Обработка с помощью магнитного поля - Википедия - Magnetic field-assisted finishing

Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Июнь 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Отделка с помощью магнитного поля»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Июнь 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Магнитный обработка в полевых условияхиногда называют магнитно-абразивная обработка, это обработка поверхности метод, в котором магнитное поле используется для прижатия абразивных частиц к целевой поверхности.^[1] Таким образом, возможна отделка обычно недоступных поверхностей (например, внутренней поверхности длинной изогнутой трубы). Процессы отделки с помощью магнитного поля (MAF) были разработаны для широкого спектра применений, включая производство медицинских компонентов, жидкостных систем, оптика, штампы и пресс-формы, электронные компоненты, микроэлектромеханические системы и механические компоненты.

История

Изначально MAF был разработан как процесс механической обработки в США в 1930-х годах, а первый патент был получен в 1940-х годах. Университетские исследования в Советском Союзе, Болгарии, Германии, Польше и США начались в 1960-х годах, а практическое использование появилось в 1980-х и 1990-х годах. Рост полупроводниковой, аэрокосмической и оптической промышленности привел к постоянному развитию лучших методов для достижения высокой точности формы и целостности поверхности.^[2]

Теория

Чистовая обработка с помощью магнитов или MAF - это, по сути, манипуляция однородной смесью магнитных и абразивных частиц с помощью магнитного поля для передачи обрабатывающего усилия на заготовку. Относительное движение смеси частиц и поверхности детали приводит к удалению материала. Поскольку MAF не требует прямого контакта с инструментом, частицы могут попадать в области, труднодоступные с помощью обычных методов. Кроме того, тщательный отбор магнитных частиц и абразивных частиц позволяет контролировать текстуру и шероховатость поверхности, что ранее было невозможно, особенно для труднодоступных участков.^[2]

Источники полей

Источником магнитного поля в MAF обычно является электромагнит или редкоземельный постоянный магнит. Постоянный магнит обеспечивает высокую плотность энергии, отсутствие перегрева, что приводит к постоянной плотности магнитного потока, низкую стоимость, легкость интеграции в существующее оборудование с ЧПУ и простоту. В некоторых случаях требуется регулировка плотности потока во время чистовой обработки или переключение магнитного поля, которое возможно только с помощью электромагнита, поскольку магнитное поле в постоянном магните нельзя просто отключить.

Оборудование

Относительное движение смеси магнитных / абразивных частиц и заготовки необходимо для удаления материала. Есть несколько вариантов достижения необходимого движения. Обычная установка - вращение наконечника магнитного полюса. Это делается либо путем вращения всей установки постоянного магнита, либо путем вращения только стального полюса. Другой метод, который обычно используется при внутренней чистовой обработке, - это вращение заготовки, к сожалению, оно ограничено осесимметричными заготовками. Помимо вращательного движения применимы колебательные и колебательные конфигурации.

Сила на частицу

Начнем с обычного выражения для силы, действующей на магнитный дипольный момент в магнитном поле,

${ displaystyle { vec {F}} = nabla ({ vec {m}} cdot { vec {B}})}$

Отсюда сделайте предположение, что момент магнитной частицы коллинеарен с приложенным полем. Это разумное предположение, учитывая малый размер и высокую восприимчивость магнитных частиц. Таким образом, уравнение становится,

${ Displaystyle { vec {F}} = м набла Б}$

Используя следующие тождества, чтобы получить более удобное уравнение для описания силы, действующей на одну магнитную частицу,

${ displaystyle m = MV}$

${ displaystyle M = H_ {k} chi}$

${ displaystyle B = mu _ {0} H_ {a}}$

Подставляя приведенные выше определения в уравнение магнитной силы, получаем,

${ displaystyle { vec {F}} = mu _ {0} chi VH_ {k} nabla H_ {a}}$ ^[2]

