本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）題 目：機(jī)床磁性動力研磨頭設(shè)計摘 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(shí)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(xiàng)技術(shù)，研制開發(fā)了磁性研磨機(jī)，而研磨頭是磁性研磨機(jī)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(jī)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(jī)理，介紹了讓工件旋轉(zhuǎn)，磁極不動、并做往復(fù)運(yùn)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ABSTRACTGrinding 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11.1 概述1 1.2 研磨頭發(fā)展歷程11.3 研究磁性研磨頭的目的和意義21.4 研磨頭的發(fā)展方向探討2第二章 磁性研磨加工技術(shù)32.1 磁性研磨加工技術(shù)的特點(diǎn)32.2 影響磁性研磨的加工質(zhì)量和效率的因素32.3 磁性磨料3本章小結(jié)4第三章 磁性研磨加工機(jī)理63.1 精密和超精密磨削的概述63.2 磁性磨料的受力分析73.3 磁粒的運(yùn)動過程分析143.4 磁性研磨的加工機(jī)理153.5 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194.1 磁性研磨概述194.2 磁性研磨頭設(shè)計要求整體設(shè)計 194.3 磁性研磨頭詳細(xì)設(shè)計21本章小結(jié)33第五章 磁力系統(tǒng)的設(shè)計計算355.1 電磁感應(yīng)器的組成355.2 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(xiàn)44致謝461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(jìn)行磁性研磨是機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(yàn)還不多,因此,對磁力研磨加工進(jìn)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(yán)格,根據(jù)磁力研磨特點(diǎn)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(jìn)行改造,針對軸類零件的自身特點(diǎn),對 CA6140 車床進(jìn)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(jìn)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(qiáng)磁場的作用下，用被磁化的磨粒對工件表面進(jìn)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(xiàng)技術(shù)在實(shí)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(diǎn)、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(jìn)行磨損補(bǔ)償、無須修形等特點(diǎn)，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(dá)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(yàn)研究階段，實(shí)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(jī)軸、儀表齒輪、階梯軸、鋼球等)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取2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(xiàng)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jìn)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m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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)，機(jī)械制造技術(shù)的水平與制造業(yè)的發(fā)達(dá)程度突出反映了一個國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平。在機(jī)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(jī)械加工過程中的不足，也是為了迎合當(dāng)今機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)動力頭的專機(jī)設(shè)計的課題。在研磨機(jī)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(jī)床的相關(guān)信息，還結(jié)合了我國實(shí)際情況、世界先進(jìn)水平及發(fā)展趨勢。因此，力求做到了既保持機(jī)床先進(jìn)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(jī)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(dá)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(jī)動力頭的設(shè)計屬于專用機(jī)床的設(shè)計。磨削機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)床（包括ZHM-Z60 型和 ZHM-Z120 型）也是采用電力原理工作的研磨機(jī)，本課題所設(shè)計的研磨機(jī)也采用電磁的原理工作的設(shè)備。3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(diǎn) 13磁性研磨加工是在強(qiáng)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(shí)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nFmmF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(jìn)行。磁性研磨技術(shù)加工特點(diǎn) 13：圖2-2 加工中的磁刷1）自銳性能好, 磨削能力強(qiáng), 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(jī)械性能。5）具有交變磁場的磁性研磨裝置由于沒有運(yùn)動部件，因而運(yùn)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 1214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(qiáng)度，加工間隙，圖 2-1 磁性研磨示意圖1.磁性磨粒；2、3.磁極；4.工件4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(kuò)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110 ) 與鐵粉(顆粒m直徑為100300 ) 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m熔結(jié)在一起,經(jīng)機(jī)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(dāng)磨料的作用。(3) 液體磁性磨料:這種磨料根本無需制作,實(shí)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(jìn)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(jìn)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