基于多磁极耦合的新型光整加工装置及工艺试验研究
发布时间：2021-03-05 02:55
随着科技进步与社会发展,对产品的精度及表面质量要求日益严格,光整加工是提高产品表面质量的关键手段。在传统光整加工方法研究基础上,出现了许多非传统光整加工方法,磁场辅助光整加工是其中一种。为进一步改善表面质量,满足产品的高质量应用需求,本文研究多磁极耦合的光整加工方法,设计一种多磁极耦合新型光整加工装置,集成不同磁极布置的磁场发生装置,并确定最优磁极排布。研制一种磁性剪切增稠光整介质,通过外加磁场控制光整介质,开展钛合金（Ti-6Al-4V）工件表面的光整加工实验。设计并制作一种多磁极耦合新型光整加工装置,主要包括磁场发生装置、挡板、主轴和回转工作台（C轴）。理论分析单磁极及多个磁极的磁场作用,揭示多磁极耦合作用下磁场的分布规律。磁场发生装置包括磁极和圆槽盘,圆槽盘由45#钢制成,底部共有三圈64个磁极放置孔,可放置不同数量的磁极,调整不同N极、S极的排布。圆槽盘通过四个固定沉孔与C轴固定在一起,实现圆槽盘的旋转。挡板用于放置磁性磨料以及光整加工介质。加工工件固定在主轴上,工件与光整介质之间进行相对运动,进行材料去除,实现工件表面的光整加工。基于有限元法仿真分析多磁极耦合新型光整加工装置...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统光整加工
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论3工件表面，可以抛光任何形状的表面。磁浮抛光（MFP）加工工艺基于可以悬浮在磁性流体的非磁性材料的磁流体动力学行为[10]。磁性流体（也称铁磁流体）是一种极细的分散铁磁性粒子（通常是Fe3O4）的胶体，水或碳氢化合物（如煤油）为载液。磁性流体中的载液不仅起到冷却的作用，而且还与其它材料参与化学反应。Umehara等[12]设计并制造了一种新型装置（如图1.2所示），通过磁浮抛光加工46个用于混合轴承应用的氮化硅（Si3N4）加工制成的球体，选用碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）和氧化铈（CeO2）三种磨料。分为粗加工、半加工和精加工三个抛光阶段，30小时后，最终获得8.2nm的表面粗糙度（最佳为6.7nm）。Jiang等[13]基于Taguchi方法的实验设计和分析，通过磁浮抛光（MFP）技术加工在轴承应用的球形工件，最终加工至0.15μm的球形度以及Ra4nm的表面光洁度。Ranga等[14]提出一种新型磁浮抛光方法，设计一种新型磁浮抛光装置，工件固定在动力主轴上，实现工件表面的抛光。Shimada等[14]开发一种新型磁浮抛光技术，设计了一种利用磁性复合流体（MCF）的非接触式抛光工具。抛光工具和被抛光材料表面之间的间隙在0.1~0.3mm范围之间，磁性复合流体（MCF）中产生的磁簇可作为抛光工具来抛光工件，抛光效果受磁场强度的控制。图1.2磁浮抛光精加工Si3N4的实验装置[12]Fig.1.2ExperimentaldeviceofmagneticfloatingpolishingfinishingSi3N41.2.2磁流变抛光1948年，美国的Rabinow[16]首次发现并提出磁流变液，至今对磁流变液仍在继续更深入的研究。磁流变液在外部施加磁场后，强度会发生显著变化，屈服力也会改变，展
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论4现出不同的流变特性。Phule等[17]研究发现，随着外部磁场强度的增加，磁流变液粘度会迅速增强，且因温度恒定趋于平稳。磁流变液的磁感应屈服应力取决于磁场颗粒的磁化强度，通常通过外加磁场来分析磁流变特性。Kordonski等[18]验证得出，磁流变液对外加磁场的流变特性受磁场强度和磁性颗粒粒径影响，而磁场强度又取决于磁极的几何形状和磁场方向。如今，磁流变液得到了广泛关注，作为一种智能材料，磁流变液已广泛应用在汽车工程、建筑工程、航空航天、医疗器械以及精密仪器等领域（如图1.3所示）。（a）桥梁减震（b）磁流变减震器（c）磁流变阻尼器（d）磁流变假肢图1.3磁流变在各个领域的应用（图片源自网络）Fig.1.3Applicationsofmagnetorheologicalinvariousfields20世纪90年代初，美国Rochester大学光学加工中心的Kordonski等[19]利用磁流变液的流变特性，阐述了已经广泛应用于精密光学器件生产中的磁流变抛光（MRF）加工原理，如图1.4所示。磁流变液与旋转主轴上的加工工件接触，旋转主轴实现工件转速的控制，通过两个泵来实现磁流变液的流动。电磁铁提供产生磁流变效应的所需磁场，磁流变液与工件接触的区域称为抛光区，实现工件的材料去除。Kordonski[19]对磁流变光整加工机理进行了理论分析，并对磁流变液的剪切应力推导出理论公式。磁流变液在高梯度磁场的作用下聚结变硬，形成缎带凸起，成为具有粘塑性的Bingham介质。磁流变抛光利用这一特性，使得这种具有较高运动速度的Bingham介质通过小空隙，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使得工件表面材料被去除，实现对光学元件的光整加
