Magnetska završna obrada za visokopreciznu proizvodnju

Što je magnetska završna obrada?

Magnetska završna obrada naziva se i završnom obradom uz pomoć magnetskog polja, a predstavlja tehniku ​​precizne površinske obrade koja primjenjuje kontrolirano magnetsko polje kako bi se abrazivi potakli na udaranje obradka. Za razliku od konvencionalnog brušenja ili poliranja, koje ima krute elemente alata i stoga se ne može prilagoditi složenim geometrijama, magnetska završna obrada koristi fleksibilne, upravljive, abrazivne alate koji poprimaju različite konfiguracije prema potrebi. Alat nije čvrsti kotač ili remen, već dinamički medij koji koristi magnetske čestice i abrazive koji su poravnati kao da postoji magnetsko polje, prilagođavajući konfiguraciju kako bi se postigla putanja alatnog stroja.

Varijante procesa

Magnetska završna obrada nije zaseban proces, već skupina procesa koji koriste isti jednostavni princip korištenja magnetskog polja za rukovanje abrazivnim djelovanjem i oblikovan je u različite oblike prema potrebi. Ovdje su opisi glavnih varijacija procesa.

MAF (Magnetna abrazivna završna obrada)

upućivanje

MAF generira fleksibilnu "četku" od magnetskih čestica koja poravnava feromagnetske abrazive pod kontroliranim uvjetima lokalnog magnetskog polja. Četka će se prilagoditi rubovima, vanjskim i unutarnjim provrtima, pa čak i blago zakrivljenim površinama slobodnog oblika, omogućujući ujednačeno mikrorezno djelovanje i poliranje izvan mogućnosti krutih alata. Fleksibilnost i praktična kontaktna sila prisutna u skali MAF četke s magnetskim tokom i radnim razmakom, odnosno odvajanjem, omogućuju joj podešavanje od delikatnog uklanjanja neravnina do fine završne obrade, iako je predstavljanje kombiniranih sila u pogledu predviđanja uklanjanja materijala aktivno područje istraživanja s resursima vezanim uz MAF tehnologiju. MAF se široko koristi za rijetke slučajeve s ograničenim pristupom unutar aditiva ili u precizno obnovljenim komponentama, gdje općenito postoje uključeni prolazi.

MRF (Magnetoreološka završna obrada)

 upućivanje

MRF je deterministički proces poliranja ispod otvora blende gdje se vrpca ili točka magnetoreološke (MR) tekućine (čestice karbonilnog željeza i nemagnetskih abraziva u nosaču) ukrućuje lokalnim magnetskim poljem, a zatim se materijal uklanja strižnim pokretima, čvrsto ga ograničavajući. Kao rezultat toga, postiže se predvidljiva funkcija na površinama optičke kvalitete s hrapavošću na nm razini na ravnim površinama, konveksnim/konkavnim lećama i zrcalima, što omogućuje učinkovitu završnu obradu. MRF je glavni oslonac precizne optike i drugih procesa obrade krhkih materijala, jer nudi upravljivost (putem fluksa), transport topline i krhotina te mogućnost promjene područja završne obrade promjenom fluksa kako bi se postigla specifična geometrija. Na barem oblicima sa složenijim 3D oblikom, završne obrade MRF-a s kuglastim krajem (BEMRF) i tekućina oblikuju se u stabilnu "kuglu" na rotirajućem vrhu alata, prenoseći ideju pod otvora blende na dijelove slobodnog oblika i složenije 3D oblike.

MRAFF / R-MRAFF (hibrid AFM + MRF)

 upućivanje

Magnetoreološka abrazivna obrada (MRAFF) nudi hibridni pristup abrazivnoj obradi (AFM) kontroliranom protoku medija u kojem se reologija kontrolira izvornim magnetskim poljem. Recipročni, magnetski ukrućeni MR medij prolazi preko otvora putova, pružajući veću kontrolu sila zahvata nego AFM (iako je i dalje prisutan). Kada se MRF dodatno kombinira s rotacijom obratka ispod podotvora magnetoreološke abrazivne obrade - R-MRAFF - preostala varijacija fluksa preko slobodnog dijela se izglađuje, a brzina završne obrade i ujednačenost na diferencijalnim površinama su poboljšane - opet u demonstraciji s komponentama sličnim implantatima, prosječne brzine završne obrade bile su gotovo 2 puta brže od pristupa u stilu MAFF-a.

