Dokončování pomocí magnetického pole - Magnetic field-assisted finishing - Wikipedia

Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Červen 2017) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

tento článek potřebuje další citace pro ověření. Prosím pomozte vylepšit tento článek podle přidávání citací ke spolehlivým zdrojům. Zdroj bez zdroje může být napaden a odstraněn. Najít zdroje: „Dokončování pomocí magnetického pole“  – zprávy  · noviny  · knihy  · učenec  · JSTOR (Červen 2017) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Magnetický dokončování s podporou pole, někdy nazývané magnetická brusná povrchová úprava, je povrchové úpravy technika, při které se magnetické pole používá k vynucení abrazivních částic proti cílovému povrchu.^[1] Jako takové je možné dokončit běžně nepřístupné povrchy (např. Vnitřní povrch dlouhé zakřivené trubky). Procesy dokončování pomocí magnetického pole (MAF) byly vyvinuty pro širokou škálu aplikací, včetně výroby lékařských komponentů, tekutinových systémů, optika, formy a formy, elektronické součástky, mikroelektromechanické systémy a mechanické součásti.

Dějiny

MAF byl původně vyvinut jako proces obrábění v USA ve 30. letech, s prvním patentem ve 40. letech. Univerzitní výzkum v Sovětském svazu, Bulharsku, Německu, Polsku a USA začal v 60. letech 20. století a praktické využití se objevilo v 80. a 90. letech. Růst polovodičového, leteckého a optického průmyslu vyústil v pokračující vývoj lepších metod pro dosažení vysoké přesnosti tvaru a integrity povrchu.^[2]

Teorie

Magneticky asistované dokončování neboli „MAF“ je v podstatě manipulace s homogenní směsí magnetických částic a abrazivních částic s magnetickým polem, která dodává obráběcí sílu obrobku. Relativní pohyb mezi směsí částic a povrchem obrobku má za následek úběr materiálu. Protože MAF nevyžaduje přímý kontakt s nástrojem, mohou být částice zaváděny do oblastí, které jsou konvenčními technikami obtížně dosažitelné. Pečlivý výběr magnetických částic a abrazivních částic vede ke kontrole povrchové textury a drsnosti, což bylo dříve nemožné, zejména pro těžko přístupné oblasti.^[2]

Polní zdroje

Zdrojem magnetického pole v MAF je obvykle elektromagnet nebo permanentní magnet vzácných zemin. Permanentní magnet nabízí vysokou hustotu energie, nedostatek přehřátí, což má za následek konstantní hustotu toku, nízké náklady, snadnou integraci do stávajícího CNC zařízení a jednoduchost. Některé aplikace vyžadují úpravu hustoty toku během dokončování nebo vyžadují spínací magnetické pole, kterého je možné dosáhnout pouze elektromagnetem, protože magnetické pole v permanentním magnetu nelze jednoduše vypnout.

Zařízení

Pro úběr materiálu je nezbytný relativní pohyb mezi směsí magnetických / abrazivních částic a obrobkem. Existuje několik možností, jak dosáhnout potřebného pohybu. Běžným nastavením je rotace špičky magnetického pólu. To se provádí buď otáčením celého nastavení permanentního magnetu, nebo otáčením pouze ocelového pólu. Další metodou, která se běžně používá při vnitřním dokončování, je rotace obrobku, která je bohužel omezena na osově symetrické obrobky. Kromě rotačního pohybu jsou použitelné oscilační a vibrační konfigurace.

Síla na částice

Začněte společným výrazem pro sílu na magnetický dipólový moment v magnetickém poli,

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

Odtud vytvořte předpoklad, že moment magnetické částice je kolineární s aplikovaným polem. To je rozumný předpoklad vzhledem k malé velikosti a vysoké citlivosti magnetických částic. Rovnice se tedy stává,

${ displaystyle { vec {F}} = m nabla B}$

Pomocí následujících identit lze získat použitelnější rovnici k popisu síly, kterou zažívá jedna magnetická částice,