куда,

• ${ displaystyle H_ {k}}$ - максимальное приложенное поле для насыщения магнитной частицы
• ${ displaystyle H_ {a}}$ напряженность приложенного магнитного поля
• ${ displaystyle B}$ это плотность магнитного потока
• ${ displaystyle M}$ - намагниченность частицы, считающейся насыщенной.
• ${ displaystyle m}$ магнитный дипольный момент
• ${ displaystyle nabla H}$ градиент магнитного поля
• ${ displaystyle V}$ - это объем частицы (в предположении сферической формы)
• ${ displaystyle chi}$ магнитная восприимчивость материала
• ${ displaystyle mu _ {0}}$ проницаемость свободного пространства

Щетка

Состав кисти

Магнитные материалы

Утюг и его оксиды

Кобальт

Никель

Стали и Нержавеющая сталь

Абразивы

Синтетический алмаз

Кубический нитрид бора CBN

Оксид алюминия Al_2O_3

Карбид кремния SiC

Общие магнитно-абразивные материалы

Белый глинозем + железо

Алмаз + железо

Карбид вольфрама + кобальт

Формирование кисти

Предполагается, что формирование щетки определяется тремя движущими силами. Первая энергия Wm - это энергия намагничивания между частицами, которая приводит к образованию магнитных цепочек частиц. Следующая энергия известна как энергия отталкивания Wf, это разделение соседних цепочек материальных частиц, вызванное эффектом Фарадея, это причина, по которой цепочки не сразу смешиваются в одну гигантскую цепочку. Наконец, третья энергия называется энергией натяжения Wt, она относится к энергии, необходимой для противодействия искривленным магнитным цепям.

Следовательно, энергия, необходимая для формирования магнитной щетки, следующая:

${ Displaystyle W = W_ {m} + W_ {f} + W_ {t}}$

Силы, прикладываемые кистью

Силу, приложенную к поверхности магнитной частицей в магнитной щетке, можно разделить на две составляющие. Нормальная сила и тангенциальная сила.

Нормальную силу на поверхности, приложенную магнитной частицей, можно определить как функцию площади S и магнитного поля B в следующем выражении: [3]

${ displaystyle F_ {n} = mf_ {n} = { frac {B ^ {2}} {2 mu _ {0}}} left (1 - { frac {1} { mu _ {m }}} right) S}$

Если проницаемость магнитных частиц определяется объемной долей частиц железа, определяемой как:

${ displaystyle mu _ {m} = { frac {2+ mu _ {F} -2 (1- mu _ {F}) Vi} {2+ mu _ {F} - (1- mu _ {F}) Vi}}}$

Где

${ displaystyle f_ {n} =}$нормальная сила на частицу

${ displaystyle m =}$количество частиц частица

${ displaystyle B =}$Магнитное поле B

${ Displaystyle S =}$Фактор площади S

${ displaystyle mu _ {0} =}$проницаемость воздуха

${ displaystyle mu _ {m} =}$проницаемость магнитных частиц

${ displaystyle mu _ {f} =}$проницаемость частиц железа

Тангенциальную силу щетки можно определить как изменение энергии щетки из-за препятствия. Поскольку магнитная частица предпочитает находиться в состоянии с наименьшей энергией, увеличение энергии из-за отклонения от линий магнитного потока может привести к горизонтальной «восстанавливающей» силе, которая действует на поверхность заготовки. Эта восстанавливающая сила может быть определена как:

${ displaystyle F_ {H} = { frac {dW} {dx}}}$

Удаление материала

Комбинация тангенциальной силы и нормальных сил, прилагаемых щеткой к заготовке, теоретически удаляет материал с верхних выступов неровностей поверхности. Этот процесс повторяется по мере того, как контакт между щеткой и поверхностью продолжается во время чистовой операции. Со временем шероховатость поверхности поверхности заготовки достигает минимального значения, это связано с физическими ограничениями текущей настройки чистовой обработки. В частности, отбор частиц железа и абразивных частиц определяет минимальную достижимую шероховатость поверхности. По мере уменьшения шероховатости поверхности необходимы более мелкие абразивные частицы для продолжения удаления материала.

