基于曲率的曲面等效磁性研磨策略研究

魏志強(qiáng)，姚平喜，高峰，郭山國(guó)

(1. 河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北邢臺(tái)054048;2. 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024)

磁性研磨是一種把磁場(chǎng)能應(yīng)用于傳統(tǒng)的研磨技術(shù)中，開發(fā)出的一種新興的磨削加工技術(shù)。相較于其他表面光整加工技術(shù)，磁性研磨具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如具有很好的柔性和自適應(yīng)性、很好的自銳性、適用范圍廣、研磨溫升小、加工效率高等，使得磁性研磨技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。這種加工方法適合于平面、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。磁性研磨加工技術(shù)可以很好地與數(shù)控機(jī)床、加工中心和機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光整加工的自動(dòng)化［2］。

國(guó)外前蘇聯(lián)自20 世紀(jì)60年代開始推廣并應(yīng)用磁性研磨光整加工技術(shù)，之后多國(guó)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。我國(guó)關(guān)于磁性研磨的研究起步較晚，開始于20 世紀(jì)80年代末，實(shí)際推廣應(yīng)用較少，開展磁力研磨加工技術(shù)的研究單位均自行研制開發(fā)出不同的磁力研磨設(shè)備并對(duì)不同的工件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的加工效果。目前對(duì)曲面磁性研磨的加工主要在三坐標(biāo)機(jī)床上進(jìn)行，其基本原理是磁性磨料在磁場(chǎng)的作用下吸附在磁極上形成“磁刷”，并以一定的壓力作用在工件曲面上。當(dāng)磁極與“磁刷”之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在接觸面上的磨粒將對(duì)工件發(fā)生接觸滑移、摩擦、擠壓、刻劃和切削等作用，使工件表面得到研磨，如圖1 所示。

圖1 磁性研磨加工原理

在實(shí)踐應(yīng)用中，利用三坐標(biāo)磁性研磨設(shè)備進(jìn)行曲面類零件加工時(shí)，由于曲面曲率的變化使磨頭軸向與曲面法矢方向發(fā)生變化［3］，從而使曲面零件表面研磨量不均勻，導(dǎo)致零件表面粗糙度不一致，影響了研磨效果。圖2 所示為曲面法向矢量與磁極之間夾角變化與金屬去除量的關(guān)系圖［4］。

圖2 加工面傾角與金屬去除量的關(guān)系

基于上述問題，結(jié)合CAD/CAM 技術(shù)，研究曲面磁性研磨的等效磨削方法，根據(jù)曲面曲率的變化調(diào)整磨頭方向，使磁性磨頭的軸線始終與曲面法矢重合或保持固定角度，以此來保證曲面零件表面磨量均勻，提高磨削效率，改善研磨質(zhì)量［5］。

1 磁極軸矢優(yōu)化的基本原理

曲面磁性研磨過程中磁刷上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以用一個(gè)曲面或一組曲面來表達(dá)，即軌跡反映了磁刷路徑對(duì)曲面S 的描述情況。因此在加工曲面S 上，磁頭可以安置在曲面S 上的任意接觸點(diǎn)Cc處;令N 代表Cc處法矢量;T 代表磁極軸向，且不與N 平行;C1代表刀位定位點(diǎn);F 代表進(jìn)給方向;K 代表N×F 的方向;在局部坐標(biāo)系內(nèi)，刀軸矢量T 可被唯一的傾角α及導(dǎo)角β 這兩個(gè)角來定義，如圖3 所示［6］。

圖3 磁極與加工面S 的接觸關(guān)系及局部坐標(biāo)系

在多軸加工過程中，通過變更傾角α 及導(dǎo)角β 可有效避免局部加工干涉。同樣，也可以通過變更傾角α 及導(dǎo)角β 避免全局干涉。因此，通過算法優(yōu)化角度α 及β 的取值，可使刀具軌跡更加適合曲面加工。在曲面磁性研磨過程中，可通過調(diào)整傾角α 及導(dǎo)角β 來控制磁極軸線矢量的方向，同時(shí)通過變更傾角α 及導(dǎo)角β 優(yōu)化控制被研磨曲面與磁極軸線的關(guān)系，從而達(dá)到曲面等效研磨的目的，在很大程度上改善了磨削質(zhì)量。

