Magnetisk efterbehandling til højpræcisionsproduktion

Hvad er magnetisk efterbehandling?

Magnetisk efterbehandling kaldes også magnetfeltassisteret efterbehandling og er en præcisionsoverfladebehandlingsteknik, der anvender et kontrolleret magnetfelt for at få slibemidler til at ramme et emne. I modsætning til konventionel slibning eller polering, som har stive værktøjselementer og derfor ikke kan tilpasse sig komplekse geometrier, bruger magnetisk efterbehandling fleksible, kontrollerbare slibeværktøjer, der kan tage forskellige konfigurationer efter behov. Værktøjet er ikke et massivt hjul eller bånd, men snarere et dynamisk medium, der bruger magnetiske partikler og slibemidler, der er justeret, som om der var et magnetfelt, og som tilpasser konfigurationen for at opnå maskinværktøjets bane.

Procesvarianter

Magnetisk efterbehandling er ikke en separat proces, men en gruppe af processer, der anvender det samme simple princip om at bruge et magnetfelt til at håndtere slibende virkning, og som er blevet formet i forskellige former efter behov. Her er beskrivelser af de vigtigste procesvariationer.

MAF (Magnetisk Slibebehandling)

henvisningen

MAF genererer en fleksibel magnetisk partikel-"børste", der justerer ferromagnetiske slibemidler under kontrollerede lokale magnetfeltforhold. Børsten tilpasser sig kanter, udvendige og indvendige boringer og endda let buede friformsoverflader, hvilket muliggør ensartet mikroskæring og polering ud over stive værktøjers muligheder. Fleksibiliteten og den praktiske kontaktkraft, der findes i MAF-børsteskalaen med magnetisk flux og arbejdsgab eller separation, gør det muligt at justere den fra delikat afgratning til fin finish, selvom repræsentation af de kombinerede kræfter med hensyn til forudsigelse af materialefjernelse er et aktivt undersøgelsesområde med ressourcer relateret til MAF-teknologi. MAF anvendes bredt i de sjældne tilfælde med begrænset adgang internt til additiv eller i præcisionsrenoverede komponenter, hvor der generelt er involverede passager.

MRF (Magnetorheologisk Efterbehandling)

 henvisningen

MRF er en deterministisk sub-aperturpoleringsproces, hvor et bånd eller en plet af magnetorheologisk (MR) væske (carbonyljernpartikler og ikke-magnetiske slibemidler i en bærer) afstives af et lokalt magnetfelt og derefter fjernes tæt ved fjernelse af materiale. Som et resultat opnås forudsigelig funktion på overflader af optisk kvalitet med ruhed på nm-niveau på flade, konvekse/konkave linser og spejle, hvilket muliggør effektiv finish. MRF er en hjørnesten i præcisionsoptik og andre sprøde materialeprocesser, da det tilbyder kontrollerbarhed (via flux), varme- og snavstransport og evnen til at variere finishområdet ved at variere fluxen for at opnå en specifik geometri. I det mindste formes former med mere kompleks 3D-form, kugleformede MRF (BEMRF) finish og væske til en stabil "kugle" ved en roterende værktøjsspids, hvilket tager ideen om sub-apertur til friformsdele og de mere komplekse 3D-former.

MRAFF / R-MRAFF (Hybrid af AFM + MRF)

 henvisningen

Magnetorheologisk slibende flydebehandling (MRAFF) tilbyder hybrid adgang til mediekontrolleret flow til medier ved hjælp af slibende flydebearbejdning (AFM), hvor reologien styres af et magnetfelt. Et frem- og tilbagegående, magnetisk afstivet MR-medium passerer hen over åbningerne i banerne, hvilket giver større kontrol over indgrebskræfterne end AFM (selvom det stadig er til stede). Når MRF yderligere kombineres med emnerotation under underåbningen af ​​den magnetorheologiske slibende flydebehandling - R-MRAFF - udjævnes den resterende variation i fluxgabet på tværs af den friformede del, og finishhastigheden og ensartetheden på tværs af forskellige overflader forbedredes - igen i en demonstration med, hvad der kan være implantatlignende komponenter, var de gennemsnitlige finishhastigheder næsten 2 gange hurtigere end MAFF-lignende tilgange.

