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目录
1绪论 1
2光整加工技术研究现状 5
2.1发展历史 5
2.1.1国外光整加工的发展历史 5
2.1.2国内光整加工的发展历史 6
2.2研究现状 6
2.2.1手工、机械光整加工 7
2.2.2非传统光整加工 9
2.2.3复合非传统光整加工 11
3典型光整加工技术 14
3.1磁力研磨加工原理及特点 14
3.1.1加工原理 14
3.1.2加工特点此 19
3.1.3典型加工设备 19
3.2磁流变光整加工机理 22
3.2.1磁流变光整加工原理 22
3.2.2磁流变液流变特性 24
3.2.3磁流变液粒子作用 25
3.2.4磁场磁路设计分析 26
3.2.5磁流变加工算法与模型的研究 26
3.2.6磁流变流体开发技术 28
3.2.7磁流变光整加工技术关键问题 30
4应用及发展趋势 33
4.1磁力研磨的发展及发展趋势 33
4.1.1磁力研磨的分类 33
4.1.2磁力研磨的应用 34
4.1.3磁力研磨的发展趋势 36
4.2磁流变光整加工的应用及其发展趋势 37
4.2.1磁流变液体工业应用 37
4.2.2磁流变的发展趋势 38
5总结与展望 40
5.1总结 40
5.2展望 40
参考文献 41
致谢 44
1绪论
随着工业的发展,对零件的表面光整加工技术和棱边精加工提出越来越高的要求。
光整加工技术正是以提高零件表面质量作为出发点,经过光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微观几何形貌,不仅具有良好的外观质量,而且还有耐磨、防腐蚀和抗疲劳等作用。
在国外精加工领域中,人们正通过各种渠道,借助多种能量形式,探索新的工艺途径。
国际上目前采用的光整加工的方法主要有:
手工抛光、机械研磨抛光、超声波抛光、化学与电化学抛光、电化学机械光整加工、磁力研磨等『七其中,手工抛光是最常用的光整加工方法,这种方法不仅劳动强度大,加工效率低,而且对工人的技术熟练程度要求高。
超声波抛光也是一种手工操作的辅助抛光方式,主要用于槽、缝、边角等人的手指难触及部位的抛光,这种抛光方式的加工效率非常低。
相比之下,化学、电化学抛光和电化学机械光整加工的加工效率则要高得多,由于这三种加工方式属于腐蚀和溶解加工,对材料的硬度、韧性和强度等几乎不受任何限制,目前己经在内、外圆柱表面的镜面加工中获得了应用。
虽然化学、电化学和电化学机械光整加工方法有着很高的加工效率,但由于影响它们的加工因素很多,难于控制,对环境和工人的健康也有一定程度的危害,其应用范围受到很大的制约,目前还仅能用于一些简单型面或小的复杂工件表面的光整加工。
尽管目前的精加工方法很多,但仍然难以满足所有产品的精度需要。
市场经济给制造业带来了机遇,也带来了严峻的挑战。
据报道,工业化国家的真实财富中有60%〜80%是制造业创造的,因此制造技术已成为我国目前赶超世界发达国家经济水平并获得成功的关键技术。
为了改变我国制造业落后的现状,专家们极力倡导制造过程的自动化、柔性化、智能化、敏捷化、集成化。
最终目标就是要解决好产品质量、加工精度、生产效率和制造成本,提高产品的市场占有率,增强出口创汇能力。
这也是制造技术面临的重大课题。
光整加工是指被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时,实现精度的稳定甚至提高加工精度等级的一种技术,是先进制造技术的一个重要组成部分。
光整加工工艺不同,零件的表面质量也不同,致使零件的使用性能和寿命也不同,如表1所示。
从表中可知,机械光整加工的微观表面形貌为尖峰状,此时的摩擦系数大,在****学院****届毕业论文
