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摘 要
本課題對(duì)磁性研磨的加工機(jī)理和影響磁性研磨的加工因素進(jìn)行了較為全面和深入的研究。對(duì)磁性磨粒各成分在磁性研磨中所起的作用進(jìn)行了分析；對(duì)磁性磨粒各成分在磨粒中所占比例不同時(shí)對(duì)表面加工質(zhì)量所造成的影響進(jìn)行了比較。
此外，通過分析研究有關(guān)資料，對(duì)影響磁性研磨加工的工藝參數(shù)。如：加工時(shí)間、加工區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度、工件的回轉(zhuǎn)速度、工件的軸向振動(dòng)、加工間隙和工件的材質(zhì)等進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，為這項(xiàng)新型的光整技術(shù)的地推廣及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。最后，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了臥式磁性研磨機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 磁性研磨；磁性磨粒；主軸箱
Abstract
This paper presents comprehensive and deep research on the Mechanism of Magnetic Abrasive Finishing process and factors. And analysis the role of which the magnetic abrasive grinding components had played on the magnetic; Debris on the magnetic component of the abrasive share of time on the surface machining quality caused by the impact of comparisons.
In addition,by analysising the data, the effects of magnetic machining parameters. Such as : processing time and regional magnetic induction, the rotating speed of the workpiece, the workpiece axial vibration, clearance and processing of the workpiece materials are carried out a more detailed study,have laid a foundation for this new type of optical technology to the whole promotion and application . Finally, on this basis，I have design the horizontal magnetic grinder spindle box.
Key words: magnetic abusive finishing;magnetic abrasive;spindle box
目 錄
Abstract ii
第一章 零件的表面質(zhì)量 1
一、零件質(zhì)量含義 1
二、表面質(zhì)量含義 1
三、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響 1
第二章 光整加工技術(shù) 6
一、概述 6
二、光整加工技術(shù)基本概念 6
三、磁性研磨 8
第三章 磁性研磨光整加工技術(shù) 12
一、磁性研磨光整加工原理 12
二、影響磁性研磨光整加工效果的因素 15
三、磁磨粉 23
第四章 磁性研磨總體設(shè)計(jì) 26
一、磁性研磨機(jī)的構(gòu)成 26
二、各部分組成部分的功能 26
三、加工原理 27
第五章 主軸箱設(shè)計(jì) 28
一、題目分析 28
二、運(yùn)動(dòng)功能式的確定 28
三、主傳動(dòng)系的設(shè)計(jì) 28
結(jié)束語 42
參考文獻(xiàn) 43
外文資料 44
中文譯文 51
致 謝 55
iii
第一章 零件的表面質(zhì)量
一、零件質(zhì)量含義
零件的質(zhì)量是指由毛坯制造、熱處理和機(jī)械加工等方法獲得的零件，在材質(zhì)、尺寸、形狀以及表面狀況等方面，與零件設(shè)計(jì)技術(shù)要求相符合的程度。所以零件的質(zhì)量應(yīng)由毛坯制造、熱處理和機(jī)械加工共同來保證。對(duì)于零件的機(jī)械加工質(zhì)量，是由加工精度和表面質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面來評(píng)價(jià)。其中加工精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)為各加工表面的尺寸精度；各加工表面的幾何形狀精度及各加工表面間相互位置的精度，表達(dá)了對(duì)零件宏觀方面參數(shù)的要求；表面質(zhì)量表達(dá)了對(duì)零件表面的微觀幾何特征和物理力學(xué)性能的要求。
二、表面質(zhì)量含義
任何機(jī)械加工所獲得的零件表層狀況，不可能是完全理想的表面，總是存在一定的微觀幾何形狀偏差，其表面層材料在切削力和切削熱的影響下,也會(huì)使原有的物理力學(xué)性能發(fā)生變化。為此，在機(jī)械加工中用“表面質(zhì)量”來評(píng)價(jià)由一種或幾種加工、處理方法獲得的零件表面層幾何的、物理的、化學(xué)的或其它工程性能的狀況與零件技術(shù)要求的符合程度。所表達(dá)的內(nèi)容分為以下兩個(gè)方面：
（一）加工表面的幾何特征
如粗糙度、加工表面缺陷。缺陷的種類很多,在切削加工中產(chǎn)生最多的缺陷是毛刺。毛刺是指在切削加工時(shí)，由于塑性變性和表面撕裂等原因，在加工表面的棱邊處派生出多余的微小尖棱凸起物。
（二）加工表層材料的性能
如反映表面層的塑性變性與加工硬化、表面層的殘余應(yīng)力及表面層的金相組織變化等方面的物理力學(xué)性；反映表面銹蝕、光學(xué)性能等方面要求的其他特殊性能。
三、表面質(zhì)量對(duì)零件使用性能的影響
表面質(zhì)量雖然只反映表面的幾何特性和表面層特性，但它對(duì)機(jī)械零件的耐磨性、配合質(zhì)量、抗疲勞強(qiáng)度、抗腐蝕性及接觸剛度等方面的使用性能都有一定程度的影響。
（一）對(duì)零件耐磨性的影響
機(jī)械零件使用的壽命在很大程度上取決于零件的耐磨性。零件的耐磨性主要與摩擦副的材料、熱處理情況和潤(rùn)滑條件有關(guān)。在這些條件確定的情況下，零件的表面質(zhì)量就起著決定性的作用。
零件的磨損過程通常分為以下三個(gè)階段:
1、初期磨損階段。也稱為磨合階段。當(dāng)兩個(gè)零件的表面剛開始接觸時(shí)，只是表面粗糙的凸峰相互接觸，實(shí)際接觸面積很小，單位面積壓力很大，不能形成潤(rùn)滑油膜，接觸處形成局部干摩擦，其應(yīng)力可能超過金屬的屈服極限和強(qiáng)度極限。隨著摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸部分金屬被撕裂、破碎或切斷，凸峰很快被碾平，磨損速度較快。
