基于曲率的曲面等效磁性研磨策略研究

2015-04-25 01:43:22魏志強姚平喜高峰郭山國

機床與液壓 2015年8期

魏志強，姚平喜，高峰，郭山國

(1. 河北機電職業技術學院機械工程系，河北邢臺054048;2. 太原理工大學機械工程學院，山西太原030024)

磁性研磨是一種把磁場能應用于傳統的研磨技術中，開發出的一種新興的磨削加工技術。相較于其他表面光整加工技術，磁性研磨具有其獨特的優勢，例如具有很好的柔性和自適應性、很好的自銳性、適用范圍廣、研磨溫升小、加工效率高等，使得磁性研磨技術具有廣闊的應用前景［1］。這種加工方法適合于平面、球面、圓柱面和其他復雜形狀零件的加工，并能控制研磨效率和研磨精度。磁性研磨加工技術可以很好地與數控機床、加工中心和機器人技術結合，實現光整加工的自動化［2］。

國外前蘇聯自20 世紀60年代開始推廣并應用磁性研磨光整加工技術，之后多國對該技術進行研究并應用于生產實踐。我國關于磁性研磨的研究起步較晚，開始于20 世紀80年代末，實際推廣應用較少，開展磁力研磨加工技術的研究單位均自行研制開發出不同的磁力研磨設備并對不同的工件進行了實驗研究，取得了較好的加工效果。目前對曲面磁性研磨的加工主要在三坐標機床上進行，其基本原理是磁性磨料在磁場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。當磁極與“磁刷”之間產生相對運動時，在接觸面上的磨粒將對工件發生接觸滑移、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

在實踐應用中，利用三坐標磁性研磨設備進行曲面類零件加工時，由于曲面曲率的變化使磨頭軸向與曲面法矢方向發生變化［3］，從而使曲面零件表面研磨量不均勻，導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系圖［4］。

圖2 加工面傾角與金屬去除量的關系

基于上述問題，結合CAD/CAM 技術，研究曲面磁性研磨的等效磨削方法，根據曲面曲率的變化調整磨頭方向，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，改善研磨質量［5］。

1 磁極軸矢優化的基本原理

曲面磁性研磨過程中磁刷上某一點的運動可以用一個曲面或一組曲面來表達，即軌跡反映了磁刷路徑對曲面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;F 代表進給方向;K 代表N×F 的方向;在局部坐標系內，刀軸矢量T 可被唯一的傾角α及導角β 這兩個角來定義，如圖3 所示［6］。

圖3 磁極與加工面S 的接觸關系及局部坐標系

在多軸加工過程中，通過變更傾角α 及導角β 可有效避免局部加工干涉。同樣，也可以通過變更傾角α 及導角β 避免全局干涉。因此，通過算法優化角度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，可通過調整傾角α 及導角β 來控制磁極軸線矢量的方向，同時通過變更傾角α 及導角β 優化控制被研磨曲面與磁極軸線的關系，從而達到曲面等效研磨的目的，在很大程度上改善了磨削質量。

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，零件曲面由數控機床加工成型，要求通過磁性研磨的方法來進行曲面精細加工。

(1)導入零件三維模型并進入多軸加工界面

運行CAM 軟件，導入圓柱凸輪三維模型如圖3所示。點擊按鈕，在下拉菜單中選擇“加工”進入“加工環境”對話框，選擇“mill multi-axis”進入多軸加工界面［7］。

(2)創建研磨程序、工件坐標系與幾何體

點擊“創建程序”按鈕創建凸輪研磨數控程序“PROGRAM_1”。點擊“創建幾何體”按鈕，建立工件坐標系“MCS_1”，選擇凸輪三維模型創建工件幾何體“WORKPIECE_1”和毛坯。

(3)選擇磁性研磨頭參數。

點擊“創建刀具”按鈕，進入刀具設置對話框，選擇“BALL_MILL”刀具，根據凸輪曲面研磨要求，選擇直徑20 mm 球狀研磨頭進行加工，參數設置如圖5 所示。

圖5 研磨頭參數設置

(4)曲面法矢與刀軸設置

①設置研磨驅動面。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，因此驅動方式的設置是關鍵的一步。CAM 軟件在曲面加工中提供了多種類型的驅動方法，有些驅動方法允許沿曲線創建驅動點集，另外一些驅動方法則允許在一個區域中創建驅動點陣列。曲面驅動方法是在驅動曲面上創建網格狀的驅動點陣列(UV 方向)產生的驅動點，沿指定的投射矢量投射到零件幾何表面上創建刀具路徑。這里選擇圓柱凸輪被研磨曲面作為研磨加工的驅動曲面，如圖6所示。

圖6 驅動曲面的選擇

②投影矢量設置。投射矢量確定驅動點如何投射到零件表面上，以及刀具與零件表曲哪一側接觸，刀具則總是沿投射矢量與零件表面的一側接觸。根據磁性研磨的特性，選擇投影矢量為“垂直于驅動體”，使投影矢量與驅動曲面的法矢保持一致。

③刀軸設置。刀軸矢量用于定義可變刀軸的方位。可變刀軸在沿刀軌運動時將不斷改變方向，更好地進行加工。刀軸矢量可以通過輸入坐標值、選擇幾何體、選擇垂直或相對于零件幾何體有關的表面等方式來定義，CAM 系統提供了20 多種刀軸定義方法。這里選擇“垂直于驅動體”方式定義在每個驅動點處垂直于驅動曲面的可變刀軸，如圖7 所示。

④切削參數的設置與研磨軌跡的生成

設置凸輪曲面磁性研磨的切削參數、非切削移動、進給率和速度，生成磁性研磨軌跡，如圖8 所示。