一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法技术

本发明专利技术提供了一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法，该方法利用球形微磨具与微小曲面零件表面曲率不同，在待修正球形微磨具和曲面零件表面形成梯度压力间隙，通过控制电磁流变磨削液中电磁流变纳米颗粒的分布以及运动状态，并在微小曲面零件表面压力的协同作用下，实现球形微磨具的在线修整，同时，实现微小曲面零件表面预处理。本发明专利技术通过对球形微磨具的在线修整/修锐，不仅能够解决在微小曲面零件加工前，由于球形微磨具与微小曲面零件接触面积小而导致的微磨具损耗严重和加工表面质量差的问题，而且能够避免微磨具由于钝化需要离线修整而导致的重复安装误差，此外，每次修整只需使用少量磨削液，节能环保。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法
本专利技术属于磨削加工中的微细磨具修整
，具体涉及一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法。
技术介绍
微细磨削技术具有精度好、成本低、柔性强等优势，能够实现微小复杂形状/结构零件的加工。但是应用于微细磨削加工的微磨具尺寸较小(<1mm)，制造十分困难，尤其是在微磨具的制造过程中，很难保证磨粒的分布均匀性和出刃高度，且微刀具磨损后难以精确修型。此外，用于微小曲面零件加工的球形微磨具与微小曲面零件表面曲率存在差异，使得球形微磨具与微小曲面零件表面往往为点接触。在加工初期，球形微磨具往往只有少量磨粒参与实际切削加工，从而加剧了磨粒的损耗，甚至会破坏微小曲面零件表面完整性。因此，在微小曲面加工之前进行微磨具的修型/修锐十分重要。国内外研究人员发现电磁流变液作为一种新型的智能材料，能够在电磁场的作用下发生流变效应，从而实现硬脆材料的高效抛光和微量去除，电磁流变液作为一种可控液体，不受加工区域、尺寸的限制，因此，电磁流变液常作为抛光介质对微小曲面零件进行局部微抛光和微细加工，以提高微小光学元件的面形精度和微器件的三维结构加工质量，但以流变液直接作为工具进行加工，一方面难以对流变液进行量化控制，只能进行表面抛光等定性加工，另一方面，流变液需要不断更换，以保持有效磨粒的数量，电磁流变液消耗巨大。公告号为CN205438026U的一种自修整磁流变柔性抛光砂轮，公开了一种利用磁流变效应实现在加工过程中砂轮快磨料自动更新和砂轮快形状实时修复的技术，但其所使用砂轮为普通砂轮，砂轮和磨粒的尺寸较大，且由于磁流变液的黏变特性，无法精确控制其中的磁性磨粒的分布和运动特征，需要通过使磁极旋转的方式来改变磁极磁力线变化从而实现砂轮的修锐，其不适用于尺寸微小的微磨具的在线修整。
技术实现思路
本专利技术为解决由于球头微磨具与微小曲面零件接触面较小而导致的磨具损耗较快等难题。围绕微磨具的修整/修锐问题，提出一种经济高效，节能环保，且适用于球头微磨具的在线柔性修整方法，该方法不仅可以根据微小曲面零件曲率实现球形微磨具的在线修型/修锐，同时，可以对零件表面进行优化处理。为解决上述技术问题，本专利技术采取如下技术方案：一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法，其特征在于：该在线柔性修整方法通过以下方式实现：依据待修整球形微磨具尺寸、磨粒粒度及微小曲面零件曲面曲率，确定所需磨削液的磨粒构成成分及比例，电/磁场施加方式及大小、修整时间；将电磁流变磨削液装入磨削液储存器，磨削液储存器与水泵、流量控制阀通过管路连接，液体流量通过流量控制阀控制调节，以实现定量、定速输出，电磁流变磨削液通过水泵经喷嘴流入到球形微磨具与微小曲面零件之间的区域；微小曲面零件安装在中心，水平磁场辅助装置由4个弧形磁极组成，所述4个弧形磁极通过接头连接变频控制单元，依靠变频控制单元的4通道独立控制，以产生不同方向、大小和作用频率的水平磁场。