Finitura magnetica per la produzione ad alta precisione

Che cosa è la finitura magnetica?

La finitura magnetica, nota anche come finitura assistita da campo magnetico, è una tecnica di trattamento superficiale di precisione che applica un campo magnetico controllato per indurre gli abrasivi a colpire il pezzo. A differenza della rettifica o lucidatura convenzionale, che utilizza elementi utensile rigidi e quindi non può adattarsi a geometrie complesse, la finitura magnetica utilizza utensili abrasivi flessibili e controllabili che assumono diverse configurazioni a seconda delle esigenze. L'utensile non è una mola o una cinghia solida, ma piuttosto un mezzo dinamico che utilizza particelle magnetiche e abrasivi allineati come se ci fosse un campo magnetico, personalizzando la configurazione per ottenere il percorso della macchina utensile.

Varianti di processo

La finitura magnetica non è un processo a sé stante, ma un insieme di processi che sfruttano lo stesso semplice principio di utilizzo di un campo magnetico per gestire l'azione abrasiva, e che è stato adattato in forme diverse a seconda delle esigenze. Di seguito sono descritte le principali varianti di processo.

MAF (Finitura abrasiva magnetica)

riferimento

MAF genera una "spazzola" flessibile a particelle magnetiche che allinea gli abrasivi ferromagnetici in condizioni di campo magnetico locale controllato. La spazzola si adatta a bordi, fori esterni e interni e persino a superfici libere leggermente curve, consentendo un'azione di microtaglio e lucidatura uniforme che va oltre le capacità degli utensili rigidi. La flessibilità e la pratica forza di contatto presenti nella scala della spazzola MAF con flusso magnetico e spazio di lavoro, o separazione, consentono di adattarla dalla sbavatura delicata alla finitura fine, sebbene la rappresentazione delle forze combinate per quanto riguarda la previsione dell'asportazione di materiale sia un'area di ricerca attiva con risorse correlate alla tecnologia MAF. MAF è ampiamente utilizzata nei casi rari con accesso limitato all'interno di componenti additivi o rilavorati di precisione, dove sono generalmente presenti passaggi.

MRF (Finitura magnetoreologica)

 riferimento

L'MRF è un processo di lucidatura sub-apertura deterministico in cui un nastro o una macchia di fluido magnetoreologico (MR) (particelle di ferro-carbonile e abrasivi non magnetici in un supporto) viene irrigidito da un campo magnetico locale e quindi rimuove il materiale confinandolo strettamente. Di conseguenza, si ottiene una funzionalità prevedibile su superfici di qualità ottica con rugosità a livello nanometrico su lenti piane, convesse/concave e specchi, consentendo una finitura efficace. L'MRF è un pilastro dell'ottica di precisione e di altri processi per materiali fragili, in quanto offre controllabilità (tramite flusso), trasporto di calore e detriti e la possibilità di variare l'area di finitura variando il flusso per ottenere una geometria specifica. Almeno su forme con forma 3D più complessa, le finiture MRF a estremità sferica (BEMRF) e il fluido vengono modellati in una "sfera" stabile sulla punta di un utensile rotante, applicando il concetto di sub-apertura alla lavorazione libera di parti e forme 3D più complesse.

MRAFF / R-MRAFF (ibrido di AFM + MRF)

 riferimento

La finitura a flusso abrasivo magnetoreologico (MRAFF) offre un accesso ibrido alla lavorazione a flusso abrasivo (AFM), un flusso controllato da un mezzo in cui la reologia è controllata da un campo magnetico generato. Un mezzo MR alternativo, irrigidito magneticamente, passa sopra le aperture dei percorsi, offrendo un maggiore controllo delle forze di innesto rispetto all'AFM (sebbene sia comunque presente). Quando la MRF viene ulteriormente combinata con la rotazione del pezzo in lavorazione sotto la sottoapertura della finitura a flusso abrasivo magnetoreologico (R-MRAFF), la variazione residua del gap di flusso attraverso il pezzo a forma libera viene attenuata e la velocità di finitura e l'uniformità su superfici diverse sono migliorate: ancora una volta, in una dimostrazione con componenti che potrebbero essere simili a impianti, le velocità di finitura medie sono state quasi 2 volte più veloci rispetto agli approcci di tipo MAFF.

