专利名称：超声波磁粒复合研磨方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械加工领域，具体涉及通过超声波磁粒复合研磨对机械 零件表面进行研磨抛光的方法及为实现该方法所发明的一种装置。
冊狄
随着人们对美学效果的不断追求，越来越多的制品采用复杂的自由曲 面造型，且型面精度要求越来越高，但是由于高档次高精度设备如高速铣 等成本高、投入大而难以大量普及，零件型面机加工结束后，留给最后手 工研磨抛光的工作量非常大，这导致了制品生产周期长，生产效率低，型
面精度更得不到可靠保证；对于汽车零件如覆盖件、车灯等自由曲面型面， 这方面的矛盾尤为突出。如何提高自由曲面加工精度，降低手工打光工作 量是国内外机械行业尤其是模具行业期盼解决的问题。
对模具自由曲面的自动研磨加工一直是国际上工业发达国家致力研究 的课题，美国、德国、法国、日本早在上世纪80年代就投入了大量人力、 物力和财力进行模具自由曲面自动化研磨系统的研究，并相继开发出了模 具自动研磨专用机床。研磨工艺方法也从机械研磨发展到电化学研磨、激 光研磨、超声波振动研磨、磁粒研磨等多种特种研磨，并从手工研磨向数 控研磨、机器人研磨发展。
申请号为200410044076. 0的中国发明专利，涉及超声波磁流变复合抛 光方法及装置。该发明创造主要用于小型自由曲面光学元件的超精密加工， 该发明方案是利用通入循环流动的混有磨料的磁流变液，施加一定的磁场，
使磁流变液在工具头部位成为有一定材料去除能力的柔性抛光工具，同时 施加超声波振动来实现抛光去除作用。该方案具有设备紧凑、操作方便、 加工精度高等优点。但该方案与本专利所适合的加工领域不同，磁流变液
适合超精密加工和光学加工技术领域，其目标粗糙度值可达Ra0.7nm，切削 力极小，而模具型面及大多数机械零件经数控设备加工后的粗糙度值一般 为Ral.6/^左右，目标粗糙度RaO.l，左右，同时，磁流变液还具有易沉 积的缺点，显然专利号为200410044076. 0的发明不适合大量应用于模具及 大多数机械加工领域。
磁粒研磨就是磁性磨料在磁场作用下被吸附在磁极上形成具有一定刚 度的"柔性磨料刷"，通过磨料刷与工件的相对运动实现对工件表面研磨 加工的一种新型加工方法。由于磁性磨刷可以随被加工表面形状的变化而 变化，因而特别适合复杂曲面的数控研磨加工；但目前由于研磨过程中， 磨粒翻转自锐作用不明显等原因导致实际研磨效率偏低，严重影响了该技 术的应用推广。
本发明所要解决的问题就是克服实际磁粒研磨过程中研磨效率偏低的 问题。
发明内容
本发明所解决的第一个技术问题是提供一种简单高效、方便实用、可 用于各种工件自由表面研磨、抛光的超声波振动磁粒复合研磨方法。
本发明所解决的第二个技术问题是提供一种简单高效、方便实用、可 用于各种工件自由表面研磨、抛光的超声波振动磁粒复合研磨装置。
本发明所解决的第一个技术问题的技术方案，其工作原理和过程如下
所述1、将超声波磁粒复合研磨头组件直接与数控加工机床转动主轴连接。 研磨头组件中包括复合研磨杆、超声波换能器装置等零件，复合研磨杆外 空套固定在固定支架上的电磁线圈；2、将工件固定在数控加工机床的工作 台面上，在工件加工区域中加入适量磁性磨料，开启研磨液；3、启动电磁 线圈供电电源，通过电磁线圈使复合研磨杆工作端部励磁吸引磁性磨料形 成柔性的磨刷。根据工件加工的实际需要，研磨系统的控制软件通过控制 励磁电流，从而控制复合研磨杆端部的磁场强弱，进而控制柔性磨刷的刚 度；4、启动超声波发生器发出超声波信号，经超声波换能器将超声波振动 传至研磨杆、磨刷，促使加工区域中的磁性磨料翻转自锐，提高磁性磨料 的使用效率和研磨效率；同时超声波振动在研磨液中的空化、聚爆等效应 又使曲面的研磨质量和效率得到进一步提高。5、利用数控加工机床的数控 加工代码控制研磨杆沿自由曲面的运动轨迹，实现自由曲面的数字化高精 度研磨。在整个研磨过程中，超声波振动磁粒复合研磨自由曲面，集成了 超声波振动研磨和磁力研磨的相关特性。
