置。
作為一種新型的光整加工技術(shù)，磁性研磨加工具有自銳性能好, 磨削能力強, 加工效率高；溫升小、工件變形小；切削深度小、加工表面平整光潔和工具無須進行磨損補償、無須修形等特點，但是由于目前磁性磨料制作成本較高，工件的裝夾與去磁問題尚未得到解決，形成批量生產(chǎn)尚有困難。
磁力研磨加工質(zhì)量和效率主要與下面的因素有關(guān)：磁感應(yīng)強度，加工間隙，磁極轉(zhuǎn)速，磁極形狀，磁性磨料的的結(jié)構(gòu)、成分、磁導(dǎo)率，工件材質(zhì)（包括導(dǎo)磁性能），研磨液等。控制著這些因素變化對提高研磨加工的質(zhì)量和效率起著重要作用。
隨著科學(xué)技術(shù)的的飛速發(fā)展,對產(chǎn)品的精度和表面質(zhì)量要求會越來越高。磁力研磨加工作為一項新型的研磨加工技術(shù), 一種極具潛力的自動化曲面光整加工工藝,可以用于機械零件的表面精整和去毛刺，廣泛地應(yīng)用于機械、模具、汽車、軸承等制造行業(yè)。特別是基于曲面數(shù)字化的復(fù)雜曲面磁力研磨光整加工技術(shù),將具有廣闊的應(yīng)用前景。
第三章 磁性研磨加工機理
磁性研磨是磨料群在磁場力的作用下，對工件表面實施復(fù)合作用的過程。與磨削、研磨和拋光有相同的地方，也有不同之處。由于磨粒大小、形狀和受力情況各異，所以研磨過程比較復(fù)雜。在本章，根據(jù)金屬切削原理、摩擦理論以及電磁理論對磁性研磨中磨粒的受力和運動，研磨的過程以及研磨的機理進行了探討，并對在磁性研磨過程中經(jīng)常出現(xiàn)的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題進行了分析。
3.1 精密和超精密磨削的概述
精密和超精密磨粒加工是利用細粒度和微粉對黑色金屬、硬脆材料等進行加工。得到高加工精度和低表面粗糙度值。對于銅、鋁等合金金屬，用金剛石刀具進行超精密切削是有效的，而對于黑色金屬、硬脆材料等，用精密和超精密磨料加工在當前是最主要的精密加工手段。
3.1.1 精密和超精密磨料加工的分類
精密和超精密磨料加工可以分為固結(jié)磨料和游離磨料兩大類加工方式，它們所屬的各種加工方法如圖 3-1所示
(1)固結(jié)磨料加工
將磨料或微粉與結(jié)合劑粘合在一起，形成一定形狀并具有一定強度，再采用燒結(jié)、粘結(jié)、涂敷等方法形成砂輪、砂條、油石、砂帶等磨具。其中用燒結(jié)方法形成砂輪、砂條、油石等稱為固結(jié)磨具；用涂敷方法形成砂帶，稱為涂敷磨具或涂覆磨具。
1)精密和超精密砂輪磨削
2)精密和超精密砂帶磨削利用粒度為W63～W28的砂帶可進行精密砂帶磨削，其加工精度可達0.1，表面粗糙度可達加工精度可達Ra0.025。利用粒度為 W28～W3的砂帶可進行超精密砂帶磨削，其表面粗糙度可達RaO.O25～0.008的加工表面。
3)其他加工
如油石研磨、精密研磨、精密超精加工、精密砂帶研拋、精密珩磨等。
(2)游離磨料加工
如磁性研磨、彈性發(fā)射加工、液體動力拋光、液中研拋、磁流體拋光、擠壓研拋、噴射加工等。
精密磨削和超精密磨削一般多指砂輪磨削和砂帶磨削，它們都是60年代發(fā)展起來的。
精密和朝精密加工磨料加工
固結(jié)磨料加工
游離磨料加工
固結(jié)磨具
涂覆磨具
精密砂輪磨削
油石研磨
精密超緊密加工
砂帶磨削
砂帶研磨
精密絎磨
精密研拋
緊密拋光
圖3-1精密和超精密磨料加工方法分類
3.2磁性磨料的受力分析
磁性研磨的示意圖如圖2—1所示。把磁性磨料放入磁場中，磁性磨料在磁場中將沿著磁力線的方向有序的排列成磁力刷。把工件放入N—S磁極中間，并使工件相對于N極和S極保持一定的距離，當工件相對磁極作相對運動時，磁性磨料將對工件表面進行研磨。
