超聲波振動在磁力研磨中的應(yīng)用

超聲波振動在磁力研磨中的應(yīng)用

磁力研磨法隨著制造技術(shù)的進步，大量新材料和新結(jié)構(gòu)的零件出現(xiàn)，零件的表面質(zhì)量也越來越高。復(fù)雜形狀零件因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的加工工藝和工具難以完成精密加工。磁力研磨法(Magneticabrasivefinishing,MAF)作為一種非傳統(tǒng)的光整加工工藝,是利用磁性研磨粒子在磁場的作用下沿著磁力線分布排列并形成具有一定剛性的磁粒刷;通過磁粒刷與工件之間的相對運動實現(xiàn)對工件表面研磨的加工方法本文利用超聲振動輔助磁力研磨(Ultrasonicvibrationassistedmagneticabrasivefinishing,UVAMAF)裝置,使用粗糙度測量儀和超景深顯微鏡對加工前后的工件表面粗糙度R1超聲波振動輔助磁性研磨加工機械1.1超聲振動系統(tǒng)圖1是超聲振動輔助磁力研磨加工示意圖。超聲波發(fā)生器、換能器、集電環(huán)、變幅桿組成可旋轉(zhuǎn)超聲振動發(fā)生系統(tǒng);磁力研磨工具頭為一圓柱形銣鐵硼永磁鐵,與超聲振動發(fā)生系統(tǒng)連接為一體。實際加工時,在磁力研磨工具頭與工件表面的間隙中加入磁性研磨粒子,在磁場力作用下,磁性研磨粒子沿著磁力線分布,形成柔性磁粒刷并壓附在工件的表面?？刂瞥暡òl(fā)生器開始工作,超聲波以縱波的形式傳播,經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成高頻機械振動,振幅經(jīng)變幅桿放大后傳遞到磁力研磨工具頭端部,輸出頻率為20kHz、振幅約為16μm的機械振動。該高頻振動將給磁粒刷提供能量,促使磁性磨料翻滾實現(xiàn)自銳并沖擊擠壓工件表面1.2振動原理分析式中M———材料去除率k———比例常數(shù),由研磨壓力和速度以外的其他因素決定p———研磨壓力v———研磨速度為了提高磁力研磨的加工效率,由式(1)可以得到,材料去除率M與研磨壓力p和研磨速度v呈正比,所以增加磁力研磨過程中工件材料去除率的方法可以從兩方面考慮:一是增加工件與磁粒刷的相對運動速度,另一種是增大研磨壓力。由于磨料受到離心力的作用,轉(zhuǎn)速太高會導(dǎo)致磨料掙脫磁力的束縛飛出加工區(qū)域,所以磁粒刷的轉(zhuǎn)速不能太高。在單純的磁力研磨加工過程中,研磨壓力為式中B———磁通密度由式(2)可知,研磨壓力p由式(3)可知,在磁力研磨過程中引入超聲振動可以增大研磨壓力,從而提高工件材料的去除率和研磨效率。磁極的高頻振動迫使磨粒對工件的表面產(chǎn)生沖擊擠壓,使得工件表面的殘余拉應(yīng)力明顯變小,甚至變?yōu)閴簯?yīng)力,并且使應(yīng)力分布均勻。磁性研磨粒子在復(fù)合研磨過程中的運動分析如圖2所示。在超聲振動輔助磁力研磨過程中,變幅桿的振動形式為周期性正弦波,磨粒在振動方向速度v式中A———超聲波振動的振幅t———時間ω———振動頻率在本研究中,A為16μm,ω為20kHz,代入式(4)中,即可得到磨粒軸向振動的最大速度為2.01m/s。磨粒的振動加速度a經(jīng)計算得出振動頻率為20kHz條件下,磨粒的最大振動加速度a如圖2所示,單純磁力研磨時,磨粒在工件輪廓波峰的上升沿一側(cè)高速地劃擦后,經(jīng)過波峰的最高點進入波谷,而此時磨粒會在磁場力的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)運動,劃擦擠壓下一個波峰的上升沿一側(cè),幾乎沒有與前一波峰的下降沿產(chǎn)生相對的擠壓、劃擦運動,或者只是輕微地從其表面掠過。致使單純磁力研磨產(chǎn)生對工件波峰的兩側(cè)材料去除不均勻、高低不平。當(dāng)引入超聲振動后,磨削力主要來自垂直振動的超聲波壓力。在復(fù)合研磨過程中,磁性磨粒在工件的表面做水平切削運動和垂直于加工表面的沖擊擠壓運動。當(dāng)磨粒處于波谷上方時,在軸向振動的作用下,磨粒被迫壓入波谷,相對于單純磁力研磨增加了磨粒與波谷背側(cè)的接觸時間,使得每一個波峰兩側(cè)的材料去除量近乎相等,始終保持著類對稱的圓弧曲線,加工紋理更均勻,材料去除率更高。