在4个弧形磁极所产生的具有一定作用频率的水平磁场作用下，电磁流变磨削液中的电磁流变纳米颗粒水平铺开并环绕微磨具中心作旋转运动；在主轴线圈产生的垂直磁场与电源输出电流产生的垂直电场的协同作用下，电磁流变磨削液发生粘变固化其他微细磨粒被束缚在这些链状结构之间，由于球形微磨具端部电磁场强度最大，会形成较大电磁场梯度，电磁力线以球形微磨具端部为中心形成放射状分布。当球形微磨具以一定速度旋转时，电磁流变磨削液中的磨粒在微磨具旋转运动、垂直电场、垂直磁场和水平磁场的共同作用下，对球形微磨具和微小曲面零件表面产生微量切削作用，形成球形微磨具表面修整和微小曲面零件表面抛光或微细加工过程。进一步地，所述球形微磨具为硬质合金基体的PCD球形微磨具，所述微小曲面零件微小曲面零件表面的曲率半径为5mm，磨削液的通过硅油60％、悬浮剂5％、二氧化钛15％、四氧化三铁纳米颗粒10％、二氧化硅粉末10％配置而成，修整间隙设置为40μm；进一步地，将球形微磨具、微小曲面零件以及电/磁场辅助发生装置安装在机床上，调整球形微磨具与微小曲面零件初始间隙为80μm。进一步地，对球形微磨具进行在线修整，设定总修整时间为5分钟，分为粗修、精修和光修，其中：粗修为较低电磁场强度，较低主轴转速，转速范围大于2000rpm，时间为3分钟；精修为中等电磁场强度，中等主轴转速，转速范围大于6000rpm，时间为1.5分钟；光修为高等电磁场强度，较高主轴转速，转速范围大于12000rpm，时间为0.5分钟。进一步地，控制水平磁场的方向为能够使得磨削液中磨粒运动方向与主轴旋转的方向相反。进一步地，通过调整水平磁场辅助装置产生的磁场大小及方向实现电磁性复合颗粒的运动控制。进一步地，通过控制垂直电/磁场发生装置产生的电磁场大小，实现电磁性复合颗粒的结成链状结构，并呈垂直状态分布。进一步地，修整间隙为球形微磨具磨粒尺寸的5-10倍。进一步地，电磁流变磨削液中的磨料尺寸为球形微磨具磨粒尺寸的10-50％。进一步地，所述微小曲面零件为凹形微小曲面零件本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和显著效果：(1)可对球形微磨具的磨粒进行修锐，并根据微小曲面零件表面形貌进行球形微磨具表面轮廓的自适应修整，以增大球形微磨具与微小曲面零件的接触区域面积，提高加工表面质量。本专利技术所述球形微磨具在线柔性成型修整装置通过所产生的水平磁场、垂直电场与垂直磁场的相互配合能够控制电磁流变磨削液中的电磁流变纳米颗粒的分布和运动状态，并在微小零件曲面压力的协同作用下，对球形微磨具的表面进行自适应修整，增加球形微磨具表面磨粒的出刃高度，提高加工过程中球形微磨具与微小曲面零件表面之间的接触面积，进而提高加工表面质量和刀具的使用寿命。(2)无需增加专用的修整设备，避免传统修整方法因设备反复安装所产生的误差。本专利技术所提出的一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整装置完全基于刀具、微小曲面零件与磨削液之间的相互作用进行刀具的修整与微小曲面零件表面的优化，无需引入其他专用设备，避免加工过程中因刀具需要修整而进行刀具或微小曲面零件的反复装夹，大幅提高加工效率与加工精度。(3)可实现微小曲面零件的预处理，提高加工过程中的稳定性。在微小曲面零件通过电磁流变磨削液对球形微磨具施加压力的同时，也会反向对微小曲面零件表面进行优化，实现微小曲面零件表面局部尖角、毛刺等缺陷的微量去除，进而降低加工难度，提高加工过程中的稳定性。由此可见，本专利技术所提出的一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法对球形微磨具进行修整，可克服现有微磨具修整困难、工具磨损快、修整效率低、修整精度低、可控性能差、应用不佳等工程技术问题，该方法修整效率高、操作方便，适用性广，推广应用前景良好。