一种基于电磁原理的木质抛光工具磨抛工艺的制作方法

本发明属于材料表面的加工方法与精密制造技术领域，特别涉及一种基于电磁原理的木质抛光工具磨抛工艺。

背景技术：

随着光电技术的发展，在制造业中，尤其是在精密与超精密加工这样的高水平、高质量、高要求的加工技术领域，对零件加工表面的精度要求越来越高。目前，已经有很多种可以获得高精度表面的加工方法，其中磁流体抛光技术是利用磁流变液在磁场中的流变特性进行零件表面加工的一种新型技术。与传统的抛光技术相比，磁流体抛光具有效率高、不产生亚表面破坏、适合复杂表面加工等优点。

基于此，申请号为201910193698.6(申请公布号为cn109848765a，申请公布日为2019年06月07日)的专利公开了一种磁流体抛光机及抛光方法，包括：样件槽、设备外壳、磁力盘、电机、电机支架；样件槽设置在磁流体抛光机的上方，用于放置工件、抛光磁力钢针和抛光溶液；磁力盘上装有永磁铁，磁力盘通过螺栓与电机轴连接在一起。但该类型的抛光机采用永磁铁，无法根据材料特性调整磁力大小，且永磁铁安装在样件槽的底部，无法调整位置来实现在零件表面有针对性地灵活磨抛。

目前大多数使用的磁流体抛光机仅仅在现有的抛光机底部加装磁体，而对于普通加工厂来说还需首先采购一台普通抛光机进行改装，成本大、改装困难，且针对复杂零件表面无法实现点对点磨抛。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于电磁原理的木质抛光工具磨抛工艺。

本发明提出一种基于电磁原理的木质抛光工具磨抛工艺，具体如下：

步骤一：木质抛光头的干燥；

将若干木质抛光头置于干燥箱内，设定干燥箱的干燥温度，对木质抛光头进行干燥，使木质抛光头的含水率低于20％；其中，木质抛光头的端面开设有三个以上微流道。

步骤二：木质抛光头浸泡绿色纳米磨抛液；

2.1采用真空反应釜配制绿色纳米磨抛液，具体如下：先将纳米磁性颗粒与表面活性剂按2g：3m1的比例混合搅拌得到预混液，再将预混液与植物油按体积比为1:5混合搅拌，得到绿色纳米磨抛液。

2.2将经步骤一处理的各干燥木质抛光头置于真空反应釜中进行超声搅拌，通过称重对比浸泡前后木质抛光头的重量，使木质抛光头增重40％以上。

步骤三：装配木质抛光工具，并对木质抛光工具和待磨抛硬质金属工件进行装夹；

3.1将上铜环的上绝缘部与刀柄固定，且上铜环与刀柄之间设有云母片；然后，将玻璃钢壳体一端与上铜环的下绝缘部固定，且上铜环与玻璃钢壳体之间设有云母片；接着，将线圈一端与上铜环的导电部电连接，铁芯套在线圈内，并与上铜环的下绝缘部固定；再接着，将线圈另一端与下铜环的导电部电连接，铁芯与下铜环的上绝缘部固定；最后，将下铜环的上绝缘部与玻璃钢壳体另一端固定，且下铜环与玻璃钢壳体之间设有云母片；

3.2将夹具与下铜环的下绝缘部固定，且夹具与下铜环之间设有云母片；然后，将经步骤2.2处理的其中一个木质抛光头固定在夹具上；接着，将刀柄固定到机床的旋转主轴上，将待磨抛硬质金属工件固定在机床的工作台面上。

步骤四：对线圈施加交流电，并对木质抛光工具和待磨抛硬质金属工件进行对刀；

将上铜环和下铜环的导电部分别与一个电刷接触，将两个电刷通过导线接通交流电源，使线圈通电，从而使木质抛光头、待磨抛硬质金属工件以及待磨抛硬质金属工件与木质抛光头之间形成梯度磁场；然后，设置旋转主轴的旋转速度，启动机床，将木质抛光工具向待磨抛硬质金属工件表面进给，出现对磨声音时停止进给；最后，通过改变交流电源的电压幅值，改变线圈的磁场强度，使绿色纳米磨抛液的渗透速度满足预设要求。

步骤五：对待磨抛硬质金属工件进行抛光；

5.1线圈通电预设时间后，在梯度磁场作用下，木质抛光头内的绿色纳米磨抛液形成宾汉流体，绿色纳米磨抛液中的纳米磁性颗粒沿着磁场线分布，且在重力和离心力的作用下绿色纳米磨抛液不断向外渗透，对待磨抛硬质金属工件表面抛光处的绿色纳米磨抛液进行补充；且渗透至木质抛光头表面的绿色纳米磨抛液中的纳米磁性颗粒在磁力作用下吸附在微流道木质抛光头表面。

