磁力研磨

数控磁性研磨装置的研制

苗青甫机教012班

摘要: 概述了磁性研磨加工技术发展，阐述了磁性研磨加工的原理、装置及特点，主要介绍了一种数控磁性研磨机床装置，着重介绍其原理、结构、组成。该机床通过数控编程控制工具磁极与工件的相对运动并使其保持一定间隙，工具磁极高速旋转，利用吸在工具磁极上的磁性磨料对工件表面进行光整加工。

关键词: 磁性研磨磁性磨粒磁力刷磁极电磁屏蔽

Abstract: Grind the processing technical development after summing up magnetic, has explained that grinds the principle , device and characteristic processed in magnetic, introduce a kind of numerical control magnetic grind the lathe device , introduce its principle , structure , make up emphatically mainly. Lathe this through numerical control programming control tool magnetic pole and relative motion and make it keep certain interval of work piece, tool magnetic pole rotate at a high speed, is it suck magnetic abrasive at the magnetic pole exactly process the light to the work piece surface in tool to utilize.

Keywords: Magnetic grinding Magnetic grit The magnetic force brushing Magnetic pole Electromagnetic shielding

引言

随着工业的发展，对零件的表面光整加工提出越来越高的要求。在国内外精加工领域中，人们正通过各种渠道，借助多种能量形式，探索新的工艺途径。磁性研磨加工就是人们把磁场应用于传统的研磨技术中，开发出的一种新的研磨技术。

磁性研磨是一种利用磁场中的磁性磨料对具有相对运动的工件表面进行光整加工的新技术，具有表面质量好、适应性能广泛的优点。利用在磁场中的磁性磨料所产生的磁力进行磁性研磨是机械零件表面光整加工的又一新工艺、新技术。目前已对零件的内圆面、外圆面、平面、成型面等表面进行了磁性研磨的开发和研究。从原理上讲，它可以对任何几何形状的表面进行精密光整加工，因此磁性研磨这一新工艺有着十分广阔的应用前景和很好的经济效益。

1 磁性研磨技术的发展历史

磁性研磨技术(Magnetic Abrasive Finishing)，泛指利用辅助磁场的作用，进行精密研磨的一种工艺方法。1938年前苏联工程师Kargolow正式提出MAF这一概念，随后50年代及60年代这一技术的发展正是因前苏联Baron和他的同事们及保加利亚Mekedonski和他的同事们的研究和推广应用工作。80年代日本研究人员Tohoku大学的Kat。教授及同事.Tokyo大学的Nakagawa及同事.utsunomia 大学的shinmura博士及同事开始这方面的研究工作。后来美国oklahoma州立大学的Komandmi等人也开始有关研究工作。德国已经出版了有关方面的论文，前苏联已出版了有关MAF技术的专著和几百篇论文，有关MAF方面的会议已定期在保加利亚召开。研究工作主要涉及于加工原理、不同条件下加工特点、各种各样的应用及相关设备。国内从80年代前期开始了这方面的研究，已有数篇论文在学术杂志上发表。

2 磁性研磨的原理

磁性研磨的示意图如图1所示。把磁性磨粒放入磁场中，磁性磨料在磁场中将沿着磁力线的方向有序地排列成磁力刷。把工件放入N，S极中间，并使工件相对N极和S极保持一定的距离，当工件相对磁极作相对运动时，磁性磨料将对工件表面进行研磨。磁性磨粒在工件表面的运动状态通常有滑动滚动、切削三种形式。当磁性磨粒在加工中受到的磁场力大于切削力时，磁性磨粒处于正常的切削状态，当磁性磨粒受到的磁场力小于切削力时，磁性磨料就会产生滑动或滚动。

图1 磁性研磨示意图

在研磨过程中磁性磨粒的受力状态见图1所示。磨粒“A”是在加工区中靠近工件表面的一颗磁性磨粒。在磁场的作用下，磁性磨粒受到沿磁力线方向的作用力Fx以及沿磁等位线方向的作用力Fy的影响。同时，磁性磨粒与工件表面接触，产生沿工件表面法向的Fn，因磨粒与工件表面的相对运动产生一个切向力Fm，Fy可以防止磨粒向加工区域以外流动，这样就保证了研磨加工的正常进行。磁性磨粒在磁场中的受力为：

Fx=VμH·dH/dx Fy= VμH·dH/dy (1)

