基于多磁極耦合的新型光整加工裝置及工藝試驗研究
發(fā)布時間：2021-03-05 02:55
隨著科技進步與社會發(fā)展,對產品的精度及表面質量要求日益嚴格,光整加工是提高產品表面質量的關鍵手段。在傳統(tǒng)光整加工方法研究基礎上,出現(xiàn)了許多非傳統(tǒng)光整加工方法,磁場輔助光整加工是其中一種。為進一步改善表面質量,滿足產品的高質量應用需求,本文研究多磁極耦合的光整加工方法,設計一種多磁極耦合新型光整加工裝置,集成不同磁極布置的磁場發(fā)生裝置,并確定最優(yōu)磁極排布。研制一種磁性剪切增稠光整介質,通過外加磁場控制光整介質,開展鈦合金（Ti-6Al-4V）工件表面的光整加工實驗。設計并制作一種多磁極耦合新型光整加工裝置,主要包括磁場發(fā)生裝置、擋板、主軸和回轉工作臺（C軸）。理論分析單磁極及多個磁極的磁場作用,揭示多磁極耦合作用下磁場的分布規(guī)律。磁場發(fā)生裝置包括磁極和圓槽盤,圓槽盤由45#鋼制成,底部共有三圈64個磁極放置孔,可放置不同數(shù)量的磁極,調整不同N極、S極的排布。圓槽盤通過四個固定沉孔與C軸固定在一起,實現(xiàn)圓槽盤的旋轉。擋板用于放置磁性磨料以及光整加工介質。加工工件固定在主軸上,工件與光整介質之間進行相對運動,進行材料去除,實現(xiàn)工件表面的光整加工�；谟邢拊ǚ抡娣治龆啻艠O耦合新型光整加工裝置...
【文章來源】：山東理工大學山東省
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
傳統(tǒng)光整加工
山東理工大學碩士學位論文第一章緒論3工件表面，可以拋光任何形狀的表面。磁浮拋光（MFP）加工工藝基于可以懸浮在磁性流體的非磁性材料的磁流體動力學行為[10]。磁性流體（也稱鐵磁流體）是一種極細的分散鐵磁性粒子（通常是Fe3O4）的膠體，水或碳氫化合物（如煤油）為載液。磁性流體中的載液不僅起到冷卻的作用，而且還與其它材料參與化學反應。Umehara等[12]設計并制造了一種新型裝置（如圖1.2所示），通過磁浮拋光加工46個用于混合軸承應用的氮化硅（Si3N4）加工制成的球體，選用碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）和氧化鈰（CeO2）三種磨料。分為粗加工、半加工和精加工三個拋光階段，30小時后，最終獲得8.2nm的表面粗糙度（最佳為6.7nm）。Jiang等[13]基于Taguchi方法的實驗設計和分析，通過磁浮拋光（MFP）技術加工在軸承應用的球形工件，最終加工至0.15μm的球形度以及Ra4nm的表面光潔度。Ranga等[14]提出一種新型磁浮拋光方法，設計一種新型磁浮拋光裝置，工件固定在動力主軸上，實現(xiàn)工件表面的拋光。Shimada等[14]開發(fā)一種新型磁浮拋光技術，設計了一種利用磁性復合流體（MCF）的非接觸式拋光工具。拋光工具和被拋光材料表面之間的間隙在0.1~0.3mm范圍之間，磁性復合流體（MCF）中產生的磁簇可作為拋光工具來拋光工件，拋光效果受磁場強度的控制。圖1.2磁浮拋光精加工Si3N4的實驗裝置[12]Fig.1.2ExperimentaldeviceofmagneticfloatingpolishingfinishingSi3N41.2.2磁流變拋光1948年，美國的Rabinow[16]首次發(fā)現(xiàn)并提出磁流變液，至今對磁流變液仍在繼續(xù)更深入的研究。磁流變液在外部施加磁場后，強度會發(fā)生顯著變化，屈服力也會改變，展
山東理工大學碩士學位論文第一章緒論4現(xiàn)出不同的流變特性。Phule等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著外部磁場強度的增加，磁流變液粘度會迅速增強，且因溫度恒定趨于平穩(wěn)。磁流變液的磁感應屈服應力取決于磁場顆粒的磁化強度，通常通過外加磁場來分析磁流變特性。Kordonski等[18]驗證得出，磁流變液對外加磁場的流變特性受磁場強度和磁性顆粒粒徑影響，而磁場強度又取決于磁極的幾何形狀和磁場方向。如今，磁流變液得到了廣泛關注，作為一種智能材料，磁流變液已廣泛應用在汽車工程、建筑工程、航空航天、醫(yī)療器械以及精密儀器等領域（如圖1.3所示）。（a）橋梁減震（b）磁流變減震器（c）磁流變阻尼器（d）磁流變假肢圖1.3磁流變在各個領域的應用（圖片源自網(wǎng)絡）Fig.1.3Applicationsofmagnetorheologicalinvariousfields20世紀90年代初，美國Rochester大學光學加工中心的Kordonski等[19]利用磁流變液的流變特性，闡述了已經(jīng)廣泛應用于精密光學器件生產中的磁流變拋光（MRF）加工原理，如圖1.4所示。磁流變液與旋轉主軸上的加工工件接觸，旋轉主軸實現(xiàn)工件轉速的控制，通過兩個泵來實現(xiàn)磁流變液的流動。電磁鐵提供產生磁流變效應的所需磁場，磁流變液與工件接觸的區(qū)域稱為拋光區(qū)，實現(xiàn)工件的材料去除。Kordonski[19]對磁流變光整加工機理進行了理論分析，并對磁流變液的剪切應力推導出理論公式。磁流變液在高梯度磁場的作用下聚結變硬，形成緞帶凸起，成為具有粘塑性的Bingham介質。磁流變拋光利用這一特性，使得這種具有較高運動速度的Bingham介質通過小空隙，對工件表面與之接觸的區(qū)域產生很大的剪切力，從而使得工件表面材料被去除，實現(xiàn)對光學元件的光整加