Andre bemærkelsesværdige varianter/hybrider

• BEMRF (Ball-End MRF): Danner en magnetisk understøttet "kugle" af MR-væske ved værktøjsspidsen, hvilket gør det muligt at udføre lokaliserede poleringsprocesser på komplekse 3D-former; typisk bedst egnet til ferromagnetiske materialer på grund af de gunstige feltlinjer ved kontakten.
• MRJF (Magnetorheologisk Jet-finishing): Projicerer MR-væske i en fri stråle/plet; mens MR-strålefjernelsesfysikken deler de samme mekanismer, der er almindelige i MRF, giver MR-jet bedre adgang til lokaliserede eller forsænkede funktioner. Foren MRF med MR-jet i de fjernelsesmodeller, der er blevet foreslået til optiske systemer.
• MRAH (Magnetorheologisk Slibemiddel): I bund og grund en modificeret form for konventionel slibning med evnen til magnetisk at justere slibningen for at adressere komplekse boringer og ikke-magnetiske materialer. Rapporter indikerer bedre ruhed, når der dannes feltstivede kæder i mediet.
• Ultralyd-/kemisk assisteret MRF/MAF: Kombinerer enten overlejrede vibrationer eller reaktiv kemi for at øge materialefjernelseshastigheden (MRR) og samtidig reducere skader på undergrunden. Ultralyd-assisteret MRF øger den relative partikelhastighed og de kræfter, der opstår ved ujævnhederne, hvilket i sidste ende resulterer i en større fjernelseshastighed i forhold til baseline MRF/MAF.

Udstyr og medier

Magneter: permanente vs. elektromagneter

Magnetfeltet gør disse processer mulige. Permanente magneter, især højenergiske neodym-jern-bor (NdFeB) magneter, tilbyder en meget lille, effektiv fluxkilde, der kan bruges i mange industrielle applikationer. Ulempen er, at man ikke kan variere dem, når de først er fremstillet. Elektromagneter giver kontrollerbarhed af den anvendte fluxtæthed, hvilket giver mulighed for mere præcision fra poleringskræfter og punktgeometrier. Høj præcision i justering af magnetfeltet giver muligheder inden for optik og andre avancerede fremstillingsprocesser, som lettere udfordres i forbindelse med vedligeholdelse, især spoleopvarmning, hvilket derefter gør viskositetsadfærden af ​​MR-væskerne nødvendig for termisk styring.

Magnetorheologisk væske

Ethvert magnetorheologisk efterbehandlingssystem er centreret omkring en "smart væske", der stivner i et magnetfelt. MR-væske består typisk af carbonyljernpartikler (CIP), der tilvejebringer den magnetiske reaktivitet, og slibekorn (aluminiumoxid, ceria eller diamant) til materialefjernelse samt et bæremedium (normalt silikoneolie, mineralolie eller vand). For at øge viskositetsstabiliteten og forhindre bundfældning blandes yderligere tilsætningsstoffer i (såsom thixotrope tilsætningsstoffer, slid- eller korrosionsbestandige tilsætningsstoffer). Dette fremmer, at MR-væsken øjeblikkeligt går fra en flydende til en halvfast poleringsbånds- eller børstetilstand og derefter vender tilbage til en flydende tilstand, når magnetfeltet fjernes.

Bevægelsessystemer

Det er muligt at bestemme interaktionen mellem værktøj og emne baseret på kontrolleret bevægelse. Typiske konfigurationer til brug af MR-finishprocesser inkluderer rotation af enten et hjul eller et lille punkt, hvor MR-væsken bliver et afstivet poleringsområde; frem- og tilbagegående strømningssystemer, typisk nyttige i hybrider af slibende strømningstypen til indvendige passager; og roterende emner, som ofte giver et mere ensartet og større potentiale for fjernelse af emner på cylindriske eller friformede designs. Derudover kan producenterne med justerbar bevægelse og funktioner finjustere både fjernelse af emner og finish med justerbar stivhed af mediet.