所述超声波振动的振动频率^16kHz，作为优选方式振动频率16kHz到 40 kHz之间。
作为优选方式，所述研磨杆头组件的旋转速度《10000转/分。 作为优选方式，所述研磨杆头端部的磁感应强度》0.6特斯拉。
本发明所要解决的第二个技术问题的技术方案为 一种直接安装在数 控加工机床上的可对工件自由表面实现研磨抛光加工的复合研磨系统装 置。其特征在于所述的系统装置中具有可装于数控加工机床主轴端的将超 声波振动与磁粒研磨相复合的研磨头组件，组件内部设计有复合研磨杆、
超声波换能器装置，外部套装着高压集电环；复合研磨杆外部空套电磁线 圈，电磁线圈固定在数控机床支架上；固定在数控机床支架上的髙压电刷 紧压在高压集电环上；控制系统由超声波发生器、电磁线圈的励磁电源、 控制器以及相应的控制软件组成，实现与机床的数据通讯，可以按工件具 体需要设定磁场强度、进给速度、研磨时间等研磨工艺参数。由控制系统 输出的励磁电流通过电路导线组让电磁线圈励磁从而使复合研磨杆工作端 部吸引磁性磨料形成柔性磨刷，超声波信号由高压电刷通过高压集电环传 送到装在研磨头内部的超声波换能器，超声波换能器将超声波信号转换为 振动能传给复合研磨杆，使吸附在研磨杆头部的磁性磨粒振动、翻滚自锐。
与现有技术相比，本发明的优点在于在磁粒研磨技术基础上有机地 复合了超声波振动技术，通过磨粒的翻滚、自锐、超声振动，提高研磨效 率和精度。该方法可以广泛适用于自由曲面的研磨与抛光加工，加工效率 高。该装置结构简单，系统易于维护，设备投入低，实用性高。
附困说明
图1为本发明超声波磁粒复合研磨装置实施例结构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
超声波磁粒复合研磨装置中包含将超声波振动与磁粒研磨技术相复合
的研磨头组件，该组件包含复合研磨杆(3)、超声波换能器(2)装置、高 压集电环(4);超声波换能器(2)装在复合研磨杆(3)的端部，研磨头 组件外部套装着高压集电环(4);研磨杆外空套固定在固定支架(6)上的
电磁线圈(7);固定在数控机床支架上的高压电刷(5)紧压在高压集电环
上；控制系统(12)由超声波发生器(14)、电磁线圈的励磁电源(15)、 控制器及相应的研磨控制软件(13)等组成。其中超声波振动磁粒复合研 磨头组件直接安装在数控加工机床(1)的转动主轴上，由电磁线圈的励磁 电源(15)产生的受控电流，通过接口电路导线组(11)送至电磁线圈(7)。 在磁场的作用下超声磁粒复合研磨杆(3)被磁化从而吸住磁粒(8),在其 头部形成柔性磨刷；超声波发生器(15)产生的受控高压超声波信号通过 电刷和集电环送至超声波换能器，由超声波换能器转换成振动能并传给复 合研磨杆(3)，促使磨粒振动、翻滚自锐。
工作原理和过程将需加工的工件固定在数控加工机床(1)的工作台 上，用夹具(10)固定，在工件(9)需研磨的自由曲面上加入磁性磨粒(8)， 开启研磨液，开启控制系统及相应软件，根据工件(9)的加工要求设置相 关参数，线圈通电，研磨杆吸引磁粒(8)形成柔性磁刷，超声发生器发出 超声振动波信号，经换能器将超声振动能传至研磨杆(3),研磨杆随机床 主轴旋转并按所编程序移动，研磨杆头部带动磁性磨粒(8)对工件(9) 进行超声波振动磁力复合研磨。
由于磁性磨刷的柔性，磨刷可以随加工曲面形状的变化而变形，非常 有利于实现复杂自由表面的研磨，而超声波振动则促使磁粒翻转运动激励 磨粒自锐，从而提高磨粒(8)利用率，提高研磨抛光效率，同时，超声波 振动在研磨液中的空化、聚爆等效应更有利于工件(9)曲面研磨效率和研 磨质量的提高。这样，在超声波振动和磁粒的综合作用下，最终实现工件 高效、高精度研磨的目的。
权利要求