磁性磨料在工件表面的運動狀態(tài)通常有滑動、滾動和切削三種形式。當磁性磨粒在加工中受到的磁場力大于切削力時，磁性磨料處于正常的切削狀態(tài)。當磁性磨粒受到的磁場力小于切削阻力時，磁性磨粒就會產(chǎn)生滑動或滾動。
另外，由于以下兩種原因，磨粒將以一定的速度隨工件轉(zhuǎn)動，從而受到離心力Fn的作用。
(1)磨粒所受的摩擦力在大于它所受的磁場保持力的時候。
(2)由于工件的磁化，磨粒受到工件的吸引，磨粒也會因此而吸附在工件的表面隨工件轉(zhuǎn)動。當磨粒處于磨料群邊緣并且離心力大于研磨壓力時，磨粒將會飛濺出去。
下面將對單個磨粒從宏觀到微觀、從靜態(tài)到動態(tài)、從加工區(qū)外到加工區(qū)內(nèi)進行詳細的分析。
3.2.1 單個磨粒的受力
(1)加工區(qū)域外一點磨粒的受力[11]
如圖2-1所示的A點，磨粒將受到沿磁力線方向的作用力 Fx 和等磁位線方向的、(軸向方向的力未畫出)，大小分別為：
(3-1)
式中：——磨粒中含鐵的體積；
——磨粒磁化率
H——某點的磁場強度
——真空中磁導(dǎo)率
——沿磁力線和等位線方向上的磁場強度梯度。
其合力為：
(3-2)
并且合力方向始終是指向加工區(qū)域的，另外，根據(jù)式 (3-1)可知，使磁場保持力存在的充要條件是：和。這說明，磨粒中必須含一定體積的鐵磁性材料，并且，磁場強度在某一個方向上存在梯度，磁場才會對磨料產(chǎn)生力的作用，阻止磨料飛濺。
這三個分力的作用是能防止磨粒在摩擦力和離心力的作用下飛離加工區(qū)域，其力指向加工區(qū)域使磨粒能有效的參加研磨。
(2)加工區(qū)域內(nèi)單個磨粒的受力
如圖 2-1 所示，磨?！癆”是在加工區(qū)靠近工件表面的一顆磁性顆粒。從宏觀上，可以把所加工的工件表面看成是平面，與工件相接觸的磁?！癆”的受力如圖 3-3所示。圖中， 為工件 N極對磁粒的磁作用力；為臨近磁粒對其的作用力；為工件對其的支承力。
在靜態(tài)下有：
在加工過程中，當工件與磨粒有相對運動時，其受力如圖 3-4所示，除了上述力外，還會受到切削力、摩擦力 以及磁場保持力。
圖 3-3 在靜態(tài)下磁粒的受力示意圖 圖 3-4 在動態(tài)下磁粒的受力示意圖
1)切削力 Fc
它是切削層對磨粒的反作用力，其大小可以根據(jù)下列公式來估算。
對于單顆磨粒的切削抗力分析，借用磨削研究已有的模型。由于磨削狀態(tài)的復(fù)雜性. 至今尚不能充分認識，因此磨削力的理論公式不得不建立在很多近似和假定的基礎(chǔ)上，很難完全用來預(yù)先估算磨削力的值，而從實驗數(shù)據(jù)整理出來的經(jīng)驗公式，由于磨削情況比較復(fù)雜，所以這類公式的通用性受到限析，是為了定性分析磨粒的狀態(tài)和磨粒幾何形貌的關(guān)系。
日本佐藤健兒等人建立的單顆磨粒磨削力模型. 有三個假定條件：磨粒外形具有2γ頂角的圓錐；磨粒的對稱中心線沿砂輪徑向分布；忽略磨粒表面的摩擦力磨粒的切削抗力為：
（3-3）
圖3-5 單顆磨粒受力模型示意圖
式中：和——分別為切削方向、
工件表面法向切削抗力；
——在垂直于切削方向的單位
面積上的磨削力，并設(shè)為常數(shù)；
——磨粒切削深度；
——圓錐的半頂角
磨粒的受力分析如圖3-5， 和
分別為磁場對磨粒的切向和法向作用力。
這一模型忽略了磨粒突出部分的刃口半徑，而磨粒的尖銳性是由切刃頂尖圓錐角2和尖端圓角半徑r所決定。進行磨粒劃痕實驗的結(jié)果表明，磨粒切深大的時候，其切削作用接近于圓錐形，切深小的時候，接近球形。能否形成切削，取決于是否大于最小切削厚度，而最小切削厚度取決于刃口半徑r和頂角圓錐半角。對于某一顆粒能否產(chǎn)生切削作用，則取決于磁場對磁粒的作用力。磁性磨料中的磨粒一般粒徑為幾微米，由于磨粒是以自然破碎面作為切削刃，所以切削刃的形狀是極其不一致的，但從統(tǒng)計的觀點，可以把微小顆粒的凸出部看成是尖端帶圓角的圓錐形。一般粒度越細，頂端越小，頂端圓錐角接近，頂尖圓角半徑為粒徑的 1/10～1/20。
