XM100光學(xué)銑磨機(jī)主軸軸承座立式磁性研磨機(jī)設(shè)計-主軸箱含5張CAD圖
XM100光學(xué)銑磨機(jī)主軸軸承座立式磁性研磨機(jī)設(shè)計-主軸箱含5張CAD圖,xm100,光學(xué),機(jī)主,軸承,立式,磁性,研磨機(jī),設(shè)計,主軸,cad
外文資料
The decisive criteria of the quality of machining tools are their productivity and working accuracy. One innovated method for improving the technological parameters of manufacturing machines (machine tools) is to optimise the structure of their nodal points and machine components. Because of the demands on machine tool productivity and accuracy, the spindle-housing system is the heart of the machine tool, Figure 1, [1]. Radial ball bearings with angular contact are employed in ever increasing arrays. The number of headstocks supported on ball bearings with angular contact is increasing proportionally with the increasing demands on the quality of the machine tool [2]. This is because these bearings can be arranged in various combinations to create bearing arrangements which can enable the reduction of both radial and axial loads. The possibility of varying the number of bearings, their preload value, dimensions and the contact angle of bearings used in the bearing nodes, creates a broad spectrum of combinations which enable us to achieve the adequate stiffness and high speed capabilities of the Spindle-Bearings System (SBS) [2], [3]. Adequate stiffness and revolving speed of the headstock are necessary conditions for meeting the manufacturing precision quality and machine tool productivity required by industry. When designing a machine tool headstock, the starting point is the design of the spindle support, as this limits the stability, accuracy and production capacity of the machine by its stiffness and revolving speed. However, the parameters influencing the stiffness and frequency can act in opposition to each other. The selection of the type of bearing has to take into consideration the optimization of its stiffness and revolving speed characteristics. The maximum turning speed of the bearings is a function of the maximum revolving speed of the individual bearings, their number, pre-load magnitude, manufacturing precision, and the types of lubrication used. The stiffness of the SBS depends on the stiffness of the bearings and the spindle itself. There are several methods that can be employed for determining the static stiffness of the spindle system, eg. [1] and [2].
However, one problem which has not yet been solved is the calculation of the stiffness of the bearings, (or nodes of bearings) in the individual housing, [7], [8], and [9]. Accurate calculation of the stiffness of the bearing nodes requires the determination of the static parameters of each bearing. From a mathematical point of view, this can be solved by using a system of non-linear differential equations, which requires the use of computers. To simplify the design, we need a static analysis which provides the basis for the dynamic characteristics of the mounting, and of the machine itself. Designers often prefer the conventional and proven methods of mounting, without taking into account the technical and technological parameters of the machine. For the design engineer, it is important to be able to undertake a quick evaluation of various SBS variants at the preliminary design stage. The success of the design will depend on the correct choice of suitable criteria for the SBS, and if the design engineer has adequate experience in this field. 2. Headstock – the heart of the machine tool the headstock, whether tool or workpiece carrier, has a direct influence on the static and dynamic properties of the cutting process. The spindle-bearing system (SBS) stiffness affects the surface quality, profile, and dimensional accuracy of the parts produced. It also has a direct influence on machine tool productivity because the width of cut influences the initiation of self-induced vibration; it is directly proportional to machine tool stiffness and damping. Complex analysis of the SBS is very difficult and complicated, [5]. The analysis requires an advanced understanding of mathematics, mechanics, machine parts, elastic-hydrodynamic theory, rolling housing techniques, and also programming skills. The results of our research into SBS have been divided into three parts: - new design of headstock - new design of "Duplo–Headstock“2.1. New design of headstock in the new design of a headstock which connects to a CNC system, the maximum width of cut is limited by the point at which self-exciting vibration starts. From a constructional point of view, the headstock design can be classified as follows: x classical headstock, x headstock with an integrated drive unit. The classical headstock is a mechanical unit, where a spindle is driven by a motor through a gearbox without any control system. The disadvantages of the classical construction are as follows: x problems with the gears at higher revolving frequencies, x actual cutting speeds are not continual because of the discontinuous nature of the gearboxes, x large dimensions of complete units. 2.2. New design of "Duplo–Headstock“The "Duplo-headstock“has been designed in order to achieve technological parameters comparable to the performance of standard electro-spindles, but at a lower production costs and with higher controllability. This particular headstock is assembled from readily available elements (bearings, single drives). The demands on the other peripheral devices are reduced, as are the costs. ?ubomír ?oo? et al. / Procedia Engineering 69 ( 2014 ) 1336 – 1344 1339 Figure 2 [5] shows the spindle (1), with built-in armature (2), is supported by bearings (3), (4). The stator (5) of the internal motor is supported in internal cylindrical body (6) on bearings (7), (8). The clutch (9) connects a hollow shaft with an external electro-motor (10). The stator feeding rings (11) are located in the rear part of the shaft. The clutch (12) enabling switching between working modes is located in the front part of the shaft. The advantage of this design, which is already in use, is that the headstock can work in three different modes: - stator is engaged on the spindle, - stator is engaged on the body, - no engagement. The “Duplo-headstock” can be described as a spindle with double supports, driven by two separate motors which can operate independently or together. Figures 3, 4, 5, 6 show the design of ?Duplo–headstock“. Connecting such a headstock with a suitable control system can provide optimal cutting conditions for various technological operations. The intelligent control system, Figure 7, can operate in any one of the working modes and ensure nominal or optimal technological parameters best suited to the machining process, [4]. Figure 8 shows the design for the construction of the "Duplo" Headstock. [6]. in the third mode (Figure 2), the clutch (12) is switched off. The spindle is driven by both motors, (Figure 5), providing the maximum speed, which is required, for example, in grinding.
3. Conclusion
The paper presents in a very concise form summary of our results in research of new design of the spindle housing system. Special attention is paid to two designs of headstock namely classical headstock and headstock with an integrated drive unit. Description of these two versions is introduced. The paper also presents the function model based on the patent as well as the real headstock according to the patent [5]. The design of the generator of movements can also be used for other industrial applications in practice [5]. Acknowledgements
The authors are grateful to support for this work to the Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Mechanical engineering, to the Operational Programmed for Science and Research in the frame of the project Competence Centre ITMS 26240220073 Project APVV SK-SRB-0045-11, to the Agency APVV - grant No. APVV– 0096-10 and to the Agency VEGA – grant ?. 1/0120/12.