摩擦时容易磨损,初磨损量大,精度保持性差。
同时由于磨具的强力挤压,尖点金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内,掩盖了真实的表面形貌。
使用一段时间以后,由于疲劳磨损而剥离,使表面质量更差;
而非传统及复合光整加工的微观表面形貌为波浪或圆弧凹坑,摩擦系数小,初磨损量小,轮廓支承长度率高,精度保持性好,耐磨、耐腐蚀、耐疲劳性能得到显著提高。
以大量使用的齿轮和轴承为例,六级精度齿轮经过电化学光整加工以后,能降低齿面粗糙度值,纠正齿形误差,磨损量由48mg减少到7mg,接触疲劳强度提高一倍以上,比机械磨齿效率提高2倍以上,寿命提高1.5倍以上,减小了齿轮的冲击振动和噪声;
轴承采用机械磨削后抛光,粗糙度只能到达TfeO.2〜0.1um。
而采用先进的非传统光整加工工艺,可实现粗、精加工一道工序完成,粗糙度可达feO.04um以下,寿命提高4倍以上,加工效率和精度也大大提高,并能减少波纹度,降低轴承的振动和噪声e。
另一方面,在解决细小孔、窄槽、细小管、弯管、特大型容器、具有复杂型腔内壁等传统工艺难以加工的零件的表面质量问题时,非传统光整加工工艺也具有明显的优势。
因此研究和开发先进的非传统光整加工工艺,对促进制造技术的发展具有重大的意义。
表1不同光整加工方法微观表面形貌与使用性能关系
磁力研磨是一种把磁场能应用于传统的研磨技术中,开发出的一种新兴的磨削加工技术,通过磁极产生的磁场力作用到磁性磨料(填充在磁极与工件之间)上形成一个与加工面形状相当的磁力研磨刷,对工件表面进行磨削加工的方法。
它不仅应用于模具的精加工中,而且在制药业、航空航天业、大规模集成电路、精密仪器和精密量具等行业也将有很好的应用前景,是一种有效的光整加工方法之一。
这种加工方法具有高效率、高精度和高表面质量的特点,适合于平面、球面、圆柱面和其它复杂形状零件的加工,并能控制研磨效率和研磨精度。
值得一提的是磁性研磨加工技术可以很好地与数控机床、加工中心和机器人技术结合,实现光整加工的自动化⑶。
因此,磁力研磨加工技术越来越得到重视。
但是目前许多企业对光整加工工艺的重要性还缺乏足够的认识和理解,没能真正掌握光整加工工艺的本质,致使采用同样的工艺,而质量却赶不上国外。
轻工、化工行业的大量零件如化学反应釜、热交换器的细长管等,大多由不锈钢制成。
国产的粗糙度太大,常引起物料挂壁、堵塞,导致间断生产甚至停产,维修周期频繁,经济损失巨大。
因此常采用砂轮打磨,砂带、叶轮修整至7fe0.8〜0.4um,再用布轮抛光,工序多、工作量大、效率低、成本高。
而且不锈钢粘性大,粗糙凹坑常常被堵死、填平,造成假象。
而进口板材售价昂贵,很多企业难以承受,因此亟待开发新的光整加工工艺来解决这些难题。
在模具制造中,有30%〜40%田的工作量是光整加工,传统上采用了风动或电动机械抛光甚至依靠经验丰富、技术熟练的老工人进行人工抛光。
磨料由粗到细,多道工序实现抛光,劳动强度大,生产效率低。
因此国际上相继研究出多轴数控机床、机器人,在苛刻的条件下使用固结砂轮来实现,但是每道工序间必须清洗干净,给自动化光整加工过程增加难度;
对于一些特殊模具如细小槽、窄槽、细小孔、异型管及带有复杂型腔的内表面等固结砂轮难以触及的,其加工更是难以实现。
如何解决这些问题已成为模具行业发展的关键。
纺织行业的阻纬片、综丝等零件存在的表面质量、加工效率和制造成本等问题更加严峻,同样不容乐观。
因此由表面质量所引起的产品质量问题,已严重地阻碍了这些企业正常的生产和经济效益的提高,甚至有的零件不得不以高价进口来解决质量问题,给企业、国家带来了沉重的负担。
总之光整加工技术在制造业中具有重要的地位和作用。