磁性磨粒在加工區(qū)空間位置的不同，受到的磁場力也不一樣，并且切向磁作用力與法向的作用力的夾角也不一樣。如果切向切削抗力與法向的切削抗力的夾角為，則有：
(3-4)
(3-5)
當時，決定了磨粒壓入工件的深度，也決定了，此時，切向作用力, 使整個磨粒前傾，，實際錐度半角變大，根據(jù)公式 (3-3)和 (3-5)，變小，減小，更加偏離平衡位置，而磁性磨粒為亞毫米級顆粒，最終磨粒在工件表面起滾壓作用。
當時，決定了磨粒壓入工件的深度，也決定了，此時 > ，切削抗力阻礙磨粒繼續(xù)沿切向前進，磨粒產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，，實際錐度半角變大，根據(jù)公式 (3-3)和(3-5)，減小，并逐漸接近。
當時，磨粒處于一種動平衡狀態(tài)。是否形成切削作用與磨粒切削深度刃口半徑r, 和頂角圓錐半角有關(guān)。當大于最小切削深度，磨粒產(chǎn)生切削作用，有切削形成。當小于最小切削深度，磨粒產(chǎn)生滑擦作用。如果工件表面產(chǎn)生塑性變形，在磨粒前方的材料被擠壓而隆起，產(chǎn)生犁耕作用。
以上討論了切削阻力，下面討論磁場力的計算。
2)磁場作用力
(3-6)
式中：——真空磁導(dǎo)率，；
——單個磨粒中鐵粉的體積；
、——單個磨粒所在位置的磁感應(yīng)強度及磁感應(yīng)強度梯度。
3)磨粒之間的作用力
如假設(shè)磨粒為球形，可由下式計算：
(3-7)
式中：——磁性磨粒的半徑，一般在左右；
——磨粒的磁化率；
其它參數(shù)的意義與以上相同。這個力是沿磁力線的方向，它使磁性磨粒沿著磁力線的方向形成“磁性研磨刷”，同時，由于磨粒的相互吸引，也能防止加工時磨料的飛濺。
4)摩擦力，它是磨粒與工件表面的摩擦而產(chǎn)生的。
(3-8)
式中：——單個磨粒與工件的摩擦系數(shù)；
k——磨粒粒度、形狀修整系數(shù)。
5)作用在磨粒上的離心力
磨粒受到摩擦力或工件表面的吸附力，將隨工件一起轉(zhuǎn)動，由于磨粒本身具有一定的質(zhì)量，所以要受到離心力的作用，離心力的大小可由下式計算：
(3-9)
式中：——單個磨粒的質(zhì)量 (kg)；
——磨粒轉(zhuǎn)動的速度 (m/s)；
——磨粒轉(zhuǎn)動的半徑 (m)。
6)磁場保持力
是磁場中對單個磨粒所受磁力的合力，是由于磁場存在磁場強度梯度而產(chǎn)生的，其大小與有關(guān)。具體的計算公式參考式 (3-1)和式 (3-2)。
圖 3-6 工件表面的形貌
磁性研磨過程中，單個磨粒在磁場作用力、磁場保持力、摩擦力 等共同作用下，使磨粒穩(wěn)定地保持在加工間隙中，實現(xiàn)對工件表面的加工。同時，處在加工區(qū)外部的磨粒將自動向加工區(qū)域匯集，填充于磁極與工件之間參與加工，形成一個完整的連續(xù)的加工過程。從圖中也可以看出，這是由于、的存在，才使得磨粒在加工過程中不會脫離
與工件的接觸，才有可能切削工件，否則
磨粒將只是工件表面滾壓而已。
為了提高加工效率，可以從兩方面著
手：一是提高，一是增大。提高就
必須提高磁性磨粒的磁化率及磁場強度：
而提高則需要提高磁場的梯度，實驗證
明磁場梯度主要與磁極的形狀有關(guān)，通過
工件
圖 3-7 磁粒在微觀條件下的受力分析
在磁極表面的開槽可以有效的提高磁場強
度。
從微觀上分析，工件表面的真實形狀
如圖 3-6所示，是一個凸凹不平的表面。
