Magnetfältsassisterad efterbehandling

Magnetfältsassisterad efterbehandling , ibland kallad magnetisk abrasiv efterbehandling , är en ytbehandlingsteknik där ett magnetfält används för att tvinga slipande partiklar mot målytan. Som sådan är efterbehandling av konventionellt otillgängliga ytor (t.ex. insidan av ett långt krökt rör) möjligt. Magnetic field-assisted finishing (MAF) processer har utvecklats för en mängd olika applikationer, inklusive tillverkning av medicinska komponenter, vätskesystem, optik , formar och formar, elektroniska komponenter, mikroelektromekaniska system och mekaniska komponenter.

Historia

MAF utvecklades ursprungligen som en bearbetningsprocess i USA på 1930-talet, med det första patentet på 1940-talet. Universitetsforskningen i Sovjetunionen, Bulgarien, Tyskland, Polen och USA började på 1960-talet med praktisk användning på 1980- och 1990-talen. Tillväxten av halvledar-, flyg- och optikindustrin har resulterat i fortsatt utveckling av bättre metoder för att uppnå hög formnoggrannhet och ytintegritet.

Teori

Magnetic Assisted Finishing eller "MAF" är i huvudsak manipulering av en homogen blandning av magnetiska partiklar och slipande partiklar med ett magnetfält för att ge en bearbetningskraft på ett arbetsstycke. Relativ rörelse mellan partikelblandningen och arbetsstyckets yta resulterar i att material avlägsnas. Eftersom MAF inte kräver direkt kontakt med verktyget kan partiklarna införas i områden som är svåra att nå med konventionella tekniker. Ytterligare ett noggrant val av magnetiska partiklar och slipande partiklar ger upphov till ytstruktur och ojämnhetskontroll som tidigare var omöjlig, särskilt för svåråtkomliga områden.

Fältkällor

Magnetfältskällan i MAF är vanligtvis en elektromagnet eller en permanentmagnet av sällsynta jordartsmetaller. En permanentmagnet erbjuder hög energitäthet, brist på överhettning vilket resulterar i en konstant flödestäthet, låg kostnad, enkel integrering i befintlig CNC-utrustning och enkelhet. Vissa applikationer kräver justering av flödestätheten under efterbearbetning, eller kräver ett omkopplingsmagnetfält, vilket endast kan uppnås med en elektromagnet eftersom magnetfältet i en permanentmagnet inte helt enkelt kan stängas av.

Utrustning

Relativ rörelse mellan den magnetiska/slipande partikelblandningen och arbetsstycket är avgörande för materialborttagning. Det finns flera alternativ för att uppnå den nödvändiga rörelsen. En vanlig inställning är rotationen av den magnetiska polspetsen. Detta görs genom att antingen rotera hela permanentmagnetuppsättningen eller genom att endast vrida stålstolpen. En annan metod som vanligtvis används vid invändig efterbehandling är rotationen av arbetsstycket, detta är tyvärr begränsat till axialsymmetriska arbetsstycken. Förutom rotationsrörelse finns det oscillerande och vibrationskonfigurationer som är tillämpliga.

Kraft på en partikel

Börja med det vanliga uttrycket för kraft på ett magnetiskt dipolmoment i ett magnetfält,

${\vec {F}}=\nabla ({\vec {m}}\cdot {\vec {B}})$

Härifrån, gör antagandet att momentet för den magnetiska partikeln är kolinjärt med det applicerade fältet. Detta är ett rimligt antagande med tanke på den lilla storleken och höga känsligheten hos de magnetiska partiklarna. Så ekvationen blir,

${\vec {F}}=m\nabla B$

Genom att använda följande identiteter för att erhålla en mer användbar ekvation för att beskriva kraften som upplevs av en enskild magnetisk partikel,

$m=MV$

$M=H_{k}\chi$

$B=\mu _{0}H_{a}$

Genom att ersätta ovanstående definitioner i ekvationen för magnetisk kraft ger,

${\vec {F}}=\mu _{0}\chi VH_{k}\nabla H_{a}$

var,

• $H_{k}$ är det maximala applicerade fältet för mättnad av den magnetiska partikeln
• $H_{a}$ är den applicerade magnetfältets intensitet
• $B$ är den magnetiska flödestätheten
• $M$ är magnetiseringen av partikeln, som antas vara mättad
• $m$ är det magnetiska dipolmomentet
• $\nabla H$ är magnetfältsgradienten
• $V$ är volymen av partikeln (förutsatt att den är sfärisk)
• $\chi$ är materialets magnetiska susceptibilitet
• $\mu _{0}$ är permeabiliteten för ledigt utrymme

