Что такое магнитная отделка?
Магнитная финишная обработка (или финишная обработка с использованием магнитного поля) представляет собой метод прецизионной обработки поверхности, при котором абразивные частицы воздействуют на заготовку с помощью управляемого магнитного поля. В отличие от традиционной шлифовки или полировки, где используются жёсткие инструменты, не способные адаптироваться к сложным геометрическим формам, магнитная финишная обработка использует гибкие, управляемые абразивные инструменты, принимающие различные конфигурации в зависимости от необходимости. Инструмент представляет собой не сплошной круг или ленту, а динамическую среду, состоящую из магнитных частиц и абразивов, которые выравниваются подобно магнитному полю, адаптируя конфигурацию для достижения траектории движения инструмента.
Варианты процесса
Магнитная обработка — это не отдельный процесс, а группа процессов, основанных на одном и том же простом принципе использования магнитного поля для обработки абразивных материалов, и при этом она принимает различные формы в зависимости от ситуации. Ниже приведены описания основных разновидностей этого процесса.
МАФ (Магнитно-абразивная обработка)
MAF генерирует гибкую магнитно-частичную «щётку», которая выравнивает ферромагнитные абразивы в условиях контролируемого локального магнитного поля. Щётка адаптируется к кромкам, внешним и внутренним отверстиям, а также к слегка изогнутым поверхностям произвольной формы, обеспечивая равномерное микрорезание и полирование, превосходящее возможности жёстких инструментов. Гибкость и практическое контактное усилие, присущие шкале щётки MAF, в сочетании с магнитным потоком и рабочим зазором (или разделением), позволяют настраивать её от деликатного удаления заусенцев до финишной обработки, хотя представление объединённых сил в отношении прогнозирования удаления материала является активной областью исследований, связанных с ресурсами, связанными с технологией MAF. MAF широко используется в редких случаях с ограниченным доступом к внутренним компонентам аддитивной обработки или в прецизионных восстановленных компонентах, где, как правило, имеются запутанные каналы.
МРФ (магнитореологическая обработка)
MRF — это детерминированный процесс субапертурной полировки, при котором лента или пятно магнитореологической (МР) жидкости (частицы карбонильного железа и немагнитные абразивы в носителе) упрочняется локальным магнитным полем, а затем срезает материал, плотно удерживая его. В результате достигается предсказуемая работа на оптически качественных поверхностях с шероховатостью на уровне нм на плоских поверхностях, выпуклых/вогнутых линзах и зеркалах, что обеспечивает эффективную финишную обработку. MRF является основой прецизионной оптики и других процессов обработки хрупких материалов, поскольку обеспечивает управляемость (посредством потока), перенос тепла и стружки, а также возможность изменять область финишной обработки путем изменения потока для достижения заданной геометрии. По крайней мере, для форм с более сложной трехмерной формой, финишные покрытия MRF с шаровидным наконечником (BEMRF) и жидкость формируются в устойчивый «шар» вращающимся наконечником инструмента, перенося идею субапертуры на детали свободной формы и более сложные трехмерные формы.
MRAFF / R-MRAFF (гибрид АСМ + МРФ)
Магнитореологическая абразивно-поточная обработка (MRAFF) предлагает гибридный подход к обработке абразивно-поточной обработкой (AFM) с контролируемым потоком среды, где реология контролируется с помощью создаваемого магнитного поля. Возвратно-поступательная, магнитно-упрочненная среда MR проходит над отверстиями путей, обеспечивая больший контроль над силами зацепления, чем AFM (хотя он все еще присутствует). Когда MRF дополнительно комбинируется с вращением заготовки под субапертурой магнитореологической абразивно-поточной обработки (R-MRAFF), остаточное изменение зазора потока по всей свободной форме сглаживается, а скорость и однородность финишной обработки по дифференциальным поверхностям улучшаются - снова в демонстрации с тем, что может быть подобно имплантатам, средние скорости финишной обработки были почти в 2 раза выше, чем подходы типа MAFF.
Другие интересные варианты/гибриды
- BEMRF (магнитно-резонансная томография с шаровидным наконечником): создает на кончике инструмента «шарик» магнитно-резонансной жидкости, что позволяет выполнять локальные процессы полировки сложных трехмерных форм; обычно лучше всего подходит для ферромагнитных материалов из-за благоприятных линий поля в месте контакта.
- MRJF (магнитореологическая струйная обработка): проецирует МР-жидкость в виде свободной струи/точки; хотя физика удаления МР-струи использует те же механизмы, что и в MRF, МР-струя обеспечивает лучший доступ к локализованным или углублённым элементам. Объединить MRF с МР-струей в модели удаления, предложенные для оптических систем.
- MRAH (магнитореологическое абразивное хонингование): по сути, это модифицированная форма традиционного хонингования с возможностью магнитной настройки абразивного воздействия для обработки сложных отверстий и немагнитных материалов. Отчёты свидетельствуют о лучшей шероховатости при формировании в среде цепей, укреплённых магнитным полем.
- Ультразвуковая/химическая обработка MRF/MAF: сочетает в себе наложенные вибрации или химические реагенты для повышения скорости удаления материала (MRR) и снижения подповерхностных повреждений. Ультразвуковая обработка MRF увеличивает относительную скорость частиц и силы, возникающие на неровностях, что в конечном итоге приводит к повышению скорости удаления материала по сравнению с базовым методом MRF/MAF.