中文譯文
??加工工具質(zhì)量的決定性標(biāo)準(zhǔn)是其生產(chǎn)率和工作精度。一種改進(jìn)制造機(jī)器（機(jī)床）的工藝參數(shù)的創(chuàng)新方法是優(yōu)化其節(jié)點和機(jī)器部件的結(jié)構(gòu)。由于對機(jī)床生產(chǎn)率和精度的要求，主軸箱系統(tǒng)是機(jī)床的核心，如圖1所示[1]。角度接觸的徑向滾珠軸承用于不斷增加的陣列中。隨著對機(jī)床質(zhì)量要求的不斷提高，角接觸球軸承所支撐的主軸箱數(shù)量也逐漸增加[2]。這是因為這些軸承可以以各種組合布置以產(chǎn)生可以減小徑向和軸向載荷的軸承布置。改變軸承數(shù)量，其預(yù)載荷值，軸承節(jié)點中使用的軸承的尺寸和接觸角的可能性創(chuàng)造了廣泛的組合，這使得我們能夠?qū)崿F(xiàn)主軸 - 軸承系統(tǒng)的足夠的剛度和高速能力（SBS）[2]，[3]。滿足工業(yè)要求的制造精度質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率的必要條件是，主軸箱具有足夠的剛度和轉(zhuǎn)速。設(shè)計機(jī)床主軸箱時，起點是主軸支架的設(shè)計，因為這會限制機(jī)器的剛度和轉(zhuǎn)速，從而限制機(jī)器的穩(wěn)定性，精度和生產(chǎn)能力。但是，影響剛度和頻率的參數(shù)可能會相互抵觸。軸承類型的選擇必須考慮到其剛度和轉(zhuǎn)速特性的優(yōu)化。軸承的最大轉(zhuǎn)速是單個軸承的最大轉(zhuǎn)速，它們的數(shù)量，預(yù)加載量，制造精度以及使用的潤滑類型的函數(shù)。 SBS的剛度取決于軸承和主軸本身的剛度。有幾種方法可用于確定主軸系統(tǒng)的靜態(tài)剛度，例如， [1]和[2]。
然而，尚未解決的一個問題是計算單個殼體中的軸承（或軸承的節(jié)點）的剛度，[7]，[8]，[9]。精確計算軸承節(jié)點的剛度需要確定每個軸承的靜態(tài)參數(shù)。從數(shù)學(xué)的角度來看，這可以通過使用需要使用計算機(jī)的非線性微分方程組來解決。為了簡化設(shè)計，我們需要一個靜態(tài)分析，為安裝和機(jī)器本身的動態(tài)特性提供基礎(chǔ)。設(shè)計人員通常更喜歡傳統(tǒng)和經(jīng)過驗證的安裝方法，而不考慮機(jī)器的技術(shù)和工藝參數(shù)。對于設(shè)計工程師而言，能夠在初步設(shè)計階段快速評估各種SBS變型非常重要。設(shè)計的成功取決于SBS適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的正確選擇，以及設(shè)計工程師是否具備足夠的經(jīng)驗。 2.主軸箱 - 機(jī)床的核心主軸箱，無論是刀具還是工件載具，都直接影響切割過程的靜態(tài)和動態(tài)特性。主軸軸承系統(tǒng)（SBS）剛度影響所生產(chǎn)零件的表面質(zhì)量，輪廓和尺寸精度。由于切割寬度影響自激振動的開始，因此它對機(jī)床生產(chǎn)率也有直接影響;它與機(jī)床剛度和阻尼成正比。對SBS的復(fù)雜分析非常困難和復(fù)雜[5]。分析需要對數(shù)學(xué)，力學(xué)，機(jī)械零件，彈性流體動力學(xué)理論，滾動外殼技術(shù)以及編程技巧有深入的了解。我們對SBS的研究結(jié)果分為三個部分： - 主軸箱的新設(shè)計 - “Duplo-Headstock”的新設(shè)計2.1。主軸箱的新設(shè)計在連接到CNC系統(tǒng)的主軸箱的新設(shè)計中，切割寬度受到自激振動開始點的限制從結(jié)構(gòu)上看，主軸箱設(shè)計可以分為以下幾類：x經(jīng)典主軸箱，帶有集成驅(qū)動單元的x主軸箱經(jīng)典主軸箱為機(jī)械其中一臺主軸由電機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動而沒有任何控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺點如下：x在較高轉(zhuǎn)速下齒輪存在問題，x實際切削速度不連續(xù)，因為不連續(xù)性的變速箱，x大型整體單元2.2“Duplo-主軸箱”的新設(shè)計“Duplo-主軸箱”的設(shè)計是為了實現(xiàn)可比的技術(shù)參數(shù)到標(biāo)準(zhǔn)電主軸的性能，但生產(chǎn)成本更低，可控性更高。這種特殊的主軸箱由現(xiàn)成的元件（軸承，單個驅(qū)動器）組裝而成。對其他外圍設(shè)備的要求也降低了，成本也降低了。 ?ubomír?oo?等人。圖2 [5]顯示帶有內(nèi)置電樞（2）的主軸（1）由軸承（3），（4）支撐。內(nèi)部電機(jī)的定子（5）支撐在軸承（7），（8）上的內(nèi)部圓柱體（6）中。離合器（9）將空心軸與外部電動機(jī)（10）連接。定子進(jìn)給環(huán)（11）位于軸的后部。能夠在工作模式之間切換的離合器（12）位于軸的前部。這種已經(jīng)在使用的設(shè)計的優(yōu)點是，頭架可以以三種不同的模式工作： - 定子與主軸嚙合， - 定子與主體嚙合， - 不嚙合。 “Duplo-headstock”可以被描述為一個雙支撐主軸，由兩個獨(dú)立運(yùn)行的電機(jī)驅(qū)動，可以獨(dú)立運(yùn)行或一起運(yùn)行。圖3,4,5,6顯示了“Duplo-headstock”的設(shè)計。將這樣的頭架連接到合適的控制系統(tǒng)可以為各種技術(shù)操作提供最佳切割條件。智能控制系統(tǒng)（圖7）可以在任何一種工作模式下運(yùn)行，并確保最適合加工過程的標(biāo)稱或最佳工藝參數(shù)[4]。圖8顯示了“Duplo”主軸箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 [6]。在第三種模式（圖2）中，離合器（12）關(guān)閉。主軸由兩個電機(jī)驅(qū)動（圖5），提供最大的速度，例如在磨削過程中所需的最大速度。
3.結(jié)論
本文以非常簡潔的形式總結(jié)了我們在主軸箱體系新設(shè)計研究方面取得的成果。 特別注意兩種頭架的設(shè)計，即經(jīng)典的頭架和帶集成驅(qū)動單元的頭架。 介紹了這兩個版本的描述。 本文還介紹了基于專利的功能模型以及根據(jù)專利[5]的真實主軸箱。 運(yùn)動發(fā)生器的設(shè)計也可以用于其他工業(yè)應(yīng)用[5]。致謝
? 作者感謝支持這項工作的斯洛伐克技術(shù)大學(xué)布拉迪斯拉發(fā)機(jī)械工程學(xué)院的科學(xué)和研究運(yùn)作計劃在框架項目能力中心ITMS 26240220073項目APVV SK-SRB-0045-11 ，代理APVV - 授權(quán)號APVV-0096-10和代理VEGA - 授權(quán)。1/0120/12。
XM100光學(xué)銑磨機(jī)主軸軸承座立式磁性研磨機(jī)設(shè)計 （主軸箱設(shè)計）
摘 要
磁性研磨加工方法是一種利用磁場作用進(jìn)行研磨加工的新型表面光整加工方法，是通過研磨混合物作為研磨工具作用在工件表面，進(jìn)行精密加工的。
本設(shè)計主要完成的是軸類零件的磁性研磨加工機(jī)床的設(shè)計。
在查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，闡述了磁性研磨加工技術(shù)發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及加工原理和加工特點，并針對不同的加工對象，提出了專門化加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)方案。
本文針對軸類零件的內(nèi)圓表面進(jìn)行加工。在進(jìn)行機(jī)床總體設(shè)計的同時，著重完成磁極裝置和主軸箱部分的設(shè)計。
主軸箱通過撥桿結(jié)構(gòu)使主軸可以有12級變速。主軸箱通過齒輪帶動將電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速傳動傳遞到主軸，使機(jī)床可以正常工作。
磁性研磨加工裝置的設(shè)計采用電磁勵磁方式，不僅電流調(diào)整方便，適應(yīng)不同材料的工件的加工，更重要的是退磁方便可靠， 便于磁性磨料的裝卸，可保證光整加工效果。
關(guān)鍵詞: 磁性研磨；主軸箱部件；電磁磁極； 主軸
XM100 optical milling mill spindle bearing vertical magnetic grinder design (Headstock design)
ABSTRACT
The magnetic grinding method is a new type of surface finishing method that utilizes the action of a magnetic field to perform the grinding process. The grinding mixture is used as a grinding tool to act on the surface of the workpiece and perform precision machining.
This design mainly completes the design of magnetic grinding machine tools for shaft parts.
On the basis of consulting a large number of domestic and foreign documents, the development history, research status, development trends, processing principles and processing characteristics of magnetic grinding processing technology are described. According to different processing objects, the composition of specialized processing equipment is proposed.
This article deals with the machining of the inner surface of a shaft part. While carrying out the overall design of the machine tool, the design of the magnetic pole device and the headstock part is emphatically completed.
The spindle box allows the gear to have 12 speed changes through the lever structure. The spindle box drives the power and speed of the motor to the main shaft through the gears so that the machine can work normally.
The design of magnetic grinding processing equipment adopts electromagnetic excitation mode, which not only facilitates current adjustment, but also adapts to the processing of workpieces with different materials. More importantly, it is convenient and reliable for demagnetization, which facilitates the loading and unloading of magnetic abrasives and ensures the smoothing effect.