Borsta

Borstens sammansättning

Magnetiska material

Järn och dess oxider

Kobolt

Nickel

Stål och Rostfritt stål

Slipmedel

Syntetisk diamant

Kubisk bornitrid CBN

Aluminiumoxid Al_2O_3

Kiselkarbid SiC

Vanliga magnetiska slipmaterial

Vit aluminiumoxid + järn

diamant + järn

volframkarbid + kobolt

Borstbildning

Det är en teori om att bildningen av borsten styrs av tre drivande energier. Den första energin Wm är magnetiseringsenergin mellan partiklar som resulterar i bildandet av magnetiska kedjor av partiklar. Nästa energi är känd som Repulsionsenergi. Om detta är separationen av intilliggande kedjor av materialpartiklar som drivs av Faraday-effekten, är detta anledningen till att kedjorna inte omedelbart blandas till en gigantisk kedja. Slutligen kallas den tredje energin för spänningsenergin Wt, detta syftar på den energi som krävs för att motverka de krökta magnetkedjorna.

Därför är energin som krävs för att bilda den magnetiska borsten som följer:

$W=W_{m}+W_{f}+W_{t}$

Krafter applicerade med borste

Kraften som appliceras på ytan av en magnetisk partikel i den magnetiska borsten kan delas upp i två komponenter. Normalkraften och tangentialkraften.

Normalkraften på ytan som appliceras av en magnetisk partikel kan definieras som en funktion av area S och magnetfält B i följande uttryck:[3]

$F_{n}=mf_{n}={\frac {B^{2}}{2\mu _{0} }}\left(1-{\frac {1}{\mu _{m}}}\right)S$

Där permeabiliteten för de magnetiska partiklarna definieras av en volymfraktion av järnpartiklar definierad som:

${\displaystyle \mu _{m}={\frac {2+\mu _{F}-2 (1-\mu _{F})Vi}{2+\mu _{F}-(1-\mu _{F})Vi}}} Där f n = {\displaystyle f_$

{

$}$ normal kraft per partikel

$m=$ antal partiklar partikel

$B=$ Magnetiskt B Fält

$S=$ Areafaktor S

$\mu _{0}=$ permeabilitet för luft

$\mu _{m}=$ permeabilitet för magnetiska partiklar

$\mu _{f}=$ permeabilitet för järnpartiklar

Borstens tangentiella kraft kan definieras som en förändring i energin hos borsten på grund av ett hinder. Eftersom den magnetiska partikeln föredrar att vara i det lägsta energitillståndet kan en ökning av energin på grund av avvikelse från de magnetiska flödeslinjerna resultera i en horisontell "återställande" kraft som verkar på arbetsstyckets yta. Denna återställande kraft kan definieras som:

$F_{H}={\frac {dW}{dx}}$

Materialborttagning

Kombinationen av tangentiell kraft och normala krafter som utövas av borsten på arbetsstycket är teoretiserad för att avlägsna material från de övre topparna av ytornas ojämnheter. Denna process upprepas när kontakten mellan borsten och ytan fortsätter under efterbehandlingen. Med tiden ytjämnheten på arbetsstyckets yta ett minimivärde, detta beror på de fysiska begränsningarna för den aktuella efterbehandlingsuppsättningen. Specifikt bestämmer valet av järnpartiklar och slipande partiklar den minsta ytjämnhet som kan uppnås. När ytråheten minskar är mindre slipande partiklar nödvändiga för att fortsätta avlägsna material.

MAF kan enkelt uppnå grovhetsvärden som sträcker sig från 200 μm Ra ner till 1 nm Ra, vilket visar graden av anpassning som är tillgänglig för en MAF-inställning. Partikelstorlekarna för de magnetiska partiklarna i borsten dikterar slutkraften som styrs av den magnetiska kraften på en partikelekvation. ökande partikelstorlek har emellertid negativa effekter såsom oförmågan att hålla små slipmedel och närvaron av luftgap som ett resultat av en större packningsfaktor. För att lindra dessa problem är det vanligt att blanda de magnetiska partiklarna med både stora och mindre partiklar för att "fylla" borstens "hål", de små partiklarna täcker effektivt de större partiklarna i partikelkedjan. Noggrann kontroll av ytstrukturen och grovheten kan manipuleras genom val av rätt slipmedelsstorlek och oscillationshastighet och spindelvarv per minut. Generellt sett, ju snabbare borstens rörelse desto tätare finishmarkeringar på ytan och desto högre ytjämnhet.