2、正常磨損階段。隨著磨合過程的進(jìn)行，表面粗糙度值逐漸減少，實(shí)際接觸面積增大，單位面積壓力減小，摩擦表面有良好的潤(rùn)滑條件，磨損將以緩慢速度進(jìn)行。
3、急劇磨損階段。經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，隨著磨損的進(jìn)行，粗糙度值繼續(xù)減小，潤(rùn)滑油被擠出接觸面，致使接觸面間形成了半干摩擦，甚至干摩擦，摩擦阻力增大，加劇表面磨損。同時(shí)，由于實(shí)際接觸面積進(jìn)一步增大促使接觸表面間分子吸附力增大，從而容易出現(xiàn)表面分子粘合的表面咬焊現(xiàn)象，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，由于摩擦產(chǎn)生大量熱改變表面金相組織，降低表面硬度，甚至還能使局部接觸表面熔焊在一起，導(dǎo)致磨損劇烈增加。
表面質(zhì)量中的幾何特性和物理力學(xué)性能對(duì)零件的耐磨性都有一定的影響。零件初期磨損量與表面粗糙度有著密切的關(guān)系。一般工作情況，表面粗糙度Ra0.4～0.8μm時(shí)初期磨損量最小。
表面粗糙度的輪廓形狀和加工紋路方向，對(duì)零件的耐磨性有顯著的影響。在表面粗糙度值相同時(shí)，表面輪廓形狀的差異，使零件間的實(shí)際接觸面積和潤(rùn)滑油的留存情況發(fā)生很大變化，零件的耐磨性也就相差甚遠(yuǎn)。
零件表面的加工紋路方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的相互關(guān)系，對(duì)磨損量也有很大影響。如圖1-1所示。
圖1-1 磨損量與加工紋路方向的關(guān)系
a、輕載 b、重載
在輕載時(shí)，紋路方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)磨損量最小，相垂直時(shí)磨損量最大。在重載時(shí)，當(dāng)兩表面紋路相垂直，且運(yùn)動(dòng)方向平行于下表面的紋路方向時(shí)，磨損量最??；當(dāng)兩表面紋路方向與運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，容易發(fā)生咬合，磨損量最大。表面顯微硬度與耐磨性的關(guān)系：
圖1-2 表面顯微硬度與耐磨性的關(guān)系
如圖1-2所示，機(jī)械加工后的零件經(jīng)冷態(tài)塑性變形，表面的顯微硬度都有所增加，從而減小了表面進(jìn)一步塑性變形和表面層金屬咬焊的可能，提高了耐磨性。但加工硬化到一定程度后，如再進(jìn)一步冷作硬化，將會(huì)引起金屬組織的過度“疏松”，使磨損加劇，甚至出現(xiàn)裂紋與剝落，反而使耐磨性能下降。
（二）對(duì)配合質(zhì)量的影響
表面粗糙度對(duì)配合表面的配合精度有較大的影響。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于過盈配合，在裝配時(shí)表面粗糙度的凸峰會(huì)被碾平，所以，即使具有相同有效過盈量的配合零件，也會(huì)由于表面粗糙度值的不同，得到不同的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，表面粗糙度值大者，連接強(qiáng)度較低。對(duì)于間隙配合，表面粗糙度值大，初期磨損嚴(yán)重，很快增大配合間隙，降低了配合精度。
設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的配合精度要求來選取相應(yīng)的表面粗糙度。當(dāng)配合精度要求高時(shí)，相應(yīng)配合表面的表面粗糙度值應(yīng)小，以保證零件的配合質(zhì)量和工作可靠性。
車、鏜、鉆、銑、刨、磨、拉、螺紋加工和齒輪加工等機(jī)械加工方法，都會(huì)使零件產(chǎn)生程度不同的加工毛刺，形成加工表面的缺陷。尤其是棱邊毛刺最為明顯，這些毛刺往往使零件不能很好地裝配，增大機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，發(fā)生不正常的磨損，甚至發(fā)生精密配合表面卡死的現(xiàn)象。
（三）對(duì)抗疲勞強(qiáng)度的影響
在交變載荷作用下，零件由于表面粗糙和表面劃痕、裂紋等缺陷，將引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致表面輪廓谷底處應(yīng)力易于超過疲勞極限，從而產(chǎn)生和發(fā)展疲勞裂紋，造成疲勞破壞?？蛊趶?qiáng)度計(jì)算中的應(yīng)力集中系數(shù)，隨表面粗糙度值增大而增大。不同的材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度也不同，材料晶粒越細(xì)小，質(zhì)地越致密，對(duì)應(yīng)力集中越敏感，表面粗糙度對(duì)抗疲勞強(qiáng)度的影響也越嚴(yán)重。材料強(qiáng)度極限越度，表面粗糙度值越大，抗疲勞強(qiáng)度降低的越厲害。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于承受交變負(fù)荷的零件，減小表面粗糙度值，可使抗疲勞強(qiáng)度提高30%～40%。
加工硬化對(duì)抗疲勞強(qiáng)度也有影響。由拉伸和壓縮造成的適當(dāng)硬化，都能使表面金屬強(qiáng)化，從而阻止疲勞裂紋的發(fā)生和緩和已有裂紋的擴(kuò)展，有利于提高抗疲勞強(qiáng)度。但硬化過度，會(huì)出現(xiàn)較大的脆皮裂紋，而降低疲勞強(qiáng)度。
表面殘余應(yīng)力對(duì)抗疲勞強(qiáng)度影響極大。當(dāng)表面為拉應(yīng)力時(shí)，能助長(zhǎng)疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展，從而降低抗疲勞強(qiáng)度。當(dāng)表面為壓應(yīng)力時(shí)，將抵消部分交變載荷引起的拉應(yīng)力，從而提高零件的抗疲勞強(qiáng)度。零件表面層金屬的金相組織變化也要影響抗疲勞強(qiáng)度，若在磨削過程中出現(xiàn)磨削裂紋，其影響更為嚴(yán)重。
（四）對(duì)抗腐蝕性能的影響
零件在潮濕的空氣中或在腐蝕性介質(zhì)中工作時(shí)，有腐蝕作用的介質(zhì)會(huì)積存在表面凹谷和裂紋中，形成化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。凹谷越深、越尖銳，尤其是有裂紋時(shí)，這種腐蝕作用越強(qiáng)。因此，降低表面粗糙度值，減少表面裂紋等缺陷，形成殘余壓應(yīng)力和適當(dāng)?shù)募庸び不?，都能提高零件的抗腐蝕性能。
（五）對(duì)其它方面的影響
上面所描述的是零件表面質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品一般性能的影響，有特殊要求的產(chǎn)品還要考慮到對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度、涂漆性能、鍍層質(zhì)量、流動(dòng)阻力，電路短路、清潔狀況、光澤性能，食品衛(wèi)生及外觀質(zhì)量等方面的影響。
第二章 光整加工技術(shù)
一、概述
零件的表面質(zhì)量對(duì)零件的使用性能，壽命和可靠性都有很大影響，在機(jī)械加工過程中影響表面質(zhì)量的因素又非常復(fù)雜。因此，如何保證零件的表面質(zhì)量是人們十分關(guān)注的問題。通常，為了獲得規(guī)定的表面質(zhì)量要求，就必須選擇合理的加工方法和工藝參數(shù)；對(duì)某些零件的重要表面進(jìn)行光整加工和去毛刺。
