Acabamento magnético para fabricação de alta precisão

O que é acabamento magnético?

O acabamento magnético, também conhecido como acabamento assistido por campo magnético, é uma técnica de tratamento de superfície de precisão que aplica um campo magnético controlado para induzir abrasivos a atingirem a peça. Ao contrário do desbaste ou polimento convencionais, que possuem elementos de ferramentas rígidos e, portanto, não podem se adaptar a geometrias complexas, o acabamento magnético utiliza ferramentas abrasivas flexíveis e controláveis, que assumem diferentes configurações conforme necessário. A ferramenta não é uma roda ou correia sólida, mas sim um meio dinâmico que utiliza partículas magnéticas e abrasivos alinhados como se houvesse um campo magnético, personalizando a configuração para atingir o caminho da máquina-ferramenta.

Variantes de processo

O acabamento magnético não é um processo separado, mas sim um conjunto de processos que utilizam o mesmo princípio simples de utilização de um campo magnético para lidar com a ação abrasiva, tendo sido moldado em diferentes formatos, conforme apropriado. Aqui estão as descrições das principais variações do processo.

MAF (Acabamento Abrasivo Magnético)

referência

O MAF gera uma "escova" flexível de partículas magnéticas que alinha abrasivos ferromagnéticos sob condições controladas de campo magnético local. A escova se adapta a bordas, furos internos e externos e até mesmo a superfícies de forma livre suavemente curvas, permitindo microcortes e polimentos uniformes, além da capacidade de ferramentas rígidas. A flexibilidade e a força de contato prática presentes na escala da escova MAF com fluxo magnético e folga de trabalho, ou separação, permitem que ela seja ajustada desde rebarbação delicada até acabamento fino, embora a representação das forças combinadas em relação à previsão da remoção de material seja uma área ativa de pesquisa com recursos relacionados à tecnologia MAF. O MAF é amplamente utilizado em casos raros com acesso interno limitado a aditivos ou em componentes remanufaturados de precisão, onde geralmente há passagens envolvidas.

MRF (Acabamento Magnetoreológico)

 referência

MRF é um processo de polimento determinístico de subabertura, no qual uma fita ou ponto de fluido magnetoreológico (MR) (partículas de ferro carbonílico e abrasivos não magnéticos em um suporte) é enrijecido por um campo magnético local e, em seguida, cisalha a remoção do material, confinando-o firmemente. Como resultado, obtém-se uma função previsível em superfícies de qualidade óptica com rugosidade na ordem de nm em lentes planas, convexas/côncavas e espelhos, o que permite um acabamento eficaz. O MRF é um pilar da óptica de precisão e de outros processos com materiais frágeis, pois oferece controlabilidade (via fluxo), transporte de calor e detritos e a capacidade de variar a área de acabamento, variando o fluxo para obter uma geometria específica. Pelo menos em formas com formas 3D mais complexas, os acabamentos e o fluido MRF com extremidade esférica (BEMRF) são moldados em uma "esfera" estável na ponta de uma ferramenta rotativa, levando a ideia de subabertura para peças de forma livre e formas 3D mais complexas.

MRAFF / R-MRAFF (Híbrido de AFM + MRF)

 referência

O Acabamento por Fluxo Abrasivo Magnetoreológico (MRAFF) oferece acesso híbrido ao fluxo controlado por meio de usinagem de fluxo abrasivo (AFM), onde a reologia é controlada por um campo magnético gerado. Um meio de MR reciprocante e magneticamente enrijecido passa sobre as aberturas dos caminhos, proporcionando maior controle das forças de engate do que o AFM (embora ainda presente). Quando o MRF é combinado com a rotação da peça sob a subabertura do acabamento por fluxo abrasivo magnetoreológico – R-MRAFF – a variação restante da folga de fluxo na peça de forma livre é suavizada, e a taxa de acabamento e a uniformidade entre as superfícies diferenciais foram aprimoradas – novamente em uma demonstração com o que pode ser componentes semelhantes a implantes, as taxas médias de acabamento foram quase 2x mais rápidas do que as abordagens do estilo MAFF.

Outras variantes/híbridos dignos de nota

• BEMRF (Ball-End MRF): gera uma "bola" de fluido MR com suporte magnético na ponta da ferramenta, permitindo que ela execute processos de polimento localizados em formas 3D complexas; normalmente mais adequado para materiais ferromagnéticos devido às linhas de campo favoráveis ​​no contato.
• MRJF (Acabamento por Jato Magnetorreológico): Projeta fluido de RM em um jato/ponto livre; enquanto a física de remoção do jato de RM compartilha os mesmos mecanismos comuns na MRF, o jato de RM proporciona melhor acesso a características localizadas ou rebaixadas. Unifique a MRF com o jato de RM nos modelos de remoção propostos para sistemas ópticos.
• MRAH (Afiação Abrasiva Magnetorreológica): Em essência, uma forma modificada de afiação convencional com a capacidade de ajustar magneticamente a ação abrasiva para lidar com furos complexos e materiais não magnéticos. Relatórios indicam melhor rugosidade quando cadeias endurecidas em campo se formam dentro da mídia.
• MRF/MAF assistido por ultrassom/químico: Combina vibrações sobrepostas ou química reativa para aumentar a taxa de remoção de material (MRR) e, ao mesmo tempo, reduzir os danos no subsolo. A MRF assistida por ultrassom aumenta a velocidade relativa das partículas e as forças que surgem nas asperezas, o que, em última análise, resulta em uma maior taxa de remoção em relação à MRF/MAF de referência.