Typer

MAF kan delas in i tre huvudkategorier, var och en definierad av typen av magnetiska partiklar som används i efterbehandlingsoperationen. Varje typ har sin specifika nisch som den kan uppfylla bättre än sina motsvarigheter, därför är det viktigt att veta hur processen tillämpas för att välja rätt efterbehandling. De olika MAF-processerna listas i ökande ytjämnhetsupplösning samtidigt som de minskar i applicerad kraft. Detta beror främst på minskningen av järnpartikelstorlek från en typ av ytbehandling till nästa. Dessa processer är bara allmänna termer och exempel för vissa MAF-inställningar, det är viktigt att notera att var och en av dessa processer har olika variationer för att öka tillämpbarheten på andra arbetsstycken.

Magnetisk slipande finish

Magnetic Abrasive Finishing hänvisar till att använda 1 μm - 2 mm järnpartiklar blandade med ett slipmedel för att applicera bearbetningskraften genom manipulering av partiklarna med ett magnetfält. Blandningen av magnetiska partiklar och slipmedel kallas vanligtvis för "magnetborsten" eftersom den ser ut och beter sig som en stålborste. Till skillnad från en konventionell borste är de magnetiska kedjorna av partiklar flexibla och kommer att anpassa sig runt vilken geometri som helst. När förskjutningen av borsten ökar utöver flexibiliteten hos hylsan kan de magnetiska borsten gå sönder och reformeras ytterligare, vilket ytterligare ökar flexibiliteten och mångsidigheten i denna efterbehandlingsprocess. Därför är den här specifika varianten av MAF inriktad på efterbehandling av de yttre ytorna i fri form, såsom bärytor eller proteser. Emellertid kan den också lätt appliceras på interna efterbehandlingsprocesser och är särskilt effektiv för att efterbearbeta de invändiga ytorna på arbetsstycken som är svåra att komma åt på annat sätt, såsom kapillärrör och andra små nålar. Huvudskillnaden mellan inre och yttre efterbehandlingsoperationer är placeringen av borsten och arbetsstycket, men kraftanbringningen är i huvudsak densamma, varför materialavlägsningsmekanismen är identisk i båda fallen. En nyckelparameter som användaren måste vara medveten om är korrekt komplettering av den magnetiska kretsen för att säkerställa att det magnetiska flödet jämnt tränger igenom arbetsstycket på önskad slutpunkt. Tillsatsen av ett oljebaserat smörjmedel kan magnetborsten också betraktas som en magnetoreologisk vätska.

Ansökningar

Friformsfinish

Proteser

Skärverktyg

Turbinblad

Aerofoils

Optik

Invändig finish

Sanitetsrör Livsmedelsindustrin

Kapillärrör

i medicinska fält

Stent, kateterskaft, nålar, biopsinålar, etc

Krökta rör

Magnetorheologisk efterbehandling

Magnetorheological finishing eller "MRF" använder skjuvning av en viskös blandning av mikronstora järnpartiklar, slipmedel och olja för att ge en bearbetningskraft eller tryck på arbetsstyckets yta. Denna magnetiska partikelblandning kallas vanligtvis för ett band och är extremt trögflytande i närvaro av ett magnetfält, den ökade viskositeten och olika vätskeegenskaper liknar de hos en Bingham-vätska snarare än en Newton-vätska. I en typisk MRF-efterbehandlingsuppsättning pumpas MRF-vätskan på ett roterande hjul som är anslutet till en elektromagnet. När elektromagneten aktiveras övergår vätskan till ett mer visköst tillstånd, sedan pressas arbetsstycket på vätskan vilket resulterar i en skjuvning av vätskan vilket resulterar i att material avlägsnas vid gränsytan mellan arbetsstycket och MRF. En av egenskaperna hos en Bingham-vätska är att när hastigheten ökar, ökar kraften som krävs för att klippa proportionellt, varför en ökad hjulrotationshastighet resulterar i en ökad bearbetningskraft vid klippning. Denna speciella installation är idealisk för stora icke-magnetiska arbetsstycken i fri form som glasoptik. Det är också vanligt att tillämpa på stora icke-magnetiska arbetsstycken där tjockleken på arbetsstycket resulterar i svårigheter att få magnetfältet att effektivt tränga igenom på den önskade platsen, varför denna uppställning inte förlitar sig på den noggranna designen av den magnetiska kretsen.