圖4 圓柱凸輪模型

2 等效研磨方法

以如圖4 所示圓柱凸輪零件為例，零件曲面由數(shù)控機(jī)床加工成型，要求通過磁性研磨的方法來進(jìn)行曲面精細(xì)加工。

(1)導(dǎo)入零件三維模型并進(jìn)入多軸加工界面

運(yùn)行CAM 軟件，導(dǎo)入圓柱凸輪三維模型如圖3所示。點(diǎn)擊按鈕，在下拉菜單中選擇“加工”進(jìn)入“加工環(huán)境”對(duì)話框，選擇“mill multi-axis”進(jìn)入多軸加工界面［7］。

(2)創(chuàng)建研磨程序、工件坐標(biāo)系與幾何體

點(diǎn)擊“創(chuàng)建程序”按鈕創(chuàng)建凸輪研磨數(shù)控程序“PROGRAM_1”。點(diǎn)擊“創(chuàng)建幾何體”按鈕，建立工件坐標(biāo)系“MCS_1”，選擇凸輪三維模型創(chuàng)建工件幾何體“WORKPIECE_1”和毛坯。

(3)選擇磁性研磨頭參數(shù)。

點(diǎn)擊“創(chuàng)建刀具”按鈕，進(jìn)入刀具設(shè)置對(duì)話框，選擇“BALL_MILL”刀具，根據(jù)凸輪曲面研磨要求，選擇直徑20 mm 球狀研磨頭進(jìn)行加工，參數(shù)設(shè)置如圖5 所示。

圖5 研磨頭參數(shù)設(shè)置

(4)曲面法矢與刀軸設(shè)置

①設(shè)置研磨驅(qū)動(dòng)面。基于“等效磨削”的原則，在磁性研磨過程中使磨頭軸線與圓柱凸輪曲面的法矢重合或保持一定角度，因此驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)置是關(guān)鍵的一步。CAM 軟件在曲面加工中提供了多種類型的驅(qū)動(dòng)方法，有些驅(qū)動(dòng)方法允許沿曲線創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)點(diǎn)集，另外一些驅(qū)動(dòng)方法則允許在一個(gè)區(qū)域中創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列。曲面驅(qū)動(dòng)方法是在驅(qū)動(dòng)曲面上創(chuàng)建網(wǎng)格狀的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣列(UV 方向)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，沿指定的投射矢量投射到零件幾何表面上創(chuàng)建刀具路徑。這里選擇圓柱凸輪被研磨曲面作為研磨加工的驅(qū)動(dòng)曲面，如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)曲面的選擇

②投影矢量設(shè)置。投射矢量確定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)如何投射到零件表面上，以及刀具與零件表曲哪一側(cè)接觸，刀具則總是沿投射矢量與零件表面的一側(cè)接觸。根據(jù)磁性研磨的特性，選擇投影矢量為“垂直于驅(qū)動(dòng)體”，使投影矢量與驅(qū)動(dòng)曲面的法矢保持一致。

③刀軸設(shè)置。刀軸矢量用于定義可變刀軸的方位?？勺兊遁S在沿刀軌運(yùn)動(dòng)時(shí)將不斷改變方向，更好地進(jìn)行加工。刀軸矢量可以通過輸入坐標(biāo)值、選擇幾何體、選擇垂直或相對(duì)于零件幾何體有關(guān)的表面等方式來定義，CAM 系統(tǒng)提供了20 多種刀軸定義方法。這里選擇“垂直于驅(qū)動(dòng)體”方式定義在每個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)處垂直于驅(qū)動(dòng)曲面的可變刀軸，如圖7 所示。

④切削參數(shù)的設(shè)置與研磨軌跡的生成

設(shè)置凸輪曲面磁性研磨的切削參數(shù)、非切削移動(dòng)、進(jìn)給率和速度，生成磁性研磨軌跡，如圖8 所示。

圖7 垂直于驅(qū)動(dòng)曲面的可變刀軸

圖8 磁性研磨軌跡

3 結(jié)論

(1)提出了一種基于曲率的磁性研磨軌跡規(guī)劃方法，分析三軸磁性研磨設(shè)備磨削質(zhì)量不均勻的問題，研究提高曲面類零件磁性研磨質(zhì)量的策略。

(2)根據(jù)磁性研磨的特點(diǎn)，利用CAM 技術(shù)分析工藝參數(shù)對(duì)去除效率、表面粗糙度的影響規(guī)律，提出曲面等效磨削的方法。

(3)與傳統(tǒng)磁性研磨方法相比，文中提出了有效控制零件曲面與刀軸矢量的途徑，解決了三軸磁性研磨過程磨削質(zhì)量不均勻的問題，可獲得更好的表面質(zhì)量，對(duì)磁性研磨技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣具有重要意義。

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