Keywords : magnetic grinding; spindle box component; electromagnetic pole; spindle
III
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 選題背景及意義 2
1.2.1 課題產(chǎn)生的背景 2
1.2.2 選題的意義 2
1.3 磁力研磨加工技術(shù)概述 3
1.3.1 磁力研磨加工技術(shù)的發(fā)展歷史 3
1.3.2 磁性研磨加工的發(fā)展趨勢 5
1.4 磁性研磨加工的特點 7
2 磁性研磨加工 9
2.1 研磨加工機(jī)理 9
2.1.1 微量切削作用 10
2.1.2 磨損作用 10
2.1.3 電化學(xué)作用 11
2.1.4 磨粒的切削軌跡 11
2.2 影響磁性研磨光整加工效果的因素 12
2.2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度 12
2.2.2 工作間隙 14
2.2.3 工件的回轉(zhuǎn)速度 15
2.2.4 工件的軸向振動 15
2.2.5 工件的材質(zhì) 16
2.2.6 磁極頭的幾何形狀 18
2.2.7 加工液 20
2.2.8 磁磨粉 21
2.3 磁性研磨加工的裝置 23
3 磁性研磨機(jī)床總體設(shè)計 27
3.1 單件加工時的總體方案設(shè)計 27
3.1.1 運(yùn)動分配方案 27
3.1.2 方案比較 27
3.2 總體方案的確定 28
4 磁極裝置設(shè)計 29
4.1 方案比較 29
4.1.1 電磁和永磁磁極的比較 29
4.1.2 磁極排列方式比較 30
4.1.3 磁極調(diào)整方式比較 30
4.2 磁場發(fā)生裝置設(shè)計 31
4.2.1 磁路設(shè)計理論概述 31
4.2.2 磁路結(jié)構(gòu) 32
4.2.3 線圈的設(shè)計 32
4.2.4 磁極的設(shè)計 37
5 主軸箱部件設(shè)計 39
5.1 運(yùn)動設(shè)計 39
5.1.1 已知條件 39
5.1.2 結(jié)構(gòu)分析式 39
5.1.3 繪制轉(zhuǎn)速圖 40
5.1.4 繪制傳動系統(tǒng)圖 44
5.2 動力設(shè)計 44
5.2.1 確定各軸轉(zhuǎn)速 44
5.2.2 帶傳動設(shè)計 45
5.2.3 各傳動組齒輪模數(shù)的確定和校核 47
5.3 齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 50
5.3.1 校核a傳動組齒輪 50
5.3.2 校核b傳動組齒輪 52
5.3.3 校核c傳動組齒輪 53
5.3.4 齒輪各項參數(shù)的確定 55
5.4 各軸的設(shè)計及主軸的校核 56
5.4.1 確定各軸最小直徑 56
5.4.2 各軸軸承選擇 57
5.4.3 主軸尺寸的確定 57
5.5 傳動部件的強(qiáng)度驗算 58
5.5.1 傳動1軸上的強(qiáng)度驗算 58
5.5.2 傳動系統(tǒng)的主軸及軸上零件設(shè)計校核 63
5.5.3 主軸組件的剛度驗算 68
5.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明 70
5.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容、技術(shù)要求和方案 70
5.6.2 展開圖及其布置 70
5.6.3 齒輪塊設(shè)計 71
5.6.4 傳動軸的設(shè)計 72
5.6.5 潤滑與密封 73
5.6.6 其他問題 74
6 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 75
6.1 方案的比較 75
6.2 螺旋傳動的幾種優(yōu)點 75
6.3 滑動螺旋傳動的特點 75
6.4 螺紋形式的選用 75
6.5 滑動螺旋傳動副的設(shè)計計算 75
6.5.1 耐磨性計算 76
6.5.2 驗算自鎖 77
6.5.3 螺桿強(qiáng)度 78
6.5.4 螺桿的穩(wěn)定性 79
6.5.5 螺桿的剛度 80
6.6 振動機(jī)構(gòu)總體設(shè)計 82
6.6.1 振動機(jī)構(gòu)選擇 82
6.6.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 84
7 立式研磨機(jī)床的支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計 88
7.1 材料及熱處理 88
7.2 壁厚的選擇 88
7.3 立柱的設(shè)計 89
結(jié) 論 90
參考文獻(xiàn) 91
致 謝 92
1 緒論
1.1 引言
現(xiàn)代科技的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量的不斷提高，使得作為國民經(jīng)濟(jì)各部分提供技術(shù)裝備的機(jī)械工業(yè)，無論在加工技術(shù)還是加工設(shè)備的各個方面都要求取得飛速發(fā)展。人們對許多產(chǎn)品的性能、質(zhì)量都提出了越來越高的要求，期望以低廉的價格，獲取功能齊全、性能良好、使用可靠的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。光整加工技術(shù)的宗旨正是以提高零件表面質(zhì)量為目的，該技術(shù)在保持或提高零件型面加工精度的前提下，可以降低零件表面的粗糙度值。經(jīng)過光整加工的零件表面具有低的表面粗糙度和良好的表面微觀幾何形貌，不僅具有良好的外觀質(zhì)量，而且還有耐磨、防腐蝕和抗疲勞等作用。就外觀質(zhì)量來說，對于一些產(chǎn)品尤其是承受沖擊和交變載荷的產(chǎn)品來說，一般其表面粗糙度值降低，其使用壽命可以顯著提高。如對滾動軸承來說，如果使其滾道的表面粗糙度值由RaO.4um提高到RaO.04um，其使用壽命可以提高4倍以上，并能消除波紋度、減小軸承的振動和噪聲?？梢姽庹庸τ谔岣弋a(chǎn)品的質(zhì)量和性能具有至關(guān)重要的作用。
國際上目前采用的光整加工的方法主要有:手工拋光、機(jī)械研磨拋光、 超聲波拋光、化學(xué)與電化學(xué)拋光、電化學(xué)機(jī)械光整加工、磁性研磨等 。手工拋光是最常用的光整加工方法。這種方法不僅勞動強(qiáng)度大，加工效率低，而且對工人的技術(shù)熟練程度要求高。超聲波拋光也是一種手工操作的輔助拋光方式，主要用于槽、縫、邊角等人的手指難觸及的部位的拋光，這種拋光方式的加工效率非常低。相比之下，化學(xué)、電化學(xué)拋光和電化學(xué)機(jī)械光整加工的加工效率則要高的多，由于這三種加工方式屬于腐蝕和溶解加工，對材料的硬度、韌性和強(qiáng)度等幾乎不受任何限制，目前己經(jīng)在內(nèi)外圓柱表面的鏡面加工中獲得應(yīng)用。雖然化學(xué)、電化學(xué)和電化學(xué)機(jī)械光整加工方法有著很高的加工效率，但由于影響它們的加工因素很多，難于控制，對環(huán)境和工人的健康也有一定程度的危害，其應(yīng)用范圍受到很大的制約，目前還僅能用于一些簡單型面或小的復(fù)雜工件的光整加工上。
磁性研磨加工技術(shù)是一種有效的光整加工方法之一，這種加工方法具有高效率、高精度和高表面質(zhì)量的特點，適合于平面、球面、圓柱面和其他復(fù)雜形狀零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。值得一提的是磁性研磨加工技術(shù)可以很好的與數(shù)控機(jī)床，加工中心和機(jī)器人結(jié)合，以使實現(xiàn)光整加工的自動化。因此磁性研磨加工技術(shù)越來越得到重視。
1.2 選題背景及意義
1.2.1 課題產(chǎn)生的背景
裝備制造業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,精密研磨技術(shù)是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的基礎(chǔ)。然而世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家將精密加工列為國家保密技術(shù),不僅采取很多措施來發(fā)展自己的精密加工技術(shù)及其產(chǎn)業(yè),而且在“高精尖”精密加工關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策。發(fā)展以精密加工技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。在精密加工領(lǐng)域由于常規(guī)的加工方法有著各方面的限制，也不易對其進(jìn)行有效的加工。另外，一些微小零件如各種首飾、電氣電路中使用的觸點、軸承的滾珠等，由于體積比較小，不方便裝夾，也難以應(yīng)用常規(guī)的方法對其進(jìn)行表面拋光加工。為了解決這些問題，發(fā)展磁力研磨加工技術(shù)對我國裝備制造業(yè)未來發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。