${ displaystyle m = MV}$

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

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

Dosazením výše uvedených definic do výnosů rovnice magnetické síly,

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

kde,

• ${ displaystyle H_ {k}}$ je maximální aplikované pole pro nasycení magnetické částice
• ${ displaystyle H_ {a}}$ je aplikovaná intenzita magnetického pole
• ${ displaystyle B}$ je hustota magnetického toku
• ${ displaystyle M}$ je magnetizace částice, která je považována za nasycenou
• ${ displaystyle m}$ je magnetický dipólový moment
• ${ displaystyle nabla H}$ je gradient magnetického pole
• ${ displaystyle V}$ je objem částice (za předpokladu tvaru koule)
• ${ displaystyle chi}$ je magnetická susceptibilita materiálu
• ${ displaystyle mu _ {0}}$ je propustnost volného prostoru

Štětec

Složení štětce

Magnetické materiály

Žehlička a jeho oxidy

Kobalt

Nikl

Ocel a Nerezová ocel

Brusiva

Syntetický diamant

Kubický nitrid boru CBN

Oxid hlinitý Al_2O_3

Karbid křemíku SiC

Běžné magnetické abrazivní materiály

Bílý oxid hlinitý + železo

Diamant + železo

Karbid wolframu + kobalt

Tvorba štětce

Předpokládá se, že tvorba kartáče je řízena třemi hnacími energiemi. První energie Wm je magnetizační energie mezi částicemi, která vede k tvorbě magnetických řetězců částic. Další energie je známá jako odpudivá energie Wf, jedná se o oddělení sousedních řetězců částic materiálu poháněných Faradayovým efektem, to je důvod, proč se řetězce okamžitě nesmějí spojit do jednoho obrovského řetězce. Nakonec se třetí energie nazývá Tension energy Wt, jedná se o energii potřebnou k vyrovnání zakřivených magnetických řetězců.

Energie potřebná k vytvoření magnetického kartáče je tedy následující:

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

Síly aplikované štětcem

Sílu působící na povrch magnetickou částicí v magnetickém kartáčku lze rozdělit na dvě složky. Normální síla a tangenciální síla.

Normální sílu působící na magnetickou částici lze definovat jako funkci plochy S a magnetického pole B v následujícím výrazu: [3]

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

Kde je permeabilita magnetických částic definována objemovým zlomkem železných částic definovaným jako:

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

Kde

${ displaystyle f_ {n} =}$normální síla na částici

${ displaystyle m =}$počet částic částice

${ displaystyle B =}$Magnetické pole B.

${ displaystyle S =}$Plošný faktor S

${ displaystyle mu _ {0} =}$propustnost vzduchu

${ displaystyle mu _ {m} =}$propustnost magnetických částic

${ displaystyle mu _ {f} =}$propustnost železných částic

Tangenciální sílu štětce lze definovat jako změnu energie štětce v důsledku překážky. Protože magnetické částice dávají přednost stavu nejnižší energie, může zvýšení energie v důsledku odchylky od čar magnetického toku vést k horizontální „obnovovací“ síle, která působí na povrch obrobku. Tuto obnovovací sílu lze definovat jako:

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

Odběr materiálu

Kombinace tangenciální síly a normálních sil vyvíjených štětcem na obrobek je teoretizována, aby se odstranil materiál z horních vrcholů povrchových nerovností. Tento proces se opakuje, protože kontakt mezi kartáčem a povrchem pokračuje během dokončovací operace. Postupem času drsnost povrchu povrchu obrobku dosáhne minimální hodnoty, je to kvůli fyzickým omezením aktuálního nastavení dokončování. Konkrétně výběr železných částic a abrazivních částic určuje minimální drsnost povrchu, které lze dosáhnout. Protože drsnost povrchu klesá, jsou pro pokračování úběru materiálu nutné menší brusné částice.

MAF je schopen dosáhnout hodnoty drsnosti snadno se pohybuje v rozmezí od 200 μm Ra do 1 nm Ra, což ukazuje stupeň přizpůsobení dostupného nastavení MAF. Velikost částic magnetických částic ve štětci určuje konečnou sílu, která je řízena magnetickou silou na rovnici částic. avšak zvětšování velikosti částic má nepříznivé účinky, jako je neschopnost držet malá brusiva a přítomnost vzduchových mezer v důsledku většího těsnicího faktoru. Aby se tyto problémy zmírnily, je běžnou praxí míchat magnetické částice s velkými i menšími částicemi, aby se „vyplnily“ „otvory“ kartáče, přičemž malé částice účinně pokryjí větší částice v částicovém řetězci. Přesnou kontrolu nad povrchovou strukturou a drsností lze manipulovat výběrem správné velikosti abraziva a rychlosti oscilace a otáček vřetena. Obecně řečeno, čím rychlejší je pohyb štětce, tím hustší jsou dokončovací stopy na povrchu a čím vyšší je drsnost povrchu.^[2]