因此必须从我国国情出发,深入研究和开发适合我国国情和具有我国特色的光整加工新工艺,否则我国的产品质量将与国外差距越来越大。
2光整加工技术研究现状
2.1发展历史
2.1.1国外光整加工的发展历史
磁力光整加工这一概念最早由苏联工程师Kargolow在1938年正式提出的⑷。
前苏联自20世纪60年代起有不少学者一直在致力于MAF的研究和推广运用工作。
由于磁力光整加工的基础是磁性磨料,因此前苏联对磁性磨粒的制备方法进行了大量的研究工作,并磁性磨料的组成、配比和结构等方面取得了多项发明专利。
保加利亚从70年代中期一直在发展MAF技术(如Makedonsky),并举办了多次国际性的专题学术会议,德国已经出版了这方面的学术论文。
日本是从80年代初开始对MAF进行研究的,并开发了多种磁粒光整加工设备。
其中有代表性的研究人员有日本东京宇都宫大学的TakeShinmura,ToshioAizawa,日本东京大学的MasahiroAnzai,KoichiMasaki等。
其中TakeShinmura研制开发了多种加工铁磁性工件和非铁磁性工件的磁粒光整加工装置,如平面、内外圆柱面、球面磁粒加工装置,并分别对它们的光整加工特性进行了研究。
这些加工装置有的采用永久磁体来生产恒定磁场,有的采用电磁体来形成强度可以控制的磁场,有的采用工件移动外加一定幅度和频率的振动来实现磁粒光整加工,有的采用旋转磁场的办法实现磁粒光整加工。
TakeShinmura在研制各种形式磁粒加工设备的同时,对各种场合的加工工艺进行了较深入的理论分析和实验研究,如磁场强度、加工间隙、磨粒与工件的相对移动速度、磁性磨料的成分和粒度等因素对加工质量和效率的影响以及它们之间的相互关系。
MasahiroAnzai和KoichiMasaki对磁性磨粒的制备技术进行了研究,并研究开发成功了几种比较有应用价值的磁性磨料。
MasahiroAnzai和KoichiMasaki对磁性磨料的制备技术进行了研究,并研究开发了几种比较有应用价值的磁性磨料。
他们采用的磁性磨料制备方法包括:
(1)等离子粉末熔融法(PPM);
(2)铁磁性金属材料与磨料纤维混合法;
(3)液体磁性磨料。
与高温烧结法相比,这些磁粒制备方法的特点是:
制备方法简单、成本低、有较高的使用价值。
韩国近几年来也在磁粒光整加工的研究方面做了不少深入的研究。
前述的磁磨料喷射光整加工装置就是由韩国先进科学技术所的Jeong-Dukim,Youn-Hakang等人发明的,该装置为非圆截面管子内壁的光整加工提供了有效的加工方法回。
2.1.2国内光整加工的发展历史
我国开展对磁力研磨加工的研究起步较晚,开始于80年代初,目前仍处于试验研究阶段,实际推广应用极少,开展磁力研磨的加工技术的研究单位均自行研制开发出不同的磁力研磨装置并对不同的工件(如轴承内环的外轨道,螺纹环规、丝锥、仪表、电机轴、仪表齿轮、阶梯轴、钢球等)进行了实验研究,取得了较好的加工效果。
八十年代后期,哈尔滨科技大学首先开始磁力研磨方面的研究,并于90年代初,完成了“仪器仪表零件磁力研磨加工技术的开发”项目,成功试制了MAC系列磨料,并对仪器仪表的零件开发了磁力研磨装置,进行了实验研究。
此外,哈尔滨工业大学对液压伺服阀阀芯轴棱边毛刺的磁力研磨去除法进行了可行性研究,开发了磁力研磨去毛刺的装置,毛刺去除后,阀芯棱边圆角半径均不超过5M,阀芯表面粗糙度没有变大,工件圆柱度在2M以下;
大连理工大学开展了电化学磁力加工技术方面的实验研究,并且证明电化学磁力加工生产效率更高,表面质量也有改善;
另外,华侨大学、长春光机学院等几家高校也对磁粒研磨进行了一系列研究,目前国内对磁力研磨的研究还局限于工艺实验方面,对其加工机理还缺乏深入系统的研究。