Оборудование и медиа
Магниты: постоянные и электромагниты
Магнитное поле делает эти процессы возможными. Постоянные магниты, в частности, высокоэнергетические магниты из неодима-железа-бора (NdFeB), представляют собой очень компактный и эффективный источник магнитного потока, который может использоваться во многих промышленных приложениях. Недостатком является невозможность изменения их плотности после изготовления. Электромагниты обеспечивают управляемость прилагаемой плотности магнитного потока, что позволяет повысить точность полировки и геометрии пятна. Высокая точность регулировки магнитного поля открывает возможности в оптике и других сложных производственных процессах, которые сложнее обслуживать, в частности, при нагреве катушек, что, в свою очередь, влияет на вязкость магнитно-резонансных жидкостей и требует управления температурным режимом.
Магнитореологическая жидкость
В основе каждой системы магнитореологической обработки лежит «умная жидкость», которая застывает в магнитном поле. Магнитореологическая жидкость обычно состоит из частиц карбонильного железа (ЧЖ), обеспечивающих магнитную реактивность, абразивных зерен (оксида алюминия, церия или алмаза) для удаления материала, а также несущей среды (обычно силиконового масла, минерального масла или воды). Для повышения стабильности вязкости и предотвращения оседания в состав добавляются дополнительные добавки (например, тиксотропные, противоизносные или антикоррозионные). Это способствует мгновенному переходу магнитореологической жидкости из жидкого состояния в полутвердое, похожее на полировальную ленту или щетку, состояние, которое затем возвращается к жидкому при снятии магнитного поля.
Системы движения
Взаимодействие инструмента и заготовки можно определить на основе контролируемого движения. Типичные конфигурации для использования процессов финишной обработки с магнитной резонансной очисткой включают в себя вращение круга или небольшого пятна, в котором жидкость магнитной резонансной очистки становится жёсткой полирующей поверхностью; возвратно-поступательные системы, обычно используемые в гибридных абразивных системах проточного типа для обработки внутренних каналов; и вращающиеся заготовки, которые часто обеспечивают более стабильную и высокую скорость съёма материала на цилиндрических или произвольных поверхностях. Кроме того, благодаря регулируемому движению и различным функциям производители могут точно настраивать как скорость съёма материала, так и качество финишной обработки, изменяя жёсткость абразива.
Материалы
Процессы магнитной обработки очень гибкие; однако реакция материалов зависит как от их магнитных, так и от механических свойств.
Наиболее подходящие материалы: ферромагнитные и относительно твёрдые материалы, такие как стали и алюминиевые сплавы, обычно подходят для магнитно-абразивной обработки. В оптике хрупкая керамика, такая как плавленый кварц, стекло BK7 и монокристаллический кремний, отлично подходит для магнитореологической обработки и позволяет получать бездефектные поверхности с нанометровой шероховатостью.
Наименее подходящие: Мягкие полимеры и некоторые цветные металлы (например, медь и латунь) трудно поддаются обработке, поскольку их низкая магнитная проницаемость означает, что прочность абразивного инструмента, сформированного в полевых условиях, не обеспечивает достаточного усилия. При обработке полимеров существует риск вырывания материала вместо его полного удаления, а точность обработки может ограничивать достижимые допуски.
Параметры процесса.
Типичные параметры процесса для получения однородного нано-эффекта следующие.
- Плотность магнитного потока — определяет жесткость инструмента, оказывающего полирующее давление.
- Частицы карбонильного железа (ЧКЖ), концентрация и размер абразива — при более высоких концентрациях абразива увеличивается скорость удаления (MRR); однако слишком большая нагрузка приводит к потере устойчивости ЧКЖ в среде.
- Рабочий зазор — расстояние между магнитом и заготовкой; чем меньше зазор, тем сильнее магнитная щетка, но локальные силы могут увеличиться.
- Относительное движение — вращательное движение, возвратно-поступательное движение или их комбинация — создает сдвиговое воздействие на поверхность.
- Время обработки — если циклы длиннее, качество отделки улучшается, но производительность снижается; поэтому оптимизация имеет жизненно важное значение для масштабов обработки в производстве.
Преимущества
- Точный контроль силы позволяет производить полировку с шероховатостью до нанометрового уровня с минимальным повреждением подповерхности.
- Адаптивное соответствие магнитной щетки или ленты МР-жидкости позволит обрабатывать сложные формы, поверхности произвольной формы и внутренние каналы.
- Управление теплом и мусором по сути улучшается, поскольку жидкая среда способна отводить тепло и свободные частицы, уменьшая термические напряжения и дефекты на поверхности.
Недостатки
- Низкая скорость съема материала при обработке очень твердых материалов ограничивает конкурентоспособность в случаях, когда требуется значительный съем материала.
- Жидкость MR является уникальной по своей сложности, поскольку существуют такие проблемы, как седиментация, стабильность и присадки, которые усложняют ее долгосрочную эксплуатацию.
- На цветных и диамагнитных материалах МР-жидкость имеет пониженную эффективность по сравнению с... Обратное или слабое магнитное взаимодействие.
- Нагрев электромагнита ухудшит свойства МР-жидкости и может потребовать активного охлаждения или перехода на постоянный магнит.
Приложения.
Оптика – полировка линз и зеркал, а также контроль корректирующего рисунка для высокопроизводительных оптических систем.
Биомедицинские имплантаты — отделка протезных суставов, стентов и других медицинских деталей свободной формы, требующих снижения износа и лучшей биосовместимости.
Точное машиностроение — обработка поверхностей зубчатых передач, топливных форсунок, микросопел и гидравлических компонентов, а также постобработка деталей, полученных аддитивным производством металлов, где гладкие внутренние каналы имеют решающее значение.