Typy

MAF lze rozdělit do tří hlavních kategorií, z nichž každá je definována typem magnetických částic použitých v dokončovací operaci. Každý typ má svůj specifický výklenek, který může plnit lépe než jeho protějšky, a proto znalost použití procesu je klíčem k výběru správné dokončovací operace. Různé procesy MAF jsou uvedeny ve zvyšování rozlišení drsnosti povrchu při snižování aplikované síly. To je primárně způsobeno zmenšením velikosti železných částic z jednoho typu dokončování na další. Tyto procesy jsou pouze obecnými pojmy a příklady pro některá nastavení MAF, je třeba si uvědomit, že každý z těchto procesů „má různé variace pro zvýšení použitelnosti pro jiné obrobky.

Magnetická brusná povrchová úprava

Magnetická abrazivní povrchová úprava znamená použití železných částic 1 μm - 2 mm smíchaných s brusivem k aplikaci obráběcí síly manipulací s částicemi magnetickým polem. Směs magnetických částic a abraziva se běžně označuje jako „magnetický kartáč“, protože vypadá a chová se podobně jako drátěný kartáč. Na rozdíl od běžného kartáče jsou magnetické řetězce částic flexibilní a přizpůsobí se jakékoli geometrii. Jak se posunutí kartáče zvyšuje nad rámec pružnosti pouzdra, jsou magnetické štětiny schopné rozbít a reformovat další zvýšení flexibility a všestrannosti tohoto dokončovacího procesu. Proto je tato specifická odrůda MAF zaměřena na dokončení vnějších povrchů volné formy, jako jsou profilové profily nebo protézy. Může však být také snadno použitelný pro vnitřní dokončovací procesy a je zvláště účinný při dokončování vnitřních povrchů obrobků, které jsou jinak obtížně přístupné, jako jsou kapiláry a jiné jehly malého rozměru. Hlavním rozdílem mezi vnitřními a vnějšími dokončovacími operacemi je umístění kartáče a obrobku, avšak použití síly je v podstatě stejné, proto je mechanismus úběru materiálu v obou případech identický. Jedním z klíčových parametrů, které si uživatel musí být vědom, je správné dokončení magnetického obvodu, aby se zajistilo, že magnetický tok rovnoměrně prostupuje obrobkem na požadovaném místě dokončení. Přidáním maziva na bázi oleje lze magnetický kartáč také považovat za magnetoreologickou tekutinu.

Aplikace

Volné dokončování

Protéza

Řezné nástroje

Turbínové lopatky

Profily křídel

Optika

Vnitřní povrchová úprava

Sanitární potrubí

Potravinářský průmysl

Kapiláry v lékařském oboru

Stenty, katétrové jehly, jehly, jehly pro biopsii atd

Zakřivené trubky

Magnetoreologická úprava

Magnetoreologická povrchová úprava nebo „MRF“ používá stříhání viskózní směsi částic železa, brusiva a oleje o velikosti mikronů k dodání obráběcí síly nebo tlaku na povrch obrobku. Tato směs magnetických částic se běžně označuje jako pás a je extrémně viskózní v přítomnosti magnetického pole, zvýšená viskozita a různé vlastnosti kapaliny jsou podobné vlastnostem Binghamská tekutina spíše než newtonovská tekutina. V typickém dokončovacím nastavení MRF je tekutina MRF čerpána na rotující kolo, které je připojeno k elektromagnetu. Když je elektromagnet aktivován, tekutina přechází do viskóznějšího stavu, obrobek je poté přitlačen na tekutinu, což má za následek střih kapaliny, který má za následek odstranění materiálu na rozhraní mezi obrobkem a MRF. Jednou z charakteristik Binghamovy kapaliny je, že rychlost zvyšuje úměrně sílu potřebnou ke střihu, a proto vyšší rychlost otáčení kola vede ke zvýšené obráběcí síle při střihu. Toto konkrétní nastavení je ideální pro velké nemagnetické obrobky ve volné formě, jako je skleněná optika. Běžně se také používá u velkých nemagnetických obrobků, kde tloušťka díla vede k potížím při účinném pronikání magnetického pole na požadované místo, proto se toto nastavení nespoléhá na pečlivou konstrukci magnetického obvodu.

