磁研磨法在自由曲面模具型腔拋光中的應用

用電火花加工或用三維自動機床加工出來的復雜自由曲面，在去毛刺、拋光等處理過程中，目前很多企業還停留在費工、費時的手工操作階段，不僅加工效率不高，自動化程度低，有些甚至無法加工。磁研磨加工法無疑可以彌補其不足．起到改善工作條件，推動自動化進程的作用，加工過去傳統工藝所無法加上的復雜形狀內表面(如復雜型腔、微型內螺紋表面、彎管內表面等)工件。本文就利用磁研磨法對復雜自由曲面型腔拋光的工作原理以及加工條件等做一介紹。

　　關鍵詞 磁研磨 型腔 拋先 磁力線 磁場強度

　　1 磁研磨法的加工原理

　　作為模具型腔加工最后一道工序的光整加工，其所得到的表面粗糙度值，將直接影響產品的加工質量。由于很多模具型腔表面形狀復雜，一般工具難于介入，用傳統工藝很難得到理想的表面粗糙度值。目前還沒有一套比較成熟的自動化加工方法和工藝來解決這一難題。磁研唐加工法㈥其具有很好的柔性、自適應性、可控性等優點，可以在復雜形狀工件表面得到較低的粗糙度值，因而近幾年得到國際上廣泛的關注。

　　所謂磁研磨法，就是通過磁場中磁力的作用，將磁性研磨粒子(能被磁鐵吸引，并能研磨工件的粉末)吸壓在工件表面，工件表面與磁極之間可以有數毫米間隙，磁性研磨粒子在加工間隙中沿磁力線整齊排列，形成磁性刷，并由于磁力的作用壓附在工件表面。旋轉磁場或旋轉工件使磁性刷與工件表面產生相對運動，從而完成對工件表面的研磨加工。

　　磁研磨加工法的特點是：加工間隙中的研磨粒子組成磁性刷，隨著工件形狀的變化而變化，在下件表面仿形壓附、翻滾、分離，不受表面形狀的限制，有很好的加工柔性，可以對任意形狀的表面進行拋光處理。另一個特點就是：由于磁力線象x射線一樣能夠穿過物體，所以，磁性研磨粒子可以進入普通刀具無法介入的任意形狀的內部表面，如模具型腔、彎管內部、小瓶頸容器等。通過變化外部的磁鐵改變磁力線的方向即可控制磁性研磨粒子按照規定的軌跡研磨內表面，完成過去所無法加工的領域。

　　2 加工裝置的組成

　　磁研磨加工裝置基本上是由能使磁鐵和磁性研磨粒子轉動并給予一定圓周速度的驅動系統組成。它可以在普通機床上稍加改裝即可容易實現。圖1是在三坐標數控銑床上，利用磁研磨原理對復雜形狀型腔表面拋光加工的示意圖。先用該銑床粗加工出三維曲面，然后再用該銑床直接進行磁力研磨精密拋光處理，這樣就可以利用加工時的NC數據進行磁研磨加工，從而在精密拋光的同時，保證了工件的形狀精度。



　　裝臂中，線圈中的磁極與機床的旋轉中心同心．磁極底部與工件之間留有數毫米(1-3mm)的間隙，在間隙中填充磁性磨料。由于磁力的作用，磨料被磁化，磨料沿著磁力線的方向象珠子一樣排列，形成具有一定剛度的磁力刷，并對工件表面產生一定的壓力，仿照工件表面形狀貼附在工件的表面，并伴隨磁極在工件表面移動，對表面進行研磨拋光加工。
由于有數毫米的間隙，即使工件表面上有許多凸凹面，磁性磨粒也能隨其形狀的變化而變化，確保得到精密研磨。因此，即使工件的表面是復雜的自由表面，只要通過控制機床本身一定程度的運動軌跡，即可使復雜的自由表面得以精密研磨拋光，使得原來用普通的砂輪磨削所無法加工的表面，得到很好的精密加工處理，如圖2所示。


　　3 影響研磨特性的因素分析

　　影響到磁研磨的加工效率和質量的因素很多，磁力的大小是影響到研磨效率的最主要的因素之一。


　　磁性磨粒中的一個粒子A，其受到兩個力的作用，一個是等磁位線上的力Fx；一個是磁力線上的力Fy；其合力是磁力Fo由于磁力F的作用，將磁性研磨粒子向磁場內集中，防止了由于磁極在旋轉中所產生離心力的作用而使粒子向外擴散，同時，對工件表面施加壓力。