Altre varianti/ibridi degni di nota

• BEMRF (Ball-End MRF): genera una "sfera" di fluido MR supportata magneticamente sulla punta dell'utensile, consentendo di eseguire processi di lucidatura localizzati su forme 3D complesse; in genere è più adatto per materiali ferromagnetici grazie alle linee di campo favorevoli al contatto.
• MRJF (Magnetorheological Jet Finishing): proietta il fluido MR in un getto/punto libero; mentre la fisica di rimozione del getto MR condivide gli stessi meccanismi comuni nell'MRF, il getto MR offre un migliore accesso per caratteristiche localizzate o incassate. Unificare MRF e MR-jet nei modelli di rimozione proposti per i sistemi ottici.
• MRAH (levigatura abrasiva magnetoreologica): in sostanza, una forma modificata di levigatura convenzionale con la capacità di regolare magneticamente l'azione abrasiva per gestire fori complessi e materiali non magnetici. I report indicano una migliore rugosità quando all'interno del mezzo si formano catene irrigidite dal campo magnetico.
• MRF/MAF assistito da ultrasuoni/chimicamente: combina vibrazioni sovrapposte o reazioni chimiche reattive, al fine di aumentare la velocità di rimozione del materiale (MRR) riducendo al contempo i danni al sottosuolo. L'MRF assistito da ultrasuoni aumenta la velocità relativa delle particelle e le forze che si generano sulle asperità, il che si traduce in una maggiore velocità di rimozione rispetto all'MRF/MAF di base.

Attrezzature e media

Magneti: permanenti vs. elettromagneti

Il campo magnetico rende possibili questi processi. I magneti permanenti, in particolare i magneti al neodimio-ferro-boro (NdFeB) ad alta energia, offrono una sorgente di flusso molto piccola ed efficiente che può essere utilizzata in molte applicazioni industriali. Lo svantaggio è che non è possibile modificarli una volta realizzati. Gli elettromagneti conferiscono controllabilità alla densità di flusso applicata, il che consente una maggiore precisione nelle forze di lucidatura e nelle geometrie dei punti. L'elevata precisione nella regolazione del campo magnetico offre opportunità nell'ottica e in altri processi di produzione avanzati, che sono più facilmente messi in discussione durante la manutenzione, in particolare nel riscaldamento delle bobine, che rende necessario un controllo termico del comportamento della viscosità dei fluidi MR.

Fluido magnetoreologico

Ogni sistema di finitura magnetoreologica è incentrato su un "fluido intelligente", che si irrigidisce in un campo magnetico. Il fluido MR è tipicamente costituito da particelle di ferro carbonile (CIP) per fornire la reattività magnetica e grani abrasivi (allumina, cerio o diamante) per la rimozione del materiale, e da un mezzo di trasporto (normalmente olio siliconico, olio minerale o acqua). Per aumentare la stabilità della viscosità e prevenire i cedimenti, vengono aggiunti additivi aggiuntivi (come additivi tissotropici, antiusura o anticorrosione). Questo favorisce il passaggio del fluido MR dallo stato liquido a quello semisolido di nastro o spazzola di lucidatura istantaneamente, per poi tornare allo stato liquido quando il campo magnetico viene rimosso.

Sistemi di movimento

È possibile determinare l'interazione tra utensile e pezzo in lavorazione in base al movimento controllato. Le configurazioni tipiche per l'utilizzo dei processi di finitura MR includono la rotazione di una ruota o di un piccolo punto, in cui il fluido MR diventa un'area di lucidatura irrigidita; sistemi a flusso alternato, tipicamente utili negli ibridi a flusso abrasivo per passaggi interni; e pezzi in lavorazione rotanti, che spesso offrono velocità di asportazione più costanti e maggiori su progetti cilindrici o a forma libera. Inoltre, grazie a movimento e caratteristiche regolabili, i produttori possono regolare con precisione sia la velocità di asportazione che la finitura, con rigidità regolabile del mezzo.