零件表面的加工方法很多，每種加工方法在獲得工件一定形狀和尺寸精度的同時(shí)，也將得到一定的表面質(zhì)量。目前，在保證零件表面質(zhì)量的諸多加工方法中，有些是著重于改善零件表面的幾何特性，如減小表面粗糙度值和去毛刺、劃痕；有些是著重于改善零件表面的物理力學(xué)性能，如提高表面硬度和改善應(yīng)力狀態(tài)；還有些加工方法，在改善表面幾何特性和改善物理力學(xué)性能兩個(gè)方面，都能同時(shí)獲得很好的效果。當(dāng)著重于減小表面粗糙度時(shí),常采用光整磨削 、研磨、珩磨 、超精研、拋光等傳統(tǒng)的光整加工方法。當(dāng)著重于改善零件表面的物理力學(xué)性能時(shí)，常采用無屑加工，如滾壓、噴丸強(qiáng)化、金剛石壓光等作為表面的終加工工序。這些工藝加工時(shí)，金屬表層產(chǎn)生塑性變形。表面硬度增加,且具有殘余應(yīng)力，使零件的耐磨性能和疲勞強(qiáng)度提高。
近年來，由于對(duì)零件表面質(zhì)量的要求提高，表面光整加工工藝和去毛刺技術(shù)得到迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的工藝技術(shù).這些工藝方法不僅能有效地降低零件表面粗糙度值，改善表面應(yīng)力狀況，而且還可以清除毛刺、棱邊倒圓,使零件表面質(zhì)量大大提高。
二、光整加工技術(shù)基本概念
（一）光整加工技術(shù)含義
在機(jī)械加工中旨在提高零件表面質(zhì)量為目的的各種加工方法、加工技術(shù)，稱為表面光整加工技術(shù)，簡(jiǎn)稱光整技術(shù)。
通常對(duì)零件毛坯表面和零件機(jī)械加工表面應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的表面光整加工。對(duì)于毛坯零件表面的光整加工，是指零件在經(jīng)過鑄造、沖壓、焊接之后，雖然獲得了規(guī)定的毛坯尺寸、幾何形狀，但就其毛坯表面質(zhì)量而言，還存在許多缺陷，如表面氧化層、皺曲、粘砂、殘留焊渣等。這樣的零件在進(jìn)入下道工序之前，必須進(jìn)行清砂處理或者鍍前處理等。這類表面光整加工，是以保證毛坯零件表面質(zhì)量為目的的，稱為毛坯表面光整加工技術(shù)。
零件經(jīng)切削加工后，進(jìn)行棱邊倒圓、去除毛刺、消除微觀裂紋、細(xì)化表面粗糙度、改善物理力學(xué)性能，稱為零件最終表面光整加工技術(shù)，也稱為精密表面光整加工技術(shù)。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)零件表面質(zhì)量的要求越來越高，因此，零件表面加工技術(shù)發(fā)展很快，學(xué)術(shù)體系逐漸形成，其中常被作為終加工工序的表面光整加工和去毛刺技術(shù)得到迅速發(fā)展。它集機(jī)械加工、材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)等多學(xué)科為一體的新型邊緣學(xué)科，日益受到人們的重視。
（二）光整加工技術(shù)特點(diǎn)
進(jìn)行光整加工的目的，主要是提高零件的表面質(zhì)量。無論是傳統(tǒng)的光整加工方法，還是近年來出現(xiàn)的新工藝技術(shù)，都具有以下主要特點(diǎn)：
1、光整加工的加工余量小，原則上只是前道工序公差帶寬度的幾分之一。一般情況下，只能改善表面質(zhì)量(減小粗糙度值、消除劃痕、裂紋和毛刺等)，不影響加工精度。如果余量太大，不僅生產(chǎn)效率低，有時(shí)還可能導(dǎo)致工件的原有精度下降。
2、光整加工所用機(jī)床設(shè)備不需要很精確的成形運(yùn)動(dòng)，但磨具與工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡量復(fù)雜。因?yàn)楣庹庸な羌?xì)粒度的磨料對(duì)工件表面進(jìn)行微量切削和擠壓、劃擦的過程，只要保證磨具與工件加工表面能具有較大的隨機(jī)性接觸，就能使表面誤差逐步均化到最終消除，從而獲得很高的表面質(zhì)量。
3、光整加工時(shí)，磨具相對(duì)于工件的定位基準(zhǔn)沒有確定的位置，一般不能修正加工表面的形狀和位置誤差，其精度要靠先行工序來保證。
（三）光整加工技術(shù)分類
為了保證和提高零件的表面質(zhì)量,采用光整加工方法作為零件的終加工工序是十分有效的措施。目前光整加工技術(shù)的工藝方法很多，有不同的分類方法。若按光整加工的主要功能來分，可分為以下三大類：
1、以降低零件表面粗糙度值為主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和拋光等。
2、以改善零件表面物理力學(xué)性能為主要目的光整加工，如滾壓、噴丸強(qiáng)化、金剛石壓光和擠孔等。
3、以去除毛刺飛、邊棱邊倒圓等為主要目的的光整加工，如噴砂、高溫爆炸、滾磨、動(dòng)力刷加工等。
若按加工時(shí)能量提供方法來分，有機(jī)械法、化學(xué)和電化學(xué)法、熱能作用等幾大類，約20多種。如圖2-1（見下頁）
三、磁性研磨
（一）磁性研磨基本概念
1、磁性研磨基本概念
自由磨料磁性研磨加工，是80年代以來迅速發(fā)展起來的精度表面加工技術(shù)，尤其針對(duì)微小型精密零件的表面光整加工，具有十分廣闊的應(yīng)用前景,已逐漸引起人們的重視。
所謂磁性研磨,是置于在磁場(chǎng)中的磁磨粉在磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的作用下，將磁能轉(zhuǎn)化成為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面精密研磨加工的工藝方法。
2、磁性研磨加工原理
如圖2-2（見下頁）給出一對(duì)磁極N-S，并且在磁場(chǎng)中置入磁磨粉(一種既有導(dǎo)磁性又有切削能力的自由磨料)，在磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的作用下，磁磨粉按磁力線分布狀態(tài)分布，在磁極之間構(gòu)成磁鏈。
將被加工工件放置在N-S之間，使工件同時(shí)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。磁場(chǎng)力將使磁磨粉對(duì)工件表面形成磁磨壓力，并對(duì)工件表面進(jìn)行擠壓、刻痕和微量切削而實(shí)現(xiàn)加工。
磁性研磨不僅適合于加工磁性材料的工件，而且也適合于加工非磁性材料的工件。 磁性研磨可以應(yīng)用于加工平面、外圓表面、內(nèi)圓表面和成形表面
3、磁性研磨磨具- -磁磨粉
(1) 磁磨粉的含義
磁磨粉是實(shí)現(xiàn)磨粉磁性研磨加工的工作介質(zhì)。通常以純鐵粉和剛玉類磨料或碳化硅磨料混合后，經(jīng)燒結(jié)或粘接后，粉碎、篩選而成。顯然它是一種既有鐵磁性`又有磨削能力的自由磨料，借助于磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的加工。
(2) 磁磨粉的構(gòu)成與制作
粒狀的磁磨粉主要參數(shù)以D和d來表示，D代表磁磨粉直徑；d代表磁磨粉磨料磨粒直徑。D與d的大小都將影響到加工的效果，通常D大則磁性強(qiáng)，金屬去除能力強(qiáng)，
圖2-1 表面光整加工方法