如果把這一因素也考慮進去，磁粒的受力
如圖 3-7 所示。圖中各個力所代表的意義
如下：
——工件磁極對磁粒的磁作用力；
——摩擦力；
——工件對磁粒的支承力；
、——切削力的兩個分力；
——切削角。
由圖可以得到：
(3-10)
(3-11)
(3-12)
(3-13)
由式 (3-11)(3-12)(3-13)可得：
(3-14)
(3-15)
把 (3-14)(3-15)代入 (3-10)可得到切削力為：
(3-16)
圖 3-9 磁鏈在工件表面的排列
圖3-8 角度與表面參數(shù)
3.2.2 磁性研磨刷的受力
由上述分析得知，處于加工區(qū)域的磨粒，相互吸引并受到指向加工表面的磁場力的作用，靠得很緊，排列時使自身長軸沿磁力線方向。顯而易見，我們可以將其看做一條條自磁極到加工表面排列的磁性磨粒鏈。
如圖 3-9所示，當工件轉(zhuǎn)速n=0 時，各磁鏈將沿磁力線方向排列，由電磁理論可知，兩種不同導(dǎo)磁材料 (相對導(dǎo)磁率不同)相互接觸時，感應(yīng)強度方向垂直于這個接觸面，并且在界面上的磁壓力為：
(3-17)
式中：B——界面上的磁感應(yīng)強度 (T)；
、——不同材料的相對磁導(dǎo)率。
若假定研磨刷的相對磁導(dǎo)率為，則上式可表示為：
(3-18)
由于磁性研磨刷可認為是構(gòu)成磁性磨料Fe和,以及空氣組成，由電學(xué)和磁學(xué)的相似性，利用Eucken原理，可近似推得研磨刷的相對磁導(dǎo)率為:
(3-19)
式中：——磨粒中含的體積；
——磨粒中含 Fe的體積；
、、——分別為空氣、、的磁導(dǎo)率。
由于空氣和的磁化率，所以，而鐵磁性材料的相對磁導(dǎo)率由電磁學(xué)的理論得。因此，式 (3-19)可簡化為：
(3-20)
但是，粉狀體的磁化現(xiàn)象是相當復(fù)雜的，一般是不能化為簡單的模型，因此整體相對磁導(dǎo)率取決于磁性研磨粉顆粒中鐵的相對磁導(dǎo)率與磁場強度的關(guān)系。若磁性研磨粉顆粒為球形，每顆粒子中含鐵的容積率為，且按正方品格均勻排列時，對于顆粒大小不同或分布不同時，一般取，則式 (3-20)可寫成：
(3-21)
式 (3-18)可寫成：
(3-22)
從式(3-22)可以看出，研磨壓力與磁感應(yīng)強度釣平方成正比，隨磁感應(yīng)強度的增大而迅速增大。但是磁性磨料在一定磁感應(yīng)強度下會產(chǎn)生飽和，所以研磨壓力存在最大值。另外，隨著含鐵容積率的減小，研磨壓力也會減小.
3.3磁粒的運動過程分析
3.3.1 單個磁粒的運動過程
（c） (d)
圖3-10 磁粒在工件表面上的滾動過程
如圖 3-10所正如圖中所表示的那樣，磁性磨粒在加工過程中，在切削阻力的作用下順著工件運動方向滾動的同時自身也在不停的滾動，也正是磁粒的滾動才保證磁性磨粒切削刃的鋒利性。
圖3-11磁力研磨加工外圓時磁粒的運動情況
力的作用，所以它又不會輕易的隨工件拋出，基本上是在原地滾動。另外，磁性磨粒本身的形狀是不規(guī)則的，它有在某一方向相對較長的尺寸，稱為長軸；相對較短的尺寸稱為短軸。按照電磁理論，處
3.3.2 大量磁粒的整體運動
如圖3-11所示，一般分成兩個階段：靜態(tài)階段和動態(tài)階段。靜態(tài)階段也就是加工之前的狀態(tài)，如圖3-11a所示，在工件和磁極之間充滿了磁性磨料，形成了兩個切削區(qū)，而且此時磁性磨?；旧铣錆M了工件表面凹進的部分。動態(tài)階段就是開始工作的階段，在磁場力和摩磨擦力的共同作用下，磁粒主要集中在由磁極和工件形成的間隙的兩端。
3.4 磁性研磨的加工機理