式中：V为磁性磨粒的体积；μ为磁性磨粒的磁导率；H为A点的磁场强度；x 和y为由磁力线和磁等位线决定的坐标；dH/dx和dH/dy为在x和y方向上的磁场梯度。从式(1)可看出，磁力Fx和Fy正比于磁性磨粒的体积，磁性磨粒的磁导率，磁场强度及梯度。

3 磁性研磨的特点

（1）自锐性能好，磨削能力强，加工效率高

在加工过程中，磁性磨粒的切削刃对工件表面产生切削，由于切向力存在，会破坏磁串的衔接性，但是磨粒受磁场法向力的作用是主要的，磁串会很快地沿着磁力线方向紧密地排列，重新构成新的磁串，磨粒将以新的切削刃参加磨削，产生良好的自锐性能。由于磨粒不断发生位置变更，工件表面就始终能够获得锐利磨刃的切削，因此磁性研磨金属去除量大、切削能力强、加工效率高。

（2）研磨温升小，工件变形小

在磁性研磨加工过程中，磨粒不断变更位置，就单一的磨粒磨刃而言，它与工件表面的作用时间很短，对工件表面层的温升影响较小，表面金相组织结构没有受到破坏，保证了机械零件精密表面研磨加工的质量。

（3）切削深度小，加工表面平整光洁

由于磁性磨料的磁刷为具有一定刚性的柔性刷，加之磨粒体积小、切削刃小，因此切入工件表面的切削深度t小于前道工序残留的加工痕迹，研磨切削深度为t=0.2~0.6μm。同时，磨粒的微刃切削作用有效去除了前道工序加工痕迹，从而能够获得更为平整、更为光洁的表面。

（4）工件表面交变励磁，提高了工件表面的物理机械性能

在磁性研磨过程中，工件表面多次反复地受到磁极N和S的交变磁场的作用，导电的磁性磨料产生的电动势反复使工件表面充电，强化了表面电化学过程，改变了表面的应力分布状态，提高了表面硬度，改善了表面物理机械性能。

4 数控磁性研磨机床装置的具体设计

到目前为止，磁性研磨虽然在国外许多领域都已有成熟的应用，但在我国，真正在生产中的应用还很少，多数是处于实验研制阶段。因此完整的磁性研磨机床还没有，多数是在车床或铣床上通过增加一些辅助的工装来完成的，尤其是在ＮＣ铣床上，其功能更加完善。这样虽然在加工上受一定的影响，但设备的投入却很少，应用更加方便。这里我们所设计的研磨装置，就是在一台数控铣床上，加上一些辅助工装来实现的数控磁性研磨装置。

4.1 数控磁性研磨装置的设计要求

首先要求铣床的数控系统必须有较高的稳定性和抗干扰性，并且进行合理的屏蔽，机壳正常接地；其次，对于不同形状的工件应使用不同直径的磁性铁芯，为了使磁性磨料尽可能小地磨损磁性铁芯，铁芯能够正常带动磨料参与研抛，磁性铁芯头部做成特殊形状。最后，在研抛开始前，调用主程序中的精加工程序时，要根据磁性铁芯的直径和装夹长度与原刀具长度的偏差在程序中加上合适的刀补，使研抛时磁性铁芯头离工件表面始终相差一定的距离，选用合适的转速对工件进行研抛。

4.2 数控磁性研磨装置的具体设计

1-Y轴伺服电机；2-下磁极；3-X轴伺服电机；4-工件；5-磁芯

6-主轴；7-主轴电动机；8-Z轴伺服电机；9-床身；10-底座

11-非磁性工作台；12-磁性磨料；13-上磁极；14-电磁线圈

图2 数控磁性研磨加工机床

图2为数控磁性研磨加工装置，是在普通数控铣床上加上辅助工装实现的，这种经改装过的数控铣床能进行自由曲面以及平面的磁性研磨光整加工，该机床的数控系统除了具有普通三坐标数控铣床控制系统的功能(如三坐标联动、点动、手动、自动等)外，还具有曲面的示教方式三坐标数字化测量功能、曲面加工轨迹的自动编程功能等。