圖2-2 磁性研磨加工原理圖1、2—磁極 3—磁磨粉 4—工件
反之磁性弱，金屬去除能力弱。d大則加工粗糙，表面質(zhì)量差，反之加工細(xì)微，表面質(zhì)量好。
磁磨粉可用燒結(jié)法和粘結(jié)法制成。燒結(jié)法是將純鐵粉與氧化鋁磨料（或炭化硅磨料）以一定比例均勻混合，在密閉的電爐中高溫?zé)Y(jié)。然后粉碎、篩選而成。燒制的磁磨粉按粒度大小可分為60#、80#、…240#不等。
粘結(jié)法是將純鐵粉與氧化鋁磨料(或碳化硅磨料)以一定比例均勻混合，然后加入一定比例的環(huán)氧樹脂均勻混合、固化、晾干、粉碎篩選而成。粘結(jié)的磁磨粉也可按不同粒度分為60#、80#…不等。
(3) 磁性研磨加工的分類
目前不斷研究開發(fā)的磁性研磨加工的種類很多,簡(jiǎn)單歸納如下:
1)按加工工件表面不同分類可分為
① 平面磁性研磨；
② 外圓表面磁性研磨
③ 內(nèi)圓表面磁性研磨
④ 成形表面磁性研磨
⑤ 其它表面磁性研磨(溝槽、螺旋槽)
2)按磁極配置而形成磁場(chǎng)的不同分類可分為
① 固定式磁場(chǎng)磁性研磨
② 移動(dòng)式磁場(chǎng)磁性研磨
③ 回轉(zhuǎn)式磁場(chǎng)磁性研磨
此外，根據(jù)加工工件是磁性材料和非磁性材料，還可以分為磁性工件磁性研磨和非磁性工件磁性研磨。
(4) 磁性研磨加工工藝特點(diǎn)
1) 磁性研磨加工的工藝特點(diǎn)
① 磁性研磨屬于精密表面加工，加工后的表面質(zhì)量好，可達(dá)鏡面。表面粗糙度可達(dá)Ra0.1μm，棱邊倒圓最小可達(dá)Ra0.01μm。
② 磁性研磨加工中的磁磨壓力是可以控制的，通過調(diào)節(jié)通入繞組的勵(lì)磁電流大小，可以直接調(diào)整加工狀況中的有關(guān)參數(shù)。
③ 磁磨裝置簡(jiǎn)單、操作方便、加工時(shí)間短、生產(chǎn)效率低。
④ 磁性研磨加工范圍廣，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，可以加工外圓、內(nèi)圓、球面，形成表面以及復(fù)雜形狀的表面。
⑤ 磁性研磨加工的實(shí)現(xiàn)，必須借助于一種既有導(dǎo)磁性又有切削能力的磁磨粉做工作介質(zhì)。
2）磁性研磨加工的工藝參數(shù)
影響磁性研磨加工的工藝參數(shù)因素如下：
① 磁場(chǎng)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。
② 磁極的尺寸大小和幾何形狀。
③ 磁極工作表面與工件表面間隙大小。
④ 工件的回轉(zhuǎn)速度。
⑤ 工件軸向振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的振幅與頻率。
⑥ 磁性材料工件與非磁性材料工件。
⑦ 磁磨粉的材質(zhì)，粒度和規(guī)格。
⑧ 磁磨粉與磨劑的填充量。
第三章 磁性研磨光整加工技術(shù)
一、磁性研磨光整加工原理
磁性研磨光整加工是利用磨具在磁場(chǎng)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面光整加工的方法。作為磨具的磁磨粉，必須具有對(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)的性質(zhì)，同時(shí)又具有對(duì)工件的切削能力。磁磨粉是一種平均直徑大約為150μm的粒狀體，由磁化率大的鐵粉和磨削能力強(qiáng)的氧化鋁粉或碳化硅粉等按一定比例混合而成的組合體。在磁性研磨加工中，只有在磁場(chǎng)保持力的作用下，才能使磁磨粉實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的研磨加工，因此磁性研磨的磨削力是由磁場(chǎng)產(chǎn)生的，以研磨壓力的作用形式來實(shí)現(xiàn)。改變電磁鐵線圈電流、工作間隙，以及工作間隙的結(jié)構(gòu)等，都將影響研磨壓力的大小。
（一）研磨壓力的形成
在磁場(chǎng)中，將磁磨粉填充在N-S磁極之間。由于磁場(chǎng)力的作用，每個(gè)磨粒中的鐵成分通過磁場(chǎng)被磁化，使磁磨粉沿著磁力線方向排列成刷狀，將工件置入磁場(chǎng)的磁刷中，工件與磁刷的邊端磨粒即相互吸引，邊端磨粒受磁力的作用緊壓于工件表面。這樣工件運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可使磁刷和工件見產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的研磨加工。如圖3-1所示。
在磁場(chǎng)中，等磁位線與磁力線方向互相垂直。通過合力?F的作用，使磁磨粉中的每一個(gè)磨粒沿著固定的方向作用在工件的表面上，進(jìn)而構(gòu)成集中的磨粒群。在磁場(chǎng)中，磨粒群始終受到磁場(chǎng)磁力的作用，磨粒群不會(huì)向加工區(qū)域外部流動(dòng)和飛散而保持在加工區(qū)域內(nèi)。當(dāng)加工區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱時(shí)，所受磁力隨之減小，磨粒群將產(chǎn)生一定的變形。最后因磁磨粉的自重而落下，脫離加工區(qū)域。因此合力?F是一種磁場(chǎng)保持力，即磁磨粉之間的相互吸引力，記作Fm.
由上可知，磁場(chǎng)保持力Fm。使位于磁場(chǎng)中磁磨粒的每一個(gè)磨粒所產(chǎn)生的磁力，并不是直接作用與工件表面上的，而是沿著磁力線方向相互銜接形成“磁串”進(jìn)而形成“磁刷”，通過磁刷才能產(chǎn)生一個(gè)指向工件表面的合力P，這個(gè)合力才是產(chǎn)生并作用于工件表面的“研磨壓力”。
在磁場(chǎng)作用下，所發(fā)生的研磨壓力大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磨粒中所含鐵的體積分?jǐn)?shù)W及磨粒的相對(duì)磁導(dǎo)率μr有關(guān)。此外，磨粒在磁場(chǎng)中還受到由工件回轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切向力。不但在磁場(chǎng)保持力、研磨壓力、切向力三力共同作用下，使磁磨粉穩(wěn)定地保持在加工間隙中，完成對(duì)工件表面的加工。同時(shí)處在加工區(qū)域外部的磁磨粉,將自動(dòng)地向加工區(qū)域匯集，并填充于磁極和工件之間參與加工，形成一個(gè)完整的加工循環(huán)過程。
圖3-1 磁場(chǎng)中的研磨壓力
（二）磨粒的加工原理
在磁性研磨中，磁磨粉是由微粉磨粒組成的磨粒群。磨粒群受到磁場(chǎng)中磁力的作用而壓向工件表面，同時(shí)磁磨粉和工件二者產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在接觸面上的磨粒將產(chǎn)生接觸滑移、摩擦、刻劃，使工件表面得到研磨加工。
1、微量切削作用
由于磁磨粉是由微粉粒狀體的磨粒組成，切入工件表面的切痕深度一般不超過0.2～0.3μm，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，理論殘留面積高度小，使加工后得到的表面粗糙度值很小。
2、磨粒磨損作用
磁性研磨加工中，在磨粒與工件表面對(duì)磨的磨損過程中，使工件表面得到研磨加工。由于磁磨粉一般集中在磁力線密集的表面不平輪廓峰附近，微觀表面不平輪廓的峰部分磨損相對(duì)較大，使工件表面光潔、平整。
3、電化學(xué)磨損作用