Materiali Necessari

I processi di finitura magnetica sono molto flessibili; tuttavia, le risposte dei materiali dipendono sia dalle loro proprietà magnetiche che da quelle meccaniche.

Più adatti: i materiali ferromagnetici e relativamente duri come acciai e leghe di alluminio sono generalmente adatti alla finitura abrasiva magnetica. In ottica, le ceramiche fragili come la silice fusa, il vetro BK7 e il silicio monocristallino sono materiali eccellenti per la finitura magnetoreologica e producono superfici prive di difetti con rugosità su scala nanometrica.

Meno adatti: i polimeri morbidi e alcuni metalli non ferrosi (come rame e ottone) sono materiali difficili da lavorare perché la loro bassa permeabilità magnetica fa sì che la forza dell'utensile abrasivo formatosi sul campo non fornisca una forza sufficiente. I polimeri rischiano di subire un'aratura anziché una rimozione pulita del materiale e la precisione può limitare le tolleranze ottenibili.

Parametri di processo.

I parametri di processo tipici per ottenere una nanofinitura uniforme sono i seguenti.

1. Densità del flusso magnetico: determina la rigidità dell'utensile che applica la pressione di lucidatura.
2. Particelle di ferro carbonile (CIP) e concentrazione e dimensione dell'abrasivo: con concentrazioni maggiori dell'abrasivo, aumenta il tasso di rimozione (MRR); tuttavia, un carico eccessivo fa sì che il CIP perda stabilità nel mezzo.
3. Distanza di lavoro: la distanza tra il magnete e il pezzo in lavorazione; più piccola è la distanza, più potente è la spazzola magnetica, ma le forze localizzate possono aumentare.
4. Il moto relativo (movimento rotatorio, moto alternativo o una combinazione di questi) determina un'azione di taglio sulla superficie.
5. Tempo di lavorazione: se i cicli sono più lunghi, la finitura migliora, ma la produttività si riduce; pertanto, l'ottimizzazione è fondamentale per le scale di lavorazione per la produzione.

Vantaggi

1. Il controllo accurato della forza consente di lucidare fino a raggiungere una rugosità nanometrica, con minimi danni al sottosuolo.
2. La conformazione adattiva della spazzola magnetica o del nastro fluido MR consentirà la finitura di forme complesse, superfici libere e passaggi interni.
3. La gestione del calore e dei detriti risulta intrinsecamente migliorata poiché il mezzo fluido è in grado di rimuovere il calore e le particelle libere, riducendo le sollecitazioni termiche e i difetti sulla superficie.

Svantaggi

1. La lenta velocità di rimozione su materiali molto duri limita la competitività laddove è necessaria una notevole rimozione di materiale.
2. Il fluido MR è particolarmente impegnativo in quanto presenta problemi quali sedimentazione, stabilità e additivi che ne complicano il funzionamento a lungo termine.
3. Sui materiali non ferrosi e diamagnetici, il fluido MR ha un'efficacia ridotta rispetto a un'interazione magnetica inversa o scarsa.
4. Il riscaldamento dell'elettromagnete comprometterà le proprietà del fluido MR e potrebbe richiedere un raffreddamento attivo o una transizione a un magnete permanente.

Applicazioni.

Ottica: lucidatura di lenti e specchi e controllo della figura correttiva per sistemi ottici ad alte prestazioni.

Impianti biomedici: rifinitura di protesi articolari, stent e altre parti mediche di forma libera che richiedono minore usura e una migliore biocompatibilità.

Ingegneria di precisione: applicazioni di finitura superficiale per ingranaggi, iniettori di carburante, microugelli e componenti idraulici; nonché post-elaborazione di parti metalliche realizzate con la produzione additiva, in cui i canali interni lisci sono essenziali.