先在铣床工作台上垫上强磁体，将被加工模具直接装夹在强磁体上，并把磁极通过线圈中的铁芯安装在铣床的主轴上。当磁性铁芯外的线圈通入直流电流时(注意正负极的方向，要使它产生的磁力线方向与强磁体的磁力线方向一致)，则在磁场力的作用下，磁性磨料由铁芯至工件形成“磁性研抛刷”压向工件表面；数控铣床在运行过程中，磁性铁芯带动磁性磨料高速转动并沿工件作进给运动，使磁性磨料与工件产生相对运动，同时在磁场力产生的磁性压力作用下，实现磁性磨粒对工件的研抛。

下面将此装置的各个组成部分，结构以及一些计算介绍一下，重点介绍磁性

研磨装置的组成：

4.3 上下磁极的设计

4.3.1 上磁极的设计

1-NC铣床；2-线圈；3-铁芯

图3上磁极结构

图3是上磁极的结构图，其中要注意磁极（铁芯）旋转但线圈不能旋转，可以把线圈固定在床身上。磁场强度的大小通过线圈中电流的大小来控制，继而控制加工时的磨削量。磁极的形式有平头磁极和球头磁极两种（图4）。平头磁极用于加工平面，球头磁极则主要用于加工曲面。磁极的形状非常重要，因为它关系到磁场的分布和在磁场中的受力状态。要使磁性磨粒能够随磁极一起旋转，磁性磨粒必须受到磁极圆周方向的磁作用力，否则，磁性磨粒会滞留在工件的表面上，起不到对工件表面加工的作用。

a 平头磁极

b 球头磁极

图4 磁极的形状

4.3.2 下磁极的设计

下磁极是根据电的磁效应原理制成的。在由硅钢片叠成的铁心上绕以线圈，当电流通过线圈时，铁心即被磁化，形成带磁性的电磁铁。其工作原理如图5，图中1为钢制盘体，在它的中部凸起的心体4上绕有线圈2，在钢制盘体1上装有由非磁性材料制成的盖板3。当线圈2通过直流电时，心体4就被磁化，磁力线由下磁极心体，盖板，工件，上磁极，机床床身，心体而闭合。盖板3是由铝，铜或者巴氏合金等非磁性材料制成的，它的作用是使绝大部分磁力线都能通过工件与上磁极构成完整的磁路。

下磁极结构（图6）由钢制盘体和盖板，线圈等组成，在钢制盘体1内有一

个封闭的矩形沟槽，为了使磁场分布均匀，使盘体的中间部分形成许多的心体T，在沟槽中装着线圈2，盖板3用螺钉固定在钢制盘体1上，这样不仅可以加工大的工件还可以加工小的工件。

1-钢制盘体；2-线圈；3-非磁性材料盖板；4-铁心（心体）

图5 线圈的结构

1-钢制盘体；2-线圈；3-非磁性材料盖板；4-铁心

图6 下磁极结构及线圈分布图

使用时，关掉电磁盘体的电源后，工件和电磁盘体上仍有一部分磁性，这种现象叫剩磁。只要将开关转到退磁位置，多次改变线圈中电流的方向，即可把剩磁去掉。

4.4磁力系统的计算

磁力系统的计算在设计计算磁力系统时，主要是计算线圈和铁芯(有时还有轭铁)等磁导体部分。工具磁极的直径是可变的，我们就以其中一个值来计算，其它的同理可以算出。我们取工具磁极的r直径为40mm，磁极为实心的，磁极头、铁芯和磁导体均用20钢制造。

4.4.1 计算工作间隙磁导和磁势

4.4.1.1 计算工作间隙磁导

根据已知的公式进行磁导计算，则工作间隙磁导为

GΔ=πμοr2/Δ (2)

-6H/m，长度单位取m时，磁导的单式中μ

ο——真空的磁导率，μο=1.25×10

位为H；

Δ——工作间隙，我们取Δ=2mm。

把各值代入(2)式中，得

GΔ=3.14×10-6(H)

4.4.1.2 计算磁路磁势

磁路磁势根据磁路的基尔霍夫定律计算

F=FΔ+∑H i l i(3)

式中F、F

Δ——分别为磁路总磁势和工作间隙的磁势，单位A；

H i——其它磁路段的磁场强度，单位A/m；

l i——其它磁路段长度，单位m。

但F

Δ占全部磁路磁势的绝大部分，在这里我们直接取F=FΔ

由于φ

Δ= GΔFΔ，所以可得到

FΔ=φΔ/GΔ(4)