5.2机床带动木质抛光工具对待磨抛硬质金属工件表面进行抛光；抛光过程中，每隔10s，降低机床的旋转主轴转速，用计量泵向木质抛光头的各微流道内滴加5ml的绿色纳米磨抛液，滴加完毕后再提升机床的旋转主轴转速至步骤三中的设定值；

步骤六：抛光持续进行40min以上，则机床的旋转主轴停转，交流电源停止供电，检查待磨抛硬质金属工件表面粗糙度是否满足要求，若满足要求，则取下木质抛光头和抛光后的硬质金属工件，否则执行步骤七。

步骤七：将进行过抛光加工的木质抛光头从夹具上卸下，更换经步骤2.2处理的一个木质抛光头固定在夹具上；然后，交流电源重新供电，并启动机床，将木质抛光工具向待磨抛硬质金属工件表面进给，出现对磨声音时停止进给。最后，重复步骤五和步骤六。

优选地，所述干燥箱的干燥温度设定为40-50℃，干燥时间设定为24-48h。

优选地，所述微流道的直径为0.1-0.5mm。

优选地，所述纳米磁性颗粒采用fe3o4、feni或fesial磁粉，表面活性剂采用月桂醇聚醚硫酸酯钠、脂肪醇聚氧乙烯醚或单月桂基磷酸酯，植物油采用蓖麻油、芝麻油或菜籽油。

优选地，所述超声搅拌的搅拌速度为150-200r/min，每天连续搅拌4-5h，搅拌10天。

优选地，所述机床的旋转主轴旋转速度设定为5000-7000r/min。

优选地，所述线圈的初始电流设置为10a。

优选地，所述线圈通电的预设时间设定为5-6min。

优选地，抛光过程中，在待磨抛硬质金属工件表面间歇性添加绿色纳米磨抛液。

优选地，铁芯和线圈组成的电磁铁产生的电磁力f随线圈磁场强度的变化而变化，而线圈的磁场强度通过改变线圈的电流i大小来实现；电磁力f的计算式如下：

式中，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10^-7h/m；a为电磁铁的端面面积；n为线圈匝数；δ为线圈靠近木质抛光头的端面与木质抛光头远离线圈的端面之间的距离。

而线圈的电流i大小计算式如下：

式中，uq为交流电源的电压幅值，r为电磁铁、电刷和导线的总电阻，l为线圈电感，t为时间。

本发明具有的有益效果如下：

1.本发明的木质抛光头集电磁体与微流道于一体，使得电磁场的位置随木质抛光头的移动而变化，从而提高了加工可控性，实现工件表面区域选择性磨抛，从而实现精细抛光；同时，绿色纳米磨抛液由定向磁场约束于木质抛光头的表面。

2.本发明的木质抛光头设有多个微流道，每个微流道可储存至少10ml磨抛液，其所储存的磨抛液可对木质抛光头在抛光过程中损耗的磨抛液进行补充。

3.本发明使用可调节电流，从而调节电磁体的电磁力，对绿色纳米磨抛液粘度进行调节，改善工件表面的光洁度。

附图说明

图1为本发明工艺的流程图；

图2为本发明对待磨抛硬质金属工件进行抛光的示意图。

具体实施方式

以下结合附图来进一步说明本发明。

如图1所示，一种基于电磁原理的木质抛光工具磨抛工艺，具体如下：

步骤一：木质抛光头7的干燥；

将若干木质抛光头置于干燥箱内，将干燥箱的温度设为50℃，对木质抛光头干燥48h，使木质抛光头的含水率低于20％；其中，木质抛光头的端面开设有三个以上微流道(优选微细流体通道的直径为0.1-0.5mm)。

步骤二：木质抛光头浸泡绿色纳米磨抛液；

2.1采用真空反应釜(选择型号为air-10s的真空搅拌乳化反应釜)配制绿色纳米磨抛液，绿色纳米磨抛液由纳米磁性颗粒、表面活性剂(优选月桂醇聚醚硫酸酯钠)和植物油(优选蓖麻油)组成，具体如下：先将纳米磁性颗粒与表面活性剂按2g：3m1的比例混合搅拌4h，得到预混液，使纳米磁性颗粒被包裹，再将预混液与植物油按体积比为1:5混合搅拌均匀，得到绿色纳米磨抛液1。

2.2将经步骤一处理的各干燥木质抛光头置于真空反应釜中，设定转速为200rpm进行超声搅拌，每天连续搅拌5h，搅拌10天，确保绿色纳米磨抛液渗透到木质抛光头内，且木质抛光头的各微流道内灌满绿色纳米磨抛液；通过称重对比浸泡前后木质抛光头的重量，使木质抛光头增重40％以上。