2超聲波振動磁強復(fù)合加工實驗2.1磁性研磨粒子的制備將超聲振動輔助磁力研磨實驗裝置安裝在數(shù)控銑床的主軸上,工件(材質(zhì):SUS304不銹鋼)固定在機床的工作臺上,實際加工狀態(tài)如圖3所示。實驗中使用平均粒徑為325μm燒結(jié)法制備的磁性研磨粒子如圖3所示,調(diào)整磁極端面與工件表面的加工間隙,在間隙內(nèi)添加磁性磨料(質(zhì)量為3g),然后啟動機床和超聲波發(fā)生器。在加工過程中可以觀察到,由于超聲振動對研磨液的空化作用,研磨液產(chǎn)生許多微小的氣泡,加劇了磁性磨粒群的變形和翻滾,對工件表面的沖擊力加大,研磨量明顯增加。2.2工件表面粗糙度和研磨力加工后使用表面粗糙度儀測取表面粗糙度隨加工時間的變化如圖4所示。加工時間前10min,單純磁力研磨與超聲波振動輔助磁力研磨加工后的工件表面粗糙度變化相差不大,這是因為磁力研磨工藝中,存在尖點效應(yīng),即表面突起的地方優(yōu)先被加工,故材料去除率均較高。但后續(xù)的加工中,因工件表面原始加工紋理波峰的頂部已在前10min內(nèi)被去除,剩余待加工的波峰底部寬,需被去除的材料多,所以單純磁力研磨加工后工件表面粗糙度的變化率開始變得緩慢,而超聲波振動輔助磁力研磨加工過程中,因超聲振動的引入,研磨力和材料因磨粒高頻沖擊擠壓產(chǎn)生的變形都要大于單純磁力研磨過程,且隨著波峰頂部的減小,波峰角變大,磨粒對波峰材料產(chǎn)生的有效研磨壓力和接觸面積增大,導(dǎo)致加工時間為20min時的加工效果要遠遠好于單純磁力研磨。由圖4可知,在相同加工時間(20min)條件下,有超聲振動輔助時,工件表面粗糙度由R電子顯微鏡觀察到工件表面的加工紋理如圖5所示。磁力研磨加工前,工件原始表面是由銑削加工得到的,表面存在規(guī)律性的波峰波谷。經(jīng)單純磁力研磨加工后,表面呈現(xiàn)連續(xù)性的旋轉(zhuǎn)加工紋理。該紋理是磁性研磨粒子在磁場力和磁極旋轉(zhuǎn)運動作用下,在工件表面劃擦、刻劃和擠壓形成的。當(dāng)引入超聲波振動時,磁性研磨粒子在劃擦工件表面的同時,高頻振動沖擊工件的表面,該過程類似于機械噴丸。因為磨粒質(zhì)量和直徑都很小,所以磁性研磨粒子在工件表面產(chǎn)生的壓痕很小,在500倍顯微鏡下可觀察到工件表面產(chǎn)生均勻的微小凹坑,如圖5c所示。2.3工件殘余拉應(yīng)力為了解析超聲振動輔助磁力研磨對工件表面應(yīng)力狀態(tài)的影響,在上述實驗樣件上用X射線干涉儀,分別對銑削后的工件表面,以及加工條件相同條件下采用超聲振動輔助磁力研磨和單純磁力研磨加工工件表面進行了殘余應(yīng)力測量。采用sin式中E———材料彈性模量ν———材料泊松比由表2可知,工件經(jīng)銑削后,表面的應(yīng)力狀態(tài)為殘余拉應(yīng)力,其值為+320MPa。磁力研磨屬于微屑加工,本身在加工過程中的切削力相對很小,經(jīng)磁力研磨加工后,工件表面的原始銑削紋理大部分已被去除,工件表面的粗糙度得到了很大的改善;經(jīng)磁力研磨加工后,工件表面的應(yīng)力狀態(tài)有了明顯的變化,殘余拉應(yīng)力已降至+80MPa。由于超聲波振動的引入,使磁性研磨粒子沖擊擠壓工件的表面,造成表層金屬發(fā)生多次微小塑變并累計疊加,最終產(chǎn)生微小的噴丸強化層。經(jīng)檢測得知,超聲振動輔助磁力研磨加工后的工件表面應(yīng)力狀態(tài),已由銑削后的殘余拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力-40MPa。雖然經(jīng)超聲振動輔助磁力研磨后產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小,但是對于提高工件的疲勞壽命還是很有益的。3超聲波振動(1)根據(jù)材料去除率模型分析得知,在單純磁力研磨的主要影響因素磁場強度和磁性磨料已發(fā)揮到最佳指標的基礎(chǔ)上,可以通過增大研磨壓力的手段來實現(xiàn)提高磁力研磨的加工效率。采用在單純磁力研磨工藝中引入超聲波振動,可以使磁性磨粒在受到磁場力作用的同時,對工件表面產(chǎn)生脈沖壓力,以提高研磨效率。(2)在超聲振動磁力復(fù)合加工時,磁性磨粒的運動狀態(tài)由單純磁力研磨的簡單水平旋轉(zhuǎn)運動,變?yōu)樗叫D(zhuǎn)運動和垂直沖擊擠