MAF способен достичь значения шероховатости Диапазон значений Ra от 200 мкм до Ra 1 нм с легкостью демонстрирует степень настройки, доступную для установки MAF. Размер частиц магнитных частиц в щетке определяет конечную силу, которая регулируется магнитной силой в уравнении частицы. однако увеличение размера частиц имеет неблагоприятные эффекты, такие как неспособность удерживать мелкие абразивные материалы и наличие воздушных зазоров в результате большего коэффициента упаковки. Чтобы облегчить эти проблемы, на практике обычно смешивают магнитные частицы как с крупными, так и с более мелкими частицами, чтобы «заполнить» «отверстия» щетки, мелкие частицы эффективно покрывают более крупные частицы в цепочке частиц. Тщательный контроль текстуры и шероховатости поверхности можно осуществлять путем выбора правильного размера абразива, скорости колебаний и частоты вращения шпинделя. Вообще говоря, чем быстрее движется кисть, тем плотнее финишные следы на поверхности и выше шероховатость поверхности.^[2]

Типы

MAF можно разделить на три основные категории, каждая из которых определяется типом магнитных частиц, используемых при чистовой обработке. У каждого типа есть своя специфическая ниша, которую он может занять лучше, чем его аналоги, поэтому знание применения процесса является ключом к выбору правильной операции отделки. Различные процессы MAF перечислены в порядке увеличения разрешения шероховатости поверхности при уменьшении приложенной силы. Это в первую очередь связано с уменьшением размера частиц железа от одного типа чистовой обработки к другому. Эти процессы являются просто общими терминами и примерами для некоторых установок MAF, важно отметить, что каждый из этих процессов имеет различные вариации, которые можно расширить для применимости к другим деталям.

Магнитно-абразивная обработка

Магнитно-абразивная чистовая обработка означает использование частиц железа размером 1–2 мм, смешанных с абразивом, для приложения усилия механической обработки путем манипулирования частицами с помощью магнитного поля. Смесь магнитных частиц и абразива обычно называют «магнитной щеткой», потому что она выглядит и ведет себя аналогично проволочной щетке. В отличие от обычной щетки магнитные цепочки частиц гибки и соответствуют любой геометрии. По мере того, как смещение щетки превышает гибкость втулки, магнитные щетинки могут ломаться и восстанавливаться, что дополнительно увеличивает гибкость и универсальность этого процесса отделки. Таким образом, данная разновидность МАФ предназначена для отделки внешних поверхностей произвольной формы, таких как профили или протезы. Однако он также может быть легко применим для процессов внутренней отделки и особенно эффективен при отделке внутренних поверхностей деталей, к которым трудно получить доступ иным образом, таких как капиллярные трубки и другие иглы небольшого калибра. Основное различие между внутренней и внешней отделкой заключается в расположении щетки и заготовки, однако приложение силы по существу одинаково, поэтому механизм удаления материала идентичен в обоих случаях. Один ключевой параметр, о котором должен знать пользователь, - это надлежащее завершение магнитной цепи, чтобы магнитный поток равномерно проникал через заготовку в желаемом месте чистовой обработки. Магнитная щетка с добавлением смазки на масляной основе также может считаться магнитореологической жидкостью.

Приложения

Обработка произвольной формы

Протезирование

Режущие инструменты

Лопатки турбины

Профили

Оптика

Внутренняя отделка

Сантехнические трубы

Пищевая промышленность

Капиллярные трубки в медицине

Стенты, стержни катетеров, иглы, иглы для биопсии и т. Д.

Изогнутые трубы

Магнитореологическая отделка

Магнитореологическая чистовая обработка или MRF использует сдвиг вязкой смеси частиц железа микронных размеров, абразивов и масла для придания механической силы или давления поверхности заготовки. Эту смесь магнитных частиц обычно называют лентой, и она чрезвычайно вязкая в присутствии магнитного поля, повышенная вязкость и различные свойства жидкости аналогичны свойствам Жидкость Бингема а не ньютоновская жидкость. В типичной установке для чистовой обработки MRF жидкость MRF закачивается на вращающееся колесо, которое соединено с электромагнитом. Когда электромагнит активируется, жидкость переходит в более вязкое состояние, тогда заготовка прижимается к жидкости, что приводит к сдвигу жидкости, что приводит к удалению материала на границе раздела между заготовкой и MRF. Одна из характеристик жидкости Бингема заключается в том, что по мере увеличения скорости усилие, необходимое для сдвига, пропорционально увеличивается, поэтому увеличение скорости вращения колеса приводит к увеличению усилия обработки при сдвиге. Эта конкретная установка идеально подходит для больших немагнитных деталей произвольной формы, таких как стеклянная оптика. Он также обычно применяется к большим немагнитным заготовкам, где толщина заготовки приводит к затруднениям в обеспечении эффективного проникновения магнитного поля в желаемое место, поэтому эта установка не зависит от тщательной конструкции магнитной цепи.