Aplikace

Leštění v měřítku sub nanometrů

Volně tvarované nemagnetické obrobky

Optika

Keramika

Povrchová úprava magnetickou tekutinou

V dokončování magnetickou tekutinou řešení ferrofluid a jako směs magnetických částic se používají abrazivní částice. Typicky je to použitelné pro aplikace, kde dokonce ani jiné typy MAF nemají přístup, nebo když je požadováno méně viskózní médium. Jedním z příkladů použití povrchové úpravy magnetickou tekutinou je křemíková mikropórovitá optika, v případě této konkrétní optiky musí být boční stěny dokončeny na <1,0 nm rms pro rentgenový odraz. Póry jsou 5μmx20μmx300μm, což prakticky znemožňuje přístup konvenční technikou. Magnetické částice a abrazivní roztok jsou umístěny do střídavého a přepínaného magnetického pole, aby se podpořil tok tekutiny z jedné strany optiky na druhou stranu. Tento tok má za následek odstranění materiálu z bočních stěn hybností tekutiny a střih bočních stěn s brusivem. Další aplikací je povrchová úprava keramických kuliček ložisek. Toto je také známé jako leštění magnetickým plovákem a využívá magnetickou tekutinu s magnetickým „plovákem“ k zajištění rovnoměrného rozložení tlaku na povrchu koule během otáčení. Výsledkem je rovnoměrné použití dokončovací síly na povrch obrobku.

Aplikace

Ložiska a válečky

Vysoce přesná optika

Schopnosti

• Schopen dosáhnout širokého rozsahu povrchových charakteristik pečlivým výběrem magnetických částic a abrazivních částic
  • Hodnoty drsnosti od 200 um - 1 nm
  • Texturování
    • Zlepšete vlastnosti povrchu, jako je smáčivost nebo snížení tření
• Možnost přístupu do těžko přístupných oblastí
• Je schopen upravit drsnost beze změny formy
• Nastavení je nezávislé na materiálu obrobku
  • Dokáže účinně dokončovat keramiku, nerezové oceli, karbidy, povlakované karbidy a křemík
  • Flexibilní použití síly a rovnoměrné rozložení tlaku snižují náklady na montáž
    • Vibrace v obráběcím centru a obráběcím nástroji se nepřenášejí na povrch obrobku

Omezení

• Může být obtížné rozšířit provoz na sériovou výrobu
• Nelze použít u některých „běžných“ dokončovacích úloh, kde lze použít konvenční dokončovací techniky

Reference

• Kalpakjian S, Schmid S, „Výrobní procesy“, 5. vydání Pearson 2008
• Yamaguchi H, Sato T, „Leštění a dokončování pomocí magnetického pole“ Interdisciplinární procesní inovace výroby inteligentního energetického pole 2012
• Mori T, Hirota K, Kawashima Y, „objasnění mechanismu magnetického abrazivního dokončování“ Journal of Materials Processing Technology 2003
• Graziano A, Ganguly V, Yamaguchi H, „Vlastnosti povrchů ze slitiny kobaltu a chromu dokončených pomocí magnetického abrazivního dokončování“ ASME 2012
• Yamaguchi H, Riveros R, Mitsuishi I, Ezoe Y, „Dokončování rentgenových zaostřovacích zrcadel s mikropóry pomocí magnetického pole vyrobené technologií DRIE“ CIRP výrobní technologie 2010
• Yamaguchi H, Shimura T, „Studie povrchových úprav vyplývajících z procesu vnitřního magnetického abrazivního dokončování“ Opotřebení 1999
• Rusetski A, Mokeev A, Korobko E, „Tvorba vrstvy magnetoreologické tekutiny na povrchu pohybujícího se objektu v gradientním magnetickém poli“ Journal of physics 2013
• Umehara, N., MAGIC polishing, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, 341-343, 2002.