1.2.2 選題的意義
由于上述的各種理由，為了滿足生產(chǎn)和生活的需求，我們有必要開發(fā)一種能夠滿足加工要求且成本低廉、操作簡便、高效率的拋光方法，以突破傳統(tǒng)加工方法所遭遇的瓶頸。近幾十年來興起的磁力研磨是一種比較有前景的光整加工技術(shù)。它具有高精度、高表面質(zhì)量、低成本，以及易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點.利用磁力研磨加工物流管道內(nèi)表面可以克服傳統(tǒng)加工方法的一些限制與不足，幾乎可以對任何非導(dǎo)磁性材料進(jìn)行加工，并獲得優(yōu)異的加工效果。使用磁力研磨也可以方便的對微小零件表面進(jìn)行加工，可以多個零件同時加工，能夠在去除量比較小的情況下獲得滿意的表面質(zhì)量。本文的選題，旨在為加工主軸軸承座設(shè)計專用磁研磨機(jī)床。機(jī)床可以快速精確的加工出合格的零件來滿足生產(chǎn)要求。并通過本次設(shè)計來探究磁研磨技術(shù)的應(yīng)用，為以后磁研磨技術(shù)在我國發(fā)展助力，提高我國制造能力和水平,提高對多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。
1.3 磁力研磨加工技術(shù)概述
1.3.1 磁力研磨加工技術(shù)的發(fā)展歷史
磁性研磨加工技術(shù)MAF (Magnetic Abrasive Finishing)最早出現(xiàn)在前蘇聯(lián)，它的概念首次由蘇聯(lián)工程師Kargolow，于1938年提出。隨后50年代及60年代末，前蘇聯(lián)的Konovalov Hulev， Baron和Sakulevich等人一直致力于磁性研磨的研究和推廣應(yīng)用工作。而后，保加利亞從70年代中期起一直在發(fā)展MAF技術(shù)，(例如Makedonsky等)，并在其國內(nèi)舉辦了多次國際性的專題學(xué)術(shù)會議。
日本是從80年代初開始對磁性研磨加工進(jìn)行研究的，并開發(fā)出了多種磁性研磨加工設(shè)備。其中有代表性的研究學(xué)者有日本宇都宮大學(xué)的Takeo Shinmura，Toshio Aizawa，日本東京大學(xué)的Masahiro Anzai，Koichi Masaki等，其中Takeo Shinmura研制開發(fā)了多種加工鐵磁性工件和非鐵磁性工件的磁性研磨加工裝置，如平面、圓柱內(nèi)外表面、球面等磁性研磨加工裝置，并分別對它們的光整加工特性進(jìn)行了研究。這些加工裝置有的采用永久磁體來產(chǎn)生恒定磁場，有的則采用電磁體來形成強(qiáng)度可以控制的磁場；有的采用工件移動外加一定振幅和頻率的振動來實現(xiàn)磁性研磨加工；有的采用磁性裝置的移動外加一定振幅和頻率的振動來進(jìn)行加工；有的則采用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的辦法實現(xiàn)磁性研磨工。Takeo Shinmura在研制各種形式磁性研磨加工設(shè)備的同時，對各種場合的加工工藝進(jìn)行了較深入的理論分析和實驗研究，如磁場強(qiáng)度、加工間隙、磨料與工件的相對移動速度、磁性磨料的成分和粒度等因素對加工質(zhì)量和效率的影響以及它們之間的相互關(guān)系。
韓國近幾年來也在致力于磁性研磨光整加工的研究，例如韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所Jeong-Du Kim， Youn-Hee Kang等發(fā)明的磁性磨料噴射光整加工裝置，該裝置為非圓截面管子內(nèi)壁的光整加工提供了有效的加工方法。
另外，美國Oklahoma州立大學(xué)的Komandmi等人也開始有關(guān)方面的研究工作；德國已經(jīng)出版了有關(guān)方面的論文；英國的幾家公司也生產(chǎn)了用于修飾性加工和去毛刺的磁性研磨設(shè)備。迄今為止，國外的磁性研磨技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在多個方面。如不銹鋼凈氣瓶的內(nèi)壁研磨，研磨修正超硬磨料砂輪，研磨塑料透鏡，細(xì)長軸類陶瓷加工，軸承環(huán)及內(nèi)外圈滾道，液壓機(jī)械用的滑閥、泵齒輪、球閥，家用不銹鋼器皿，螺紋軋棍，滾珠絲杠，滾珠軸承保持架，盤形制動器，縫紉機(jī)零件，活塞，凸輪軸，葉片等異型零件的去毛刺與拋光加工等。
我國對磁性研磨光整加工技術(shù)的研究是從80年代中期開始的，起步比較晚，由于投入的人力有限，不論是研究的深度還是廣度與國外均有比較大的差距，所以現(xiàn)在仍處于試驗階段，實際應(yīng)用的不多。一直以來，國內(nèi)的研究多限于比較簡單的平面、圓柱面的磁性研磨光整加工工藝，不過近幾年許多科研單位或高校(如哈爾濱理工大學(xué)、太原理工大學(xué)、沈陽大學(xué)、大連理工大學(xué)等)也已開始對磁性研磨加工技術(shù)向深度和廣度進(jìn)行研究，這些研究單位自行研制出不同的磁力研磨實驗裝置（大部分是由普通鉆床、車床和銑床改制而成），并對軸承滾道、鋼管、螺紋環(huán)規(guī)、絲錐、電機(jī)軸、齒輪、階梯軸、鋼球等工件進(jìn)行了研磨實驗，取得了較理想的加工效果。其中大連理工大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)還進(jìn)行了電化學(xué)磁力研磨復(fù)合技術(shù)的研究開發(fā)，華僑大學(xué)的方建成等人在傳統(tǒng)磁力研磨加工理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場磁力研磨加工的研究，提出了脈沖電路控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場實現(xiàn)無運(yùn)動部件光整加工的新思路。磁力研磨加工技術(shù)在我國得不到廣泛推廣的一方面原因是磁性磨料制作成本高、工件的裝夾與去磁問題不易解決，形成不了批量生產(chǎn)。更主要的原因是不能對復(fù)雜曲面進(jìn)行多自由度自動化研磨光整加工，使這一技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用特別是模具工業(yè)應(yīng)用受到了限制。目前也有研究單位利用五自由度并聯(lián)機(jī)床對復(fù)雜模具型腔進(jìn)行磁力研磨研究將是一個有益的嘗試。他們也開始對曲面磁性研磨加工工藝和設(shè)備進(jìn)行研究，并且已取得了一定的成就，不過遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠深入，至于磁性研磨加工技術(shù)的推廣應(yīng)用更是微乎其微。
1.3.2 磁性研磨加工的發(fā)展趨勢
目前，對磁力研磨的研究主要體現(xiàn)在磁力研磨加工的工藝和理論、加工裝置以及磁性磨料等領(lǐng)域上，而今后仍然需要研究解決的課題有:
1.3.2.1 磁力研磨加工機(jī)理的研究
磁路系統(tǒng)中，不同的加工材質(zhì)對加工區(qū)域的磁場有很大的影響。下面我們分別以鐵磁性45 # 鋼和非鐵磁性1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材料為代表進(jìn)行討論。
(a) 鐵磁性材料 (b) 非鐵磁性材料
圖1-1 磁場分布示意圖
(1) 對鐵磁性材質(zhì)工件的加工，加工區(qū)域的磁場分布如圖1-1 (a) 所示，在加工間隙里接近工件表面的部位，磁場梯度為正，磁性磨粒受到磁場作用而壓向工件表面，這是加工壓力的來源，在加工區(qū)域外，磁場強(qiáng)度比加工區(qū)域小很多，加工區(qū)域從內(nèi)到外的磁場梯度是負(fù)值，磁場作用力使磁性磨料束縛在加工區(qū)域內(nèi)，當(dāng)工件和磁極產(chǎn)生相對運(yùn)動時，就能對其外表面進(jìn)行研磨加工。
(2) 對非鐵磁性材質(zhì)工件的加工，加工區(qū)域內(nèi)磁場分布如圖1-1 (b) 所示。在加工間隙內(nèi)外磁場變化不明顯，幾乎不存在磁場梯度，且磁場強(qiáng)度大小也達(dá)不到要求，因而不能產(chǎn)生足夠的加工壓力，也不能使磁性磨料保持在加工區(qū)域。需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇怕犯倪M(jìn)，及其它有效的措施來增加研磨加工區(qū)域的磁場強(qiáng)度，以滿足研磨加工的要求。