Приложения

Полировка в субнанометровом масштабе

Немагнитные заготовки произвольной формы

Оптика

Керамика

Обработка магнитной жидкостью

В отделке магнитной жидкостью раствор феррожидкость и абразивные частицы используются в качестве смеси магнитных частиц. Обычно это применимо для приложений, в которых нет доступа даже к другим типам MAF или когда требуется менее вязкая среда. Одним из примеров применения отделки магнитной жидкостью является оптика с кремниевыми микропорами, в случае этой конкретной оптики боковые стенки должны быть обработаны до среднеквадратичного значения <1,0 нм для отражения рентгеновских лучей. Поры имеют размер 5 мкм x 20 мкм x 300 мкм, что делает практически невозможным доступ с помощью любого обычного метода. Магнитные частицы и абразивный раствор помещают в переменное и переключающееся магнитное поле, чтобы стимулировать поток жидкости от одной стороны оптики к другой стороне. Этот поток приводит к удалению материала с боковых стенок за счет импульса жидкости и сдвигу боковых стенок абразивами. Другое применение - отделка керамических шариков подшипников. Это также известно как полировка с магнитным поплавком, при котором используется магнитная жидкость с магнитным «поплавком» для обеспечения равномерного распределения давления на поверхности сферы во время вращения. Это приводит к равномерному приложению чистовой силы к поверхности заготовки.

Приложения

Подшипники и ролики

Высокоточная оптика

Возможности

• Возможность достижения широкого диапазона характеристик поверхности за счет тщательного отбора магнитных и абразивных частиц
  • Значения шероховатости от 200 мкм до 1 нм
  • Текстурирование
    • Улучшение характеристик поверхности, таких как смачиваемость или снижение трения
• Возможность доступа к труднодоступным местам
• Возможность изменения шероховатости без изменения формы
• Настройка не зависит от материала заготовки
  • Может эффективно обрабатывать керамику, нержавеющую сталь, карбиды, карбиды с покрытием и кремний.
  • Гибкое приложение силы и равномерное распределение давления снижают стоимость сборки
    • Вибрации обрабатывающего центра и обрабатывающего инструмента не передаются на поверхность заготовки.

Ограничения

• Может быть трудно масштабировать до массового производства
• Неприменимо к некоторым "обычным" задачам отделки, где можно использовать обычные методы отделки.

Рекомендации

• Калпакджян С., Шмид С., «Производственные процессы», 5-е издание, Пирсон, 2008 г.
• Ямагути Х., Сато Т., "Полировка и обработка с помощью магнитного поля" Интеллектуальное производство с использованием энергетического поля Междисциплинарные технологические инновации 2012
• Мори Т., Хирота К., Кавашима Ю., "Разъяснение механизма магнитно-абразивной чистовой обработки", Журнал технологий обработки материалов, 2003 г.
• Грациано А., Гангули В., Ямагути Х. «Характеристики поверхностей из хромо-кобальтового сплава, обработанных с использованием магнитно-абразивной обработки» ASME 2012
• Ямагути Х., Риверос Р., Мицуиси И., Эзоэ Й. "Чистовая обработка микропористых зеркал с фокусировкой рентгеновских лучей с использованием магнитного поля, изготовленных DRIE" Технология производства CIRP 2010
• Ямагути Х., Шимура Т. "Исследование модификации поверхности в результате внутреннего магнитно-абразивного процесса чистовой обработки" Wear 1999
• Русецкий А., Мокеев А., Коробко Е. «Формирование слоя магнитореологической жидкости на поверхности движущегося объекта в градиентном магнитном поле» Физический журнал, 2013
• Умехара, Н., MAGIC polishing, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, 341-343, 2002.