通過上面對磁性磨粒的受力運動分析，可以看出，在磁性研磨的過程中，磨?；旧弦匀N狀態(tài)存在，即：滑動、滾動和切削。當磨粒所受磁場力大于切削力時，磁性磨料處于正常切削狀態(tài)；當磨粒所受磁場力小于切削力時，磁性磨粒就會產(chǎn)生滑動或滾動。根據(jù)精密切削理論和摩擦學(xué)理論，可以得知磁性磨粒在加工過程中與工件表面產(chǎn)生接觸滑擦、擠壓、刻劃、切削等狀態(tài)現(xiàn)象。其磨削機理主要包括以下四個方面。
3.5 磁性研磨常見問題的分析
3.5.1 切削熱
在進行磁性研磨的過程中，磨粒在工件表面進行微刃切削、擠壓、磨損的時候，工件表面的切削層先發(fā)生彈性變形，隨后發(fā)生塑性變形，要發(fā)生彈塑性變形就是要做功，這個功必然要轉(zhuǎn)化為切削熱。此外，磨粒在磨鈍后，與工件之間的摩擦作用也會產(chǎn)生大量的熱。
研磨中切削熱的產(chǎn)生，可以用下面公式計算：
(3-24)
式中：——研磨中切削合力，其值的計算可參照式 (3-1)；
——磨粒研磨的合速度。
由于切削熱的存在，使磨粒的壽命降低，磨粒的研磨能力下降，同時使工件表面的材料性能發(fā)生變化，影響了工件表面的質(zhì)量。
切削熱散發(fā)的途徑包括通過磨料的傳導(dǎo)和向空氣中的輻射，如在研磨中施加研磨液，研磨液的流動則能將切削熱傳出，這餿是散發(fā)切削熱比較好的方法之一。
3.5.2 磁性磨料的自銳
切削加工中，如果刀具磨鈍了，切削就無法進行了，刀具就必須重新修整。
但對于磁性研磨，它的優(yōu)點之一就是自銳性強，可以長時間保證研磨的穩(wěn)定進行。那么磁性研磨的自銳方式主要有以下幾種：
(1)運動自銳
在磁性研磨的過程中，磁性磨粒在磁場力的作用下，沿著工件表面不停的運動，在與工件表面接觸的磨粒參與磨削。但由于磁性研磨和一般的磨削最大的不同就是磁性磨粒是松散的圍繞在磁極的表面，并不像砂輪那樣是固結(jié)在磨具上的，所以在運動的過程中，磨粒的位置是不固定的，每個磨粒在摩擦力、磁場力、切削力以及磨粒之間的擠壓力的共同作用下，隨時都有可能參與工件的磨削。另外通過上面對磨粒的運動分析也可以看出，在研磨中，磨粒自身也進行滾動。這樣就可以保證不斷有新的磨粒參與磨削，不斷有新的切削刃參與磨削，從而保證加工的效率和加工的質(zhì)量。具體的自銳方式有以下幾種：
1)流動自銳
2)擠入自銳
磨粒由于受損，本身體積變小 (包括 Fe和 AlO)，使后排磨粒與工件表面的距離變小，并且由于磨損磨粒的翻轉(zhuǎn)，為后排磨粒趨前并擠入縫隙參與加工提供了機會。這種情況如圖 3-16 (c)。
3)翻轉(zhuǎn)自銳
磨粒磨鈍后，由于磨損，磨粒的長短軸發(fā)生了變化。根據(jù)電磁場理論，磨粒受到磁矩的作用，在磁矩的作用下，磨粒長軸一般沿著磁力線的方向. 這樣磨粒就有原來的長軸變成了短軸，它也要隨著翻轉(zhuǎn)，使新的長軸仍然沿著磁力線的方向，這樣磨粒就有機會用新的切削刃繼續(xù)參與切削，如圖 3-15(b)
（a）流動自銳 （b）翻轉(zhuǎn)自銳 （c）擠入自銳 （d）破碎自銳
圖3-16 磨料自銳方式
(2)相互研磨自銳
磁粒刷在研磨工件表面的同時，磁性磨粒之間也在相互研磨。磨粒的磨損不但取決于研磨的壓力、相對的運動速度，而且還取決于兩者之間的維氏硬度HV 之比。磁性磨粒與周圍磨粒相互的研磨，存在三種方式：
1)堅硬的磨粒之間的相互研磨；
2)磨粒與鐵磁性基體之間的研磨；
3)鐵磁性基體之間的研磨。
這三種情況中，第二種方式鐵磁性基體與磨粒之間的研磨，基體材料的去除量最大，這種作用使得磨粒與基體之間的結(jié)合力變?nèi)酢Ａ硪环矫?，磁性磨料都是高溫高壓下燒結(jié)而成的，研磨過程中，在加工區(qū)的溫度很高，同時由于工件高速運轉(zhuǎn)，表面波度、粗糙度的存在，使磨粒與加工表面經(jīng)常產(chǎn)生碰撞，如圖3-16 (d)所示。這兩方面的作用，使得磨粒一方面有可能破碎；另一方面也是最可能發(fā)生的就是磨粒從鐵基體上脫落下來，就會有新的磨粒裸露出來，形成新的切削刃。當然這種脫落的過程是很慢的，否則會影響磨粒的壽命。
