一种粘弹性磁性磨具表面光整加工装置及其方法

摘要

一种粘弹性磁性磨具表面光整加工装置及其方法，该加工装置的磨具具有粘弹性，呈半固体状，自身柔性和流动性可适应各种表面和到达工件表面的任意部位；该加工装置的磨具同时具有磁性，在磁场作用下，对工件表面产生作用力，通过磁场旋转运动和往复直线运动，相对工件表面形成复杂运动；在力和相对运动作用下，粘弹性磁性磨具对工件表面产生微量磨削、滚压、电化学腐蚀，降低表面粗糙度，改善物理力学性能，提高表面质量，实现复杂表面的去毛刺和光整加工。本发明可有效解决异形孔、曲面、沟槽表面等光整加工难题，具有装置简单、磨具利用率高、加工成本低、加工效果好以及效率高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磨具表面光整加工装置及其加工方法，具体地说，是一种具有粘弹性和磁性，用于细长孔、窄槽、盲孔、曲面等异形表面的粘弹性磁性磨具表面光整加工装置及其方法。

背景技术

现代制造技术的一个重要发展方向是精密和超精密、微细和超微细加工技术，表面光整加工技术是精密和超精密加工技术中非常重要的组成部分，也是目前重点研究和解决的关键课题。实际生产中存在的细长孔、窄槽、盲孔、曲面等异形表面光整加工难题，以及新型复合材料的发展都为表面光整加工技术提出新的课题和挑战，研究和开发实用的表面光整加工技术将为解决复合材料、难加工材料、异形表面等的超精密加工提供更为有效的手段。

近年来，已提出了一些用于解决异形表面的光整加工的装置和方法，主要有磁性磨粒光整加工、挤压珩磨、液体磁性磨具光整加工和超声波光整加工装置和方法。磁性磨粒光整加工质量好，但磁场发生装置复杂，颗粒状的磁性磨料很难集中在复杂表面的被加工区域，利用率和重复利用率较低，磁性磨料成本高，极大地限制其工业应用。挤压珩磨是通过一定的压力传递到工件表面上不断摩擦实现加工，所用磨料虽呈半固体状，易适应表面形状，但设备和夹具结构复杂，磨料成本高，且在孔道死角和盲孔通道内，流体不能流动，加工效果差。液体磁性磨具光整加工是利用磁场使液体磁性磨具发生相变形成一定的作用力，并通过相对运动实现加工，对于复杂表面的加工有一定难度，且磨具稳定性差、工艺成本高。用于光整加工的超声波加工方法是靠超声变幅杆直接激振工件产生的高强度振动与在复杂工件表面强制流动的液固两相流体作用加工，但由于磨粒是靠撞击工件去除毛刺，对表面质量的综合提高具有很大的局限性。

因此，亟需一种既能解决曲面、异形孔表面、沟槽表面等复杂表面的光整加工而且工艺简单的表面光整工艺及其装置。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单实用、高效优质的表面光整加工装置及其方法，充分利用磨具的粘弹性、磁性和流动性特点，解决细长孔、窄槽、盲孔、曲面等异形表面的光整难题。

为达到上述目的，本发明提出了一种磨具表面光整加工装置及其方法，其特征在于该磨具呈半固体状，具有一定的粘弹性，由于自身的柔性和流动性，可以适应不同的工件表面和到达工件表面的任意部位；该粘弹性磨具具有一定的磁性，在磁场作用下，粘弹性磁性磨具对工件表面产生一定的作用力，通过磁场的旋转运动和往复直线运动，粘弹性磁性磨具相对于工件表面形成复杂的运动；在力和相对运动的作用下，粘弹性磁性磨具对工件表面产生滑擦和刻划的微量磨削作用、滚压作用、电化学腐蚀作用等，从而实现对工件的光整加工。尤其是粘弹性磨具的流动性特征，可以到达工件表面的任意位置，保证了复杂表面如曲面、细长孔、盲孔、沟槽等光整加工效果的技术方案。