磁性研磨加工中存在著化學(xué)磨損，工件表面被磨粒摩擦、刻劃，純凈的金屬將暴露在空氣中，被加工表面上新形成的區(qū)域內(nèi)金屬會(huì)與外部介質(zhì)產(chǎn)生相互化學(xué)反應(yīng)，表面被迅速氧化并形成一層極薄的氧化膜。由于氧化膜與工件材料的膨脹系數(shù)不同，以及加工過程中溫度變化等原因，在摩擦過程中氧化膜容易從工件表面脫落。在連續(xù)研磨過程中，工件表面層金屬不斷地氧化-脫落-再氧化-再脫落，從而提高了研磨效率。另外，回轉(zhuǎn)的工件在磁場(chǎng)兩極間受到每次交變的勵(lì)磁作用，導(dǎo)電的磁磨粉產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)反復(fù)使工件表面充電，強(qiáng)化了表面的電化學(xué)過程。
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，將由工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向振動(dòng)共同構(gòu)成一個(gè)交叉角仇，正是出于交叉角的存在，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(jì)算公式為：
?m=arctan(0.12πaf/v)
在實(shí)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，使得加工表面上磨粒的實(shí)際軌跡與理論上不同，其交叉角為?m＇且?m＇〈?＇。
（三）磁性研磨加工后的工件表面狀態(tài)
1、表面應(yīng)力的形成
通常，工件表面加工之后，在表層將生成加工變質(zhì)層。這一變質(zhì)層具有的性質(zhì)，與工件內(nèi)部的不同。
磁性研磨加工時(shí)，由于磁磨粉對(duì)工件形成的強(qiáng)大的壓力，迫使表面產(chǎn)生塑性變形，從而使加工后表面會(huì)產(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力，并形成若干個(gè)微米深度的加工變質(zhì)層。殘余壓應(yīng)力的存在與工件的回轉(zhuǎn)速度、振動(dòng)頻率、振幅大小、磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁磨粉的種類有關(guān)。 磁性研磨加工后的表面變質(zhì)層深度,對(duì)于磁性材料約為2.7μm。對(duì)于非磁性材料約為2μm。對(duì)磁性研磨加工后的工件進(jìn)行表面應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明：材料為45鋼的軸類零件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.2T工作間隙g=3mm時(shí)，軸向表面應(yīng)力可達(dá)-198Mpa；徑向表面應(yīng)力可達(dá)-230Mpa。材料為黃銅的內(nèi)圓表面零件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.9T工作間隙g=3mm時(shí)，軸向表面應(yīng)力可達(dá)-160Mpa；徑向表面應(yīng)力可達(dá)-154Mpa。可見，通過磁性研磨加工可以大大改善工件表面的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而提高了零件的使用壽命。
2、表面毛刺的去除
磁性研磨加工可以去除工件表面的毛刺。在磁場(chǎng)中，磁性工件棱邊上磁力線分布是不均勻的，在磁力線密集的地方磁感應(yīng)強(qiáng)度大，磁磨壓力大。同時(shí)工件本身還具有軸向振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)方向和磁刷方向大體呈垂直相交時(shí)，磁刷端部則有較強(qiáng)烈的加工機(jī)會(huì)。如果工件在磁磨加工時(shí)，振動(dòng)方向與生成毛刺的方向相同，則去毛能力較弱。實(shí)驗(yàn)表面：經(jīng)過4min加工后，毛刺的高度可由最初的0.21mm減少到0.13mm。因此可以認(rèn)為，隨著加工時(shí)間的增長(zhǎng)，毛刺將被去除。
對(duì)于徑向方向的毛刺，由于與加工方向垂直，因此去除毛刺要容易得多，一般認(rèn)為1秒鐘后即可被完全去除。
根據(jù)以上情況，磁性研磨可以去除切削加工中各個(gè)方向上生成的毛刺。對(duì)于齒輪，液壓件表面等復(fù)雜曲線的工件，同樣可以去除切削加工所生成的各種毛刺。
二、影響磁性研磨光整加工效果的因素
評(píng)定磁性研磨光整加工效果的指標(biāo)主要有三項(xiàng)：
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(dòng)、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(gè)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(shí)間大體上呈直
線上升趨勢(shì)，且去除量很小。在加工8min后，對(duì)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(huì)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。
（一）磁感應(yīng)強(qiáng)度
在磁性研磨加工中，磁場(chǎng)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(huì)使工件獲得不同的加工效果。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較弱時(shí)，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(shí)，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(dòng)時(shí)，磨粒比較容易從“磁串”上掉下
圖3-2 磁性加工研磨特征
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(chǎng)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(shí)，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(dòng)現(xiàn)象，磨粒得不到及時(shí)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(shí)，由于磁刷的剛性增強(qiáng)，增大了表面的劃痕程度，表面粗糙度值會(huì)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(huì)貼附在工件表面上，隨工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(huì)增大?？梢姶艌?chǎng)的磁感應(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(duì)加工效果的影響
在選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小時(shí)，要注意“磁飽和”現(xiàn)象的產(chǎn)生。鐵心、磁回路一定要在沒有飽和的狀態(tài)下進(jìn)行。