磁力研磨加工技术未能在国内推广应用的症结在于磁性磨料制作成本较高,工件的装夹和去磁问题尚未得到解决,尤其是理论基础匮乏,可使用的参数很少,因此最终不能批量生产。
另外研究单位不多,这也许是该技术未能在我国得到实际应用的原因之一。
此外,山东理工大学自行研制了三坐标数字化加工控制磁力研磨机床。
该加工设备除了具有普通三坐标数控疑床控制系统的功能之外,还具有曲面示教方式三坐标数字化测量功能、曲面加工轨迹的自动编程和磁性磨料的自动更换等功能。
2.2研究现状
磁力研磨加工具有较好的柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小、无变质层、加工质量高、效率高和工具无须进行磨损补偿、无须修形等特点,在国际上引起了广泛的关注,其研究成果已在平面、外圆面、内圆面和成形面光整加工的许多场合得到了应用⑹。
目前,磁力研磨加工已能达到亚微米级加工精度。
光整加工技术要解决的核心问题是表面质量,有时也有生产率和加工精度要求,这是保证产品质量的基础和前提,也是实现从微米、亚微米加工技术向纳米级
加工技术发展的重要途径。
光整加工主要有采用固结磨料或游离磨料的手工研磨和抛光、机械(传统)光整加工、非传统光整加工、复合光整加工,其分类见图1。
图1光整加工分类
2.2.1手工、机械光整加工
手工方法研磨、抛光,能够实现平面、回转体、自由曲面的光整加工,适用于单件小批量生产。
但这种方法劳动强度高,同时受到工人的技术等级和技术熟练程度的影响,质量不稳定,效率低。
随着科学技术的发展和制造水平的不断提高,机械光整加工得到了迅速的发展,各国相继开发出多种形式的数控机床、机器人来替代手工作业。
尤其是CAD/CAE/CAM在模具行业的应用,自由曲面的光整加工将成为可能。
如图2所示⑶,机器人通过工具头上激光测量装置和压力传感器组成的反馈系统,可在曲面上进行研磨、抛光。
图3为数控机床光整加工系统,计算机通过控制调压器A和调压器B调节工具头与工件的接触力,可以模拟手工作业过程。
存在问题:
(1)如果没有很好地规划研磨、抛光的工艺过程和预先获取工艺参数,其加工后的表面质量不一定比手工作业好;
(2)预先获取工艺参数需要相当长的经验积累过程,加上曲面的多样性和复杂性,需要更长的准备时间,工序间的清理和清洁也需要一定的时间,因此效率不一定高;
(3)数据采集过程中用空间有限点模拟真实曲面,运动过程的点位精度差,因此最终的加工精度也不一定高;
(4)设备昂贵,只有少数技术发达国家才拥有,所以要在实际中大范围推广应用,还需要相对较长的时间。
因此,目前的实际生产中手工研磨、抛光还大量地得到应用。
图2机器人光整加工系统
无论是手工作业还是机械光整加工,都需要多道工序完成。
各工序间必须更换磨料,磨料从粗到细。
同时还必须将前道工序留下的磨料清洗干净,工作量大,效率低,已满足不了生产的需要;
而且对工具头无法触及的异型件、细长管件或大型工件,实现光整加工难度更大,甚至无法加工。
这也是实现自动化光整加工的难点,因此迫切需要开发新的光整加工工艺,来解决这些难点。
图3数控机床光整加工系统
2.2.2非传统光整加工
由于非传统加工在制造技术中的特殊地位,并针对手工作业、机械光整加工存在的缺陷,各国研究者在致力于研究进一步提高机械光整加工表面质量、加工精度和生产率的同时,也致力于非传统光整加工的研究。
如化学抛光的历史可以追溯到19世纪,而20世纪初RWiner[4]等人申请了银的电化学抛光第一个专利,法国电话公司的DAJacguet于1931年开始较系统的研究。
化学抛光和电化学抛光都是有选择性地溶解峰点,实现表面光整,不受导电材料硬度的限制,生产率高,但是光整加工后粗糙度等级只能提高1〜2级,且精度难以控制。