为达到上述目的，本发明提供一种粘弹性磁性磨具表面光整加工装置，其特征在于该装置包括粘弹性磁性磨具、工件、大带轮、磁场发生装置、过渡接头、夹紧装置、曲柄滑块机构、电机、工作台、移动支架、电机、小带轮、定位套。所述磁场发生装置由一对瓦片状永磁磁极和磁砈组成，永磁磁极固定在磁砈上，永磁磁极的对称中线成60°～150°布置，采用径向充磁的方式，充磁后在靠近加工表面附近的磁场较强；粘弹性磁性磨具放入磁场发生装置内；将磁轭和大带轮通过键连接，大带轮通过铜套和圆螺母实现轴向固定，通过电机和小带轮，从而带动大带轮和磁轭实现永磁磁极的旋转运动，为了减少磨损和运动灵活，增加铜套；电机通过曲柄滑块机构带动移动支架实现永磁磁极的轴向往复直线运动；通过工作台上的导向槽保证永磁磁极的轴向往复直线运动与工件的轴线始终保持平行；通过定位套和夹紧装置实现工件与磁场发生装置之间准确的位置关系；通过过渡接头适应不同长度工件的加工，并有助于改善工件端部的加工效果。

所述粘弹性磁性磨具呈半固体状，具有一定的粘弹性和磁性。

待加工工件穿过磁场发生装置固定在定位套上。

所述粘弹性磁性磨具位于工件内部。

所述粘弹性磁性磨具位于工件外表面和磁场发生装置中永磁磁极的内表面之间。

所述的永磁磁极材料为钕铁硼材料。

所述粘弹性磁性磨具具有很好的流动性和自适应性，可以到达工件的任意部位，包括死角和/或棱边处。

本发明一种用于上述的粘弹性磁性磨具表面光整加工装置对工件进行光整加工的方法，其特征在于：第一步：通过夹紧装置，将工件穿过磁场发生装置固定在定位套上；第二步：将一定量的粘弹性磁性磨具放入工件内部或者工件外部和磁场发生装置中永磁磁极的内表面之间，在磁场的作用下，粘弹性磁性磨具与工件的被加工表面充分接触，并形成一定的作用力；第三步：接通电源，调节电机频率，电机通过带传动实现永磁磁极的旋转运动，电机通过曲柄滑块机构实现永磁磁极的轴向往复直线运动，从而使得粘弹性磁性磨具与被加工表面之间形成复杂的相对运动，在力和相对运动的作用下实现对各种表面的光整加工和去毛刺。第四步：将工件调头安装，重复第三步完成工件的整体加工。

所述粘弹性磁性磨具呈半固体状，具有很好的流动性和自适应性，可以到达工件的任意部位，包括死角和/或棱边处。

本发明一种新型磨具表面光整加工装置及其方法的优点为：新型磨具呈半固体状，具有粘弹性和磁性，在永磁磁场作用下能自适应工件表面形状，由于自身的流动性，可以到达工件表面的死角、棱边等任意部位，增加了磨料和工件表面充分接触的能力，有利于实现对各种表面的去毛刺和光整加工，解决了异形孔、曲面、沟槽表面等的光整加工难题。另外，本发明提出的加工装置结构简单、磨料不易飞散，磨具的利用率和重复利用率高，加工成本低、加工效果好，加工效率高，15min内毛刺去除，内孔表面粗糙度Ra值可降低3级左右。

本发明的优点与积极效果集中体现在如下五个方面：

1、可用于非导磁材料的内孔表面和异形孔表面加工，加工效果好，加工效率高。

2、加工装置和工艺简单实用，成本低，便于操作和推广。

3、可流动到被加工表面的任意部位，如死角、棱边，实现去毛刺和棱边倒圆。

4、可有效改善被加工表面的物理力学性能。

5、可用于导磁材料和非导磁材料的外表面加工，由于磨具本身的性质，在加工复杂曲面时，适应性强、加工效果好。

附图说明

图1是本发明粘弹性磁性磨具光整加工装置结构示意图。

图2是本发明磁场发生装置示意图。

图3是本发明磁场发生装置结构示意图。

图4是本发明直孔零件粘弹性磁性磨具光整加工前的照片。

图5是本发明直孔零件粘弹性磁性磨具光整加工后的照片。

图6是本发明沟槽零件粘弹性磁性磨具光整加工前的照片。

图7是本发明沟槽零件粘弹性磁性磨具光整加工后的照片。

图8是本发明盲孔零件粘弹性磁性磨具光整加工前的照片。

图9是本发明盲孔零件粘弹性磁性磨具光整加工后的照片。

图中：1、粘弹性磁性磨具；2、工件；3、大带轮；4、磁场发生装置；5、过渡接头；6、夹紧装置；7、曲柄滑块机构；8、电机；9、工作台；10、移动支架；11、电机；12、小带轮；13、定位套；14、磁轭；15、永磁磁极；16、圆螺母；17、键；18、铜套。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明。