式中φ

Δ——工作间隙的磁通。

工作间隙的磁通密度，由实验或经验已知B

Δ=0.8~1.2T时，研磨效率最大，

故取B

Δ=1.0T，则φΔ=1.0×S（S为工具磁极的截面面积）。

则F=F

Δ=6112A

4.4.2 电磁线圈的计算

4.4.2.1 确定通电电流和线圈匝数

首先确定工作制度,对于长期工作制取电流密度J=2~4A/mm2，根据电流密度J和电源情况，确定工作电流I，I≤J。

取J=3.0A/mm2，I=2A，则线圈匝数N=F/J=6112/2=3056(匝)。

4.4.2.2 确定线圈截面尺寸

先计算导线直径d：

d=1.13(I/J)1/2(5)

计算结果ｄ=0.92，取为1.0mm。

再由下式计算线圈截面尺寸L、e：

L·e=Nd(d+Ψ/m) /K (6)

式中L、e——线圈的长度和厚度，单位mm；

d——导线直径，单位mm；

Ψ——两层线圈之间垫纸的厚度，Ψ=0.05mm；

m——两层之间的垫纸层数，一般ｍ=1；

K ——系数，导线ｄ>0.5时，K=1。

L 、e 两者先确定一个，再计算另一个。我们取e=25mm ，计算得L=151mm ，取为150mm 。

4.4.2.3 计算电磁线圈的电阻、通电电压

对于圆形截面的线圈，导线的电阻R θ为

R θ=4ρθD P N ×104/d 2 (7)

式中 R θ——温度θ时的电阻，单位Ω；

D P ——线圈的平均直径，单位mm ；

d ——导线直径，单位mm ；

ρθ——θ℃时铜的电阻率，单位Ωm 。

查电工手册得知，取线圈的工作温度为90℃时，ρθ=2214×10-8Ωｍ，由式(7)

R θ=4×2214×10-8×10.5×3056×104/12=28.4Ω

供给线圈的电压为Vm=2×28.4=56.8(V)。

如果得出的电压在任何时候都不适合，可以改变线圈导线的直径，相应地改变线圈匝数N 和供给的电流I ，而保持线圈总磁势F 和截面尺寸L 、e 不变。

4.5 交流转换成直流的整流电路

我们采用二极管桥型整流的工作电路来实现交流转换成直流，以满足电磁线圈直流电源的需求，电路图如下：

负载线圈T S

交流电源图7 交流转换为直流电路图

下面简要介绍各组成部分的功能：

（1） 变压器

通过变压器获取需要的交流电压值，我们选用SFPZ4-63000/220型变压器，高压端220V ，低压端66V 。熔断器选用R1系列，额定电压220V ，额定电流10A 。

（2） 二极管

四个二极管起整流作用，这种连接形式属于桥式整流，使输出电路中的电流方向不再变化。二极管反向电压为21/2x66=92.4V ，选用1B2C1型号二极管作整流二极管，其反向电压为100V ，最大整流电流2A 。

（3） 电感线圈和电容

这三个元件组成滤波电路，将全波整流后的电压变成波动少的直流。一般滤波电路有三种：1. 一个电容组成的滤波电路；2. 由一个电感线圈和一个电容组成的LC滤波电路；3. 由一个电感线圈和两个电容组成的π型滤波电路。一般的小功率电路常用第一种电路，大功率电路常用第二、三种，就性能来讲LC滤波电路优于电容滤波电路，π型滤波电路优于LC滤波电路，但π型滤波电路对整流二极管的冲击电流较大，所以我们采用LC滤波电路。

根据公式C=5T/2R L=5x0.02/2x28.4=1761MF。电感L取100mH。

4.6 屏蔽设施

磁场屏蔽的目的是限制磁性研磨产生的强磁场干扰数控元件，磁场屏蔽通常是指对直流或甚低频磁场的屏蔽，是我们要解决的一个重要问题。

磁场屏蔽主要是依赖导磁材料所具有的低磁阻，对磁通起分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。磁场屏蔽的设计要点：

（1）选用高导磁材料，如坡莫合金等。

（2）增加屏蔽体的壁厚。

以上两条均是为了减小屏蔽体的磁阻。

（3）被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置上，以尽量减小通过被屏蔽物体体内的磁通。

（4）注意磁屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风孔等均可能增加磁屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。为此，可以让缝隙成长条形通风孔循着磁场方向分布，这有利于屏蔽体的磁场方向的磁阻减小。