步骤三：如图2所示，装配木质抛光工具，并对木质抛光工具和待磨抛硬质金属工件6进行装夹；

3.1将上铜环10的上绝缘部与刀柄固定，且上铜环与刀柄之间设有云母片；然后，将玻璃钢壳体9一端与上铜环的下绝缘部固定，且上铜环与玻璃钢壳体之间设有云母片；接着，将线圈一端与上铜环的导电部电连接，铁芯套在线圈内，并与上铜环的下绝缘部固定；再接着，将线圈另一端与下铜环8的导电部电连接，铁芯与下铜环的上绝缘部固定；最后，将下铜环的上绝缘部与玻璃钢壳体另一端固定，且下铜环与玻璃钢壳体之间设有云母片；

3.2将夹具与下铜环的下绝缘部固定，且夹具与下铜环之间设有云母片；然后，将经步骤2.2处理的其中一个木质抛光头固定在夹具上；接着，将刀柄固定到机床4的旋转主轴上，将待磨抛硬质金属工件固定在机床的工作台面5上。

步骤四：对线圈施加交流电，并对木质抛光工具和待磨抛硬质金属工件6进行对刀；

将上铜环和下铜环的导电部分别与一个电刷11接触，将两个电刷通过导线12接通交流电源13，使线圈通电，从而使木质抛光头、待磨抛硬质金属工件以及待磨抛硬质金属工件与木质抛光头之间形成高强度的梯度磁场；其中，线圈的初始电流设置为10a。然后，设置旋转主轴的旋转速度为5000r/min，确保木质抛光工具旋转平稳，启动机床，将木质抛光工具向待磨抛硬质金属工件表面进给，出现对磨声音时停止进给；最后，在旋转主轴的旋转速度保持在步骤三中的设定值不变的情况下，通过改变交流电源的电压幅值，改变线圈的磁场强度，从而调节绿色纳米磨抛液的渗透速度。

步骤五：对待磨抛硬质金属工件进行抛光；

5.1线圈通电5min后，在梯度磁场作用下，木质抛光头内的绿色纳米磨抛液形成粘度较大的宾汉流体(bingham流体)，绿色纳米磨抛液中的纳米磁性颗粒沿着磁场线分布，且在重力和离心力的作用下绿色纳米磨抛液不断向外渗透，对待磨抛硬质金属工件表面抛光处的绿色纳米磨抛液进行补充；但由于粘度增大，绿色纳米磨抛液向外渗透的速度变慢，且渗透至木质抛光头表面的绿色纳米磨抛液中的纳米磁性颗粒在磁力作用下吸附在微流道木质抛光头表面。

5.2机床带动木质抛光工具对待磨抛硬质金属工件表面进行抛光；抛光过程中(优选地，抛光过程中，在待磨抛硬质金属工件表面间歇性添加绿色纳米磨抛液)，每隔10s，降低机床的旋转主轴转速，用计量泵2(配有导管3和注射器)向木质抛光头的各微流道内滴加5ml的绿色纳米磨抛液，保证木质抛光头的各微流道在抛光过程中始终含有绿色纳米磨抛液，绿色纳米磨抛液滴加完毕后再提升机床的旋转主轴转速至步骤三中的设定值；其中，滴加绿色纳米磨抛液过程中机床的旋转主轴无须停转，保证抛光质量和效率；

步骤六：抛光持续进行40min后，机床的旋转主轴停转，交流电源13停止供电，检查待磨抛硬质金属工件表面粗糙度是否满足要求，若满足要求，则取下木质抛光头和抛光后的硬质金属工件，否则执行步骤七。

步骤七：将进行过抛光加工的木质抛光头从夹具上卸下，更换经步骤2.2处理的一个木质抛光头固定在夹具上；然后，交流电源13重新供电，并启动机床，将木质抛光工具向待磨抛硬质金属工件表面进给，出现对磨声音时停止进给。最后，重复步骤五和步骤六。

其中，铁芯和线圈组成的电磁铁产生的电磁力f随线圈磁场强度的变化而变化，而线圈的磁场强度通过改变线圈的电流i大小来实现；电磁力f的计算式如下：

式中，μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10^-7h/m；a为电磁铁的端面面积；n为线圈匝数；δ为线圈靠近木质抛光头的端面与木质抛光头远离线圈的端面之间的距离。

而线圈的电流i大小计算式如下：

式中，uq为交流电源的电压幅值，r为电磁铁、电刷11和导线12的总电阻，l为线圈电感，t为时间。

因此，通过改变交流电源的电压幅值，可改变线圈的磁场强度和电磁铁产生的电磁力f。