Druge značajne varijante/hibridi

• BEMRF (Ball-End MRF): Stvara magnetski podržanu "kuglu" MR tekućine na vrhu alata, omogućujući mu izvođenje lokaliziranih procesa poliranja na složenim 3D oblicima; obično najprikladnije za feromagnetske materijale zbog povoljnih linija polja na kontaktu.
• MRJF (Magnetoreološka mlazna završna obrada): Projicira MR tekućinu u slobodnom mlazu/točki; dok fizika uklanjanja MR mlaza dijeli iste mehanizme koji su uobičajeni u MRF-u, MR-mlaz omogućuje bolji pristup lokaliziranim ili udubljenim značajkama. Ujedinite MRF s MR-mlazom u modele uklanjanja koji su predloženi za optičke sustave.
• MRAH (Magnetoreološko abrazivno honanje): U biti, modificirani oblik konvencionalnog honanja s mogućnošću magnetskog podešavanja abrazivnog djelovanja kako bi se obradili složeni provrti i nemagnetski materijali. Izvješća ukazuju na bolju hrapavost kada se unutar medija formiraju lanci ukrućeni poljem.
• Ultrazvučno/kemijski potpomognut MRF/MAF: Kombinira ili superponirane vibracije ili reaktivnu kemiju kako bi se povećala brzina uklanjanja materijala (MRR) uz istovremeno smanjenje oštećenja podzemlja. Ultrazvučno potpomognut MRF povećava relativnu brzinu čestica i sile koje nastaju na hrapavostima, što u konačnici rezultira većom brzinom uklanjanja u odnosu na osnovni MRF/MAF.

Oprema i mediji

Magneti: trajni vs. elektromagneti

Magnetsko polje omogućuje ove procese. Permanentni magneti, posebno visokoenergetski neodimij-željezo-bor (NdFeB) magneti, nude vrlo mali, učinkovit izvor fluksa koji se može koristiti u mnogim industrijskim primjenama. Nedostatak je što ih ne možete mijenjati nakon što su napravljeni. Elektromagneti daju mogućnost kontrole gustoće fluksa koja se primjenjuje, što omogućuje veću preciznost od sila poliranja i geometrije točke. Visoka preciznost podešavanja magnetskog polja nudi mogućnosti u optici i drugim naprednim proizvodnim procesima, koji se lakše osporavaju u održavanju, posebno zagrijavanju zavojnice, što zatim čini da ponašanje viskoznosti MR tekućina zahtijeva toplinsko upravljanje.

Magnetoreološka tekućina

Svaki magnetoreološki sustav završne obrade usredotočen je na "pametnu tekućinu" koja se skrutnjava u magnetskom polju. MR tekućina se obično sastoji od čestica karbonilnog željeza (CIP) koje osiguravaju magnetsku reaktivnost i abrazivnih zrna (aluminijev oksid, cerij ili dijamant) za uklanjanje materijala te nosača (obično silikonsko ulje, mineralno ulje ili voda). Kako bi se povećala stabilnost viskoznosti i spriječilo taloženje, miješaju se dodatni aditivi (poput tiksotropnih aditiva, aditiva protiv trošenja ili korozije). To potiče MR tekućinu da se trenutno pretvori iz tekućeg u polukruto stanje trake za poliranje ili četke, a zatim se vraća u tekuće stanje kada se magnetsko polje ukloni.

Sustavi za kretanje

Moguće je odrediti interakciju alata i obratka na temelju kontroliranog gibanja. Tipične konfiguracije za korištenje MR procesa završne obrade uključuju rotaciju kotača ili male točke, u kojoj MR tekućina postaje ukrućeno područje za poliranje; sustave s recipročnim protokom, obično korisne u hibridima abrazivnog tipa za unutarnje prolaze; i rotirajuće obratke, koji često pružaju konzistentnije i veće brzine potencijalnog uklanjanja na cilindričnim ili slobodnim izvedbama. Osim toga, s podesivim gibanjem i značajkama, proizvođači mogu fino podesiti i brzinu uklanjanja i završnu obradu s podesivom krutošću medija.