附图说明图1是球形微磨具在线柔性成型修整装置示意图；图2是电/磁场辅助发生装置示意图；图3是弧形磁极示意图；图4是球形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法，其特征在于：该在线柔性修整方法通过以下方式实现：/n依据待修整球形微磨具(8)尺寸、磨粒粒度及微小曲面零件曲面曲率，确定所需电磁流变磨削液(22)的磨粒构成成分及比例，电/磁场施加方式及大小、修整时间；将电磁流变磨削液(22)装入磨削液储存器(1)，磨削液储存器(1)与水泵(2)、流量控制阀(3)通过管路连接，液体流量通过流量控制阀(3)控制调节，以实现定量、定速输出，电磁流变磨削液(22)通过水泵(2)经喷嘴流入到球形微磨具(8)与微小曲面零件(14)之间的区域；/n微小曲面零件(14)安装在中心，水平磁场辅助装置(9)由4个弧形磁极(17)组成，所述4个弧形磁极(17)通过接头连接变频控制单元(10)，依靠变频控制单元(10)的4通道独立控制，以产生不同方向、大小和作用频率的水平磁场。/n在4个弧形磁极(17)所产生的具有一定作用频率的水平磁场作用下，电磁流变磨削液(22)中的电磁流变纳米颗粒水平铺开并环绕微磨具中心作旋转运动；/n在主轴线圈(6)产生的垂直磁场与电源(12)输出电流产生的垂直电场的协同作用下，电磁流变磨削液(22)发生粘变固化,其中的电磁流变纳米颗粒在球形微磨具(8)端部大量聚集并沿着垂直电磁力线方向形成链状结构,其他微细磨粒被束缚在这些链状结构之间，由于球形微磨具(8)端部电磁场强度最大，会形成较大电磁场梯度，电磁力线以球形微磨具(8)端部为中心形成放射状分布。/n当球形微磨具(8)以一定速度旋转时，电磁流变磨削液(22)中的磨粒在微磨具旋转运动、垂直电场、垂直磁场和水平磁场的共同作用下，对球形微磨具(8)和微小曲面零件(14)表面产生微量切削作用，形成球形微磨具(8)表面修整和微小曲面零件(14)表面抛光或微细加工过程。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法，其特征在于：该在线柔性修整方法通过以下方式实现：
依据待修整球形微磨具(8)尺寸、磨粒粒度及微小曲面零件曲面曲率，确定所需电磁流变磨削液(22)的磨粒构成成分及比例，电/磁场施加方式及大小、修整时间；将电磁流变磨削液(22)装入磨削液储存器(1)，磨削液储存器(1)与水泵(2)、流量控制阀(3)通过管路连接，液体流量通过流量控制阀(3)控制调节，以实现定量、定速输出，电磁流变磨削液(22)通过水泵(2)经喷嘴流入到球形微磨具(8)与微小曲面零件(14)之间的区域；
微小曲面零件(14)安装在中心，水平磁场辅助装置(9)由4个弧形磁极(17)组成，所述4个弧形磁极(17)通过接头连接变频控制单元(10)，依靠变频控制单元(10)的4通道独立控制，以产生不同方向、大小和作用频率的水平磁场。
在4个弧形磁极(17)所产生的具有一定作用频率的水平磁场作用下，电磁流变磨削液(22)中的电磁流变纳米颗粒水平铺开并环绕微磨具中心作旋转运动；
在主轴线圈(6)产生的垂直磁场与电源(12)输出电流产生的垂直电场的协同作用下，电磁流变磨削液(22)发生粘变固化,其中的电磁流变纳米颗粒在球形微磨具(8)端部大量聚集并沿着垂直电磁力线方向形成链状结构,其他微细磨粒被束缚在这些链状结构之间，由于球形微磨具(8)端部电磁场强度最大，会形成较大电磁场梯度，电磁力线以球形微磨具(8)端部为中心形成放射状分布。
当球形微磨具(8)以一定速度旋转时，电磁流变磨削液(22)中的磨粒在微磨具旋转运动、垂直电场、垂直磁场和水平磁场的共同作用下，对球形微磨具(8)和微小曲面零件(14)表面产生微量切削作用，形成球形微磨具(8)表面修整和微小曲面零件(14)表面抛光或微细加工过程。


2.根据权利要求1所述的基于电磁流变效应的球形微磨具在线柔性修整方法，其特征在于：所述球形微磨具(8)为硬质合金基体的PCD球形微磨具，所述微小曲面零件微小曲面零件(14)表面的曲率半径为5mm，电磁流变磨削液(22)的通过硅油60％、悬浮剂5％、二氧化钛(TiO2)15％、四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒10％、二氧化硅(SiO2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜潮，陈启迪，李伟，黄向明，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43