根據(jù)電磁學(xué)理論可知，加工零件在強(qiáng)磁場作用下，零件內(nèi)部的磁分子排列整齊而變成磁性材料，形成磁場和磁力線。由磁力線特性可知，每根磁力線又產(chǎn)生相互排斥的作用力，這種作用力必然對工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，可以斷定磁力研磨加工機(jī)理決非簡單的一定壓力下的切削作用。因此，欲在理論上有重大的突破，指導(dǎo)工藝改進(jìn)，必須深入研究磁力研磨加工機(jī)理。
1.3.2.2 新型磁性磨料的研制開發(fā)
目前國內(nèi)外制作的磁性磨料存在制作成本較高、使用壽命短、研磨效率低、不能進(jìn)行超精研磨拋光等問題，其根本原因是磁性材料的磁化率偏低，而通過一定手段提高可溶性和磁化率，卻又顯著提高了制作成本。因此，需要研制新型磁性磨料，力求降低制作成本，提高使用壽命，增強(qiáng)切削能力。
1.3.2.3 工藝參數(shù)的研究
磁力研磨不僅受到工件材質(zhì)、工件尺寸的影響，也受到形狀的制約。對不同位置角度、不同曲率的表面，其去除規(guī)律是不同的，必須對此進(jìn)行深入研究，以取得整個表面相同的表面粗糙度，不破壞工件原有的精度。
1.3.2.4 磁力研磨自動化研究及面向模具型腔表面拋光的磁力研磨裝置的開發(fā)
近年來，由于數(shù)控機(jī)床的CAD/CAM系統(tǒng)引進(jìn)，使得多數(shù)模具制造實現(xiàn)程序自動化，但模具型腔表面的精加工還必須由技術(shù)熟練的工人進(jìn)行手工完成，仍未實現(xiàn)3D表面彎曲的模具表面的自動精加工，而磁力研磨精加工方法被認(rèn)為是一種實現(xiàn)3D表面精加工自動化的可行方法。因此，致力于磁力研磨自動化研究及開發(fā)面向模具型腔表面拋光的磁力研磨裝置具有十分重要的意義。必須注意的是，進(jìn)行這方面的研究需要同工藝相結(jié)合，開發(fā)出能適應(yīng)不同模具型腔表面的磁力研磨數(shù)控裝置。
1.3.2.5 交變或運(yùn)動磁場的磁力研磨裝置的開發(fā)
帶有交變磁場的磁力研磨裝置由于無運(yùn)動部件而非?？煽浚枰褂镁哂休^強(qiáng)磁性的磁性磨料。因此，首先應(yīng)開展強(qiáng)磁性磨料的研究工作。
1.3.2.6 進(jìn)一步研究電化學(xué)磁力研磨復(fù)合加工工藝
由于電化學(xué)加工和磁力研磨加工對材料有去除作用，且單純磁力研磨的機(jī)械作用并不破壞工件的原有精度。因此可以考慮加大這種復(fù)合加工中的機(jī)械作用能力，使磁力研磨不僅限于刮除氧化膜，而同時直接參與磨削，從而提高加工質(zhì)量和效率。
1.4 磁性研磨加工的特點
與傳統(tǒng)的研磨、拋光加工工藝相比，磁性研磨光整加工工藝具有許多優(yōu)點:
(1) 在磁場中磁化的磨粒，靠磁場的作用力可彼此非剛性地固結(jié)在一起形成磨料刷，由于磁性研磨的“磁刷”是柔性的，它的形狀在加工的過程中能夠隨工件形狀的變化而變化，因而具有很好的自適應(yīng)性。
(2) 加工中磁極和工件的相對運(yùn)動使磨料沿加工表面滑動的同時出現(xiàn)滾動，磁性磨料之間不斷的更換位置，使磁性研磨加工具有極好的自銳性，和普通砂輪加工相比，不存在堵塞現(xiàn)象，在很大程度上提高了磁性研磨加工的效率。
(3) 通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小可以改變磁場強(qiáng)度，實現(xiàn)控制研磨壓力大小的目的，同時可以調(diào)節(jié)磁性磨料的磁場保持力和加工狀態(tài)中的其他有關(guān)參數(shù)。
(4) 磁性研磨的切削深度小，能量的損耗小，研磨溫升和工件變形相對較小，加工表面光潔平整，適合于加工薄壁零件。
(5) 適用范圍廣，磁性研磨加工不僅可以加工磁性材料，如鋼件、鑄件，還可以加工非磁性材料，如陶瓷、玻璃、塑料、鋁合金等；磁性研磨加工不僅可以加工平面、內(nèi)外圓柱面、薄板件、球面，還可以用來加工復(fù)雜曲面，甚至能加工普通加工手段無法進(jìn)入和加工的表面，如各種模具以及管道的內(nèi)表面等。
(6) 磨削能力強(qiáng)，加工時間短，生產(chǎn)效率高。
(7) 在對工件進(jìn)行光整加工的同時，不僅可以去除機(jī)加工和磨削加工產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，而且能夠形成160-210Mpa的預(yù)留壓應(yīng)力，這可以大大提高工件的抗疲勞強(qiáng)度，改變了機(jī)械物理性能。
(8) 加工裝置簡單，像機(jī)床的配件一樣,可借助通用機(jī)床或舊機(jī)床改造而成。
(9) 磁性磨料可快速更換。
磁性研磨加工的眾多優(yōu)點使得它在精加工領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的魅力。特別是磁性研磨良好的柔性和自適應(yīng)性，為其與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行復(fù)雜曲面的光整加工創(chuàng)造了條件，使得磁性研磨加工的自動化得以實現(xiàn)。
2 磁性研磨加工
2.1 研磨加工機(jī)理
所謂磁性研磨就是磁性磨料在磁場作用下，對工件表面進(jìn)行修飾和修磨的一種方法。以研磨鐵磁性材料工件外圓為例。如圖2-1所示，工件放入兩磁極形成的磁場中，在工件和磁極的間隙內(nèi)放入磁性磨料(由鐵磁性材料的微粉與具有磨削能力的磨粒按一定比例混合后，在高溫高壓下燒結(jié)，經(jīng)粉碎而成)。在磁場力作用下, 磨料沿磁力線方向整齊排列，形成一只柔軟并且具有一定剛度的磁力研磨刷。
圖2-1 磁性研磨加工原理圖
當(dāng)工件在磁極中旋轉(zhuǎn)并作軸向振動時，工件與磨粒發(fā)生相對運(yùn)動，研磨刷就對工件表面進(jìn)行研磨加工。磁力研磨的磁性磨料是由微小磨粒組成的磨粒群。在磁場的作用下，沿著磁力線方向有序的排列成磁力刷，磁力刷與工件表面接觸尺寸是厘米級的，但由于磁力刷的可塑性，真正在研磨中起決定作用的是磁性磨粒的粒徑，它是亞毫米級的。去除材料時，磁性磨粒采取的是“彈性切入”方式，而不是“強(qiáng)制切入”方式.這種方式大體上是仿效前道工序的表面進(jìn)行的。所以，磁力研磨不具備對前道工序加工表面的主動修整能力，主要是為了表面的微觀質(zhì)量的改善，而不是宏觀的形狀尺寸的改變。磁力研磨的實驗研究磨粒群受到磁場中磁力的作用而壓向工件表面，同時磁性磨粒和工件二者之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，根據(jù)受力的不同，在接觸面上的磨粒將產(chǎn)生切削、滑動和滾動等運(yùn)動形式，從而使工件表面得到研磨加工。
2.1.1 微量切削作用
由于磨料磨粒的硬度比工件材料的硬度要高，在研磨壓力和相對運(yùn)動作用下，磨粒刃尖將對工件表面產(chǎn)生切削作用。如圖2-2所示，這是對磨料進(jìn)行簡化后的微量切削模型。此時，磨粒在工件表面上的作用力可分為法向力Fp，和切向力Ff，法向力Fp從此使磨粒壓向工件表面，在表面形成壓痕，對表面施加一定的擠壓作用，能改變工件表面的應(yīng)力狀況，磨粒向前推進(jìn)的時候產(chǎn)生切向力Ff。當(dāng)磨粒的形狀和方向適當(dāng)時，磨粒就像刀具的切削刃一樣，在工件表面進(jìn)行微量切削而產(chǎn)生切屑。由于磁性磨粒的粒徑很小，切入工件表面的深度一般不會超過0.2 - 0.3，切深小于前道工序加工后留下的缺陷.產(chǎn)生的切屑很小，工件的加工變質(zhì)層極薄，殘余應(yīng)力也很微小，因此這種加工方法屬于微量切削，加工后得到的表面粗糙度值很小.
圖 2-2 微量切削模型
2.1.2 磨損作用
磁性磨粒一般具有較高的硬度，它們在磁場的作用下與加工面接觸做相對運(yùn)動，但是前述的微量切削過程并不是唯一的。有時磨粒會在工件表面上產(chǎn)生其它幾種磨削現(xiàn)象:有一帶而過的滑擦，工件表面僅留下一條滑痕；發(fā)生塑性變形，擦出一條兩邊隆起溝紋；或者犁出一條溝槽，兩邊翻出飛邊。在很多的情況下發(fā)生的是后兩種磨削現(xiàn)象。在磁性磨粒的連續(xù)加工過程中，已出現(xiàn)塑性變形或飛邊堆積的表面層金屬將發(fā)生反復(fù)的塑變，產(chǎn)生表面加工硬化作用，最后剝落成為磨屑。另外，由于磁性磨粒一般集中在磁力線密集的表面不平輪廓峰附近，微觀表面不平輪廓峰部分磨損相對較大，使其不平度下降加快。經(jīng)過多次塑變磨損作用下可以較快的獲得光滑的工件表面，而且不影響工件的尺寸和形狀精度。
2.1.3 電化學(xué)作用