本文编号：3064449
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统光整加工
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论3工件表面，可以抛光任何形状的表面。磁浮抛光（MFP）加工工艺基于可以悬浮在磁性流体的非磁性材料的磁流体动力学行为[10]。磁性流体（也称铁磁流体）是一种极细的分散铁磁性粒子（通常是Fe3O4）的胶体，水或碳氢化合物（如煤油）为载液。磁性流体中的载液不仅起到冷却的作用，而且还与其它材料参与化学反应。Umehara等[12]设计并制造了一种新型装置（如图1.2所示），通过磁浮抛光加工46个用于混合轴承应用的氮化硅（Si3N4）加工制成的球体，选用碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）和氧化铈（CeO2）三种磨料。分为粗加工、半加工和精加工三个抛光阶段，30小时后，最终获得8.2nm的表面粗糙度（最佳为6.7nm）。Jiang等[13]基于Taguchi方法的实验设计和分析，通过磁浮抛光（MFP）技术加工在轴承应用的球形工件，最终加工至0.15μm的球形度以及Ra4nm的表面光洁度。Ranga等[14]提出一种新型磁浮抛光方法，设计一种新型磁浮抛光装置，工件固定在动力主轴上，实现工件表面的抛光。Shimada等[14]开发一种新型磁浮抛光技术，设计了一种利用磁性复合流体（MCF）的非接触式抛光工具。抛光工具和被抛光材料表面之间的间隙在0.1~0.3mm范围之间，磁性复合流体（MCF）中产生的磁簇可作为抛光工具来抛光工件，抛光效果受磁场强度的控制。图1.2磁浮抛光精加工Si3N4的实验装置[12]Fig.1.2ExperimentaldeviceofmagneticfloatingpolishingfinishingSi3N41.2.2磁流变抛光1948年，美国的Rabinow[16]首次发现并提出磁流变液，至今对磁流变液仍在继续更深入的研究。磁流变液在外部施加磁场后，强度会发生显著变化，屈服力也会改变，展
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论4现出不同的流变特性。Phule等[17]研究发现，随着外部磁场强度的增加，磁流变液粘度会迅速增强，且因温度恒定趋于平稳。磁流变液的磁感应屈服应力取决于磁场颗粒的磁化强度，通常通过外加磁场来分析磁流变特性。Kordonski等[18]验证得出，磁流变液对外加磁场的流变特性受磁场强度和磁性颗粒粒径影响，而磁场强度又取决于磁极的几何形状和磁场方向。如今，磁流变液得到了广泛关注，作为一种智能材料，磁流变液已广泛应用在汽车工程、建筑工程、航空航天、医疗器械以及精密仪器等领域（如图1.3所示）。（a）桥梁减震（b）磁流变减震器（c）磁流变阻尼器（d）磁流变假肢图1.3磁流变在各个领域的应用（图片源自网络）Fig.1.3Applicationsofmagnetorheologicalinvariousfields20世纪90年代初，美国Rochester大学光学加工中心的Kordonski等[19]利用磁流变液的流变特性，阐述了已经广泛应用于精密光学器件生产中的磁流变抛光（MRF）加工原理，如图1.4所示。磁流变液与旋转主轴上的加工工件接触，旋转主轴实现工件转速的控制，通过两个泵来实现磁流变液的流动。电磁铁提供产生磁流变效应的所需磁场，磁流变液与工件接触的区域称为抛光区，实现工件的材料去除。Kordonski[19]对磁流变光整加工机理进行了理论分析，并对磁流变液的剪切应力推导出理论公式。磁流变液在高梯度磁场的作用下聚结变硬，形成缎带凸起，成为具有粘塑性的Bingham介质。磁流变抛光利用这一特性，使得这种具有较高运动速度的Bingham介质通过小空隙，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使得工件表面材料被去除，实现对光学元件的光整加
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