（5）对于强磁场的屏蔽，可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽内部强磁场的，则屏蔽体内层要选用不易磁饱和的材料，如硅钢等；而外部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等。反之，如果要屏蔽外部磁场时，则材料排列次序要倒过来。在安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的绝缘。

我们主要是屏蔽磁性研磨产生的强磁场，所以属于屏蔽内部的强磁场。根据磁场屏蔽的设计要点，应该采用屏蔽体内层选用不易磁饱和的材料，我们用硅钢；外层选用容易达到饱和的高导磁材料，我们用坡莫合金。

我们主要屏蔽的部位是数控元件，所以我们要把屏蔽体装在磁性研磨元件和数控机床之间，以防止强磁场对数控元件的影响。

4.7 退磁装置

当线圈中电流减到零值时，铁心在磁化时所获得的磁性还未完全消失，这时铁心中所保留的磁感应强度，称为剩磁感应强度。剩磁同样存在于被加工的磁性材料的工件中。

在某些工作环境中，工件中的剩磁会对整套设备带来不利的影响，因此必须对加工后的工件进行退磁处理。如果要使铁心中的剩磁消失，则必须改变线圈中励磁电流的方向，也就是改变磁场强度H 的方向来进行逆向磁化。在磁性研磨加工中，对线圈的供电方式，必须能够预先调整电流和使系统退磁，在工件材料改变和更换磁极头工作面积时，应调整线圈电流，并在改变工作间隙的磁感应之前进行退磁。电系统的复杂程度取决于调整机床时，磁感应强度变化的多少。

在重复调整次数较少的机床上，可采用图8的供电方式。由交变电流网提供电压，到控制自变压器T ，再由此通过整流器U 到磁感应器线圈W1和W2，开关S1切断全部电路。变压器T 可以无级的改变线圈W1和W2的电流，从而调整它们的磁动势。电流表A 记录线圈电流的大小，开关S2在退磁时改变线圈的电流方向。退磁靠变压器T 使线圈W1和W2的电压处在台阶位置，并改变线圈每一级的电流极性。为了使系统退磁良好，初级电压必须有12～16级位置。

1W 1

W 2

图8 退磁电路图

5 结束语

（1）磁性研磨加工是一种先进的表面光整加工新技术，它能够有效地提高工件表面的金属去除量，有效地降低表面粗糙度值，同时明显地改善了工件表面的应力分布状况。

（2）我们这里介绍的是在普通数控铣床上加上辅助工装改装成的一台数控磁性研磨机床，这种经改装过的数控机床功能完善，设备投入少，应用方便。近年来，我国在磁性研磨机床的开发研究方面，虽然有一定的进展，但真正在生产中的应用还很少,多数是处于实验研制阶段，所以我们的研究工作很有价值，当磁性研磨技术发展成熟时，将这种机床用到实践生产中会有很大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 余承业. 特种加工新技术. 北京：国防工业出版社，1995

[2] 陈敏等. 磁力研磨技术的研究. 机械工艺师，1996(2)：20~21

[3] 金东燮，张国林. 磁力研磨加工及其性能. 电加工，l989(4)：22

[4] 赵玉刚，江世成，周锦进. 自由曲面数字化磁性磨粒光整加工机床. 制造技术与机床，

1999，10：1~3

[5] 杨世春等. 表面质量与光整技术. 北京：机械工业出版社，2000

[6] 张学良，王振宁. 数控铣床磁力研磨加工的研究. 新技术新工艺. 2002，4：18~19

[7] 张学良，万秀颖. 模具型腔数控磁性研抛加工工艺参数的研究. 新技术新工艺. 2004，9：

32~33

[8] 薛源顺. 磨工工艺学. 北京：中国劳动出版社，1996

[9] 叶旭明，王善政，宿苏英等. 铣床改装成磁性研磨机及磁力系统计算. 制造技术与机床，

2003，11：78~80

[10] 秦曾煌. 电工学. 北京：高等教育出版社，1999

谢辞

毕业设计是对我们学习质量的检验，也是我们能力水平的证明，通过自己的努力，院系领导，指导老师及同学的帮助，我终于顺利地完成了毕业设计。在此衷心感谢院系领导给我们提供了实验室，创造了良好的学习环境和机会，使我们所学的知识得以巩固和应用，感谢指导老师张学良给与我们的指导和关怀，及时帮助我们发现和解决毕业设计中遇到的困难，同时感谢我们同一课题组的其他同学给我鼓励和帮助。