Materialer

Magnetiske efterbehandlingsprocesser er meget fleksible; materialernes reaktioner afhænger dog af både deres magnetiske egenskaber og deres mekaniske egenskaber.

Mest egnet: Ferromagnetiske og relativt hårde materialer som stål og aluminiumlegeringer er generelt egnede materialer til magnetisk slibende efterbehandling. Inden for optik er sprøde keramikker som smeltet silica, BK7-glas og enkeltkrystalsilicium fremragende materialer til magnetoreologisk efterbehandling og producerer defektfri overflader med en ruhed på nanometerniveau.

Mindst egnet: Bløde polymerer og nogle ikke-jernholdige metaller (som kobber og messing) er vanskelige materialer at bearbejde, fordi deres lave magnetiske permeabilitet betyder, at styrken af ​​det slibeværktøj, der dannes i marken, ikke giver tilstrækkelig kraft. Polymerer risikerer at opleve pløjning i stedet for ren materialefjernelse, og præcision kan begrænse opnåelige tolerancer.

Procesparametre.

Typiske procesparametre for forarbejdning til en ensartet nanofinish er som følger.

1. Magnetisk fluxtæthed – dette bestemmer værktøjets stivhed, som påfører poleringstryk.
2. Carbonyljernpartikel (CIP) og slibemiddelkoncentration og -størrelse – med større koncentrationer af slibemidlet øges fjernelseshastigheden (MRR); for meget belastning forårsager dog, at CIP'en mister stabilitet i mediet.
3. Arbejdsafstand – afstanden mellem magneten og emnet; jo mindre afstanden er, desto stærkere er den magnetiske børste, men lokaliserede kræfter kan øges.
4. Relativ bevægelse – enten rotationsbevægelse, frem- og tilbagegående bevægelse eller en kombination heraf – etablerer forskydningsvirkning på overfladen.
5. Bearbejdningstid – hvis cyklusserne er længere, forbedres finishen, men gennemløbshastigheden reduceres; derfor er optimering afgørende for bearbejdningsskalaer til produktion.

Fordele

1. Præcis kraftkontrol muliggør polering til nanometerruhed med minimal skade på undergrunden.
2. Den magnetiske børstes eller MR-væskebåndets adaptive tilpasning muliggør efterbehandling af komplekse former, frie overflader og indvendige passager.
3. Varme- og snavshåndtering forbedres i sagens natur, da det flydende medie er i stand til at fjerne varme og løse partikler, hvilket reducerer termiske belastninger og defekter på overfladen.

Ulemper

1. De langsomme fjernelseshastigheder på meget hårde materialer begrænser konkurrenceevnen, hvor der er behov for betydelig fjernelse af materiale.
2. MR-væsken er en unik udfordring, idet der er problemer som sedimentation, stabilitet og tilsætningsstoffer, der vil komplicere langsigtet drift.
3. På ikke-jernholdige og diamagnetiske materialer har MR-væsken reduceret effektivitet sammenlignet med omvendt eller dårlig magnetisk interaktion.
4. Opvarmningen af ​​elektromagneten vil underminere MR-væskens egenskaber og kan kræve aktiv køling eller en overgang til en permanent magnet.

Programmer.

Optik – polering af linser og spejle og korrigerende figurkontrol til højtydende optiske systemer.

Biomedicinske implantater – efterbehandling af proteseled, stents og andre medicinske dele i fri form, der kræver reduceret slid og bedre biokompatibilitet.

Præcisionsteknik – overfladebehandling af gear, brændstofinjektorer, mikrodyser og hydrauliske komponenter; samt efterbehandling af metaldele til additiv fremstilling, hvor glatte indvendige kanaler er afgørende.