3.5.3 磨粒飛濺的臨界速度
由上面分析可以知道，磨粒產(chǎn)生飛濺的條件是，作用在磨粒上的力超過了研磨的壓力。對于鐵磁性材料而言，這種臨界條件可以表示為：
(3-25)
式中：S——磨粒與工件的接觸面積
將式（3-22）和（3-9）代入上式可得到磨粒飛出的臨界速度為：
（3-26)
可見，在工件回轉(zhuǎn)半徑一定的情況下，磨粒的飛濺的臨界速度與加工區(qū)域的磁感應(yīng)強度、磨粒與工件的接觸面積、磨粒中鐵磁性材料的相對磁導(dǎo)率、磨粒中含鐵的容積率和磨粒的粒度有關(guān)。
可以通過以下措施降低磨粒飛濺的程度：
(1)增大工作間隙中的磁感應(yīng)強度；
(2)提高磨粒中的含鐵容積率；
(3)提高磨粒中鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率；
(4)采用磨粒接觸面積與平均質(zhì)量之比較大的磨粒加工。
3.5.4 干研與濕研的加工效率
所謂干研就是不加任何研磨液的情況下進行研磨。濕研就是在研磨個過程中加入研磨液。
研磨液主要是用來降低磨削溫度，改善加工表面的質(zhì)量，提高研磨的效率，延長磨粒的壽命。從提高磨削的效果來看，研磨液的主要作用如下：
(1)冷卻作用
由于磁性研磨也是一種磨削，所以在加工過程中同樣要產(chǎn)生切削熱，切削熱也同樣給加工帶來很多負面影響，這一點前面已經(jīng)提到。研磨液的加入可以向外傳遞熱量，起到降低溫度的作用，從而保證加工區(qū)始終處于一個合理的溫度，這對延長磨粒的壽命，改善加工零件的質(zhì)量都有好處。
(2)潤滑的作用
研磨液能滲入到磨粒和工件表面之間，并黏附在金屬表面上形成潤滑膜，以減少磨粒與工件表面的摩擦。研磨液的潤滑性能與形成潤滑膜的能力有關(guān)。潤滑膜可由物理吸附和化學(xué)吸附所形成。物理吸附主要靠研磨液中油性添加劑，它對金屬表面有強烈的吸附性。但物理吸附只能在較低的溫度下起潤滑作用。屬于這一類的有動植物油及油酸、胺酸、醇類和脂類等。化學(xué)吸附主要是在磨削液中加入擠壓添加劑，如含硫、氯、磷等元素的添加劑，這些添加劑與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成吸附薄膜，能在高溫下保持潤滑的性能。在磁性研磨中，研磨液的潤滑作用是第一位的，冷卻作用是第二位的，因為研磨所產(chǎn)生的熱量相對一般意義的磨削所產(chǎn)生的熱量規(guī)模要小。
(3)調(diào)和作用
研磨液都有一定的黏度，以保證磨料顆粒粘附在研磨工具表面，且分布均勻，而且在研磨液的作用下，磨粒之間可以相互的粘結(jié)在一起，以防磨粒在加工過程中輕易的飛濺到加工區(qū)外。這對提高加工的效率也具有一定的作用。
本章小結(jié)
通過上面對磁性磨粒的受力及運動分析，可以得出，在磁性研磨的過程中，磨?；旧弦匀N狀態(tài)存在，即：滑動、滾動和切削。當磨粒所受磁場力大于切削力時，磁性磨料處與正常切削狀態(tài)；當磨粒所受磁場力小于切削力時，磁性磨料就會產(chǎn)生滑動或滾動。根據(jù)精密切削力理論和摩擦學(xué)理論，可以得知磁性磨粒在加工過程中與工件表面產(chǎn)生接觸滑擦、擠壓、刻劃、切削等現(xiàn)象。其磨削機理主要包括一下4個方面：
(1)微量切削和擠壓作用
(2)多次塑變磨損
(3)化學(xué)腐蝕作用
(4)電化學(xué)磨損的作用
在磁性研磨的過程中，磨粒的自銳形式主要有：運動自銳和相互研磨自銳，其中運動自銳又分為：流動自銳、擠入自銳和翻轉(zhuǎn)自銳。