70年代开发的电化学机械光整加工,设备结构简单、成本低,吸收了机械光整加工精度的可控性和电化学抛光高效率的优点,成功地实现了电化学抛光和机械光整加工的复合,改变了常规磨床高精度的要求,而且不必更换磨料,使加工效率大大提高。
尽管如此,对原始粗糙度较大的表面(如屈>1.6um),电化学机械光整加工需要的时间较长。
为获得更高的生产率,大连理工大学在80年代末提出了脉冲电化学光整加工技术和脉冲电化学机械光整加工新思想囱,并在实际生产中得到了应用。
脉冲电化学机械光整加工技术综合了脉冲电化学和电化学机械光整加工的优点,并充分发挥脉冲电化学机械光整加工独特的优势,进一步提高了加工精度和生产效率,主要用于较为粗糙表面(如屈>1.6um)的光整加工。
加工后的表面粗糙度可达0.08umo
前面论述的机械光整加工和(脉冲)电化学机械光整加工要实现对复杂曲面的光整加工,工具头必须是高度柔性连接。
但是对那些U型管、异型槽、口径小的大型容器等内表面,电极制作困难,甚至无法加工。
近几年不断得到重视的磁粒光整加工,由于自由磁粒受到磁场力的控制,形成具有“柔性”的磁刷,对解决上述一些难题有明显的优势。
磁粒光整加工技术是前苏联工程师提出的,上世纪60年代得到迅速发展,先后申请了多项专利并开发设计多种型号的平面磁粒光整加工机床,已在实际生产中推广应用;
保加利亚于上世纪60年代起一直在研究开发磁粒光整加工技术,已经取得了可喜的成果,相关国际会议已定期在保加利亚举行;
德国在这一方面也进行了研究并出版了一些论文集;
日本自上世纪80年代中期开始进行了大量的研究,开发出适用于不同形状、不同材质的磁粒光整加工设备。
从原理上说磁粒光整加工适用于平面、回转体、球面、管内壁、细小管、大型容器、异型管、自由曲面的光整加工。
图4磁粒光整加工示意图
图4为磁粒光整加工系统示意图[6]o图中永久磁铁产生的磁场在工具和试件间形成磁路,磁粒在磁场力的作用下形成磁刷,不但具有刚性,同时还具有自身的“柔性”和“自锐性”,在相对运动过程中磁粒压向试件实现弹性微刃切削;
工具头与被加工面之间有间隙,导轮沿着自由曲面轮廓运动时具有自我调节功能,不需要任何复杂的装置来提供切削力,也不需要精密的数控系统和数字化采集系统,因此更适合于自由曲面如模具的自动化光整加工。
磁粒光整加工与机械光整加工、电化学机械光整加工相比,虽然更容易实现自由曲面的自动化加工,但是其最致命的缺点是生产效率低,而且还受到磁粒制造水平的制约。
2.2.3复合非传统光整加工
从前面的分析可知,(脉冲)电化学机械光整加工、磁粒光整加工都有各自的最佳应用范围,或多或少存在着不足或局限性。
如何充分发挥两者的优势,扬长避短,既可以大幅度降低表面粗糙度值、实现精度的可控性,又能提高加工效率,实现自由曲面自动化光整加工,为此各国研究者都在探求两者复合的光整加工新技术大连理工大学于1988年提出了电化学磁粒复合光整加工新思想,并采用分离法即磁极/电极分离,既解决了电化学过程短路问题,又能够利用导电铁基磁粒,提高了光整加工效率,取得了可喜成果。
1989年进村武男采用整体式磁极/电极,对烧结法制成的铁氧体磁粒进行研究,解决了电化学过程易短路问题。
但是铁氧体的饱和磁感应强度低,切削能力无法通过提高磁感应强度的方法来实现。
为了改变这种状况,1993年安齐正博囱提出了改进磁粒制造工艺,即采用铁氧体+A1203充分混合后高温高压下烧结,希望通过A1203磨料来提高其切削能力和使用寿命,从而提高加工效率。
但铁氧体及其复合磁粒,其使用性能和寿命都不如铁基磁粒。
总之,实现磁极/电极一体化,既可使用高性能的铁基磁粒提高生产率,又能避免电化学过程中的短路问题,因此
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