Materijali

Magnetski procesi završne obrade su vrlo fleksibilni; međutim, odzivi materijala ovise i o njihovim magnetskim i mehaničkim svojstvima.

Najprikladnije: Feromagnetski i relativno tvrdi materijali poput čelika i aluminijevih legura općenito su prikladni materijali za magnetsku abrazivnu završnu obradu. U optici, krhka keramika poput taljenog silicija, BK7 stakla i monokristalnog silicija izvrsni su materijali za magnetoreološku završnu obradu i proizvode površine bez defekata s nanometarskom hrapavošću.

Najmanje prikladno: Meki polimeri i neki obojeni metali (poput bakra i mesinga) teški su materijali za obradu jer njihova niska magnetska permeabilnost znači da čvrstoća abrazivnog alata oblikovanog na terenu ne pruža dovoljnu silu. Polimeri riskiraju da dožive oranje umjesto čistog uklanjanja materijala, a preciznost može ograničiti ostvarive tolerancije.

Parametri procesa.

Tipični procesni parametri za obradu do konzistentne nano-završne obrade su sljedeći.

1. Gustoća magnetskog toka – određuje krutost alata koji primjenjuje pritisak poliranja.
2. Koncentracija i veličina čestica karbonilnog željeza (CIP) i abraziva – s većim koncentracijama abraziva povećava se brzina uklanjanja (MRR); međutim, preveliko opterećenje uzrokuje gubitak stabilnosti CIP-a u mediju.
3. Radni razmak – udaljenost između magneta i obratka; što je razmak manji, to je magnetska četka jača, ali se mogu povećati lokalizirane sile.
4. Relativno gibanje – bilo rotacijsko gibanje, recipročno gibanje ili njihova kombinacija – uspostavlja smično djelovanje na površinu.
5. Vrijeme obrade – ako su ciklusi dulji, završna obrada je bolja, ali je protok smanjen; stoga je optimizacija ključna za vage obrade za proizvodnju.

Prednosti

1. Precizna kontrola sile omogućuje poliranje do nanometarske hrapavosti uz mala oštećenja podloge.
2. Adaptivna prilagodba magnetske četke ili MR fluidne trake omogućit će završnu obradu složenih oblika, površina slobodnog oblika i unutarnjih prolaza.
3. Upravljanje toplinom i krhotinama je inherentno poboljšano jer fluidni medij može ukloniti toplinu i rastresite čestice, smanjujući toplinska naprezanja i nedostatke na površini.

Nedostaci

1. Spore brzine uklanjanja materijala na vrlo tvrdim materijalima ograničavaju konkurentnost tamo gdje je potrebno značajno uklanjanje materijala.
2. MR tekućina je jedinstveno izazovna jer postoje problemi poput sedimentacije, stabilnosti i aditiva koji će otežati dugoročni rad.
3. Na obojenim i dijamagnetskim materijalima, MR tekućina ima smanjenu učinkovitost u usporedbi s obrnutom ili slabom magnetskom interakcijom.
4. Zagrijavanje elektromagneta će narušiti svojstva MR tekućine i može zahtijevati aktivno hlađenje ili prijelaz na permanentni magnet.

Aplikacije.

Optika – poliranje leća i zrcala te korekcijska kontrola figure za visokoučinkovite optičke sustave.

Biomedicinski implantati – završna obrada protetskih zglobova, stentova i drugih medicinskih dijelova slobodnog oblika koji zahtijevaju smanjeno trošenje i bolju biokompatibilnost.

Precizno inženjerstvo – primjene završne obrade površina za zupčanike, injektore goriva, mikromlaznice i hidraulične komponente; kao i naknadna obrada metalnih dijelova dobivenih aditivnom proizvodnjom gdje su glatki unutarnji kanali ključni.