通過磨粒飛濺臨界速度的分析，得出降低磨粒飛濺的措施有：
(1)增大工作間隙中的磁感應(yīng)強度；
(2)提高磨粒中含鐵的容積率；
(3)提高磨粒中鐵磁材料的相對磁導(dǎo)率。
(4)采用磨粒接觸面積與平均質(zhì)量之比較大的磨料加工。
另外在磁性研磨過程中，研磨液的主要作用是潤滑作用，除此之外是冷卻作用和調(diào)和作用。也正是研磨液的作用，才使得濕研比干研的效率高的多。
第四章 磁性研磨頭的設(shè)計
4.1磁性研磨概述
磁性研磨是指采用電磁鐵線圈產(chǎn)生的磁場作為著力介質(zhì)、以特殊材料（如氧化物等）作為研磨材料的一種加工表面加工方法。它的加工原理是：在加工的過程中，磁體產(chǎn)生磁場，在磁場的作用下，在工件與磁極之間的間隙（約1～2mm）內(nèi)研磨磁粉形成毛刷狀的研磨體，對工件表面進行研磨。利用這種方法可以加工圓柱面、平面、凸凹曲面、棱角，如果把研磨頭的形狀按加工的工件加以改變，甚至可以加工更復(fù)雜的零件。
與現(xiàn)在是制造業(yè)中傳統(tǒng)的研磨方法相比，磁性研磨具有加工精度高、生產(chǎn)效率高等特點。更重要的是作為一種新型的加工方式，它具有很大發(fā)展?jié)摿?，為人們所看好?
研磨頭的設(shè)計是研磨機的核心部分。磁力的提供裝置可以是電磁鐵和永磁體，都可以提供強大的磁場，以達到加工的要求。
4.2 設(shè)計要求和整體設(shè)計[10]
4.2.1 設(shè)計要求
圖4-1 CA6140 車床
1．根據(jù)實際生產(chǎn)和現(xiàn)場的需要，要求研磨頭的設(shè)計具有很強的實用性。通過對現(xiàn)有設(shè)備的調(diào)查和考證，擬采用把研磨頭設(shè)計成CA6140車床一部分的方案，即可以把研磨頭作為CA6140的一種工裝夾具來使用。設(shè)計時把研磨頭設(shè)計成類似于刀架的部分，并方便研磨頭的安裝和拆卸。 如下圖所示：
2．經(jīng)濟性的要求。既然是為CA6140而設(shè)計的臥式研磨頭，是車床的一部分，是車床的一種工藝裝備，所以要與其他工藝裝備一樣要符合經(jīng)濟性的要求。
4.2.2 研磨頭的整體設(shè)計
1．加工方案的選擇
磁性研磨加工有兩種方式可以實現(xiàn)：
（1）工件旋轉(zhuǎn)，磁極不動
（2）工件不動，磁極旋轉(zhuǎn)。
由于設(shè)計的研磨頭是臥式車床CA6140用的臥式研磨頭，所以采用a方案，即工件旋轉(zhuǎn)，磁極不動的加工方式。如下圖4-2：
圖4-2 臥式車床CA6140用的臥式研磨頭部分
a．使用永磁材料作磁極。
其特點是：磁極簡單，磁性弱且磁場不可以調(diào)。
b．使用線圈通電產(chǎn)生磁場作磁極。
其特點是：磁場可以調(diào)節(jié)，可以達到需要的磁場強度。此處采用線圈通電產(chǎn)生磁場作磁極。
工件不動，磁極旋轉(zhuǎn)達到加工方式當磁極大、磁磁場很強時也會消耗一定功率。一般適合于立式加工。
在臥式加工中多采用工件旋轉(zhuǎn)、磁極不動的加工方式。現(xiàn)在本設(shè)計的研磨頭是以車床為適應(yīng)對象的，所以選用的是工件旋轉(zhuǎn)、磁極不動的實施方案。
2．磁極頭的設(shè)計
磁極頭吸附磨粒的部分要求磁粉能在磁場作用下聚集在一起，形成一把刷子狀的磨體，有效地對零件加工，并防止在加工過程中磁粉不被掉下。
3．移動機構(gòu)
本裝置要求能加工的直徑范圍在Φ5 ~Φ80mm之間。因此，要求磁頭能張縮自由，一定靈活，并便于調(diào)整，本設(shè)計采用類似于機床的工作臺的可調(diào)的滑塊機構(gòu)。
4．夾緊機構(gòu)