1、一种超声波振动磁粒复合研磨方法，其特征在于所述的方法同时采用磁粒研磨技术和超声波振动技术，步骤如下在数控加工机床转动主轴端直接装上将超声波振动与磁粒研磨相复合的研磨头组件，组件中包括超声波磁粒复合研磨杆(3)、超声波换能器(2)装置与零件；研磨杆外空套固定在固定支架(6)上的电磁线圈(7)；将工件固定在数控加工机床的工作台面上；在工件的加工区域中加入适量磁性磨料(8)，开启研磨液，启动电磁线圈供电电源，通过电磁线圈(7)使复合研磨杆(3)工作端部励磁吸引磁性磨料从而形成柔性磨刷，根据工件加工的实际需要，研磨系统的控制软件通过控制励磁电流，从而控制复合研磨杆端部的磁场强弱，进而控制柔性磨刷的刚度；启动超声波发生器(14)发出超声波信号，经研磨头组件中的超声波换能器(2)，将超声波振动经研磨杆(3)传至磁性磨粒，促使加工区域中的磁性磨料(8)振动、翻转自锐，提高磁性磨料(8)的使用效率和研磨效率；再则，超声波振动在研磨液中的空化、聚爆等效应又使曲面的研磨质量和效率得到进一步提高，在整个研磨过程中，超声波振动磁粒复合研磨自由曲面，集成了超声波振动研磨和磁粒研磨的相关特性，系统利用数控加工机床的数控加工代码控制研磨杆(3)沿自由曲面的运动轨迹，实现自由曲面高精度数字化研磨。
2、 根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于所述该装置产生的超声波 振动频率^16kHz，作为优选方式振动频率处于16kHz到40 kHz之间。
3、 根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于所述研磨杆头组件的旋转 速度《10000转/分。
4、 根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于所述超声磁粒复合研磨杆 (3)端部的磁感应强度》0.6特斯拉。
5、 一种超声波振动磁粒复合研磨系统装置，其特征在于所述的系统装置中 具有可直接装于数控加工机床(1)主轴端的将超声波振动与磁粒研磨相复 合的研磨头组件，组件中包括超声磁粒复合研磨杆(3)、超声波换能器(2) 装置；随主轴一起转动的研磨头外部套装着高压集电环(4);研磨杆外空套 有固定在数控机床支架上的电磁线圈(7);固定在数控机床支架上的高压电刷(5)紧压在高压集电环上；控制系统(12)可实现与机床的数据通讯，它由超声波发生器(14)、电磁线圈的励磁电源(15)、控制器以及相应的控 制软件组成，超声波信号与电磁线圈的控制电流通过电路导线组(11)与研 磨头组件和电磁线圈连接。由控制系统输出的励磁电流通过电路导线组(11) 让电磁线圈励磁使研磨头工作端部吸引磁性磨料形成柔性磨刷；超声波信号 由高压电刷(5)通过高压集电环(4)传送到装在研磨头内部的超声波换能 器(2)，超声波换能器(2)装在超声磁粒复合研磨杆(3)的端部，换能器 将超声波信号转换为超声振动并通过超声磁粒复合研磨杆(3)传递给磨粒， 促使磨粒振动、翻滚、自锐。
6、 根据权利要求5所述的一种装置，其特征在于所述该装置产生的超声波 振动频率》16kHz,作为优选方式振动频率处于16kHz到40 kHz之间。
7、 根据权利要求5所述的一种装置，其特征在于所述研磨杆头组件的旋转 速度《10000转/分。
8、 根据权利要求5所述的一种装置，其特征在于所述超声磁粒复合研磨杆 (3)端部的磁感应强度》0.6特斯拉。
全文摘要
本发明涉及机械加工技术领域。提供了一种将超声波振动与磁粒研磨有机结合的复合研磨方法与装置。该技术方案为复合研磨头组件直接与数控铣床主轴连接，在工件待加工区域加入适量磁性磨粒，利用电磁线圈使研磨杆励磁吸引磨料形成柔性磨刷，同时超声波振动经研磨杆头传至磨粒，随着磨刷与工件的相对运动，工件表面得到超声波、磁粒复合高效研磨。本发明装置中，复合研磨头组件由超声磁力复合研磨杆(3)、超声波换能器(2)、高压集电环(4)等组成，外部空套固定在数控机床支架上的电磁线圈(7)。该方法可以实现工件自由曲面的高效研磨，特别适合于模具型腔研磨加工。该装置可方便与数控机床主轴连接，结构简单，易于维护，设备投入低。
文档编号B24B35/00GK101104244SQ200610052410
公开日2008年1月16日 申请日期2006年7月10日 优先权日2006年7月10日
发明者芦亚萍 申请人:宁波工程学院