（二）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(shí)，通過實(shí)驗(yàn)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，才使磁刷的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，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(shí)驗(yàn)觀察到的情況如下：
（1）當(dāng)工作間隙g=1mm～3mm時(shí)，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(shí)，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(duì)工件表面劃傷程度加重，表面粗糙度值增大。同時(shí)由于工作間隙小而不易填充足夠的磁磨粉，磁磨粉會(huì)在加工中會(huì)飛散而失去研磨能力。
（3）當(dāng)工作間隙g＞3mm時(shí)，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。
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(shí)，由于單位時(shí)間內(nèi)磨削長(zhǎng)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(shí)，隨著加工時(shí)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(shí)驗(yàn)表明，工件材料為45鋼時(shí)，選擇V=20～50m/min比較合適。
4、工件的軸向振動(dòng)
在加工中， 若工件在產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又產(chǎn)生軸向振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，比無附加軸向振動(dòng)的金屬去除量大的多，這將使加工時(shí)間縮短而提高了加工效率。同時(shí)，具有附加軸向振動(dòng)，比無附加軸向振動(dòng)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(dòng)，疊加效果會(huì)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(dòng)，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(duì)表面進(jìn)行研磨加工，獲得很好的加工效果。
在振動(dòng)中，當(dāng)振動(dòng)振幅較小時(shí)，雖然有振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并不顯示出研磨量增大的效果。振幅較小時(shí)，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(dòng)振幅，振幅一般不小于3～5mm。
5、工件的材質(zhì)
工件材料的導(dǎo)磁性對(duì)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(huì)對(duì)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(shí)間內(nèi)獲得滿意的加工效果。對(duì)于非磁性材料，被加工工件尺寸的大小將對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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 （見下頁）所示
（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(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅與兩個(gè)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(chǎng)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
圖3-4 磁性材料工件研磨壓力分布狀況
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)壓力與正壓力相比則遠(yuǎn)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(duì)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。
在對(duì)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(chǎng)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（見下頁）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(duì)工件的直徑較小，在磁場(chǎng)中工作時(shí)，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(duì)磁極頭1較大，具有正壓力P和側(cè)壓力Ps同時(shí)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向加工無關(guān)的地方進(jìn)行堆積，因此研磨效果并不理想。
6、磁極頭的幾何形狀
磁極頭幾何形狀一般情況下是被加工工件形狀的偶件，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(shí)，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(chǎng)中，磁通量的大部分，從一個(gè)磁極經(jīng)過工作間隙流入工件，再流入另一個(gè)磁極，如圖3-7（第22頁）所示。
1）對(duì)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(duì)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(chǎng)變化，即不均勻的集中磁場(chǎng)。磁磨粉在強(qiáng)磁力作用下，會(huì)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(duì)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(huì)集聚在磁極工作表面凸起的部位而增大研磨能力。實(shí)測(cè)中，磁極棱邊上測(cè)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(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度最大可達(dá)1.1T。
3）對(duì)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(shí)與工件不同心，在加工過程中產(chǎn)生了對(duì)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(dòng)。由于工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(huì)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(shí)，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(duì)比其結(jié)果如下：