因為工件和研磨裝置在加工過程中不可避免地會發(fā)生松動，所以為了保證在加工過程中，零件和磁極之間的間隙無發(fā)生影響加工的變化，所以必須設(shè)計研磨頭的夾緊機構(gòu)，使研磨頭在加工時不會影響加工質(zhì)量。
5．定位機構(gòu)
在進行加工研磨時，要求磁極與工件之間有1~3mm的間隙。而但工件直徑確定后，即需要確定磁極和工件之間的距離，因此需要一套定位機構(gòu)，準確的定位。
由上所述得到如下表4-1的技術(shù)參數(shù)表：
表4-1 技術(shù)參數(shù)
項目
技術(shù)要求
加工范圍
Φ5 ~Φ80mm
定位精度
0.1 mm
加工精度
IT5~6級
4.3 詳細設(shè)計[4][5]
本課題設(shè)計可以有多種組合方案，他們各有特點，差別主要在于定位夾緊和研磨頭的磁極的調(diào)整上?，F(xiàn)將各個部分的詳細設(shè)計方案敘述和比較如下：
4.3.1 磨頭的設(shè)計
1．磨頭部分[18]
磨頭部分主要指用于附著磁粉，直接與加工有關(guān)的部分。磁極的幾何形狀應(yīng)保證磁性磨料充分包容而不向外轉(zhuǎn)移、散失，同時還要使磁通集中并指向工件加工表面。如圖4-3所示同心圓型的磁極(圖4—3a)研磨量較高，但粗糙度不太理想,鐮型的磁極(圖4-3b)保持磁性磨料數(shù)量少。因此研磨量稍低，鐮型磁極中間開槽的磁極頭(圖4-3c)可以克服以上缺點，能大大提高研磨量。還應(yīng)當注意避免研磨較小直徑工件時磁極頭”短路”造成的漏磁現(xiàn)象(圖4-3d)，導(dǎo)致使工作間隙內(nèi)不能形成“磨料刷 。此時適當加大左右磁極尖角距離可以防止磁極間“磁短路”發(fā)生。
(a) 同心圓型 (b)鐮型 （c）槽型 （d）磁極頭的短路現(xiàn)象
圖4-3 磁極的幾何形狀
根據(jù)以上的淹沒頭形狀，在槽型的基礎(chǔ)上修改后，設(shè)計磨頭的形狀的同時考慮到通過調(diào)節(jié)使得磁場達到最強，此處采用菱形狀得研磨頭。這樣設(shè)計也有利于磁性磨料吸附在磁極表面而且不容抖落下來，這樣綜合了圖4-3里面的各種情形得到一種更好的磁極形狀。
詳細設(shè)計如下：
（1）在磨頭開一小槽，根據(jù)機械設(shè)計手冊中的優(yōu)先系數(shù)以及研磨加工的工件范圍，選擇其尺寸為34×6mm，槽的深度5mm用于防止磁粉在加工過程中由于振動而掉下。
（2）其下表面直接與壓板配合，所以下表面加工要求較高。根據(jù)機械設(shè)計手冊，表面粗糙度為Ra3.2，平面度的形位公差為0.01。
（3）外形尺寸：為了便于安裝，菱形頭部分長25mm，總長50mm，截面45×56mm，由于它要具有導(dǎo)磁作用，故選擇材料為球墨鑄鐵。其具體的結(jié)構(gòu)如圖4-4，詳細設(shè)計圖紙見附光盤零件圖（MH6140-01-15）
圖4-4 磨頭軟鐵結(jié)構(gòu)圖
2．附屬部分
磨頭的附屬部分包括用磁導(dǎo)體和墊鐵塊，其形狀均為長方體。磁導(dǎo)體用于繞線圈，在此設(shè)計其長度為55mm，截面和磨頭部分一樣，這樣有利于裝配。墊鐵塊用于和磁導(dǎo)體一起夾緊，其長度設(shè)為50mm，截面尺寸和磨頭部分一樣。同磨頭一樣其下表面加工要求較高，表面粗糙度為Ra3.2，平面度的形位公差為0.01。其中磁導(dǎo)鐵材料硬度很高，而且易碎，故要特種加工來完成。
3．磨頭的夾緊
在加工過程中磨頭及其附屬部件不能發(fā)生位移，所以要固定加緊磨頭部分，采用了就采用緊定螺栓來進行夾緊，這樣操作簡單，設(shè)計也不復(fù)雜。
4.3.2 定位夾緊部分的設(shè)計
此部分的設(shè)計主要是由于研磨頭的進給運動，即導(dǎo)軌
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