磁力研磨加工過程中存在著電化學(xué)作用，工件表面被切削、磨損后，純凈的金屬將暴露在空氣中，會與外部介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，表面被迅速氧化形成一層極薄的氧化膜。在摩擦過程中氧化膜容易從工件表面脫落。在連續(xù)研磨的過程中，工件表層金屬不斷的氧化—脫落—再氧化—再脫落，從而提高了研磨效率。另外，回轉(zhuǎn)的工件在交變磁場作用下，表面反復(fù)充電，強(qiáng)化了表面的電化學(xué)過程，進(jìn)一步提高研磨效率。
2.1.4 磨粒的切削軌跡
磁刷端部的磨粒，在研磨過程中切削刃的切削軌跡，將在工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向振動中共同構(gòu)成一個交叉角，正是由于交叉角的存在，才使得加工過程中工件表面被充分地得到加工，加工質(zhì)量得到提高。交叉角即磨粒切削刃軌跡與工件回轉(zhuǎn)方向上的夾角。其計算公式為：
式中 v——工件的圓周回轉(zhuǎn)速度；
f——工件的軸向振動頻率；
a——工件的軸向振動振幅大小。
在實際加工中，磁刷為柔軟的彈性磁鏈，受到研磨阻力后極容易產(chǎn)生變形，使得加工中工件表面上磨粒的實際軌跡與理論上不同，其交叉角為，且。
2.2 影響磁性研磨光整加工效果的因素
評定磁性研磨光整加工效果的指標(biāo)主要有三項：
表面金屬去除量；
表面粗糙度值；
表面應(yīng)力分布狀況。
影響磁性研磨加工效果的因素主要有以下幾方面：磁感應(yīng)強(qiáng)度、工作間隙、工件回轉(zhuǎn)速度、工件的軸向振動、工件材質(zhì)、磁極頭形狀、磁磨粉、添加劑及前道工序的表面粗糙度等。
在加工過程中，工件表面層的金屬去除量和表面粗糙度值的變化如圖3-2（見下頁）所示。表面粗糙度值在磁性研磨初期急劇下降，但從第8min后，只有極小的變化，最后穩(wěn)定在一定數(shù)值上，大約為Ra0.2μm。整個磁性研磨過程只進(jìn)行6～10min，即可使表面粗糙度值由研磨的初始值減小到Ra0.2μm左右；金屬去除厚度和研磨時間大體上呈直線上升趨勢，且去除量很小。在加工8min后，對應(yīng)的直徑減小量為ΔD=64μm。由此看出，磁性研磨這種加工方法，既不會破壞前一道工序的集合形狀精度，又可使表面粗糙度值降低到很小，可見這種光整加工方法的加工效果是十分理想的。下面就影響加工效果的諸因素進(jìn)行討論。
2.2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度
在磁性研磨加工中，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度是影響加工效果的主要因素之一。改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，會使工件獲得不同的加工效果。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱時，金屬去除量較小，表面粗糙度值較大。由前所述：研磨壓力P正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱時，研磨壓力相應(yīng)也小，磨粒沿著磁力線方向相互銜接形成的“磁串”之間的保持力也較弱。當(dāng)工件與“磁串”末端的磨粒產(chǎn)生相互運(yùn)動時，磨粒比較容易從“磁串”上
圖3-2 磁性加工研磨特征
掉下來，因此金屬表面的去除量較小，表面粗糙度值的減小也較緩慢。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，使磁場磁力增大，研磨壓力隨之增大，磁串之間的保持力增大，磨削能力得到加強(qiáng)，因而金屬去除量增大，表面粗糙度值減小加快。但是當(dāng)繼續(xù)增加磁感應(yīng)強(qiáng)度時，將使磁串之間的保持力進(jìn)一步加大，“磁刷”的剛性明顯增加，研磨壓力增大，使靠近工件表面的磨粒貼附在工件表面上，“磁刷”不再產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)滾動現(xiàn)象，磨粒得不到及時轉(zhuǎn)移而破壞了磁刷的磨削能力，導(dǎo)致金屬去除量減小。同時，由于磁刷的剛性，增大了表面的劃痕程度，表面粗糙度值會隨之增大。
另一方面，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，研磨壓力增大，磨粒會貼附在工件表面上，隨工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動飛離工作區(qū)而失去切削能力，金屬去除量將隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而減小，表面粗糙度值也會增大?？梢姶艌龅拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度有一最佳使用范圍，由圖3-3可
知，選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.8～1.2T較好，一般不超過1.4T。
圖3-3 磁感應(yīng)強(qiáng)度對加工效果的影響
在選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小時，要注意“磁飽和”現(xiàn)象的產(chǎn)生。鐵芯、磁回路一定要在沒有飽和的狀態(tài)下進(jìn)行。
2.2.2 工作間隙
工作間隙是指工件表面和磁極之間的間隙。以下討論兩種情況。
1、在工作間隙中填充質(zhì)量一定的磁粉
若工作間隙由g=1mm增大到g=3mm時，通過實驗可看到：金屬去除量在逐漸減??；表面粗糙度值在逐漸增大。由于工作間隙增大，使磁刷的研磨長度增長，有限的磨料排列的密度減小，導(dǎo)致切削能力下降。
2、在工作間隙中填充足夠多的磁磨粉
通過實驗觀察到的情況如下：
（1）當(dāng)工作間隙g=1mm～3mm時，可獲得較小的表面粗糙度Ra值。過大過小的工作間隙，都將使表面粗糙度值Ra增大。
（2）當(dāng)工作間隙g＜1mm時，工作間隙內(nèi)“磁串”較短，磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，使“磁刷”柔性降低，對工件表面劃傷程度加重，表面粗糙度值增大。同時由于工作間隙小而不易填充足夠的磁磨粉，磁磨粉會在加工中會飛散而失去研磨能力。
（3）當(dāng)工作間隙g＞3mm時，過大的工作間隙將增大磁阻，漏磁增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱，磨粒間的壓力減小，磁磨粉同樣不能很好地保持在工作間隙內(nèi)，最終導(dǎo)致磨削能力下降。
2.2.3 工件的回轉(zhuǎn)速度
工件的回轉(zhuǎn)速度的選擇取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁極頭形狀、工作間隙等多種因素。正常工作條件下取V=20～100 m/min.當(dāng)工件的回轉(zhuǎn)速度逐漸增大時，由于單位時間內(nèi)磨削長度增加，金屬去除量隨之增大，表面粗糙度值則在逐漸減小。當(dāng)工件轉(zhuǎn)速增大到一定值后，磁磨粉飛散而不利于磁磨粉在加工區(qū)域內(nèi)的保持。
當(dāng)工件的回轉(zhuǎn)速度達(dá)到150 m/min時，隨著加工時間的增加，由于切削熱、渦流熱的增加，導(dǎo)致加工表面溫度升高影響了加工的表面質(zhì)量，使工件的表面機(jī)能受到破壞。例如：使淬火鋼的表面產(chǎn)生退火現(xiàn)象，表面硬度下降。
以上說明工件回轉(zhuǎn)速度的選擇是很重要的。為了達(dá)到理想的加工效果，實驗表明，工件材料為45鋼時，選擇V=20～50m/min比較合適。
2.2.4 工件的軸向振動
在加工中， 工件在產(chǎn)生圓周運(yùn)動的同時，又產(chǎn)生軸向振動的運(yùn)動，不但可以改進(jìn)加工效果，而且還可以提高加工效率。工件具有附加軸向振動，比無附加軸向振動的金屬去除量大的多，這將使加工時間縮短而提高了加工效率。同時，具有附加軸向振動，比無附加軸向振動有利于工件表面粗糙度值的減小。加工前工件的表面粗糙度值Ra1.6μm，加工8 min后Ra0.2μm。首先，由于工件表面的研磨方向發(fā)生變化，切削方向上出現(xiàn)多向性效果，結(jié)果在工件表面上呈現(xiàn)出切削刃的切削軌跡為交叉而不重復(fù)的網(wǎng)紋狀，產(chǎn)生了疊加效果，十分有利于表面粗糙度值的減小。其次，由于振動，疊加效果會促使磨料在工作間隙內(nèi)的攪拌作用加強(qiáng)，使磨粒的加工位置頻繁變動，有效地防止磁磨粉的堵塞和鈍化，促使磨料不斷地出現(xiàn)新的切削刃，更好地對表面進(jìn)行研磨加工，獲得很好的加工效果。
在振動中，當(dāng)振動振幅較小時，雖然有振動運(yùn)動，并不顯示出研磨量增大的效果。振幅較小時，磁刷的首端與工件表面很難產(chǎn)生交叉而不重復(fù)的網(wǎng)紋狀軌跡。磨料的切削刃在工件表面上不能顯出多方向切削效果的攪拌作用。為了提高研磨能力，需要一定大小的振動振幅，振幅一般不小于3～5mm。