圖3-5 非磁極性材料工件研磨壓力分布狀況
圖3-6磁極頭形狀P、Ps的影響
圖3-7 磁極頭形狀對(duì)金屬去除量的影響
1)增大磁極工作面積，對(duì)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(shí)測(cè)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)。
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(huì)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(shí)，使磨粒切削刃對(duì)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(duì)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。
三、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(chǎng)的作用，將其排列成“磁刷”實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)磁場(chǎng)感應(yīng)的磁化物質(zhì)，同時(shí)還具有耐水、耐油等性能。
（一）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(chǎng)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(duì)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(duì)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。要求磨料在渦流熱、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)。
（二）磁磨粉的分類
表3-1 磁磨粉分類（μm）
種
類
尺
寸
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。
（三）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)法及值沙法等幾種。
（四）磁磨粉對(duì)加工質(zhì)量的影響
一）磁磨粉的粒徑
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(shí)，在壓力p的作用下，具有一個(gè)粒徑為D的磁磨粉的作用力為：
對(duì)于每一個(gè)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(gè)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(duì)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(huì)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(duì)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120～70號(hào)。
2、磁磨粉的填充量
在對(duì)中小件的外圓研磨時(shí)，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(shí)間和表面粗糙度值的關(guān)系，從中可看到：不論加工時(shí)間的長(zhǎng)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(huì)增加。過多的填充量，會(huì)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(shí)，磁磨粉在磁場(chǎng)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(huì)引起較大的切向力。切向力會(huì)使磁磨粉產(chǎn)生脫離工件表面的趨勢(shì)，使磁串的銜接性遭到破壞。脫離磁串的磁磨粉在磁場(chǎng)力的作用下，又會(huì)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(shí)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(shí)，加工區(qū)域中的磨粒才會(huì)產(chǎn)生這種翻滾移動(dòng)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(chǎng)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(duì)增多，可得到較小的表面粗糙度值。若鐵粉含量太少時(shí)，則因磁場(chǎng)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。
第四章 磁性研磨總體設(shè)計(jì)
一、磁性研磨機(jī)的構(gòu)成
磁性研磨機(jī)的主要組成部分：主軸箱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、夾具、磁極裝置、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、 床身等。
圖4-1臥式磁性研磨機(jī)床總圖
二、各部分組成部分的功能
主軸箱是機(jī)床的主要部件，其主要功能是支撐主軸，并實(shí)現(xiàn)其開、停、換向、制動(dòng)和變速，把進(jìn)給運(yùn)動(dòng)從主軸傳向進(jìn)給系統(tǒng)。
進(jìn)給機(jī)構(gòu)是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給傳動(dòng)系一般用動(dòng)力源，變速機(jī)構(gòu)，換向機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)分配機(jī)構(gòu)，過載保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和執(zhí)行件等組成。
夾具是用來使工件和刀具始終能保持正確的相對(duì)工作位置，一般來說應(yīng)由定位元件、夾緊裝置、對(duì)刀元件、夾具體、其它元件及裝置等幾部分組成。
溜板箱的主要功能是將進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)傳給溜板和磁極裝置，使磁極裝置實(shí)現(xiàn)縱向、橫向和正反向快速移動(dòng)。
振動(dòng)機(jī)構(gòu)是為了改善研磨效果，提高研磨效率，使工件相對(duì)磁極裝置相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
磁極裝置是磁場(chǎng)發(fā)生裝置，它主要是用來產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的。
