工件复杂表面光整加工装置的系统性创新设计

作品简介

随着工业的迅速发展，人们对零件的表面质量及其光整加工技术提出更高的要求。工件的表面质量往往决定其寿命的长短，光整加工正是针对于提高零件表面质量的先进制造技术，可使被加工件具有低的表面粗糙度和良好的几何微观形貌，提高其耐磨损、耐腐蚀等性能并延长使用寿命。其中，磁力研磨作为一种借助磁场力进行加工的新型光整技术，存在着较大的推广应用与深入挖掘潜力。

本团队所展示的复杂曲面磁力研磨加工装置是借用磁力将游离的磁性磨料沿磁力线方向吸附于磁极形成磁粒刷，运动磁极带动磁刷在一定距离范围内对工件表面进行光整加工的技术（加工过程如图1所示）。磁力研磨加工的光整过程是磁刷与被加工对象表面直接接触并互相作用的过程，而磁刷由单颗磁性磨粒组成。研磨加工的实际过程为多个单颗磨粒对工件表面反复作用的复合过程，其作用机理为其与工件表面的接触加工，即刮削和挤压（磁极受力分布如图2所示）。

与此同时，为满足各类模具型腔复杂表面的加工需要，本装置设计了通用性较强的磁极头结构，对磁极头在加工过程的受力情况进行建模分析，以保证其结构具有足够的刚度。本团队在已有的磁极头结构的基础上设计出了既保证磁场分布梯度的开槽与锥度，又具有最佳磁极尺寸的结构（具体结构如图3）。

除此之外，基于前述复杂曲面磁力研磨加工的机理分析，在满足实现磁力研磨加工必要条件的基础上，为提高加工空间的适应性，扩大加工设备的自由度，实现对各类复杂曲面进行磁力研磨加工的需求，本文设计采用六自由度机械手臂（图4）作为磁力研磨加工的工具载体，配以X-Y方向独立运动的工作台分别作为被加工对象与机械臂的平台载体方案（图5）。

本装置在工件复杂表面光整加工装置的系统性创新设计过程中进行了以下几个方面的优化创新：

（1）对现有的磁力研磨磁极设计及优化方法进行了初步总结和应用；

（2）对磁极受力分析的过程，提出将磁极末端形成的磁刷简化成单颗磁性磨料的理念，并以该理念模型对磁极进行受力分析；

（3）复杂曲面磁力研磨加工装置的设计方案中，摒弃了常用的X-Y方向两轴联动工作台，选取在两方向上可单独进行运动的直线导轨模组，该模组可通过程序控制实现两轴联动，间接提高机械臂的自由度水平，使装置更具灵活性。