2.2.5 工件的材質(zhì)
工件材料的導(dǎo)磁性對磁磨特性的影響是十分重要的。一般情況下，磁性材料主要是指鐵系材料，而非磁性材料主要是指非鐵系材料。
（1）工件是磁性材料
如果工件是磁性材料，工件尺寸大小不會對加工效果帶來較大的影響，加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度一般在1T左右，因此可在較短的時間內(nèi)獲得滿意的加工效果。對于非磁性材料，被加工工件尺寸的大小將對磁感應(yīng)強(qiáng)度的產(chǎn)生直接的影響。例如直徑為
30 mm的非磁性材料工件，最多也只能獲得0.5T的磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此加工效果達(dá)不到滿意的要求。通過實驗測定，在相同的條件下，磁性工件比非磁性材料工件的磁感應(yīng)強(qiáng)度高出2-3倍。因此導(dǎo)磁性不同的兩種材料，在加工特性指標(biāo)及加工效率上都有較大的差別。如圖3-4所示
圖3-4 磁性材料工件研磨壓力分布狀況
（2）工件為非磁性材料
如果工件的材料為非磁性材料，情況就有很大的差別。在這種情況下，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅與兩個磁極N-S有關(guān)，磁刷的形成也只能由N-S兩極決定。又由于工作間隙為兩磁極間的距離（2g+D），工作間隙的增大，使磁阻隨之增大，導(dǎo)致磁場分散磁力線散失增多。隨著工件直徑增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度也逐漸減弱。如圖3-5在加工過程中有兩種壓力產(chǎn)生：一種是沿著兩磁極間磁力線整齊地排列成的磁刷，以研磨壓力Ps的形式作用于工件表面；另一種是在工件側(cè)面形成的磁刷，以側(cè)壓力的形式作用于工件表面，兩者都參與表面的研磨加工，但側(cè)壓力比正壓力遠(yuǎn)小的多。側(cè)壓力Ps是非磁性工件在工作中所特有的壓力。對于非磁性材料的工件，由于磁力線垂直作用于工件表面，側(cè)壓力Ps是不可能產(chǎn)生的。
圖3-5 非磁極性材料工件研磨壓力分布狀況
在對非磁性材料工件進(jìn)行加工中，影響正壓力、側(cè)壓力的效果，除磁場分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度外，還與磁極頭形狀及大小有關(guān)。在圖3-6中，同一工件采用不同的磁極頭形狀。磁極頭1的工作面積相對工件的直徑較小，在磁場中工作時，只有圖中所示的正壓力P的作用。磁極頭2的工作面積相對磁極頭1較大，具有正壓力P和側(cè)壓力Ps同時作用的情況。磁極頭3具有更大的工作面積，以正壓力P作用于工件。由于磁極包容工件表面而產(chǎn)生“磁短路”現(xiàn)象，磁磨粉將沿著磁力線方向加工無關(guān)的地方進(jìn)行堆積，因此研磨效果并不理想。
2.2.6 磁極頭的幾何形狀
磁極頭幾何形狀一般情況下與被加工工件形狀相關(guān)，要求磁極頭形狀不僅能包容磁磨粉，還要使磁通向工件集中，并保證磁磨粉不向工作區(qū)域外轉(zhuǎn)移飛散。磁極頭幾何形狀，根據(jù)工件材料是磁性和非磁性兩種情況來介紹。
（1）工件為磁性材料
當(dāng)工件材料為磁性材料時，磁性研磨裝置磁回路的空隙部分，大體上等于工作間隙。在磁場中，磁通量的大部分，從一個磁極經(jīng)過工作間隙流入工件，再流入另一個磁極，如圖3-7所示。
圖3-6磁極頭形狀P、Ps的影響
圖3-7 磁極頭形狀對金屬去除量的影響
1）對于磁極幾何形狀相同而有效工作面積不等的磁極a、b、c、d，金屬去除量隨著工作面積的減小而減少。
2）對于有效工作面積相等但幾何形狀不同的磁極b、e，有溝槽的磁極表面獲得了較大的金屬去除量。通過在磁極上設(shè)置溝槽，形成了在加工區(qū)域的磁場變化，即不均勻的集中磁場。磁磨粉在強(qiáng)磁力作用下，會向工作間隙小的區(qū)域集中而防止了磁磨粉的飛散。因此磁極頭不采用平滑光整的表面，而在磁極頭上開出若干溝槽，這樣雖然磁極的研磨表面積減少了，但卻得到了較大的研磨量。這是由于磁極凹凸不平的表面，相對于工件表面的氣隙不同，凸起的表面氣隙小、磁阻小,磁感應(yīng)強(qiáng)度就大，磁磨粉就會集聚在磁極工作表面凸起的部位而增大研磨能力。實測中，磁極棱邊上測得磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)1.5T，在棱邊以外的加工區(qū)中，測得磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)1.1T。
3）對于有效面積和幾何形狀基本相等，但與工件的中心位置不同的磁極g和 f，其金屬去除量也不同。形狀9的金屬去除量較大，是由于在安裝時與工件不同心，在加工過程中產(chǎn)生了對工件表面的擠壓效果。擠壓效果可以這樣理解：隨著工件和磁極之間的間隔變窄，其磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，磁力線密集，磁磨粉將沿著密集的磁力線流動。由于工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，在間隙狹窄的部分，磁磨粉排列密集而受到壓縮,使工件表面得到研磨加工。但是過強(qiáng)的擠壓效應(yīng)會產(chǎn)生工件表面的劃傷而增大表面粗糙度值，因此這種磁極形狀常用于粗磨加工。
（2）工件為非磁性材料
當(dāng)工件材料為非磁性材料時，其工作間隙為N-S磁極之間的距離。當(dāng)磁極頭形狀仍通過與磁性材料工件的對比其結(jié)果如下：
1）增大磁極工作面積，對金屬去除量影響沒有顯著的變化。其原因是由于工件為非磁性材料，沒有磁疇的結(jié)構(gòu)，不具有磁化的特性。在磁回路中， 非磁性材料的工件產(chǎn)生嚴(yán)重的漏磁，使加工區(qū)很難獲得1T以上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，實測中最多只有0.5T，因磁感應(yīng)強(qiáng)度大大減弱而削弱了去除金屬的能力。
2）磁極與工件有偏心，間隙小的一端磁阻小，磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，研磨能力則強(qiáng),產(chǎn)生擠壓效果而使金屬去除量增大。
3）不論工件是磁性材料還是非磁性材料，磁極形狀中有凹凸不平的表面，要比連續(xù)凹面形狀的表面研磨能力強(qiáng)。
2.2.7 加工液
在磁磨粉中加入一定量的加工液，能有效地提高工件表面的光澤度、光亮度。
常用的加工液有；乳膠型的水溶液磨削劑、不溶于水的研磨液、輕油、硬脂酸。以質(zhì)量比10%左右加入，其中以硬脂酸為常用加工液。
另外，加入加工液后，會在研磨表面上出現(xiàn)較多的加工痕跡，尤其加入10%的研磨液時，使磨粒切削刃對工件表面的磨削效果變得強(qiáng)烈起來，表面隨之變得粗糙。因此，加工液的添加提高了研磨效率,但對表面粗糙度的減小則不明顯。
當(dāng)添加加工液之后，雖然金屬去除量進(jìn)一步增大，但工件的溫度升高并不明顯，這表明加工液與研磨溫度之間具有相反的影響效果。另外，加工液的粘度等也將左右研磨加工特性。
2.2.8 磁磨粉
磁磨粉是磁性研磨加工的磨具。在加工過程中，它處在工件與磁極之間的工件間隙中，依靠磁場的作用，將其排列成“磁刷”實現(xiàn)對工件的研磨加工。要求磁磨粉具有一定的磨削能力，有具有對磁場感應(yīng)的磁化物質(zhì)，同時還具有耐水、耐油等性能。
2.2.8.1 磁磨粉的構(gòu)成
磁磨粉是一種平均粒徑為150μm的粒狀體。主要由基體、磨料構(gòu)成。
1、基體
基體應(yīng)能在磁場中很好地被磁化產(chǎn)生磁力，且具有高導(dǎo)電性的鐵磁性材料。一般選用鐵、鋼、鋁鎳合金、鋇的鐵素體，鎂-鋇合金等。
2、磨料
磨料是兼有磨削、研磨、拋光作用的一種粒狀物質(zhì)。對磨料的基本要求如下：
（1）具有較高的硬度。磨料的硬度必須高于工件材料的硬度，才能對工件進(jìn)行磨削加工。
（2）具有較高的強(qiáng)度。具有在切入工件表層的過程中，以及在外力作用下，不易破壞和難于磨損的能力。
（3）具有穩(wěn)定的理化性。磨料在渦流熱、磨削熱的作用下，不被軟化或發(fā)生化學(xué)分解，且不與其它材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
2.2.8.2 磁磨粉的分類
表3-1 磁磨粉分類（μm）
A-1
A-2
A-3
A-4
B-1
B-2
B-3
D
105
100
130
205
D
5
10
28
40
10
以鐵基體和磨料組成的磁磨粉，其組成根據(jù)磨料粒徑d和磁磨粉粒徑D，將磁磨粉分為A、B兩類，具體情況見表 3-1
