低频交变磁场超精密平面磁力研磨加工研究

摘要

目的通过利用低频交变磁场下产生的变动磁力,改善传统磁力研磨加工中磁力刷变形、磨料结块、磨料利用率低等问题,实现平面超光滑、纳米级加工。方法在电磁线圈中通入频率为3 Hz的交流电流,产生低频交变磁场。利用磁通密度测量仪(EMIC Gauss Meter GM 4002)对加工区域磁感应强度进行测定,考察低频交变磁场的磁场强度分布状况。设计组装一套研磨压力测量系统,利用数据记录处理软件对比分析低频交变磁场和直流磁场所产生的研磨压力,深入研究研磨工具(磁簇)在低频交变磁场作用下的变化规律。研制一套低频交变磁场平面磁力研磨加工装置,以SUS304不锈钢板为加工对象,并与直流磁场进行对比实验,验证利用低频交变磁场进行磁力研磨的可行性及加工性能。结果低频交变磁场中各点磁感应强度均在峰值与谷值之间不断变化,其变化规律近似于正弦分布。在磁极边缘(R=7.5 mm),产生最大峰谷值;从磁极半径(R=6 mm)到磁极中心(R=2 mm),磁场强度逐步减弱。低频交变磁场下研磨压力值呈周期性变化,且研磨压力的平均值大于直流磁场下的值。磁簇在低频交变磁场作用下产生周期性振动。磁簇呈收缩状态时,磁性粒子带动磨料上浮于磁簇前端。当磁场方向改变时,磁簇先呈发散状态,然后收缩,此过程中磨料颗粒与磁性粒子再次混合。如此循环更新,不仅解决磁簇与工件接触后产生的变形问题,而且提高了磨料的利用率,保证研磨工具稳定。分别使用低频交变磁场和直流磁场对SUS304不锈钢板进行研磨,使用油基研磨液,主轴转数为350 rad/min,交流电流有效值为1.9 A,频率为3 Hz。第一阶段选择平均粒径为30μm的电解铁粉和WA#10000的磨料颗粒,经过60 min研磨,表面粗糙度值分别为35.28 nm和81.36 nm;第二阶段选择平均粒径6μm的羰基铁粉和1μm的金刚石粉,研磨时间60 min,最终表面粗糙度值分别达到4.51 nm和17.58 nm。结论利用低频交变磁场能够实现研磨工具(磁簇)的循环更新,提高磨料利用率。与直流磁场相比,利用低频交流磁场磁力研磨法所获得的加工表面均匀、无划痕,实现了平面超光滑纳米级加工。