本文編號：3064449
【文章來源】：山東理工大學山東省
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
傳統(tǒng)光整加工
山東理工大學碩士學位論文第一章緒論3工件表面，可以拋光任何形狀的表面。磁浮拋光（MFP）加工工藝基于可以懸浮在磁性流體的非磁性材料的磁流體動力學行為[10]。磁性流體（也稱鐵磁流體）是一種極細的分散鐵磁性粒子（通常是Fe3O4）的膠體，水或碳氫化合物（如煤油）為載液。磁性流體中的載液不僅起到冷卻的作用，而且還與其它材料參與化學反應。Umehara等[12]設計并制造了一種新型裝置（如圖1.2所示），通過磁浮拋光加工46個用于混合軸承應用的氮化硅（Si3N4）加工制成的球體，選用碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）和氧化鈰（CeO2）三種磨料。分為粗加工、半加工和精加工三個拋光階段，30小時后，最終獲得8.2nm的表面粗糙度（最佳為6.7nm）。Jiang等[13]基于Taguchi方法的實驗設計和分析，通過磁浮拋光（MFP）技術加工在軸承應用的球形工件，最終加工至0.15μm的球形度以及Ra4nm的表面光潔度。Ranga等[14]提出一種新型磁浮拋光方法，設計一種新型磁浮拋光裝置，工件固定在動力主軸上，實現(xiàn)工件表面的拋光。Shimada等[14]開發(fā)一種新型磁浮拋光技術，設計了一種利用磁性復合流體（MCF）的非接觸式拋光工具。拋光工具和被拋光材料表面之間的間隙在0.1~0.3mm范圍之間，磁性復合流體（MCF）中產生的磁簇可作為拋光工具來拋光工件，拋光效果受磁場強度的控制。圖1.2磁浮拋光精加工Si3N4的實驗裝置[12]Fig.1.2ExperimentaldeviceofmagneticfloatingpolishingfinishingSi3N41.2.2磁流變拋光1948年，美國的Rabinow[16]首次發(fā)現(xiàn)并提出磁流變液，至今對磁流變液仍在繼續(xù)更深入的研究。磁流變液在外部施加磁場后，強度會發(fā)生顯著變化，屈服力也會改變，展
山東理工大學碩士學位論文第一章緒論4現(xiàn)出不同的流變特性。Phule等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著外部磁場強度的增加，磁流變液粘度會迅速增強，且因溫度恒定趨于平穩(wěn)。磁流變液的磁感應屈服應力取決于磁場顆粒的磁化強度，通常通過外加磁場來分析磁流變特性。Kordonski等[18]驗證得出，磁流變液對外加磁場的流變特性受磁場強度和磁性顆粒粒徑影響，而磁場強度又取決于磁極的幾何形狀和磁場方向。如今，磁流變液得到了廣泛關注，作為一種智能材料，磁流變液已廣泛應用在汽車工程、建筑工程、航空航天、醫(yī)療器械以及精密儀器等領域（如圖1.3所示）。（a）橋梁減震（b）磁流變減震器（c）磁流變阻尼器（d）磁流變假肢圖1.3磁流變在各個領域的應用（圖片源自網(wǎng)絡）Fig.1.3Applicationsofmagnetorheologicalinvariousfields20世紀90年代初，美國Rochester大學光學加工中心的Kordonski等[19]利用磁流變液的流變特性，闡述了已經(jīng)廣泛應用于精密光學器件生產中的磁流變拋光（MRF）加工原理，如圖1.4所示。磁流變液與旋轉主軸上的加工工件接觸，旋轉主軸實現(xiàn)工件轉速的控制，通過兩個泵來實現(xiàn)磁流變液的流動。電磁鐵提供產生磁流變效應的所需磁場，磁流變液與工件接觸的區(qū)域稱為拋光區(qū)，實現(xiàn)工件的材料去除。Kordonski[19]對磁流變光整加工機理進行了理論分析，并對磁流變液的剪切應力推導出理論公式。磁流變液在高梯度磁場的作用下聚結變硬，形成緞帶凸起，成為具有粘塑性的Bingham介質。磁流變拋光利用這一特性，使得這種具有較高運動速度的Bingham介質通過小空隙，對工件表面與之接觸的區(qū)域產生很大的剪切力，從而使得工件表面材料被去除，實現(xiàn)對光學元件的光整加
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