2.2.8.3 磁磨粉的制作
磁磨粉的制作是磁性研磨加工中至關(guān)重要的一環(huán)。當(dāng)今由于磨料制作工藝的復(fù)雜性使磁性研磨加工受到一定的限制。目前主要的制作方法有燒結(jié)法、熱壓法、粘結(jié)法等幾種。
2.2.8.4 磁磨粉對加工質(zhì)量的影響
（1）磁磨粉的粒徑
研磨壓力p與磁磨粉的粒徑D、磨料粒徑d無關(guān)。但如果磁磨粉的磨粒按有規(guī)則的正方形排列時，在壓力p的作用下，具有一個粒徑為D的磁磨粉的作用力為：
。
對于每一個磁磨粉磨粒，它的作用力的大小與粒徑D的平方成正比關(guān)系。假定工件的表面粗糙度是以每一個磁磨粉磨粒的切入深度來決定，那么粒徑D越大，產(chǎn)生的作用力就越大，對零件表面的摩擦、擠壓、刻劃強(qiáng)烈。在同樣的研磨壓力下，粒徑大的磁磨粉磨粒比粒徑小的磨粒得到的表面粗糙度值大。磨料的粒徑d越小，n值則越大，Δf隨著d的變小而減小，工件的表面粗糙度值就會變得越小。由以上分析可見，雖然磨粒的大小與研磨壓力無關(guān)，但磨粒對工件的作用力與磨粒大小有密切關(guān)系，它直接影響到加工表面粗糙度值的大小。一般情況下，磁磨粉中磨料的最佳粒度為120～170號。
（2） 磁磨粉的填充量
在對中小件的外圓研磨時，所需的磁磨粉在體積上應(yīng)略小于工作間隙的體積。以填充量作為參數(shù)來觀察加工時間和表面粗糙度值的關(guān)系，從中可看到：不論加工時間的長短，隨著填充量的加大，表面粗糙度值在逐漸減小。當(dāng)填充量超過一定量后，表面粗糙度反而會增加。過多的填充量，會造成磁磨粉向加工區(qū)域外飛散，這又帶來必須防止磁磨粉飛散的問題。當(dāng)填充量適當(dāng)時，磁磨粉在磁場中即可形成理想的磁刷狀態(tài)，使加工獲得最佳效果。另外，在加工過程中，由于零件的回轉(zhuǎn)，會引起較大的切向力。切向力會使磁磨粉產(chǎn)生脫離工件表面的趨勢，使磁串的銜接性遭到破壞。脫離磁串的磁磨粉在磁場力的作用下，又會很快地沿磁力線方向重新緊密地排列，構(gòu)成新的磁串。這時的磨粒在磁刷上的位置及方向，都發(fā)生了明顯的變化，磨粒將以磨削刃參加磨削，產(chǎn)生了良好的自銳性能。只有當(dāng)供給量適當(dāng)時，加工區(qū)域中的磨粒才會產(chǎn)生這種翻滾移動現(xiàn)象。因此，磁磨粉填充量選擇合適與否，將直接影響到表面粗糙度值的大小。
（3）磁磨粉的配比
磁磨粉中的主要成分是純鐵粉和磨料粉。磁磨粉中一定的鐵粉含量決定著磁場保持力。若鐵粉的比例過大，將帶來研磨壓力的增大，造成表面粗糙度值的增大而降低了表面質(zhì)量；若鐵粉含量相對增多，可得到較小的表面粗糙度值。若鐵粉含量太少時，則因磁場保持力的減小，使磨料飛散工作區(qū)域而失去研磨作用。
根據(jù)使用要求，一般的質(zhì)量比可取鐵粉：磨料粉為4∶1、3∶1、2∶1。
2.3 磁性研磨加工的裝置
盡管目前國際上應(yīng)用的磁性研磨加工裝置種類繁多，但如果按其磁場的形式劃分有兩種，第一種可以形成恒定的磁場(圖2-3，圖2-4，圖2-5)，在該磁場作用下，當(dāng)磁性磨料和工件發(fā)生相對運(yùn)動時實現(xiàn)加工；第二種是產(chǎn)生交變的或旋轉(zhuǎn)的磁場(圖2-6，圖2-7)，在該磁場作用下，磁性磨料與加工面形成相對運(yùn)動，從而達(dá)到光整加工的目的。
第一種磁性研磨加工裝置的特點是磁性磨料移動的距離小，通常，光整加工靠加工表面與磁極的同時運(yùn)動來完成(圖2-3，圖2-4，圖2-5)。不過圖2-4的情況是一個例外，它的磁性磨料靠氣體動力驅(qū)動，產(chǎn)生與工件表面相對運(yùn)動。第一種裝置均含有一個作為磁場源的電磁線圈或永久磁鐵、帶磁極的磁軛和在磁極與工件之間充有鐵磁性磨料的工作區(qū)。
圖2-3 平面的磁性研磨 圖2-4 磁粒噴射加工
圖2-5 球型閥的磁粒光整 圖2-6 用旋轉(zhuǎn)磁場加工管內(nèi)表面
第二種裝置(圖2-6、圖2-7)，磁性磨料的運(yùn)動靠一個交變或者運(yùn)動的磁場來實現(xiàn)，有時也靠加工零件的運(yùn)動來實現(xiàn)。
圖2-7 用交變磁場加工小零件
值得一提的是日本的Shinmura等人新近開發(fā)的旋轉(zhuǎn)磁場磁性研磨加工裝置(圖2-6)，由于可以包括彎管在內(nèi)的管的內(nèi)壁的光整加工，解決了真空管、衛(wèi)生管內(nèi)壁拋光這一傳統(tǒng)加工方法難以解決的加工難題。這種加工裝置由于沒有運(yùn)動部件，其運(yùn)行非?？煽?。圖2-7采用交變磁場的加工裝置也是如此，它常用于小零件整個外表面的光整加工。
旋轉(zhuǎn)磁場磁性研磨加工裝置雖然非常有效，但就它的應(yīng)用對象來說，其截面形狀必須是圓形，對于截面是方形和其它形狀工件的加工則無能為力。1997年由韓國的Jeong-Du Kim等人提出了一種新的磁性研磨加工裝置一磁粒噴射加工裝置(圖2-4)。這種裝置的原理是將混有磁粒的氣流噴射進(jìn)入被加工的管內(nèi)，磁粒在高壓氣流作用下向前飛速移動，磁粒在前移的過程中， 由于受到磁場的作用而貼向管的內(nèi)壁，沿管的內(nèi)壁前移并與之發(fā)生摩擦，從而起到對工件內(nèi)壁的光整加工作用。
（1） 外圓磁力研磨裝置
如圖2-8 所示，工件5 安裝在立式銑床上，在工件與磁極之間的間隙內(nèi)填入磁性磨料，主軸使工件產(chǎn)生回轉(zhuǎn)和上下進(jìn)給運(yùn)動。向線圈通入直流電， 即可產(chǎn)生有一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場。實驗表明， 此方法研磨外圓可使工件表面粗糙度值由Ra1. 6μm 則降至Ra0. 2μm。磨料種類和磁感應(yīng)強(qiáng)度對研磨效果有較大影響，增加磁感應(yīng)強(qiáng)度或采用燒結(jié)磨料可以提高研磨效率。
（2） 內(nèi)圓表面磁力研磨裝置
如圖2-9 所示，該裝置適用于非磁性物質(zhì)(如黃銅) 圓管等的內(nèi)表面光整加工。日本的Yamaguchi和Shinmura等人，對內(nèi)圓表面研磨的磁極的各種分布形式、磁極末端的各種形狀對加工效果的影響作了實驗研究，提出了幾種較優(yōu)的方案，對于軸向往復(fù)運(yùn)動對加工效果的影響，很多學(xué)者做了相關(guān)的研究和實驗。臺灣的顏炳華、張耿維等人設(shè)計了一臺包含軸向往復(fù)運(yùn)動的實驗裝置，取得了不錯的效果。上海交通大學(xué)也對軸向往復(fù)運(yùn)動的作用作了研究。
1. 線圈2. 磁極3. 磁軛 1.永磁鐵 2. 磁性磨料
4. 底座5. 工件6. 磁性磨料 3.5. 振動方向 4.6. 磁極
7. 主軸 7. 非磁性管
圖2-8 外圓磁力研磨裝置示意圖 圖2-9 內(nèi)圓表面磁力研磨裝置示意圖
（3）永磁磁極裝置
目前用的較多永磁拋光磁力研磨裝置如圖2-10所示
圖2-10 永磁拋光裝置
此種永磁拋光機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小。但有一個最大的弊病，就是退磁不方便，并且調(diào)整電流不方便。
3 磁性研磨機(jī)床總體設(shè)計
3.1 單件加工時的總體方案設(shè)計
3.1.1 運(yùn)動分配方案
（1）磁極回轉(zhuǎn)，工件不動
（2）磁極不動，工件回轉(zhuǎn)
比較這兩種運(yùn)動方案，因為本設(shè)計采用電磁鐵勵磁，線圈體積比較大，轉(zhuǎn)起來不方便，所以采用第二種方案：磁極不動，工件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。根據(jù)磁性研磨的加工機(jī)理，對磁性研磨加工中的各運(yùn)動進(jìn)行分配，得圖3-1（a）、（b）兩種設(shè)計方案。
（b） （b）
圖3-1 運(yùn)動分配方案圖
其中（a）方案中的主運(yùn)動為主軸帶動工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動P，進(jìn)給運(yùn)動為主軸帶動工件的軸向直線運(yùn)動，而軸向振動a則由磁極實現(xiàn)；（b）方案中的主運(yùn)動與（a）相同，但進(jìn)給運(yùn)動由磁極實現(xiàn)。
3.1.2 方案比較
（a）方案中可以考慮與主運(yùn)動共用一個動力源，這樣就可以減少機(jī)床的制造成本（b）方案中振動裝置需要單獨(dú)的動力源，工作臺上下進(jìn)給，并振動。制造成本稍高。但由于（a）方案中工件振動是由主軸箱帶動的其所需的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)大于工作臺和磁極裝置的轉(zhuǎn)動慣量，這樣會造成加工精度的偏差。而本次設(shè)計又是精密機(jī)床的設(shè)計，故選擇（b）方案。
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