Ansökningar

Sub-nanometer skala polering

Friformade icke-magnetiska arbetsstycken

Optik

Keramik

Magnetisk vätska efterbehandling

Vid magnetisk vätskebehandling används en lösning av ferrofluid och slipande partiklar som den magnetiska partikelblandningen. Vanligtvis är detta tillämpligt för applikationer där även andra typer av MAF inte kan komma åt eller när ett mindre trögflytande medium önskas. Ett exempel på tillämpning av magnetisk vätskebearbetning är mikroporoptik av kisel, i fallet med denna speciella optik ska sidoväggarna ytbehandlas till <1,0 nm rms för röntgenreflektion. Porerna är 5μmx20μmx300μm vilket gör det praktiskt taget omöjligt att komma åt med någon konventionell teknik. Den magnetiska partikeln och slipmedelslösningen placeras i ett alternerande och växlande magnetfält för att uppmuntra vätskeflöde från ena sidan av optiken till den andra sidan. Detta flöde resulterar i materialavlägsnande av sidoväggarna genom vätskans momentum och skjuvning av sidoväggarna med slipmedlen. En annan applikation är i efterbehandling av keramiska lagerkulor. Detta är också känt som magnetisk flottörpolering och använder en magnetisk vätska med en magnetisk "float" för att säkerställa en jämn tryckfördelning på sfärytan under rotation. Detta resulterar i en likformig applicering av finishkraft på arbetsstyckets yta.

Ansökningar

Kullager och rullar

med hög precisionsoptik

Förmågor

• Kan uppnå ett brett spektrum av ytegenskaper genom noggrant urval av magnetiska partiklar och slipande partiklar
  • Grovhetsvärden från 200 um - 1 nm
  • Texturering
    • Förbättra ytegenskaper som vätbarhet eller minska friktionen
• Kan komma åt svåråtkomliga områden
• Kan modifiera grovheten utan att ändra formen
• Inställningen är oberoende av arbetsstyckets material
  • Kan effektivt bearbeta keramik, rostfritt stål, karbider, belagda karbider och kisel
  • Flexibel applicering av kraft och jämn tryckfördelning minskar monteringskostnaden
    • Vibrationer i bearbetningscentret och bearbetningsverktyget överförs inte till arbetsstyckets yta

Begränsningar

• Kan vara svårt att skala upp till massproduktion
• Inte lika tillämpligt på vissa "vanliga" efterbehandlingsuppgifter där konventionella efterbehandlingstekniker kan användas

• Kalpakjian S, Schmid S, "Manufacturing Processes" 5:e upplagan Pearson 2008
• Yamaguchi H, Sato T, "Polering och magnetfältsassisterad efterbehandling" Intelligent energifältstillverkning Tvärvetenskapliga processinnovationer 2012
• Mori T, Hirota K, Kawashima Y, "förtydligande av magnetisk abrasiv efterbehandlingsmekanism" Journal of Materials Processing Technology 2003
• Graziano A, Ganguly V, Yamaguchi H, "Karakteristika hos koboltkromlegeringsytor färdiga med magnetisk slipande finish" ASME 2012
• Yamaguchi H, Riveros R, Mitsuishi I, Ezoe Y, "Magnetisk fältassisterad efterbehandling av mikroporösa röntgenfokuserande speglar tillverkade av DRIE" CIRP tillverkningsteknik 2010
• Yamaguchi H, Shimura T, "Studie av ytmodifieringen som är ett resultat av en intern magnetisk abrasiv finishprocess" Wear 1999
• Rusetski A, Mokeev A, Korobko E, "Formation av ett lager av magnetoreologisk vätska på ytan av det rörliga föremålet i det gradientmagnetiska fältet" Journal of physics 2013
• Umehara, N., MAGIC polishing, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, 341-343, 2002.