Equipamentos e mídia

Ímãs: permanentes vs. eletroímãs

O campo magnético torna esses processos possíveis. Ímãs permanentes, notadamente os ímãs de neodímio-ferro-boro (NdFeB) de alta energia, oferecem uma fonte de fluxo muito pequena e eficiente que pode ser usada em muitas aplicações industriais. A desvantagem é que não é possível alterá-los depois de fabricados. Os eletroímãs conferem controlabilidade à densidade de fluxo aplicada, o que permite maior precisão nas forças de polimento e geometrias pontuais. A alta precisão do ajuste do campo magnético oferece oportunidades em óptica e outros processos avançados de fabricação, que são mais facilmente desafiados em termos de manutenção, especificamente no aquecimento de bobinas, o que torna o comportamento da viscosidade dos fluidos de RM necessário para gerenciamento térmico.

Fluido magnetoreológico

Todo sistema de acabamento magnetoreológico é centrado em um "fluido inteligente", que endurece em um campo magnético. O fluido de RM normalmente consiste em partículas de ferro carbonílico (CIP) para fornecer a reatividade magnética e grãos abrasivos (alumina, céria ou diamante) para remoção de material, além de um meio de transporte (normalmente óleo de silicone, óleo mineral ou água). Para aumentar a estabilidade da viscosidade e evitar sedimentação, aditivos adicionais são adicionados (como aditivos tixotrópicos, antidesgaste ou anticorrosivos). Isso faz com que o fluido de RM passe do estado líquido para o estado de fita ou escova de polimento semissólida instantaneamente, retornando ao estado líquido quando o campo magnético é removido.

Sistemas de movimento

É possível determinar a interação entre a ferramenta e a peça com base em movimentos controlados. Configurações típicas para o uso de processos de acabamento por ressonância magnética (RM) incluem a rotação de uma roda ou de um pequeno ponto, no qual o fluido de RM se torna uma área de polimento endurecida; sistemas de fluxo reciprocante, tipicamente úteis em híbridos de fluxo abrasivo para passagens internas; e peças rotativas, que frequentemente proporcionam taxas de remoção mais consistentes e maiores em projetos cilíndricos ou de formato livre. Além disso, com movimentos e recursos ajustáveis, os fabricantes podem ajustar com precisão tanto a taxa de remoção quanto o acabamento, com rigidez ajustável da mídia.

Materiais

Os processos de acabamento magnético são muito flexíveis; no entanto, as respostas dos materiais dependem tanto de suas propriedades magnéticas quanto de suas propriedades mecânicas.

Mais adequado: Materiais ferromagnéticos e relativamente duros, como aços e ligas de alumínio, são geralmente adequados para acabamento abrasivo magnético. Em óptica, cerâmicas frágeis como sílica fundida, vidro BK7 e silício monocristalino são excelentes materiais para acabamento magnetoreológico e produzem superfícies sem defeitos com rugosidade em escala nanométrica.

Menos adequado: Polímeros macios e alguns metais não ferrosos (como cobre e latão) são materiais difíceis de processar porque sua baixa permeabilidade magnética significa que a força da ferramenta abrasiva formada no campo não fornece força suficiente. Os polímeros correm o risco de sofrer arado em vez de remoção limpa do material, e a precisão pode limitar as tolerâncias alcançáveis.

Parâmetros do processo.

Os parâmetros típicos do processo para processamento até um nanoacabamento consistente são os seguintes.

1. Densidade do fluxo magnético – determina a rigidez da ferramenta, que aplica pressão de polimento.
2. Partícula de ferro carbonílico (CIP) e concentração e tamanho do abrasivo – com maiores concentrações do abrasivo, a taxa de remoção (MRR) aumenta; no entanto, muita carga faz com que o CIP perca estabilidade no meio.
3. Distância de trabalho – distância entre o ímã e a peça de trabalho; quanto menor a distância, mais forte será a escova magnética, mas forças localizadas podem aumentar.
4. O movimento relativo – seja movimento rotacional, movimento recíproco ou uma combinação deles – estabelece uma ação de cisalhamento na superfície.
5. Tempo de processamento – se os ciclos forem mais longos, o acabamento é melhorado, mas o rendimento é reduzido; portanto, a otimização é vital para escalas de processamento para produção.

Vantagens

1. O controle preciso da força permite o polimento com rugosidade nanométrica com poucos danos à superfície.
2. A conformidade adaptável da escova magnética ou da fita de fluido de RM permitirá o acabamento de formas complexas, superfícies de forma livre e passagens internas.
3. O gerenciamento de calor e detritos é inerentemente melhorado, pois o meio fluido é capaz de remover calor e partículas soltas, reduzindo tensões térmicas e defeitos na superfície.

Desvantagens

1. As baixas taxas de remoção em materiais muito duros limitam a competitividade quando é necessária uma remoção significativa de estoque.
2. O fluido MR é particularmente desafiador, pois há problemas como sedimentação, estabilidade e aditivos que complicarão a operação a longo prazo.
3. Em materiais não ferrosos e diamagnéticos, o fluido de RM tem eficácia reduzida em comparação com interação magnética reversa ou fraca.
4. O aquecimento do eletroímã prejudicará as propriedades do fluido de RM e pode exigir resfriamento ativo ou uma transição para um ímã permanente.

Aplicações.

Óptica – polimento de lentes e espelhos e controle corretivo de figuras para sistemas ópticos de alto desempenho.

Implantes biomédicos – acabamento de articulações protéticas, stents e outras peças médicas de formato livre que exigem desgaste reduzido e melhor biocompatibilidade.

Engenharia de precisão – aplicações de acabamento de superfície para engrenagens, injetores de combustível, microbicos e componentes hidráulicos; bem como pós-processamento de peças de manufatura aditiva de metal onde canais internos suaves são essenciais.