　　公式I可知，分布在磁場中的研磨粒子所受到的磁力F，主要由磁場強度、磁場強度的變化率、磁性磨粒的直徑以及磁性磨粒的磁化率大小所決定，下面逐一進行分析。

　　(1)工作間隙的影響。

　　由實驗可知(試件是鋼，實驗結果見圖4)，磁場強度的大小與工作間隙有關，即與磁極N－S間的距離成反比。


　　當工件是磁性材料時，在磁場中．工件被磁化，成為新的磁極，工件與磁極間的間隙就是工作間隙，此時的間隙通常很小，在1-3mm，左右，所以，可以得到較大的磁場強度，研磨效率較高。由此可見，工作間隙越小，研磨力越大，研磨效率也越高。對于復雜形狀的模具，可以考慮改變磁極的形狀，盡可能地位使與零件表面形狀相匹配，最大限度地減少工作間隙并保持一致性，從而提高研唐效率和加上質量。

　　當工件是非磁性材料時，工件不能被磁化。為得到較大的磁力，工作臺采用強磁性材料制成，成為另一個磁極；磁力線象X射線一樣穿過工件，此時的工作間隙是磁極與工作臺之間的距離，通常比磁性材料工件時的要大(特別是在工件較厚時)。所以磁場強度較小，研磨效率山不高。因此，在加工非磁性材料工件時，提高工作效率的主要方法是提高粒子的磁化率和粒的直徑。通常，在磁性研磨粒子的制備工藝中粒子的母體多采用鐵粒子，而外層常采用粘接、燒結等方法包裹著比鐵粒子直徑小的硬質合金磨料。這樣，磁化率是一定的，所以只有通過增大鐵粒子的直徑D來提高磁力F。

　　(2)磁性磨粒直徑的影響。

　　由上式可知，磁力與磁性磨粒直徑的3次方成正比。這表明，增大粒徑，磁吸引力將急劇增加，粒子間的相對滑動就會減少，由磁性磨粒所構成的磁力刷會更好的追隨碰極轉動，粒子間的相對滑動也減少。但是，加工域的空間是有限的；另外，隨著粒徑的增大，參與切削的切削刃的數量也減少，使得研磨效率反而降低；也就是說，粒徑有一個最佳值。

　　(3)磁山線方向和磁極形狀的影響。

　　對于非磁性材料工件，也可以通過改變磁極的排列狀態來改變磁力線的方向，從而達到提高研磨工作效率的目的。如圖5所示足一個陶瓷彎管內表面的加工示意圖。為了提高工作效率，對工件和磁鐵的運動方式以及磁性磨料都作了改進。圖5b可以看到，磁力線穿過工件，形成封閉的磁力回路。


　　另一方面，磁場強度變化率也不容忽視，可以通過改變磁極的形狀來獲得。這一點非常重要，因為它不僅影響到磁場的分布，還影響磁力線的方向，影響磁粒在磁場中的受力狀態。通常采用在磁極上開槽的方式來獲取磁場強度變化率。因為開槽后的磁極，各處的工作間隙不同，所得到的磁場強度也不同，產生了磁場的強弱變化。磁性粒子總是向磁力大的地方流動，這樣就促進了碰性磨粒的流動性，從而大幅度提高加工效率。

　　4 結束語

　　(1)復雜自由曲面的去毛刺、拋光處理，目前很多企業還停留在加工效率低、費廠、費時的于工加工階段，自動化程度還很低。礅研磨加工法無疑可以起到改善工作條件，推動自動化進程的作用。
　　(2)對于磨具型腔、微型內螺紋人面、彎管內表面等工件，可以將微小顆粒的磁性磨料投入進去，利用外部的磁極所產生的磁力，將磁性磨粒壓附在于件表面，從而完成過去傳統下藝所無法加工的復雜形狀內表面。
　　(3)加工條件對最終得到的粗糙度以及加工效率有著舉足輕重的影響，加工時要根據工件的實際情況加以改變，以得到最佳效果。