Vad är magnetisk efterbehandling?
Magnetisk ytbehandling kallas även för magnetfältassisterad ytbehandling och är en precisionsytbehandlingsteknik som applicerar ett kontrollerat magnetfält för att få slipmedel att träffa ett arbetsstycke. Till skillnad från konventionell slipning eller polering, som har styva verktygselement och därför inte kan anpassa sig till komplexa geometrier, använder magnetisk ytbehandling flexibla, kontrollerbara slipverktyg som kan ta olika konfigurationer efter behov. Verktyget är inte ett massivt hjul eller band utan snarare ett dynamiskt medium som använder magnetiska partiklar och slipmedel som är uppriktade som om det fanns ett magnetfält, vilket anpassar konfigurationen för att uppnå maskinverktygets bana.
Processvarianter
Magnetisk ytbehandling är inte en separat process utan en grupp processer som använder samma enkla princip att använda ett magnetfält för att hantera slipverkan, och har formats till olika former efter behov. Här är beskrivningar av de viktigaste processvariationerna.
MAF (Magnetisk slipande ytbehandling)
MAF genererar en flexibel magnetisk partikel-"borste" som riktar in ferromagnetiska slipmedel under kontrollerade lokala magnetfältförhållanden. Borsten anpassar sig till kanter, yttre och inre hål, och till och med mjukt böjda friformsytor, vilket möjliggör enhetlig mikroskärning och polering utöver vad styva verktyg kan göra. Flexibiliteten och den praktiska kontaktkraften som finns i MAF-borstens skala med magnetiskt flöde och arbetsgap, eller separation, gör att den kan justeras från delikat gradning till finfinish, även om det är ett aktivt forskningsområde med resurser relaterade till MAF-teknik att representera de kombinerade krafterna med avseende på att förutsäga materialavverkning. MAF används i stor utsträckning för de sällsynta fall med begränsad åtkomst internt till additiva eller i precisionsrenoverade komponenter, där det i allmänhet finns invecklade passager.
MRF (Magnetoreologisk ytbehandling)
MRF är en deterministisk subaperturpoleringsprocess där ett band eller en fläck av magnetoreologisk (MR) vätska (karbonyljärnpartiklar och icke-magnetiska slipmedel i en bärare) förstyvas av ett lokalt magnetfält och sedan skär bort material och begränsar det tätt. Som ett resultat uppnås förutsägbar funktion på ytor av optisk kvalitet med nm-nivå ojämnhet på plana, konvexa/konkava linser och speglar, vilket möjliggör effektiv ytbehandling. MRF är en grundpelare i precisionsoptik och andra spröda materialprocesser, eftersom det erbjuder styrbarhet (via flussmedel), värme- och skräptransport, och möjligheten att variera ytbehandlingsområdet genom att variera flussmedlet för att uppnå en specifik geometri. Åtminstone formas former med mer komplex 3D-form, kulformade MRF-ytor (BEMRF) och vätska till en stabil "kula" vid en roterande verktygsspets, vilket tar idén om subapertur till friformsdelar och de mer komplexa 3D-formerna.
MRAFF / R-MRAFF (Hybrid av AFM + MRF)
Magnetorheologisk slipmedelsbehandling (MRAFF) erbjuder hybridåtkomst till mediakontrollerat flöde till media från slipmedelsbehandling (AFM) där reologin styrs med ett magnetfält. Ett fram- och återgående, magnetiskt förstyvat MR-medium passerar över öppningarna i banorna, vilket ger större kontroll över ingreppskrafterna än AFM (även om det fortfarande finns närvarande). När MRF ytterligare kombineras med arbetsstyckets rotation under subaperturen för magnetorheologisk slipmedelsbehandling – R-MRAFF – utjämnas den återstående variationen i flödesgapet över den friformade delen, och finbearbetningshastigheten och enhetligheten över olika ytor förbättrades – återigen, i en demonstration med vad som kan vara implantatliknande komponenter, var de genomsnittliga finbearbetningshastigheterna nästan 2 gånger snabbare än med MAFF-liknande metoder.
Andra varianter/hybrider att notera
- BEMRF (Ball-End MRF): Skapar en magnetiskt stödd "boll" av MR-vätska vid verktygsspetsen, vilket gör att den kan utföra lokaliserade poleringsprocesser på komplexa 3D-former; vanligtvis bäst lämpad för ferromagnetiska material på grund av de gynnsamma fältlinjerna vid kontakten.
- MRJF (Magnetorheologisk strålbehandling): Projicerar MR-vätska i en fri stråle/punkt; medan fysik för borttagning av MR-stråle delar samma mekanismer som är vanliga i MRF, ger MR-stråle bättre åtkomst för lokaliserade eller försänkta funktioner. Förena MRF med MR-stråle i de borttagningsmodeller som har föreslagits för optiska system.
- MRAH (Magnetorheologisk slipande slipning): I huvudsak en modifierad form av konventionell slipning med förmågan att magnetiskt finjustera slipverkan för att hantera komplexa hål och icke-magnetiska material. Rapporter indikerar bättre ytjämnhet när fältförstyvade kedjor bildas i mediet.
- Ultraljuds-/kemiskt assisterad MRF/MAF: Kombinerar antingen överlagrade vibrationer eller reaktiv kemi för att öka materialavlägsningshastigheten (MRR) samtidigt som skador på underlaget minskas. Ultraljudsassisterad MRF ökar den relativa partikelhastigheten och krafterna som uppstår vid ojämnheterna, vilket i slutändan resulterar i en högre avlägsningshastighet i förhållande till baslinjens MRF/MAF.