床身是機(jī)床的支承件，相互固定聯(lián)接機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。機(jī)床上其它零部件可以固定在床身上，其主要功能是保證機(jī)床各零件之間的相互位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，并保證機(jī)床有足夠的靜剛度，抗振性，熱穩(wěn)定性和耐用度。
三、加工原理
主軸箱伸出主軸，夾具裝在主軸上，通過夾具的夾持裝置的作用將被加工工件夾緊后，使工件伸入盛有磁性磨料的帶有磁極的工作臺(tái)內(nèi)，工件隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在振動(dòng)裝置的作用下進(jìn)行軸向振動(dòng)，從而進(jìn)行磁性研磨加工，磨削加工所需正壓力由磁性力提供的，正是由于這力才能使工件實(shí)現(xiàn)了光整加工。
第五章 主軸箱設(shè)計(jì)
一、題目分析
任務(wù)給定磁性研磨機(jī)主軸箱設(shè)計(jì)，采用功率為1.5KW電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1440r/ min，主軸變速在6~8級(jí)，變速范圍為60~1600 r/ min。根據(jù)任務(wù)，分析如下：
由主軸變速范圍得：
若主軸采用8級(jí)轉(zhuǎn)速，公比定為；若采用7級(jí)或6級(jí)轉(zhuǎn)速，取得1.72或1.92，取此值到較大的傳動(dòng)比，且轉(zhuǎn)速損失率較高。從電動(dòng)機(jī)選擇角度看，題目要求功率為1.5KW，查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》有關(guān)常用電動(dòng)機(jī)，可選940/1440 r/ min，型號(hào)YD100L1-6/4，其在計(jì)算中定其額定轉(zhuǎn)速為1440 r/ min，功率為1.3KW，較為符合。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1.52，其與采用8級(jí)轉(zhuǎn)速所選公比1.58相近，且可將電動(dòng)機(jī)選作基本組。
二、運(yùn)動(dòng)功能式的確定
磁性研磨機(jī)床主要用于各種成型面、異型表面、螺旋表面及具有細(xì)小溝槽表面進(jìn)行光整加工及去除毛刺。在本任務(wù)中，主要針對(duì)中凸變橢圓鋁合金活塞等工件表面進(jìn)行精加工，故按任務(wù)給定采用臥式機(jī)床類型，功能實(shí)現(xiàn)采用通用臥式機(jī)床結(jié)構(gòu)形式。
運(yùn)動(dòng)功能式定為：
運(yùn)動(dòng)功能分配式為：
三、主傳動(dòng)系的設(shè)計(jì)
本機(jī)床采用雙速異步電動(dòng)機(jī)集中傳動(dòng)系。
（一）擬訂結(jié)構(gòu)式和轉(zhuǎn)速圖
主變速傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則：
①傳動(dòng)副前多后少的原則；
②傳動(dòng)順序與擴(kuò)大順序相一致的原則；
③變速組的降速要前慢后快的，中間軸轉(zhuǎn)速不宜超過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
綜上所述：采用標(biāo)準(zhǔn)公比，主軸為8級(jí)的分級(jí)轉(zhuǎn)速，主傳動(dòng)系
構(gòu)式擬訂為：
最后擴(kuò)大組變速范圍為：
故公比選擇符合極限變速范圍規(guī)定。此傳動(dòng)方案不符合傳動(dòng)副前多后少原則，但傳動(dòng)副在各變速組分配均等，不會(huì)影響主軸箱的整體尺寸；此外，此傳動(dòng)方案?jìng)鲃?dòng)順序與擴(kuò)大順序一致，使傳動(dòng)件尺寸減小。再根據(jù)中間軸轉(zhuǎn)速不宜超過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，定轉(zhuǎn)速圖如圖5-1所示，主軸分級(jí)轉(zhuǎn)速分別為：63、100、160、250、400、630、1000、1600（單位：r/ min）。
圖5-1 主軸箱轉(zhuǎn)速圖
（二）齒輪齒數(shù)的確定
1、齒數(shù)的選取原則
（1）變速組盡量取模數(shù)相同，并且是標(biāo)準(zhǔn)齒輪。
（2）齒輪的中心距取決于傳遞轉(zhuǎn)矩，隨傳動(dòng)順序，轉(zhuǎn)矩越大，因此中心距越大，模數(shù)不超過2—3種，齒數(shù)也越來越大。
（3）一般在主傳動(dòng)中，取最小齒輪齒數(shù)Z大于等于18-20。
（4）采用滑移齒輪時(shí)，最大和次大齒輪之間齒數(shù)差，應(yīng)大于或等于4，以保證滑移時(shí)，齒輪外圓不相碰。
綜合上述因素，通過查表，定各傳動(dòng)副齒數(shù)如下：
；；；
根據(jù)上述確定齒數(shù)，畫出傳動(dòng)系圖（如圖5-2所示）。
圖5-2 主軸箱傳動(dòng)系圖
2、驗(yàn)算傳動(dòng)比轉(zhuǎn)速誤差
下面以1600轉(zhuǎn)為驗(yàn)算對(duì)象：
理論轉(zhuǎn)速：n=1600r/min；實(shí)際轉(zhuǎn)速：
根據(jù)公式：
式中：φ為公比；
計(jì)算得：
符合要求。
（三）變速箱內(nèi)傳動(dòng)件的空間布置與計(jì)算
1、變速箱內(nèi)各傳動(dòng)軸的空間布置
變速箱內(nèi)各傳動(dòng)軸的空間布置，首先滿足機(jī)床總體布局對(duì)變速箱的形狀和尺寸的限制，還要考慮各軸受力情況，裝配調(diào)整和操縱維修方便。臥式機(jī)床的主軸箱安裝在床身的上面，橫截面呈矩形，高度尺寸只能略大于主軸中心高加上大齒輪的半徑。各軸布置順序大致如下：首先確定主軸的位置；確定傳動(dòng)主軸的軸，以及與主軸有齒輪嚙合關(guān)系的軸的位置；確定電動(dòng)機(jī)或運(yùn)動(dòng)輸入軸的位置；最后確定其它各傳動(dòng)軸的位置。各傳動(dòng)軸常按三角布置，以縮小徑向尺寸。
2、變速箱內(nèi)各傳動(dòng)軸的軸向固定
一般有一端固定和兩端固定兩類軸向固定方法。對(duì)于長(zhǎng)軸采用一端固定的方式，一端固定的優(yōu)點(diǎn)是在軸受熱后可以向另一端自由伸長(zhǎng)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。在此，各軸均采用兩端固定的方式，Ⅱ軸通過調(diào)整螺釘調(diào)整滾子軸承的間隙，主軸可通過改變墊圈的厚度來調(diào)整軸承間隙，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
（四）主要零件的驗(yàn)算
1、外傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
V帶設(shè)計(jì)
（1）確定設(shè)計(jì)功率：
由資料【2】144頁表5-8查得
pc=1.2x1.3=1.56kw
（2）選擇帶型
根據(jù)pc=1.56kw，，
由資料【2】145頁圖5-10，初選A型。
（3）選取帶輪基準(zhǔn)直徑和
由資料【2】145頁圖5-10和表5-6取=125 mm，由資料【2】139頁式（5-17）得
由資料【2】142頁表5-7和圖5-11，取得直徑系列值=125mm；
（4）驗(yàn)算帶速v
在5-25m/s范圍內(nèi)，帶速合適。
（