一种磨具表面光整加工装置包括粘弹性磁性磨具1、工件2、大带轮3、磁场发生装置4、过渡接头5、夹紧装置6、曲柄滑块机构7、电机8、工作台9、移动支架10、电机11、小带轮12、定位套13；其中：

所述粘弹性磁性磨具1置入磁场发生装置4内；磁场发生装置4由一对瓦片状永磁磁极15和磁轭14构成，永磁磁极15固定在磁轭14上，永磁磁极15的对称中线成60°～150°设置，采用径向充磁的方式，充磁后在靠近加工表面附近的磁场较强；将磁轭14和大带轮3通过键17连接，大带轮3通过铜套18和圆螺母16实现轴向固定，通过电机11和小带轮12，从而带动大带轮3和磁轭14实现永磁磁极15的旋转运动，为了减少磨损和运动灵活，增加铜套18；电机8通过曲柄滑块机构7带动移动支架10实现永磁磁极15的轴向往复直线运动；通过工作台10上的导向槽保证永磁磁极15的轴向往复直线运动与工件2的轴线始终保持平行；通过定位套13和夹紧装置6实现工件2与磁场发生装置4之间准确的位置关系；通过过渡接头5适应不同长度工件的加工，并有助于改善工件端部的加工效果。

加工工件的步骤如下：

Ⅰ、选用磁场发生装置4

实验所用永磁磁极15由N35钕铁硼永磁材料制作而成，永磁磁极15形状呈瓦片状，对称中线呈60°～150°设置，采用径向充磁方式，磁场强度在1000kA/m～1500kA/m；磁轭14选用软磁材料；

Ⅱ、预先将粘弹性磁性磨具1装入工件内部或者工件2外部和磁场发生装置4中永磁磁极15的内表面之间，调整定位套13的内径，使工件置于定位套13内实现定位，通过夹紧装置6夹紧，调整永磁磁极15和工件2之间的相对位置，使得永磁磁极15与工件2的间隙保持在1mm～3mm，并且回转中心与工件2的几何中心重合；

Ⅲ、通过变频的方式调节电机频率，将永磁磁极15的转速控制在300r/min～600r/min，再将永磁磁极15的往复直线运动速度控制在5mm/s～30mm/s；

IV、加工5min～20min后，按上述步骤将工件2调头安装，实现工件的整体加工，同时进一步改善加工效果。

实施方式1

细长孔加工，加工参数如表1所述：

表1  细长孔加工参数

  数值  412  10  240  20  YL12  32  400  5

实施效果：

附图4为加工前照片，可以看出工件2内表面粗糙，暗淡无光；附图5为加工后的照片，可以看出加工后工件2表面整体光滑光亮，有镜面效果，毛刺去除，加工效果明显。经测试，工件表面粗糙度Ra值由2.39μm下降到0.25μm，降低3级左右。

实施方式2

沟槽零件加工，加工参数如表2所示：

表2  沟槽零件加工参数

实施效果：

附图6为加工前照片，加工前沟槽侧面和底面刀痕明显，表面粗糙，呈各项异性状，沟槽两端毛刺比较明显，有割手的感觉；附图7为加工后照片，加工后沟槽侧面和底面的表面质量大大改善，表面整体光滑光亮，沟槽两侧的毛刺去除明显，棱边倒圆，表面呈各向同性趋势。

实施方式3

盲孔零件加工，加工参数如表3所示：

表3  盲孔零件加工参数

实施效果：

附图8为加工前照片，加工前盲孔底面刀痕明显，表面粗糙，呈各项异性状，盲孔底面及拐角处有明显的毛刺；附图9为加工后照片，加工后表面整体光滑光亮，有镜面效果，盲孔底面及拐角处毛刺去除，手感柔滑。