Utrustning och media
Magneter: permanenta vs. elektromagneter
Magnetfältet möjliggör dessa processer. Permanentmagneter, särskilt högenergiska neodym-järn-bor (NdFeB)-magneter, erbjuder en mycket liten, effektiv flödeskälla som kan användas i många industriella tillämpningar. Nackdelen är att man inte kan variera dem när de väl är tillverkade. Elektromagneter ger kontrollerbarhet över den applicerade flödestätheten, vilket möjliggör mer precision från poleringskrafter och punktgeometrier. Hög precision i magnetfältsjusteringen erbjuder möjligheter inom optik och andra avancerade tillverkningsprocesser, vilka lättare utmanas vid underhåll, särskilt spoluppvärmning, vilket sedan gör att viskositetsbeteendet hos MR-vätskorna behöver termisk hantering.
Magnetorheologisk vätska
Varje magnetoreologiskt ytbehandlingssystem är centrerat kring en "smart vätska" som stelnar i ett magnetfält. MR-vätska består vanligtvis av karbonyljärnpartiklar (CIP) för att ge magnetisk reaktivitet och slipkorn (aluminiumoxid, ceriumoxid eller diamant) för materialborttagning, och ett bärarmedium (normalt silikonolja, mineralolja eller vatten). För att öka viskositetsstabiliteten och förhindra sättning blandas ytterligare tillsatser i (såsom tixotropa tillsatser, slitageskyddande eller korrosionsskyddande tillsatser). Detta gör att MR-vätskan omedelbart övergår från flytande till halvfast polerband eller borstetillstånd, och sedan återgår till flytande tillstånd när magnetfältet avlägsnas.
Rörelsesystem
Det är möjligt att bestämma interaktionen mellan verktyget och arbetsstycket baserat på kontrollerad rörelse. Typiska konfigurationer för användning av MR-finishprocesser inkluderar rotation av antingen ett hjul eller en liten punkt, där MR-vätskan blir ett förstyvat poleringsområde; fram- och återgående flödessystem, vanligtvis användbara i hybrider av slipande flödestyp för interna passager; och roterande arbetsstycken, vilket ofta ger en mer konsekvent och högre potential för borttagningshastigheter på cylindriska eller friformskonstruktioner. Dessutom, med justerbar rörelse och funktioner, kan tillverkarna finjustera både borttagningshastigheten och finishen med justerbar styvhet hos mediet.
material
Magnetiska ytbehandlingsprocesser är mycket flexibla; materialens reaktioner beror dock på både deras magnetiska egenskaper och deras mekaniska egenskaper.
Mest lämpliga: Ferromagnetiska och relativt hårda material som stål och aluminiumlegeringar är generellt lämpliga material för magnetisk slipande ytbehandling. Inom optik är spröda keramer som smält kiseldioxid, BK7-glas och enkristallkisel utmärkta material för magnetoreologisk ytbehandling och producerar defektfria ytor med nanometerstor ytjämnhet.
Minst lämpliga: Mjuka polymerer och vissa icke-järnmetaller (som koppar och mässing) är svåra material att bearbeta eftersom deras låga magnetiska permeabilitet innebär att slipverktygets styrka som formas i fält inte ger tillräcklig kraft. Polymerer riskerar att uppleva plöjning istället för ren materialavverkning, och precision kan begränsa uppnåeliga toleranser.
Processparametrar.
Typiska processparametrar för bearbetning till en jämn nanofinish är följande.
- Magnetisk flödestäthet – detta avgör verktygets styvhet, vilket applicerar poleringstryck.
- Karbonyljärnpartikel (CIP) och slipmedelskoncentration och -storlek – med högre koncentrationer av slipmedlet ökar avverkningshastigheten (MRR); för mycket belastning gör dock att CIP förlorar stabilitet i mediet.
- Arbetsspalt – avståndet mellan magneten och arbetsstycket; ju mindre spalten är, desto starkare är den magnetiska borsten, men lokala krafter kan öka.
- Relativ rörelse – antingen rotationsrörelse, fram- och återgående rörelse eller en kombination därav – etablerar skjuvverkan på ytan.
- Bearbetningstid – om cyklerna är längre förbättras finishen, men genomströmningen minskar; därför är optimering avgörande för bearbetningsskalor för produktion.
Fördelar
- Noggrann kraftkontroll möjliggör polering till nanometernivå med liten skada på underlaget.
- Adaptiv anpassning av den magnetiska borsten eller MR-vätskebandet möjliggör efterbehandling av komplexa former, fria ytor och interna passager.
- Värme- och skräphanteringen förbättras i sig eftersom det flytande mediet kan avlägsna värme och lösa partiklar, vilket minskar termiska påfrestningar och defekter på ytan.
Nackdelar
- De låga avverkningshastigheterna på mycket hårda material begränsar konkurrenskraften där betydande materialavverkning behövs.
- MR-vätskan är unikt utmanande eftersom det finns problem som sedimentation, stabilitet och tillsatser som komplicerar långsiktig drift.
- På icke-järnhaltiga och diamagnetiska material har MR-vätskan minskad effektivitet jämfört med omvänd eller dålig magnetisk interaktion.
- Uppvärmningen av elektromagneten kommer att undergräva MR-vätskans egenskaper och kan kräva aktiv kylning eller en övergång till en permanentmagnet.
Applikationer.
Optik – polering av linser och speglar samt korrigerande figurkontroll för högpresterande optiska system.
Biomedicinska implantat – ytbehandling av protesleder, stentar och andra friformade medicinska delar som kräver minskat slitage och bättre biokompatibilitet.
Precisionsteknik – ytbehandling av kugghjul, bränsleinsprutare, mikromunstycken och hydrauliska komponenter; samt efterbehandling av metalldelar för additiv tillverkning där släta interna kanaler är avgörande.
